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) TT

NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực... Xuất phát từ thực tế trên, đề tài

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Công trình được hoàn thành tại trường Đại học Giao thông Vận tải Tp.Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn khoa học: 1 TS Bùi Hồng Dương

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN

LUẬN ÁN

Bài báo đăng trong các tạp chí và kỷ yếu hội nghị trong nước:

1 Nguyễn Quang Vinh, Bùi Hồng, Dương Lê Văn Vang Modeling

turbocharger of marine diesel generator engine in steady load conditions,

Hội nghị Khoa học và Công nghệ Cơ khí Động lực lần thứ XII, Câu lạc bộ

Cơ khí Động lực, bài báo được đăng trong tạp chí Khoa học Kỹ thuật và Môi trường số đặc biệt, 2019

http://tailieuso.tlu.edu.vn/handle/DHTL/9232

2 Nguyễn Quang Vinh, Lê Văn Vang, Bùi Hồng Dương, Đỗ Đức Lưu

Mô phỏng quá trình công tác của động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ 6EY26W trên

cơ sở hồ sơ kỹ thuật động cơ Hội Nghị Khoa Học Công Nghệ lần thứ 4,

ĐH Giao Thông Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh, 2018

3 Nguyễn Quang Vinh, Lê Văn Vang, Bùi Hồng Dương Mô hình

toán cụm tăng áp tua bin khí động cơ diesel 4 kỳ xác định ảnh hưởng của

độ mở ống phun đến đặc tính làm việc Hội Nghị Khoa Học Công Nghệ lần

thứ 4, ĐH Giao Thông Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh, 2018

4 Nguyễn Quang Vinh, Lê Văn Vang, Bùi Hồng Dương, Nghiên cứu

xác định hệ số khí sót ở động cơ diesel 4 kỳ bằng phương pháp phân tích chu trình nhiệt động Tạp chí Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải,

2017

5 Lê Văn Vang, Bùi Hồng Dương, Nguyễn Quang Vinh Nghiên cứu

đặc tính áp suất và lưu lượng khí nạp ở các chế độ làm việc của động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí xả Tạp chí Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải, 2017

Bài báo đăng trong các tạp chí và kỷ yếu hội nghị quốc tế:

6 Do Duc Luu, Nguyen Quang Vinh Affections of Turbine Nozzle

Cross-Sectional Area to the Marine Diesel Engine Working International

Journal of Maritime Science & Technology, Croatia, 2021 Tạp chí nằm trong danh mục ESCI và Q2-Scopus

https://doi.org/10.17818/NM/2021/2.1

7 Nguyen Quang Vinh, Bui Hong Duong, Le Van Vang Modelling

and experimental validation of a VNT turbocharger for improving performances of a marine diesel generator engine International Journal of

Maritime Science & Technology, Croatia, 2020 Tạp chí nằm trong danh mục ESCI và Q2-Scopus

https://doi.org/10.17818/NM/2020/2.2

8 Do Duc Luu, Nguyen Quang Vinh Theoretical and Experimental

Integration for Working Process Simulation on Marine Diesel Engine

Advances in Engineering Research and Application Proceeding of the

International Conference ©SpringerNatureSwitzerland, 2019 Tạp chí nằm trong danh mục Scopus

https://doi.org/10.1007/978-3-030-04792-4_75

9 Nguyen Quang Vinh, Le Van Vang, Bui Hong Duong Researching

adjustment of nozzles of turbocharger to improve the power output of marine diesel generator engine, Nasemore Conference Proceeding,

International Journal of Maritime Science & Technology, Croatia, 2019

10 Nguyen Quang Vinh, Le Van Vang, Bui Hong Duong, A

Matlab/Simulink simulation of working processes of a diesel engine to evaluate its power Asia Maritime & Fisheries Universities Forum, 2017

MỞ 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 (MDE) hiện đại

Đối với động cơ chính trên các tàu vận tải biển đa phần là các động cơ diesel trung tốc hoặc thấp tốc sử dụng tua bin tăng áp (TBTA) có ống phun (OP) cố định Các 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 và nhiệt độ khí xả tăng Đối với 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 cố định Ở chế

độ khởi động và thấp tải, nhiên liệu thường không cháy hết do lượng khí nạp không đủ, do đó hiệu suất quá trình cháy thấp và phát thải nhiều khí ô nhiễm ra môi trường Điều chỉnh ống phun trong tua bin tăng áp là một trong những biện pháp nhằm hoàn thiện quá trình cháy, cải thiện các chỉ tiêu công tác của động cơ

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 cải thiện các chỉ tiêu

kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy đang khai thác trong nước

2 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu chung: Nâng cao công suất và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật

cho động cơ diesel tàu thủy đang khai thác

Mục tiêu cụ thể:

– Thiết lập một mô hình toán quá trình công tác của động cơ diesel tàu thủy tăng áp bằng tua bin xung áp Trên cơ sở mô hình toán đã thiết lập, lập trình mô phỏng quá trình công tác của động cơ và tua bin tăng áp

– Sử dụng chương trình mô phỏng để xác định 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

– Ứng dụng các kết quả mô phỏng đối với động cơ diesel 4 kỳ tại phòng thí nghiệm và trên tàu để đánh giá độ chính xác mô phỏng và điều chỉnh ống phun nhằm nâng cao công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

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

diesel tàu thủy (Duetz 226B trong phòng thí nghiệm và MAK43 trên tàu thực)

– 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 quá độ, chuyển tiếp cũng chưa được xem xét đến

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Kết hợp giữa các phương pháp nghiên cứu lý thuyết (mô hình hóa, mô phỏng số) 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, trên động cơ Deutz 226B, kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để thực hiện các nghiên cứu trên động cơ MAK43 đang khai thác Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ đang khai thác để kiểm nghiệm tính khả thi của luận

án và hoàn thiện cơ sở lý thuyết

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

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

áp tua bin khí Kết quả mô phỏng trong Matlab/ Simulink có thể phục vụ

cho nghiên cứu động cơ, tua bin tăng áp và sử dụng trong công tác đào tạo đại học và sau đại học

- Đánh giá được các ảnh hưởng của ống phun đến công suất và các chỉ tiêu công tác khác của động cơ diesel

- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật tương đối hiệu quả để nâng cao công suất và chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy

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

kỹ thuật thiết thực

6 Những đóng góp mới của đề tài luận án

- Thiết lập mô hình toán quá trình công tác tổ hợp động cơ diesel – tua bin tăng áp, xây dựng hệ phương trình xác định công suất tua bin thông qua góc dẫn hướng và tiết diện ống phun

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

- Đánh giá định lượng tác động của ống phun đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ Dự đoán tiết diện tối ưu của ống phun cho động

cơ đang khai thác

- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật nâng cao công suất và các thông số kỹ thuật của động cơ diesel tàu thủy thông qua việc điều chỉnh ống phun

7 Bố cục của luận án

Luận án bao gồm 127 trang A4 (không kể phụ lục) Bao gồm các phần: Phần mở đầu, phần nội dung (4 chương); phần kết luận và kiến nghị; danh mục các công trình đã công bố liên quan đến đề tài luận án; tài liệu tham

khảo; phụ lục

Chương 1 Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua

bin tăng áp đến động cơ diesel tàu thủy 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 tận dụng được nguồn năng lượng khí xả để cung cấp năng lượng cho khí nạp, tăng áp suất, mật độ khí nạp v và cải thiện hệ số nạp v, do đó nâng cao được công suất và hiệu suất động cơ

Sự suy giảm công suất của các động cơ diesel tàu thủy (MDE)

Cường độ hoạt động của động cơ trên tàu thủy là khá lớn, 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 tải trọng cao Vì vậy, công suất động cơ sau một thời gian khai thác bị suy

giảm đáng kể

Ống phun trong tua bin tăng áp

Ống phun (Turbine Nozzle) còn gọi là ống

tăng tốc, nằm trong TBTA nhằm dẫn hướng

và tăng tốc cho dòng khí Các loại tua bin nhỏ

không có ống phun, dòng khí từ ống góp tác

động trực tiếp vào cánh tua bin Ống phun có

thể cố định, hoặc ống phun điều chỉnh được

hướng và tiết diện

Nghiên cứu về tua bin tăng áp và ống phun

Nghiên cứu trong nước Nghiên cứu mô phỏng: Các nghiên cứu tập

trung 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 học công chất (CFD) Như các nghiên cứu của Lê Anh Tuấn, Hà Quang Minh,

Lê Văn Điểm v.v Nghiên cứu cải thiện hệ thống phân phối khí để nâng cao chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ Như các nghiên cứu của Lương Công Nhớ,

Lê Đình Vũ, Nguyễn Văn Tuấn v.v

Nghiên cứu ở nước ngoài Tổng quan về lý thuyết tăng áp hiện đại, như

các nghiên cứu của Watson và Jonata, Nguyen Schafer, Hermann, Dixon, Lark Eriksson Nghiên cứu mô phỏng cho đối tượng là các động cơ diesel tàu thủy, bằng các phần mềm như ALV Boost, GT Power, KIVA, Matlab,

Hình 1.1 Ống phun trong TBTA

được thể hiện trong các nghiên cứu của Theotokatos, Sieros, Moraal v.v

Nhận xét chung

Các nghiên cứu trong nước: 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

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 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, chưa

có nghiên cứu nào đi sâu điều chỉnh tiết diện ống phun để nâng cao công suất và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ chính lai chân vịt tàu thủy đang khai thác

Đặt bài toán nghiên cứu Công suất là một trong những thông số quan

trọng nhất của động cơ 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 v.v 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 Bài toán đặt ra cho luận án là xây dựng một mô hình mô phỏng ống phun đúng đắn, tin cậy, và áp dụng thực

tế để nâng cao công suất, hiệu suất của động cơ

Kết luận chương 1

Từ phân tích tổng quan, một số kết luận chính được rút ra:

- Tăng áp bằng tua bin khí là phương pháp tăng áp hiệu quả nhất cho động cơ diesel tàu thủy nhằm tăng công suất, hiệu suất và giảm khí ô nhiễm

ra môi trường

- Trên thế giới và trong nước đã có những nghiên cứu về tua bin tăng

áp động cơ diesel, tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào về điều chỉnh tiết diện ống phun trong tua bin tăng áp để nâng cao công suất, giảm suất tiêu hao

nhiên liệu và nhiệt độ khí xả đối với động cơ diesel tàu thủy đang khai thác

- Ống phun đóng vai trò quan trọng trong tua bin tăng áp Nghiên cứu ảnh hưởng của ống phun đến hoạt động của tua bin và động cơ, qua đó nâng

cao công suất và hiệu suất cho động cơ đang khai thác là bài toán được đặt

ra cho luận án

Chương 2 Cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu ảnh hưởng của ống phun trong tua bin tăn áp đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ 2.1 Chu trình công tác động cơ diesel 4 kỳ

a Quá trình trao đổi khí của động cơ diesel 4 kỳ

Đánh giá chất lượng của quá trình trao đổi khí bằng hệ số nạp:

v c v p s c v n e c v (2.1)

Với ne (v/ph) – tốc độ động cơ; ps(N/m2) – là áp suất trước xu páp nạp;

cv1, cv2, cv3 là các hệ số

b Quá trình cháy của động cơ diesel 4 kỳ

Phương trình cân bằng năng lượng quá trình công tác bên trong xy lanh:

in

dx dQ

Q

Với Qin(kJ) – Lượng nhiệt lượng tỏa ra trong một chu trình, Qin=mf.QH,

QH (kJ/kg) nhiệt trị thấp của nhiên liệu; dxf/dt– tốc độ cháy của nhiên liệu

Truyền nhiệt qua thành vách xy lanh dQ w /d Xác định dựa trên mô

hình Woschni

φ φφ

2.2 Mô hình nhiệt động cụm tăng áp tua bin khí

Tua bin và máy nén cùng quay trên một trục Phương trình cân bằng năng lượng TB-MN theo định luật 2 Newton:

t t

Với Jt (kg.m2) là mô men quán tính của cụm TB-MN

2.2.1 Mô hình nhiệt động dòng khí qua máy nén

a Hiệu suất máy nén c

c Công suất máy nén

1 1/

c pa c c

c

m c T

Với cpa(kJ/kg.K) nhiệt dung riêng đẳng áp của khí nạp

2.2.2 Mô hình nhiệt động dòng khí qua tua bin

a Hiệu suất TB

Với t,max là hiệu suất lớn nhất của tua bin; Rbs(-) là tỷ số tốc độ cánh;

Rbs0 là giá trị tối ưu của Rbs

b Lưu lượng dòng khí qua tua bin:

Trong đó AT là tiết diện lưu thông của ống phun, ( t) là hàm số của

tỷ số giãn nở qua tua bin

c Vận tốc dòng khí tại đầu cánh tua bin

, 4

ke

n

t noz T t

Theo Zeng [36], góc dẫn hướng t là hàm đa thức bậc 3 của ut

Hình 2.1 Mối quan hệ độ mở ống phun ut và góc dẫn hướng t

Xác định tiết diện ống phun A T theo độ mở ống phun u t. Tiết diện lưu

thông của dòng khí [ATmin ATmax] tương ứng với ut=0%÷100%

Tiết diện lưu thông AT được xác định như sau [50]:

Trong đó bi(i=1÷4) là các hệ số hiệu chỉnh

e Công suất tua bin

=  =  3 3'sin

Sơ đồ thuật toán xác định công suất tua bin:

Mô hình hiệu suất

2.3 Phối hợp công tác động cơ và tua bin tăng áp

Hình 2.2 mô tả sự phối hợp công tác động cơ và tua bin tăng áp:

Hình 2.2 Phối hợp công tác giữa MDE và TBTA

Áp suất khí trước xy lanh p s. Xác định từ phương trình trạng thái khí lý tưởng:

= a s ei s

s

(2.17) Với ps(N/m2), Ts(K) – áp suất và nhiệt độ trước xu páp nạp; Ra – hằng

số khí nạp (kJ/kg), Vd(m3) – dung tích xy lanh, ne(v/ph) – tốc độ vòng quay,

v(-) – hệ số nạp

Lưu lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ m f (kg/s):

.120

f e cyl f

e e eo e

em

RT dm d

p

Với Re(kJ/kg.K) – hằng số khí xả; Te(0K) – nhiệt độ khí xả; Vem (m3)– thể tích ống góp khí xả

2.4 Kết luận chương 2

Chương 2 đã đạt được các nội dung chính sau:

– Tổng hợp được cơ sở lý thuyết cho mô phỏng các quá trình công tác

tổ hợp động cơ diesel và tua bin tăng áp, bao gồm các quá trình nhiệt động, quá trình phối hợp công tác ở các chế độ của hai thành phần cơ bản là động

cơ và tua bin tăng áp

– Lựa chọn mô hình cháy và mô hình truyền nhiệt để xây dựng mô hình

mô phỏng động cơ diesel, phù hợp với đối tượng nghiên cứu Các hệ số của

mô hình được hiệu chỉnh dựa trên nguyên lý hồi quy và phương pháp bình phương tối thiểu

– Xác lập biểu thức công suất tua bin dựa trên hai biến số: góc dẫn hướng và tiết diện ống phun Từ đó tích hợp nó vào trong tổng thể mô hình động cơ làm cơ sở để xác định ảnh hưởng của ống phun đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của động cơ

Trên cơ sở lý thuyết tại chương 2, các mô phỏng, thí nghiệm và thực nghiệm được tiến hành tại chương 3 và chương 4

Chương 3 Mô phỏng ảnh hưởng của ống phun đến công suất và các

chỉ tiêu kỹ thuật động cơ diesel tàu thủy

Mô phỏng được thực hiện trên các mô hình toán xác lập ở chương 2 Phần mềm lập trình mô phỏng được dùng: Matlab, với giao diện thiết lập trên Matlab/Guide, các quá trình, các mối liên hệ được mô phỏng bằng Matlab/Simulink Các kết quả mô phỏng dùng để khảo sát ảnh hưởng của ống phun đến các thông số cơ bản, đặc biệt là công suất của động cơ

3.1 Sơ đồ thuật toán cho mô phỏng quá trình công tác tổ hợp động

cơ – tua bin tăng áp (Hình 3.1)