Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy (research the influences of the turbocharger nozzle on the power of marine diesel engines)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM NCS NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP.HCM – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM NCS NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Hồng Dương PGS.TSKH Đỗ Đức Lưu TP.HCM – 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tên Nguyễn Quang Vinh – tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun tua bin tăng áp đến công suất động diesel tàu thủy”, hướng dẫn tập thể hướng dẫn khoa học: TS Bùi Hồng Dương PGS.TSKH Đỗ Đức Lưu Bằng danh dự thân, xin cam đoan rằng: Luận án công trình nghiên cứu riêng riêng tơi, khơng có phần nội dung chép cách bất hợp pháp, từ cơng trình nghiên cứu tác giả hay nhóm tác giả khác; – Các số liệu kết nghiên cứu nêu luận án, chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác trước đó; – Các thơng tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo luận án rõ xuất xứ, nguồn gốc đảm bảo tính trung thực./ Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Quang Vinh ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh cho phép tạo điều kiện cho tác giả thực luận án Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tri ân đến tập thể hướng dẫn, TS Bùi Hồng Dương PGS.TSKH Đỗ Đức Lưu hướng dẫn tận tình suốt trình học tập, nghiên cứu Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đến TS.Lê Văn Vang có ý kiến đóng góp quý báu luận án Tác giả trân trọng cảm ơn Viện Đào Tạo Sau Đại Học, Viện Hàng Hải, khoa, phòng ban tạo điều kiện cho tác giả suốt trình học tập nghiên cứu trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh Xin cảm ơn Viện Nghiên Cứu KH&CN Hàng Hải, Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam, Công ty CP Vận tải biển GLS tạo điều kiện tốt để tác giả hồn thành chương trình thực nghiệm Tác giả trân trọng tiếp thu cảm ơn ý kiến đóng góp, nhận xét nhà khoa học, chuyên gia, giảng viên, cán công nhân viên đồng nghiệp nhà trường Tác giả bày tỏ lòng cảm ơn đến lãnh đạo, huy đồng nghiệp Trường CĐ Hải Quân, Trường Sĩ Quan Kỹ Thuật Quân Sự tạo điều kiện tốt để tác giả an tâm học tập, nghiên cứu Đồng thời, tác giả cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp ln động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua trở ngại khó khăn để hoàn thành luận án iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Những đóng góp luận án Bố cục luận án Chương TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 1.1 Tổng quan nâng cao công suất tiêu kỹ thuật động diesel tàu thủy phương án tăng áp 1.2 Sự suy giảm công suất tiêu kỹ thuật theo trình khai thác động diesel tàu thủy 11 1.3 Sự thay đổi điểm cơng tác (tải – mơ men vịng quay) động diesel tàu thủy 13 1.4 Ống phun tua bin tăng áp 16 1.5 Tình hình nghiên cứu tua bin tăng áp ống phun 18 1.6 Đặt toán phương hướng nghiên cứu 27 1.7 Kết luận chương 29 iv Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 30 2.1 Giới thiệu 30 2.2 Chu trình cơng tác động diesel kỳ 30 2.3 Mơ hình nhiệt động dịng khí qua máy nén 36 2.4 Mô hình nhiệt động dịng khí qua tua bin 40 2.5 Quan hệ tua bin máy nén 53 2.6 Phối hợp công tác động tua bin tăng áp 54 2.7 Các tiêu công tác động 56 2.8 Phương pháp xử lý số liệu mô thực nghiệm 57 2.9 Kết luận chương 58 Chương MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY ĐANG KHAI THÁC 59 Giới thiệu 59 Sơ đồ thuật tốn dùng mơ q trình cơng tác tổ hợp động – tua bin tăng áp 59 Phương pháp đánh giá độ xác mơ hình mơ 63 Lựa chọn phần mềm mô 65 Mô tổ hợp động tua bin tăng áp Deutz 226B 66 Mô tổ hợp động tua bin tăng áp MAK43 85 Kết luận chương 94 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 95 4.1 Giới thiệu 95 4.2 Nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm 96 v 4.3 Nghiên cứu thực nghiệm động diesel tàu thủy khai thác 108 4.4 Kết luận chương 113 KẾT LUẬNVÀ KIẾN NGHỊ 115 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 Phụ lục 01 Các thông số kỹ thuật động Deutz 226B Phịng thí nghiệm động – Viện Khoa học Công nghệ Hàng hải 128 Phụ lục 02 Hình ảnh thí nghiệm phịng thí nghiệm 129 Phụ lục 03 Các kết thử nghiệm động MAK 43 nhà máy sản xuất 131 Phụ lục 04 Kết kiểm tra công suất động tàu 134 Phụ lục 05 Hình ảnh thực nghiệm tàu 137 Phụ lục 06 Xác nhận đơn vị chủ quản tàu 139 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu Ký hiệu A ap , ad , mp,md AT cp,cv ge icyl Jt k ka, ke Đơn vị m2 – m2 J/kg.K g/kW.h – kg.m2 – ṁ n2 ne,nt p kg/s – v/ph N/m2, bar ps, pc,pz N/m2, bar P Pc Pt QH Ra, Re Raf Rbs T U, C uf ut V W, Ẇ t   e, gh  c r   kW kW kW J/kg J/kg.K – – K m/s g/chu trình % m3 J, W độ – – % – – – rad, độ Ý nghĩa Diện tích, tiết diện Các thơng số hiệu chỉnh q trình cháy Tiết diện ống phun Nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích Suất tiêu hao nhiên liệu có ích Số xy lanh Mơ men qn tính cụm tăng áp Tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp đẳng tích (cp/cv) Tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp đẳng tích khí nạp, khí xả Lưu lượng khối lượng Hệ số mũ đa biến q trình giãn nở Tốc độ vịng quay động cơ, tua bin Áp suất Áp suất khí nạp, áp suất cuối trình nén, áp suất cháy cực đại Cơng suất Cơng suất có ích MN Cơng suất có ích TB Nhiệt trị thấp nhiên liệu Hằng số khí nạp, khí xả Tỷ số khơng khí/nhiên liệu Tỷ số tốc độ cánh Nhiệt độ Vận tốc Nhiên liệu cấp vào chu trình cơng tác Độ mở ống phun Thể tích Cơng, Cơng suất Góc mở ống phun Hệ số nhiên liệu cháy đẳng tích Tỷ số nén động diesel Sai lệch, Giới hạn sai lệch Hệ số dòng chảy máy nén Hệ số khí sót động diesel Hiệu suất động diesel Góc quay trục khuỷu vii Ký hiệu s c Đơn vị độ – t, t ,noz – t  t ,noz – kg/m3 rad/s –   c Ý nghĩa Góc bắt đầu cháy nhiên liệu Tỷ số tăng áp khí nạp qua máy nén (p2/p1) Tỷ số giãn nở khí xả qua tua bin (p3/p4) OP (p3’/p3) Nghịch đảo tỷ số giãn nở t , t ,noz Khối lượng riêng Vận tốc góc Hệ số chuyển hóa lượng máy nén Các số dưới: Ký hiệu a c e f s i Ý nghĩa Cuối trình nạp (pa, Ta …) Cuối q trình nén (pc, Tc…) Thơng số trung bình (pe) Nhiên liệu Trước xupáp nạp (ps, Ts…) Thông số thị (pi, Ti, Pi…) r Cuối q trình xả (pr, Tr…) w Thơng số có ích (Pw) Các chữ viết tắt Viết tắt CFD DAQ ĐCT ĐCD GQTK MDE MN MVEM OP PC TB TBTA Tiếng Anh Computational dynamics Data acquisition Ý nghĩa fluid Lý thuyết động lực học chất lưu Marine diesel engine Mean value engine model Personal computer Bộ thu thập liệu Điểm chết động diesel Điểm chết động diesel Góc quay trục khuỷu Động diesel tàu thủy Máy nén Mơ hình giá trị trung bình Ống phun tua bin tăng áp Máy tính cá nhân Tua bin Tổ hợp tăng áp tua bin khí xả viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tỷ lệ chuyển hóa lượng động diesel [92] Bảng 3.1 Danh sách thông số đầu vào cho mô 61 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật động Tua bin tăng áp [90] 67 Bảng 3.3 Đánh giá kết mô động Deutz 226B 78 Bảng 3.4 Các thời điểm đặc biệt đồ thị áp suất Hình 3.16 (Quy ước vị trí piston ĐCT tương ứng với góc quay trục khuỷu 0) 79 Bảng 3.5 Các thời điểm đặc biệt đồ thị áp suất Hình 3.17 (Quy ước vị trí piston ĐCT tương ứng với góc quay trục khuỷu 0) 80 Bảng 3.6 Sự thay đổi công suất, Pw=f(LI, ut) 82 Bảng 3.7 Sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích, ge= f(LI, ut) 82 Bảng 3.8 Sự thay đổi áp suất khí nạp, pim= f(LI, ut) 82 Bảng 3.9 Sự thay đổi nhiệt độ khí xả Te= f(LI, ut) 82 Bảng 3.10 Thơng số kỹ thuật động MAK43 [33] 86 Bảng 3.11 Công suất động theo chế độ tải tiết diện ống phun 90 Bảng 3.12 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích theo tải tiết diện ống phun 91 Bảng 3.13 Nhiệt độ khí xả theo tải tiết diện ống phun 91 Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ điện tử 97 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật cảm biến áp suất điện tử 97 Bảng 4.3 Bảng mô tả chế độ thực nghiệm 100 Bảng 4.4 Đánh giá thay đổi ge chế độ 50% tải, 1500 v/ph 104 Bảng 4.5 Thay đổi công suất theo độ mở ống phun (50% tải) 105 Bảng 4.6 Đánh giá thay đổi ge 1500 v/ph 25% tải 107 Bảng 4.7 Thay đổi công suất theo độ mở ống phun (25% tải) 107 Bảng 4.8 Bảng thống kê số hoạt động động theo chế độ tải: 110 Bảng 4.9 Đánh giá hiệu điều chỉnh ống phun 112 126 doi:https://doi.org/10.1096/fasebj.1.5.3315805 [71] Hung Nguyen-Schäfer (2015), "Thermodynamics of Turbochargers", Rotordynamics of Automotive Turbochargers, Springer, tr 21-36, doi:https://doi.org/10.1007/978-3-319-17644-4_2 [72] Yoshihisa Ono, Yasuhiro Wada Takeshi Tsuji (2018), Development of large marine hybrid turbocharger for generating electric power with exhaust gas from the main engine, The 4th Conference of Science and Technology tr [73] Katsuyuki Osako cộng (2013), "Development of twinscroll turbine for automotive turbochargers using unsteady numerical simulation", Mitsubishi Heavy Industries Technical Review 50(1), tr 23 [74] Srithar Rajoo (2007), Steady and pulsating performance of a variable geometry mixed flow turbocharger turbine, Doctor of Science, University of London [75] Kenneth John Rawson Eric Charles Tupper (2001), Basic Ship Theory Vol 1, Butterworth-Heinemann, ISBN:0750653965 [76] D Samoilenko, A Marchenko HM %J Journal of Mechanical Science Cho (2017), "Improvement of torque and power characteristics of V-type diesel engine applying new design of Variable geometry turbocharger (VGT)", Journal of Mechanical Science Technology 31(10), tr 5021-5027, ISSN:1976-3824 [77] Harsh Sapra cộng (2017), "Experimental and simulation-based investigations of marine diesel engine performance against static back pressure" 204, tr 78-92, ISSN:0306-2619, doi:https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.06.111 [78] Johan Schieman (1996), "ABB Turbocharging Operating turbochargers" [79] P J M Schulten D Stapersma (2003), Mean Value Modelling of the Gas Exchange of a 4-stroke Diesel Engine for Use in Powertrain Applications, chủ biên, SAE International, doi:10.4271/2003-01-0219 [80] Hamid B Servati Robert G DeLosh (1986), A regression model for volumetric efficiency, SAE Technical Paper, doi:https://doi.org/10.4271/860328 [81] G Sieros, A Stamatis Mathioudakis (1997), "Jet engine component maps for performance modeling and diagnosis", Journal of Propulsion Power 13(5), tr 665-674, ISSN:0748-4658, doi:https://doi.org/10.2514/2.5218 [82] Kang Song, Devesh Upadhyay Hui Xie (2019), "A physics-based turbocharger model for automotive diesel engine control applications" 233(7), tr 1667-1686, ISSN:0954-4070, doi:https://doi.org/10.1177%2F0954407018770569 [83] International Organization for Standardization (2002), ISO 3046-1:2002 [84] Yongrui Sun cộng (2017), "Development and validation of a marine sequential turbocharging diesel engine combustion model based on double Wiebe function and partial least squares method", Energy Conversion Management 151, tr 481-495, ISSN:0196-8904, 127 [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] doi:https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.08.085 Tatsuo Takaishi cộng (2008), "Approach to high efficiency diesel and gas engines", Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.Technical Review 45(1), tr 21-24 Yuanyuan Tang cộng (2017), "Development of a real-time twostroke marine diesel engine model with in-cylinder pressure prediction capability", Applied energy 194, tr 55-70, ISSN:0306-2619, doi:https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.03.015 Gerasimos Theotokatos Vasileios Tzelepis (2015), "A computational study on the performance and emission parameters mapping of a ship propulsion system", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment 229(1), tr 58-76, ISSN:1475-0902, doi:10.1177/1475090213498715 Jun Wang cộng (2019), "Power recovery of a variable nozzle turbocharged diesel engine at high altitude by response surface methodology and sequential quadratic programming", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering 233(4), tr 810-823, ISSN:0954-4070 N Watson, AD Pilley Mohamed Marzouk (1980), A combustion correlation for diesel engine simulation, SAE Technical Paper, doi:https://doi.org/10.4271/800029 Weichai_Deutz (2015), 226B Series Marine Diesel Engines Christopher T Wilbur DA Wight (2016), Pounder's Marine Diesel Engines, Elsevier, ISBN:1483102580 Doug Woodyard (2009), Pounder's marine diesel engines and gas turbines, Butterworth-Heinemann, ISBN:0080943616 Gerhard Woschni (1967), A universally applicable equation for the instantaneous heat transfer coefficient in the internal combustion engine, SAE Technical paper, doi:https://doi.org/10.4271/670931 Zhi-Min Yao cộng (2019), "Energy efficiency analysis of marine high-powered medium-speed diesel engine base on energy balance and exergy", Energy Conversion 176, tr 991-1006, ISSN:0360-5442, doi:https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.04.027 Tao Zeng (2017), Modelling and Control of a Turbocharged Diesel Engine, Doctor of Science, Michigan State University Tao Zeng Guoming G Zhu (2017), "Control-oriented turbine power model for a variable-geometry turbocharger", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering 232(4), tr 466-481, ISSN:0954-4070, doi:10.1177/0954407017702996 Jizhong Zhang cộng (2007), Design of turbocharger variable nozzle, Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, tr 1313-1319, ISBN:0791847950 128 Phụ lục 01 Các thông số kỹ thuật động Deutz 226B Phịng thí nghiệm động – Viện Khoa học Công nghệ Hàng hải 129 Phụ lục 02 Hình ảnh thí nghiệm phịng thí nghiệm Giám sát điều khiển động Hệ thống tăng áp Hệ thống giảm nhiệt đo áp suất khí xả Đo áp suất Lắp đặt cảm biến Bảng hiển thị chỗ 130 Giám sát từ xa Bể nước muối tạo tải điện Kết nối thiết bị Bộ thu thập liệu Kiểm tra tua bin tăng áp Tua bin tăng áp GT1749V 131 Phụ lục 03 Các kết thử nghiệm động MAK 43 nhà máy sản xuất 132 133 134 Phụ lục 04 Kết kiểm tra công suất động tàu 135 136 137 Phụ lục 05 Hình ảnh thực nghiệm tàu Tàu Phúc Hưng Động MAK43 tàu Hệ thống điều khiển từ xa Hệ thống tăng áp Bảng điều khiển chỗ Tháo ống góp khí xả 138 Tháo ống góp khí xả Động tua bin tăng áp b h Đo chiều cao ống phun Đo chiều rộng ống phun 139 Phụ lục 06 Xác nhận đơn vị chủ quản tàu 140 ... quan nghiên cứu ảnh hưởng ống phun tua bin tăng áp đến động diesel tàu thủy Chương Cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu ảnh hưởng ống phun tua bin tăng áp đến công suất tiêu kỹ thuật động diesel tàu thủy. .. trình cơng tác động diesel tàu thủy tăng áp tua bin xung áp – Nghiên cứu mô ảnh hưởng tiết diện góc dẫn hướng ống phun tua bin tăng áp đến công suất tiêu kỹ thuật động diesel tàu thủy – Nghiên cứu. .. diện góc dẫn hướng ống phun ảnh hưởng đến cơng suất tua bin, từ đến ảnh hưởng công suất động Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun đến hoạt động tua bin động nhằm nâng cao công suất, hiệu suất tiêu kinh