2003 – 2011
3.2.1. Mô hình đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thuỷ
3.2.1.1. Sơ đồ nguyên lý động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
Từ việc khảo sát đặc điểm kết cấu, nguyên lý làm việc của động cơ TBK có thể xây dựng sơ đồ nguyên lý chung cho động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam như Hình 3.1.
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
1 - Thiết bị vào, 2- Máy nén thấp áp, 3 - Máy nén cao áp, 4 - Buồng đốt, 5 - Tuabin cao áp, 6 - Tuabin thấp áp, 7 - Tuabin chân vịt, 8 - Hộp số, 9 - Chân vịt
TBV MNTA MNCA TBCA TBTA TBCV HS CV BĐ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 KK KX
Ngoài các bộ phân cơ bản trên, động cơ tua bin khí tàu thuỷ còn có các hệ thống phục vụ là: Hệ thống nhiên liệu, hệ thống bôi trơn, hệ thống làm mát, hệ thống khởi động và hệ thống điều khiển, bảo vệ động cơ.
3.2.1.2. Sơ đồ cấu trúc
Sơ đồ cấu trúc là cơ sở để tiến hành xây dựng mô hình cây hư hỏng dùng trong quá trình phân tích, đánh giá chỉ tiêu an toàn của đối tượng nghiên cứu. Sơ đồ cấu trúc được xây dựng trên cơ sở sơ đồ nguyên lý của hệ thống, nhưng nó có thể không đồng nhất với sơ đồ nguyên lý, vì được xây dựng dựa trên đặc điểm hoạt động và ảnh hưởng của hư hỏng của các phần tử đến hoạt động, còn sơ đồ nguyên lý là mô tả mối liên kết vật lý giữa các phần tử của hệ thống. Từ sơ đồ nguyên lý chung của động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam ở trên, có thể nhận thấy động cơ TBK là một hệ thống phức tạp, được liên kết bởi nhiều phần tử (có thể là liên kết song song hay nối tiếp). Mỗi một phần tử có thể là một chi tiết, một hay nhiều thiết bị hợp thành để thực hiện một chức năng nào đó, số lượng các phần tử là không hạn chế. Tuy nhiên, do sự phức tạp trong tính toán nên số lượng phần tử thường được chọn đáp ứng yêu cầu bài toán đặt ra.
Dựa vào sơ đồ nguyên lý và các phân tích đã nêu, có thể đánh giá động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam dựa trên các phần tử như sau:
- Thiết bị vào; - Máy nén khí; - Buồng đốt; - Tuabin; - Hộp số; - Các hệ thống phục vụ; - Hệ thống điều khiển;
Để quá trình phân tích, tính toán, đánh giá chỉ tiêu an toàn cho động cơ TBK tàu thuỷ được thuận tiện nhưng đảm bảo đạt được các kết quả như mong muốn, đồng thời đưa ra các giải pháp có tính khoa học, khả thi nhằm nâng cao tính an toàn cho động cơ TBK tàu thuỷ, phân chia động cơ TBK thành các nhóm phần tử quy đổi và các phần tử quy đổi (gọi là phân hệ và phần tử)
Qua quá trình khảo sát và thống kê thực tế hỏng hóc của các thiết bị trong hệ thống, chúng tôi thấy rằng, hỏng hóc xảy ra nhiều nhất là hệ thống điều khiển, hệ thống nhiên liệu, ổ bi đỡ các tuabin, máy nén, và hệ thống phục vụ khác. Bản thân động cơ ít xảy ra hỏng hóc, thiết bị hộp số của động cơ gần như không xảy ra hư hỏng. Vì vậy, để đơn giản và phù hợp hơn trong thống kê, các phân hệ cùng các phần tử của từng phân hệ được phân chia và ký hiệu tương ứng cụ thể như sau:
a. Các phân hệ của động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
Có thể chia động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam thành 3 phân hệ như sau: - Phân hệ động cơ;
- Phân hệ các hệ thống phục vụ; - Phân hệ hệ thống điều khiển;
Ký hiệu và thứ tự các phân hệ như trong Bảng 3.2
Bảng 3.2: Các phân hệ của động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
STT Các phân hệ của động cơ TBK Ký hiệu
1 Động cơ X
2 Các hệ thống phục vụ Y
3 Hệ thống điều khiển, bảo vệ Z
Từ đặc điểm hoạt động của động cơ TBK tàu thuỷ nói chung có thể nhận thấy, khi xảy ra một hư hỏng tại một phân hệ nào bất kỳ nào trong ba phân hệ nói trên thì cũng dẫn đến hư hỏng của động cơ TBK. Do đó, mối quan hệ giữa các phân hệ trong sơ đồ cấu trúc chính là mối quan hệ giữa các phần tử độc lập nối tiếp nhau. Hình 3.2 là sơ đồ cấu trúc theo phân hệ của động cơ tuabin khí sử dụng trên các tàu thuỷ Việt Nam.
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc theo phân hệ động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
b. Các phần tử trong từng phân hệ của hệ thống
Phân hệ động cơ: gồm 5 phần tử như trong Bảng 3.3 và mối liên hệ của chúng cũng là mối liên hệ của các phần tử độc lập, nối tiếp như Hình 3.3.
Bảng 3.3: Các phần tử của phân hệ động cơ
STT Các phần tử của động cơ TBK Ký hiệu
1 Thiết bị vào X1
2 Máy nén khí X2
3 Buồng đốt X3
4 Tuabin X4
5 Ổ trục X5
Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc của phân hệ động cơ
Phân hệ các hệ thống phục vụ: gồm 4 phần tử như trong Bảng 3.4 và mối liên hệ của chúng cũng là mối liên hệ của các phần tử độc lập, nối tiếp như Hình 3.4.
Bảng 3.4: Các phần tử của phân hệ các hệ thống phục vụ STT Các phần tử của hệ thống phục vụ Ký hiệu 1 Hệ thống nhiên liệu Y1 2 Hệ thống bôi trơn Y2 3 Hệ thống làm mát Y3 4 Hệ thống khởi động Y4
Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc của phân hệ các hệ thống phục vụ
Y1 Y2 Y3 Y4
Phân hệ hệ thống điều khiển, bảo vệ: gồm 2 phần tử như trong Bảng 3.5 và mối liên hệ của chúng cũng là mối liên hệ của các phần tử độc lập, nối tiếp như Hình 3.5.
Bảng 3.5: Các phần tử của phân hệ hệ thống điều khiển, bảo vệ
STT Các phần tử của hệ thống điều khiển, bảo vệ Ký hiệu
1 Hệ thống khí Z1
2 Hệ thống điện Z2
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc của phân hệ hệ thống điều khiển, bảo vệ
Như vậy sơ đồ cấu trúc dùng để đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam gồm 11 phần tử nối tiếp nhau như sơ đồ hình 3.6.
Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc đánh giá chỉ tiêu an toàn của động cơ tua bin khí tàu thuỷ 3.2.1.3. Mô hình cây hư hỏng cho đối tượng nghiên cứu
a. Các thành phần của cây hư hỏng
Trên cơ sở sơ đồ cấu trúc của động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam và nội dung phương pháp phân tích cây hư hỏng đã trình bày ở mục 2.2.3, có thể xác định các thành phần cấu thành cây hư hỏng của đối tượng nghiên cứu, trong trường hợp này chính là động cơ TBK sử dụng trên các tàu thuỷ Việt Nam, cụ thể như sau:
Gốc (sự kiện đỉnh): chính là hư hỏng cuối cùng của hệ thống khảo sát. Đây chính là hư hỏng xảy ra đối với động cơ TBK sử dụng trên các tàu thuỷ Việt Nam.
Nhánh (Sự kiện trung gian): là các hư hỏng nằm giữa hư hỏng đỉnh và các hư hỏng cơ bản hoặc các hư hỏng trung gian cấp dưới. Đối với trường hợp đang xét thì đó chính là hư hỏng của ba phân hệ gồm động cơ, các hệ thống phục vụ, hệ thống điều khiển đã nêu ở trên.
X4 Y2 Y3 Y4 X1 X2 X3 X5 Y1 Z1 X Y Z2 Z Z1 Z2
Lá (sự kiện cơ bản): là những hư hỏng xảy ra đối với các phần tử của từng phân hệ. Tên gọi ký hiệu của các phân hệ, phần tử trong hệ thống được trình bày trong các Bảng 3.2, Bảng 3.3 và Bảng 3.4.
b. Các ký hiệu được sử dụng trong mô hình
Để đơn giản, thống nhất cách gọi trong quá trình phân tích, xây dựng mô hình cây hư hỏng, sử dụng ký hiệu của các phân hệ cho hư hỏng của chúng cụ thể như sau:
Sự kiện đỉnh:
I – Hư hỏng của động cơ TBK tàu thuỷ Sự kiện trung gian: Các sự kiện trung gian gồm có:
X – Hư hỏng của phân hệ Động cơ
Y – Hư hỏng của phân hệ Hệ thống phục vụ
Z – Hư hỏng của phân hệ Hệ thống điều khiển, bảo vệ Sự kiện cơ bản: Các sự kiện cơ bản gồm có:
Xi (i=1,…,5) – Hư hỏng của phần tử thứ i thuộc phân hệ X Trong đó: X1 - Hư hỏng của thiết bị vào;
X2 - Hư hỏng của máy nén;
X3 - Hư hỏng của buồng đốt;
X4 - Hư hỏng của tua bin;
X5 - Hư hỏng của ổ trục;
Yi (i=1,…,4) – Hư hỏng của phần tử thứ i thuộc phân hệ Y Trong đó: Y1 - Hư hỏng của hệ thống nhiên liệu; Y2 - Hư hỏng của hệ thống bôi trơn;
Y3 - Hư hỏng của hệ thống làm mát;
Y4 - Hư hỏng của hệ thống khởi động;
Zi (i=1,2) – Hư hỏng của phần tử thứ i thuộc phân hệ Z Trong đó: Z1 - Hư hỏng của hệ thống khí;
c. Mô hình cây hư hỏng cho động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
Chỉ tiêu an toàn của hệ thống (của động cơ TBK tàu thuỷ cùng các hệ thống đi kèm) được xác định sau khi đã xử lý số liệu thống kê để xác định được chỉ tiêu an toàn của các phần tử trong hệ thống.
Qua việc phân tích cấu trúc, logic của các phần tử trong hệ thống như Hình 3.2, Hình 3.3, Hình 3.4, Hình 3.5 và Hình 3.6 ta xây dựng được sơ đồ cây hư hỏng cho động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam như Hình 3.7.
Hình 3.7: Mô hình cây hư hỏng của động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam
Từ sơ đồ cây hư hỏng (Hình 3.7), xác suất hư hỏng của động cơ TBK tàu thuỷ Việt Nam được xác định bằng cách thiết lập hàm lôgic sau:
I = X v Y v Z Hay I = X + Y + Z Theo định lý cộng xác suất ta có: I OR X Z Y OR Y1 Y2 Y3 Y4 X1 OR X5 X2 X3 X4 Z1 Z2 OR
Q(I) = Q (X + Y + Z )
= Q(X) + Q(Y) + Q(Z) -[Q(X).Q(Y) + Q(X).Q(Z) + Q(Y).Q(Z)]
+ Q(X).Q(Y).Q(Z) (3.1)
Xác suất hư hỏng của từng phân hệ được xác định bằng cách thiết lập hàm lôgic sau: Phân hệ động cơ: Q(X) = Q (X1 + X2 + X3 + X4 + X5 ) = Q(X1) + Q(X2) + Q(X3) + Q(X4) + Q(X5) - [Q(X1).Q(X2) + Q(X1).Q(X3) + Q(X1).Q(X4) + Q(X1).Q(X5) + Q(X2).Q(X3) + Q(X2).Q(X4) + Q(X2).Q(X5) + Q(X3).Q(X4) + Q(X3).Q(X5) + Q(X4).Q(X5)] + Q(X1).Q(X2).Q(X3) + Q(X1).Q(X2).Q(X4) + Q(X1).Q(X2).Q(X5) + Q(X1).Q(X3).Q(X4) + Q(X1).Q(X3).Q(X5) + Q(X1).Q(X4).Q(X5) + Q(X2).Q(X3).Q(X4) + Q(X2).Q(X3).Q(X5) + Q(X3).Q(X4).Q(X5) - [Q(X1).Q(X2).Q(X3).Q(X4) + Q(X1).Q(X2).Q(X4).Q(X5) + Q(X2).Q(X3).Q(X4).Q(X5)] (3.2) Phân hệ các hệ thống phục vụ: Q(Y) = Q (Y1 + Y2 + Y3 + Y4 )
= Q(Y1) + Q(Y2) + Q(Y3) + Q(Y4) - [Q(Y1).Q(Y2) + Q(Y1).Q(Y3) + Q(Y1).Q(Y4) + Q(Y2).Q(Y3) + Q(Y2).Q(Y4) + Q(Y3).Q(Y4)] + Q(Y1).Q(Y2).Q(Y3) + Q(Y1).Q(Y2).Q(Y4) + Q(Y2).Q(Y3).Q(Y4)
- Q(Y1).Q(Y2).Q(Y3).Q(Y4) (3.3)
Phân hệ hệ thống điều khiển, bảo vệ:
Q(Z) = Q(Z1 + Z2 ) = Q(Z1) + Q(Z2) - Q(Z1).Q(Z2) (3.4) Theo đó, xác xuất hư hỏng của cả động cơ TBK được xác định như sau:
Q(I) = Q(X1) + Q(X2) + Q(X3) + Q(X4) + Q(X5) - [Q(X1).Q(X2) + Q(X1).Q(X3) + Q(X1).Q(X4) + Q(X1).Q(X5) + Q(X2).Q(X3) + Q(X2).Q(X4) + Q(X2).Q(X5) + Q(X3).Q(X4) + Q(X3).Q(X5) + Q(X4).Q(X5)] + Q(X1).Q(X2).Q(X3) + Q(X1).Q(X2).Q(X4) + Q(X1).Q(X2).Q(X5) + Q(X1).Q(X3).Q(X4) + Q(X1).Q(X3).Q(X5) + Q(X1).Q(X4).Q(X5) + Q(X2).Q(X3).Q(X4)
+ Q(X2).Q(X3).Q(X5) + Q(X3).Q(X4).Q(X5) - [Q(X1).Q(X2).Q(X3).Q(X4)
+ Q(X1).Q(X2).Q(X4).Q(X5) + Q(X2).Q(X3).Q(X4).Q(X5)] + Q(Y1) + Q(Y2) + Q(Y3) + Q(Y4) - [Q(Y1).Q(Y2) + Q(Y1).Q(Y3) + Q(Y1).Q(Y4) + Q(Y2).Q(Y3) + Q(Y2).Q(Y4) + Q(Y3).Q(Y4)] + Q(Y1).Q(Y2).Q(Y3) + Q(Y1).Q(Y2).Q(Y4) + Q(Y2).Q(Y3).Q(Y4) - Q(Y1).Q(Y2).Q(Y3).Q(Y4) + Q(Z1) + Q(Z2) - Q(Z1).Q(Z2) - {Q(X1) + Q(X2) + Q(X3) + Q(X4) + Q(X5) - [Q(X1).Q(X2) + Q(X1).Q(X3) + Q(X1).Q(X4) + Q(X1).Q(X5) + Q(X2).Q(X3) + Q(X2).Q(X4) + Q(X2).Q(X5) + Q(X3).Q(X4) + Q(X3).Q(X5) + Q(X4).Q(X5)] + Q(X1).Q(X2).Q(X3) + Q(X1).Q(X2).Q(X4) + Q(X1).Q(X2).Q(X5) + Q(X1).Q(X3).Q(X4) + Q(X1).Q(X3).Q(X5) + Q(X1).Q(X4).Q(X5) + Q(X2).Q(X3).Q(X4) + Q(X2).Q(X3).Q(X5) + Q(X3).Q(X4).Q(X5) - [Q(X1).Q(X2).Q(X3).Q(X4) + Q(X1).Q(X2).Q(X4).Q(X5) + Q(X2).Q(X3).Q(X4).Q(X5)] }.{Q(Y1) + Q(Y2) + Q(Y3) + Q(Y4) - [Q(Y1).Q(Y2) + Q(Y1).Q(Y3) + Q(Y1).Q(Y4) + Q(Y2).Q(Y3) + Q(Y2).Q(Y4) + Q(Y3).Q(Y4)] + Q(Y1).Q(Y2).Q(Y3) + Q(Y1).Q(Y2).Q(Y4) + Q(Y2).Q(Y3).Q(Y4) - Q(Y1).Q(Y2).Q(Y3).Q(Y4)} - {Q(X1) + Q(X2) + Q(X3) + Q(X4) + Q(X5) - [Q(X1).Q(X2) + Q(X1).Q(X3) + Q(X1).Q(X4) + Q(X1).Q(X5) + Q(X2).Q(X3) + Q(X2).Q(X4) + Q(X2).Q(X5) + Q(X3).Q(X4) + Q(X3).Q(X5) + Q(X4).Q(X5)] + Q(X1).Q(X2).Q(X3) + Q(X1).Q(X2).Q(X4) + Q(X1).Q(X2).Q(X5) + Q(X1).Q(X3).Q(X4) + Q(X1).Q(X3).Q(X5) + Q(X1).Q(X4).Q(X5) + Q(X2).Q(X3).Q(X4) + Q(X2).Q(X3).Q(X5) + Q(X3).Q(X4).Q(X5) - [Q(X1).Q(X2).Q(X3).Q(X4) + Q(X1).Q(X2).Q(X4).Q(X5) + Q(X2).Q(X3).Q(X4).Q(X5)] }.{Q(Z1) + Q(Z2) - Q(Z1).Q(Z2)} - {Q(Y1) + Q(Y2) + Q(Y3) + Q(Y4) - [Q(Y1).Q(Y2) + Q(Y1).Q(Y3) + Q(Y1).Q(Y4) + Q(Y2).Q(Y3) + Q(Y2).Q(Y4) + Q(Y3).Q(Y4)] + Q(Y1).Q(Y2).Q(Y3) + Q(Y1).Q(Y2).Q(Y4) + Q(Y2).Q(Y3).Q(Y4) - Q(Y1).Q(Y2).Q(Y3).Q(Y4)}.{Q(Z1) + Q(Z2) - Q(Z1).Q(Z2)} + {Q(X1) + Q(X2) + Q(X3) + Q(X4) + Q(X5) - [Q(X1).Q(X2) + Q(X1).Q(X3) + Q(X1).Q(X4) + Q(X1).Q(X5) + Q(X2).Q(X3) + Q(X2).Q(X4) + Q(X2).Q(X5) + Q(X3).Q(X4) + Q(X3).Q(X5) + Q(X4).Q(X5)]
+ Q(X1).Q(X2).Q(X3) + Q(X1).Q(X2).Q(X4) + Q(X1).Q(X2).Q(X5) + Q(X1).Q(X3).Q(X4) + Q(X1).Q(X3).Q(X5) + Q(X1).Q(X4).Q(X5) + Q(X2).Q(X3).Q(X4) + Q(X2).Q(X3).Q(X5) + Q(X3).Q(X4).Q(X5) - [Q(X1).Q(X2).Q(X3).Q(X4) + Q(X1).Q(X2).Q(X4).Q(X5) + Q(X2).Q(X3).Q(X4).Q(X5)] }.{Q(Y1) + Q(Y2) + Q(Y3) + Q(Y4) - [Q(Y1).Q(Y2) + Q(Y1).Q(Y3) + Q(Y1).Q(Y4) + Q(Y2).Q(Y3) + Q(Y2).Q(Y4) + Q(Y3).Q(Y4)] + Q(Y1).Q(Y2).Q(Y3) + Q(Y1).Q(Y2).Q(Y4) + Q(Y2).Q(Y3).Q(Y4) - Q(Y1).Q(Y2).Q(Y3).Q(Y4)}.{Q(Z1) + Q(Z2) - Q(Z1).Q(Z2)} (3.5) Xác suất an toàn của từng phần tử, phân hệ và của cả động cơ được xác định theo công thức :
Pi = 1 – Qi (3.6)