Kết quả tính toán các thông số công tác của động cơ diesel khi tàu ngầm hoạt động ở chế độ ống thở

Bài báo trình bày kết quả xây dựng mô hình tính toán chu trình công tác và tính toán các thông số công tác động cơ diesel 7-2D42 lai máy phát điện khi tàu ngầm hoạt động ở chế độ ống thở.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 KẾT QUẢ TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ CƠNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL KHI TÀU NGẦM HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ ỐNG THỞ CALCULATION RESULTS OF THE DIESEL ENGINE PERFORMANCE DURING THE OPERATION OF THE SUBMARINE IN THE SCHNORKEL NGUYỄN HÀ HIỆP1*, MAI VŨ ĐỨC2, PHÙNG VĂN ĐƯỢC1 Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật quân Quân chủng Hải quân *Email liên hệ: hahiepshippower@gmail.com Tóm tắt Bài báo trình bày kết xây dựng mơ hình tính tốn chu trình cơng tác tính tốn thơng số công tác động diesel 7-2D42 lai máy phát điện tàu ngầm hoạt động chế độ ống thở Mơ hình xây dựng đảm bảo độ tin cậy, kết tính tốn rằng, tàu chuyển từ chế độ sang ống thở công suất động giảm gần 12%, để trì cơng suất ban đầu cần bổ sung 13,5% nhiên liệu, hiệu suất có ích động giảm 11% Từ khóa: Mơ hình, diesel, động cơ, ống thở Abstract This article presents the results of building a model for calculating the operating cycle and calculating the engine performance parameters of the 7-2D42 diesel-generator when the submarine is operating in the schorkel The constructed model is provided with reliability, the calculation results show that when the submarine switches from surface to schorkel mode, the engine power decreases by almost 12%, to maintain the original power, it is necessary to add 13.5% of fuel, and the engine efficiency decreases by more than 11% Keywords: Model, diesel, engine, schorkel Mở đầu Tàu ngầm (TN) loại phương tiện thủy đặc biệt hoạt động hai chế độ mặt nước tàu thủy bình thường lặn sâu nước Đối với TN diesel-điện truyền thống, thời gian hoạt động ngầm hạn chế giới hạn dự trữ điện ắc quy Để sạc ắc quy, TN phải lên mặt biển hoạt động chế độ tuần dương hoạt động “làm việc động diesel nước” [1] Ở chế độ TN độ sâu an toàn sử dụng thiết bị nâng hạ đóng vai trị ống thở (schnorkel) để hút khơng khí sử dụng đường ống dẫn khí thải độ sâu định nước để thải khí thải (nhằm tăng SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) tính bí mật) Chế độ gọi chế độ ống thở Khi động diesel chuyển từ chế độ (hút trực tiếp khơng khí thải khí xả khí quyển) sang chế độ ống thở (hút khơng khí qua ống thở thải khí xả ngầm nước), yếu tố kết cấu vận hành ảnh hưởng đến làm việc động Sự ảnh hưởng thể qua thông số cơng tác động cơng suất có ích (Ne), suất tiêu thụ nhiên liệu có ích (g e), hiệu suất có ích (ηe) động Mục đích nghiên cứu đánh giá định lượng thay đổi thông số công tác động diesel TN hoạt động chế độ bình thường (nổi mặt nước) chế độ ống thở (ngầm sử dụng ống thở) Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết, tính tốn kiểm chứng phần mềm máy tính Với thơng số kỹ thuật động tiến hành xây dựng mơ hình tính tốn chu trình cơng tác (CTCT) động phần mềm chế độ bình thường So sánh kết tính tốn với kết thử nghiệm theo hồ sơ máy nhà sản xuất để đánh giá độ tin cậy mơ hình Mơ hình xây dựng hiệu chỉnh đảm bảo độ tin cậy cơng cụ để tính CTCT chế độ ống thở Đối tượng nghiên cứu, công cụ sử dụng Đối tượng nghiên cứu động diesel 7-2D42 dùng dẫn động máy phát điện sản xuất Liên bang Nga Đây động diesel kỳ, tăng áp cấp nén tua bin khí thải có làm mát khí tăng áp, buồng cháy thống nhất, xi lanh bố trí thẳng hàng, phun nhiên liệu trực tiếp Động có tỉ số nén ε = 16, công suất định mức 1500kW tốc độ quay trục khuỷu 750 (v/ph) [2] Các thơng số kỹ thuật động 7-2D42 thể Bảng Trong nghiên cứu sử dụng phần mềm DieselRK [3] Đây phần mềm tính tốn CTCT động đốt chuyên gia Đại học Kỹ thuật Quốc gia Bauman - Liên bang Nga phát triển nhiều sở chuyên nghiên cứu phát triển, sản xuất động sử dụng Phần mềm Diesel-RK sử dụng mơ hình tạo hỗn 139 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 hợp cháy hiệu quả, mơ hình cháy đa vùng dựa mơ hình tạo hỗn hợp cháy Giáo sư Razleitsev, tác giả Kuleshov bổ sung phát triển nên cịn gọi mơ hình RazleitsevKuleshov (mơ hình cháy RK) Mơ hình cháy RK xem xét chi tiết thơng số ảnh hưởng đến q trình tạo hỗn hợp cháy động diesel, bao gồm: Thuộc tính quy luật cung cấp nhiên liệu, hình dạng buồng cháy; hình dạng phân bố tia phun; va chạm tia phun với bề mặt buồng cháy; tương tác tia phun liền kề; loại cường độ vận động rối xi lanh [4] Bảng Thơng số kỹ thuật động Thông số kỹ thuật Tên động theo Nhà máy sản xuất Số lượng xi lanh, i 7-2D42 Đường kính xi lanh, mm 300 Hành trình pít tơng, mm 380 161,16 Thứ tự làm việc xi lanh 1-5-3-6-2-4 Công suất định mức, Ne, kW 1500 Tốc độ quay trục khuỷu công suất định mức, n, v/ph 750 Góc phun sớm nhiên liệu, oGQTK 14 ÷ 19 Suất tiêu thụ nhiên liệu, g e, g/kW.h 243 Tốc độ quay ổn định nhỏ nhất, v/ph 420 Xây dựng kiểm tra mơ hình tính tốn Động 7-2D42 dẫn động máy phát điện nên hoạt động thường xuyên chế độ tải định mức Mơ hình tính tốn xây dựng cho chế độ làm việc định mức động Các tham số cần thiết để xây dựng mơ hình lấy từ Bảng tài liệu [2] Lượng nhiên liệu cung cấp cho CTCT xác định công thức: ge Ne ,g 30 in Dựa vào Bảng 1, tính tốn gct = 2,7015g/CTCT g ct = Quy luật cung cấp nhiên liệu khai báo theo biên dạng cam, đường ống nạp, thải thông số kết cấu khác động khai báo dựa tập vẽ động [5], đo đạc trực tiếp động (chiều dài cửa nạp, thải; đường kính ống góp; chiều dài ống dẫn khí nạp, khí thải; số lượng kích thước lỗ phun; thơng số hình học buồng cháy dạng ω) 140 Bảng So sánh kết tính tốn hồ sơ Thơng số n = 750 vg/ph Ne, kW ge, g/kW.h ηe Tính toán 1502,7 242,69 0,35 Hồ sơ 1500 243 - SS, % 0,2 0,13 - Giá trị Thể tích cơng tác động cơ, dm3 Hình Các thơng số công tác chế độ Sau chạy phần mềm, kết thu thông số đánh giá CTCT làm việc động Các thơng số cơng tác động thể Hình Trong Bảng kết so sánh kết tính tốn thử nghiệm hồ sơ máy nhà sản xuất động [2] Trong đó, sai số hai kết Từ kết so sánh Bảng cho thấy, mơ hình tính tốn CTCT động chế độ định mức cho sai số nhỏ so với thông số kỹ thuật nhà sản xuất công bố Điều khẳng định mơ hình tính tốn xây dựng có độ tin cậy cao Tính tốn chế độ ống thở Như đề cập phần 1, động diesel chuyển từ chế độ sang chế độ lặn ngầm sử dụng ống thở, yếu tố kết cấu vận hành ảnh hưởng đến làm việc động Thông qua phân tích yếu tố ảnh hưởng đến làm việc động diesel làm việc điều kiện mơi trường khí [7] ảnh hưởng chúng đến làm việc động diesel chuyển sang chế độ ống thở [1, 8], tiến hành tổng hợp thành Bảng Khi động diesel chuyển sang chế độ ống thở thay đổi hình dạng, kích thước đường nạp, đường thải nên ảnh hưởng chúng tới CTCT thông số công tác động chủ yếu Các yếu tố kết cấu khác không ảnh hưởng ảnh hưởng không đáng kể đến làm việc động Độ sâu lặn chế độ ống thở 15m [6] nên chiều dài đường ống nạp tăng thêm 15m Ở chế độ nổi, khí thải dẫn lên phần tháp bao buồng huy xả trực tiếp khơng khí Ở chế độ ống thở khí thải thải qua đường ống dẫn khí thải nước độ sâu khoảng 2,5m, tức ống thải dài thêm 15-2,5 = 12,5m so với vị trí bổ sung áp suất đối áp đường thải 0,25at SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Tổng hợp yếu tố ảnh hưởng đến làm việc động Các yếu tố Nổi Các yếu tố kết cấu Kết cấu buồng cháy Kích thước xi lanh Tỷ số nén động Vật liệu pít tơng nắp máy Chiều dài đường ống cao áp Vận tốc đường kính pít tơng bơm cao áp Kích thước số lỗ phun Diện tích lỗ phun Áp suất nén ban đầu lò xo vòi phun Chất lượng phun tơi thời gian cung cấp nhiên liệu Hình dạng, kích thước đường nạp Tỷ số tiết diện lưu thông xu páp nạp tiết diện ngang pít tơng Tăng áp cho động Pha phối khí Các yếu tố vận hành Tình trạng kỹ thuật Nhiệt độ môi trường Áp suất môi trường Tốc độ quay động Phụ tải động Công suất dẫn động cấu treo Áp suất khí thải đường thải áp suất khí sót xi lanh Nhiệt độ khí sót Áp suất khí nạp Lượng khí nạp Áp suất cuối trình nạp Chế độ làm việc không ổn định động Áp suất phun nhiên liệu Góc phun sớm nhiên liệu Áp suất khí nén buồng cháy Tính chất nhiên liệu Chế độ Ống thở + + + + + + + + + + + + + + = = = = = = = = = ↕ ↓ = ↓ = + + + + + + + + + + + + + + + = = ↓ = = ↕ ↓ ↕ ↓ ↓ ↓ = ↕ = ↓ ↕ Ghi chú: (+) có ảnh hưởng; (-) ảnh hưởng không đáng kể; (=) không thay đổi ảnh hưởng chuyển chế độ; (↑) ảnh hưởng tốt chuyển chế ống thở; (↓) ảnh hưởng xấu chuyển chế độ ống thở; (↕) ảnh hưởng không đáng kể chuyển chế độ ống thở Toàn thay đổi khai báo mơ hình tính tốn CTCT xây dựng, ví dụ Hình 2, khai báo độ sâu lặn TN Sau khai báo chế độ hoạt động ngầm yếu tố ảnh hưởng khác, tiến hành tính tốn CTCT động Các thơng số cơng tác động hoạt động chế độ ống thở thể Hình Hình Khai báo chế độ hoạt động ngầm SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 141 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 lanh giảm, đặc biệt giai đoạn cháy (Hình 4) Trên Hình ta thấy, áp suất cháy cực đại giảm từ 135 bar xuống 130 bar, tương đương giảm 3,8%, trung bình giảm 3% (pi Bảng 4) Hình Các thông số công tác chế độ ống thở So sánh kết tính tốn bàn luận Kết tính tốn chế độ chế độ ống thở so sánh Bảng Trong gồm ký hiệu: Me - mơ men xoắn, ηm - hiệu suất khí, pe - áp suất có ích trung bình; p i - áp suất thị trung bình; ký hiệu cịn lại trình bày phần Bảng So sánh thông số công tác động Thông số Chế độ Đơn vị Nổi Tăng (+) Ống Giảm (-), % - Khơng chất lượng CTCT giảm mà cịn tình trạng kỹ thuật động xấu (thể qua hiệu suất khí Hình 3, Bảng 4), kết hiệu suất có ích động giảm 11,4% Kết luận Mơ hình tính tốn CTCT động diesel lai máy phát điện xây dựng đảm bảo độ tin cậy Kết cho thấy tàu ngầm chuyển sang chế độ ống thở, có sức cản đường nạp thải, đối áp đường thải nên cơng suất có ích động giảm gần 12%, để trì cơng suất 1500kW cần bổ sung 13,5% nhiên liệu Khi chuyển sang chế độ ống thở chất lượng CTCT xấu mà cịn hiệu suất khí giảm dẫn đến hiệu suất có ích động giảm 11% n vg/ph 750 thở 750 Ne kW 1502,7 1323,4 - 11,9 Me N.m 19135 16852 - 11,9 ge g/kW.h 242,69 275,57 + 13,5 ηe TÀI LIỆU THAM KHẢO - 0,35 0,31 - 11,4 ηm - 0,868 0,853 - 1,73 pe bar 14,919 13,139 -11,9 [1] Кормилицин Ю.Н., Хализев О.А Устройства подводных лодок СПб.: Элмор, - 280 с, 2009 pi bar 18,023 17,487 - 3,0 Kết so sánh cho thấy, chuyển sang chế độ ống thở từ chế độ nổi, sức cản đường nạp thải, đối áp đường thải động thải khí thải ngầm nước làm cho công suất, mô men xoắn, áp suất có ích trung bình giảm 11,9%, suất tiêu thụ nhiên liệu có ích tăng 13,5%, hiệu suất có ích động giảm 11,4% Kết tính toán sở để khuyến cáo khai thác hiệu động [2] Дизель-генератор 30ДГМ Техническое описание ОАО "Коломенский завод", 2015 [3] http://www.diesel-rk.bmstu.ru [truy cập 16.6.21] [4] Kuleshow A.S Model for predicting air-fuel mixing, combustion and emission in DI diesel enginers over whole operating range, SAE International 2005-01-2119, 2004 [5] Дизель-генератор 30ДГМ Техническое описание Альбом иллюстраций ОАО "Коломенский завод", 2015 [6] Дизель-генератор 30ДГМ Инструкция по техническому обслуживанию ОАО "Коломенский завод", 2015 [7] Nguyễn Tất Tiến Nguyên lý động đốt trong, NXB Giáo dục Việt Nam, 2003 [8] Дядик А.Н., Замуков В.В., Дядик В А Корабельные воздухонезависимые энергетические установки СПб.: Судостроение, - 424 с, 2006 Hình Diễn biến áp suất xi lanh Các thông số suy giảm chất lượng CTCT động đi, cụ thể, áp suất khí thể xi 142 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 16/6/2021 09/8/2021 13/8/2021 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... báo độ sâu lặn TN Sau khai báo chế độ hoạt động ngầm yếu tố ảnh hưởng khác, tiến hành tính tốn CTCT động Các thơng số cơng tác động hoạt động chế độ ống thở thể Hình Hình Khai báo chế độ hoạt động. .. ảnh hưởng chuyển chế độ; (↑) ảnh hưởng tốt chuyển chế ống thở; (↓) ảnh hưởng xấu chuyển chế độ ống thở; (↕) ảnh hưởng không đáng kể chuyển chế độ ống thở Toàn thay đổi khai báo mơ hình tính tốn... có độ tin cậy cao Tính tốn chế độ ống thở Như đề cập phần 1, động diesel chuyển từ chế độ sang chế độ lặn ngầm sử dụng ống thở, yếu tố kết cấu vận hành ảnh hưởng đến làm việc động Thơng qua phân