Nghiên cứu, cải thiện chế độ công tác tổ hợp tuabin tăng áp khí xả bằng phương pháp thay đổi biên dạng ống phun

TỔNG QUAN VỀ TỔ HỢP TUABIN MÁY NÉN TĂNG ÁP KHÍ NẠP ĐỘNG CƠ DIESEL 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Các khái niệm cơ bản Động cơ Diesel khi nạp khí tự nhiên không có tăng áp trực tiếp hút khí

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sử dụng cụm máy nén tăng áp bằng Tuabin khí xả là phương pháp hiệu quả nhất và tối ưu nhất để cải thiện và nâng cao công suất của động cơ Diesel nói chung Tuy nhiên sau một thời gian làm việc, tính đồng bộ của cụm Tuabin tăng áp

và động cơ giảm xuống dẫn đến giảm hiệu suất làm việc các chi tiết và động cơ, công suất động cơ giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên

Việc chế tạo một cụm Tuabin tăng áp mới phù hợp với tình trạng kỹ thuật của động cơ cũ để thay thế là hết sức khó khăn, giá thành chế tạo rất đắt, mất rất nhiều thời gian Chính vì thế giải pháp được ưu tiên đó là cải tiến cụm Tuabin tăng

áp cũ phù hợp với tình trạng động cơ Diesel nâng cao hiệu suất

Với quy mô khoảng 70% số lượng tàu thuyền đang hoạt động ở Việt Nam là

đã được sử dụng trên 10 năm, sự hoạt động đồng bộ giữa động cơ Diesel và cụm Tuabin tăng áp đã giảm xuống đáng kể, song trên thực tế việc sửa chữa cải tiến sự hoạt động của Tuabin chưa được thực hiện Chính vì thế để đảm bảo nâng cao hiệu quả hoạt động đồng bộ, tăng công suất động cơ, giảm chi phí, nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường thì vấn đề nghiên cứu cải thiện chế độ công tác của Tuabin tăng áp khí xả động cơ là rất cấp thiết

Đề tài “ Nghiên cứu, cải thiện chế độ công tác tổ hợp Tuabin tăng áp khí

xả bằng phương pháp thay đổi biên dạng ống phun” được thực hiện để đưa ra

giải pháp cho vấn đề này

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu quá trình công tác của động cơ diesel tăng áp tuabin khí xả và ảnh hưởng của việc thay đổi biên dạng ống phun đến các thông số công tác; đánh giá được tính ưu việt của phương pháp thay đổi thông số hình học ống phun đến cải thiện các chế độ công tác của tổ hợp tuabin tăng áp khí xả trang bị cho động cơ Diesel

Ứng dụng phần mềm ANSYS - Fluent tính toán, mô phỏng hoạt động của tuabin tăng áp khí xả khi thay đổi biên dạng ống phun nhằm khẳng định cơ sở lý thuyết cũng như làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm nếu có điều kiện

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu lý thuyết tính toán tuabin tăng áp khí xả và ứng dụng phần mềm ANSYS fluent để tính toán, mô phỏng, qua đó đánh giá kết luận

4 Đối tượng và phạm vi của đề tài

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tổ hợp Tuabin tăng áp khí xả của động cơ Diesel

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là cải thiện chất lượng hệ thống tăng áp, khắc phục nhược điểm vốn có của tổ hợp tuabin tăng áp khí xả và xác định khả năng cải thiện các thông số công tác của tổ hợp này bằng cách thay đổi biên dạng ống phun

5 Ý nghĩa của đề tài

Kết quả của đề tài có thể áp dụng để hoán cải hệ thống tăng áp, giúp cải thiện chế độ công tác của động cơ, đặc biệt ở các chế độ thay đổi tải và với các động cơ cũ Cải thiện chế độ công tác của tổ hợp tuabin tăng áp cũng góp phần tăng công suất động cơ, nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Kết quả của đề tài có thể sử dụng làm tài liệu nghiên cứu hữu ích cho cán bộ nghiên cứu khi tiếp cận với vấn đề nâng cao công suất động cơ Diesel, đồng thời

có thể dùng như một giáo cụ điện tử phục vụ cho công tác giảng dạy và học tập

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TỔ HỢP TUABIN MÁY NÉN TĂNG ÁP KHÍ NẠP ĐỘNG CƠ DIESEL

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Các khái niệm cơ bản

Động cơ Diesel khi nạp khí tự nhiên (không có tăng áp) trực tiếp hút khí từ bên ngoài thông qua hành trình nạp (khi Piston đi xuống và tạo độ chân không bên trong xilanh khi đó không khí bên ngoài được hút vào), do bị hạn chế về lượng không khí nạp mới nên công suất riêng của động cơ giảm Biện pháp để làm tăng lượng không khí nạp mới vào bên trong xylanh động cơ và qua đó làm tăng công suất động cơ gọi là biện pháp tăng áp; tăng áp sẽ làm áp suất không khí trước xupap nạp được tăng lên cao hơn so với áp suất môi trường, nhờ đó làm tăng mật

độ không khí, tăng lượng khí nạp vào trong xilanh, tăng hệ số nạp, tăng áp suất có ích trung bình của chu trình và do đó làm tăng công suất có ích của động cơ

Tổ hợp Tuabin – máy nén (TBMN) tăng áp khí nạp cho động cơ Diesel hay còn gọi là Bộ tăng áp động cơ (tiếng anh: Turbocharger) là hệ thống tăng áp suất

và nạp không khí sạch cưỡng bức trong động cơ để một động cơ có kích thước nhất định tạo ra công suất lớn hơn Bộ tăng áp này khác với Bơm tăng nạp hay còn gọi là bộ siêu nạp (tiếng anh: Supercharger) thông thường ở chỗ: Bơm tăng nạp được truyền động bằng lực kéo cơ khí trích từ bản thân động cơ thông qua hệ thống dây curoa (bánh răng) nối với trục khuỷu, còn Bộ tăng áp động cơ được chạy bằng năng lượng khí xả từ động cơ Bộ tăng áp được gắn cố định hợp lý vào phía họng xả động cơ, khi động cơ hoạt động, năng lượng từ khí xả làm quay Tuabin của nó, Tuabin này vận hành máy nén (lắp giữa bộ lọc gió và họng nạp không khí) thông qua một trục, nạp khí sạch cho động cơ Khí xả thoát ra từ động cơ thổi vào cánh Tuabin làm quay Tuabin, vì thế lượng khí xả càng đi qua Tuabin càng nhiều thì Tuabin quay càng nhanh

Để tận dụng nguồn năng lượng từ khí thải nhằm tăng công suất và hiệu suất động cơ, TBMN tang áp khí nạp được sử dụng đầu tiên ở động cơ 4 kỳ và sau đó được sử dụng cho cả động cơ 2 kỳ; đặc biệt loại động cơ 2 kỳ công suất lớn Mức

độ tăng hiệu suất động cơ khi tăng áp bằng tuabin khí xả phụ thuộc nhiều vào chế

độ tải của động cơ Đối với động cơ lai chân vịt tàu thủy, tải động cơ cao đồng nghĩa với vòng quay của động cơ tăng là điều kiện thuận lợi cho Tuabin tăng áp khí xả tăng hiệu quả làm việc

1.1.2 Sự cần thiết của tổ hợp TBMN tăng áp trên động cơ Diesel

Tuabin và máy nén tăng áp là các thiết bị dùng để nén không khí lên áp suất cao hơn áp suất khí quyển và nạp vào Xylanh, với với mục đích tăng lượng không khí sạch đảm bảo đốt cháy nhiên liệu, để tăng công suất động cơ

Công suất động cơ thường được xác định bởi lượng hỗn hợp không khí – nhiên liệu được đốt cháy trong một khoảng thời gian nhất định và lượng hỗn hợp này càng tăng thì công suất của động cơ càng lớn

Điều đó đồng nghĩa với việc để tăng công suất động cơ thì phải tăng dung tích động cơ (thể tích buồng đốt) hoặc tăng tốc độ (vòng quay) của động cơ Tuy nhiên khi tăng dung tích động cơ thì thể tích tổng thể, trọng lượng của động cơ cũng tăng lên, các yếu tố như tổn thất do ma sát, rung động, tiếng ồn tăng lên và chính các yếu tố này lại làm hạn chế khả năng tăng tốc độ của động cơ

Tổ hợp Tuabin tăng áp đáp ứng được cả hai yêu cầu và khắc phục được mâu thuẫn nhau này: công suất động cơ được tăng lên hơn hẳn so với động cơ có cùng thông số kết cấu, bằng cách cung cấp lượng hỗn hợp không khí – nhiên liệu lớn hơn mà không thay đổi kích thước động cơ Sử dụng TBMN tăng áp cho phép cải thiện một số chỉ tiêu sau: [1]

- Giảm thể tích toàn bộ của động cơ ứng với một đơn vị công suất;

- Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ ứng với một đơn vị công suất;

- Giảm giá thành sản xuất ứng với một đơn vị công suất;

- Hiệu suất của động cơ tăng và do đó suất tiêu hao nhiên liệu giảm;

- Có thể làm giảm lượng khí thải độc hại;

- Giảm độ ồn động cơ

Chính vì thế phương pháp này được sử dụng rộng rãi và từng bước được nghiên cứu, cải thiện để hoàn chỉnh hơn và nâng cao hơn nữa công suất động cơ

1.1.3 Một số loại Tuabin tăng áp khí xả thông dụng

1.1.3.1 Hệ thống Tuabin hãng ABB

Hãng tuabin ABB có trụ sở chính tại Thụy sĩ, là một trong những tập đoàn

có bước đi tiên phong trong sự ra đời và phát triển của tuabin tăng áp, được tiến hành bởi Alfred Buchi và các áp dụng trong ngành máy tàu thủy của Tuabin tăng

áp Bắt đầu ra đời và áp dụng từ năm 1905 cho đến trước Thế chiến I thì phát triển mạnh mẽ Năm 1925 lắp đặt tuabin đầu tiên trên động cơ 4 kỳ của hãng MAN B&W và đến năm 1944 ABB cho ra đời Seri đầu tiên là VTR…O và từ đó sẵn sàng cung cấp và lắp đặt Tuabin tăng áp cho các động cơ Diesel có dải công suất từ

370 kW đến 12700 kW

Tuabin tăng áp loại VTR được sử dụng trên động cơ Diesel 4 kỳ và 2 kỳ tăng lên rất nhanh từ những năm 1950 Năm 1952 động cơ 2 kỳ đầu tiên được lắp đặt tuabin tăng áp seri VTR…0 Bên cạnh việc cải thiện đặc tính của Tuabin tăng

áp, các nghiên cứu phát triển của hãng đã tăng cường khả năng tạo điều kiện phục

vụ cho việc sử dụng được nhiều loại nhiên liệu có mác thấp của động cơ và sự làm việc tại chế độ tải nặng nề vẫn đảm bảo đủ tin cậy và bảo dưỡng cực ít

Hiện nay ABB có các seri Tuabin tăng áp sau:[2]

- Seri VTR: Được thiết kế lắp đặt cho các động cơ tạo nên công suất khoảng

700 kW đến 18500 kW ứng với mỗi Tuabin tăng áp

- Seri VTC: Thiết kế lắp đặt cho động cơ cung cấp công suất từ 100 kW đến

3200 kW mỗi Tuabin

- Seri RR: Thiết kế lắp đặt cho các động cơ cao và trung tốc có công suất nằm trong khoảng từ 500 kW đến 1800 kW ứng với mỗi Tuabin

- Seri TPS: Thế hệ mới thuộc dòng Tuabin tăng áp nhỏ

- Seri TPL: Thế hệ mới thuộc dòng Tuabin tăng áp lớn

- Tuabin động lực NTC: Sử dụng năng lượng khí xả lớn trích từ đường góp

để tăng hiệu suất động cơ

a) Tuabin tăng áp seri VTR…4

Đây là loại Tuabin được lắp đặt ở dạng Tuabin hướng trục và máy nén hướng kính Kết hợp với các chiều cao cánh Tuabin khác nhau, một số lớn cánh hướng khác biệt cũng như bề rộng của máy nén khác nhau và sự thay đổi tương ứng của các rãnh khuếch tán tạo điều kiện phù hợp tối ưu giữa các động cơ và các đặc tính hoạt động của Tuabin tăng áp.[2]

Seri tăng áp VTR có 2 loại là không có nước làm mát và có nước làm mát VTR chủ yếu lắp đặt cho động cơ chậm tốc công suất lớn

Hình 1.1: Tổ hợpTuabin tăng áp Seri VTR của hãng ABB, loại có làm mát và

không làm mát

b) Tuabin tăng áp seri TPS

Công nghệ chế tạo động cơ Diesel cao tốc và trung tốc hiện đại yêu cầu Tuabin tăng áp lắp đặt trên nó phải có cấu trúc tổ hợp hơn, với tỉ số tăng áp tăng cao tại hiệu suất chung lớn, gọn nhẹ Hệ thống Tuabin tăng áp hãng ABB đã chế tạo và cho ra thị trường vào giữa những năm 1990 loại mới là seri TPS Đây là seri được thiết kế lắp ráp cho động cơ 4 kỳ có công suất từ 500kW đến 3200 kW ứng với một Tuabin

Để đảm bảo khoảng tỉ số áp suất toàn bộ yêu cầu thay đổi rộng bởi các động

cơ như vậy, Tubin tăng áp TPS D/S đã xuất hiện với 2 tầng máy nén hoàn toàn khác nhau, một tầng được thiết kế cho tỉ số áp suất tới 4.2 (TPS D) và loại kia dành cho tỉ số áp suất tới 4.7 (TPS E) Nhờ các thiết kế đơn chiếc tối ưu về cơ khí kết hợp với bánh cánh máy nén không khoan lỗ, tỉ số áp suất có thể tăng lên đạt 4.5

và cho khoảng áp dụng rộng, vật liệu để chế tạo bánh cánh máy nén là hợp kim nhôm Cả hai loại máy nén này đều có đặc tính chế tạo bánh cánh bằng hợp kim nhôm liền khối đơn chiếc có cánh phụ và cánh hướng cong ngược lại phía sau để tạo hiệu suất cao và đặc tính máy nén rộng Hiệu suất cực đại đã đạt được cao hơn 84%.[2]

Hình 1.2: Tổ hợpTuabin tăng áp Seri TPS của hãng ABB dành cho động cơ tốc độ

cao và tốc độ trung bình

Tuabin seri TPS được thiết kế đơn giản, tinh giảm các chi tiết vụn vặt, thuận lợi cho việc lắp đặt lên động cơ một cách nhanh chóng và quá trình bảo quản dễ dàng

c) Tuabin tăng áp seri TPL

Một thế hệ Tuabin tăng áp hoàn toàn mới của hệ thống tuabin ABB là seri TPL, được ra đời năm 1996 để đảm bảo yêu cầu các động cơ trung và thấp tốc công suất lớn nhất, nhà thiết kế đã đặt ra mục tiêu phát triển sau:[2]

- Tỉ số áp suất máy nén cao để tăng công suất động cơ;

- Hiệu suất tuabin tăng áp cao để giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm nhiệt độ khí xả xuống thấp hơn;

- Độ tin cậy, tuổi thọ cao và giai đoạn giữa các lần tháo, bảo dưỡng được kéo dài hơn;

- Bảo dưỡng dễ dàng thậm chí đối với máy hoạt động dưới điều kiện khắc nghiệt (như là động cơ sử dụng nhiên liệu nặng, chất lượng thấp)

Thiết kế không làm mát cho phép giảm số lượng các thành phần so với seri VTR, đã tham gia vào việc giãn thời gian giữa các lần tháo bảo dưỡng toàn bộ

Hình 1.3: Tổ hợpTuabin tăng áp Seri TPL65 của hãng ABB dành cho động cơ tốc

độ thấp và tốc độ trung bình

Seri TPL của hãng ABB có tính chất linh hoạt đáp ứng yêu cầu của các động

cơ 2 kỳ và 4 kỳ Động cơ 2 kỳ với công suất từ 5000 kW tới 25000kW trên một tuabin sử dụng phương án TPL – B được giới thiệu vào năm 1999 trong khi model ban đầu là TPL – A đáp ứng yêu cầu cho động cơ 4 kỳ cung cấp công suất từ 1250

kW đến 18000 kW trên mỗi Tuabin

1.1.3.2 Tuabin tăng áp Napier

Napier là tuabin tăng áp có gốc ở Anh, hiện nay là một thành phần của nhóm Siemens, Các seri 7 và seri 8 của tuabin tăng áp Napier lắp đặt trên các động cơ Diesel 2 kỳ và 4 kỳ cao nhất tới 11000 kW trên một tuabin Tuabin tăng áp seri 7 phù hợp với các động cơ lắp 1 tuabin tăng áp công suất từ 1500 kW tới 6500 kW Các model 297 và 357 được phát triển tiếp từ các thế hệ trước đó của Công ty đạt tỉ

số tăng áp lên đến 5.0, hiệu suất chung vượt quá 70%

Seri 8 được bắt đầu phát triển bởi yêu cầu cung cấp tuabin tăng áp cho động

cơ có công suất ra tới 11000 kW Seri tuabin hướng trục đã dẫn đầu qua các model NA298 và NA358 với hiệu suất vượt quá 70% và tỉ số tăng áp đạt 5.5 giúp giảm thấp hơn suất tiêu hao nhiên liệu và tải trọng nhiệt Các chi tiết của tuabin loại này được thiết kế tăng độ bền trong khi đó không cần phải làm mát nên giảm trọng lượng toàn bộ

Hình 1.4: Mặt cắt ngang Tuabin tăng áp Napier cho động cơ trung tốc

Đối với các động cơ công suất nhỏ hơn thì sử dụng Tuabin tăng áp hướng kính, làm mát bằng khí như: Napier 047, 057 và 067 phù hợp với các động cơ công suất từ 500 kW đến 1700 kW và đạt tỉ số nén áp suất cao nhất là 5.1

Tuabin tăng áp hướng trục kết hợp máy nén ly tâm mới hơn là model Napier

457, 557 lắp đặt trên động cơ có công suất từ 4000 kW đến 10000 kW

1.1.3.3 Tuabin tăng áp MAN B&W

Hãng động cơ MAN B&W của Cộng hòa liên bang Đức cung cấp một số lượng lớn tuabin tăng áp sử dụng cho các loại động cơ 4 kỳ và 2 kỳ, hiện nay bao gồm các seri thế hệ cũ NR/R, NR/S, NA/S/T9 và các seri thế hệ mới TCR và TCA Ngoài ra MAN B&W còn phát triển thêm seri tuabin động lực PT/PTG hiện đang

sử dụng cho các hệ thống liên hợp động lực

a) Tuabin tăng áp loại NR/S

Seri tuabin tăng áp hướng kính NR/S được thiết kế cho phép điều khiển an toàn tỉ số áp suất khí tăng áp tới 4.5, mở rộng khoảng áp dụng, khả năng sử dụng nhiên liệu nặng không hạn chế và các yêu cầu bảo dưỡng được giảm xuống Sáu model NR12/S, NR14/S, NR17/S, NR24/S, NR29/S, 2NR34/S là các tuabin tăng

áp hướng trục nhỏ nhất được sử dụng rộng rãi Loại tuabin này áp dụng cho các động cơ có công suất trong khoảng 400 kW đến 4400 kW ứng với mỗi tuabin.[2]

Hình 1.5: Mặt cắt ngang Tuabin tăng áp hướng kính MAN B&W NR/S

Seri tuabin tăng áp hướng trục NA/S và NA/T9 có mục tiêu phát triển với các đặc tính là:

- Động cơ 4 kỳ trung tốc, tỉ số nén vượt qúa 4.0, hiệu suất lớn hơn 60%;

- Động cơ 2 kỳ thấp tốc, tỉ số nén vượt quá 3.6, hiệu suất đạt ít nhất 64%;

- Tỉ số áp suất đạt 4.5 đối với NA/S và 4.0 đối với NA/T9

b) Tuabin tăng áp loại TCA

Vào những năm 1999/2000 MAN B&W quyết định phát triển một thế hệ tuabin tăng áp hoàn toàn mới để thay thế seri NA và cuối cùng đã xuất xưởng seri TCA (Tuabin Charge Axial) là sự kết hợp tuabin hướng trục và máy nén ly tâm Với thiết kế nhằm thực hiện mục tiêu: Lưu lượng riêng tăng, hiệu suất cao, giảm ô nhiễm tiếng ồn, dễ dàng bảo dưỡng, lắp đặt vào động cơ, nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của tuabin tăng áp

Với các sản phẩm như TCA33, TCA44, TCA55, TCA66, TCA77, TCA88, TCA99 đã đáp ứng được yêu cầu của các động cơ 4 kỳ và 2 kỳ công suất lớn nhất Hầu hết seri này đều có 3 phiên bản:

- Phiên bản 2 kỳ: Tỉ số áp suất tới 4.2, cơ bản dùng cho động cơ 2 kỳ;

- Phiên bản 4 kỳ: Tỉ số áp suất tới 4.7, dùng cả cho 2 kỳ và 4 kỳ;

- Phiên bản áp suất cao: Tỉ số 5.2 dùng cho động cơ 4 kỳ công suất lớn Thiết kế cấu thành modul cho phép tuabin tăng áp đáp ứng các khoảng công suất rộng nhất có thể Đặc biệt ở seri này cả máy nén lẫn tuabin đều có thể điều chỉnh theo yêu cầu công suất của động cơ bằng thay đổi ống khuếch tán, ống phun với bước điều chỉnh rất mịn cho phép tuabin tăng áp được chỉnh tinh với động cơ Đây là một trong những bước pháp triển nhảy vọt, tạo ra sự thay đổi lớn một cách tối ưu nhất

c) Tuabin tăng áp loại TCR

Để phát triển thêm seri TCA, một chương trình mới của tuabin TCR loại hướng kính được cung cấp theo 6 kích cỡ từ TCR12 tới TCR22 đáp ứng phù hợp với công suất động cơ từ 390 kW đến 5000 kW với tỉ số nén tới 5.2 Thiết kế hoàn toàn mới có đặc điểm tuabin có các cánh vành phun và vỏ phần khí ra tối ưu

1.1.3.4 Tuabin tăng áp MITSUBISHI

Các thế hệ thành công nhất của tuabin tăng áp MET được giới thiệu từ năm

1965 bởi Mitsubishi có đặc tính vỏ dẫn khí vào, ra không làm mát bằng nước Yêu cầu cao hơn về tỉ số áp suất và hiệu suất cao hơn được các nhà thiết kế Nhật giới thiệu với sự phát triển của seri MET-SD, đó là cuộc cách mạng phát triển trên nền tảng seri MET-SC Các đặc tính chính đã được giữ lại nhưng các model mới đã khai thác bánh cánh máy nén hiệu suất cao hơn khi phối hợp 11 cánh liền và 11 cánh xẻ đôi bố trí xen kẽ.[2]

Hình 1.6: Tuabin tăng áp loại MET-SD Mitsubishi

Các model trong seri MET-SD đáp ứng cho yêu cầu tăng áp động cơ có khoảng công suất từ 1800 kW đến 18000 kW tại tỉ số tăng áp 3.5 Lưu lượng không khí từ model nhỏ nhất (MET33SD) tới model lớn nhất (MET83SD) tại tỉ số

áp suất đó thay đổi từ 3,5 tới 37,5 m3

- Ổ đỡ bố trí bên trong (dễ tháo lắp, bảo dưỡng);

- Ổ đỡ trượt (có tuổi thọ cao)

Với 6 model ở chương trình MET-SE/SEII từ 33SE tới 90SE, cung cấp lưu lượng khí thay đổi từ 3,1 đến 53 m3/s tại tỉ số áp suất 3.6, áp dụng rộng với động

cơ công suất trong khoảng 1300 kW tới 24000 kW mỗi tuabin

1.1.3.5 Tuabin tăng áp KBB

Công ty con của nhóm Ogepar, KBB chuyên về tuabin tăng áp của Đức (Chữ đầu của Kompressorebau Bannewitz) cung cấp các tubin tăng áp hướng kính

và hướng trục dùng cho động cơ 2 kỳ và 4 kỳ với khoảng công suất từ 300 kW đến

8000 kW Các thiết kế có đặc tính là cấu trúc liên hệ một khối, các ổ đỡ bạc trượt

bố trí bên trong, có cả 2 loại vỏ ổ đỡ có làm mát nước và không làm mát

Tuabin tăng áp seri HPR có 4 model là HPR3000, HPR4000, HPR5000, HPR6000 là loại tuabin hướng kính dùng cho động cơ công suất từ 500 kW tới

3000 kW với tỉ số tăng áp max là 5.0 và hiệu suất chung khoảng 68%

Tuabin tăng áp hướng trục seri M có 4 model là M40, M50, M60, M70 dùng cho các động cơ có công suất từ 900 kW tới 8000 kW với tỉ số tăng áp suất là 4.0

và khoảng hiệu suất chung từ 65 đến 70%.[2]

Hình 1.7: Tuabin tăng áp hướng trục seri M của KBB

1.1.3.6 Tuabin tăng áp TURBOMECA (Hispano-Suiza)

Thành viên nhóm SNECMA: Hispano-Suiza của Pháp đã liên kết với hãng hành không Allied Signal của Mỹ vào năm 1990 để phát triển seri NGT (New Generation Turbochager) dùng cho các động cơ trung và cao tốc công suất 1000

kW tới 9000 kW Vào năm 2002, SNECMA chuyển hoạt động tuabin tăng áp của mình sang thành viên nhóm khác, Turbomeca.[2]

Các model của seri NGT có thể cho hiệu suất máy nén lên tới 86% ở các vùng sử dụng, hiệu suất chung đạt 73 – 75% trên động cơ, tỉ số tăng áp đạt liên tục 4.5 đến 5.0

1.2 Phân loại, cấu tạo chung của tuabin tăng áp

1.2.1 Phân loại tuabin tăng áp

Hầu hết các tuabin tăng áp được chia thành hai loại chính dựa trên cơ sở tận dụng năng lượng khí xả từ động cơ Đó là tuabin sử dụng xung áp suất là chính (còn gọi là tuabin biến áp với đặc trưng áp suất trước tuabin thay đổi) và tuabin đẳng áp (với đặc trưng áp suất không đổi trước tuabin)

Cả hai loại trên đều có thể được chế tạo theo kiểu cho dòng khí xả vào tuabin theo hướng tâm hoặc dọc trục Bố trí dòng khí xả vào tuabin theo hướng tâm thường cho tốc độ quay nằm trong khoảng từ 25000 đến 250000 vòng/phút, đường kính bánh công tác từ 35 đến 250 mm, công suất từ 15 đến 750 kW Bố trí dòng khí xả vào tuabin theo hướng dọc trục với tốc độ quay từ vài ngàn vòng/phút tới hàng chục ngàn vòng/phút, đường kính bánh công tác từ 220 đến 1000 mm, công suất tuabin từ 150 đến 100000 kW.[2]

Ở tuabin biến áp, khí xả sau khi ra khỏi động cơ được dẫn trực tiếp tới tuabin bằng các đường ống có dung tích nhỏ tận dụng động năng của dòng khí xả

để sinh công Ngược lại trong tuabin đẳng áp, khí xả được thải vào một bình có dung tích tương đối lớn, ở đó nó được giãn nở đến một áp suất nhất định nhưng không sinh công, sau đó được đưa vào tuabin, ở đây nó được giãn nở tiếp và sinh công

Thực tế nghiên cứu thống kê cho thấy khả năng tận dụng nhiệt của tuabin biến áp lớn hơn tuabin đẳng áp nhưng hiệu suất lại thấp hơn Một trong các lý do là

áp suất thay đổi trước tuabin nên dòng chảy vào miệng phun không ổn định, gây nhiều tổn thất Trong khi đó, ở tuabin đẳng áp tại cửa vào áp suất không thay đổi, dòng khí được phân bố đều khắp các vành miệng phun, do vậy hiệu suất cao hơn Một đặc điểm nữa của tuabin biến áp là liên quan tới áp suất thay đổi trước tuabin

là chính các xung áp suất này gây nên sự tăng cường rung động cánh tuabin, đặc biệt khi số xylanh động cơ là bội số của 4

Hình 1.8: Sơ đồ bố trí tăng áp động cơ và phân bố áp suất khí xả trước tuabin

Tuabin đẳng áp tạo nhiều trở lực cho khí thoát ra từ xylanh nhưng lại có ưu điểm bố trí gọn, linh hoạt, không yêu cầu khắt khe về vị trí đặt tuabin Trong khi

đó, tuabin biến áp tuy tạo trở lực thoát khí thấp nhưng yêu cầu các xylanh nổ liên tiếp không được bố trí chung đường ống thải để tránh ảnh hưởng của hiện tượng dồn ngược khí xả giữa các xylanh trong thời kỳ trùng điệp Ngoài ra vị trí tuabin phải bố trí gần cửa thoát khí khỏi xylanh, đường xả yêu cầu càng ngắn càng tốt… điều này bất tiện cho bố trí

Tuabin biến áp thường chỉ giới hạn áp dụng trong khoảng áp suất tăng áp thấp Lý do giới hạn của tuabin biến áp là việc sử dụng năng lượng xung của dòng khí xả dường như rất kém với áp suất tăng áp của tuabin khí xả cao hơn 2,2bar Khoảng áp dụng của tuabin đẳng áp rộng hơn, áp suất tăng áp cao càng có lợi cho việc sử dụng nhiệt của tuabin đẳng áp

Một xu hướng với tăng áp lớn là sử dụng tuabin đẳng áp, tỉ số tăng áp cao nhất ở hệ thống đẳng áp dùng cho tăng áp động cơ Diesel ở tàu thủy hiện nay là 5.5 Khi chuyển từ tăng áp biến áp sang tăng áp đẳng áp cho phép tăng hiệu suất tuabin máy nén lên 8% (Theo thông tin từ hãng MAN B&W Sử dụng tuabin đẳng

áp không cần phải tăng góc mở sớm xupap xả, làm giảm công giãn nở như ở tuabin biến áp và như vậy tăng thời gian giãn nở của môi chất Chính nhờ tăng thời gian quá trình giãn nở trong xylanh cũng như tăng một ít áp suất cực đại của chu trình

mà áp suất chỉ thị của chu trình tăng lên 11% và nhờ hoàn thiện quá trình hòa trộn cũng như quá trình cháy mà suất tiêu hao nhiên liệu có ích giảm 7,5%)

1.2.2 Cấu tạo chung của tuabin tăng áp

Theo hướng của dòng khí xả vào tuabin được phân thành 2 loại có kết cấu khác nhau đó là tuabin tâm trục (dòng khí xả vào tuabin có hướng vào tâm trục quay) và tuabin hướng trục (dòng khí xả vào tuabin có hướng song song với trục)

Hình 1.9: Mặt cắt ngang tuabin tâm trục

1- Roto với trục; 2-Bánh cánh máy nén; 3-Vỏ ổ đỡ; 4-Ống lót ổ đỡ; 5-Vỏ lối khí vào; 6-Vành phun; 7-Bộ khuyếch tán lối ra; 8-Vỏ máy nén; 9-Bộ khuyếch tán; 10-Bộ giảm ồn, lọc.

Hình 1.10: Mặt cắt ngang tuabin hướng trục

1- Vỏ máy nén; 2- Vành tăng áp; 3-Nắp máy nén; 4-Bao kín đầu máy nén; 5-Vòng găng; 6-Nắp dẫn hướng; 7-Mặt tì của vòng găng; 8-Trục quay; 9- Bánh dẫn hướng; 10- Đệm điều chỉnh; 11- Ống lót máy nén; 12-Bánh công tác máy nén; 13-Ổ đỡ; 14-Giá ổ đỡ đầu máy nén; 15-Tấm ngăn chuyển dịch dọc trục; 16-Ổ đỡ chống đầy; 17-Ống vẩy dầu; 18-Ổ chống đẩy; 19- Ổ đỡ; 20-Giá

đỡ ổ đầu Tuabin;21- Vỏ giữa; 22-Cánh Tuabin; 23- Vòng bao kín khí; 24-Vành trong của miệng phun; 25-Vòng ngăn dầu; 26-Bánh công tác; 27- Cánh miệng phun; 28- Vành ngoài của miệng

phun; 29,30- Chân; 31- Vỏ đưa khí vào

Cấu tạo Tuabin hướng trục gồm các bộ phận chính sau: Vỏ cửa vào, vỏ cửa

ra, vành miệng phun, bánh công tác, trục quay…

1.2.2.1 Vỏ cửa vào

Vỏ cửa vào dùng để dẫn hướng sản vật cháy từ hệ thống ống xả vào miệng phun và bánh công tác Để giảm tổn thất lưu động cho dòng khí thì tiết diện ngang của đường thông được thay đổi từ từ theo một quy luật nhất định, mặt trong vỏ cửa vào phải đảm bảo độ nhẵn, bóng, sạch Theo chiều của dòng khí đi vào vỏ thì phân thành: vỏ hướng trục, vỏ tiếp tuyến, vỏ hướng kính Dựa vào yêu cầu của hệ thống tăng áp xung hay đẳng áp có vỏ 1 của và vỏ nhiều cửa Vỏ cửa vào có loại được làm mát có loại không làm mát.[3]

1.2.2.3 Vành miệng phun (ống phun)

Gồm các cánh lắp giữa vành trong và vành ngoài, tạo nên các ống phun hướng dòng phù hợp với cánh bánh công tác

Yêu cầu về bề mặt các cánh hướng và các vành phải sạch, nhẵn, bóng Góc lắp đặt và tiết diện lưu thông tại cửa ra của ống phun có yêu cầu khắt khe Cấu tạo các vành miệng phun có 2 loại: kết cấu liền và kết cấu lắp Đối với kết cấu liền: các cánh, vành trong và vành ngoài được làm thành một khối liền bằng công nghệ đúc hoặc hàn, loại này chế tạo đơn giản nhưng cố định và không thể điều chỉnh tiết diện cửa ra, mặt khác khi hỏng cánh hướng thì không thể thay thế Đối với kết cấu lắp: các cánh, vành trong và vành ngoài được chế tạo rời nhau rồi lắp ráp với nhau bằng chốt hoặc tán thành các ống phun hoàn chỉnh Kết cấu lắp có thể thay đổi tiết diện cửa ra ống phun trong phạm vi nào đó và có thể thay thế cánh hướng bị hỏng, tuy nhiên công nghệ chế tạo phức tạp hơn kết cấu liền.[3]

1.2.2.4 Bánh cánh công tác

Bánh công tác có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng của dòng khí xả thành công suất trên trục tuabin, cho nên hiệu suất chuyển đổi năng lượng phụ thuộc nhiều vào biên dạng cánh của cánh bánh công tác

Bánh cánh công tác có kết cấu liền hoặc kết cấu lắp Kết cấu liền được chế tạo bằng công nghệ đúc hoặc hàn cứng, kết cấu lắp thì được chế tạo cánh rời sau

đó ghép mộng vào may ơ cánh tạo thành bánh cánh công tác Kết cấu liền thường nhạy cảm với ứng suất nhiệt nên yêu cầu vật liệu phải cao hơn Tiết diện ngang cánh thường thay đổi theo chiều cao, có trường hợp dùng cánh vặn, xoắn Mộng trên chân cánh để lắp thường có hình cây thông, hình đuôi én, hình trụ tròn Hiện này sử dụng nhiều loại mộng hình cây thông vì nó có sự phân bố đều ứng suất, vật liệu hợp lý, khối lượng nhẹ, ngoài ra khe hở lắp ghép có thể bù trừ do giãn nở nhiệt Tuy nhiên dòi hỏi độ chính xác gia công cao và ứng suất tập trung tại các góc nhiều.[3]

Phần may ơ bánh cánh được chế tạo liền bằng phương pháp rèn sau đó gia công

1.2.2.5 Trục quay

Mối ghép giữa trục quay và may ơ cánh cũng có 2 loại: loại liền hoặc ghép Loại liền có thể được chế tạo bằng công nghệ hàn hoặc đúc liền, loại ghép thường được chế tạo bằng mối ghép then hoa.[3]

1.2.3 Ƣu, nhƣợc điểm cụm Tuabin tăng áp

*) Ưu điểm:

Theo lý thuyết, để tăng công suất động cơ sử dụng các biện pháp:

- Thay đổi tính chất của nhiên liệu sử dụng Đối với nhiên liệu hydrocacbon

có nguồn gốc từ dầu mỏ thì sự thay đổi là không đáng kể

- Tăng số xylanh và tăng đường kính xylanh động cơ Đây là phương pháp làm tăng kết cấu động cơ, gây ra sự cồng kềnh, tăng giá thành chế tạo, giảm độ tin cậy, tăng khối lượng bảo dưỡng Hơn nữa, việc tăng số xylanh và kích thước động

cơ hiện nay đã đạt giới hạn trên và xu hướng là phải giảm các thông số này

- Tăng hành trình piston Nếu tăng hành trình piston quá nhiều làm cho tốc

độ trung bình tăng cao và để giữ tốc độ trung bình giảm quán tính piston thì phải giảm vòng quay xuống

- Giảm số kỳ động cơ Sử dụng động cơ 2 kỳ cho công suất lớn hơn động cơ

4 kỳ

- Tăng vòng quay trục khuỷu Việc này làm giảm thời gian cho mỗi chu trình công tác, hệ số nạp giảm, mặt khác tốc độ trung bình các chi tiết tăng lên, tăng ma sát, nhiệt độ, độ ồn, rung động, quá trình phục vụ yêu cầu cao, phải sử dụng hộp giảm tốc

So với các phương pháp trên thì việc sử dụng tăng áp bằng tuabin khí xả là một bước phát triển nhảy vọt và là phương pháp dùng phổ biến nhất hiện nay, khi

đó lượng không khí nạp vào xylanh động cơ tăng lên nhờ nén không khí trước máy nén và làm mát trong bầu làm mát Do vậy trong một chu trình lượng nhiên liệu đốt cháy được nhiều hơn Tăng áp làm tăng công suất động cơ khi hiệu suất chỉ thị không đổi, khối lượng, kích thước động cơ tăng không nhiều

Với động cơ Diesel, tăng áp là biện pháp cường hóa Pe (áp suất có ích trung bình của động cơ tăng áp) tốt nhất Đặc biệt trong thời gian gần đây, kỹ thuật chế tạo tuabin và máy nén phát triển tiến bộ rất nhanh nên phạm vi sử dụng tuabin ngày một mở rộng, áp suất tăng áp pk ngày một tăng cao làm cho không những tính năng động lực học của động cơ tốt hơn động cơ không tăng áp mà còn giảm được suất tiêu hao nhiên liệu

Tuy nhiên càng nâng cao mức độ tăng áp, động cơ Diesel được cường hóa càng nhanh về Pe sẽ làm tăng phụ tải cơ khí cũng như phụ tải nhiệt lên các chi tiết của động cơ, do đó phải đặt ra những yêu cầu khắt khe khi chế tạo các chi tiết của nhóm Piston, các loại bạc trục, xupap, nắp xylanh…., ngoài ra cũng đòi hỏi tạo ra

hệ thống nhiên liệu mới với quy luật cung cấp nhiên liệu khắt khe hơn, vòi phun có

áp suất phun cao hơn và hệ thống tăng áp tuabin khí xả hoàn hảo hơn

*) Nhược điểm:

Hạn chế cơ bản của khả năng tăng áp cho động cơ Diesel là sự tăng ứng suất

cơ và ứng suất nhiệt được thể hiện qua áp suất, nhiệt độ của chu trình công tác của động cơ

- Áp suất của chu trình: Trong động cơ Diesel, do tăng áp nên áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén tăng làm rút ngắn thời gian cháy trễ, áp suất cực đại của quá trình cháy tăng và tăng không cùng tỉ lệ với sự tăng của áp suất nén Tuy nhiên

để giải quyết vấn đề người ta có thể giảm tỉ số nén của động cơ xuống mức có thể khởi động khi động cơ lạnh được

- Nhiệt độ của chu trình: Các nghiên cứu cho thấy nếu áp suất chỉ thị trung bình Pe tăng gấp đôi thì dòng nhiệt truyền qua vách xilanh (cho dầu và nước) chỉ tăng khoảng 60% Như vậy 40% lượng nhiệt còn lại sẽ làm cho các chi tiết của động cơ nóng lên nếu nhiệt độ khí xả của động cơ không đổi Điều này dẫn tới nhiệt độ của các chi tiết của động cơ tăng lên

- Sự hình thành hỗn hợp: Trong động cơ sử dụng tăng áp khí xả, để tăng công suất, tận dụng tốt khối lượng không khí được nạp vào xilanh động cơ người

ta nghiên cứu tăng thêm lượng nhiên liệu cung cấp vào chu trình Có 2 giải pháp để tăng lượng nhiên liệu cấp vào chu trình: hoặc tăng áp suất phun nhiên liệu hoặc kéo dài thời gian phun nhiên liệu Nếu tăng áp suất phun sẽ làm tăng tải trọng tác dụng lên các chi tiết hệ thống cung cấp nhiên liệu cho xilanh động cơ vốn đã làm việc trong trạng thái tải trọng cao nay lại phải làm việc nặng nhọc hơn, nên làm giảm đáng kể tuổi thọ của các chi tiết trong hệ thống Chính vì vậy, xu hướng được

ưu tiên hơn cả là kéo dài thời gian phun nhiên liệu

Bên cạnh đó, khi áp suất không khí trong buồng đốt tăng lên sẽ làm giảm không gian vật lý cho quá trình bay hơi nên nhiên liệu khó bay hơi hơn dẫn đến việc hình thành hỗn hợp trong xilanh của động cơ tăng áp trở nên phức tạp hơn Chính vì thế phải nghiên cứu tận dụng triệt để xoáy lốc thông qua pha phối khí, kết cấu đỉnh Piston động cơ…để quá trình hòa trộn hỗn hợp và cháy được diễn ra tốt

1.3 Thực tiễn sử dụng TBMN tăng áp động cơ

Với động cơ Diesel có dải công suất nhỏ, tốc độ cao thường sử dụng tuabin tâm trục vì có ưu điểm nhỏ gọn, vòng quay lớn, nhạy cảm với việc thay đổi tốc độ Với động cơ công suất vừa và lớn thường sử dụng tuabin hướng trục vì ưu điểm cho hiệu suất lớn hơn so với tuabin hướng kính Với mục đích nghiên cứu về hướng cải tiến các dòng tuabin tăng áp cho động cơ Diesel dang được khai thác sử dụng khoảng sau 10 năm trong thực tế, cho nên nội dung của đề tài đề cập sâu đến dòng tuabin tăng áp hướng trục, đặc biệt đối với Diesel lắp trên tàu thủy công suất vừa và lớn

Sau một thời gian khai thác, tình trạng kỹ thuật động cơ giảm sút, các chi tiết chuyển động bị mài mòn, khe hở làm việc lớn hơn, muội bẩn và cáu cặn bám lên các bề mặt trao đổi nhiệt, công suất động cơ giảm xuống, nhiệt độ tăng lên tạo ứng suất lên các chi tiết, áp suất khoang quét không thể tăng được tới mức bình thường, không còn có thể hoạt động ở chế độ toàn tải nữa… các thông số công tác của động cơ giảm xuống

Sự phối hợp hoạt động giữa động cơ và tổ hợp tuabin máy nén tăng áp giảm xuống, thông số đầu vào của dòng khí xả trước khi vào tuabin thay đổi cụ thể là, năng lượng khí xả giảm xuống, nhiệt độ khí xả tăng cao, áp suất giảm, động năng giảm Đặc biệt với cụm tuabin tăng áp biến áp, năng lượng xung của dòng khí giảm, chảy rối nhiều khi muội bẩn bám lên vách xupap và các đường ống xả Mặt khác bên trong cụm tuabin muội bẩn bám nhiều lên các chi tiết ống phun, cánh công tác, buồng xoáy trôn ốc, trục tuabin…thêm vào đó là chế độ làm mát, bôi trơn các chi tiết không đảm bảo, ổ trục mài mòn, rơ, rung lắc…làm cho quá trình động học dòng khí không đảm bảo, mô men quán tính tuabin tăng lên, sức ì vốn có tuabin tăng thêm, các khe hở tăng lên làm tổn thất nhiệt lượng nhiều lên, công suất tuabin giảm xuống, giảm áp suất tăng áp khí nạp, giảm lượng khí nạp vào động cơ, giảm hệ số dư lượng không khí, giảm công suất động cơ, trong khi đó suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên dẫn đến quá trình hòa trộn hỗn hợp và cháy kém, khói đen nhiều, công suất giảm

Sau thời gian hoạt động theo quy định động cơ được bảo dưỡng, sửa chữa theo chế độ định kỳ, thay thế các chi tiết mòn hỏng quá giới hạn cho phép

Đối với cụm tuabin tăng áp khí xả thường xuyên làm việc ở môi trường rất khắc nghiệt cho nên các chi tiết cấu tạo luôn phải đảm bảo yêu cầu cao về vật liệu, gia công chế tạo nên giá thành rất đắt, hơn nữa việc chế tạo các chi tiết nhỏ lẻ cụm tuabin không phổ biến mà thường là chế tạo thành bộ tuabin để thay thế khi các chi tiết mòn hỏng quá giới hạn Các thế hệ tuabin cũ rất khó để tìm phụ tùng thay thế, nếu có thì rất đắt Giá thành cho một cụm tuabin là rất đắt, việc thay thế nguyên cụm tuabin tăng áp là rất khó khăn, mặt khác để có một cụm tăng áp thay thế thời gian đặt hàng là rất lâu

Chính vì thế yêu cầu đặt ra là làm thế nào để cải thiện chế độ công tác của tuabin để nâng cao hiệu suất công tác phù hợp với công suất động cơ sau một thời gian khai thác và đảm bảo các nhu cầu khắt khe đặt ra về mặt kinh tế trong giai đoạn hiện nay là:

- Nhu cầu cần giảm chi phí nhiên liệu trong tương lai khi nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt;

- Yêu cầu giảm lượng khí thải động cơ ảnh hưởng ô nhiễm môi trường không khí, đây là yêu cầu đang được đặt ra hết sức khắt khe, khi động cơ hoạt động ở những chế độ thay đổi tải như khởi động, tăng tốc, tăng tải,…;

- Nhu cầu cần tăng độ an toàn hoạt động của động cơ cho một giai đoạn hoạt động kéo dài, vùng hoạt động rộng với chế độ tải thay đổi thường xuyên, đặc biệt khi tàu hoạt động trong điều kiện sóng gió;

- Đặc tính động cơ yêu cầu tối ưu đối với hoạt động ở chế độ nhỏ tải hoặc hoạt động ra vào cảng đối với tàu thuyền và các hoạt động khác;

- Để có thể tăng công suất cho thế hệ động cơ cũ đang sử dụng và thời gian

sử dụng còn có thể kéo dài hơn

1.4 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Các công trình ngoài nước

Cường hóa động cơ bằng tăng áp là một trong những hướng chính của các nhà chế tạo động cơ trên thế giới Do tính ưu việt của nó so với động cơ không tăng áp như: nâng cao công suất riêng (theo thể tích, theo tổng trọng lượng của các phương tiện cơ động), giảm ô nhiểm môi trường, nâng cao tính kinh tế

Trong những năm gần đây có thể kể ra một số thành tựu về tăng áp cho động

cơ đốt trong như của hãng Toyota và Ford cụ thể, hãng Toyota công bố mẫu động

cơ mới có dung tích động cơ 1.2 lít cho hiệu suất tương đương động cơ 1.6 lít tiêu chuẩn mang tên mã 8NR-FTS Động cơ này sẽ xuất hiện trên phiên bản xe Toyota Auris, Toyota cho biết động cơ này cho công suất khoảng 114 mã lực tại dải tốc độ vòng quay 5200 [vg/ph] đến 5800 [vg/ph] và mô men xoắn cực đại đạt 185 [N.m] được duy trì không đổi từ 1500 [v/ph] đến 4000 [v/ph] Động cơ này sử dụng hệ thống phân phối khí biến thiên VVT với chu trình Atkinson, mức tiêu thụ nhiên liệu khoảng 4,7 lít/100km; hãng ô tô Ford của Mỹ đã nghiên cứu cải tiến tăng áp cao cho dòng động cơ xăng và đưa ra thị trường động cơ Ecoboost 3 xylanh với dung tích 1.0 lít cho công suất tương đương động cơ 1.6 lít; công suất cực đại đạt

92 [kW] tại tốc độ vòng quay 6000 [v/ph] và mức tiêu thụ nhiên liệu khoảng 5,3 lít/100km Bên cạnh đó, các hãng sản xuất đã sử dụng biện pháp cải thiện tính năng gia tốc của động cơ tăng áp bằng tuabin khí xả được cải thiện bằng giải pháp

sử dụng kết cấu van xả hoặc thay đổi hình dạng hình học của tuabin (VGT hay VNT).[4]

Như vậy có thể nói rằng, các hãng chế tạo động cơ đã tập trung nghiên cứu biện pháp tăng áp cao cho động cơ nhằm giảm kích thước, tăng công suất, cải thiện các chỉ tiêu kinh tế năng lượng và phát thải Khi thiết kế, chế tạo động cơ mới, vấn

đề tăng áp đã được các nhà sản xuất tính toán phù hợp ngay từ ban đầu

1.4.2 Các công trình trong nước

Trong nước, vấn đề nghiên cứu cải tiến các quá trình hoạt động của động cơ Diesel nói chung cũng rất được quan tâm và tập trung nghiên cứu ứng dụng

Liên quan đến vấn đề cải thiện chế độ công tác nâng cao hiệu quả hoạt động của của TBMN tăng áp động cơ có thể kể đến một số công trình sau:

- PGS.TS Lê Văn Điểm, TS Vũ Văn Duy, ThS Nguyễn Chí Công, KS

Nguyễn Văn Thịnh (2016).Tính toán mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tuabin tăng áp Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

- TS Nguyễn Hồng Phúc (2006) Xác định quan hệ các thông số trên đặc tính máy nén gió tăng áp bằng thực nghiệm Tạp chí GTVT Số 7/2006 Trường Đại

học Hàng hải Việt Nam

- TS Nguyễn Văn Tuấn, ThS Nguyễn Hùng Vượng, KS Vũ Đức Hưng

(2010) Ho máy nén động cơ Diesel tăng áp và biện pháp xử lý Tạp chí khoa học

công nghệ hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

- TS Vũ Ngọc Khiêm (2008) Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống tự động

bổ sung khí cho động cơ Diesel tăng áp bằng tuabin khí xả Trường Cao Đẳng

GTVT, Bộ GTVT Hà Nội 2008

1.5 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu là: Tuabin khí xả dạng hướng trục đã qua sử dụng từ

10 năm trở lên, lúc này công suất khai thác động cơ Diesel trong khoảng 65% đến 85% công suất định mức

Mục tiêu nghiên cứu: Cải thiện hiệu quả hoạt động của cụm tuabin khí xả bằng cách thay đổi góc đặt cánh hướng của ống phun

Để cải thiện tình trạng kỹ thuật và đáp ứng các yêu cầu trên về cụm tuabin tăng áp khi làm việc với động cơ, loại trừ khả năng can thiệp thay thế vật liệu chế

tạo, tác giả đề ra hướng nghiên cứu đó là: “Nghiên cứu cải thiện chế độ công tác

tổ hợp tuabin tăng áp khí xả bằng phương pháp thay đổi biên dạng ống phun”

Để giải quyết hướng nghiên cứu này, nội dung luận văn sẽ tập trung giải quyết một

số vấn đề sau:

- Cơ sở lý thuyết đánh giá ảnh hưởng của biên dạng ống phun tới chế độ công tác của tổ hợp tuabin tăng áp khí xả

- Tính toán mô phỏng cho cụm tuabin hướng trục VTR160 để đánh giá ảnh hưởng biên dạng ống phun tới chế độ công tác, từ đó đưa ra góc đặt cánh hướng tối ưu phù hợp với công suất khai thác của động cơ là 65%,75% và 85% công suất định mức

Kết luận

Như vậy, trong chương I đã nêu được tổng quan về vấn đề sử dụng tổ hợp tuabin – máy nén tăng áp khí nạp trong động cơ Diesel hiện nay, các công trình nghiên cứu liên quan đến nâng cao hiệu quả làm việc của tuabin khí xả từ đó chỉ

ra được phương hướng và vấn đề cốt lõi cần phân tích nghiên cứu của luận văn trong các phần tiếp theo Phân tích cơ sở lý thuyết ảnh hưởng của biên dạng phần dẫn dòng và góc đặt cánh hướng tới hiệu quả làm việc tuabin tăng áp sẽ được trình bày trong chương II

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TĂNG ÁP BẰNG THAY ĐỔI BIÊN DẠNG ỐNG PHUN

Trong chương II trình bày lý thuyết chung về cụm tuabin máy nén tăng áp cho động cơ Diesel, từ đó phân tích ảnh hưởng của biên dạng ống phun (Góc đặt cánh hướng) tới hiệu quả làm việc của tuabin từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của cụm tuabin máy nén tăng áp

2.1 Cơ sở lý thuyết tổ hợp tuabin - máy nén tăng áp khí nạp

2.1.1 Quá trình công tác của máy nén

Máy nén dùng để tăng áp cho động cơ Diesel có nhiều loại như: Máy nén piston, máy nén roto, máy nén ly tâm, máy nén trục Tuy nhiên máy nén dùng trong cụm tuabin máy nén tăng áp cho động cơ Diesel thường là máy nén ly tâm nên trong phần lý thuyết này chỉ nghiên cứu máy nén ly tâm 1 cấp

2.1.1.1 Nguyên lý làm việc

Sơ đồ nguyên lý làm việc và cấu tạo của máy nén ly tâm 1 cấp nén được thể

hiện trên hình 2.1 Không khí được dẫn vào theo ống dẫn A; cánh hướng B; bánh

cánh công tác C; ống giảm tốc không cánh (khe hở) G; ống giảm tốc có cánh D; vỏ máy nén (biên dạng xoắn ốc) E có tác dụng giảm tốc và tăng áp dòng không khí (do tốc độ dòng không khí nhỏ hơn tốc độ âm thanh nên ống giảm tốc và tăng áp

có tiết diện lớn dần) Hình 2.2 biểu diễn sự thay đổi thông số trạng thái của dòng

không khí trong máy nén Không khí qua bộ lọc vào máy nén (tiết diện 0-0) có các

thông số trạng thái là C 0 , P 0 , T’ 0 Trước cánh hướng cong (tiết diện 1-1) tốc độ

dòng khí tăng lên C 1 , áp suất và nhiệt độ giảm xuống P 1 , T 1 Biên dạng của cánh hướng cong hướng dòng không khí nạp vào bánh cánh công tác và chia đều dòng không khí vào các rãnh của bánh cánh công tác Trong các rãnh cánh công tác do tác dụng khí động học của dòng không khí mà năng lượng cơ học do trục bánh cánh dẫn tới được chuyển thành động năng và thế năng dòng khí Bánh cánh công tác máy nén ly tâm chủ yếu sử dụng dạng cánh hở Các cánh có dạng rãnh co thắt, nên đảm bảo biến năng lượng cơ học thành cột áp Kết quả là tại (tiết diện 2-2)

tốc độ tuyệt đối, áp suất và nhiệt độ dòng tăng đến giá trị C 2 , P 2 , T 2 Ra khỏi bánh cánh công tác không khí đi vào vành khe hở hướng kính G, sau đó đi vào ống giảm tốc có cánh D Trong các ống giảm tốc do tiết diện rãnh loe rộng nên tốc độ giảm

đến C 3 còn áp suất, nhiệt độ tăng đến P 3 , T 3 (tiết diện 3-3) Trong phần ống giảm tốc có cánh D, quá trình biến đổi động năng của dòng không khí thành áp suất diễn

ra mạnh hơn, do trong đó dòng không khí chuyển động có hướng hơn so với loại ống giảm tốc không có cánh Ra khỏi ống giảm tốc, dòng không khí được nạp vào

ống tăng áp dạng vỏ xoắn ốc Ra khỏi vỏ xoắn ốc của máy nén, dòng không khí có

thông số C k , P k , T k (tiết diện k-k) [5]

Hình 2.1: Sơ đồ kết cấu máy nén ly tâm

D v - đường kính vào; D 0 - đường kính êcu hãm thoát dòng; D 1 - đường kính cánh hướng;

D 2 - đường kính ngoài bánh cánh công tác; D 3 - đường kính ngoài ống khuếch tán

Hình 2.2: Sự thay đổi các thông số dòng khí trong máy nén

tại các tiết diện đặc trưng

2.1.1.2 Các thông số công tác đặc trƣng của máy nén ly tâm

a) Lưu lượng không khí qua máy nén

Lưu lượng không khí qua máy nén (kg/s) xác định lượng không khí cần thiết

để đốt cháy nhiên liệu trong xilanh động cơ và được tính theo công thức sau:

a e e s

k

N g L

3600

. 0

trong đó:

- µ s – Khối lượng 1 kmol không khí (µ s = 28,95 kg/kmol);

- α – Hệ số dư lượng không khí;

- L 0 – Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1 kg nhiên liệu, kmol/kg;

- g e – Suất tiêu hao nhiên liệu có ích, kg/(kW.h);

- N e – Công suất của các xylanh nối với tuabin, kW;

- φ a – Hệ số dư lượng không khí quét

Lưu lượng không khí có thể xác định thông qua thể tích làm việc của các xylanh động cơ, được tính theo công thức sau:

a n

s s k

z i n V

60

.

trong đó:

- V s – Thể tích làm việc của xy lanh;

- ρ s – Khối lượng riêng không khí trước xylanh, kg/m3;

- η n – Hệ số nạp;

- i – Số xylanh nối với 1 tuabin máy nén; z – Hệ số thì động cơ;

- φ a – Hệ số dư lượng không khí quét

c) Hiệu suất đoạn nhiệt

Hiệu suất đoạn nhiệt của máy nén η dk là tỉ số giữa công nén không khí đoạn nhiệt với công kỹ thuật thực tế tác động lên dòng không khí:

ck

dk dk

- l dk – Công nén đoạn nhiệt, kJ/kg;

- l ck – Công nén thực tế tác động lên dòng không khí, kJ/kg

Như vậy hiệu suất máy nén đặc trưng bởi mức độ sử dụng công do tuabin dẫn tới

Theo nhiệt động học, công nén đoạn nhiệt được tính:

 

 1  1 , 005    1 

1

/ 1 '

0 /

1 '



k k

k k

2 0

2 '

0

C C T

T C

).(T T0'C

trong đó:

T dk – Nhiệt độ không khí ở cửa ra máy nén khi nén đoạn nhiệt, K

Bỏ qua hiệu số động năng của dòng khí tại cửa ra và cửa vào máy nén trong công thức (2.6) thì có thể viết:

' 0

' 0

T T

T T



1 1

' 0

/ 1 '

Trong thực tế quá trình nén không khí có tổn thất do làm mát, ma sát và xoáy nên quá trình nén thực tế là quá trình đa biến Quá trình thực tế tiêu tốn công nhiều hơn công nén đoạn nhiệt và được đánh giá bằng hiệu suất nén đoạn nhiệt, nó phụ thuộc vào đường kính bánh cánh máy nén và loại ống khuếch tán và được tính

theo công thức (2.8) Đối với máy nén có ống khuếch tán kiểu cánh thì η dk = 0,75 ÷

0,78 Đường kính bánh cánh máy nén càng lớn thì hiệu suất nén đoạn nhiệt càng lớn

Công suất máy nén tiêu thụ, kW:

dk

dk k k

l G N

trong đó:

N i – Công chỉ thị của các xylanh động cơ nối với một TBMN, kW

Đối với TBMN của động cơ Diesel tàu thủy: σ = 0,12 ÷ 0,2

2.1.1.3 Quá trình lưu động của dòng khí trong máy nén ly tâm

a) Lưu động của dòng khí trong bánh cánh công tác

Bánh cánh công tác cung cấp năng lượng nén để nén không khí Với biên dạng rãnh cánh hướng kính, khi bánh quay dưới tác dụng của lực li tâm, không khí theo rãnh bị nén ra vùng mép cánh Tại cửa vào, áp suất không khí giảm xuống, không khí ngoài môi trường có áp suất cao hơn được nạp vào các rãnh bánh cánh Ống hút tại cửa vào có tác dụng hướng dòng khí vào bánh cánh với tổn thất nhỏ nhất, tạo cho dòng khí được đổi hướng lưu động trước khi vào bánh cánh, tại ống hút bố trí thiết bị cố định để hướng dòng khí vào bánh cánh và làm giảm tốc độ

tương đối W 1

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý máy nén li tâm

1- Ống nạp; 2- Cánh hướng vào; 3- Bánh cánh công tác; 4- Ống khuếch tán

không cánh (khe hở); 5- Ống khuếch tán có cánh

U 1 , C 1 , W 1 – Tốc độ vòng, tốc độ tuyệt đối, tốc độ tương đối của không khí tại

cửa vào bánh cánh

Mép vào của cánh công tác phải trùng hướng với dòng không khí và hơi cong lại theo hướng quay gọi là thiết bị hướng quay Thông thường thiết bị này cong theo cung tròn và bán kính không nhỏ quá để giảm tổn thất do thay đổi tiết diện đột ngột, tốc độ dòng không khí qua đây giảm rõ rệt Phần còn lại, phía ra của bánh công tác có profin sao cho tổn thất tốc độ tương đối là nhỏ nhất nên tổn thất thủy lực là không lớn

Tổn thất trong cánh hướng được xác định theo công thức:

Hình 2.4:Sự thay đổi tốc độ tương đối W, áp suất P

theo chiều cao (a) và chiều rộng rãnh (b) của cánh động

Hình 2.5:Sơ đồ tốc độ tương đối W của dòng chảy trong rãnh cánh

a) b) c) – Dòng chuyển động trong rãnh cánh không quay, rãnh cánh kín, rãnh

cánh quay; ω tk – vận tốc góc của bánh cánh

Hình 2.6:Tam giác tốc độ dòng khí ra khỏi bánh cánh máy nén

U 2 – Tốc độ vòng tại đường kính ngoài, W 2 – Tốc độ tương đối,

µ c – Hệ số giảm năng lượng truyền, µ c = 0,88 ÷ 0,92 Giá trị của nó phụ

thuộc vào số cánh của bánh cánh và chiều dài cánh Hệ số µ c được tính theo công thức thực nghiệm

Khi tỉ số C 2r /U 2 nhỏ, hay số cánh không đủ thì ngay cả chế độ làm việc ổn định bên trong rãnh cánh cũng xuất hiện dòng ngược do tốc độ xoáy tuần hoàn lớn hơn tốc độ hướng kính Tổn thất động lực tăng đột ngột

Theo phương trình Ơle về mô men động lượng, công tiêu hao để quay bánh cánh được tính theo công thức:

2

2 .U C

2 2

l

lk  u  ms  c  ms (2.18)

b) Lưu động của dòng khí trong vành tăng áp

Không khí từ bánh công tác có động năng cao được nạp vào ống giảm tốc,

do tăng tiết diện lưu động nên tốc độ dòng khí giảm và áp suất tăng lên, động năng dòng biến thành thế năng áp suất Trong máy nén ly tâm thường có dạng ống tăng

áp không cánh (khe hở) và ống giảm tốc có cánh

Trong ống tăng áp không cánh, khi không có tổn thất ma sát, mô men của lực ngoài tác động lên không khí bằng 0 Mô men động lượng của trục quay tương đối không đổi nên thành phần tốc độ tiếp tuyến không đổi theo quy luật tuần hoàn

const r

C r

C r

Cu  2u. 2  3u. 3  , (2.19)

trong đó:

C u – Thành phần tốc độ tiếp tuyến của không khí tại bán kính r

Thành phần tốc độ hướng kính C r tại bán kính r trong ống tăng áp không

cánh được tính theo công thức:

const C

b r C

b r

Glk  2  2. 2. 2r 2  2  3. 3. 3r 3  , (2.20)

trong đó:

- b 2 , b 3 – Chiều rộng rãnh ống tăng áp tại bán kính tương ứng;

- ρ 2 , ρ 3 – Khối lượng riêng không khí trong ống tăng áp tại bán kính tương ứng

Nếu coi ống giảm tốc là song song (b 2 = b 3 = b = const) và không khí không nén được (ρ 2 = ρ 3 = ρ= const) thì từ (2.19) và (2.20) tìm được:

const C

C C

C C

C tg

2 2

Hình 2.7:Sơ đồ chuyển động của dòng khí lý tưởng không chịu nén trong ống tăng

áp không cánh

Sau khi ra khỏi ống tăng áp, không khí được vào vỏ xoắn ốc và vào đường ống nạp, tốc độ dòng khí tiếp tục giảm trong vỏ xoắn ốc và áp suất tăng lên cho nên vỏ xoắn ôc có tác dụng giống ống tăng áp không cánh

2.1.2 Quá trình công tác của tuabin khí xả

“Tuabin khí xả dùng để tăng áp động cơ Diesel là loại thiết bị biến đổi nội năng và thế năng của khí xả thành cơ năng Quá trình biến đổi này được thực hiện nhờ có sự tác động tương hỗ giữa dòng khí xả và cánh tuabin”.[5]

Tổ hợp ống phun cố định và bánh cánh động gọi là cấp tuabin Dãy cánh công tác bố trí liên tiếp nhau theo vòng tròn tạo nên bánh cánh công tác của tuabin Tuabin sử dụng để tăng áp cho động cơ Diesel thường là tuabin hướng trục hoặc tuabin tâm trục Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu này, tập trung nghiên cứu về

tuabin hướng trục Sơ đồ nguyên lý hoạt động của tuabin hướng trục như hình 2.8

Hình 2.8:Sơ đồ nguyên lý hoạt động và sự thay đổi các thông số của dòng khí

trong ống phun, bánh cánh công tác và tam giác tốc độ tại cửa vào và cửa ra bánh

công tác của tuabin hướng trục a) Tuabin xung kích; b) Tuabin phản kích P- Áp suất; i- Enthalpi; u-Tốc độ vòng; W,C-Tốc độ tương đối, tuyệt đối; α,β-Góc

nghiêng của W, C khi ra khỏi ống phun và cánh công tác

2.1.2.1 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của tuabin được thể hiện trên hình 2.8

Trước khi vào tuabin, sản vật cháy có áp suất P 0 , nhiệt độ T 0 và tốc độ C 0 đi vào vành miệng phun Vành miệng phun là những ống phun có tiết diện nhỏ dần từ cửa vào đến cửa ra, được tạo thành bởi các cánh hướng xếp cách đều quanh trục tuabin do đó sản vật cháy khi qua đây được giãn nở và tăng tốc Một phần áp năng của sản vật cháy chuyển thành động năng Ra khỏi miệng phun, dòng khí có hướng

α 1 (α 1 ≈ 16÷250), áp suất sản vật cháy từ P 0 giảm xuống P 1 , nhiệt độ từ T 0 giảm

xuống T 1 , tốc độ dòng khí từ C 0 tăng lên C 1 Dòng khí tiếp tục đi vào bánh công tác

đạng quay với tốc độ U 1 , do ảnh hưởng của tốc độ theo U, lúc này dòng khí đi vào rãnh bánh công tác với tốc độ tương đối so với rãnh là W 1 và có hướng β 1 Tại đây sản vật cháy tiếp tục giãn nở trong rãnh cánh do cánh bánh công tác có biên dạng cong, giữa các cánh tạo thành rãnh thông có tiết diện nhỏ dần làm cho áp suất và nhiệt độ tiếp tục giảm, chuyển động của dòng khí từ hướng trục bắt buộc phải chuyển hướng theo biên dạng cong của cánh tạo thành lực ly tâm làm tăng lực tác dụng trên mặt lõm của cánh, còn trên mặt lồi của cánh lực này giảm tạo nên sự

chênh áp suất giữa 2 mặt cánh của bánh cánh công tác, thành phần lực P u tạo thành mômen làm quay trục tuabin và sinh công Ra khỏi bánh công tác sản vật cháy có

áp suất P 2 , nhiệt độ T 2 , tốc độ tuyệt đối C 2 của dòng khí đều giảm, tốc độ tương đối

W 2 tăng hơn W 1 chút ít do giản nở tiếp tục trong cánh động C 2 nhỏ hơn C 1 nhiều

do một phần động năng của dòng khí chuyển thành công Động năng C 2 của dòng khí được xả ra ngoài gọi là tổn thất tốc độ dư

Công sinh ra trên bánh công tác từ động năng của dòng khí thải tạo thành

mô men được truyền trên trục làm quay bánh công tác của máy nén ly tâm, nén không khí tạo áp suất cao nạp vào xylanh động cơ

2.1.2.2 Sự biến đổi năng lƣợng dòng khí xả trong tuabin

Khí có áp suất, nhiệt độ cao (có thế năng cao) khi lưu động, giãn nở qua ống phun, áp suất và nhiệt độ sẽ giảm xuống, tốc độ dòng khí tăng lên (động năng của dòng lớn) đi vào bánh cánh công tác Tại đây, dòng khí tiếp tục giãn nở, chuyển