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) TT

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 Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 9520116 Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Hồng Dương PGS.TSKH Đỗ Đức Lưu TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP.HCM – 2021 Cơng trình hồn thành trường Đại học Giao thơng Vận tải Tp.Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Hồng Dương PGS.TSKH Đỗ Đức Lưu Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường, họp Trường Đại học Giao thông Vận tải Tp.Hồ Chí Minh vào hồi … … phút, ngày … tháng … năm 2021 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Bài báo đăng tạp chí kỷ yếu hội nghị nước: Nguyễn Quang Vinh, Bùi Hồng, Dương Lê Văn Vang Modeling turbocharger of marine diesel generator engine in steady load conditions, Hội nghị Khoa học Cơng nghệ Cơ khí Động lực lần thứ XII, Câu lạc Cơ khí Động lực, báo đăng tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mơi trường số đặc biệt, 2019 http://tailieuso.tlu.edu.vn/handle/DHTL/9232 Nguyễn Quang Vinh, Lê Văn Vang, Bùi Hồng Dương, Đỗ Đức Lưu Mô q trình cơng tác động diesel tàu thủy kỳ 6EY26W sở hồ sơ kỹ thuật động Hội Nghị Khoa Học Công Nghệ lần thứ 4, ĐH Giao Thơng Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh, 2018 Nguyễn Quang Vinh, Lê Văn Vang, Bùi Hồng Dương Mơ hình tốn cụm tăng áp tua bin khí động diesel kỳ xác định ảnh hưởng độ mở ống phun đến đặc tính làm việc Hội Nghị Khoa Học Công Nghệ lần thứ 4, ĐH Giao Thông Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh, 2018 Nguyễn Quang Vinh, Lê Văn Vang, Bùi Hồng Dương, Nghiên cứu xác định hệ số khí sót động diesel kỳ phương pháp phân tích chu trình nhiệt động Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thơng vận tải, 2017 Lê Văn Vang, Bùi Hồng Dương, Nguyễn Quang Vinh Nghiên cứu đặc tính áp suất lưu lượng khí nạp chế độ làm việc động diesel tăng áp tua bin khí xả Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Giao thơng vận tải, 2017 Bài báo đăng tạp chí kỷ yếu hội nghị quốc tế: Do Duc Luu, Nguyen Quang Vinh Affections of Turbine Nozzle Cross-Sectional Area to the Marine Diesel Engine Working International Journal of Maritime Science & Technology, Croatia, 2021 Tạp chí nằm danh mục ESCI Q2-Scopus https://doi.org/10.17818/NM/2021/2.1 Nguyen Quang Vinh, Bui Hong Duong, Le Van Vang Modelling and experimental validation of a VNT turbocharger for improving performances of a marine diesel generator engine International Journal of Maritime Science & Technology, Croatia, 2020 Tạp chí nằm danh mục ESCI Q2-Scopus https://doi.org/10.17818/NM/2020/2.2 Do Duc Luu, Nguyen Quang Vinh Theoretical and Experimental Integration for Working Process Simulation on Marine Diesel Engine Advances in Engineering Research and Application Proceeding of the International Conference ©SpringerNatureSwitzerland, 2019 Tạp chí nằm danh mục Scopus https://doi.org/10.1007/978-3-030-04792-4_75 Nguyen Quang Vinh, Le Van Vang, Bui Hong Duong Researching adjustment of nozzles of turbocharger to improve the power output of marine diesel generator engine, Nasemore Conference Proceeding, International Journal of Maritime Science & Technology, Croatia, 2019 10 Nguyen Quang Vinh, Le Van Vang, Bui Hong Duong, A Matlab/Simulink simulation of working processes of a diesel engine to evaluate its power Asia Maritime & Fisheries Universities Forum, 2017 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Nâng cao cơng suất, hiệu suất, giảm kích thước giảm lượng khí gây nhiễm mơi trường yêu cầu ngày cao động diesel tàu thủy (MDE) đại Đối với động tàu vận tải biển đa phần động diesel trung tốc thấp tốc sử dụng tua bin tăng áp (TBTA) có ống phun (OP) cố định Các tiêu kỹ thuật động sau thời gian dài khai thác: công suất suy giảm, suất tiêu hao nhiên liệu nhiệt độ khí xả tăng Đối với động diesel lai máy phát điện, thường động cao tốc hoạt động theo chế độ phụ tải với số vòng quay cố định Ở chế độ khởi động thấp tải, nhiên liệu thường không cháy hết lượng khí nạp khơng đủ, hiệu suất q trình cháy thấp phát thải nhiều khí nhiễm môi trường Điều chỉnh ống phun tua bin tăng áp biện pháp nhằm hoàn thiện q trình cháy, cải thiện tiêu cơng tác động Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun tua bin tăng áp đến công suất động diesel tàu thủy” góp phần hồn thiện lý thuyết cải tiến cơng nghệ, nâng cao công suất cải thiện tiêu kỹ thuật động diesel tàu thủy khai thác nước Mục đích nghiên cứu Mục tiêu chung: Nâng cao công suất cải thiện tiêu kỹ thuật cho động diesel tàu thủy khai thác Mục tiêu cụ thể: – Thiết lập mơ hình tốn q trình cơng tác động diesel tàu thủy tăng áp tua bin xung áp Trên sở mơ hình tốn thiết lập, lập trình mơ q trình cơng tác động tua bin tăng áp – Sử dụng chương trình mơ để xác định ảnh hưởng tiết diện góc dẫn hướng ống phun đến cơng suất tiêu kỹ thuật động diesel tàu thủy – Ứng dụng kết mô động diesel kỳ phòng thí nghiệm tàu để đánh giá độ xác mô điều chỉnh ống phun nhằm nâng cao công suất tiêu kỹ thuật động Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu: Ống phun tua bin tăng áp động diesel tàu thủy (Duetz 226B phịng thí nghiệm MAK43 tàu thực) Phạm vi nghiên cứu: - Mơ hình tốn mô áp dụng cho động diesel tàu thủy kỳ tăng áp tua bin xung áp – Nghiên cứu động MAK43 khai thác tàu, nghiên cứu ảnh hưởng tiết diện ống phun đến công suất tiêu kỹ thuật động cơ, khơng nghiên cứu đến góc dẫn hướng ống phun – Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng ống phun đến công suất tiêu kỹ thuật động Khơng nghiên cứu đến độ bền, tuổi thọ, rung động động thay đổi kết cấu ống phun Tình trạng phát thải trạng thái độ, chuyển tiếp chưa xem xét đến Phương pháp nghiên cứu luận án Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết (mô hình hóa, mơ số) với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm (đo, xử lý số liệu) Nghiên cứu thực nghiệm thực bước đầu phịng thí nghiệm, động Deutz 226B, kết nghiên cứu sở khoa học để thực nghiên cứu động MAK43 khai thác Nghiên cứu thực nghiệm động khai thác để kiểm nghiệm tính khả thi luận án hồn thiện sở lý thuyết Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án - Hồn thiện mơ hình tốn q trình cơng tác động diesel tăng áp tua bin khí Kết mơ Matlab/ Simulink phục vụ cho nghiên cứu động cơ, tua bin tăng áp sử dụng công tác đào tạo đại học sau đại học - Đánh giá ảnh hưởng ống phun đến công suất tiêu công tác khác động diesel - Đề xuất giải pháp kỹ thuật tương đối hiệu để nâng cao công suất tiêu kỹ thuật động diesel tàu thủy - Áp dụng kết mô vào thực tế động khai thác, nâng cao công suất tiêu kỹ thuật động cơ, mang lại hiệu kinh tế kỹ thuật thiết thực Những đóng góp đề tài luận án - Thiết lập mơ hình tốn q trình cơng tác tổ hợp động diesel – tua bin tăng áp, xây dựng hệ phương trình xác định cơng suất tua bin thơng qua góc dẫn hướng tiết diện ống phun - Xây dựng phần mềm mô tổ hợp động – tua bin tăng áp ngơn ngữ lập trình Matlab/Simulink - Đánh giá định lượng tác động ống phun đến công suất tiêu kỹ thuật động Dự đoán tiết diện tối ưu ống phun cho động khai thác - Đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao công suất thông số kỹ thuật động diesel tàu thủy thông qua việc điều chỉnh ống phun Bố cục luận án Luận án bao gồm 127 trang A4 (không kể phụ lục) Bao gồm phần: Phần mở đầu, phần nội dung (4 chương); phần kết luận kiến nghị; danh mục cơng trình công bố liên quan đến đề tài luận án; tài liệu tham khảo; phụ lục Chương Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng ống phun tua bin tăng áp đến động diesel tàu thủy Tổng quan nâng cao công suất tiêu kỹ thuật động diesel tàu thủy phương án tăng áp Tăng áp tua bin khí xả tận dụng nguồn lượng khí xả để cung cấp lượng cho khí nạp, tăng áp suất, mật độ khí nạp v cải thiện hệ số nạp v, nâng cao cơng suất hiệu suất động Sự suy giảm công suất động diesel tàu thủy (MDE) Cường độ hoạt động động tàu thủy lớn, động tàu thủy hoạt động 6000 giờ/năm, động phụ hoạt động 8000 giờ/năm, phần lớn thời gian hoạt động chế độ tải trọng cao Vì vậy, cơng suất động sau thời gian khai thác bị suy giảm đáng kể Ống phun tua bin tăng áp Ống phun (Turbine Nozzle) gọi ống tăng tốc, nằm TBTA nhằm dẫn hướng tăng tốc cho dịng khí Các loại tua bin nhỏ khơng có ống phun, dịng khí từ ống góp tác động trực tiếp vào cánh tua bin Ống phun cố định, ống phun điều chỉnh hướng tiết diện Hình 1.1 Ống phun TBTA Nghiên cứu tua bin tăng áp ống phun Nghiên cứu nước Nghiên cứu mô phỏng: Các nghiên cứu tập trung mơ nhiệt động q trình cơng tác động cụm tăng áp, phần mềm mô chiều (1-D) mô động học công chất (CFD) Như nghiên cứu Lê Anh Tuấn, Hà Quang Minh, Lê Văn Điểm v.v Nghiên cứu cải thiện hệ thống phân phối khí để nâng cao tiêu kỹ thuật động Như nghiên cứu Lương Cơng Nhớ, Lê Đình Vũ, Nguyễn Văn Tuấn v.v Nghiên cứu nước Tổng quan lý thuyết tăng áp đại, nghiên cứu Watson Jonata, Nguyen Schafer, Hermann, Dixon, Lark Eriksson Nghiên cứu mô cho đối tượng động diesel tàu thủy, phần mềm ALV Boost, GT Power, KIVA, Matlab, thể nghiên cứu Theotokatos, Sieros, Moraal v.v Nhận xét chung Các nghiên cứu nước: Các nghiên cứu nước đạt kết tích cực, kết hợp lý thuyết thực nghiệm Mơ hình mơ hệ thống khí nạp, hệ thống khí xả, tua bin tăng áp, cải tiến nâng cao tiêu công tác động hoạt động Hạn chế: Chưa có cơng trình nghiên cứu sâu ống phun tua bin tăng áp động diesel tàu thủy Các nghiên cứu quốc tế: Các cơng trình nước ngồi đa dạng lý thuyết thực nghiệm: mơ hình, tính tốn thơng số dịng khí xả kết hợp với q trình cơng tác động cơ, đưa phương án giảm thiểu khí thải mơi trường Đã có số nghiên cứu ống phun, đề cập đến mối quan hệ tổ hợp động tua bin tăng áp chế độ tốc độ khác nhau, chưa có nghiên cứu sâu điều chỉnh tiết diện ống phun để nâng cao công suất tiêu kinh tế kỹ thuật động lai chân vịt tàu thủy khai thác Đặt toán nghiên cứu Công suất thông số quan trọng động Động diesel tàu thủy khai thác chịu tác động lớn từ yếu tố bên ngồi tình trạng vỏ tàu, điều kiện thời tiết, sóng gió v.v điều dẫn tới tình trạng kỹ thuật động có hệ thống phân phối khí suy giảm, dẫn tới số vịng quay khai thác công suất giảm xuống sau thời gian hoạt động Bài toán đặt cho luận án xây dựng mơ hình mơ ống phun đắn, tin cậy, áp dụng thực tế để nâng cao công suất, hiệu suất động Kết luận chương Từ phân tích tổng quan, số kết luận rút ra: - Tăng áp tua bin khí phương pháp tăng áp hiệu cho động diesel tàu thủy nhằm tăng công suất, hiệu suất giảm khí nhiễm mơi trường - Trên giới nước có nghiên cứu tua bin tăng áp động diesel, nhiên chưa có nghiên cứu điều chỉnh tiết diện ống phun tua bin tăng áp để nâng cao công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu nhiệt độ khí xả động diesel tàu thủy khai thác - Ống phun đóng vai trị quan trọng tua bin tăng áp Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun đến hoạt động tua bin động cơ, qua nâng cao công suất hiệu suất cho động khai thác toán đặt cho luận án Chương Cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu ảnh hưởng ống phun tua bin tăn áp đến công suất tiêu kỹ thuật động 2.1 Chu trình cơng tác động diesel kỳ a Q trình trao đổi khí động diesel kỳ Đánh giá chất lượng trình trao đổi khí hệ số nạp: v cv1 ps cv ne cv (2.1) Với ne (v/ph) – tốc độ động cơ; ps(N/m2) – áp suất trước xu páp nạp; cv1, cv2, cv3 hệ số b Quá trình cháy động diesel kỳ Phương trình cân lượng q trình cơng tác bên xy lanh: dp p dV k dQin dQw k (2.2) d V d V d d Với k(-) tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp nhiệt dung riêng đẳng tích cv(J/kgK) hỗn hợp khí cơng tác q trình cháy (k=cp/cv) Quy luật phát nhiệt dQin/d: Xác định dựa mơ hình Wiebe dx dQin Qin f (2.3) d d Với Qin(kJ) – Lượng nhiệt lượng tỏa chu trình, Qin=mf.QH, QH (kJ/kg) nhiệt trị thấp nhiên liệu; dxf/dt – tốc độ cháy nhiên liệu Truyền nhiệt qua thành vách xy lanh dQw/d Xác định dựa mô hình Woschni 10 2.3 Phối hợp cơng tác động tua bin tăng áp Hình 2.2 mơ tả phối hợp công tác động tua bin tăng áp: Hình 2.2 Phối hợp cơng tác MDE TBTA Áp suất khí trước xy lanh ps Xác định từ phương trình trạng thái khí lý tưởng: R T dmei d ps = a s dt Vim dt (2.16) Với Ra(kJ/kg.K) – số nạp;Vim (m3)– thể tích ống góp khí xả Lưu lượng khí nạp Xác định điểm phối hợp động TBTA mei =ηv ps Vd ne 120Ra Ts (2.17) Với ps(N/m2), Ts(K) – áp suất nhiệt độ trước xu páp nạp; Ra – số khí nạp (kJ/kg), Vd(m3) – dung tích xy lanh, ne(v/ph) – tốc độ vòng quay, v(-) – hệ số nạp Lưu lượng nhiên liệu cung cấp cho động mf (kg/s): u f ne icyl (2.18) mf 120 Với icyl (-) số xy lanh động cơ, uf(kg/chu trình) lượng nhiên liệu cung cấp chu trình/xy lanh Lưu lượng dịng khỏi xy lanh, me (kg/s): meo mei m f (2.19) Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng, xác định áp suất sau xy lanh: 11 d p dt e RT dmeo e e Vem dt (2.20) Với Re(kJ/kg.K) – số khí xả; Te(0K) – nhiệt độ khí xả; Vem (m3)– thể tích ống góp khí xả 2.4 Kết luận chương Chương đạt nội dung sau: – Tổng hợp sở lý thuyết cho mô q trình cơng tác tổ hợp động diesel tua bin tăng áp, bao gồm trình nhiệt động, q trình phối hợp cơng tác chế độ hai thành phần động tua bin tăng áp – Lựa chọn mô hình cháy mơ hình truyền nhiệt để xây dựng mơ hình mơ động diesel, phù hợp với đối tượng nghiên cứu Các hệ số mơ hình hiệu chỉnh dựa nguyên lý hồi quy phương pháp bình phương tối thiểu – Xác lập biểu thức công suất tua bin dựa hai biến số: góc dẫn hướng tiết diện ống phun Từ tích hợp vào tổng thể mơ hình động làm sở để xác định ảnh hưởng ống phun đến công suất tiêu kỹ thuật động Trên sở lý thuyết chương 2, mơ phỏng, thí nghiệm thực nghiệm tiến hành chương chương Chương Mô ảnh hưởng ống phun đến công suất tiêu kỹ thuật động diesel tàu thủy Mô thực mơ hình tốn xác lập chương Phần mềm lập trình mơ dùng: Matlab, với giao diện thiết lập Matlab/Guide, trình, mối liên hệ mô Matlab/Simulink Các kết mô dùng để khảo sát ảnh hưởng ống phun đến thông số bản, đặc biệt cơng suất động 3.1 Sơ đồ thuật tốn cho mơ q trình cơng tác tổ hợp động – tua bin tăng áp (Hình 3.1) 12 Tham số đầu vào: Tham số kết cấu, số nhiệt động chất khí nhiệt trị thấp nhiên liệu, tham số khai thác tham số hiệu chỉnh Phương pháp hiệu chỉnh tham số Trong trình mô phỏng, hiệu chỉnh tham số thực theo quy luật hàm số hồi quy, kết thúc hiệu chỉnh sai lệch mô thực tế nhỏ 5% 3.2 Mô tổ hợp động – tua bin tăng áp Deutz 226B Đối tượng mô phỏng: Tổ hợp động – tua bin tăng áp Deutz 226B lắp đặt bệ thử phòng thí nghiệm động cơ, Viện Nghiên cứu KH&CN Hàng hải – ĐH Hàng Hải Thuật tốn mơ hình 3.1 3.2.1 Sơ đồ mơ Sơ đồ khối tổ hợp động – tua bin tăng áp hình 3.2 Hình 3.1 Sơ đồ khối cơng tác tổ hợp MDE-TBTA SAC: Khối khí nạp; EGC: Khối khí xả; u_t (ut): độ mở ống phun; n_e (ne): tốc độ động cơ, mf_cyc: nhiên liệu; omega_t (t): tốc độ TB Hình 3.2 Sơ đồ thuật tốn mơ 13 14 Sơ đồ khối cụm tua bin tăng áp Phối hợp công tác tua bin máy nén mơ Hình 3.3 Hình 3.3 Sơ đồ khối TB-MN 3.2.2 Kết mơ Hình 3.4 Giao diện chương trình mơ MDE Deutz226B Đánh giá độ xác mơ Độ xác mơ đánh giá qua tài liệu kỹ thuật động (chế độ 1500 v/ph, 100% tải) 15 STT Thông số Đơn vị Tài liệu kỹ thuật Mô Sai số % Công suất MDE Suất tiêu hao nhiên liệu Áp suất cháy cực đại Áp suất có ích trung bình Mơ men xoắn định mức kW g/kWh bar bar N.m 110 228 95 14,2 684 110.24 218.93 95.75 14.16 701.8 0.2% 3,9% 0.8% 0.3% 2.6% Đánh giá: Kết mô chế độ định mức động gần sát với tiêu tài liệu kỹ thuật, với tiêu có sai lệch 5% Điều cho thấy độ xác mơ hình mơ để thực bước Mơ ảnh hưởng ống phun đến công suất tiêu kỹ thuật động Deutz 226B Mô với chế độ tải LI=25%÷100%, tốc độ 1500 v/ph Áp suất công suất theo độ mở ống phun Hình 3.5 Hình 3.6 %ut Hình 3.5 Đồ thị áp suất xi Hình 3.6 Cơng suất có ích với lanh với ut=80%÷100% ut=80%÷100% Nhận xét: Chế độ tải 100% 75%, công suất tỷ lệ thuận với ut Ở chế độ động khí xả đáp ứng yêu cầu tua bin, giảm tiết diện ống phun tạo phản áp lớn ống xả, giảm đặc tính kỹ thuật động Ở chế độ trung tải thấp tải, độ mở ống phun tối ưu nâng cao công suất Với 50% tải, công suất lớn lân cận 90% ut Với 25% công suất đạt giá trị lớn lân cận ut=80% 16 3.2.3 Xác định độ mở ống phun tối ưu cho động Deutz 226B Quan hệ công suất, suất tiêu hao nhiên liệu độ mở ống phun trình bày Hình 3.7 Hình 3.8 (chế độ 25% tải, 1500 v/ph) Hình 3.7 Hàm số ge/ge,nor=f(ut) Hình 3.8 Hàm số Pw/Pw,nor=f(ut) 3.2.4 Đánh giá kết mô động Deutz 226B - Mô gần đầy đủ đặc tính kỹ thuật động đánh giá độ xác dựa hồ sơ kỹ thuật động với sai lệch 5% - Xác định ảnh hưởng ống phun đến công suất tiêu kỹ thuật động chế độ tải khác Các chế độ tải cao (75% 100%) giảm độ mở ống phun ảnh hưởng xấu đến đặc tính động Ở chế độ tải trung tải thấp tải (50% 25%) giảm độ mở đến giá trị tối ưu cải thiện đặc tính động - Mơ chế độ thấp tải (25%) xác định độ mở tối ưu ống phun khoảng 81,5% ÷84,5% độ mở lớn 3.3 Mô tổ hợp động – tua bin tăng áp MAK43 Động MAK43 động lai chân vịt tàu thủy Mơ cơng suất đặc tính kỹ thuật chế độ để xác định định lượng yếu tố bị suy giảm Từ xác định nguyên nhân hướng khắc phục Từ kết mô phỏng, thiết lập mối quan hệ tiết diện ống phun tua bin tăng áp với thông số kỹ thuật khai thác động Từ dự đốn tiết diện tối ưu ống phun tua bin tăng áp để động hoạt động có hiệu cao 17 Mơ dựa hồ sơ xuất xưởng động Hình 3.9 Mô MDE MAK43 chế độ định mức Kết mô tiêu kỹ thuật so sánh với hồ sơ kỹ thuật động cơ: Hình 3.10 Áp suất khí nạp mơ thực nghiệm Hình 3.11 Cơng suất mơ thực nghiệm Mô chế độ khai thác Mô chế độ khai thác để xác định đặc tính kỹ thuật động đánh giá ảnh hưởng tiết diện ống 18 phun đến công suất thơng số khai thác Hình 3.12 Mơ MDE MAK43 chế độ khai thác sử dụng Xác định tiết diện tối ưu ống phun chế độ khai thác Tiết diện tối ưu xác định qua quan hệ cơng suất, nhiệt độ khí xả tiết diện ống phun Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.13 Hàm số Pw/Pw,nor=f(AT) Hình 3.14 Hàm số Te/Te,nor=f(AT) Đánh giá kết mô động MAK43 Mơ MDE chế độ khai thác hành trình, cho thấy giảm tiết diện ống phun xuống 91%, công suất suất tiêu hao nhiên liệu cải thiện đáng kể Tuy nhiên, tiếp tục giảm tiết diện, tiêu kỹ thuật động xấu đi, công suất hiệu suất giảm 3.4 Kết luận chương Chương đạt kết cụ thể sau: - Mô nhiệt động tổ hợp động – tua bin tăng áp thiết lập 19 mối quan hệ thành phần môi trường Matlab/Simulink - Mô đầy đủ đặc tính động đánh giá độ xác hồ sơ kỹ thuật động với sai lệch 5% - Đánh giá ảnh hưởng ống phun đến động diesel Deutz 226B, xác định phạm vi độ mở ống phun tối ưu 81,5%÷84,5%, để nâng cao tiêu kỹ thuật động - Xác lập mối quan hệ công suất, suất tiêu hao nhiên liệu nhiệt độ khí xả với độ mở ống phun động MAK43 chế độ khai thác (412 v/ph, 65% tải) Dự đoán dự đoán với tiết diện tối ưu ống phun 91% so với giá trị sử dụng, công suất đạt giá trị lớn nhất, suất tiêu hao nhiên liệu nhiệt độ khí xả nhỏ Chương Nghiên cứu thực nghiệm Giới thiệu Chương trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm phịng thí nghiệm tàu thủy khai thác Thực nghiệm phịng thí nghiệm thực Viện Nghiên Cứu KH&CN Hàng Hải, Đại Học Hàng Hải Việt Nam Phần thực nghiệm tàu thực tàu Phúc Hưng, Công ty Vận tải biển GLS Thực nghiệm phịng thí nghiệm 4.2.1 Kết thí nghiệm a Áp suất khí nạp với tiết diện ống phun mở hồn tồn Hình 4.1 Áp suất khí nạp chế độ ut=100% 20 Đánh giá: Ở chế độ thấp tải, áp suất khí nạp thấp, điều cho thấy tăng áp làm việc không hiệu b Kết thí nghiệm chế độ 50% tải Ảnh hưởng độ mở ống phun đến suất tiêu hao nhiên liệu: Độ mở ống phun, % 100% 90% 80% 70% 60% ge g/kWh -6 -12 +2 +22 (%) -2,1 -4,2 +0,7 +7,9 Ảnh hưởng độ mở ống phun đến công suất: Độ mở ống phun, % 100% 90% 80% 70% 60% Pw, kW +1,2 +2,4 -1,1 -8,1 (%) +3,0 +6,0 -2,7 -20,2 c Kết thí nghiệm chế độ 25% tải Ảnh hưởng độ mở ống phun đến suất tiêu hao nhiên liệu: Độ mở ống phun, % 100% 90% 80% 70% 60% ge, g/kW.h –15 –17 +6 +15 (%) –5,0 –5,7 +2,0 +5,0 Ảnh hưởng độ mở ống phun đến công suất: Độ mở ống phun, % 100% 90% 80% 70% 60% Pw, kW +0,8 +2,3 -0,1 -0,4 (%) +4,1% +11,0% -0,5% -2,0% Đánh giá kết thí nghiệm: - Sai lệch lớn thí nghiệm mơ 5%, cho thấy độ xác chấp nhận mơ hình mơ - Xác định chế độ hoạt động động cần điều chỉnh độ mở 21 ống phun (chế độ trung tải thấp tải) Các kết cho thấy với động Deutz 226B sau thời gian hoạt động việc điều chỉnh độ mở ống phun phù hợp (ut=81,5% ÷ 84,5%), tiêu công tác động tăng lên rõ rệt Tuy nhiên chế độ hoạt động khác nhau, hiệu khác Chế độ 25% tải mang lại hiệu cao chế độ 50% tải Mặt khác phản áp đường xả, giảm độ mở ống phun nhiều (ut=60%÷ 70%), phản áp tăng, lượng khí sót tăng, hệ số nạp giảm dẫn đến tiêu kỹ thuật đông giảm xuống Nghiên cứu thực nghiệm tàu thủy khai thác 4.2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu động MAK43, sử dụng tàu Phúc Hưng thuộc Cơng ty CP Vận tải biển GLS Tình trạng kỹ thuật động trước cải tiến: Trước nâng cấp cải tiến thông số kỹ thuật động suy giảm: nhiệt độ khí xả tăng cao, tốc độ tua bin không đạt yêu cầu, áp suất khí nạp, áp suất cực đại xy lanh thấp Chế độ hoạt động hành trình động cơ: Thống kê 604 hoạt động động cơ, cho thấy chế độ thường hoạt động tốc độ 412 v/ph, 65% tải (chiếm tỷ lệ 51,7%) chế độ 412 v/ph, 60% tải (chiếm tỷ lệ 20,5%) 4.3.1 Điều chỉnh tiết diện ống phun Từ kết mô phỏng, xác định tiết diện tối ưu ống phun động khai thác Tiết diện tối ưu ống phun 91% b h Đo tiết diện ống phun 22 Tỷ lệ thu nhỏ tiết diện: % AT = 13.44, 45 100% 14, 25.44, 45 91% Hình 4.2 Mặt cắt ống phun trước sau cải tiến 4.3.2 Kết đánh giá Sau điều chỉnh tiết diện ống phun xuống 91% so với ban đầu, kết mô Động hoạt động với ống phun cải tiến, chất lượng hoạt động cải thiện rõ rệt So sánh chế độ 412 v/ph, 65% tải, trước sau điều chỉnh ống phun: Thông số AT=100% AT=91% Thay đổi Áp suất cháy cực đại 114 126,9 pz =13; (11,3%) Tốc độ TB (v/ph) 11165 13341 nt=2176; (19,5%) Áp suất khí nạp, bar 1,83 2,29 pi=0,46 bar; (25,1%) Nhiệt độ khí xả ( C) 379,1 343,6 T=35,5 0C; (9,4%) o Kết luận chương Thực nghiệm ra: Đối với động diesel cũ, việc điều chỉnh tiết diện ống phun nâng cao tiêu công tác động Phần thực nghiệm phịng thí nghiệm cho thấy: Ở chế độ 25% tải, giảm độ mở ống phun 90% ut ÷ 80% ut, áp suất khí nạp tăng 21%÷38%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 5%÷5,7%, cơng suất có ích tăng 4,1%÷11% Phần thực nghiệm tàu cho thấy tiết diện ống phun điều chỉnh giảm xuống 91%, tiêu kinh tế - kỹ thuật động nâng cao rõ rệt Tốc độ tua bin tăng 19,5%, áp suất khí nạp tăng 25,1%, áp suất cháy cực đại tăng 11,3%, nhiệt độ khí xả giảm 9,4% 23 Kết luận kiến nghị Kết luận Những nội dung đạt luận án Đã thiết lập mơ hình tốn để xác định công suất tiêu kỹ thuật cho động diesel tăng áp tua bin khí Mơ hình ống phun đặt mơ hình tổng thể tổ hợp động diesel tua bin tăng áp, có mối liên hệ tác động ảnh hưởng chặt chẽ với Mơ hình ống phun xác lập hai biến số quan trọng ảnh hưởng đến công suất tua bin: Tiết diện góc dẫn hướng ống phun Hai biến số xác định lưu lượng công suất tua bin, từ định đến ảnh hưởng ống phun đến thông số công suất động khai thác Mơ q trình công tác tổ hợp động diesel, tua bin tăng áp ống phun ngôn ngữ Matlab/Simulink Các trình, mối quan hệ cơng tác mơ tả sơ đồ khối Simulink, giúp hiển thị trực quan chất q trình Chương trình lập trình mơ trình nhiệt động bên xy lanh động (diễn biến áp suất, trình tỏa nhiệt, q trình truyền nhiệt…), thơng số kỹ thuật mô so sánh với hồ sơ kỹ thuật động với sai lệch 5% Đối với động mới, việc điều chỉnh ống phun không cần thiết Đối với động cũ thời gian khai thác lâu, tình trạng kỹ thuật động xuống thấp, việc điều chỉnh cần thiết, nhiên, tiết diện tối ưu phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật động Động Deutz226B hoạt động chế độ thấp tải, tiết diện ống phun tối ưu nằm khoảng 81,5%÷84,5%, cịn động MAK43, nằm khoảng 91% Kết thí nghiệm động Deutz 226B cho thấy điều chỉnh độ mở ống phun tăng cơng suất có ích thêm 11%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 5,7% Thực nghiệm động MAK43 cho thấy với việc điều chỉnh tiết diện ống phun tốc độ tua bin tăng lên 19,5%, áp suất khí nạp tăng 25,1%, áp suất cháy cực đại tăng 11,3%, nhiệt độ khí xả giảm 9,4% 24 Các kết thực nghiệm chứng tỏ đắn mô hình tốn mơ phỏng, sử dụng kết mô để điều chỉnh ống phun tua bin tăng áp, nhằm nâng cao công suất tiêu kỹ thuật cho động khai thác Kiến nghị hướng phát triển – Luận án nghiên cứu ảnh hưởng ống phun đến động diesel tàu thủy Tuy nhiên chưa đánh giá đến số yếu tố khác tuổi thọ động cơ, ứng suất nhiệt, độ bền chi tiết kết cấu, độ rung động Các vấn đề cần thêm nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm – Đối tượng nghiên cứu luận án động cũ, hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu khí Vì vậy, mở rộng nghiên cứu phát triển cho động hệ có tích hợp điều khiển điện tử cho hệ thống nhiên liệu, hệ thống phân phối khí… – Chương trình tính tốn, mơ cần hồn thiện, bổ sung để ứng dụng cho loại động diesel tàu thủy khác – Hiện nay, đội tàu vận tải biển Việt Nam, động lai máy phát điện sau thời gian sử dụng suy giảm công suất Mặt khác chế độ khởi động thấp tải thường thiếu khí nạp, xuất khói đen Điều chỉnh ống phun tua bin tăng áp giải pháp mang lại hiệu cao với chi phí hợp lý – Đối với động diesel máy khai thác, có ống phun cố định: Điều chỉnh giảm tiết diện ống phun để tăng công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu nhiệt độ khí xả Đây giải pháp kỹ thuật tốt, áp dụng tàu Phúc Hưng, Phúc Khánh Công ty CP Vận tải biển GLS mang lại hiệu cao, áp dụng mở rộng ... tàu thực) Phạm vi nghiên cứu: - Mơ hình tốn mô áp dụng cho động diesel tàu thủy kỳ tăng áp tua bin xung áp – Nghiên cứu động MAK43 khai thác tàu, nghiên cứu ảnh hưởng tiết diện ống phun đến công. .. phun đến hoạt động tua bin động cơ, qua nâng cao công suất hiệu suất cho động khai thác toán đặt cho luận án Chương Cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu ảnh hưởng ống phun tua bin tăn áp đến công suất. .. ống phun tua bin tăng áp biện pháp nhằm hoàn thiện q trình cháy, cải thiện tiêu cơng tác động Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun tua bin tăng áp đến công suất động