Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy (research the influences of the turbocharger nozzle on the power of marine diesel engines)

NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 95

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

NCS NGUYỄN QUANG VINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP.HCM – 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

NCS NGUYỄN QUANG VINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

DIESEL TÀU THỦY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 9520116

Người hướng dẫn khoa học: 1 TS Bùi Hồng Dương

TP.HCM – 2021

L ỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Quang Vinh – là tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh

hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy”, dưới sự

hướng dẫn của tập thể hướng dẫn khoa học: TS Bùi Hồng Dương và PGS.TSKH Đỗ Đức Lưu

Bằng danh dự của bản thân, tôi xin cam đoan rằng: Luận án là công trình nghiên

cứu riêng của riêng tôi, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp, từ công trình nghiên cứu của tác giả hay nhóm tác giả khác;

– Các số liệu kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án, chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác trước đó;

– Các thông tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo trong luận án đều được chỉ rõ về xuất xứ, nguồn gốc và đảm bảo tính trung thực./

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Tác giả luận án

Nguyễn Quang Vinh

Tác giả trân trọng cảm ơn Viện Đào Tạo Sau Đại Học, Viện Hàng Hải, các khoa, các phòng ban đã tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập nghiên cứu tại trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh Xin cảm ơn Viện Nghiên Cứu KH&CN Hàng Hải, Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam, Công ty CP Vận tải biển GLS đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành chương trình thực nghiệm

Tác giả trân trọng tiếp thu và cảm ơn các ý kiến đóng góp, nhận xét của các nhà khoa học, các chuyên gia, các giảng viên, các cán bộ công nhân viên và đồng nghiệp trong và ngoài nhà trường

Tác giả cũng bày tỏ lòng cảm ơn đến lãnh đạo, chỉ huy và các đồng nghiệp tại

Trường CĐ Hải Quân, Trường Sĩ Quan Kỹ Thuật Quân Sự đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả an tâm học tập, nghiên cứu

Đồng thời, tác giả cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp

đỡ tác giả vượt qua trở ngại khó khăn để hoàn thành luận án

M ỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix

M Ở ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4

6 Những đóng góp mới của luận án 4

7 Bố cục của luận án 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 6

1.1 Tổng quan về nâng cao công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy bằng phương án tăng áp 6

1.2 Sự suy giảm công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản theo quá trình khai thác của động cơ diesel tàu thủy 11

1.3 Sự thay đổi điểm công tác (tải – mô men và vòng quay) của động cơ diesel tàu thủy 13

1.4 Ống phun trong tua bin tăng áp 16

1.5 Tình hình nghiên cứu về tua bin tăng áp và ống phun 18

1.6 Đặt bài toán và phương hướng nghiên cứu 27

1.7 Kết luận chương 1 29

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA

ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 30

2.1 Giới thiệu 30

2.2 Chu trình công tác động cơ diesel 4 kỳ 30

2.3 Mô hình nhiệt động dòng khí qua máy nén 36

2.4 Mô hình nhiệt động dòng khí qua tua bin 40

2.5 Quan hệ tua bin và máy nén 53

2.6 Phối hợp công tác động cơ và tua bin tăng áp 54

2.7 Các chỉ tiêu công tác của động cơ 56

2.8 Phương pháp xử lý số liệu trong mô phỏng và thực nghiệm 57

2.9 Kết luận chương 2 58

Chương 3 MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY ĐANG KHAI THÁC 59

Giới thiệu 59

Sơ đồ thuật toán dùng trong mô phỏng quá trình công tác tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp 59

Phương pháp đánh giá độ chính xác của mô hình mô phỏng 63

Lựa chọn phần mềm mô phỏng 65

Mô phỏng tổ hợp động cơ và tua bin tăng áp Deutz 226B 66

Mô phỏng tổ hợp động cơ và tua bin tăng áp MAK43 85

Kết luận chương 3 94

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 95

4.1 Giới thiệu 95

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm 96

4.3 Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel tàu thủy đang khai thác 108

4.4 Kết luận chương 4 113

KẾT LUẬNVÀ KIẾN NGHỊ 115

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

Phụ lục 01 Các thông số kỹ thuật của động cơ Deutz 226B tại Phòng thí nghiệm động cơ – Viện Khoa học và Công nghệ Hàng hải 128

Phụ lục 02 Hình ảnh thí nghiệm tại phòng thí nghiệm 129

Phụ lục 03 Các kết quả thử nghiệm động cơ MAK 43 tại nhà máy sản xuất 131

Ph ụ lục 04 K ết quả kiểm tra công suất động cơ trên tàu 134

Phụ lục 05 Hình ảnh thực nghiệm trên tàu 137

Ph ụ lục 06 Xác nh ận của đơn vị chủ quản tàu 139

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hi ệu

A m2 Diện tích, tiết diện

ap, ad,

mp,md – Các thông số hiệu chỉnh quá trình cháy

cp,cv J/kg.K Nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích

ge g/kW.h Suất tiêu hao nhiên liệu có ích

Jt kg.m2 Mô men quán tính cụm tăng áp

k – Tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích (cp/cv)

ka, ke Tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của khí

nạp, khí xả ṁ kg/s Lưu lượng khối lượng

n2 – Hệ số mũ đa biến quá trình giãn nở

ne,nt v/ph Tốc độ vòng quay động cơ, tua bin

 – Hệ số nhiên liệu cháy đẳng tích

 – Tỷ số nén của động cơ diesel

e, gh  % Sai lệch, Giới hạn của sai lệch

c – Hệ số dòng chảy của máy nén

r – Hệ số khí sót của động cơ diesel

 – Hiệu suất của động cơ diesel

 rad, độ Góc quay trục khuỷu

Ký hi ệu Đơn vị Ý nghĩa

s độ Góc bắt đầu cháy của nhiên liệu

c – Tỷ số tăng áp khí nạp qua máy nén (p2/p1)

3’/p3)

t

 kg/m3 Khối lượng riêng

DAQ Data acquisition Bộ thu thập dữ liệu

MDE Marine diesel engine Động cơ diesel tàu thủy

MVEM Mean value engine model Mô hình giá trị trung bình

PC Personal computer Máy tính cá nhân

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tỷ lệ chuyển hóa năng lượng của động cơ diesel [92] 6

Bảng 3.1 Danh sách thông số đầu vào cho mô phỏng 61

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật chính của động cơ và Tua bin tăng áp [90] 67

Bảng 3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng động cơ Deutz 226B 78

Bảng 3.4 Các thời điểm đặc biệt trên đồ thị áp suất trên Hình 3.16 (Quy ước vị trí piston tại ĐCT tương ứng với góc quay trục khuỷu bằng 0) 79

Bảng 3.5 Các thời điểm đặc biệt trên đồ thị áp suất trên Hình 3.17 (Quy ước vị trí piston tại ĐCT tương ứng với góc quay trục khuỷu bằng 0) 80

Bảng 3.6 Sự thay đổi công suất, Pw=f(LI, ut) 82

Bảng 3.7 Sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích, ge= f(LI, ut) 82

Bảng 3.8 Sự thay đổi áp suất khí nạp, pim= f(LI, ut) 82

Bảng 3.9 Sự thay đổi nhiệt độ khí xả Te= f(LI, ut) 82

Bảng 3.10 Thông số kỹ thuật chính của động cơ MAK43 [33] 86

Bảng 3.11 Công suất động cơ theo chế độ tải và tiết diện ống phun 90

Bảng 3.12 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích theo tải và tiết diện ống phun 91

Bảng 3.13 Nhiệt độ khí xả theo tải và tiết diện ống phun 91

Bảng 4.1 Các thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ điện tử 97

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất điện tử 97

Bảng 4.3 Bảng mô tả các chế độ thực nghiệm 100

Bảng 4.4 Đánh giá sự thay đổi ge ở chế độ 50% tải, 1500 v/ph 104

Bảng 4.5 Thay đổi công suất theo độ mở ống phun (50% tải) 105

Bảng 4.6 Đánh giá sự thay đổi của ge ở 1500 v/ph và 25% tải 107

Bảng 4.7 Thay đổi công suất theo độ mở ống phun (25% tải) 107

Bảng 4.8 Bảng thống kê số giờ hoạt động của động cơ theo chế độ tải: 110

Bảng 4.9 Đánh giá hiệu quả điều chỉnh ống phun 112

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Thời gian giữa các lần phục hồi công suất [17] 12

Hình 1.2 Đặc tính khai thác của động cơ máy chính lai chân vịt tàu thủy[61] 14

Hình 1.3 Sự dịch chuyển điểm công tác trên đồ thị đặc tính máy nén 15

Hình 1.4 Ống phun trong tua bin tăng áp (loại Garrett GT1749V [27]) 16

Hình 1.5 Đặc tính động cơ với ống phun cố định và ống phun điều chỉnh [40] 18

Hình 1.6 Sơ đồ mô tả phương hướng nghiên cứu của luận án 28

Hình 2.1 Quá trình trao đổi khí của động cơ diesel 4 kỳ [19] 31

Hình 2.2.Tam giác vận tốc của máy nén 37

Hình 2.3 Đồ thị h–s của dòng khí chuyển động qua máy nén [71] 38

Hình 2.4 Tam giác vận tốc dòng khí qua tua bin hướng kính 41

Hình 2.5 Đồ thị h–s của tua bin [48] 42

Hình 2.6 Mối quan hệ độ mở ống phun ut và góc dẫn hướng t 44

Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán xác định công suất tua bin hướng kính 47

Hình 2.8 Hướng chuyển động của dòng khí qua tua bin hướng trục [40] 48

Hình 2.9 Tam giác vận tốc dòng khí qua tua bin hướng trục [40] 49

Hình 2.10 Đồ thị h–s của dòng khí đi qua tua bin hướng trục [40] 50

Hình 2.11 Sự thay đổi áp suất của dòng khí qua ống phun 51

Hình 2.12 Đồ thị h–s của dòng khí qua ống phun 51

Hình 2.13 Mối quan hệ TB–MN 53

Hình 2.14 Phối hợp công tác giữa MDE và TBTA 54

Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán cho mô phỏng 60

Hình 3.2 Mô tả phương pháp hiệu chỉnh tham số 62

Hình 3.3 Sơ đồ khối công tác của tổ hợp MDE–TBTA 69

Hình 3.4 Mô hình khối xy lanh điển hình động cơ Deutz 226B 70

Hình 3.5 Đặc tính máy nén của bộ tăng áp GT1749V 71

Hình 3.6 Sơ đồ phối hợp TB–MN 72

Hình 3.7 Mô hình máy nén trong môi trường Simulink 73

Hình 3.8 Mô hình TB trong môi trường Simulink 73

Hình 3.9 Khối công suất TB 74

Hình 3.10 Diễn biến áp suất và nhiệt độ khí trong xy lanh (25% tải, 1500 v/ph) 75 Hình 3.11 Tốc độ phát nhiệt của nhiên liệu 76

Hình 3.12 Công chỉ thị 76

Hình 3.13 Hệ số truyền nhiệt 76

Hình 3.14 Tổn thất truyền nhiệt 76

Hình 3.15 Giao diện chương trình mô phỏng MDE Deutz226B 77

Hình 3.16 Đồ thị áp suất với ut = 60%÷100%, 100% tải, 1500 v/ph 79

Hình 3.17 Đồ thị áp suất với ut=60%÷100%, chế độ 25% tải, 1500 v/ph 80

Hình 3.18 Sự thay đổi công suất theo 81

Hình 3.19 Quan hệ giữa tỷ số Pw/Pw,nor và ut (25% tải, 1500 v/ph) 83

Hình 3.20 Quan hệ giữa tỷ số ge/ge,nor và ut (25% tải, 1500 v/ph) 84

Hình 3.21 Quan hệ giữa tỷ số Te/Te,nor và ut (25% tải, 1500 v/ph) 84

Hình 3.22 Mô phỏng MDE MAK43 ở chế độ định mức (100% tải, 500 v/ph) 87

Hình 3.23 Áp suất khí nạp mô phỏng và thử nghiệm 87

Hình 3.24 Công suất mô phỏng và thử nghiệm 88

Hình 3.25 Đặc tính áp suất có ích trung bình theo % tải định mức 88

Hình 3.26 Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu theo tải 88

Hình 3.27 Mô phỏng động cơ MAK43 ở chế độ khai thác 89

Hình 3.28 Đồ thị hàm số Pw/Pw,nor =f(AT), chế độ 65% tải 92

Hình 3.29 Đồ thị hàm số ge/ge,nor=f(AT), chế độ 65% tải 92

Hình 3.30 Đồ thị hàm số Te/Te,nor=f(AT), chế độ 65% tải 93

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thử nghiệm động cơ 96

Hình 4.2 Bộ thu thập dữ liệu NI 9203 97

Hình 4.3 Bố trí hệ thống giám sát – đo kiểm 98

Hình 4.4 Trình tự các bước thực nghiệm 99

Hình 4.5 Nhiệt độ khí xả ở chế độ ut =100% 101

Hình 4.6 Áp suất khí nạp ở chế độ 100% ut 102

Hình 4.7 Áp suất khí nạp ps(bar) (n=1500 v/ph, 50% tải) 102

Hình 4.8 Nhiệt độ khí xả (n=1500 v/ph, 50% tải) 103

Hình 4.9 Suất tiêu hao nhiên liệu ge (n=1500 v/ph, 50% tải) 103

Hình 4.10 Công suất có ích (n=1500 v/ph, 50% tải) 104

Hình 4.11 Áp suất khí nạp (1500 v/ph, 25% tải) 105

Hình 4.12 Nhiệt độ khí xả (n=1500 v/ph, 25% tải) 106

Hình 4.13 Suất tiêu hao nhiên liệu ge (n=1500 v/ph, 25% tải) 106

Hình 4.14 Công suất Pw (n=1500 v/ph, 25% tải) 107

Hình 4.15 Đo tiết diện ống phun 110

Hình 4.16 Mặt cắt ống phun trước và sau khi điều chỉnh 110

Hình 4.17 Tốc độ TB trước và sau khi điều chỉnh giảm tiết diện ống phun 111 Hình 4.18 Áp suất khí nạp trước và sau khi điều chỉnh giảm tiết diện ống phun 112 Hình 4.19 Nhiệt độ khí xả trước và sau khi điều chỉnh giảm tiết diện ống phun 112

M Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Nâng cao công suất, hiệu suất, giảm kích thước và giảm lượng khí gây ô nhiễm ra môi trường là những yêu cầu ngày càng cao đối với động cơ diesel tàu

thủy (Marine Diesel Engine, MDE) hiện đại Lý thuyết và thực tế sử dụng động

cơ diesel đã khẳng định: Tăng áp bằng tua bin khí xả (TBTA) là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để nâng cao công suất của động cơ Ngoài ra, tăng áp

bằng tua bin khí xả còn cải thiện được suất tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải khí ô nhiễm môi trường Hoàn thiện tăng áp cho động cơ diesel tàu thủy nhận được nhiều quan tâm, đầu tư nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế nhằm nâng cao tính năng hoạt động và đáp ứng yêu cầu làm việc của hệ động lực

Trên các tàu thủy hiện nay, động cơ diesel máy chính (lai chân vịt) và máy

phụ (lai máy phát điện) thường là động cơ nhiều xy lanh, được tăng áp bằng tua bin khí xả Các động cơ chính trên các tàu vận tải biển đa phần là các dạng động

cơ diesel trung tốc hoặc thấp tốc sử dụng tua bin tăng áp với ống phun có góc phun cố định Một số chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ kém đi sau một thời gian dài khai thác, như công suất suy giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng, v.v Lượng không khí nạp trong các chế độ công tác của các động cơ cũ này thường không đủ để duy trì công suất cần thiết của động cơ Phục hồi các trạng thái kỹ thuật của động

cơ cũng như TBTA trong duy tu, bảo dưỡng định kỳ có thể duy trì các thông số

cơ bản của động cơ ở trong phạm vi nhất định Điều chỉnh ống phun trong tua bin tăng áp là một trong những biện pháp nhằm nâng cao hệ số nạp, hoàn thiện quá trình cháy và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ

Động cơ diesel lai máy phát điện thường là các động cơ cao tốc hoạt động theo chế độ phụ tải với số vòng quay gần như cố định Ở chế độ khởi động và thấp

tải, nhiên liệu thường không cháy hết do lượng khí nạp không đủ Do đó, công

suất và hiệu suất của động cơ thấp và phát thải nhiều khí gây ô nhiễm môi trường

Số lượng các động cơ lai máy phát điện có tua bin tăng áp tích hợp bộ điều chỉnh ống phun là khá hạn chế trên tàu thủy Lắp đặt cụm TBTA có điều chỉnh ống phun

cho động cơ diesel phụ trên tàu thủy để cải thiện chất lượng công tác là một hướng nghiên cứu có thể mang lại nhiều kết quả hữu ích

Để làm sáng tỏ các vấn đề liên quan đến sử dụng TBTA có điều chỉnh ống phun đối với các động cơ cũ cần có các nghiên cứu lý thuyết đầy đủ cũng như

kiểm nghiệm tại phòng thí nghiệm và thử nghiệm trên tàu thực

Trong thực tế, việc điều chỉnh tiết diện ống phun trong tua bin tăng áp đối với các động cơ chính trên tàu thủy đã được thực hiện khi sửa chữa tàu, nhờ đó

đã cải thiện được công suất của động cơ Việc hoán cải điều chỉnh đó còn dựa vào kinh nghiệm thực tế và chưa được nghiên cứu lý thuyết cũng như thí nghiệm đầy

đủ để làm căn cứ nhân rộng cho các trường hợp khác

Số lượng các nghiên cứu về tăng áp bằng tua bin khí xả cho động cơ diesel (trong nước, ngoài nước) khá nhiều, và hầu như chỉ tập trung cho nghiên cứu về tua bin tăng áp cho các động cơ mới của các hãng sản xuất động cơ diesel Nghiên

cứu về ống phun trong tua bin tăng áp ở trong nước chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu, đặc biệt là nghiên cứu cho động cơ diesel tàu thủy thì hầu như chưa

có Như vậy vấn đề nghiên cứu này còn khá mới và có khả năng ứng dụng trong

thực tiễn cho các động cơ diesel tàu thủy đang khai thác trong nước

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy” góp phần hoàn thiện lý thuyết

và cải tiến công nghệ, nâng cao công suất và giảm suất tiêu hao nhiên liệu cho

động cơ diesel tàu thủy đang khai thác trong nước

2 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu chung: Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp

nhằm nâng cao công suất và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật cho động cơ diesel tàu thủy đang khai thác

M ục tiêu cụ thể:

– Hoàn thiện một mô hình toán và mô phỏng quá trình công tác của động

cơ diesel tàu thủy tăng áp bằng tua bin xung áp

– Nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của tiết diện và góc dẫn hướng ống

phun trong tua bin tăng áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy

– Nghiên cứu thực nghiệm (tại phòng thí nghiệm) ảnh hưởng của tiết diện

và góc dẫn hướng ống phun đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy

– Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel đang khai thác về ảnh hưởng của tiết diện ống phun đến các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu: Ống phun trong tua bin tăng áp của hai động cơ

diesel tàu thủy Duetz 226B và MAK43 đang khai thác

Ph ạm vi nghiên cứu:

– Mô hình toán và chương trình mô phỏng áp dụng cho động cơ diesel tàu

thủy 4 kỳ tăng áp bằng tua bin xung áp, động cơ Duetz 226B (ống phun hướng kính) trong phòng thí nghiệm và động cơ MAK43 (ống phun hướng trục) trên tàu đang khai thác

– Nghiên cứu đối với động cơ MAK43 đang khai thác trên tàu, chỉ nghiên

cứu ảnh hưởng tiết diện ống phun đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật động cơ, không nghiên cứu đến góc dẫn hướng ống phun

– Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của ống phun đến công suất và các chỉ

tiêu kỹ thuật chính của động cơ Không nghiên cứu đến độ bền, tuổi thọ, rung động của động cơ khi thay đổi kết cấu ống phun Tình trạng phát thải và trạng thái chuyển tiếp cũng chưa được xem xét đến

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu này kết hợp giữa các phương pháp nghiên cứu lý thuyết (mô hình, mô phỏng) với các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm (đo, xử lý số liệu) Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện bước đầu trong phòng thí nghiệm, kết

quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để thực hiện tiếp các nghiên cứu trên động cơ đang khai thác Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ đang khai thác là để kiểm nghiệm tính khả thi và hoàn thiện cơ sở lý thuyết của nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

– Hoàn thiện mô hình toán quá trình công tác của động cơ diesel tăng áp

bằng tua bin khí xả qua việc tích hợp kết quả nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết Xây dựng một hệ phương trình xác định công suất tua bin với hai biến số là góc

dẫn hướng và tiết diện ống phun

– Lập mô hình toán và chương trình mô phỏng tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp trong Matlab/ Simulink Các kết quả đó có thể phục vụ cho nghiên cứu động cơ diesel, tua bin tăng áp và sử dụng trong công tác đào tạo đại học và sau đại học

Ý nghĩa thực tiễn:

– Đề xuất được các giải pháp kỹ thuật tương đối hiệu quả để nâng cao công

suất và chỉ tiêu khai thác của động cơ diesel tàu thủy trong điều kiện hiện nay

– Áp dụng kết quả mô phỏng vào thực tế động cơ đang khai thác để nâng cao công suất các chỉ tiêu khai thác của động cơ, mang lại hiệu quả kinh tế – kỹ thuật thiết thực

6 Những đóng góp mới của luận án

– Thiết lập được một mô hình toán quá trình công tác của một tổ hợp động

cơ diesel – tua bin tăng áp và xây dựng được hệ phương trình xác định công suất tua bin tăng áp thông qua góc dẫn hướng và tiết diện của ống phun

– Xây dựng được một chương trình phần mềm mô phỏng tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp bằng ngôn ngữ lập trình Matlab/Simulink

– Đánh giá định lượng được tác động của ống phun khí xả trong tua bin tăng áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ Dự đoán tiết diện tối

ưu của ống phun cho động cơ cụ thể đang khai thác

– Đề xuất các giải pháp kỹ thuật để nâng cao công suất và các thông số kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy đang khai thác thông qua việc điều chỉnh ống phun trong tua bin tăng áp

Chương 2 Cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu ảnh hưởng của ống phun trong tua bin

tăng áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy

Chương 3 Mô phỏng ảnh hưởng của ống phun trong tua bin tăng áp đến công

su ất và các chỉ tiêu kỹ thuật động cơ diesel tàu thủy đang khai thác

Chương 4 Nghiên cứu thực nghiệm

K ết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 1.1 Tổng quan về nâng cao công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động

cơ diesel tàu thủy bằng phương án tăng áp

Tăng áp bằng tua bin khí xả lần đầu được đăng ký phát minh bởi kỹ sư người Thụy Sỹ Alfred Buchi vào năm 1905 [9] Trải qua hơn một thế kỷ phát triển, phương án tăng áp bằng tua bin khí xả đã được cải tiến, nâng cấp và trở thành một phương án tăng áp phổ biến như hiện nay trên các động cơ đốt trong Tác động của tăng áp bằng tua bin khí xả của động cơ diesel tàu thủy được tóm lược như phần sau đây

1.1.1 Ưu điểm của động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí xả

Đối với động cơ diesel không tăng áp, năng lượng cung cấp từ quá trình đốt cháy nhiên liệu được chuyển hóa thành các dạng năng lượng sau:

Bảng 1.1 Tỷ lệ chuyển hóa năng lượng của động cơ diesel [92]

Nhiệt lượng truyền cho nước làm mát 15 %

Nhiệt lượng truyền cho dầu bôi trơn 5%

Nhiệt lượng khí xả mang ra ngoài 37%

Từ bảng trên cho ta thấy phần năng lượng hao phí mà khí xả mang ra ngoài

là lớn nhất (tới 37% tổng năng lượng khí cháy sinh ra) Nếu dùng TBTA, nguồn năng lượng này tiếp tục được giãn nở sinh công trong tua bin (TB) làm quay máy nén khí (MN), cung cấp năng lượng cho khí nạp, tăng mật độ khí nạp (v) và cải thiện hệ số nạp (v) Nhờ đó công suất và hiệu suất động cơ được nâng cao

Về tổn thất nhiệt, khi tăng áp cho động cơ thì mật độ môi chất (nhiên liệu, không khí, khí cháy) đều tăng nên nhiệt lượng truyền qua thành vách tăng, nhưng

tổn thất nhiệt quy về một đơn vị công suất có ích của động cơ sẽ giảm Đối với quá

trình cháy trong xy lanh động cơ, khí nén tăng áp làm cho quá trình hòa trộn nhiên liệu và không khí tốt hơn, hiệu suất quá trình cháy được tăng lên và hiệu suất chỉ

thị của quá trình công tác của động cơ cũng được tăng lên Mặt khác, tăng áp bằng tua bin khí xả không tốn công suất của động cơ để dẫn động máy nén, nên tính kinh

tế trong khai thác động cơ có thể tăng 3%÷10% so với cùng loại [20] Cùng với

việc lắp đặt các két làm mát trung gian, nhiệt độ khí tăng áp giảm đáng kể, góp phần làm tăng mật độ khí nạp, giảm ứng suất nhiệt cho các chi tiết thuộc buồng đốt

của động cơ Do những ưu thế kể trên, phương pháp tăng áp bằng tua bin khí xả được áp dụng trên các động cơ diesel chiếm tới 70% ÷80% số động cơ tăng áp [20]

Mặc dù được đăng ký phát minh năm 1905 [9], nhưng sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, bộ tăng áp bằng tua bin khí xả mới được áp dụng lần đầu tiên trên tàu thủy Bộ tăng áp lắp trên động cơ MAN 4 kỳ 10 xy lanh (tàu Preussen và Hansestadt Danzig), đã đưa công suất từ 1250 kW lên 1840 kW [92] Với bộ tăng

áp tua bin khí xả, công suất lớn nhất hiện nay đạt tới 80080 kW (động cơ Wartsila

RT flex 96C, tua bin tăng áp của hãng ABB, lắp đặt trên tàu container Emma Maerk) [34] [68]

So sánh động cơ không tăng áp và có tăng áp bằng tua bin khí xả, theo một

số chỉ tiêu như sau:

Theo áp su ất có ích trung bình: Động cơ không tăng áp, áp suất trung bình

thường không quá 9 bar; động cơ tăng áp có áp suất trung bình lên tới 24,38 bar (động cơ MAK43, tàu container Phúc Hưng) [69]

Theo công su ất lít (công suất/dung tích xy lanh): Động cơ không tăng áp,

công suất lít khoảng 20÷25 kW/dm3; động cơ tăng áp, công suất lít lên tới 40÷45kW/dm3[20]

Theo hi ệu suất có ích động cơ: Động cơ không tăng áp, hiệu suất 35%,

động cơ tăng áp hiệu suất ngày càng nâng cao, có thể lên tới trên 50% [56] [85]

1.1.2 Các dạng tua bin tăng áp trên động cơ diesel tàu thủy

Theo đặc tính áp suất dòng khí xả vào tua bin Tua bin tăng áp được phân

thành tua bin đẳng áp và tua bin xung áp

Tua bin đẳng áp, khí xả từ các xy lanh được góp vào bầu khí xả chung rồi chuyển động vào trong xy lanh, thường được sử dụng trên động cơ diesel 2 kỳ tàu

thủy Ưu điểm cơ bản là hiệu suất tua bin sẽ cao hơn nếu dòng khí xả có áp suất

ổn định Tuy nhiên, ở chế độ nhỏ tải, khí xả của động cơ không cung cấp đủ năng lượng để duy trì tua bin tăng áp hoạt động ổn định Do đó, ở các chế độ nhỏ tải hay ma nơ điều động tàu, động cơ diesel máy chính phải dùng thêm quạt gió phụ Một số hệ thống tăng áp dạng này có thể tận dụng không gian phía dưới piston để làm máy nén khí

Tua bin xung áp, khí xả từ hai hoặc ba xy lanh được góp vào một đường ống chung, sau đó đưa vào tua bin, thường sử dụng trên động cơ diesel 4 kỳ tàu thủy So với tăng áp đẳng áp có cùng kích thước, tăng áp xung áp có hiệu suất cao hơn do tận dụng được động năng của dòng khí xả Đối tượng nghiên cứu trong

luận án là động cơ máy chính MAK43, là động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ sử dụng tua bin tăng áp kiểu xung áp

T heo hướng của dòng khí xả vào tua bin Tua bin được phân chia thành hai

loại chính là tua bin hướng trục và tua bin hướng kính

Tua bin hướng trục có dòng khí vào tầng cánh tua bin theo hướng song song

với trục tua bin Ở các chế độ tốc độ cao, hiệu suất tua bin hướng trục thấp, tuy nhiên tua bin hướng trục đạt hiệu suất cao ở các chế độ lưu lượng lớn Loại tua bin này thường dùng cho các động cơ diesel tàu thủy thấp tốc và trung tốc

Tua bin hướng kính có dòng khí chảy trong rãnh cánh tua bin theo hướng

từ ngoài biên vào tâm Ưu điểm của tua bin hướng kính là kích thước nhỏ gọn,

hiệu suất tua bin cao với số vòng quay tua bin lớn, tuy nhiên khi lưu lượng lớn, hiệu suất tua bin giảm mạnh Loại tua bin này thường được dùng cho động cơ diesel lai máy phát điện trên tàu hoặc các loại động cơ cơ giới trên bộ

1.1.3 Hư hỏng và sự cố thường gặp trong khai thác của tua bin tăng

áp trên động cơ diesel tàu thủy

Trong khai thác TBTA có một số hư hỏng và sự cố thường gặp: ho máy nén; tổn hao lớn dầu và rò lọt khí xả vào khoang dầu bôi trơn trục tua bin; va đập

cơ khí bất thường; tua bin bị rung động mạnh, các bạc đỡ trục bị phá hủy; gãy

cánh tua bin v.v

Hi ện tượng ho máy nén (còn gọi là ho tua bin) xuất hiện trong quá trình

phối hợp công tác của TB–MN và động cơ diesel Tại thời điểm đó, áp suất khí nén trong tuyến nạp cao hơn áp suất khí nén mà máy nén ly tâm của TBTA tạo ra được, dẫn tới không khí từ tuyến nạp bị thổi ngược qua tầng máy nén ly tâm ra bên ngoài Hậu quả là trục MN bị hãm đột ngột và gây va đập trong MN, dẫn tới vòng quay động cơ diesel bị giảm đột ngột do thiếu khí nạp và bị dao động mạnh Trong nhiều trường hợp cả động cơ, hệ trục chân vịt và thân tàu bị rung động

mạnh, xuất hiện các âm thanh bất thường Hiện tượng này có thể lặp lại theo chu

kỳ nếu nguyên nhân của nó chưa bị loại bỏ Một số biện pháp sơ bộ để xử lý hiện tượng ho máy nén là [9] [18]: Giảm tốc độ vòng quay cho động cơ, giảm từ từ và

kết hợp với các biện pháp khác cho đến khi hết hiện tượng ho; xả bớt khí trên đường ống nạp ra ngoài trời; loại bỏ các bất thường trong việc cung cấp nhiên liệu cho từng xy lanh của động cơ; vệ sinh tuyến nạp và xả của động cơ, vệ sinh cánh tua bin, cánh máy nén và ống phun; tăng cường sự làm việc ổn định của hệ thống

nạp–xả bằng van xả hoặc bộ điều chỉnh ống phun khí xả vào tầng cánh tua bin

Tiêu hao nhi ều dầu bôi trơn cho tua bin tăng áp và khí xả động cơ có khói đen Đường dầu bôi trơn sau khi đi bôi trơn tua bin bị tắc, tràn ra ngoài hệ trục

vào khoang xả khí của tua bin, gây cháy, hao tổn dầu bôi trơn trong hệ thống và

có khói đen trong khí xả từ động cơ Trục tua bin bị mài mòn quá mức, dầu bôi trơn rò lọt ra ngoài cũng là nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm dầu bôi trơn trong hệ thống và gây khói đen [18] Điểm nguy hại trong tình huống này là cánh tua bin rất hay bẩn, dẫn đến mất cân bằng động, dễ gây đến các dao động mạnh, phá hủy gối đỡ trục TB–MN và dẫn đến nhiều sự cố nguy hiểm Những sự cố nguy hiểm này dẫn đến phải treo tua bin, động cơ hoạt động không có tua bin tăng

áp Hiện nay, đa phần các động cơ máy chính lai chân vịt tàu thủy đều có mức độ tăng áp cao, nên khi bị treo tua bin tăng áp thì công suất và các thông số động cơ giảm mạnh, tốc độ tàu giảm rõ rệt và khó có thể hành trình khi gặp thời tiết xấu

1.1.4 Xu hướng phát triển của tua bin tăng áp trên động cơ diesel tàu

th ủy hiện nay

Trên động cơ diesel tàu thủy, TBTA được sử dụng với nhiều hướng khác nhau, phụ thuộc vào nguyên lý hoạt động của động cơ (động cơ 4 kỳ hay 2 kỳ),

chức năng của động cơ là máy chính hay máy phụ, hoạt động ở các chế độ ma nơ điều động nhiều hay ít v.v Trên cơ sở đó các hãng chế tạo đưa ra nhiều sơ đồ bố trí kết cấu hệ thống tăng áp cho động cơ

Tăng áp nhiều cấp (Compound turbocharger) Phổ biến là động cơ diesel

sử dụng tăng áp 2 cấp, gồm hai bộ tua bin và máy nén nối tiếp, ví dụ như các loại

của hãng Yanmar, MAN, Sulzer v.v [92] So với tăng áp một cấp, tăng áp nhiều cấp có lợi ích hơn về tỷ số tăng áp, dễ thích ứng hơn với nhiều chế độ hoạt động

của động cơ, đáp ứng được yêu cầu của tất cả các chế độ tải Tuy nhiên hệ thống này có đường ống phức tạp, cồng kềnh, phải làm mát nhiều lần, chi phí chế tạo cao

T ăng áp kết hợp quạt gió phụ (Auxialary Blower) Hệ thống tăng áp kiểu

này được lắp đặt trên các động cơ diesel tàu thủy hai kỳ cỡ lớn Ở các chế độ thấp

tải, quạt gió phụ bổ sung thêm khí nạp cho động cơ nhằm cải thiện chỉ tiêu công tác Trên tàu thủy các động cơ hai kỳ của hãng Wartsila, MHI, MAN B&W dùng

phổ biến hệ tăng áp này Ví dụ như trên động cơ MAN–BW 6S46MCC (tàu chở hàng Inlanco Express 34000 tấn); động cơ RTA96C, RT48T v.v

Tăng áp kết hợp máy phát điện (Hybrid turbocharger) Ở sơ đồ này TBTA

lai thêm một máy phát điện và được hòa vào lưới điện trên tàu Chế độ tải cao, tua bin tăng áp dư công suất nên lai máy phát điện để cung cấp điện cho hệ thống điện trên tàu hoặc tích lũy ở các bình tích điện Khi động cơ hoạt động ở các chế

độ thấp tải, máy phát đóng vai trò động cơ, cung cấp năng lượng hỗ trợ tăng tốc cho tua bin tăng áp Thử nghiệm với bộ tăng áp MET83MAG của hãng MHI, trên động cơ 2 kỳ 7S65ME–C [72], cho thấy: với chế độ trên 60% tải của động cơ chính, máy phát điện có thể cung cấp tới 75% điện toàn tàu Ở chế độ 20% tải, năng lượng máy phát điện cần cung cấp cho quạt gió phụ giảm 27,7% so với động

cơ có hệ thống TBTA thông thường khác

TBTA có hai c ửa vào (Twin turbine) Tua bin tăng áp có hai cửa vào để tận

dụng tối đa năng lượng khí xả và cải thiện quá trình trao đổi khí của động cơ Công nghệ tăng áp hai cửa vào kết hợp với điều chỉnh góc dẫn hướng cánh tiết

kiệm nhiên liệu cho động cơ, đang được phát triển bởi hãng MHI [73] và thế hệ

tăng áp TPR 61 của hãng ABB [42]

1.2 Sự suy giảm công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản theo quá trình khai thác c ủa động cơ diesel tàu thủy

Cường độ hoạt động của động cơ trên tàu thủy là khá lớn Thống kê năm

2015 của hãng sản xuất tăng áp ABB [42] cho thấy: Một xe hơi chạy bằng động

cơ diesel hoạt động 15000 km/năm thì động cơ trên xe hoạt động khoảng 360

giờ/năm, phần lớn thời gian hoạt động ở chế độ thấp tải hoặc chế độ chờ tại các giao lộ; động cơ chính trên tàu thủy hoạt động 6000 giờ/năm, động cơ phụ hoạt động 8000 giờ/năm, phần lớn thời gian hoạt động ở chế độ nặng tải Vì vậy, tình trạng kỹ thuật của MDE bị suy giảm mạnh sau một thời gian khai thác, đặc biệt

là chất lượng hệ thống trao đổi khí và hệ thống nhiên liệu, dẫn đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật bị suy giảm đáng kể Sau 5 ÷7 năm hoạt động, nhiệt độ khí

xả tăng cao, phải giảm công suất và vòng quay khai thác để giảm nhiệt độ khí xả Hãng ABB cũng khuyến cáo tối đa sau 3 năm, bộ tăng áp cần phải được bảo dưỡng, sửa chữa lại một lần [42]

1.2.1 Sự suy giảm công suất trong khai thác của động cơ diesel tàu

th ủy theo thời gian

Sau một thời gian khai thác, công suất động cơ sẽ giảm xuống, động cơ được sửa chữa định kỳ để phục hồi lại công suất Lý do chính là sự suy giảm tổng thể trạng thái kỹ thuật và chức năng làm việc của các chi tiết cấu thành động cơ Các tác động hợp thành của các yếu tố này làm cho sự làm việc của động cơ ngày càng kém hoàn hảo, đến một thời điểm nào đó cần phải sửa chữa hoặc thay mới Theo [6] và [13] định mức thời gian giữa các lần sửa chữa lớn là sau mỗi 6000 giờ hoạt động

Hình 1.1 mô tả thời gian giữa các lần sửa chữa để phục hồi công suất

Hình 1.1 Thời gian giữa các lần phục hồi công suất [17]

Ban đầu động cơ mới có công suất Pw0, sau thời gian sử dụng t1, công suất suy giảm còn Pw1’, được sửa chữa công suất phục hồi lại Pw1, tuy nhiên không thể

phục hồi hoàn toàn như ban đầu được mà có độ suy giảm Pw1=Pw0–Pw1 (Hình 1.1) Tương tự cho các lần sửa chữa tiếp theo, mức độ phục hồi công suất ngày càng giảm, thời gian giữa các lần bảo dưỡng kế nhau để phục hồi công suất ngày càng ngắn, t1>t2>t3>t4>t5, trong khi mức độ suy giảm công suất ngày càng tăng,

Pw1<Pw2<Pw3<Pw4<Pw5

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự suy giảm công suất trong khai thác

Lưu lượng khí nạp không đảm bảo cho động cơ hoạt động Áp suất khí nạp

thấp, nhiệt độ khí nạp cao là những thông số đầu vào gây tác động xấu tới động

cơ, làm xấu quá trình công tác dẫn đến suy giảm công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật khác Nguyên nhân của việc này có thể do TBTA làm việc kém; sinh hàn gió bị

bẩn; tuyến nạp, tuyến xả bị bẩn, tắc; các cam, cơ cấu phân phối khí bị mài mòn,

hư hỏng

S ự rò lọt không khí trong buồng cháy Các khe hở giữa piston và xy lanh

vượt quá giá trị cho phép làm cho áp suất không khí ở quá trình nén và quá trình cháy xuống thấp, cùng với đó là chất lượng quá trình cháy không đảm bảo và hiệu suất cháy thấp Do đó, công suất giảm, suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên, đồng thời nhiệt độ khí xả tăng cao

Ch ất lượng phun nhiên liệu Được thể hiện ở chất lượng phun sương kém,

thời điểm phun nhiên liệu không đúng Nguyên nhân của sự suy giảm này là do mài mòn và hư hỏng của các chi tiết trong hệ thống (cam nhiên liệu, bơm cao áp, vòi phun v.v.)

Tác động của điều kiện môi trường, thời tiết, khí hậu khác với điều kiện thi ết kế Khi động cơ hoạt động ở các vùng biển khác nhau thì các yếu tố xấu về

môi trường có thể làm giảm công suất của động cơ so với kỳ vọng thiết kết Các

yếu tố này có thể là áp suất khí áp thấp, nhiệt độ không khí ngoài trời và trong

buồng máy tăng cao, độ ẩm không khí trong buồng máy cao Ngoài ra nhiệt độ nước biển cao cũng làm cho hiệu quả sinh hàn gió giảm xuống Các tác động này làm cho lưu lượng và chất lượng khí nạp giảm xuống là một trong những nguyên nhân suy giảm công suất động cơ

Nhận định chung: Các động cơ diesel trên tàu thủy phần lớn đều tăng áp

bằng tua bin khí có ống phun khí xả Trong quá trình khai thác, trạng thái kỹ thuật của động cơ xấu đi (tăng mức độ rò lọt khí; suy giảm chất lượng hệ thống cấp nhiên liệu và hệ thống phân phối khí), trong các yếu tố tác động đến sự suy giảm công suất động cơ thì sự suy giảm hệ thống trao đổi khí có tác động mạnh nhất [17] Theo thống kê [17], sửa chữa hệ thống phân phối khí có thể tăng vòng quay lên 5%÷10%, trong khi sửa chữa hệ thống nhiên liệu chỉ có thể tăng vòng quay lên 3%÷5% Trong hệ thống phân phối khí của động cơ diesel thì ống phun khí

xả trong tua bin tăng áp là đối tượng được lựa chọn để nghiên cứu cho bài toán

thực tế này

1.3 Sự thay đổi điểm công tác (tải – mô men và vòng quay) của động

cơ diesel tàu thủy

1.3.1 Đối với động cơ diesel lai máy phát điện

Đối với động cơ lai máy phát điện thì vòng quay động cơ không thay đổi trong suốt quá trình khai thác động cơ Khi thiết kế, chế tạo động cơ nhà sản xuất

đã tính đến yếu tố này và đó là vòng quay tối ưu của động cơ Trong thực tế khai thác của các đội tàu Việt Nam hiện nay, hầu hết các động cơ diesel lai máy phát

điện đều bị giảm sâu công suất Nhiều hệ thống chỉ còn lại khoảng 20%–30% công suất thiết kế Đương nhiên, hệ thống tăng áp, trong đó có TBTA cũng đã rời

xa điểm làm việc tối ưu, vì vậy rất cần đến sự hiệu chỉnh

1.3.2 Đối với động cơ diesel lai chân vịt

Hình 1.2 trình bày sự dịch chuyển điểm công tác sau một thời gian khai thác của động cơ diesel tàu thủy

Hình 1.2 Đặc tính khai thác của động cơ máy chính lai chân vịt tàu thủy[61] Trong đó: A – Điểm khai thác ở chế độ định mức (theo thiết kế); K – Điểm khai thác thực tế sau một thời gian; 1 – Công suất định mức; 2 – Mô men định mức; 3 Đặc tính giới hạn công suất; 4 – Đặc tính giới hạn mô men; 5 – Đặc tính khai thác

của động cơ; 6 – Đường giới hạn tốc độ; 7– Mô men động cơ 110%

Sau một thời gian làm việc, sức cản thân tàu tăng lên đáng kể do các nguyên nhân chính như: vỏ tàu bị biến dạng; hàu, hà bám chân vịt và thân tàu; rong rêu bao phủ thân tàu; bong tróc bề mặt sơn và ăn mòn vỏ tàu dẫn đến hình thành lớp oxit kim loại (lớp xỉ) trên vỏ tàu, v.v Sức cản vỏ tàu tăng lên đáng kể, đặc tính chân vị theo thời gian khai thác trở nên nặng nề hơn nhiều Theo thống kê [75], sau 6 tháng xuống đà, công suất cản tăng 10%÷20% Tác động của sự gia tăng

sức cản của thân tài và chân vịt làm cho điểm khai thác của động cơ thay đổi sau

một thời gian khai thác Điểm khai thác mới dịch chuyển theo hướng sau:

– Tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình, thậm chí có thể vượt qua định mức

– Tốc độ vòng quay giảm để duy trì ứng suất nhiệt của động cơ trong giới

hạn cho phép để tránh hư hỏng cho động cơ Các hư hỏng do ứng suất nhiệt gây

ra có thể là nứt vỡ nắp xy lanh, nứt xy lanh, nứt đỉnh piston, cháy xu páp nạp -

xả… Trong thực tế khai thác để bảo đảm an toàn cho hệ động lực, số vòng quay khai thác thường nằm trong khoảng 80%÷90% vòng quay định mức (Hình 1.2)

Nếu phải thay thế động cơ đã hư hỏng, không sử dụng được nữa bằng động cơ

mới thì điểm công tác cũng phải di chuyển giống như trên để phù hợp với con tàu

Phối hợp của các tác động tăng sức cản thân tàu, sự suy giảm công suất của động cơ sẽ làm xu hướng dịch chuyển điểm công tác của tua bin khí xả theo hướng

xấu đi, như hiệu suất tua bin giảm, tốc độ vòng quay tua bin thấp, lưu lượng và áp

suất sau máy nén giảm, trong khi sức cản trên tuyến nạp của động cơ tăng lên Điểm làm việc của máy nén dễ rơi vào vùng mất ổn định

Hình 1.3 mô tả sự dịch chuyển điểm công tác trên đồ thị đặc tính máy nén sau một thời gian khai thác động cơ

Hình 1.3 Sự dịch chuyển điểm công tác trên đồ thị đặc tính máy nén

A – Điểm khai thác ở chế độ định mức (theo thiết kế); K – Điểm khai thác thực tế sau một thời gian; 1 – Đường đặc tính ngoài của động cơ; 2 – Đường đặc tính chân vịt của động cơ; 3 – Đường đặc tính phụ tải của động cơ;

Tóm lại: Qua các phân tích ở trên thì sự suy giảm chất lượng công tác của bản thân động cơ và hệ tăng áp bằng tua bin khí xả kết hợp với sự tăng sức cản

của thân tàu và chân vịt trong khai thác làm cho hệ thống làm việc ở khu vực mô men, vòng quay và công suất thấp Sự gia tăng các yếu tố bất lợi đó dẫn đến giảm

hiệu suất khai thác và làm tăng nhiệt độ khí xả của động cơ Nếu nhiệt độ khí xả tăng quá giới hạn cho phép, có thể gây nên biến dạng cánh dẫn hướng ống phun

và cánh công tác của tua bin, ảnh hưởng xấu đến chất lượng hoạt động của động

cơ [12] và tua bin tăng áp, do đó cần có nhu cầu điều chỉnh lại điểm làm việc Một trong những giải pháp đó là điều chỉnh ống phun khí xả vào tầng cánh tua bin

1.4 Ống phun trong tua bin tăng áp

Hình 1.4 trình bày vị trí ống phun trong tua bin tăng áp

Hình 1.4 Ống phun trong tua bin tăng áp (loại Garrett GT1749V [27]) Ống phun (Turbine Nozzle) còn gọi là ống tăng tốc, nằm trong tua bin tăng

áp (Hình 1.4) nhằm dẫn hướng và tăng tốc cho dòng khí trước khi vào tầng cánh tua bin Các ống phun tạo thành từ các vành ống phun (vành trên và vành dưới)

và các cánh dẫn hướng, tạo thành các ống phun nhỏ Trong trường hợp cánh dẫn hướng điều chỉnh được thì có chốt xoay để điều chỉnh hướng dòng khí Ống phun

thông thường có tiết diện thu hẹp dần để tăng tốc độ cho dòng khí

Tiết diện và góc dẫn hướng của ống phun có thể cố định (Fixed nozzle),

hoặc điều chỉnh được (Variable nozzle) Công nghệ điều khiển ống phun được hãng Garret đăng ký phát minh lần đầu tiên năm 1953 [47], được ứng dụng rộng rãi trên động cơ diesel tàu thủy từ những năm đầu thế kỷ 21, nhằm nâng cao công

suất, hiệu suất và đặc tính kỹ thuật của động cơ Các loại tua bin nhỏ thường không

có ống phun, dòng khí từ ống góp tác động trực tiếp vào tầng cánh TB Tua bin tăng áp có ống phun điều chỉnh được đang ngày càng được sử dụng rộng rãi, chiếm 63,3% tổng số tua bin được bán ra trong thị trường toàn cầu trong năm

2020 [26]

1.4.1 Phân loại ống phun

Theo c ấu tạo có các loại:

– Ống phun hướng kính (Radial nozzle): Dẫn hướng dòng khí vào cánh tua bin theo phương vuông góc với trục tua bin

– Ống phun hướng trục (Axial nozzle): Dẫn hướng dòng khí và cánh tua bin theo phương song song với trục tua bin

Theo cách th ức điều khiển có các loại:

– Ống phun cố định (Fixed nozzle): Cánh dẫn hướng dòng khí cố định với

mọi chế độ hoạt động động cơ

– Ống phun điều chỉnh (Variable nozzle): Cánh dẫn hướng ống phun thay đổi theo các chế độ hoạt động của động cơ

1.4.2 Điều chỉnh ống phun

Ống phun cố định Ống phun cố định thiết kế cho chế độ hoạt động định

mức, vì vậy không điều chỉnh được cho các chế độ dưới định mức Bên cạnh đó, sau một thời gian hoạt động dài, các yếu tố bên ngoài tác động xấu đến động cơ, năng lượng khí xả cung cấp cho tua bin không đủ, dẫn đến tốc độ vòng quay của tua bin thấp, áp suất khí nạp thấp, không đủ lượng khí nạp theo yêu cầu của động

cơ Trong những trường hợp này, điều chỉnh tiết diện ống phun phù hợp với điều kiện hoạt động của động cơ có thể mang lại những kết quả tích cực

Ống phun có điều chỉnh Việc

điều chỉnh ống phun qua hai đại lượng:

động cơ Ở các chế độ tải cao hoặc tốc

độ cao, ống phun mở rộng tiết diện để

dòng khí lưu thông vào cánh tua bin,

còn tại vòng quay thấp hoặc thấp tải thì

ống phun giảm một phần tiết diện để

quá trình chuyển hóa năng lượng trong

ống phun được thay đổi theo hướng làm

tăng động năng dòng khí ra khỏi ống

phun vào tầng cánh tua bin Hình 1.5 mô

tả một ví dụ về sự thay đổi đặc tính công

suất và áp suất chỉ thị trung bình động cơ với ống phun cố định và ống phun điều

chỉnh [40]

Nhận xét: Qua các phân tích ở trên, việc điều chỉnh ống phun trong tua bin tăng áp là một trong các biện pháp có thể phục hồi một phần công suất và các chỉ tiêu khai thác của động cơ diesel tàu thủy trước những tác động không mong muốn của điều kiện và thời gian khai thác

1.5 Tình hình nghiên cứu về tua bin tăng áp và ống phun

1.5.1 Nghiên cứu ở nước ngoài

Trên thế giới có các công trình khoa học nghiên cứu về mô hình và mô phỏng quá trình công tác của tổ hợp động cơ và tua bin tăng áp Các nghiên cứu này dựa trên định luật bảo toàn khối lượng, các định luật nhiệt động học, và lý thuyết động lực học chất lưu (CFD)

Hình 1.5 Đặc tính động cơ với ống phun

cố định và ống phun điều chỉnh [40]

Đối với nghiên cứu về tua bin tăng áp, các lý thuyết được sử dụng rộng rãi, bao gồm lý thuyết giá trị trung bình (MVEM), lý thuyết dòng không chiều (zero–dimensional), lý thuyết dòng 1 chiều (1–D dimesional), lý thuyết động lực học

chất lưu (CFD) Đối với các nghiên cứu về quá trình công tác của động cơ đốt trong, bản chất vật lý của các quá trình nhiệt động trong xy lanh được mô tả bằng các phương trình toán học và được hoàn thiện để gần đúng với thực tế Mô hình quá trình cháy của Wiebe [41] và mô hình truyền nhiệt của Woschni [93] được ứng dụng và phát triển bởi nhiều nhà khoa học, tiêu biểu như Benson and WhiteHouse [21], Heywood [57], Ferguson và KirkPatrick [27], Woodyard [49], Wilbur [91], Lark Eriksson [51] v.v

1.5.1.1 Nghiên cứu về lý thuyết tăng áp hiện đại

Nghiên cứu lý thuyết tăng áp được thực hiện phần lớn trong các phòng thí nghiệm của các trường đại học và viện nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ từ những năm 1960 trở lại đây

T ổng quan về lý thuyết tăng áp hiện đại Các mô hình toán học và lý thuyết

cơ bản của tăng áp động cơ đốt trong được phân tích và tổng hợp, như trong các công trình khoa học của Watson và Jonata [40], Lars Eriksson [51], Nguyen Schafer [71], Hermann [30], Dixon [48] v.v Lý thuyết giá trị trung bình được áp dụng rộng rãi cho các mô hình toán động cơ đốt trong và tua bin tăng áp, các nghiên cứu dựa trên nguyên lý MVEM đã đơn giản hóa các yếu tố không ổn định nhưng vẫn cho

kết quả chính xác được đánh giá bằng các thực nghiệm, tiêu biểu như Theotokaros [54], Jensen [58], Hendrick [29], Malkhede [64], Dinescu [24] v.v

Mô hình hóa các thông s ố cơ bản của tua bin Các nghiên cứu theo các

cách khác nhau đã đưa ra mô hình toán học các đặc tính của tua bin như hiệu suất, lưu lượng và công suất Đáng chú ý có các nghiên sau:

Mô hình hóa đặc tính lưu lượng tua bin Sieros [81] và Xiande [52] đưa ra

mô hình biểu thức lưu lượng qua hai biến số là tốc độ tua bin nt và tỷ số giãn nở

t Sieros [81] cho rằng, lưu lượng có thể mô phỏng bằng đa thức bậc 2 của tốc

độ nt và tỷ số giãn nở t Xiande [25] xác lập mô hình lưu lượng là hàm số mũ của

tốc độ nt và tỷ số giãn nở t

Mô hình tính hi ệu suất tua bin Moraal và Kolmanovsky [32] đưa ra mô

hình đa thức với hai biến là tốc độ tua bin nt và tỷ số tốc độ cánh Rbs Lars Eriksson [51] xác định hiệu suất theo hàm số bậc 2 của tỷ số tốc độ cánh Rbs

Mô hình tính công su ất tua bin Kang [82],Wahlstrom [37] thiết lập các mô

hình toán học công suất tua bin dựa trên các yếu tố nhiệt động và hình học, trong

đó xét đến góc dẫn hướng ống phun Zeng [95] mô hình biểu thức hiệu suất tua bin là hàm số của góc dẫn hướng ống phun và tốc độ tua bin Biểu thức công suất tua bin được thiết lập và hiệu chỉnh bằng thực nghiệm với sai lệch 4,5%

1.5.1.2 Nghiên cứu mô phỏng động cơ diesel và tua bin tăng áp

Nghiên cứu mô phỏng đã tối ưu hóa các chi tiết và đặc tính làm việc của hệ thống, giảm bớt thời gian và tăng hiệu quả của công tác thiết kế Mô phỏng ống phun nằm trong mô phỏng chung động cơ và tua bin tăng áp được thể hiện qua các nghiên cứu sau:

Nghiên c ứu mô phỏng bằng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng (AVL Boost, GT Power, KIVA, Ricardo Wave…) Theotokatos [31] đã mô phỏng động

cơ diesel tàu thủy 2 kỳ sử dụng nhiên liệu diesel và khí hóa lỏng trên cơ sở lý thuyết giá trị trung bình (MVEM) kết hợp phần mềm mô phỏng GT Power với sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực tế 3% Kết quả mô phỏng xác định khoảng

tối ưu của góc phun sớm và góc đóng mở xu páp để giảm lượng khí xả ra môi trường Yao [94] mô phỏng chu trình nhiệt động của động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ

bằng phần mềm AVL Boost, để đánh giá các thông số quá trình cháy đến tổn thất năng lượng và giải pháp nâng cao hiệu suất chu trình.Chryssakis [45] nghiên cứu

lý thuyết động lực học chất lưu (CFD) trong phần mềm KIVA đối với động cơ diesel tàu thủy 2 kỳ ở chế độ toàn tải Kết quả chỉ ra với mô hình mô phỏng được thiết lập có thể giảm lượng khí phát thải NOx đến 80% bằng phun nước trong quá trình cháy, nhưng có nhược điểm là làm giảm đặc tính tiêu hao nhiên liệu và tăng lượng bồ hóng trên đường xả

Nghiên c ứu mô phỏng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab/Simulink Soares và

các cộng sự [35] xây dựng mô hình tối ưu các tham số cho mô phỏng động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ MAN 18V32 bằng phần mềm Matlab kết hợp Ricardo Wave

Kết quả mô phỏng xác định được ảnh hưởng của góc phun sớm và góc đóng mở

xu páp đến suất tiêu hao nhiêu liệu ở các chế độ tải khác nhau của động cơ Yuanyuan và các cộng sự [86] áp dụng cho đối tượng là động cơ diesel tàu thủy

thấp tốc 2 kỳ, 7 xy lanh, với kết quả mô phỏng và thực tế sai lệch 3,96% Maftei

và các cộng sự [63] dùng cấu trúc Stateflow trong Matlab áp dụng cho hệ động

lực diesel tàu thủy, mô hình này đã xây dựng được các đặc tính tốc độ và trạng thái chuyển tiếp của hệ động lực Mô phỏng động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ cỡ lớn

của Baldi và các cộng sự [43], bằng Matlab/Simulink, đã chỉ ra rằng khi giảm tiết

diện cửa vào ống phun của tua bin sẽ giảm nhiệt độ khí xả và giảm suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Tuy nhiên, nếu giảm tiết diện quá lớn sẽ có tác dụng ngược

lại Nghiên cứu này chưa định lượng được tác động của tiết diện ống phun, chưa xác định được điểm tối ưu của tiết diện đối với các thông số được khảo sát

1.5.1.3 Nghiên cứu thực nghiệm về tua bin tăng áp:

Các nghiên cứu thực nghiệm đã tập trung vào các giải pháp công nghệ để nâng cao đặc tính kỹ thuật của tua bin tăng áp Bên cạnh đó còn có các nghiên cứu trong vận hành khai thác nhằm tối ưu hóa và nâng cao hiệu quả công tác của

hệ thống tua bin tăng áp – động cơ ứng với điều kiện thực tế

Nghiên cứu của Rajoo [74] đối với hai loại van xoay và van trượt trong hệ

thống điều khiển dòng khí xả vào tua bin hỗn hợp, bao gồm cả dòng hướng kính

và dòng hướng trục Nghiên cứu chỉ ra rằng với công nghệ van xoay với góc xoay

từ 400 đến 800, mặc dù có nhiều chi tiết cơ khí hơn, nhưng hiệu suất của tua bin tăng áp cao hơn của van trượt cùng điều kiện là 5%

Nghiên cứu thực nghiệm của Jiaqiang và các cộng sự [59] trên động cơ diesel YC6J200– 42 (147kW) lắp đặt trên các xe bus đang lưu hành chỉ ra rằng so với tua bin có ống phun cố định, tua bin có ống phun điều chỉnh tăng hiệu suất ở các chế độ động cơ có tốc độ thấp và giảm được bình quân 6% suất tiêu hao nhiên

liệu của động cơ trong quá trình hoạt động

Jaehoon Cheong và các cộng sự [23] nghiên cứu công nghệ điều chỉnh góc dẫn hướng ống phun lắp trên diesel cao tốc dung tích 2,5L Kết quả chỉ ra rằng ở

chế độ tốc độ thấp, cùng áp suất cháy cực đại, động cơ tăng áp có ống phun điều

chỉnh đã tăng mô men xoắn lớn hơn 44% so với khi ống phun cố định

Matsumoto và các cộng sự [65] đã nghiên cứu chế tạo ống phun trong tua bin với vật liệu ống phun bằng thép hợp kim Ni35Cr5Si2, có thể chịu được nhiệt

độ khí xả lên tới 12870K (1050 0C), nhờ đó có thể giảm trọng lượng và nâng cao đặc tính của tua bin tăng áp

Về nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ đang khai thác Sapra [77] và S Cong [46] đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của phản áp đối với chế độ thấp tải lớn hơn nhiều so với chế độ toàn tải Theo Sapra nhiệt độ khí

xả có thể tăng lên 6,7% khi phản áp tăng 0,5 bar Schieman [78] nghiên cứu các

giải pháp nâng cao hiệu suất tua bin trong khai thác, trong đó sử dụng hệ thống phun rửa tự động bằng nước và hạt kim loại để làm sạch bề mặt cánh tua bin và cánh máy nén

1.5.1.4 Nghiên cứu điều chỉnh ống phun trong tua bin tăng áp để nâng cao đặc tính kỹ thuật của động cơ

Các nghiên cứu thiết lập mối quan hệ giữa các đặc tính kỹ thuật của động với

độ mở ống phun, từ đó xác định các chế độ tối ưu cho động cơ được nghiên cứu

Wang và các cộng sự [88] nghiên cứu giải pháp phục hồi công suất cho động cơ diesel tăng áp 1.85L hoạt động ở độ cao 1920m so với mặt biển Nghiên

cứu sử dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (response surface methodology) và phương pháp lập trình tuần tự bậc hai (Sequential quadratic programming) để xác định công suất và các đặc tính kỹ thuật Nghiên cứu chỉ ra rằng với việc tối ưu các yếu tố như thời gian phun nhiên liệu, áp suất phun và độ mở ống phun, công suất

có thể phục hồi xấp xỉ 3.17%

Samoilenko và các cộng sự [76] nghiên cứu nâng cao đặc tính kỹ thuật cho động cơ diesel V6 bằng phương pháp thiết kế mới bộ tăng áp điều khiển được tiết diện ống phun, thay thế cho bộ tăng áp cũ không có ống phun Kết quả nghiên

cứu cho thấy: ở chế độ tốc 40%÷60% tốc độ định mức, suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm được 10%, nhiệt độ khí xả có thể giảm 400C

Zang và các cộng sự [97] nghiên cứu thay đổi biên dạng cánh dẫn hướng

của ống phun của bộ tăng áp J110 bằng lý thuyết nhiệt động học, sau đó kiểm nghiệm lại bằng lý thuyết động lực học chất lưu (CFD) Kết quả nghiên cứu cho

thấy sự suy giảm hiệu suất nhiệt động của dòng khí khi chuyển động qua ống phun

là không đáng kể Suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí xả có thể giảm 8,1 g/kW.h và 77 0C, mô men cực đại tăng 250 Nm

1.5.2 Nghiên cứu trong nước

Trong nước có các công trình nghiên cứu về động cơ diesel và tua bin tăng

áp Các mô phỏng và thực nghiệm thực hiện trên các phần mềm Ansys, AVL – Boost, KIVA, Star–CD ở các phòng thí nghiệm động cơ, được gắn với các đề tài nghiên cứu về nhiên liệu mới và khí xả Các nghiên cứu được thực hiện bởi các tác giả tại các trường đại học (Đại Học Bách Khoa, Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, Đại Học Hàng Hải Việt Nam): Nguyễn Tất Tiến [14], Phạm Minh Tuấn [19], Hà Quang Minh [7], Lê Viết Lượng [5], Lê Anh Tuấn [9]

Nghiên cứu về tua bin tăng áp ở trong nước tập trung vào hai hướng chính: – Nghiên cứu mô hình toán và mô phỏng quá trình công tác của động cơ – tua bin tăng áp, các công trình nghiên cứu được công bố trong các luận án tiến sĩ

và trên các tạp chí khoa học chuyên ngành

– Nghiên cứu nâng cao chất lượng hoạt động của động cơ đang khai thác, các nghiên cứu này thường đi kèm với các đề tài nghiên cứu cấp cơ sở và cấp bộ

1.5.2.1 Nghiên cứu mô hình toán và mô phỏng quá trình công tác động cơ

và tua bin tăng áp

Các nghiên cứu này tập trung vào mô phỏng nhiệt động các quá trình công tác của động cơ và cụm tăng áp, bằng các phần mềm mô phỏng một chiều (1–D)

và mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) Tiêu biểu có các nghiên cứu sau:

Lê Anh Tuấn [16] mô phỏng động cơ diesel 4 kỳ và tua bin tăng áp, đối tượng là động cơ tăng áp D1146TI (Hàn Quốc sản xuất), sử dụng phần mềm mô

phỏng AVL – Boost, AVL – Tycon, AVL – Exciter Kết quả nghiên cứu chỉ ra: Động cơ hoạt động với bộ tăng áp mới của hãng Garrett, tỷ số tăng áp đạt 2,29 ở

tốc độ 2200 v/ph của động cơ, Công suất động cơ từ 131 kW (2300v/ph) tăng lên được 177 kW (2300 v/ph) Hiệu suất tua bin đạt cực đại ở 1200 v/ph, có xu hướng

giảm khi tốc độ động cơ tăng Khi tua bin tăng áp đó lắp thêm van xả, khi tốc độ vòng quay lên đến 2000 v/ph, van xả bắt đầu hoạt động, hiệu suất tua bin tăng tăng rõ rệt theo với độ mở rộng của van xả

Huỳnh Thành Công [15] mô phỏng động cơ diesel 4 kỳ RV165–2 bằng

phần mềm AVL – Boost, qua đó đề xuất phương án cải tiến họng nạp để tăng hiệu

suất nạp cho động cơ diesel Các kết quả mô phỏng cho thấy: có thể cải tiến họng nạp để tăng tốc cho dòng khí nạp, đồng thời trường nhiệt độ và áp suất khí nạp trong xy lanh phân bố đều hơn, nâng cao hệ số nạp lên 11,79%, công suất và mô men của động cơ tăng thêm 18,79% ở tốc độ vòng quay 2400 v/ph Bên cạnh đó còn giảm được phát thải muội than và khí CO trong khí xả từ động cơ

Lê Văn Điểm và các cộng sự [3] đã xây dựng một mô hình mô phỏng động lực học dòng khí xả qua tua bin tăng áp bằng phần mềm Ansys Fluent, cho tua bin tăng áp VTR 160 với ống phun cố định, lắp đặt trên động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ Sulzer 3AL25/30 Kết quả nghiên cứu mô phỏng cho thấy khi vận tốc dòng khí qua ống phun tăng lên làm tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng từ áp năng sang động năng của dòng khí xả, nhưng đồng thời cũng làm tăng thêm tổn thất năng lượng của dòng khí đó Vì vậy đối với động cơ diesel cũ, có thể tăng chất lượng làm việc của hệ thống tăng áp bằng cách thay thế cụm ống phun có biên dạng phù

hợp với chế độ khai thác nhất định

1.5.2.2 Nghiên cứu nâng cao chất lượng công tác của tua bin tăng áp đối

v ới động cơ đang khai thác

Các nghiên cứu này tập trung vào các hệ động lực diesel – tua bin tăng áp đang khai thác, nhằm nâng cao một số chỉ tiêu kỹ thuật cho hệ động lực

Lương Công Nhớ và các cộng sự [11] đã nghiên cứu để tăng công suất khai thác động cơ chính lai chân vịt định bước đã có thời gian dài khai thác Các tác

giả sử dụng lý thuyết logic mờ để tính toán định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến công suất khai thác của động cơ diesel Nghiên cứu đã thống kê được rằng 20% trong số các động cơ đang khai thác bị tác động xấu bởi sự biến dạng và tắc bẩn

ở hệ thống khí xả, trên 80% trong số đó bị tác động bởi sức cản tăng lên ở sinh hàn gió, chỉ có khoảng 3%÷5% ảnh hưởng bởi phản áp sau tua bin Các tác giả đã

đề xuất các giải pháp để nâng cao công suất bằng các giải pháp trong khai thác và bảo dưỡng động cơ, trong đó có việc thử nghiệm sử dụng một số loại hóa chất nội địa (MT134E và MT135E) để xử lý sinh hàn gió, kết quả đã đạt được yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật trong khai thác động cơ cũ

Lê Đình Vũ [20] đã tính toán thiết kế cải tiến hệ thống nạp–thải để cải thiện công suất cho động cơ DSC 80 Tác giả sử dụng phần mềm Star CD mô phỏng dòng khí và xác định các thông số nhiệt động học của dòng khí Kết quả chỉ ra

rằng với hệ thống nạp thải mới, công suất động cơ tăng thêm được 30%

Nguyễn Văn Tuấn [17] đã xây dựng hệ logic mờ để đánh giá động cơ diesel trong lĩnh vực khai thác và bảo trì tàu thủy Tác giả đã chỉ ra với tình trạng kỹ thuật của nhóm rô to tua bin, tuyến xả sau tua bin, ống phun khí xả và sinh hàn gió giảm xuống mức trung bình (50%), nhiệt độ khí xả tăng thêm 35% ÷ 40 %

Nguyễn Đại An [1] đã nghiên cứu cải tiến hệ thống nạp–thải khi thủy hóa động cơ diesel Sông Công họ D50 Tác giả đã xây dựng mô hình dao động áp suất trên đường ống để xác định được chiều dài tối ưu của đường ống khí xả Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã nâng cao thêm được thêm 10% công suất và giảm 8%

suất tiêu hao nhiên liệu cho động cơ D242

Nguyễn Tiến Hán [4] đã nghiên cứu khả năng tăng áp cho động cơ diesel

đang lưu hành Tác giả sử dụng phần mềm AVL Boost để đánh giá khả năng làm

việc của động cơ có tăng áp bằng tua bin khí xả và thiết lập được một quy trình tính toán và lắp đặt hệ tăng áp bằng tua bin khí xả cho động cơ diesel chưa có tăng

áp Kết quả áp dụng tính toán mô phỏng được áp dụng cho công tác lắp đặt tăng

áp GT2554R lên động cơ không có tăng áp D243 nhằm tăng công suất Kết quả

thực nghiệm chỉ ra: sau khi lắp tua bin tăng áp, công suất có ích tăng thêm được

46,6%, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ giảm 7,27%

Phan Văn Quân [12] nghiên cứu ảnh hưởng của sức cản thân tàu đến sự làm việc của tua bin tăng áp động cơ disel máy chính Kết quả nghiên cứu đã chỉ

ra rằng: khi sức cản thân tàu tăng, thì điểm làm việc của động cơ chính chuyển về vùng có vòng quay thấp hơn, áp suất khí nạp giảm, tốc độ tua bin giảm, sức cản trên đường xả của động cơ tăng, làm giảm hiệu suất làm việc của động cơ và tua bin máy nén Khi đó nhiệt độ khí xả tăng lên làm biến dạng cánh ống phun và tua bin, gây ra rung động và trạng thái làm việc mất ổn định dẫn đến tác hại lớn đến

hoạt động của động cơ và tua bin tăng áp

1.5.3 Nhận xét chung

V ề các nghiên cứu trong nước: Các nghiên cứu trong nước đã xác lập mối

quan hệ giữa công suất động cơ diesel và các yếu tố kỹ thuật tác động đến động

cơ và tua bin tăng áp, chủ yếu là hệ thống nạp [1], hệ thống xả [4] [20], hoặc đồng

thời cả nạp và xả [11] [17] Đã có nghiên cứu đề cập đến ống phun trong tua bin tăng áp như các nghiên cứu [3] [12]

Ưu điểm: Các nghiên cứu trong nước đã đạt được những kết quả tích cực,

kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Mô hình và mô phỏng hệ thống khí nạp,

hệ thống khí xả, tua bin tăng áp, cải tiến và nâng cao các chỉ tiêu công tác của động cơ đang hoạt động

Hạn chế: Chưa có công trình nào nghiên cứu sâu về ống phun trong tua bin

tăng áp trên động cơ diesel tàu thủy

V ề các nghiên cứu quốc tế: Các công trình nước ngoài đa dạng cả về lý

thuyết và thực nghiệm: mô hình, tính toán các thông số dòng khí xả kết hợp với quá trình công tác của động cơ, đưa ra phương án giảm thiểu khí thải ra môi trường; mô hình toán học sự phối hợp công tác giữa động cơ và tua bin tăng áp, tìm điểm phối hợp công tác để nâng cao công suất và hiệu suất của tổ hợp Các nghiên cứu đó đã giải quyết các vấn đề cụ thể sau:

– Mô hình toán và mô phỏng quá trình công tác động cơ, trong đó ống phun

là một thành phần quan trọng, Các kết quả mô hình toán và mô phỏng để khảo sát

đặc tính của động cơ và tua bin tăng áp, như các nghiên cứu [38], [43], [79],[87]

– Nâng cao công suất, hiệu suất và đặc tính tua bin, giảm khí thải môi trường ở các chế độ hoạt động của động cơ, đặc biệt là chế độ chuyển tiếp, chế độ

thấp tải, như các nghiên cứu [32], [39], [58], [66], [81], …

– Nghiên cứu ứng dụng để nâng cao độ bền và độ tin cậy, phát triển kết cấu

mới, đa dạng tính năng của tua bin tăng áp, như các nghiên cứu [65], [72] …

Đã có một số nghiên cứu về ống phun, đề cập đến mối quan hệ của tổ hợp

động cơ và tua bin tăng áp ở các chế độ tốc độ khác nhau Tuy nhiên, chưa có

nghiên c ứu nào đi sâu điều chỉnh tiết diện ống phun để nâng cao công suất và các

ch ỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ chính lai chân vịt tàu thủy đang khai thác

1.6 Đặt bài toán và phương hướng nghiên cứu

Công suất là một trong các thông số cơ bản và quan trọng nhất của động

cơ Việc nâng cao hoặc duy trì công suất luôn luôn là mục tiêu của đối với lĩnh

vực thiết kế chế tạo động cơ, sửa chữa bảo dưỡng, và vận hành khai thác

Động cơ diesel tàu thủy đang khai thác chịu tác động lớn từ yếu tố bên ngoài như tình trạng vỏ tàu, điều kiện thời tiết, sóng gió…điều này dẫn tới tình

trạng kỹ thuật của động cơ trong đó có hệ thống phân phối khí suy giảm, dẫn tới

số vòng quay khai thác và công suất giảm xuống sau một thời gian hoạt động Nâng cấp cải tiến hệ thống phân phối khí để phục hồi công suất và số vòng quay

là giải pháp quan trọng, mang lại hiệu quả cao trong khai thác bảo dưỡng và sửa

chữa động cơ Bên cạnh đó, trong tình hình hiện tại đối với các công ty vận tải

biển trong nước của Việt Nam, việc mua sắm trang thiết bị mới không phải là điều

dễ dàng bởi chi phí đắt đỏ và sự cạnh tranh ngày càng lớn Từ đó cải tiến nâng cấp các trang thiết bị sẵn có với chi phí phù hợp là bài toán thực tế đặt ra

Khi sửa chữa và bảo dưỡng động cơ diesel chính trên tàu thủy, ống phun trong tua bin tăng áp là đối tượng được chú ý đến Trong thực tế, để tăng tốc độ tua bin và áp suất khí nạp, ống phun đã được sửa chữa bằng cách thu hẹp tiết diện đường khí lưu thông và vẫn giữ nguyên góc dẫn hướng Phương án này đã được

sử dụng, mang lại kết quả tích cực, tuy nhiên, cách làm vẫn dựa trên kinh nghiệm