Nghiên cứu xây dựng và mô phỏng quy trình kiểm tra bảo dưỡng turbine khí xả TCR22

Hệ thống tăng áp bằng tổ hợp turbine máy nén trên động cơDiesel ra đời là một trong những biện pháp tăng công suất tốt nhất tính đếnnay cho động cơ Diesel, ngoài ra nó còn giảm thiểu các

Mở đầu

Động cơ đốt trong (ĐCĐT) nói chung và động cơ Diesel nói riêng cónhững bước phát triển thăng trầm do nhiều nguyên nhân khác nhau, ví dụngười ta hy vọng vào một nguồn năng lượng khác có các đặc tính tốt hơnhoặc lo sợ về sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu được biểu hiện ở cuộc khủnghoảng vào những năm 70 của thế kỷ XX Thêm vào đó là các vấn đề ô nhiễm

do nó gây ra đối với môi trường và sức khỏe con người.Tuy nhiên, nhờ nhữngphát triển vượt bậc trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật, ngành chế tạo ĐCĐT

đã tồn tại và phát triển ngày càng rộng rãi Nhờ những ưu điểm vượt trội vềnhiều mặt, đặc biệt là hiệu suất cao trong phạm vi công suất rộng, nhỏ gọnnên ĐCĐT hiện nay chiếm ưu thế tuyệt đối trong một số lĩnh vực như vận tảiđường bộ, đường thủy, máy phát điện dự phòng…

Lịch sử phát triển ĐCĐT luôn gắn liền với lịch sử phát triển hệ thốngtăng áp khí xả Hệ thống tăng áp bằng tổ hợp turbine máy nén trên động cơDiesel ra đời là một trong những biện pháp tăng công suất tốt nhất (tính đếnnay) cho động cơ Diesel, ngoài ra nó còn giảm thiểu các chất thải độc hại ramôi trường nhờ quá trình sử dụng hết nhiên liệu trong quá trình cháy

Bảo dưỡng, sữa chữa turbine tăng áp cho động cơ diesel tàu thủy lànhu cầu cấp thiết không thê thiếu trong suốt quá trình khai thác hệ động lựctàu thủy Bảo dưỡng giúp hạn chế được những hư hỏng, sự cố trong quá trìnhvận hành khai thác

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Lí do chọn đề tài

Xuất phát từ thực tế khai thác và bảo dưỡng tổ hợp turbine máy nénhiện được sử dụng hầu hết trên các động cơ Diesel, động cơ xăng… Đặc biệt

là các tổ hợp turbine máy nén khí xả lắp đặt trên các động cơ Diesel tàu thủyhoạt động trong điều kiện khắc nghiệt Việc khai thác các tổ hợp tua bin máynén này gặp một số khó khăn do: tàu di chuyển trong các vùng có nhiệt độkhác nhau, chế độ tải thường thay đổi do sóng gió, môi trường biển…Mộtphần quan trọng trong quá trình khai thác là việc bảo dưỡng trong hành trìnhbiển và bảo dưỡng định kỳ Bảo dưỡng góp phần duy trì sự ổn định, giảmthiểu các sự cố xảy ra với turbine

Máy vi tính là thiết bị giúp chúng ta nhập dữ liệu, xử lý theo một cáchnào đó, và đưa ra những dữ liệu mới Ngày nay, máy tính đã góp mặt hầu hếttrên mọi lĩnh vực với mục đích nâng cao hiệu suất và độ chính xác của côngviệc Trong vận hành và bảo dưỡng các thiết bị trên tàu thủy cũng vậy, việctra cứu và làm việc trên máy tính đã trở thành thông lệ

Chính vì vậy nên tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng và môphỏng quy trình kiểm tra bảo dưỡng turbine khí xả TCR22” để mang đến cho

sỹ quan vận hành và người sữa chữa dễ dàng, thuận tiện tìm hiểu và thực hiệnnhững công việc liên quan tới sữa chữa, bảo dưỡng turbine

1.2 Mục đích của đề tài

Giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý cấu tạo và quy trình kiểm tra bảodưỡng tuabin khí xả TCR22

Nghiên cứu xây dựng một qui trình có tính chuẩn mực, dựa vào đó mà

ta có thể áp dụng với các loại tuabin khí xả tương tự trên từng tàu khác nhau

Hệ thống hóa bằng hình ảnh mô phỏng, mang lại cho người tiếp thunhanh và chuẩn xác nhất

Hạn chế tối đa các hư hỏng do quá trình bảo dưỡng mang đến

Là phương tiện hữu ích, có tính sinh động trong việc giảng dạy chosinh viên Ngoài ra, giới thiệu cho kỹ sư, sỹ quan phụ trách một số kiến thức

có chuỗi hệ thống, để việc bảo dưỡng trở nên đơn giản nhưng chuẩn xác , rõràng

Người đọc sẽ có cái nhìn sâu sắc hơn về cấu tạo của tổ hợp turbine máynén tăng áp trên động cơ Diesel tàu thủy Từ đó người đọc cũng có thể thamkhảo áp dụng việc này vào các dạng turbine khí xả mà tàu đang khai thác vớimục đích khác nhau nhằm kiểm tra bảo dưỡng một cách tốt nhất

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài

Đây là đề tài nghiên cứu xây dựng quy trình kiểm tra bảo dưỡng tổ hợpturbine máy nén tăng áp động cơ Diesel tàu thủy, với mục đích xây dựng mộtquy trình chuẩn mực và mô phỏng các chi tiết máy một các cụ thể Tác giả ápdụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sau đó dùng chương trình máy tínhkết hợp với mô phỏng 3D để tạo tổ hợp turbine máy nén tăng áp

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tác giả chia đề tài làm 4 chươngchính sau:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 3: Xây dựng và mô phỏng turbine khí xả TCR22

- Chương 4: Ứng dựng vào quy trình bảo dưỡng turbine TCR22

Do thời gian và khả năng có hạn, bản luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Rất mong sự tham gia góp ý của các Thầy, Cô giáo cùng các đồng nghiệp có quan tâm đến bài viết này.

Xin được chân thành cảm ơn.

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TURBINE TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU

THỦY 2.1 Lý thuyết tăng áp động cơ Diesel tàu thủy

2.1.1 Khái niệm chung về tăng áp

Cơ sở lý luận để tăng công suất động cơ có thế bắt đầu từ các công thức

cơ bản tính toán quá trình công tác như sau:

- Lượng không khí nạp vào các xy lanh của động cơ Gkk[kg(kk)/côngtác]

 γkk: khối lượng riêng của không khí nạp vào động cơ

- Lượng nhiên liệu phun vào các xy lanh trong một chu trình Gnl[kg(nl)/ ct công tác]

Trong đó:

 i: số xy lanh

 qct: lượng nhiên liệu cấp theo chu trình

- Hệ số dư lượng không khí α tính cho một chu trình

 m: hệ số kỳ; m=1 với động cơ 2 kỳ; m=2 với động cơ 4 kỳ.

Từ các công thức trên, muốn tăng công suất người ta phải tăng khốilượng nhiên liệu đốt cháy trong một đơn vị thời gian bằng cách thay đổi cácthông số như:

- Tăng số chu trình trong một đơn vị thời gian bằng cách tăng số vòngquay n (v/p) của động cơ Khi tăng số vòng quay của động cơ sẽ gâykhó khăn cho việc thực hiện các quá trình, đặc biệt quá trình cháy,cân bằng động và đảm bảo quá trình bôi trơn

- Tăng số xy lanh i hoặc kích thước cơ bản, bao gồm đường kính xylanh D và hành trình piston S Khi đó sẽ kéo theo thể tích công táccủa xy lanh Vs, dẫn đến kích thước và trọng lượng của động cơ tănglên

- Thay đổi số kỳ từ 4 kỳ thành 2 kỳ, dùng động cơ 2 kỳ (m=1) có thểtăng công suất gấp đôi động cơ 4 kỳ (m=2) Trên thực tế động cơ 2 kỳ

có công suất lớn hơn từ 1,6 – 1,8 công suất động cơ 4 kỳ có cùng kíchthước cơ bản

Tất cả các phương án nên trên, việc tăng công suất động cơ luôn kèmtheo việc tăng các kích thước của động cơ đồng thời với việc tăng lượngnhiên liệu tiêu thụ cho động cơ

Trên cơ sở công thức (2.4), việc tăng pe sẽ làm tăng công suất có íchcủa động cơ Ne Hiệu suất chỉ thị ŋiphụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện đảmbảo quá trình cháy nhiên liệu, trong đó yếu tố quan trọng là tỷ lệ giữa nhiênliệu và không khí cấp vào xy lanh động cơ Chính vì vậy để tăng lượng nhiênliệu cấp vào xy lanh động cơ, người ta phải đồng thời tăng lượng không khícần thiết để đốt cháy nó

Khối lượng riêng của không khí nạp được tính theo công thức:

cơ bản của động cơ được gọi một cách đơn giản là tăng áp

Trong các động cơ tăng áp, tăng áp thường sử dụng máy nén để tăng ápsuất và sinh hàn để giảm nhiệt độ không khí nạp vào động cơ

Mức độ tăng công suất của động cơ nhờ tăng áp so với chính động cơ

đó trong điều kiện chưa tăng áp được đánh giá bằng hệ số λta gọi là mức độtăng áp

= = (2.6)Trong đó: Nevà là công suất có ích.

2.1.2 Mục đích tăng áp trong động cơ Diesel tàu thủy

Mục đích cơ bản của tăng áp cho động cơ Diesel là làm tăng công suấtcủa nó lên nhưng đồng thời tăng áp còn cho phép cải thiện một số chỉ tiêusau:

- Tăng công suất động cơ so cùng kích cỡ và tốc độ piston, hay ngượclại giảm đáng kể kích cỡ và trọng lượng động cơ so với động cơ cócùng công suất không tăng áp

- Giảm đáng kể tỷ lệ tiêu thụ nhiên liệu cụ thể trên phạm vi tải củađộng cơ

- Giảm chi phí động cơ ban đầu

- Tăng độ làm việc tin cậy và giảm chi phí bảo dưỡng động cơ

- Khí thải sạch hơn và tận dụng được năng lượng thất thoát từ khí xả

- Nâng cao khai thác động cơ một cách linh hoạt

- Hiệu suất của động cơ tăng, đặc biệt ở tăng áp bằng tua bin khí xả và

do đó suất tiêu hao nhiên liệu giảm

- Giảm độ ồn của động cơ

Qua tham khảo và so sánh những động cơ tăng áp và không tăng áp ởcùng một hãng sản xuất ta rút ra những ưu điểm sau đây của động cơ tăng ápkhi có cùng công suất:

- Trọng lượng và thể tích động cơ nhỏ hơn

- Nếu dùng tua bin khí xả tận dụng năng lượng khí xả dẫn động máynén tăng áp thì hiệu suất động cơ cao hơn hẳn.

- Lượng nhiệt mất cho môi trường làm mát ít hơn, cơ cấu làm mát nhỏhơn

- Giá thành của động cơ nhỏ hơn

- Turbine đặt trên đường khí thải nên bản thân nó là bộ phận giảm âmtốt cho động cơ

- Công suất của động cơ tăng áp bằng turbine khí xả bị giảm ít hơn khimật độ không khí của môi trường giảm

- Giảm lượng khí thải độc hại (NOx…)

Tuy nhiên, càng nâng cao mức độ tăng áp, động cơ Diesel càng bịcường hóa nhanh về Pesẽ làm tăng phụ tải cơ khí cũng như phụ tải nhiệt củađộng cơ, do đó phải đặt ra những yêu cầu càng khắt khe khi chế tạo các chitiết của nhóm piston, các loại bạc trục, xupap, mặt qui lát… Ngoài ra còn đòihỏi hệ thống phun nhiên liệu mới hoàn hảo hơn, vòi phun có áp suất phun caohơn và hệ thống tăng áp turbine khí xả hoàn hảo hơn

2.1.3 Lịch sử phát triển

Vào đầu những năm 1896, ý tưởng cung cấp khí nạp dưới áp lực chomột động cơ Diesel được nêu bởi không ai khác mà đó là Rudolf Diesel,người đã phát minh ra động cơ Diesel

Tuy nhiên, sử dụng một tổ hợp turbine máy nén (TB-MN) tăng áp chomục đích trên là được thiết kế bởi Alfred Buchi, người đã sáng chế gọi nó là

“hệ thống xung áp” năm 1925 Hệ thống này cấp khí xả của động cơ thôngqua các ống hẹp cho turbine của tổ hợp TB-MN tăng áp, lai máy nén Sự thayđổi áp suất trong các ống thể tích nhỏ cho phép để cho sự trùng pha của pha

nạp và pha xả, cho phép quét khí của không gian nén trong xy lanh động cơvới không khí sạch Các xy lanh đó, không làm nhiễu quá trình quét của xylanh khác, được đưa tới một ống (khoang khí vào turbine) theo thứ tự nổ củađộng cơ (hình 2.1) Ở quá trình quét khí, khi cơ cấu nạp và xả cùng mở,không bị cản trở bởi các xung xả của xy lanh khác Hệ thống xung áp này lànền tảng cơ bản cho sự thành công của tăng áp sau này.

Hình 2.1: Sơ đồ thay đổi áp suất trong xy lanh Pxl: áp suất trong xy lanh px: áp suất trong ống xả

pr: áp suất trong bầu gió nạp CA: góc quay trục khuỷu

Vào cuối năm 1928, Alfred Buchi đã có một bài thuyết trình tại Họcviện Kĩ thuật Hoàng Gia tại The Hague ở Hà Lan Từ bài thuyết trình này chỉ

ra rằng ứng suất nhiệt của động cơ Diesel về cơ bản không tăng khi tăng áp.Cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu do hiệu suất cơ giới tốt hơn Và một điềunhìn thấy từ so sánh động cơ 4 kỳ10 xy lanh tăng áp tác dụng đơn và động cơ

4 kỳ 6 xy lanh tác dụng kép sử dụng cho hệ động lực tàu thủy với công suấtđịnh mức 36000 Bhp, rằng động cơ tác dụng kép có nhiều ưu điểm Cả động

cơ 2 kỳ tác dụng đơn hay tác dụng kép Có ý tưởng cho ra rất sớm là tăng ápđộng cơ – lai bơm quét khí ở động cơ 2 kỳ Tuy nhiên, hiệu suất tổ hợp TB-

MN tăng áp cần thiết chưa đạt được, phải mất nhiều năm sau này mục tiêunày mới đạt được.

Hệ thống tăng áp này đã được hãng BBC giới thiệu ra thị trường tổ hợpTB-MN tăng áp VTR, nó có thể tăng áp cho động cơ 2 kỳ - lai bơm khí quét.Các nhà chế tạo động cơ 2 kỳ bắt đầu áp dụng khả năng này sau năm 1945.Nhưng để loại bỏ bơm quét khí và giảm suất tiêu hao nhiên liệu, hệ thốngtăng áp phải là một hệ thống xung áp Đặc trưng này được giới thiệu thànhcông trên động cơ động lực tàu thủy B&W vào năm 1951

Việc sử dụng tổ hợp TB-MN tăng áp trên động cơ 2 kỳ và 4 kỳ tăngnhanh Nhờ vào sự phát triển và cải tiến liên tục tỉ số nén của máy nén, thiết

kế động cơ (áp suất cháy cho phép cao hơn) và hệ thống phun nhiên liệu tốthơn đạt được Các cải tiến này và ứng dụng rộng rãi của thuộc tính nhiệt độnghọc của chu trình Diesel dẫn tới sự phát triển của tăng áp động cơ hiện hành

2.1.3.1 Tăng áp động cơ Diesel 2 kỳ

Theo lịch sử phát triển, tăng áp cho động cơ 2 kỳ đã trải qua nhiều giaiđoạn (để đơn giản ta xét động cơ 2 kỳ quét thẳng) Động cơ 2 kỳ không tăng

áp cung cấp khí bởi bơm quét Sau đó qua nhiều lần thay đổi phát triển, tuabin máy nén tăng áp dòng VTR được sử dụng theo 2 hướng phát triển động

cơ Một hướng vẫn giữ bơm quét và một hướng bỏ bơm quét mà dùng hệthống xung áp để thu đủ năng lượng cho turbine máy nén trong toàn bộ phạm

vi tải và tốc độ của động cơ Bố trí điển hình của tổ hợp turbine máy nén tăng

áp được minh họa trên hình 2.2

Hình 2.2: Sơ đồ của động cơ 2 kỳ đặc trưng tăng áp xung áp và đẳng áp a) Bố trí tăng áp xung áp động cơ 2 kỳ (B&W 1970)

b) Bố trí tăng áp đẳng áp và bơm quét khí nối tiếp máy nén tua bin tăng áp (Gotaverken 1970)

c) Bố trí tăng áp đẳng áp ở động cơ 2 kỳ hiện đại, có quạt gió phụ (Man B&W)

Hình 2.3 so sánh định thời nạp và xả của hệ thống tăng áp đẳng áp cóbơm quét khí với hệ thống tăng áp xung áp không có bơm quét khí

Ưu điểm của hệ thống tăng áp xung áp là không có hệ thống cơ khí,đảm bảo sự cấp không khí trong phạm vi tải động cơ Năng lượng khí xả đượcgiữ lại bằng cách mở xupap xả sớm Tuy nhiên điều này sẽ làm giảm bớt quátrình giãn nở có ích của động cơ

Hình 2.3:Thời điểm đóng và mở cơ cấu nạp và xả cho tăng áp

đẳng áp và xung áp

Động cơ với bơm quét và tăng áp đẳng áp đặng trưng có thể làm điểm

mở xupap xả muộn hơn nhiều, nhưng lại lấy một phần năng lượng cho sự cấpkhí từ trục khuỷu Động cơ phải lai bơm quét của chính nó Do đó, suất tiêuhao nhiên liệu của những loại động cơ này không có khác biệt về cơ bản,lượng tiêu hao nhiên liệu này tới 150-155 g/bhp (204-211 g/kWh)

Từ đó ta thấy rằng việc kết hợp tăng áp đẳng áp và không có bơm quét

sẽ cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu Điều này có thể thực hiện được với tổhợp tua bin máy nén có hiệu suất cao Dòng turbine VTR hay MET được rađời vào những năm 70 của thập niên, chuyển từ tăng áp xung sang tăng ápđẳng áp trên động cơ B&W đến là hướng đúng và suất tiêu hao nhiên liệugiảm như mong đợi (hình 2.4)

Hình 2.4: Cải thiện suất tiêu hao nhiên liệu bởi mở sớm xupap xả

Việc lắp đặt thêm quạt gió phụ được lai bởi động cơ điện được sử dụngkhi khởi động cơ và khi chạy tải thấp

Với hiệu suất và tỉ số tăng áp cao, các turbine máy nén tăng áp ngàynay cho phép tăng công suất động cơ và giảm suất tiêu hao nhiên liệu, trạngthái nhiệt động học của chu trình động cơ Diesel tốt hơn Tổ hợp tua bin máynén VTR (kết hợp tỉ số áp suất cao và hiệu suất cao) đáp ứng nhu cầu hiệnnay của các nhà chế tạo động cơ (đặc trưng thực tế: tỉ số nén 3.7:1, áp suất cóích bình quân từ 18-19 bar)

Các thế hệ tổ hợp TB-MN tăng áp tiếp theo, seri TPL của hãng ABB,seri MET-MA của hãng Mitsubishi, seri TCA của hãng Man lắp đặt trên động

cơ 2 kỳ cỡ lớn đang được giới thiệu với tỉ số tăng áp và hiệu suất cao sẽ chophép cải thiện hơn công suất động cơ và lượng tiệu thụ nhiên liệu

2.1.3.2 Tăng áp động cơ Diesel 4 kỳ

Tăng áp cho động cơ 4 kỳ đã có ảnh hưởng bởi tính có lợi của tổ hợpTB-MN tăng áp Trong khi động cơ 4 kỳ tự hút, nó không phụ thuộc vào hiệusuất tổ hợp TB-MN cao Vậy điều gì làm cho tăng áp động cơ là cần thiết?

- Giảm suất tiêu hao nhiên liệu

Hình 2.5:Sự tăng tỉ số tăng áp theo thời gian

Tỉ số nén máy nén tăng qua từng năm biểu thị ở hình 2.5 Trong 20năm, tỉ số tăng từ 1.3 tới 2 lần so với năm 1970 Ban đầu, động cơ 4 kỳ đã cho

áp suất nén là 35 bar và áp suất cháy cực đại là 50 bar Để đạt được một ápsuất nạp là 0.3 bar, tỉ số nén của động cơ sẽ giảm khoảng từ 13.4 tới 11.1 Ápsuất nén và cháy cực đại được giữ nguyên nhưng công suất ra tăng hơn 30%.Điều này xét cho cùng có chút ảnh hưởng không tốt đến khởi động động cơ

Từ những thành tựu đạt được, các nhà chế tạo động cơ thiết kế cho ápsuất cao hơn Đưa sinh hàn gió vào nhằm giảm nhiệt độ của gió nạp đưa vào

xy lanh động cơ giúp tăng công suất tại mức áp suất tăng áp trung bình (Vídụ: áp suất bình quân có ích là 10 bar, áp suất tăng áp là 0,6 bar (có sinh hàngió) và 0,85 bar (không có sinh hàn gió), xét ở cùng lượng khí nạp (kg) vào

xy lanh, không có sinh hàn gió thì nhiệt độ khí xả sẽ cao hơn 50oC so với cósinh hàn gió)

Hình 2.6 Sự khác biệt trên đồ thị công chỉ thị của động cơ 4 kỳ có vàkhông có tăng áp Từ sơ đồ này, ta dễ dàng thấy rằng động cơ tăng áp cónhiều ưu điểm lớn Trên đồ thị P-V, vùng làm việc có ích tăng lên đáng kể.Xét động cơ không tăng áp, chỉ có vùng làm việc không có ích được thể hiện

Hình 2.6: So sánh đồ thị công chỉ thị của động cơ 4 kỳ

có và không có tăng áp

Đây cũng là lý do hiệu suất cơ của động cơ tăng ổn định cùng với mức

độ của tăng áp Cùng với các yếu tố đó, động cơ tăng áp sẽ cho suất tiêu haonhiên liệu thấp với mức độ tăng áp tăng Thêm vào đó, kết hợp nhiệt động họccủa chu trình Diesel và hệ thống phun nhiên liệu tốt hơn sẽ giúp về cơ bảngiảm suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Diesel

Với sự tăng ổn định của áp suất có ích bình quân, nhiệt độ khí xả thuđược xấp xỉ không đổi do áp suất tăng áp cao hơn Điều này kết hợp với làmmát của không khí sẽ tăng mật độ (khối lượng riêng) của không khí đi vào xylanh Bằng cách này, tỉ số của không khí trên nhiên liệu sẽ được duy trì ít thayđổi Sự phân phối nhiệt lượng cấp sinh ra từ nhiên liệu thay đổi đáng kể vớikhi tăng mức độ tăng áp

Điều này được minh họa ở hình 2.7 Nhiệt trong dầu bôi trơn tượngtrưng cho công suất cần khắc phục sự ma sát của động cơ (ví dụ: hiệu suất cơgiới của động cơ) Nhiệt theo nước làm mát là tương đương với tải nhiệt củacác thành phần cấu trúc buồng đốt Với tăng áp, chúng ta thành công trong sựduy trì dòng nhiệt theo nước làm mát, trong điều kiện hoàn toàn xấp xỉ khôngđổi, điều này độc lập lớn với mức độ tăng áp Điều này cũng là một thànhcông quan trọng của tăng áp A.Buchi đã đề cập tới trong bài thuyết trình củaông năm 1928 và nó vẫn đúng đến ngày nay

Hệ số truyền nhiệt từ khí xả tới thành vách phụ thuộc vào áp suất, hệ sốtruyền nhiệt qua thành vách (từ thành vách tới nước làm mát) khó thay đổi.Nhiệt độ quá trình vẫn còn bằng mức như không tăng áp (tỉ số nhiên liệu -không khí) và các diện tích bề mặt còn tương tự, dòng nhiệt tới nước làm mát

sẽ không có thay đổi nhiều

2.1.4 Những lợi ích của tăng áp

Xét cùng tốc độ và kích cỡ, động cơ Diesel tăng áp hiện đại có côngsuất cao gấp 4 lần (400%) so với động cơ không tăng áp

Hình 2.7: Sự phân phối nhiệt lượng khi đốt nhiên liệu khi tăng mức độ tăng áp

Từ hình 2.7, nó cho ta thấy nhiệt lượng ban đầu từ đốt nhiên liệu ởcông suất 400% đã tăng chỉ còn 320% Điều này có nghĩa suất tiêu hao nhiênliệu (SFOC) của động cơ Diesel hiện đại chỉ khoảng 80% của SFOC động cơkhông tăng áp Do đó, động cơ tăng áp là cần thiết để bảo vệ môi trường tốthơn, nhiên liệu cháy và ít gây ô nhiễm không khí cũng như ít thải CO2 hơn.Cũng vì thế, tổ hợp TB-MN tăng áp hiện đại kết hợp tỉ số áp suất cao với hiệu

suất cao là một nhân tố quan trọng khi quá trình động cơ được điều chỉnh chomức khí thải NOx thấp thông qua nhiệt độ quá trình thấp (tỉ số nhiên liệu –không khí cao, áp suất gió tăng áp cao).

a, Sự gia tăng tỉ số tăng áp của MET b,Sự gia tăng hiệu suất của VTR

*Loại VTR và MET được sử dụng nhiều nhất (lắp đặt trên khoảng 70% tổng

số máy chính theo đăng kiểm NK).

Hình 2.8 Sự gia tăng hiệu suất và tỉ số tăng áp của các tổ hợp TB-MN

tăng áp là kết quả của sự phát triển liên tục qua các năm

Hình 2.8 cho thấy hiệu suất và tỉ số tăng áp tổ hợp TB-MN phát triểncho đến ngày nay, tỉ số tăng áp của máy nén cao cho phép tăng công suấtđộng cơ hơn Cũng như hiệu suất cao cho phép turbine quét khí xả ra từ xylanh động cơ 4 kỳ tốt hơn, suất tiêu hao nhiên liệu đầy tải được cải thiện tốthơn Động cơ 2 kỳ có thể giảm định thời cho xả và hút hoặc cho phép mộtturbine khí xả động lực được lắp đặt nhằm chuyển năng lượng khí xả vượtmức tới sản lượng có ích như lai máy phát điện…

Nhìn về tương lai, các mẫu thiết kế tổ hợp TB-MN tăng áp, được kếthợp gọn hơn với tỉ số tăng áp cao và hiệu suất cao Những động cơ không lắpđặt tổ hợp TB-MN tăng áp khí xả sẽ không còn, tương lai phát triển mạnh mẽđộng cơ tăng áp bằng tổ hợp TB-MN tăng áp

2.1.5 Xu hướng phát triển và hiệu suất của TB-MN

Đồ thị P-V điển hình cho tổ hợp TB-MN tăng áp được thể hiện tronghình 2.9, với các đặc tính khai thác của động cơ Diesel 2 kỳ Các đường congkhai thác chạy gần như song song với đường dao động (đường làm việc mất

ổn định) Mỗi giá trị của công suất động cơ tương ứng với một điểm trênđường cong, và điểm này lần lượt tương ứng với một tốc độ TB-MN tăng ápđược suy ra

Đường cong khai thác và chế độ làm việc của tua bin tăng áp có thểkhác nhau, tùy thuộc vào tăng áp đẳng áp hoặc tăng áp xung được dùng vàcũng có thể vào bất kỳ dung tích (ví dụ như lai cơ khí) máy nén và tua bintăng áp được kết nối với nhau Bằng cách quan sát những thay đổi trong chế

độ làm việc, nó thường có thể suy ra nguyên nhân và các biện pháp cần thiết

để khắc phục vấn đề

Hình 2.9: Đồ thị P-V điển hình

Thiết kế tổ hợp TB-MN tăng áp và cải tiến hệ thống nạp tiếp tục đượcnghiên cứu để nâng cao lượng tiết kiệm nhiên liệu và hiệu suất cụ thể của

động cơ Diesel Phát triển hệ thống tăng áp cũng đóng góp để cải thiện độ tincậy động cơ (nhiệt độ thành phần và khí thấp hơn) và hoạt động linh hoạt (ví

dụ như chế độ nhỏ tải tốt hơn)

Tăng áp suất có ích bình quân của động cơ còn gọi là gia tăng áp suấtkhí nạp, với hiệu suất turbine-máy nén tăng áp còn ít nhất ở mức tương tư

Động cơ 2 kỳ thường hoạt động ở áp suất có ích bình quân (bmep) trên19,5 bar, hiệu suất tăng áp trên 68% và tỷ số áp suất lên đến 4 Nâng bmep lênđến 21 bar thì sự gia tăng hiệu suất tăng áp 70% và tỷ số áp suất tăng lên 4,2.Một bmep cao hơn yêu cầu phải có một tỷ số áp suất cao hơn để giữ tỉ số khíthừa cung cấp, đồng thời, hiệu suất tổ hợp TB-MN tăng áp cũng phải đượctăng lên để duy trì lượng khí và độ tinh khiết lượng khí trong xy lanh ở giá trịmong muốn

Hình 2.10: Xu hướng tổ hợp TB-MN tăng áp về hiệu suất và tỷ số áp suất

phù hợp áp suất có ích bình quân (bmep) trong động cơ 2 kỳ

Một phát triển có giá trị trong những năm gần đây trong phối hợp điểmlàm việc động cơ và tổ hợp turbine tăng áp là khái niệm “cửa thấp” đã lợi

dụng sự sẵn có hệ thống tăng áp mới với hiệu suất cao hơn (khoảng 68% thay

vì trước đây 65%) Như lượng không khí quét sạch yêu cầu có thể được phânphối sử dụng năng lượng khí xả ít, chiều cao của các cửa khí quét có thể đượcgiảm và mở xupap xả trì hoãn, kéo dài kỳ giãn nở làm việc sinh công có ích

và do đó giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ đặc trưng Một xem xét quan trọng làlợi ích này có thể đạt được mà không làm tăng các nhiệt độ thành phần quantrọng Đồng thời, nhiệt độ khí xả không giảm quá thấp, do đó, duy trì khảnăng cho tận dụng nhiệt thải của khí xả

Bố trí tăng áp phù hợp đạt được thông qua một quy trình thiết lập tốt.Một đặc điểm kỹ thuật turbine-máy nén tăng áp thích hợp đặt ra trong quátrình thiết kế động cơ được dựa trên việc tính toán các thông số nhất định, đặcbiệt là áp suất khí quét và hiệu suất tua bin tăng áp các chế độ làm việc củađộng cơ Biên độ an toàn mong muốn chống lại sự mất ổn định thường là 15%

đã rõ Trong các thử nghiệm động cơ sau đó, áp suất khí quét được điều chỉnhtrên cơ sở kiểm tra phù hợp với yêu cầu quy định như mức hiệu suất TB-MNtăng áp cho phép, dạng đường cong hiệu suất và sự cho phép liên quan Nếucần thiết, ống phun tua bin được thay đổi

Các thử nghiệm cũng được thực hiện để kiểm tra sự ổn định của động

cơ chống lại sự mất ổn định của hệ thống tăng áp, mà có thể đạt được mộttrong ba cách: áp suất khí xả quay về có thể tăng tại công suất động cơ địnhmức, nhiên liệu có thể được cắt ra một trong các xy lanh động cơ gần tua bintăng áp, trong khi động cơ đang chạy ở tải bộ phận và bộ tiêu công suất có thểđột ngột giảm khoảng 25% từ đầy tải

Trong khi đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với hiệu suất và áp suấtkhí nạp cao hơn, các nhà thiết kế TB-MN tăng áp cũng phải giải quyết cácyêu cầu như cấu hình gọn, tin cậy và bảo dưỡng tối thiểu Tất cả các dịch vụ

và công việc sửa chữa lớn phải phù hợp với khoảng thời gian cho phép cho

các thành phần chính động cơ Ngoài ra, khai thác động cơ an toàn đưa ra mộtchiều rộng tối đa của bản đồ máy nén để tránh rơi vào vùng mất ổn định máynén (có khả năng xảy ra do những thay đổi trong điều kiện ảnh hưởng trongkhai thác bởi ô nhiễm, trong đó có các tác động tương tự như tốc độ giảm tạimô-men xoắn không đổi).

Nhu cầu áp suất khí nạp cao hơn đòi hỏi tốc độ cao hơn của máy nén vàlàm tăng mức độ âm thanh này sẽ thúc đẩy sự phát triển của bộ phận giảm âmhiệu quả hơn cho tăng áp Phát triển tua bin-máy nén tăng áp cũng tìm cáchnâng cao tốc độ dòng cụ thể cho một kích thước khung nhất định để đạt đượcnhư một đơn vị nhỏ gọn nhất có thể cho hiệu quả chi phí, tiết kiệm khônggian và dễ dàng lắp đặt

Các thiết kế TB-MN tăng áp đã theo đuổi cao hơn tỷ số áp suất, hiệusuất nhiệt động học và tỷ lệ lưu lượng thể tích đặc trưng, cũng như giảm tiếng

ồn Đơn giản và nhỏ gọn hơn các cấu hình mô-đun với vỏ bọc không đượclàm mát, ổ trượt bên trong bôi trơn trực tiếp từ dầu bôi trơn động cơ tuần hoàn

và giảm đáng kể chi tiết hơn so với các thế hệ trước đó Các đáp ứng về dịch

vụ dễ dàng hơn,nâng cao độ tin cậy và độ bền

Các xu hướng nhất định trong các thông số động cơ có thể được xácđịnh chỉ ra phù hợp với sự phát triển của công nghệ TB-MN tăng áp, nổi bậtWärtsilä làm công suất ra cao hơn nhận ít hơn lượng tiêu thụ nhiên liệu trênmỗi kWh, hiệu suất động cơ cao hơn, khí thải thấp hơn, độ tin cậy động cơ cảitiến, thời gian lâu hơn giữa sửa chữa lớn và chi phí sản xuất thấp hơn Đây sẽ

là sự phát triển hơn TB-MN tăng áp có áp suất khí nén cao hơn, hiệu suất tuabin tăng áp cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và giá cả cạnh tranh

Trị số Bmep đã tăng từ khoảng 17 bar động cơ 2 kỳ sử dụng trongnhững năm 1990 và 19 bar vào năm 2000 Một mức độ như vậy đưa ra một tỷ

số áp suất và hiệu suất tăng lên từ tăng áp bởi vì nó quan trọng là điều kiện

ranh giới nhất định để duy trì độ tin cậy của động cơ, hạn chế mức độ khóikhi chạy một phần tải và giữ lại mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể hiện nay Việc

sử dụng rộng lớn hơn của tua bin biến thiên hình học (VTG), tăng áp 2 cấp vàTB-MN tăng áp với dẫn động thiết bị phụ trợ cũng có thể thấy trước được

2.2 Các phương pháp tăng áp trên động cơ Diesel tàu thủy

Ở động cơ Diesel, nếu khí nạp trước khi nạp vào xy lanh được nén đếnmột áp suất nào đó thì được gọi là động cơ Diesel tăng áp Trong động cơtăng áp, người ta có thể sử dụng máy nén thể tích hoặc cánh dẫn để nén khôngkhí nạp Các máy nén có thể được dẫn động trực tiếp từ động cơ, dùng động

cơ điện hoặc dùng tua bin khí xả Tuỳ theo việc dẫn động máy nén, người taphân biệt các hình thức tăng áp: tăng áp cơ khí (hoặc cơ giới), tăng áp tua binkhí máy nén và tăng áp hỗn hợp

2.2.1 Tăng áp bằng dẫn động cơ khí

Các loại máy nén được sử dụng trong phương pháp tăng áp này có thể

là máy nén kiểu piston, trục xoắn, quạt ly tâm hoặc quạt hướng trục được dẫnđộng từ trục khuỷu của động cơ (hình 2.11)

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý tăng áp cơ khí

Trong tăng áp dẫn động cơ khí thì công suất của động cơ được xác địnhtheo quan hệ sau:

Ne= Ni– Nm–Nk (2.7)Trong đó:

 Ne: Công suất có ích

 Ni: Công suất chỉ thị

 Nm: Tổn thất cơ giới

 Nk: Công suất để dẫn động máy nén

Từ công thức (2.7), công suất có ích được lấy ra từ trục khuỷu của động

cơ Necó được từ công suất chỉ thị Ni khi bị khấu trừ đi tổn thất cơ giới củabản thân động cơ Nmvà công suất Nkđể dẫn động máy nén

Nhận xét: Công suất dẫn động máy nén chỉ phụ thuộc vào số vòng quaycủa nó, nếu động cơ làm việc ở chế độ nhỏ tải thì số phần trăm công suất tổnthất cho việc dẫn động máy nén tăng lên làm giảm mạnh hiệu suất tổng củađộng cơ Công suất dẫn động máy nén tăng nhanh hơn tốc độ tăng áp suất chỉthị pi, vì vậy khi sử dụng tăng áp dẫn động cơ khí làm cho hiệu suất động cơgiảm thì áp suất tăng áp tăng

Ưu điểm tăng áp cơ khí là đảm bảo được không khí cung cấp cho động

cơ khi thay đổi chế độ khai thác động cơ

Nhược điểm của phương pháp này là phải chi phí công để dẫn độngmáy nén, khi công dẫn động máy nén vượt quá 10% công suất chỉ thị thì hiệuquả tăng áp không cao và suất tiêu hao nhiên liệu tăng ge> 180g/(ml.h) Tínhđến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, người ta chỉ áp dụng tăng áp cơ khí cho cácđộng cơ có áp suất tăng áp pk< 1.5 ÷ 1.6 kG/cm2

2.2.2 Tăng áp bằng tổ hợp Turbine – Máy nén (TB-MN)

Tăng áp tua bin khí xả lai máy nén (TB-MN) là phương pháp dùng turbine làm việc nhờ sử dụng năng lượng khí xả lai máy nén gió kiểu ly tâmđược gắn đồng trục với roto turbine Khí xả của động cơ có áp suất và nhiệt

độ rất cao nên nhiệt năng của nó tương đối lớn

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý cơ bản của tăng áp với tổ hợp TB-MN

Trên hình 2.12 thể hiện sơ đồ khối động cơ Diesel tăng áp bằng

TB-MN Khí xả sau khi ra khỏi động cơ có thể qua bộ biến đổi sơ bộ rồi cấp vàotua bin Công sinh ra của tua bin trực tiếp được sử dụng để dẫn động máy néngió tăng áp Không khí nén trước khi cấp vào động cơ có thể được làm mátbằng sinh hàn

Tăng áp bằng turbine khí xả máy nén đơn thuần nhất cho phép tăng côngsuất động cơ Diesel từ 50 ÷ 70%, tăng hiệu suất động cơ từ 4 ÷ 6%, suất tiêuhao nhiên liệu có ích giảm từ 8 – 13%, nhiệt độ khí xả giảm 50oC Bằng một

số biện pháp cải tiến, tăng áp TB-MN hiện đại có thể tăng công suất động cơ

400% Để chủ động định lượng mức độ tăng áp, tăng khả năng tăng áp có thểtrích một phần năng lượng khí cháy trong xy lanh động cơ dành cho tua binbằng cách tăng góc mở sớm cơ cấu xả Trong trường hợp này, tua bin khí xảmáy nén là thiết bị tận dụng năng lượng của khí xả Thực tế đã chứng minhđược rằng, khí xả của động cơ ở tất cả mọi chế độ sử dụng trong thực tế đảmbảo được các điều kiện sau:

- Năng lượng đủ cao để có thể sử dụng một phần cho giãn nở trong tuabin và sinh công cơ khí

- Nhiệt động không quá cao nên có thể tránh được việc hư hỏng các chitiết của tua bin

- Tua bin khí xả có thể dẫn động máy nén ly tâm mà không tạo ra sứccản quá lớn trên đường xả của động cơ Trong động cơ Diesel, khoảng35%-40% năng lượng của nhiên liệu phát ra bị mất do theo khí xả rabên ngoài Xét trong 40% năng lượng đó, có 10% mang đi bị mất mát

do ma sát, tiết lưu vì không thể thải khí ra ngoài với áp suất và nhiệt độmôi trường, 20% năng lượng thải ra môi trường

Như vậy, còn có thể tận dụng được khoảng 10% năng lượng của nhiênliệu phát ra chứa trong khí xả

Trên thực tế, các động cơ Diesel thường được trang bị các tổ hợp tuabin khí xả máy nén với nhiều thiết bị phụ trợ, nhiều phương án cải tiến Cácphương án đó có thể kể ra như: bộ biến đổi xung khí xả, ống phun và ốngkhuyếch tán điều chỉnh được, phối hợp tăng áp cơ giới và tua bin khí xả máynén, sử dụng máy nén hốc dưới piston; sử dụng quạt gió phụ hoặc máy nénphụ vào mục đích giảm tải cho tổ hợp tua bin khí máy nén …

Ưu điểm của phương pháp tăng áp TB-MN:

- Hệ thống tăng áp tua bin khí xả- máy nén có cơ cấu được chế tạo đơngiản và bố trí gọn

- Tận dụng được nguồn năng lượng khí xả, làm giảm lượng khí thải.

- Cải thiện được các chỉ tiêu kinh tế của động cơ

- Hiệu suất hệ thống tăng áp TB-MN lớn hơn hiệu suất của hệ thống tăng

áp cơ giới

Nhược điểm phương pháp này là: khả năng gia tải của động cơ rất kém,

so với hệ thống tăng áp khác Vì thế động cơ cỡ lớn phải trang bị thêm quạtgió phụ hỗ trợ khi khởi động và khi chạy tải thấp

2.2.3 Tăng áp hỗn hợp

Trong tăng áp hỗn hợp, kết hợp 2 hệ thống máy nén khác nhau, mộtđược dẫn động bằng khí xả và một được dẫn động bằng cơ khí, chủ yếu từtrục khuỷu của động cơ (hình 2.13 và 2.14) Trong phương pháp lắp ghép hỗnhợp, máy nén dẫn động cơ khí có thể sử dụng là máy nén ly tâm, hướng trục,trục vít…hoạt động độc lập với máy nén ly tâm dẫn động bởi tua bin khí xả.Tùy thuộc vào vị trí của các máy nén gồm 2 phương pháp:

- Phương pháp hỗn hợp ghép nối tiếp

- Phương pháp ghép hỗn hợp song song

a.Ghép nối tiếp thuận b.Ghép nối tiếp nghịch

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tăng áp hỗn hợp ghép nối tiếp

4 Máy nén dẫn động cơ khí 5 Khớp nối 6 Sinh hàn

Phương pháp hỗn hợp ghép nối tiếp: phụ thuộc vào phương của dòngkhí tăng áp đi qua máy nén dẫn động cơ khí và máy nén dẫn động từ tua bin

mà ta chia thành 2 loại:

- Ghép nối tiếp thuận: máy nén dẫn động cơ khí đứng sau máy nén dẫnđộng bằng tua bin khí Khí tăng áp được máy nén dẫn động bằngturbine khí hút từ môi trường sau đó được dẫn tới máy nén dẫn động cơkhí và đi vào động cơ Trong trường hợp này lưu lượng khí nạp phụthuộc vào lưu lượng của cụm turbine –máy nén

- Ghép nối tiếp nghịch: lúc này máy nén dẫn động cơ khí đứng trước, lưulượng khí cung cấp cho động cơ phụ thuộc vào lưu lượng máy nén dẫnđộng cơ khí, vì thế phụ thuộc vào chế độ tốc độ của động cơ và lưulượng khí cung cấp cho một chu trình là không đổi

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp tăng áp hỗn hợp song song

4 Máy nén dẫn động cơ khí 5 Khớp nối 6 Sinh hàn

Phương pháp hỗn hợp song song: Khí tăng áp nạp vào động cơ đượccung cấp đồng thời nhờ 2 máy nén Hình thức này rất phù hợp cho động cơtăng áp có áp suất tăng áp trung bình

Ưu điểm của phương pháp hỗn hợp:

- Nhờ cách ghép nối này mà sự phân bổ phạm vi làm việc của hai hệthống hợp lý hơn Ở phạm vi tải trọng thấp của động cơ khi mà nănglượng khí xả còn thấp, chưa đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho máynén (được dẫn động từ tua bin) để nén khí vào động cơ với áp suất vàlưu lượng mong muốn thì khí tăng áp chủ yếu được cung cấp bởi máynén dẫn động cơ khí Khi năng lượng khí xả đã đủ lớn, người ta cắtnguồn năng lượng cung cấp cho máy nén cơ khí và chỉ có cụm nănglượng cung cấp cho cụm tăng áp bằng tua bin-máy nén tăng áp hoạtđộng

- Phương pháp này cho phép động cơ khởi động tốt, gia tốc tốt nên rấtthích hợp cho động cơ 2 kỳ.

- Phương pháp lắp nối tiếp được sử dụng nhiều trong trường hợp tăng áp

có áp suất tăng áp cao, đặc biệt khi tải nhỏ

Nhược điểm: phương pháp này có hình thức bố trí lắp đặt và cấu tạophức tạp hơn phương pháp tăng áp cơ khí và phương pháp tăng áp TB-MN

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tổ hợp tua bin máy nén tăng áp 2.3.1 Nguyên lý hoạt động

Tổ hợp TB-MN tăng áp gồm 2 phần chính là máy nén li tâm và tua bincùng các cơ cấu phụ như bạc đỡ, hệ thống bôi trơn và làm mát… Để hiểu rõhơn nguyên lý cấu tạo của hệ thống tăng áp bằng tổ hợp TB-MN của động cơDiesel, ta xét hình 2.15

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tăng áp bằng tổ hợp TB-MN

Trong đó các thông số và kết cấu chính bao gồm:

po : Áp suất không khí A : Không khí vào bộ lọc

p1 : Áp suất vào máy nén V : Máy nén của tổ hợp TB-MN

T1 : Nhiệt độ vào máy nén BC : Ống dẫn khí ra máy nén

p21 : Áp suất ra máy nén CD : Sinh hàn gió tăng áp

p22 : Áp suất vào sinh hàn DE : Ống dẫn nối tới xúp páp nạp

pR : Áp suất khí nạp vào xy lanh F : Vòi phun nhiên liệu

T1 : Nhiệt độ vào máy nén GH : Ống dẫn khí xả tới tua bin

p3 : Áp suất khí xả trước tua bin T : Tua bin khí xả

T3 : Nhiệt độ trước tua bin I : Ống dẫn sau tua bin

p4 : Áp suất khí xả trước tua bin K* : Nồi hơi khí xả (động cơ lớn)

T4 : Nhiệt động sau tua bin L : Bộ giảm âm và thu tia lửa

Theo sơ đồ hình 2.15, lượng khí xả của động cơ Diesel sau khi ra khỏi

xy lanh có áp suất P3và nhiệt độ T3 sẽ đi qua tua bin có áp suất P4và nhiệt độ

T4 rồi qua nồi hơi khí xả trước khi ra ngoài môi trường có áp suất Po và nhiệt

độ To Tại tua bin năng lượng của khí xả sẽ làm quay rôto tua bin tạo ra độngnăng dẫn động trục trực tiếp máy nén nạp không khí vào động cơ sau khi điqua sinh hàn làm mát

Áp suất và nhiệt độ không khí là Po, To qua lưới lọc P1,T1 đến sinh hàn

P21, T21vào động cơ PR, TR

Hệ thống tăng áp bằng tổ hợp TB-MN sẽ tận dụng nặng lượng khí xả rakhỏi xy lanh động cơ để dẫn động máy nén li tâm, tăng áp suất và lượngkhông khí nạp vào động cơ, tăng hiệu suất và quá trình cháy và nâng cao côngsuất của động cơ

2.3.2 Máy nén li tâm

2.3.2.1 Nguyên lý hoạt động

Máy nén li tâm là một

thiết bị cơ khí dùng để chuyển

năng lượng cơ học của trục

truyền cho cánh MN được cung

cấp bởi TB thành năng lượng

của dòng chảy

Các bộ phận chính của máy Hình 2.16: Bánh cánh máy nén

nén tua bin là bánh cánh máy nén, ống tăng áp, khoang gió nạp và khoang giótăng áp Các bộ phận chính được nêu ở hình 2.19, cấu tạo của một TB-MNtăng áp Thường có một bộ phin lọc giảm âm hoặc một nhánh hút được lắpđặt tới khoang gió nạp Ban đầu bánh cánh đứng yên, khoảng không gian giữacác cánh được điền đầy không khí với nhiệt độ và áp suất môi trường Chúng

ta sẽ xét một phần tử nhỏ không khí tại bán kính r

Hình 2.17: Chuyển động quay của bánh cánh máy nén U: Vận tốc vòng của bánh cánh máy nén

V: là vận tốc của phần tử không khí tại vị trí bán kính r

C: vận tốc của phần tử khí ra khỏi bánh cánh máy nén

W: vận tốc ly tâm theo phương tiếp tuyến biên dạng cánh máy nén

Giả sử bánh cánh máy nén quay với tốc độ vòng U Tại vị trí bán kính

r, phần tử không khí có tốc độ là V, và chịu tác động lực ly tâm V2/r, làm cho

nó có xu hướng dịch chuyển ra ngoài bán kính Tất cả các phân tử khí đềuchịu tác động của lực ly tâm và di chuyển theo hướng từ khoang gió nạp quabánh cánh máy nén và vào khoang gió tăng áp Dòng khí tăng áp ra khỏi cánhmáy nén với tốc độ C là tổng hợp của vận tốc vòng U và vận tốc ly tâm theophương tiếp tuyến với biến dạng cánh máy nén W Tam giác tạo bởi ba vectơtốc độ C, vận tốc vòng U và vận tốc ly tâm được gọi là tam giác tốc độ Ứngvới phạm vi ứng dụng thiết kế ban đầu ống tăng áp có góc tới chính xác vàbiên dạng cánh sao giảm tổn thất thấp nhất do va đập của dòng khí tăng ápvào cánh của ống tăng áp Đặc tính làm việc của máy nén cũng bị ảnh hưởngđáng kể bởi sự tổn thất của dòng khí do ma sát của dòng chảy hình thành trêncác bề mặt công tác của cánh máy nén và ống tăng áp

2.3.2.2 Đặc điểm cấu tạo

Ống tăng áp: Khí sau khi đi ra khỏi bánh cánh công tác được dẫn vàoống tăng áp có tiết diện tăng dần, nên tốc độ dòng khí giảm dần và áp suấttăng dần, nghĩa là động năng của dòng chuyển thành thế năng Ống tăng áp cócánh có ưu điểm lớn giảm được tổn thất của dòng khí ra khỏi bánh công tácnên làm tăng hiệu suất và giảm kích thước máy nén Cánh dẫn hướng của ốngtăng áp được gắn trên đĩa, cánh có thể đúc liền hoặc gia công

Bánh cánh công tác: là chi tiết quan trọng nhất của máy nén Bánh dẫn

hướng chuyển dòng khí từ hướng trục sang hướng kính, rồi trong bánh lắp cáccánh, dòng chảy đi từ trong ra ngoài Công dẫn động của máy nén, đượctruyền cho không khí trong các rãnh cánh làm tăng áp suất, nhiệt độ và tốc độdòng khí tại đây Bánh công tác thường được chế tạo bằng đúc hoặc gia công.Thường có 2 dạng là bánh cánh công tác nửa hở và bánh công tác kiểu kín

Hình 2.18: Cánh máy nén và ống tăng áp

Ống vào (ống hút): Ống vào máy nén có dạng hình trụ hoặc hình nón,

có tiết diện hẹp dần nhằm tăng tốc dòng khí vào Trong ống vào có thể lắpthiết bị hướng dòng nhằm hướng dòng khí đi vào cánh máy nén dưới một góctối ưu nhằm tránh va đập và làm tăng hiệu suất của MN

Ống ra: Ống ra thường có 3 dạng chủ yếu: hình vòng có tiết diện không

đổi, hình xoắn ốc có tiết diện tăng dần như ống ra có cánh nhằm ổn định vàtăng áp suất khí nén

2.3.3 Turbine

Turbine trong tổ hợp TB-MN là một thiết bị dùng chuyển năng lượngcủa khí cháy có áp suất và nhiệt độ nhất định thành công cơ học dẫn độngmáy nén khí Quá trình biến đổi này được thực hiện nhờ có sự tác động tương

hỗ giữa dòng khí và cánh turbine

Năng lượng của chất khí trước tiên được biến đổi thành động năng, sau

đó là quá trình biến đổi động năng thành cơ năng (quay bánh công tác) trongturbine Các quá trình này thực hiện trong ống phun (cánh dẫn hướng) vàbánh công tác Có 2 loại turbine là: turbine hướng trục và turbine hướng kính

2.3.3.1 Turbine hướng trục

Hình 2.19: Mặt cắt tổ hợp TB-MN tăng áp sử dụng

tuabin hướng trục VTR 501 1.Trục rôto 2.Bánh cánh tua bin 3.Cánh máy nén li tâm

8,9.Bơm dầu bôi trơn 10 Lối khí xả vào 11 Lối khí xả ra

12 Lối khí nạp vào 13 Lối khí tăng áp ra 14 Bộ phin lọc giảm âm

19.Vách cách nhiệt 20.Nước làm mát

Khí cháy đi vào theo hướng trục turbine có thế năng cao Khi đi vàocánh hướng của turbine sẽ được giãn nở và làm cho vận tốc khí tăng lên,hướng chuyển động dòng khí thay đổi Dòng khí được gia tốc và tác dụng lêncánh turbine sinh ra công cơ học làm quay turbine Nguyên lý kết cấu của tuabin hướng trục gồm có vòng ống phun, bánh công tác, vỏ turbine …(hình2.19)

Do về mặt trọng lượng, giá cả và kích thước của loại turbine này lạikhông hoàn toàn thích hợp với loại động cơ cỡ nhỏ, đặc biệt hiệu suất của

turbine hướng trục chỉ có thể chấp nhận được khi chiều cao của cánh phảitương đối lớn, ít ra lớn hơn 20 mm.

Tóm lại: đặc điểm của turbine hướng trục là lưu lượng lớn, hiệu suất caothường được sử dụng thích hợp cho động cơ thấp tốc và trung tốc cỡ lớn Ổ

đỡ thường dùng bạc trượt hoặc ổ bi

2.3.3.2 Turbine hướng kính

Dòng khí chuyển động theo hướng từ ngoài vào tâm và đi ra theo chiềutrục, khí giãn nở trong cánh dẫn hướng sau đó là bánh công tác Về mặt kếtcấu, bánh công tác của turbine hướng kính giống bánh cánh công tác của máynén li tâm (hình 2.20)

Ngày nay, turbine hướng kính thường có đường kính nhỏ so với turbinehướng trục Do đó rôto có quán tính nhỏ nên thời gian gia tốc ngắn cũng làđặc điểm ưu việt để tăng áp cho những động cơ có chế độ làm việc thườngxuyên thay đổi Nhưng nó tồn tại nhược điểm là đĩa và cánh của turbinethường được đúc liền một khối còn turbine hướng trục thường gia công chếtạo từ vật liệu chịu nhiệt tốt, nên turbine hướng kính rất nhạy cảm với sự thayđổi đột ngột của nhiệt độ Chính điều này mà khi kích thước càng lớn, phạm

vi sử dụng của turbine hướng kính càng hạn chế

Một lợi thế của tổ hợp TB-MN loại turbine hướng kính là nhỏ gọn do

có số ít chi tiết và chịu lực tốt Nên cánh turbine hướng kính chịu kéo cònturbine hướng trục chịu uốn và ít chịu ảnh hưởng của dao động, kết cấu củaturbine hướng kính như hình 2.20

Hình 2.20: Mặt cắt của tổ hợp TB-MN sử dụng tua bin hướng kính NR/S

1 Rôto tua bin với trục 2 Bánh cánh máy nén 3 Vỏ ổ đỡ

4 Bạc lót ổ đỡ 5 Vỏ lối khí ra 6 Vòng ống phun

7.Vỏ khuếch tán lối ra 8 Vỏ máy nén 9.Ống tăng áp

10 Bộ phin lọc giảm âm

Ngoài ra, turbine hướng kính còn một số nhược điểm khác là khó bố trínhiều tầng và giá trị áp suất thay đổi theo phương hướng kính phụ thuộc vàotốc độ quay nên nhạy cảm với sự thay đổi tốc độ

Tóm lại : đặc điểm của turbine hướng kính với lưu lượng nhỏ, hiệu suấtcao hơn loại hướng trục, thường được sử dụng cho các động cơ cao tốc vàđộng cơ trung tốc cỡ nhỏ Ổ đỡ thường dùng bạc trôi hoặc bạc trượt

2.3.4 Ổ đỡ, bao kín, bôi trơn và làm mát ở tổ hợp TB-MN tăng áp

Ổ đỡ: là chi tiết làm việc trong điều kiện tốc độ lớn, tải trọng nhẹ, nhiệt

độ cao Muốn cho ổ đỡ hoạt động tốt, độ tin cậy cao cần đảm bảo tốt vật liệuchế tạo, vấn đề cân bằng động phần quay (rôto) của TB-MN, đảm bảo đủ ápsuất và lưu lượng dầu bôi trơn tạo ra màng dầu bôi trơn làm mát Ổ đỡ có các

loại: ổ bi, ổ trượt và ổ đỡ chặn Ổ bi thường sử dụng cho TB hướng trục, còn

ổ trượt thường sử dụng cho TB hướng kính

Bôi trơn ổ đỡ: cần cung cấp cho ổ đỡ đủ dầu bôi trơn để làm mát và bôitrơn đảm bảo hoạt động tin cậy của ổ Có 2 loại:

- Loại tự bôi trơn : Dùng khoang dầu với bơm dầu do rôto turbine lai

- Loại bôi trơn áp lực bên ngoài bao gồm : các két, bơm dầu độc lập, cácvan và đường ống… cung cấp đủ dầu với áp suất cần thiết để bôi trơncho ổ đỡ

Dầu bôi trơn tùy theo từng loại có thể riêng biệt hoặc dùng dầu từ hệthống bôi trơn tuần hoàn động cơ

Bao kín : có mục đích nhằm ngăn lọt dầu bôi trơn và khí Cấu tạo thiết

bị cần hợp lý, đạt độ tin cậy cao, thường dùng vòng graphit, vòng găng baokín và đường dích dắc…

Bộ giảm chấn : các lá thép mỏng có thấm dầu đặt bao quanh vòng bitrong ổ đỡ Bộ giảm chấn cho phép giảm các chấn động, bảo vệ vòng bi khỏicác hư hỏng do rung động gây lên

2.4 Tầm quan trọng của việc bảo dưỡng định kỳ

Bảo dưỡng định kỳ là việc bảo dưỡng turbin theo một chu kỳ nhất địnhđược quy định bằng thời gian hoạt động Một số bộ phận của turbine bị mònmột cách tự nhiên trong quá trình vận hành Nếu chúng không được kiểm tra,thay thế và bảo dưỡng định kỳ, các tính năng hoạt động sẽ giảm đi, dẫn đến

hư hỏng nặng, thậm chí gây mất an toàn trong quá trình khai thác

Mục đích của bảo dưỡng định kỳ là kiểm tra, sửa chữa và thay thế theomột lịch trình nhất định để đảm bảo hoạt động tốt nhất cho tất cả các bộ phậntrên turbine Bảo dưỡng định kỳ giúp turbine tránh khỏi hư hỏng nặng, tiếtkiệm chi phí và đảm bảo tính an toàn cho tàu trong quá trình hoạt động Ngoài

ra, bảo dưỡng định kỳ còn giúp turbine vận hành đúng theo các quy định về

an toàn và môi trường

Việc giữ cho turbine luôn trong điều kiện sử dụng tốt nhất, tránh đượcnhững hỏng hóc, trục trặc không mong muốn khi khai thác trên hành trình,cũng như thỏa mãn những tiêu chuẩn của cơ quan đăng kiểm Ngoài ra, việcbảo dưỡng thường xuyên còn giúp cho turbine:

- Tiết kiệm nhiên liệu và các chi phí liên quan

- Kéo dài tuổi thọ của turbine

- Khai thác an toàn

- Tâm lý người khai thác được thỏa mái, tạo hiệu suất công việc cao

2.5 Tầm quan trọng của công nghệ thông tin đối với các ngành nghề

Máy vi tính là thiết bị giúp chúng ta nhập dữ liệu, xử lý theo một cáchnào đó, và đưa ra những dữ liệu mới Các máy vi tính cơ học đã xuất hiện từnhững năm đầu thế kỉ 19, nhưng máy vi tính sử dụng điện thì được sáng chếvào thế kỉ 20

Máy vi tính có thể thực hiện những phép toán phức tạp với tốc độkhông tưởng Khi được vận hành dưới tay một lập trình viên điêu luyện, máy

vi tính có thể làm nhiều việc hơn chúng ta tưởng Nhiều loại máy bay quân sựhiện đại không thể hoạt động mà thiếu sự điều chỉnh của máy tính Máy tínhcòn giúp hiển thị mã gen người, đưa tàu vũ trụ vào quỹ đạo, điều khiển cácthiết bị kiểm tra y tế, tạo ra những đoạn phim ảnh kì diệu từ phần mềm củanó

Về mặt vĩ mô, chúng ta khó có thể tưởng tượng hết những gì máy vitính có thể giúp con người Máy vi tính giúp con người lưu trữ lượng lớnthông tin, và khi cần có thể xem lại một cách nhanh chóng Rất nhiều đồ vật