Bài giảng khai thác hệ động lực tàu thủy

Đặc tính chân vịt a Đặc tính chân vịt với động cơ lai chân vịt định bước - Đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công tác của động cơ lai chân vịt với tốc độ quay hoặc tốc đột

BÀI GIẢNG KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY

HẢI PHÒNG 2009

Phần I: Khai thác công suất Chương 1: Đặc tính công tác của diesel tàu thủy và sự phối hợp công tác với chân vịt

1.1.1 Khái niệm chung

Chế độ làm việc của động cơ được đặc trưng bằng sự tổng hợp các chỉ tiêu, thông số kỹ thuật trong các điều kiện cụ thể lúckhai thác Thông thường thông số nào được chọn làm thông số cơ bản thì tên gọi và giá trị của nó sẽ xác tên gọi của chế độlàm việc

Ví dụ: Chế độ tốc độ đặc trưng cho sự làm việc của động cơ với giá trị số vòng quay cho trước, còn ở chế độ phụ tải đặctrưng cho sự làm việc của động cơ với giá trị phụ tải (Pe hoặc Me) cho trước

Khi giá trị vòng quay hoặc phụ tải được xác định cụ thể thì sẽ có tên gọi chính xác chẳng hạn như: Khi Pe = 0 gọi là độlàm việc không tải,

Khi n = nmingọi là chế độ làm việc với vòng quay tối thiểu ổn định

Ngoài ra với động cơ tàu thủy còn có một số chế độ khai thác đặc biệt trong trường hợp sự cố

1.1.2 Đặc tính của động cơ diesel tàu thủy

Sự chuyển chế độ làm việc của động cơ trong những điều kiện đã được xác định ta thu được sự thay đổi có tính quy luậtcủa các thông số động cơ phụ thuộc vào thông số chính mà có thể biểu diễn bằng bảng số, đồ thị hoặc hàm số gọi là đặctính động cơ Đặc tính động cơ dùng để đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật, an toàn tin cậy trong quá trình công tác của động cơ.Phân loại: Đặc tính động cơ diesel tàu thủy được chia làm 3 loại chính sau:

- Đặc tính công suất (còn gọi là đặc tính tốc độ): Biểu thị sự tập hợp những chế độ tốc độ mà thông số chính là vòngquay động cơ

- Đặc tính phụ tải: Biểu thị sự tập hợp những chế độ phụ tải với thông số chính là phụ tải động cơ

- Đặc tính tổng hợp: Biểu thị sự tập hợp tổng hợp các chế độ (tốc độ và phụ tải) với tốc độ quay của động cơ

Đặc tính tốc độ còn được chia thành: Đặc tính ngoài, đặc tính chân vịt và đặc tính giới hạn

Trong đó: Ne là công suất có ích của động cơ, n là tốc độ động cơ, và v là tốc độ tàu

- Đặc tính công suất chia thành: Đặc tính ngoài và đặc tính chân vịt

Giả định: Lượng nhiên liệu phun vào động cơ trong mỗi chu trình không đổi (dw=const) và hiệu suất chung của động cơkhông đổi trong phạm vi toàn bộ chế độ tốc độ quay (ho = const) ta có:

0

632, 3

H e

GQ

Trong đó:

- QH: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu sử dụng [Kcal/ kg]

- G : Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ, G = 60nzdw (kg/h)

Ta thấy rằng khi dw không đổi thì mômen quay có ích và áp suất có ích bình quân cũng không đổi, thật vậy:

Hay: P e = C 3 dw với C 3 = (4500/SFiz)C 1

Khi dw không đổi thì Me và Pe cũng không đổi hay đồ thị của chúng là những đường thẳng song song với trục hoành (0n)như hình vẽ sau:

0A 1 : Đặc tính ngoài khi dw 1 =const.

0A 2 : Đặc tính ngoài khi dw 2 =const.

di : Góc kẹp giữa N e và n, biểu thị lượng phun nhiên liệu hay mức

độ thay đổi P e , M e khi dw thay đổi.

Trong thực tế vì hiệu suất động cơ giảm dần theo chiều tăng tốc độ quay nên đường đặc tính ngoài là đường cong, và trongkhai thác chúng được chia thành các đường cơ bản sau:

2 Đặc tính chân vịt

a) Đặc tính chân vịt với động cơ lai chân vịt định bước

- Đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công tác của động cơ lai chân vịt với tốc độ quay hoặc tốc độtàu khi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình là thay đổi gọi là đặc tính chân vịt

M e = C’n x-1

Trong đó: x là số mũ phụ thuộc vào kết cấu vỏ tàu và trang trí hệ động lực Với một con tàu cụ thể x = const x=2,5

~3,2 (x = 2,5 với tàu cao tốc như tàu lướt, tàu khách x = 3,2 đối tàu hàng)

Hình 1.6 Biểu diễn mối quan hệ giữa M e và P e với vòng quay

khi dw=const.

I: M e , P e đạt giá trị lớn nhất khi dw = dw max

II: M e , P e đạt giá trị định mức khi dw = dw n (lượng cung cấp

nhiên liệu đạt giá trị định mức)

III: M e , P e đạt giá trị nhỏ nhất khi dw = dw min (lượng cung cấp

nhiên liệu đạt giá trị lớn nhất)

Hình 1.7.Đặc tính công suất trong khai thác được chia thành.

1: Đặc tính giới hạn- là đặc tính công suất giới hạn độ bền của động cơ (N gh )

2: Đặc tính lớn nhất- là đặc tính thể hiện khả năng phát ra công suất lớn nhất của động cơ (N max ) ở vòng quay lớn nhất.

3: Đặc tính ngoài (đặc tính định mức) - là đặc tính thể hiện khả năng phát ra công suất lớn nhất ổn định, kinh tế nhất

của động cơ (N n ) ở vòng quay định mức.

4: Đặc tính khai thác- là đặc tính công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong quá trình khai thác động cơ (N KT ) Thông

thường: N KT =(0,85 ~ 0,95) N n

5: Đặc tính phụ tải (bộ phận) (N bf ) –là đặc tính công suất khi động cơ phát ra công suất nhỏ hơn công suất khai thác,

thường sử dụng trong điều kiện manơ

C, C’: là hằng số phụ thuộc tuyến hình vỏ tàu, chân vịt cũng như tình trạng của chúng và điều kiện khaithác.

- Đặc tính chân vịt được xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm:

Để xây dựng được đặc tính chân vịt ta phải giả định rằng lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình là thay đổi và toàn

bộ công suất động cơ phát ra được truyền hết cho chân vịt Bằng thực nghiệm cho thấy rằng với đa số tàu hàng công tácđộc lập (như tàu biển, tàu sông, tàu không lai kéo ) có x = 3 nên (4) được viết lại là:

b) Với động cơ lai chân vịt biến bước

Trong thực tế công suất và mô men chân vịt tiếp nhận được phụ thuộc trước tiên vào các thông số hình học, thủyđộng học của chân vịt Khác với chân vịt định bước ở chân vịt biến bước khi làm việc ta có thể thay đổi được thông số hìnhhọc bước chân vịt H (hay thông số không thứ nguyên tỷ số bước H/D) Việc thay đổi tỷ số bước H/D làm cho đặc tính chânvịt thay đổi

1.2.2 Đặc tính phụ tải

- Sự phụ thuộc của các chỉ tiêu cơ bản của động cơ vào phụ tải (Ne, Me, hay Pe) khi số vòng quay không thay đổi (n

= const) gọi là đặc tính phụ tải

- Khi n = const ta có tổn hao cơ giới: N m = A.nblà hằng số, với A = N mn /n nb

Hình 1.8 Biểu diễn mối quan hệ giữa N e với n khi dw = var trong

các điều kiện khai thác khác nhau.

C U : Đặc tính chân vịt thử tàu tại bến (V = 0)

C 0 : Đặc tính chân vịt trong điều kiện khai thác bình thường

Cj: Đặc tính chân vịt khi tàu chạy ballast.

Hình 1.9 Biểu diễn mối quan hệ giữa N e với n khi động cơ lai

chân vịt biến bước.

H/D n : Đặc tính chân vịt ứng với tỷ số bước định mức (Chế độ khai

thác kinh tế)

H/D max : Đặc tính chân vịt ứng với tỷ số bước lớn nhất (Chế độ khai

thác khó khăn)

H/D min : Đặc tính chân vịt ứng với tỷ số bước nhỏ nhất (Chế độ

khai thác thuận lợi)

1.3 Sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt

1.3.1 Truyền động giữa động cơ và chân vịt

Trong đó: htr = 0,96 ~ 0,99: Hiệu suất truyền động

hp = 0,65 ~ 0,70: Hiệu suất chân vịt,hp max khi ns = 90 ~ 120 RPM

2 Truyền động gián tiếp

Thường áp dụng cho động cơ trung tốc lai chân vịt như động cơ hãng Semt-Pielstick, hay hãng Mitsubishi với loại này trênđường trục thường có li hợp, hộp giảm tốc hoặc hộp số Đặc điểm nổi bật của phương pháp truyền động này là tốc độ chânvịt ns bị thay đổi phụ thuộc vào tỷ số truyền, n s = in

N s = N ehtrhphlhhgt.

M s = (1/i)M ehtrhphlhhgt

Trong đó: hlh = 0,97 ~ 0,98: Hiệu suất bộ li hợp

hgt = 0,94 ~ 0,96: Hiệu suất hộp giảm tốc

1.3.2 Sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt định bước

Ngày nay truyền động trực tiếp lai chân vịt định bước được sử dụng rộng rãi bởi tính ưu việt của nó là đơn giản trong chếtạo, hiệu suất truyền động cao và ta có thể xem: ns = n và Ns= Ne

a) Xét trường hợp điều kiện khai thác không thay đổi

Giả sử tàu công tác trong vùng biển yên sóng gió tương ứng với đường đặc tính chân vịt không thay đổi C0 Động cơ đanglàm việc với đường đặc tính ngoài (Mn = const) ứng với lượng cấp nhiên liệu định mức (dwn = const)

Điểm phối hợp công tác sẽ là giao điểm N của đường đặc tính chân vịt (C0) và đường đặc tính ngoài (Mn, hn) Tại đâymômen do động cơ sinh ra cân bằng với mômen cản trên đế chân vịt, lực đẩy cân bằng với lực cản, và tại N công suất động

cơ là công suất định mức Nn và vòng quay định mức nn Tuy nhiên trong thực tế khai thác không phải lúc nào ta cũng đạtđược công suất tại điểm N Chẳng hạn: khi động cơ đã cũ, khi một vài xylanh bị sự cố, tuabin tăng áp bị hỏng hay khi tàukhai thác trong luồng lạch hẹp, cạn thì ta phải thay đổi tay ga để tìm một điểm khai thác có công suất hợp lý mà vẫn an toàncho động cơ

Đặc tính phụ tải thường sử dụng cho các loại động cơ diesel lai máy

phát điện, lai bơm, máy nén hoặc các động cơ chính trong hệ

động lực truyền động điện lai chân vịt Trong thực tế khai thác, đặc

tính phụ tải của động cơ thường dùng ở vòng quay định mức (nn)

bởi bộ điều tốc thay đổi lượng cung cấp nhiên liệu phù hợp với phụ

tải bên ngoài Tuy nhiên giá trị vòng quay khai thác cũng thay đổi

Một lí do nữa mà ta thường sử dụng công suất phát ra của động cơ nhỏ hơn công suất định mức nhằm dành một phần giữtrữ để khắc phục khi phụ tải tăng đột ngột do sóng gió hoặc nhằn tăng cao tuổi thọ động cơ Do đó điểm phối hợp công tácgiữa động cơ & chân vịt thường là điểm K và ta có:

Hệ số giảm công suất e thường lấy e = (0,85 ~ 0,95)

Vậy khi điều kiện khai thác không thay đổi nếu ta thay đổi tay ga nhiên liệu thì điểm phối hợp công tác sẽ thay đổi nhưngluôn nằm trên đường đặc tính chân vịt

b) Xét trường hợp điều kiện khai thác thay đổi

Giả sử sức cản con tàu thay đổi do sóng gió hay tải trọng hàng hóa thay đổi tương ứng với các đặc tính chân vịt CU, C1,

C0, C2, Cj Động cơ đang làm việc ở đặc tính khai thác MKT = 0,9.Mn với giả thiết động cơ không có bộ điều tốc thì điểmphối hợp công tác tương ứng sẽ là KU, K1, K0, K2, Kj

Ta thấy khi điều kiện khai thác khó khăn hơn chẳng hạn điểm phối hợp công tác chuyển từ K0 về K1 Tại K1 công suất động

cơ đã giảm một lượngDN = N0 - N1 dùng để khắc phục sức cản vỏ tàu Ta có:

01 1 1

=

Hình 1.11 Sự phối hợp công tác giữa động cơ & chân vịt khi điều kiện

khai thác không thay đổi.

C 0 : Đặc tính chân vịt ứng với điều kiện khai thác yên sóng gió.

M n = const: Đặc tính ngoài ứng với tay ga định mức.

N, K, I, H: Các điểm khai thác tương ứng với các vị trí tay ga khác nhau.

Hình 1.12 Sự phối hợp công tác giữa động cơ & chân vịt khi điều

kiện khai thác thay đổ giữ nguyên tay ga.

M K = const: Đặc tính động cơ ứng với tay ga khai thác.

C U : Đ ặc tính buộc tàu tại bến.

C 1 : Đặc tính chân vịt ứng với điều kiện ngược sóng gió.

C 0 : Đặc tính chân vịt ứng với điều kiện yên sóng gió.

C 2 : Đặc tính chân vịt ứng với điều kiện xuôi sóng gió.

Cj: Đặc tính chân vịt ứng với điều kiện balát.

K 0 : Các điểm công tác tương ứng với các điều kiện khai thác.

M n =const

Trong đó:h01,h0K là hiệu suất động cơ tại điểm K1 và K0 Nếu ta xem chúng là hằng số không đổi trong suốt dải vòng quaycông tác thì:

c) Sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt trong thực tế khai thác

Trong thực tế động cơ chính tàu thủy được trang bị bộ điều tốc nhằm duy trì vòng quay ở giá trị đặt nhất định, dùphụ tải tác động lên chân vịt thay đổi, bằng việc tăng giảm nhiên liệu phù hợp tương ứng với tải bên ngoài

Hình 1.12 Phối hợp công tác giữa động cơ & chân vịt khi động cơ trang bị BĐT nhiều chế độ.

(I) Khi ĐKKT khó khăn hơn ĐT chân vịt thay đổi từ C 0 -> C 1 BĐT sẽ tăng lượng nhiên liệu và điểm khai thác thay đổi từ

K 0 -> K 1 để duy trì vòng quay xung quanh giá trị n 0

(II) Khi ĐKKT thuận lợi hơn ĐT chân vịt thay đổi từ C 0 -> C 2 BĐT sẽ giảm lượng nhiên liệu và điểm khai thác thay đổi từ

K 0 -> K 2 để duy trì vòng quay xung quanh giá trị n 0

1.4.1 Phạm vi công tác của động cơ lai chân vịt định bước

Hình 1.13 Phạm vi công tác của HĐL diesel lai chân vịt định bước.

C U : Đặc tính chân vịt khi thử tàu tại bến.

h max : Đặc tính công suất lớn nhất của động cơ.

h n : Đặc tính công suất định mức.

h KT : Đặc tính công suất khai thác.

n max : Giới hạn vòng quay lớn nhất của động cơ.

n n : Vòng quay định mức của động cơ.

n min : Giới hạn vòng quay tối thiểu ổn định của động cơ.

- Vùng 1: Giới hạn bởi nmin, CU, hKT, nn, và hmin Tương ứng với trường hợp động cơ hoạt động ở chế độ nhỏ tảinhư: khi khởi động, hay manơ trong luồng lạch hẹp, hoặc khi động cơ đã cũ.

- Vùng 2: Giới hạn bởi CU, hn, nn, hKT Đây chính là vùng thể hiện khả năng phát ra công suất tối ưu của động cơ,hiệu quả kinh tế tốt nhất Thường chỉ khai thác động cơ trong vùng (2) khi động cơ còn mới, khai thác trong điềukiện thuận lợi

- Vùng 3: Giới hạn bởi CU, hmax, nmax, hn Thể hiện khả năng phát ra công suất lớn nhất của động cơ Vùng này chỉ

áp dụng trong quá trình thử tàu xuất xưởng, sau sửa chữa lớn, hoặc khi tàu chạy trong bão, tàu giẫy cạn nhưngphải chú ý quá tải động cơ

1.4.2 Khả năng mở rộng phạm vi công tác của động cơ

a) Dùng nhiều động cơ lai một chân vịt

Trong thực tế với một số loại tàu việc yêu cầu công suất ở các chế độ khai thác riêng biệt là khác nhau Chẳng hạn như tàuquân sự khi tàu tác chiến thì yêu cầu công suất lớn nhưng khi tàu di chuyển bình thường thì không yêu cầu công suất lớn.Hay tàu khách thì khi hành trình trên đại dương cần tốc độ cao công suất lớn nhưng khi manơ trong luồng thì chỉ cần cungcấp một phần công suất vừa đủ Với hệ động lực nhiều động cơ lai một chân vịt cho phép khắc phục hiện tượng dư thừacông suất khi tàu chạy nhỏ tải bằng việc cho ngừng hoạt động một hay một số động cơ

3) Giá thành chế tạo cao

Thông thường chỉ áp dụng cho tàu nhỏ, yêu cầu tốc độ cao như tàu quân sự, tàu đánh cá hay một số tàu khách

Hình 1.14 Sơ đồ HĐL hai động cơ lai một chân vịt Hình 1.15 Đồ thị đặc tính HĐL bốn động cơ giống nhau

lai một chân vịt OA: Đặc tính động cơ khi khai thác một máy.

OB: Đặc tính động cơ khi khai thác hai máy.

OC: Đặc tính động cơ khi khai thác ba máy.

OD: Đặc tính động cơ khi khai thác bốn máy.

b) Động cơ lai chân vịt thông qua hộp số

Khi tàu khai thác trong điều kiện bình thường C0 động cơ công tác ở đặc tính ngoài Mn Với tỷ số truyền là i1 ta có mômenchân vịt MS1=(1/i1).Mn, điểm phối hợp công tác là A Do điều kiện khai thác khó khăn hơn nên đặc tính chân vịt thay đổisang C1 Nếu ta vẫn giữ nguyên tay ga thì điểm phối hợp công tác sẽ là B Tại B công suất, vòng quay bị giảm và động cơkhai thác trong điều kiện nặng nề hơn dễ gây quá tải về nhiệt

Trong trường hợp này nếu ta thay đổi số truyền từ i1 -> i2 (với i2< i1) khi đó mômen trên đế chân vịt là MS2=(1/i2).Mn, và

MS2>MS1 Điểm công tác B’ có công suất và vòng quay động cơ lớn hơn ở điểm B Hay nói cách khác chế độ khai thácđộng cơ đã được cải thiện tốt hơn so với điểm B

1) Khó khăn trong khai thác vận hành

2) Hệ thống động lực phức tạp, hiệu suất truyền động nhỏ

3) Giá thành chế tạo cao

Thông thường chỉ áp dụng cho tàu nhỏ

c) Dùng truyền động điện lai chân vịt

Động cơ diesel lai máy phát điện rồi truyền năng lượng điện cho động cơ điện lai chân vịt

Khi điều kiện khai thác thay đổi từ C0 sang C1 nhờ có đặc tính của động cơ điện có dạng như (d) nên điểm công tác ban đầu

ở A không về B như với HĐL động cơ lai trực tiếp chân vịt ờa sẽ về C (trong HĐL truyền động điện) nên đã cải thiện đượcquá trình công tác của động cơ, công suất và vòng quay tăng lên

Hình 1.16 Sơ đồ HĐL động cơ lai chân vịt thông qua hộp giảm tốc gồm 2 cấp tiến và 1 cấp lùi

Hình 1.17 Sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt

khi có hộp giảm tốc

C 0 : Đặc tính chân vịt khi khai thác trong đk bình thường.

C 1 : Đặc tính chân vịt khi khai thác trong đk khó khăn.

C1

- Ưu điểm:

1) Có khả năng thay đổi mômen truyền động của động cơ cho chân vịt Khai thác hết công suất động cơ

2) Có thể thay đổi tốc độ, đảo chiều tàu mà không cần tác động lên tốc độ quay quay của động cơ

3) Phạm vi công tác được mở rộng

- Nhược điểm:

1) Khả năng quá tải của động cơ điện kém, độ tin cậy không cao

2) Hiệu suất truyền động nhỏ

3) Giá thành chế tạo cao

Thông thường chỉ áp dụng cho tàu nhỏ, tàu chuyên dụng như tàu công trình

d) Sử dụng chân vịt biến bước

Chân vịt biến bước cho phép tận dụng tối ưu công suất phát ra của động cơ trong các điều kiện khai thác khác nhau thôngqua việc thay đổi bước chân vịt

Hình 1.18 Sơ đồ HĐL lai chân vịt biến bước

Hình 1.19 Sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt biến bước

C 0 : Đặc tính chân vịt khi khai thác trong đk bình thường với ( H / D )=1,0.

Hay trong đk khai thác khó khăn nhưng tỷ số bước đặt ở ( H / D )=0,8.

C 1 : Đặc tính chân vịt khi khai thác trong đk khó khăn vẫn với ( H / D )=1,0.

C1

M n =const

Hình 1.18 Sơ đồ HĐL truyền động điện

Hình 1.19 Sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt trong HĐL truyền động điện

C 0 : Đặc tính chân vịt khi khai thác trong đk bình thường.

C 1 : Đặc tính chân vịt khi khai thác trong đk khó khăn.

d: Đặc tính công suất động cơ điện.

MotorGen

C1

M n =const

Giả sử tàu đang chạy trong vùng biển yên sóng gió, tỷ số bước đặt ở (H/D)1=1,0 thì đặc tính chân vịt tương ứng là C0 Động

cơ công tác ở đặc tính ngoài Mn Ta có điểm phối hợp công tác là A

Khi tàu chuyển sang vùng biển có sóng gió nếu vẫn giữ nguyên tỷ số bước thì đặc tính chân vịt là C1. Nếu vẫn duy trì tay

ga nhiên liệu thì điểm phối hợp công tác sẽ là B Tại B động cơ dễ bị quá tải nhiệt Để khắc phục ta giảm tỷ số bước về(H/D)2=0,8, tương ứng đặc tính chân vịt sẽ dịch chuyển về C0 Điểm phối hợp công tác sẽ dịch về A Như vậy mặc dù trongđiều kiện khai thác khó khăn nhưng động cơ vẫn phát huy hết công suất mà không bị quá tải

1) Khi chọn tỷ số bước và vòng quay không hợp lí sẽ làm giảm hiệu suất

2) Hiệu suất chân vịthP chỉ đạt giá trị cực đại khi tỷ số bước ở giá trị định mức

3) Hệ thống điều khiển bước phức tạp, độ tin cậy không cao, giá thành chế tạo cao

4) ứng với một tỷ số bước quay (H/D) có một dải tốc độ tàu tương ứng sẽ gây hiện tượng xâm thực mãnh liệt cho chânvịt

Thông thường chỉ áp dụng cho tàu khách, tàu cá, như tàu công trình loại tàu yêu cầu khả năng điều động, quay trở tốt

Chương 2: Phương pháp xây dựng đồ thị đặc tính của động cơ diesel lai chân vịt

2.1.1 Xây dựng đặc tính công suất theo phương pháp thí nghiệm

Theo kết quả thí nghiệm thực nghiệm của Sikova (Ba Lan) trên mô hình và nhiều loại tàu khác nhau, đã rút ra kết luận:Quan hệ giữa công suất với vòng quay của động cơ lai chân vịt trong một điều kiện khai thác nhất định được thể hiện dướiphương trình:

Trong đó: x: Hệ số đặc trưng cho mỗi con tàu và HĐL

C: Hệ số đặc trưng cho trạng thái khai thác

Lấy logarit cơ số 10 hai vế phương trình trên ta có:

Đường 2: Tàu chở đầy hàng Đường 3: Tàu chạy ballast

Để xác định được các hệ số x và C với một con tàu nhất định, trong một điều kiện khai thác cụ thể ta phải thí nghiệm để lấyđược 2 cặp thông số sau: (N1, n1, V1) (N2, n2, V2) Thay các gia strị vào (7) ta có hệ phương trình:

2

lglg

N N x n n

500

123

Trong đó: CU: Hệ số khi thử tàu tại bến.

a: Hệ số góc phụ thuộc vào số vòng quay của chân vịt a = f(n).

Hình 2.2 Biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số C với vận tốc của tàu trong

các điều kiện khai thác.

Thực tế thí nghiệm trên các tàu người ta thấy mối quan hệ giữa hệ số a

và số vòng quay là đường thẳng trong hệ toạ độ logarit

Ta có phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa a và số vòng quay n

2

lglg

a a z n n

2

lglg

V V z n n

Thay giá trị Z, a1, a2 vào phương trình (11’) ta xác định được hệ số b:

b =a 1 n 1z = a 2 n 2z (13)Thay các giá trị tính được vào (6) ta có:

Hay:

x

x U

100 200 300 400 lg n

lg Ne

8765

Hình 2.3 Biểu diễn mối quan hệ giữa

hệ số a với vòng quay trên hệ trục

logarit

Các bước tiến hành xây dựng đồ thị đặc tính:

u

a V

x z

N N V

bn

Tàu chở đầy hàng trong ĐK yên sóng gió:

Khi buộc tàu tại bến:

Tàu chạy xuôi sóng gió:

Tàu chạy ngược sóng gió:

7 Xây dựng đồ thị đặc tính chân vịt và đặc tính ngoài trên N e - n

Dựa vào kết quả ở bảng trên ta vẽ được các đường đặc tính chân vịt

tương ứng với các điều kiện khai thác khác nhau

Đặc tính ngoài Mn= const là đường thẳng đi qua gốc toạ độ và điểm

N(Nn; nn)

Đồ thị được xây dựng dựa vào kết quả ở bảng trên Riêng đồ thị đặc

tính Cu sẽ trùng với trục tung vì luông có V= 0

tác của HĐL

Việc xây dựng đặc tính chân vịt, đặc tính ngoài tương tự như ở phần 7) và 8)

Đặc tính khai thác của động cơ (hKT) ứng với MK= 0,85.Mn được xây dựng bằng cách: Trên trục tung lấy NK= 0.85.Nn,dóng thẳng sang đường nn= const ta được điểm cắt N’ Đặc tính MK là đường thẳng 0A’

Để vẽ đặc tính ngoài Mn trên hệ trục toạ độ N -V ta sử dụng phương pháp “chuyển đồ thị” Giả sử Mn cắt C0 tại A dóng đốixứng trục tung ta được A’ Mn cắt CU tại B tương tự dóng sang ta được B’ B’A’ chính là đặc tính ngoài Mn= const trên hệtrục toạ độ N -V Làm tương tự ta sẽ dựng được đường đặc tính MK= const trên hệ trục N -V

Phương pháp dựng đường đặc tính n = const trên hệ trục N -V cũng làm bằng phương pháp tương tự.

10 Xây dựng đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu

Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giờ G (kg/ h) được tính: G nl = 10 -3 g e N e (kg/ h)

Trong đó: ge: Suất tiêu hao nhiên liệu (cho trước trong bảng) (g/ml.h)

Ne: Công suất tương ứng với giá trị vòng quay đã chọn và điều kiện khai thác cho trước (tính được trongbảng) (ml)

Dựa vào các giá trị tính được trong bảng để dựng các đường đặc tính tiêu hao nhiên liệu ứng với các điều kiện khai tháckhác nhau:

2.2 Xây dựng đồ thị đặc tính công tác của HĐL động cơ lai chân vịt biến bước

2.2.1 Xây dựng đồ thị đặc tính công suất

Cũng như kết quả thí nghiệm của HĐL động cơ lai chân vịt định bước, ở đây ta cũng có mối quan hệ công suất với vòngquay như phương trình (6) đã biết:

Ne = Cn x

Ở đây hệ số C ngoài sự ảnh hưởng do điều kiện khai thác còn bị ảnh hưởng của tỷ số bước quay (H/D), trong khi đó số mũ

x không bị ảnh hưởng bởi tỷ số H/D

Trong hệ tọa độ logarit với các giá trị khác nhau của tỷ số bước quay (H/D), chung ta biểu thị phương trình (7) bằng cácđường thẳng song song trên hình (2.9)

Nếu chọn C1 là hệ số đặc trưng cho chân vịt ứng với tỷ số bước quay (H/D)1, thì phương trình (6) có thể biểu thị như sau:

1

'lg

"

'lg

"

N N x n n

Qua thực nghiệm trên các loại tàu khác nhau người ta

khẳng định được rằng hệ số (C/C1) có quan hệ với tỷ số

bước quay của chân vịt (H/D) qua phương trình sau:

1

Trong đó: m, K là các hệ số tính toán thực nghiệm, nó đặc

trưng cho loại chân vịt

Phương trình (18) biểuthị trên hệ trục logarít là đường

thẳng trên hình (2.10)

Khi thí nghiệm ở tỷ số (H/D)1 không đổi và cùng một

điều kiện khai thác (C= C1) ta có:

1

1 1

Khi tiến hành thí nghiệm với các loại tàu khác nhau cho thấy

quan hệ giữa tốc độ tàu với tốc độ quay của chân vịt qua phương

trình sau:

Trong đó:

a: là hệ số đặc trưng cho điều kiện khai thác của tàu

- a = 0 khi điều kiện khai thác bình thường (yên sóng gió)

- a < 0 khi điều kiện khai thác khó khăn (ngược sóng gió)

- a > 0 khi điều kiện khai thác thuận lợi (xuôi sóng gió)

b: hệ số góc phụ thuộc vào tỷ số bước quay (H/D)

Khi thí nghiệm ở tỷ số bước quay (H/D)1 = const trong cùng một

điều kiện khai thác thì phương trình (21) có thể được viết:

Và hệ số góc tương ứng sẽ được tính:

a = V 1 ’ – b 1 n 1 ’= V 1 ” – b 1 n 1 ” (23)Suy ra:

1 1 1

Mặt khác kết quả thí nghiệm cho thấy tỷ số (b/b1) và (H/D) có quan

hệ thỏa mãn phương trình sau:

Từ phương trình (25’) ta thấy mối quan hệ (b/b1) với (H/D)

trên hệ tọa độ logarít là quan hệ bậc nhất như minh họa hình

(2.12)

Để xác định được hệ số d và hệ số mũ z trong phương trình

(25) ta cần thí nghiệm ở hai tỷ số bước

Khi thí nghiệm ở tỷ số bước (H/D) = (H/D)1 hay hệ số b = b1

Hình 2.10 Biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số C/C 1

với tỷ số bước quay (H/D) trên hệ trục logarit

C= C 1 khi tỷ số H/D =1

V1412108642

80 100 120 140 160 180 200 n

H/D= 1,11,00,80110,5910,4880,283

Hình 2.11 Biểu thị quan hệ vận tốc tàu với số vòng quay khi bước quay (H/D) thay đổi.

Hình 2.12 Biểu diễn mối quan hệ giữa hệ số C/C 1 với

tỷ số bước quay (H/D) trên hệ trục logarit

C= C 1 khi tỷ số H/D =1

0,5 0,7 0,9 1 1,1 lg(H/D)

b/ b1

1,21,00,70,60,50,40,3

2 1

//

Z

Z

H D b

b n

Trong đó a được xác định qua phương trình (23) và (24) Thay giá trị của b1và b2 vào (27) ta xác định được số mũ z Cuốicùng thay tất cả các hệ số tính toán vào công thức (17) và (21) ta sẽ xác định được công suất tốc độ tàu theo tỷ số bước(H/D) thay đổi và vẽ được đồ thị đặc tính

Tóm lại: để xây dựng được đồ thị đặc tính công suất HĐL động cơ lai chân vịt biến bước, trong quá trình thí nghiệm cần

lấy được các thông số sau:

- Ứng với tỷ số bước (H/D)1 có: N1’, n1’, V1’ và N1”, n1”, V1”

- Ứng với tỷ số bước (H/D)2 có: N2, n2, V2

- Ngoài ra cần có công suất và vòng quay định mức của động cơ để xây dựng đặc tính ngoài của động cơ

Các bước tiến hành xây dựng đồ thị đặc tính:

1 Tính số mũ x

1

2 1 2

'lg

"

'lg

"

N N x n n

=

2 Tính hệ số C trong các điều kiện khác nhau

1 2 0

6 Tính hệ số a

a = V 1 ’ – b 1 n 1’

7 Tính hệ số b 2

2 2 2

b n

b/b 1

V= V 1

nN

V= V 2

nN

V= V n

nN

11 Vẽ đồ thị đặc tính công suất với các giá trị tính toán trong bảng 2.9 trên hình 2.13

Hình 2.13 Đồ thị đặc tính công suất của HĐL

động cơ lai chân vịt biến bước

Ne(ml)1500

1000

500

50 100 150 200 n (v/ph)V=7,5

V=10,3

V=11,65V=12,6V=13,5H/D=1,1 1,0 0,898

0,2830,4880,5910,693

2.2.2 Xây dựng đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu

Tương tự như với HĐL động cơ lai chân vịt định bước, khi biết được đồ thị đặc tính công suất thì ta có thể dựa vào số liệuvới từng đường vận tốc không đổi (V=const) tương ứng với mỗi tỷ số bước (H/D) để xác định lượng tiêu hao nhiên liệu quacông thức:

G n = 10 -3 N en g en(kg/h)

Kết quả tính toán được lập bảng và xây dựng đặc tính trên hệ trục G - n hoặc G/Gn% - n

Hình 2.14 Đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu

của HĐL động cơ lai chân vịt biến bước

2.2.3 Xây dựng đồ thị đặc tính tổng hợp

Đồ thị đặc tính tổng hợp thể hiện các quan hệ công suất động cơ, tốc độ quay, tốc độ tàu và tỷ số bước quay cùng được thểhiện trên cùng hệ trục tổng hợp (hệ trục ghép) với các diều kiện khai thác khác nhau

Thông số đầu vào:

- Ở tỷ số bước (H/D)1và tàu chở 50% tải ta có: N1’ , n1’, V1’

và N1”, n1”, V1”

- Ở tỷ số bước (H/D)2và tàu chở 100% tải ta có: N2, n2, V2

- Ngoài ra cần có đồ thị thể hiện riêng biệt các mối quan hệ giữa công suất với vòng quay, tốc độ tàu với vòng quaykhi (H/D) thay đổi cúng như mối quan hệ của tỷ số (C/C1) và (b/b1) Và thực hiện các bước tính toán như sau:

Bước 1 Xây dựng đồ thị đặc tính công tác của động cơ với chân vịt ứng với tỷ số bước quay (H/D)1= const Phần tính toán

và dựng đồ thị giống như ở chân vịt định bước, dựng đồ thị ở góc phần tư thứ nhất Xem hình 2.15

Bước 2 Xây dựng đặc tính công suất khi tỷ số bước (H/D) thay đổi Theo công thức (17) ta có:

Đồ thị được xây dựng ở góc phần tư thứ 2 của đồ thị tổng hợp 2.15

Bước 3 Xây dựng đặc tính quan hệ tốc độ tàu khi (H/D) thay đổi Từ công thức (21) ta có:

V = a + bn hay V = a + b 1 (b/b 1 )n (30)

0 80 100 120 140 160 180 200 n (v/ph)

G/Gn%100908070605040302010

ge=constH/D=1,1 1,0 0,898

0,2830,4880,5910,693

Thay 1

1

V a b

Đồ thị được xây dựng trên góc phần tư thứ 3 của đồ thị tổng hợp hình 2.15

Bước 4 Xây dựng đồ thị đặc tính tổng hợp của động cơ diesel Đây chính là đồ thị đặc tính tổng hợp của động cơ diesel

được xây dựng trong các phòng thí nghiệm hoặc khi thử máy khi xuất xưởng Đồ thị được xây dựng ở góc phần tư thứ 4trên hình 2.15

Hình 2.15 Đồ thị đặc tính tổng hợp của HĐL động cơ lai chân vịt biến bước,

K 1 : Đặc tính chân vịt khi tàu chở 50% tải trọng hàng hóa.

K 2 : Đặc tính chân vịt khi tàu chở 100% tải trọng hàng hóa.

K U : Đặc tính chân vịt khi thuwr tàu tại bến.

Kj: Đặc tính chân vịt khi tàu chạy ballast, xuôi sóng gió.

Mn=constN

0,8250,9251,051,151,25

2.3 Xây dựng đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu bằng thí nghiệm đơn giản

2.3.1 Các điều kiện cần thiết khi tiến hành thí nghiệm

Ở một số tàu không đầy đủ thiết bị đo và không có sẵn đồ thị công suất nên không thể xây dựng đặc tính tiêu hao nhiên liệu

ở mục 2.1.2 và 2.2.2 không thể thực hiện được Để khắc phục, chúng ta có thể tiến hành thí nghiệm với các thiết bị sẵn cótrên tàu để xây dựng đồ thị đặc tính tiêu hao nhiên liệu, như: đồng hồ đo vòng quay, tốc độ kế, lưu lượng kế hoặc sử dụngthước đo trên ống thủy gắn trên két nhiên liệu

Để các kết quả thí nghiệm chính xác cần phải chú ý các điều kiện sau:

- Chiều chìm của tàu (mũi và lái)

- Lượng chiếm nước của tàu

- Cường lực của gió

- Góc dạt của tàu

- Chiều sâu của vùng biển

- Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển

Riêng với động cơ cần chú ý thêm:

- Bình dầu thí nghiệm phải đủ để động cơ chạy toàn tải trong khoảng 2 - 3,5 phút

- Khi thí nghiệm tránh để động cơ bị quá tải

- Không thay đổi tỷ số truyền động hay bước chân vịt (với chân vịt BB)

- Với một giá trị vòng quay cần lấy thông số đo nhiều lần (3 lần)

2.3.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm và xây dựng đồ thị

Hình 2.16 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu với bình dầu thí nghiệm

Bước 1 Chạy máy và điều chỉnh các thông số công tác của động cơ về chế độ làm việc ổn định trong giới hạn cho phép của

lí lịch máy

Bước 2 Tiến hành đo lượng tiêu hao nhiên liệu ứng với các dải vòng quay khác nhau của động cơ.

- Điều chỉnh n1= (0,35 – 0,42)nn chờ cho các thông số động cơ ổn định, chuyển sang chạy với nhiên liệu trong bìnhthí nghiệm và tiến hành đo lượng tiêu thụ trong thời gian (t) ở 3 lần đo ta có các giá trị: V1’, V1”, V1’” Chú ý giữnhiệt độ bình dầu không đổi khi thí nghiệm

1

2

567

- Tương tự ở vòng quay n2= (0,5 – 0,6)nn đo được: V2’, V2”, V2’”.

- Làm tương tự cho các dải vòng quay: n3= (0,7 – 0,8)nn ; n4= (0,85 – 0,9)nn n5= nn

Bước 3 Áp dụng công thức sau để tính lượng nhiên liệu tiêu thụ trong 1 giờ

3600 i

i

V G

Bước 5 Dựa vào bảng kết quả xây dựng đồ thị đặc tính lượng tiêu hao nhiên liệu.

Hình 2.16 Đồ thị dặc tính nhiên liệu xây dựng bằng thí nghiệm.

Chương 3: Phương pháp sử dụng đặc tính trong quá trình khai thác hệ động lực tàu thủy

3.1.1 Phương pháp gần đúng xác định thông số công tác của hđl động cơ lai chân vịt biến bước (CVBB)

Với HĐL động cơ lai CVBB việc thay đổi tốc độ và chiều chạy tàu ngoài việc thay đổi tốc độ và chiều quay động cơ còn

có thể thông qua việc thay đổi bước chân vịt (H/D)

Việc lựa chọn chính xác cặp thông số (n – H/D) của chân vịt cho phép đạt được hiệu suất chung của HĐL cao và khai tháchết công suất động cơ Hiệu suất chung của HĐL được tính:

hHĐL=h0.hP.htđ

Trong đó: h0: Hiệu suất chung của động cơ

hP: Hiệu suất chân vịt

htđ: Hiệu suất truyền động Tuỳ theo các thiết bị lắp đặt trên hệ trục (li hợp, hộp giảm tốc, các gối đỡđường trục) mà ta có:htđ=hlh.hgt.htr

Nếu xemhtđ = const trong quá trình khai thác thì:hHĐL=h0.hP

75

P HDL

TV

Trong đó: QH: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu

ge: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

T: Lực đẩy chân vịt

VP: Tốc độ tiến thực của chân vịt

Ns: Công suất trên đế chân vịt

Hình 3.1 Biểu diễn đường hiệu suất lớn nhất của chân vịt.

hP max : Đường hiệu suất chân vịt lớn nhất.

Đường hiệu suất của chân vịt đạt giá trị lớn nhất khi

công suất phát ra của động cơ là nhỏ nhất trên cùng

h0 max : Đường hiệu suất động cơt lớn nhất.

Đường hiệu suất lớn nhất của động cơ là đường nối cácđiểm trên đường suất tiêu hao nhiên liệu có ích khôngđổi nhưng có công suất phát ra là nhỏ nhất

Nh0 max =(N en / n n ).n 2

Hình 3.3 Biểu diễn cách xác định đường hiệu suất lớn nhất

của HĐL lai chân vịt biến bước.

hP max : Đường hiệu suất lớn nhất của chân vịt.

h0 max : Đường hiệu suất lớn nhất của động cơ.

hHĐL max : Đường hiệu suất chung lớn nhất của HĐL.

Đường hiệu suất chung lớn nhất của HĐL là trung bình nhân của

hPmax vàh0max.

Sai số của phương pháp này từ 1-3%

Trong thực tế việc xác định T, VP, NS gặp nhiều khó khăn nên có thể

dựa vào hai đường cong hiệu suất chân vịt và động cơ

Khi điều kiện khai thác thay đổi thì đườngh0max sẽ bị dịch chuyển Nếu điều kiện khai thác khó khăn hơn thìh0max sẽ dịchsang phải và ngược lại Do vậy trong quá trình khai thác ta phải thay đổi tỷ số (H/D) và tay ga nhiên liệu để sao cho điểmphối hợp công tác luôn nằm trên đường cong (H/D - n) tối ưu

3.1.2 Phương pháp đơn giản xác định đường cong (h/d - n) tối ưu

Bằng cách sử dụng các thiết bị đo ta đo được công suất trên trục chân vịt theo các dải vòng quay động cơ hoặcchân vịt ở các tỷ số bước khác nhau Qua đó chọn được giá trị công suất và vòng quay cho ta cho ta giá trị vận tốc tàu là lớnnhất Hay nói cách khác: tại một giá trị vận tốc tàu không đổi ta có thể chọn được một giá trị công suất nhỏ nhất (NS)min Khi

đó hệ số mômen (KM) sẽ đạt giá trị tối ưu (KM= KMT.ưu) và được tính:

Hoặc theo công thức thực nghiệm: K MT.ưu = 0,07(S o / S)

Công thức trên đúng khi: 0,26 £ d P /D £ 0,31

Trong đó: dS: Đường kính may ơ chân vịt

So: Diện tích thực của cánh chân vịt

S: Diện tích hình chiếu của chân vịt

Khi đó đường cong hiệu suất chân vịt sẽ được xác định theo hàm sau:

max

5 3

Hình 3.4 Minh họa cách xác định đường cong hiệu suất chung lớn nhất của HĐL.

3.2 Xác định thông số công tác hợp lí của HĐL trong các điều kiện khai thác

3.2.1 Khi chiều chìm của tàu thay đổi

Chiều chìm của tàu có thể thay đổi bởi những lí do sau:

- Lượng hàng hóa, hành khách chuyên chở trên tàu thay đổi

- Nguyên,nhiên liệu, dầu nhờn, nước ngọt dữ trữ trên tàu thay đổi (Không đáng kể)

- Tỷ trọng vùng nước tàu đang hành trình thay đổi (Không đáng kể)

Giả sử ban đầu tàu chở một lượng hàng Q1 ứng với chiều chìm T1và lượng chiếm nước D1, Đặc tính chân vịt là C1 Sau đótàu nhận thêm lượng hàngDQ Lúc này tàu chở lượng hàng Q2= Q1+DQ sẽ làm cho chiều chìm tàu T2 tăng lên, tương ứnglàm tăng sức cản, mômen cản kết quả làm các thông số động cơ thay đổi

Và ta có khi tàu chở lượng hàng Q1 thì:

2 /3 3

1 1 1

D

D V N

D

D V N

N C n

= trong đó: x = log n1 ( N 1 / C 1 )

Biết được hệ số C2và số mũ x ta gán các giá trị n2 tùy ý thuộc dãi vòng quay khai thác ta sẽ tính được các giá trị công suất

N2 tương ứng Hay nói cách khác ta đã xác định được đường cong đặc tính chân vịt C2

Có được đồ thị đặc tính ta sẽ xác định điểm phối hợp công tác hợp lí của HĐL mà ở đó công suất, vòng quay động cơkhông vượt quá giá trị định mức Động cơ không bị quá tải về ứng suất cơ và ứng suất nhiệt

3.2.2 Khi điều kiện sóng gió thay đổi

Giả sử tàu đang hành trình trong vùng biển yên sóng gió tương ứng với đặc tính chân vịt C0 Vận tốc tàu là V0 ở vòng quay

n0 điểm phối hợp công tác là A Sau đó tàu chạy vào vùng có sóng với cấp gió W0B, hướng giój thì tốc độ tàu bị giảm đimột lượng làDV(xác định qua đồ thị thực nghiệm 3.6.) mặc dù vẫn duy trì tốc độ quay n0 Khi đó tốc độ tàu trong điềukiện sóng gió sẽ được xác định:

C 1 : Đặc tính chân vịt khi tàu chở lượng hàng Q 1

C 2 : Đặc tính chân vịt khi tàu chở lượng hàng Q 2

3.2.3 Khi lượng nhiên liệu trên tàu có hạn

Giả sử trong chuyến hành trình từ cảng A tới cảng B chẳng may vì lí do nào đó chẳng hạn: Đường ống nhiên liệu vỡ, kétthủng, tàu đổi tuyến hoặc lạc hướng sẽ dẫn tới lượng nhiên liệu trên tàu không đủ để đưa tàu về bến an toàn Trongtrường hợp này ta phải xác định chính xác lượng nhiện liệu còn lại trên tàu, sau đó phải xác định lại điểm công tác để vớilượng nhiên liệu còn lại tàu vẫn về bến an toàn

Giả sử quãng đường còn lại là S hải lí Lượng nhiên liệu thực tế còn lại trên tàu là B tấn Điểm công tác là A tàu chạy vớivận tốc VA Trên đồ thị G - V ta xác định được lượng nhiên liệu tiêu thụ là GA(kg/h) Ta tính được lượng nhiên liệu cần tiêuthụ cho quãng đường S còn lại là:

B A = G A t =G A (S/V A ) (tấn)

So sánh BA với lượng nhiên liệu còn lại trên tàu B nếu:

- BA£ 0,95.B thì tàu vẫn có thể tiếp tục công tác tại điểm A

- BA> 0,95.B thì phải giảm tay ga về điểm công tác A’ có VA’< VA Sau đó tiếp tục xác định lại BA’ và so sánh với

B cho đến khi thỏa mãn BA’£ 0,95.B

Chú ý: Việc giảm tay ga đến một lúc nào đó không những không làm giảm chi phí nhiên liệu cho chuyến hành trình mà lại

có xu hướng ngược lại

Hình 3.6 Biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng tổn thất

tốc độ vào hướng và lực gió.

Hình 3.7 Biểu diễn cách xác định lượng tiêu thụ nhiên liệu.

A: Điểm công tác khi chưa phát hiện thiếu nhiên liệu.

A’: Điểm công tác sau khi đã tính toán để đưa tàu về bến

3.2.4 Khi có gia tải máy phát điện đồng trục

Trong điều kiệnkhai thác ổn định, yên sóng gió với HĐL có gia tải máy phát đồng trục thì có thể đưa máy phát vào khaithác

Công suất dư có thể dùng để lai máy phát là:

DN= N e - N S

Trong đó: Ne: Công suất động cơ, Ne= a1n (hàm bậc nhất)

NS: Công suất yêu cầu của chân vịt, NS = Conx

Tìm giá trị cực đại của hàmDN:

Lấy đạo hàm theo n: DN’ = a 1 - x.C 0 n x-1

1 max

0

x N

a n

Hình 3.7 Biểu diễn đặc tính phối hợp công tác của HĐL có gia

tải máy phát điện

C 0 : Đặc tính chân vịt trong điều kiện yên sóng gió.

DN: Đặc tính công suất dư trên dải vòng quay.

A, B: Điểm công tác có công suất dư DN lớn nhất.

3.3 Phân tích trạng thái công tác của động cơ trên đồ thị công

3.3.1 Phân tích trên đồ thị công chỉ thị

Với động cơ diesel tàu thủy trung và chậm tốc cho phép người khai thác vẽ được đồ thị công chỉ thị của từng xy lanh bằngthiết bị chuyên dụng Indicator thông qua các biệt xả thông với buồng đốt

Với động cơ 2 kì đồ thị vẽ được có dạng sau:

y P C

=

(kG/cm2)Khi đó công suất chỉ thị của động cơ được tính:

- KhiDPi£ 5% thì phụ tải phân bố trên các xy lanh được xem là đều, động cơ hoạt động tốt

- KhiDPi > 5% Người khai thác cần điều chỉnh lại phụ tải cho các xy lanh

- Pi max đo được phải nhỏ hơn giá trị áp suất chỉ thị bình quân định mức (Pi n)

3.3.2 Phân tích trên đồ thị công khai triển

Đồ thị công khai triển cũng được vẽ bằng thiết bị Indicator Với động cơ 2 kì có dạng sau:

Qua đồ thị công khai triển ta có thể đánh giá được chất lượng công tác của từng xy lanh và cả động cơ qua các thông số:

- Áp suất cháy cực đại Pmax

- Áp suất nén PC.

- Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu

Ta đem so sanh các giá trị xác định được với đồ thị chuẩn khi xuất xưởng trong lí lịch, và so sánh vói nhau để rút ra kếtluận về tình trạng công tác của động cơ

Một số dạng đồ thị thường gặp và kết luận:

Pmax PC

Đường áp suất môi trường

Quá trình giãn nởQuá trình nén

Quá trình cháyĐiểm cháy

Hình 3.9 Đồ thị công khai triển

P C : áp suất nén (kG/cm 2 )

P max : áp suất cháy cực đại (kG/cm 2 )

6 5

Kết luận:

- Hình 1: Hệ thống truyền động tới thiết bị đo bị rung, đồ thị vẽ được thiếu chính xác

- Hình 2: Sợi dây truyền động bị ngắn nên làm mất một phần đồ thị ở điểm chết trên

- Hình 3: Sợi dây truyền động bị ngắn nên làm mất một phần đồ thị ở điểm chết dưới

- Hình 4: Lò xo quá yếu, đỉnh piston của indicator va vào đỉnh của xi lanh

- Hình 5: áp suất nén PC bình thường, áp suất cực đại PZ thấp hơn bình thường, điểm bắt đầu cháy muộn lí do có thể

vì điểm bắt đầu phun nhiên liệu muộn hoặc do vòi phun không tốt

- Hình 6: áp suất nén PC bình thường, áp suất cực đại PZ cao hơn bình thường lí do có thể vì nhiên liệu phun vào quásớm

- Hình 7: áp suất nén PC và áp suất cực đại PZ thấp hơn bình thường có thể vì những lí do sau: áp suất khí quét thấp,hoặc do xéc măng khí bị rò lọt, xu páp xả bị rò hoặc đỉnh piston bị cháy

3.3.3 Phân tích qua thí nghiệm thử khói

Khi không thể đo được đồ thị công chỉ thị hoặc đồ thị công khai triển (như ở động cơ nhỏ, cao

tốc) Bên cạnh phương pháp đánh giá gián tiếp các thông số công tác của động cơ, ta có thể dùng

thiết bị thí nghiệm đơn giản để phân tích khí xả động cơ Thiết bị bao gồm: một ống thủy tinh

hình trụ một đầu được lắp vào biệt xả của động cơ, trong ống nghiệm ta đặt một miếng giấy thử

cách miếng ống khoảng 4cm Giấy thử là loại màu trắng, xốp dễ bắt bụi Sau đó mở biệt xả từ 10

– 15 lần rồi phân tích giấy thử :

- Nếu giấy nghiệm không bẩn hoặc bẩn ít : xy lanh động cơ làmviệc tốt

- Giấy thử có một lớp dầu mỏng: Xéc măng của xy lanh đó bắt đầu kém, hoặc gẫy

- Giấy thử có phủ một lớp dầu đen sẫm Quá trình cháy trong xy lanh đó không tốt

- Giấy thử không biến màu, nhưng khí xả có màu trắng đục (màu sữa) có thể bị rò nước vào xylanh Cần phải kiểmtra và tìm biện pháp khắc phục nếu rò nước mát

Trong trường hợp không có ống nghiệm thì ta có thể dùng giấy nghiệm đặt ở vị trí như trên và phân tích các thông số côngtác của từng xy lanh

7 Hình 3.9 Minh họa một số kết quả thu được khi

vẽ đồ thị công từ động cơ

P 0 : Đường áp suất môi trường.

Đường nét đứt minh họa đồ thị chuẩn khi động cơ làm việc bình thường.

Đường nét liền minh họa đồ thị công ở trạng thái làm việc hiện tại.

4cm

Chương 4: Công tác của hệ động lực tàu thủy trong những điều kiện khai thác đặc biệt

4.1.1 Khi một hoặc một vài xi lanh bị hỏng

Trong quá trình khai thác động cơ chính tàu thủy có thể bị hỏng một hay vài xi lanh, nhưng trong trường hợp không chophép dừng tàu mà buộc vẫn khai thác với số xy lanh còn lại Trong trường hợp này người khai thác phải xác định lại thông

số công tác của động cơ và quan tâm đặc biệt tới các xi lanh còn lại

Một vài nguyên nhân dẫn đến phải ngắt bỏ xi lanh chẳng hạn như: Kẹt cặp pít tông bơm cao áp, vỡ đường ống cao áp, vòiphun bị kẹt do nhiên liệu bẩn, hoặc do hỏng hóc nhóm pít tông biên, bạc biên, v.v Tùy theo mức độ hư hỏng mà ta có thểngắt bỏ xy lanh đó theo 2 phương pháp sau:

a) Cắt nhiên liệu nhưng vẫn để nhóm piston - biên chuyển động theo

Giả sử động cơ có một xy lanh bị hỏng, ta đã biết được Ni và Ne

tương ứng là các đường cong (1) và (2) Công suất cơ giới có thể

được tính theo các cách sau:

Dựa theo số liệu kinh nghiệm ta có thể chọn được hiệu suất cơ giới

Hoặc tính theo công thức: N m = Anb

Trong đó: b: Hệ số mũ ứng với động cơ thấp tốc: b = 1 ->

1,2, còn với động cơ cao tốc:b = 1,5 -> 2,0

n n n

Nm

Hình 4.1 Xây dựng dặc tính ngoài của động

cơ khi ngắt bỏ xi lanh nhưng vẫn cho nhóm piston- biên chuyển động theo

Hình 4.2 Mô tả cách xác định điểm phối hợp công tác của động cơ khi ngắt bỏ xi lanh nhưng vẫn cho nhóm piston- biên

chuyển động theo A: Điểm phối hợp công tác khi động cơ bình thường.

A’: Điểm phối hợp công tác khi một xylanh bị hỏng.

A”: Điểm phối hợp công tác khi đã giảm tay ga nhiên liệu.

Do cắt bỏ một xy lanh thì dù tay ga vẫn giữ nguyên nhưng công suất động cơ bị giảm xuống Ne’ và điểm công tác từ Achuyển về A’ Vòng quay động cơ bị giảm xuống và được tính theo công thức sau:

b) Cắt nhiên liệu và tháo bỏ nhóm piston - biên

Chỉ thực hiện khi nhóm piston - biên bị hư hỏng không thể cho tiếp tục chuyển động theo Lúc này sẽ gây ra một số ảnhhưởng sau:

- Gây nên chuyển động không đồng đều trên trục khuỷu

- Gây hiện tượng chấn động ngang đối với thân máy

- Gây rung động và chấn động với vỏ tàu

- Làm thay đổi giá trị vòng quay cộng hưởng

Do tháo bỏ nhóm piston - biên nên chi phí cơ giới cũng giảm

xuống và được xác định:

N m ’ =N m -N mXL = [(i-1)/ i].N m

Khi đó công suất có ích được xác định:

N e ’ = N i ’ - N m’Nếu so với trường hợp a) thì về mặt năng lượng Ne’ sẽlớn hơn chút ít nhưng động cơ sẽ bị mất cân bằng nhiều hơn

Động cơ, vỏ tàu sẽ rung động trong quá trình công tác Do vậy

cũng như trường hợp a) người khai thác phải giảm tay ga động

cơ cho đến khi giảm hẳn hiện tượng rung động ở động cơ cũng

như vỏ tàu Ngoài ra còn phải chú ý tới sự mất cân bằng ở tổ

hợp tua bin tăng áp

4.1.2 Khi tổ hợp tua bin tăng áp bị hỏng

Khi hư hỏng ở tổ hợp tuabin tăng áp dẫn đến động cơ phải làm việc với áp suất khí trong buồng máy (với động cơ chỉ cómột tổ hợp tua bin tăng áp) hoặc với các tổ hợp tua bin tăng áp còn lại (với động cơ có nhiều tổ hợp tua bin tăng áp) hoặcvới các thiết bị tăng áp phụ trợ như: quạt gió phụ, máy nén cơ khí Khi đó:

- Tổ hợp tuabin máy nén bị rung động và có tiếng ồn lớn

- Lượng không khí nạp bị giảm, áp suất nạp giảm làm quá trình quét khí thải không sạch

- Làm tăng sức cản của hệ thống nạp - xả Thời gian trì hoãn sự cháy kéo dài, quá trình cháy nhiên liệu xấu đi

Những lí do trên làm cho động cơ công tác không an toàn, tin cậy Công suất phát ra bị giảm, động cơ dễ bị quá tải Cầnxác định lại điểm công tác của HĐL

Công suất của động cơ khi bị hỏng tổ hợp tăng áp được xác định:

Nm

Trong đó: PK: Áp suất khí nạp khi động cơ làm việc bình thường.

P0: Áp suất khí quyển hoặc áp suất khí tăng ápcủa hệ thống tăng áp sự cố

Khi tổ hợp tuabin-máy nén bị hư hỏng thì điểm công tác thay đổi

từ A về A’ Tuy nhiên tại A’ động cơ chỉ có thể làm việc trong

thời gian ngắn Trong trường hợp động cơ còn phải công tác lâu

dài trong tình trạng này thì phải tùy vào tình trạng kĩ thuật thực

tại của động cơ, điều kiện khai thác hiện tại mà ta phải giảm tay

ga nhiên liệu đến vị trí thích hợp A” sao cho động cơ hoạt động

an toàn, tin cậy Tránh quá tải cho động cơ

Điều này phụ thuộc nhiều vào trình độ người khai thác và việc

tuân thủ theo hướng dẫn của nhà chế tạo Cần phải quan tâm theo

dõi thường xuyên các thông số công tác của động cơ Khi điều

kiện cho phép có thể rút rôto của tua bin ra để giảm sức cản hệ

thống nạp xả, lúc này cần chú ý ngăn cách hai khoang tuabin và

máy nén

4.1.3 Khi thử tàu tại bến

Tàu xuất xưởng sau khi đóng mới hoặc sau sửa chữa lớn thông

thường phải thực hiện thử tại bến và có chứng kiến của Đăng

kiểm Mục đích của việc thử tàu tại bến để kiểm tra tính hoàn

thiện trong quá trình lắp ráp các bộ phận như động cơ chính và

các hệ thống phục vụ, đường trục, v.v để chuẩn bị cho khâu thử

tiếp theo là thử đường dài

Đây là chế độ động cơ phải làm việc nặng nề nhất vì lúc này VS = 0 (lP= 0, S = 0) Do vậy nên thông thường chỉ thử vớicác thông số nằm trong giới hạn:

A’: Điểm phối hợp công tác khi tuabin bị hỏng.

A”: Điểm phối hợp công tác khi đã giảm tay ga nhiên liệu.

Hình 4.5 Xác định điểm phối hợp công tác của HĐL khi thử tàu tại bến trên hệ tọa độ P e - n và N e - n.

A: Điểm phối hợp công tácở chế độ định mức khi tàu hoạt động bình thường.

A’: Điểm công tác ở điều kiện thử tàu tại bến nếu vẫn giữ nguyên tay ga định mức.

A”: Điểm phối hợp công tác khi đã giảm tay ga nhiên liệu hợp lí sao cho P e <P en

0 65 80 100 n,%

Pe, %120100

- Thời gian thử không quá 10 giờ

- Không nên tăng vòng quay hoặc áp suất có ích bình quân đến 100%, vì dễ gây quá tải, phá hỏng các chi tiết độngcơ

Ta thấy rằng ở chế độ thử tàu tại bến nếu vẫn khai thác động cơ ở tay ga định mức (han) thì ta co điểm công tác là A’, tại đó

Pe> Pen Động cơ sẽ bị quá tải mặc dù công suất và vòng quay đều thấp Để đảm bảo an toàn cho động cơ thường ta chỉ thửtới vòng quay 0,6.nn tương ứng với Pe= 0,8.Pen

4.2.1 Khi tăng tốc độ tàu

Giả sử ta muốn tăng tốc độ tàu từ V1đến V2, trước hết động cơ cần phải sinh ra thêm một lượng công suất thông qua việctăng lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ qua việc tăng tay ga ha Khi đó lực đẩy tàu T sinh ra sẽ thắng lực cản tức thờicủa tàu R, mômen phát động Methắng mômen cản MS Và chúng luôn luôn thỏa mãn hệ phương trình cân bằng năng lượngsau:

-Trong đó: I: Mômen quán tính của khối lượng chuyển động quay tính quy về đường tâm trục khuỷu

Me(w,ha): Mômen phát động của động cơ

MS(w,v): Mômen cản đo trên đế chân vịt

w: Tốc độ góc của hệ trục chân vịt

V: Tốc độ tàum: Khối lượng con tàu cộng với khối lượng nước chuyển động theo

T: Lực đẩy tàu

R: Lực cản

a) Xét trường hợp động cơ không có bộ điều tốc

Quá trình tăng tốc độ tàu được chia làm hai giai đoạn sau:

- Tăng tốc độ động cơ, chân vịt và các chi tiết chuyển động liên quan từ tốc độ gócw1tớiwb= 0,95(wC -w1) ở giai đoạnnày tốc độ tàu hầu như không thay đổi nên tàu vẫn chạy với tốc độ V1

- Tăng từ từ vận tốc tàu từ V1 đến V2 với giả thiết trong giai đoạn này mômen quay của động cơ luôn cân bằng mômenquay của chân vịt

Mômen do động cơ sinh ra biến đổi theo đường 1-a-b-c-2, còn mômen trên đế chân vịt thay đổi theo đường 1-c-2 Lực đẩytàu tăng từ T1 lên T2.

Điểm 2 là điểm công tác ổn định của HĐL ở đó mômen sinh ra của động cơ cân bằng với mômen cản trên đế chân vịt, lựcđẩy cân bằng với lực cản, tàu chạy với vận tốc V2ứng với tay ga ha 2

Hình 4.6 Diễn biến quá trình tăng tốc độ từ V 1 lên V 2 trên hệ

1: Điểm khai thác ổn định với tốc độ V 1

2: Điểm khai thác ổn định với tốc độ V 2

Tình trạng công tác của động cơ tốt hay xấu trong quá trình

tăng tốc phụ thuộc vào ứng suất cơ và ứng suất nhiệt, điều này

tùy thuộc vào việc tăng tay ga từ từ hay đột biến nhảy bậc

Theo kinh nghiệm khai thác cho thấy khi tăng tay ga lớn trong

một đơn vị thời gian thì các thông số công tác của động cơ

thay đổi nhiều, động cơ làm việc trong trạng thái nặng nề Do

đó khi cần phải tăng tốc độ tàu lớn thì phải tăng qua nhiều giai

đoạn với hệ số nhảy bậc k=2 hay k=3

b) Xét trường hợp động cơ có trang bị bộ điều tốc

Khi cần tăng tốc độ tàu lên V2 ta tăng tay ga lên vị trí đặtw2

Dưới tác động của bộ điều tốc tức thì kéo tay ga nhiên liệu lên

hmax Mômen động cơ tăng từ Me1lên Ma sau đó thay đổi về

b-c-d-2, còn mômen trên đế chân vịt thay đổi theo đường cong

1-b’-c-d-2 theo ba giai đoạn sau:

- Giai đoạn một: Tốc độ động cơ tăng nhanh trong

khi đó tốc độ tàu hầu như không đổi Mômen

động cơ thay đổi theo đường 1-a-b, còn mômen trên

đế chân vịt thay đổi theo đường MS(w,v1) từ1-b’

- Giai đoạn hai: Tốc độ góc của động cơ tăng chậm

dần do sự dần cân bằng giữa mômen phát động củađộng cơ với mômen cản của chân vịt Me(w,h) =

MS(w,v), động cơ làm việc trên đường đặc tính cựcđại hmax(b-c-d)

- Giai đoạn ba: Lượng cấp nhiên liệu từ từ giảm xuống

từ hmax đến h2 theo đặc tính điều chỉnh Ur2 Mômencủa động cơ và chân vịt cân bằng nhau (Me= MS) vàcùng giảm sau đó sẽ làm việc ổn định tại điểm 2 Tàuđạt vận tốc V2 như yêu cầu

Ta nhận thấy rằng trong trường hợp động cơ có trang bị bộ điều tốc có một khoảng thời gian động cơ phải làm việc trênđường đặc tính hmax có nghĩa là động cơ phải làm việc ở chế độ nặng nề hơn so với trường hợp động cơ không có bộ điềutốc

Theo kinh nghiệm khai thác cho thấy nếu ta tăng tay ga một cách từ từ liên tục thì mômen của động cơ và của chân vịtkhông kịp cân bằng nhau, do vậy mômen của động cơ sinh ra sẽ dư thừa so với mômen mà chân vịt cần tiêu thụ Còn nếu tathay đổi tay ga theo từng bậc nhỏ sẽ làm cho mômen của động cơ và chân vịt nhanh chóng tự cân bằng nhau, lượng dưthừa nhỏ hơn, động cơ hoạt động an toàn tin cậy hơn

1 T(v1,w1)

Hình 4.7 Sự thay đổi thông số làm việc của động cơ khi tăng

tốc độ tàu khi có bộ điều tốc

Ur 1 : Đặc tính điều chỉnh ở tốc độ V 1

Ur 2 : Đặc tính điều chỉnh ở tốc độ V 2

h max : Đặc tính giới hạn.

Hình 4.8 Minh họa quá trình tăng tốc qua hai bậc

Mômen động cơ thay đổi theo đường: 1-a-b’-2’-a’-b-2.

Mômen trên đế chân vịt thay đổi theo đường: 1-b’-2’-b-2.

Động cơ không phải làm việc trên đường hmax

4.2.1 Khi giảm tốc độ tàu

Hình 4.9 Diễn biến của quá trình giảm tốc độ tàu từ V 1 xuống

V 2

Mômen động cơ thay đổi theo đường 1-a-b-d-2.

Mômen trên đế chân vịt thay đổi theo đường 1-b-d-2

Với động cơ có bộ điều tốc thì khi giảm tốc độ từ V1 về V2 sẽ

có một giai đoạn động cơ bị cắt nhiên liệu a-b-d Tại d gặp

đường đặc tính bộ điều tốc Ur2 động cơ mới quay trở lại làm

việc với nhiên liệu (động cơ khởi động lại)