khai thac dong luc tau thuy

7/21/2019 Khai Thac Dong Luc Tau Thuy

http://slidepdf.com/reader/full/khai-thac-dong-luc-tau-thuy 1/36



173

CHƯƠ NG 5: KHAI THÁC HỆ THỐNGĐỘNG LỰ C TÀU THỦY

Thông thườ ng nhà chế tạo đưa ra các hướ ng dẫn sử dụng hệ động lực khá đầy đủ. Vớ i nhiều hệ thống động lực, việc tuân thủ cáchướ ng dẫn này là đủ đảm bảo khai thác vận hành tốt.

Tuy nhiên hệ động lực tàu thủy có những đặc điểm khác biệt.Công suất hệ động lực tàu thủy có thể tớ i hàng chục ngàn kW thậmchí hàng tr ăm ngàn kW. Hệ động lực tàu thủy đượ c cấu thành từ nhiều hệ thống thiết bị phức hợ p. Ở hệ thống động lực này, động cơ điesel có thể lai chân vịt định bướ c hoặc chân vịt biến bướ c k ết hợ ptruyền động phát điện gia tải, Đặc biệt, môi tr ườ ng hoạt động tàuthủy thay đổi liên tục và có mối liên hệ hữu cơ vớ i đặc tính hoạtđộng của hệ động lực. Hệ động lực tàu thủy có những yêu cầu cao về k ỹ thuật khai thác vận hành nhằm đảm bảo an toàn cho con ngườ i và

phươ ng tiện. Chươ ng này sẽ lần lượ t giớ i thiệu những kiến thức k ỹ thuật khai thác cơ bản và đặc tr ưng dành cho hệ động lực tàu thủy.

5.1 Các tham số cơ bản

5.1.1 Một số khái niệm cần thiết

Động cơ làm nhiệm vụ là động cơ lai sẽ có các thông số tiêu biểu của chúng như: công suất, vòng quay, hiệu suất, suất tiêu haonhiên liệu…. Mối quan hệ giữa các thông số đượ c lượ ng hoá vớ i độ chính xác nhất định qua các công thức tính toán. Tuy nhiên, do sự thay đổi của điều kiện bên ngoài, sự thay đổi của bản thân thiết bị, sự thay đổi của mối quan hệ vỏ tàu và động cơ lai làm cho các quan hệ

vốn đượ c lượ ng hóa không còn như khi thiết k ế. Quan hệ đặc tínhcủa động cơ và thiết bị đượ c lai sẽ có những đặc tr ưng phản ánh sự phối hợ p làm việc giữa chúng. Các hệ thống thiết bị quan tr ọng lắ pđặt trong hệ động lực như hệ thống điều khiển, bộ điều tốc, thiết bị tăng áp… và chất lượ ng làm việc của chúng ít nhiều đều ảnh hưở ngtớ i sự làm việc của hệ thống và phải đượ c xem xét k ỹ lưỡ ng để pháthuy khả năng làm việc hệ thống và phòng ngừa các hư hại có thể xảyra khi có sự thay đổi ngoài mong muốn.



KHAI THÁC HỆ ĐỌNG LỰ C Tác giả: Nguyễn Văn Sơ n

Công ty TNHH Hệ Sinh Học http://www.Biosys.com.vn

174

5.1.2 Công suất

1) Có các khái niệm công suất ở động lực tàu thủy như sau:

-Công suất chỉ thị đo ở xy lanh động cơ

-Công suất có ích đo ở đầu tr ục công suất

-Công suất chân vịt-công suất tiêu thụ tại chân vịt.

-Công suất định mức là công suất thiết k ế động cơ

-Công suất tối thiểu là công suất khắc phục sức cản ma sátcủa bản thân hệ động lực.

-Công suất cực đại là công suất lớ n nhất động cơ cho phépvận hành trong vòng tối đa là 2 giờ (110 % công suất định mức, 103% vòng quay định mức)

-Công suất khai thác vào khoảng 85 - 90 % công suất địnhmức

-Công suất kinh tế cho phép tiết kiệm nhiên liệu nằm trong

khoảng 80 - 85 % công suất định mức-Công suất thử buộc tàu phải nhỏ hơ n giá tr ị định mức theoquy định của Đăng kiểm.

2) Cách xác định công suất gần đúng sơ bộ

a) Dựa vào hệ số hải quân Ce

233 .

e

a

D V P

C = (5.1)

Gần đúng

( )

10

1.82* 70.9eC L= +

Ở đây L=Chiều dài tầu (m) b) Dựa theo công suất tỉ đối

.e P Dα = (5.2)

D - lượ ng dãn nướ c (tấn)

Loại tàu Tàu dầu Tàu hàng Container Tàu khách

C/S tỉ đối α 0.1-0.4 0.3-0.9 1-1.5 0.8-1.5

Hệ số hải quân 270-370 180-300 220-320 180-260



175

c) Dựa theo đườ ng cong chân vịt

. n

e P B v= (5.3)

B- hệ số theo tàu mẫu

n= 3 vớ i tàu ổn định, n< 3 vớ i tàu chạy chậm; n>3 vớ i tàu cao

tốc. d) Dựa theo cách đo bằng dụng cụ Indicator tính ra công suấtchỉ thị.

e) Dựa theo cách đo mô men xoắn kiểu dùng điện tr ở căng tạitr ục chân vịt hoặc biến áp vi phân.

Phươ ng pháp xác đị nh công suấ t chỉ th ị động cơ diesel

dùng d ụng cụ đ o đồ thứ c - Indicator.

Dụng cụ đo đồ thức

Dụng cụ đo đồ thức dùng cho động cơ diesel đượ c thể hiệntrên hình 5.1. Nó gồm piston nhỏ có kích cỡ xác định lồng trong xilanh và tì lên lò xo chuẩn đặc biệt. Một liên k ết truyền động piston

Hình 5.1 Thi ế t b ị đ o đồ thứ c động cơ





176

tớ i tr ống quay trên đó có gắn giấy ghi loại đặc biệt. Tr ống quay daođộng (chuyển động tớ i và lùi) dướ i tác dụng kéo của dây chỉ thị. Dâychỉ thị đượ c chuyển dịch bở i cơ cấu tịnh tiến (lên và xuống) tỉ lệ vớ ichuyển dịch của piston động cơ trong xi lanh. Kim ghi vẽ đồ thức chỉ thị thể hiện áp suất trong xi lanh động cơ ở các điểm khác nhau của

hành trình, và diện tích đồ thức chỉ thị tạo ra thể hiện công tạo nêntrong xi lanh tươ ng ứng. Công suất xi lanh có thể đo đượ c nếu biếtcác hệ số tỉ lệ, chuẩn lò xo và một số chi tiết động cơ cơ bản. Giá tr ị công suất xi lanh đượ c dùng để so sánh giúp đánh giá cân bằng tảicác xi lanh. Việc hiệu chỉnh có thể tiến hành đối vớ i việc cung cấ pnhiên liệu để cân bằng tải khi cần thiết.

Ví dụ xác định công suất bằng đồ thức

Đồ thức trên hình 5.2 trên đượ c lấy từ động cơ hai k ỳ 6 xilanh. Hằng số lò xo của cơ cấu đo là 65 kPa/mm. Hành trình và

Hình 5.2 Đồ thứ c công chỉ th ị động cơ diesel



177

đườ ng kính piston động cơ là 1100 mm và 410 mm tươ ng ứng, vòngquay động cơ là 120 vg/ph. Việc xác định công suất chỉ thị như sau:

Đồ thức đượ c chia theo tr ục hoành ra 10 phần bằng nhau vàmỗi một phần lấy giá tr ị trung bình tung độ nằm giữa đườ ng giãn nở và đườ ng nén.

Độ cao trung bình đồ thức = tổng độ cao trung bình / tổng số phần chia.

htb = (3+4+5+7+8+9+11+14+26+42)/10 (5.4)

htb = 129/10

Áp suất chỉ thị pi = htb x hệ số lò xo (5.5)

pi = 12.9 x 65 = 838.5 kPa.

Công suất chỉ thị Pi = Áp suất chỉ thị * Diện tích piston *hành trình * Số hành trình sinh công * Số xi lanh. (5.6)

3.14*0.41*0.41 1201.1* *838.5* *6

4 60

i P = = 1460 kW.

Phươ ng pháp xác định công suất bằng xoắn k ế





178

Nếu có xoắn k ế đượ c tr ục truyển động và biết tốc độ góc,công suất bất k ỳ động cơ nào cũng có thể đo đượ c.

Công suất trên tr ục = mô men x tốc độ góc.

Mô men trên tr ục có thể lấy đượ c bằng cách đo ứng suất cắthoặc góc xoắn bằng xoắn k ế ví dụ loại xoắn k ế dùng điện tr ở găng(hình 5.3) hoặc biến áp vi phân (hình 5.4).

Ở thiết bị này bốn điện tr ở lực căng đượ c gắn trên tr ục như thể hiện trên hình 5.3. Sự vặn của tr ục do mô men xoắn làm biếndạng các điện tr ở dẫn đến thay đổi điện tr ở lực căng trong hệ thống

hoặc cầu đo. Theo hình vẽ, các chổi góp và vành tr ượ t đóng vai trò bộ tiế p điện cho các điện tr ở lực căng giúp nối kín mạch điện để hình thành mạch đo. Ở các thiết bị mớ i dùng gần đây thườ ng biếnđổi điện tr ở thành thay đổi tần số. Bộ biến tần đượ c đặt trên tr ụcđượ c sử dụng cho mục đích này: Tín hiệu tần số này sau đó đượ ctruyền không tiế p xúc tớ i bộ nhận tần số kiểu k ỹ thuật số. Khi mômen xuất hiện trên tr ục, giá tr ị đo của biến đổi điện tr ở sẽ xuất hiệnvà do đó sẽ cho hiển thị giá tr ị mô men xoắn. Một số hệ động lực có

Hình 5.3 Xoắn k ế dùng đ i ện tr ở l ự c căng



179

lắ p đặt thiết bị đo mô men xoắn trên tr ục lai. Nếu có giá tr ị mô menxoắn và tốc độ vòng quay có thể tính công suất có ích.

Loại xoắn k ế dùng biến áp vi phân dùng hai vỏ đúc ố p vào

tr ục để cung cấ p mạch từ có khe khí thay đổi đượ c như trên hình 5.4; phần vỏ đượ c nối vớ i nhau bằng các tấm tr ượ t thép mỏng. Các tấmthép nối này sẽ truyền độ xoắn nhưng không gây cản tr ở chuyểnđộng quay của hai vỏ ố p vớ i nhau.

Ví dụ tính công suất có ích Pe:

Pe = Te (kNm) * w (rad/s). (5.7)

Ví dụ tính toán:

Mô men xoắn trên tr ục có đượ c T= 320 kNm khi động cơ quay ở vòng quay

n = 110 vg/ph. Công suất có ích xác định như sau:

Pe = T x ω Pe = 320 x 2π x 110/60

Pe = 3684.2 kW.

Phươ ng pháp xác định công suất sử dụng đồ thị tổng hợ pSử dụng đặc tính tổng hợ p nêu trong chươ ng 4, hình 4.5 để

xác định gần đúng giá tr ị công suất trung bình.

Ví dụ động cơ Mitsubishi 7-45/15 H#12

Hình 5.4 Xoắn k ế dùng bi ế n áp vi phân





180

Công suất và vòng quay định mức: 5348 kW / 165 vg/ph.

Các giá tr ị đo:

Tham số Giá trị Công suất% Công suất kW

60 85 4545.8Rc

61 85.5 4572.54142 63 3369.24

Nc(vg/ph)144 64 3422.72

12800 89 4759.72 Nb(vg/ph)

12990 90 4813.2

1.6 84 4492.32Ps(bar)

1.62 85 4545.8

280 88 4706.24Te(độ C)

290 90 4813.2390 88 4706.24

Te1(độ C)400 90 4813.2

93 74 3957.52Pm(bar)

93 74 3957.52

Giá tr ị trung bình công suất là : 4391.09 kW, (tươ ng ứng vớ i82.107% giá tr ị định mức).

5.1.3 Vòng quay

Vòng quay chân vịt có xét đến hiệu suất đẩy của chân vịt và

thườ ng nằm trong khoảng 90 tớ i 250 vòng phút là tốt nhất. Vòngquay động cơ có thể bằng hoặc lớ n hơ n vòng quay chân vịt tùy thuộcloại hình truyền động tr ực tiế p hoặc là gián tiế p.

Chiều quay của chân vịt có loại thuận chiều kim đồng hồ, cóloại quay ngượ c chiều kim động hồ. Chiều quay có liên quan hiệntượ ng đẩy ngang của tàu.

Một luật bất thành văn là khi lắ p đặt chân vịt có bướ c khôngđổi, ngườ i ta dùng chiều quay thuận chiều kim đồng hồ ứng vớ ichiều tiến của tàu vớ i chân vịt thườ ng. Chân vịt biến bướ c thườ ng có



181

chiều quay ngượ c chiều kim đồng hồ khi tàu chạy theo chiều tiến.Chiều quay này sẽ quyết định chiều quay của động cơ .

Khi tàu đang hành trình, các cánh chân vịt sẽ ngậ p sâu ở cácvị trí thấ p nhất so vớ i vị trí cao nhất. Phần trên của dòng tr ượ t củachân vịt quay tròn tác động vào phần thân phía sau của tàu. Hiệu

quả đẩy ngang này càng mạnh khi nướ c càng cạn ví dụ như khi ma-nơ điều động trong cảng chẳng hạn.

Do đó, một chân vịt quay theo chiều kim đồng hồ (nhìn từ láitớ i mũi) sẽ có xu hướ ng đẩy đuôi tàu sang phía tay phải, ngh ĩ a là sẽ đẩy đuôi tàu sang phía tay trái khi chân vịt quay theo chiều ngượ clại. Điều này cần phải đượ c khử đi bằng bánh lái khi điều khiển tàu.

Khi đảo chiều quay chân vịt lúc điều động tàu ví như khi cậ pcầu, quay tr ở trong cảng, tác dụng đẩy một phía của chân vịt lênthân tàu cũng đảo chiều tác dụng lại.

5.1.4 Hiệu suất

Hiệu suất có ích 3600e

e H g Qη = trong đó ge là suất tiêu hao nhiên

liệu riêng của động cơ (kg/kW.h) và QH là nhiệt tr ị của nhiên liệu(J/kg). Hiệu suất có ích của động cơ e i mη η η = do vậy, k ỹ thuật khai

thác vận hành tốt phải đảm bảo các quá trình bên trong động cơ nhằm tăng cườ ng hiệu suất chỉ thị iη và giảm các tổn thất cơ giớ i để

tăng hiệu suất cơ giớ i mη . Bảng 5.1 cho thấy hiệu suất động cơ diesel

nằm trong khoảng tươ ng đối cao so vớ i một số loại hình khác.

Bảng 5.1 Suất tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất một số hệ động lực

Loại HTĐL Chu trình nhiệt Suất tiêu hao nhiênliệu (kg/kW.h) Hiệu suất có ích%

Turbine hơ i Rankine 0.231-0.3190 18-14

Diesel Diesel 0.2587-0.218 45-33

Turbine khí Braiton 0.229-0.435 45-55

5.2 Thiết lập chế độ làm việc ổn định của hệ động lự c





182

Trong khai thác vận hành hệ thống động lực tàu thủy chúngta thườ ng gặ p các chế độ khai thác dướ i đây:

Chế độ làm việc ổn định của động cơ đượ c đặc tr ưng bằng sự không đổi theo thờ i gian của các tham số chính.

Chế độ làm việc không ổn định của động cơ đượ c đặc tr ưng

bằng sự thay đổi theo thờ i gian của các tham số chính. Chế độ nàycòn gọi là chế độ chuyển tiế p.

Chế độ làm việc đặc biệt khi cần giải quyết vấn đề cụ thể vớ ihệ thống động lực. Các chế độ này đượ c sử dụng trong thờ i gianngắn nhưng cũng hết sức quan tr ọng vì r ất nhạy cảm vớ i các vấn đề có thể phát sinh sự cố.

5.2.1 Cơ sở thiết lập chế độ công tác động cơ

Sự cân bằng giữa năng lượ ng cung cấ p bở i động cơ và nănglượ ng yêu cầu của hệ thống động lực đảm bảo cho sự làm việc ổnđịnh. Chế độ hành trình ổn định trên biển của hệ thống động lực là ví

dụ rõ nhất cho tr ườ ng hợ p này. Đây cũng là chế độ làm việc lâu dàinhất đối vớ i động cơ và việc khai thác hợ p lý chế độ này là mộttrong những mục tiêu quan tr ọng nhất trong công tác quản lý hệ động lực.

Tùy thuộc tình tr ạng thực tế của hệ động lực và điều kiệnkhai thác cụ thể, cần lựa chọn chế độ công suất khai thác phù hợ p.Thườ ng ngườ i ta khuyến cáo sử dụng công suất khai thác đảm bảoduy trì tốc độ hành trình con tàu:

Pkt = 0.85-0.95 Pen (5.8)

Ở đây Pen – công suất định mức.

Các hãng chế tạo thườ ng đưa ra các đồ thị, đặc tính khai thác,các biểu đồ giớ i hạn vùng khai thác động cơ . Ngườ i sử dụng lựachọn công suất khai thác dựa trên các cơ sở đó.

Vì mục tiêu khai thác là đảm bảo khả năng công suất, tínhkinh tế và sự an toàn cho cả hệ thống nên thườ ng ngườ i sử dụng phảitìm phươ ng án khai thác tối ưu cho hệ động lực.

Mục tiêu của khai thác tối ưu là xác lậ p chế độ khai thác pháthuy tối đa khả năng công suất động cơ trên cơ sở đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế và các chỉ tiêu an toàn. Một yêu cầu nổi bật luôn kèm



183

theo là tuyệt đối không để hệ thống động lực quá tải mô men, quá tảicông suất, quá tải nhiệt hay quá tải vòng quay khi khai thác.

Vì những lý lẽ trên, việc lựa chọn sẽ ưu tiên cho chế độ côngtác nằm trong vùng quy định an toàn mà nhà chế tạo khuyến cáo.Thêm vào đó, các thông số động cơ phải luôn đượ c kiểm tra đối

chiếu xem có đảm bảo tr ạng thái làm việc bình thườ ng của hệ độnglực không. Công việc này r ất quan tr ọng do điều kiện khai thác cóthể liên tục thay đổi buộc động cơ đáp ứng theo. Mặt khác chúng tacũng phải chú ý tớ i sự thay đổi công suất động cơ do thay đổi điềukiện khí hậu môi tr ườ ng, vi khí hậu trong buồng máy, tình tr ạng k ỹ thuật cụ thể trang thiết bị…

Về mặt k ỹ thuật mà nói, có thể lậ p từng phươ ng áp khai tháccho mỗi một điều kiện nêu trên nhưng tốt nhất chúng ta thiết lậ p phươ ng án khai thác tổng hợ p khi xét tớ i tất cả các vấn đề này.

Xác lậ p phươ ng án khai thác hợ p lý tổng hợ p cho hệ thống

động lực này bao gồm các công việc:-xác định điểm làm việc của hệ thống động lực

-kiểm tra điểm làm việc theo biểu đồ giớ i hạn

-hiệu chỉnh chế độ làm việc phù hợ p

-xác lậ p phươ ng án khai thác lâu dài.

a) Xây dựng đặc tính công suất phù hợ p

Việc xây dựng đặc tính chân vịt có thể sử dụng phươ ng phápđã trình bày ở chươ ng 4 (mục 4.2.2).

b) Xác định điểm làm việc của hệ thống.

Lựa chọn chế độ tay ga đáp ứng công suất khai thác vớ i chế độ áp suất có ích bình quân bằng khoảng 0.85-0.95 % áp suất có íchở chế độ định mức. Kinh nghiệm khai thác là hãy chọn sơ bộ cậndướ i của khoảng giá tr ị nêu trên để xem xét các thông số khai tháccủa toàn bộ động cơ , nếu cho phép sẽ nâng dần tay ga đồng thờ ikiểm tra liên tục thông số trên cơ sở đối chiếu vớ i các giá tr ị cho phép. Trên đồ thị, điểm cắt nhau giữa đặc tính công suất khai thác vàđặc tính chân vịt chính là điểm làm việc của hệ thống.





184

c) Dựa vào biểu đồ giớ i hạn xem xét điểm làm việc có nằmtrong khoảng quy định do nhà chế tạo khuyến cáo không. Nếu khôngnằm trong vùng khai thác cho phép hoạt động lâu dài (vùng cho phépkhai thác lâu dài thườ ng gọi là vùng A) cần điều chỉnh lại chế độ tayga cho hợ p lý.

d) Công việc tiế p theo là hiệu chỉnh chế độ đặt tay ga cho phùhợ p nhất. Lúc này cần xem xét các tham số của toàn bộ động cơ đođượ c. Việc quyết định đặt tay ga nhiên liệu ở đâu phụ thuộc vào phân tích k ết quả tổng hợ p các vấn đề trên k ết hợ p vớ i kinh nghiệmkhai thác. Tuy nhiên, chế độ phát huy công suất tối đa nên giữ mộtkhoảng dự tr ữ bằng 5-10% giá tr ị công suất định mức.

Đối vớ i các hệ thống động lực cũ, không có các cơ sở thànhlậ p đặc tính có thể xác định chế độ làm việc dựa trên kinh nghiệmhoặc công thức gần đúng hoặc giá tr ị lấy từ đặc tính tổng hợ p. Việcthiết lậ p chế độ làm việc như vậy cần tiến hành r ất cẩn thận và luônđối chiếu kiểm tra để bảo đảm an toàn cho toàn bộ hệ thống.

5.2.2 Thiết lập chế độ công tác cụ thể

Hệ động lực chúng ta khảo sát có động cơ là loại diesel haik ỳ, hãng Mitsubishi.

Công suất định mức: 5348 kW

Hình 5.5 Xác l ậ p chế độ công tác động cơ lai chân v ị t



185

Vòng quay định mức 165 vg/ph

Trên cơ sở xây dựng đặc tính chân vịt và đặc tính khai thácchúng ta xác định điểm làm việc như hình vẽ 5.5 mô tả.

Điểm làm việc của đặc tính Pe = 92% cắt đặc tính chân vịtmớ i C1 tại tọa độ (85,92.5) tươ ng ứng (4545.8 kW & 152.6 vg/ph).

Khi ráp vào biểu đồ do nhà sản xuất cung cấ p ta thấy điểmcông tác nằm trong vùng A (vùng khai thác lâu dài).

Khi tham chiếu các tham số cơ bản và đối chiếu so sánh vớ igiá tr ị chuẩn trong đặc tính tổng hợ p (tham khảo chươ ng 4, phần

4.1.5 đặc tính t ổ ng hợ p - hình 4.15) về nhiệt độ khí thải ra khỏi xilanh động cơ , nhiệt độ khí thải ra khỏi tur bine, nhiệt độ khí thải vàoturbine, áp suất tăng áp, áp suất max trong xi lanh, vòng quay turbinethấy tất cả nằm trong giớ i hạn – cho phép hoạt động lâu dài.

Vớ i lưu ý là khoảng dư dự tr ữ cho phép vớ i vòng quay mànhà chế tạo cung cấ p hiện là vào khoảng 8.2 %. Do vậy việc hiệu

chỉnh để đạt tr ạng thái làm việc tốt nhất cho hệ động lực trongkhoảng cho phép này nên đượ c phát huy.

5.3 Các chế độ làm việc không ổn định của HTĐL

5.3.1 Tính cơ động của hệ thống động lự c

Tính cơ động của HT Đ L đượ c thể hiện ở :

-Đặc tính công suất và mô men. Đặc tính quan tr ọng cho sự cơ động là đặc tính điều động thể hiện trên hệ tr ục tọa độ công suất –vòng quay theo chiều tiến, lùi con tàu (hình 5.6)

C1 – Đặc tính chân vịt khi chạy tiếnC1’-Đặc tính chân vịt khi chạy lùi.

Quá trình điều động từ khi tàu đang tiến sang lùi ở động cơ truyền động tr ực tiế p như sau:

Quá trình bắt đầu ngừng cấ p nhiên liệu vào động cơ , con tàuvẫn hành trình theo chiều tiến, lúc này chân vịt quay tự do, sau mộtthờ i gian ngắn, nó làm việc như turbine và lai ngượ c lại động cơ theochiều quay ban đầu.





186

Thờ i gian quay của chân vịt và hệ tr ục tiế p tục cho đến khi cómô men hãm: mô men dùng hãm động cơ hay hệ tr ục.

Khi mô men hãm có tác dụng, vòng quay tr ục giảm nhanh vàvề zero, sau đó tr ục bắt đầu quay theo chiều mớ i (chiều ngượ c lại).Tốc độ tàu lúc này giảm nhanh và đạt giá tr ị bằng zero; tại thờ i điểm

này hệ động lực làm việc tươ ng ứng vớ i điều kiện làm việc như khi buộc thử tàu tại bến, sau đó tốc độ tăng dần đến khi xác lậ p chế độ công tác mớ i cho tàu ở chế độ lùi.

Để tăng tính cơ động, hỗ tr ợ cho việc thay đổi chiều chuyểnđông con tàu nhanh chóng, trong quá trình điều động có thể tiếnhành hãm động cơ dùng khí nén cấ p vào xi lanh động cơ diesel loạikhở i động bằng không khí nén tr ực tiế p khi đã đảo chiều cho camđiều khiển từ chiều cũ sang chiều mớ i.

Công hãm đượ c xác định như sau:180 360

0 180

w pd pd α α = −∫ ∫ (5.16)

Nếu w > 0 thực hiện đượ c quá trình hãm

Nếu w ≤ 0 không thực hiện đượ c quá trình hãm.

Tr ườ ng hợ p động cơ truyền động gián tiế p qua hộ p số, dùngtruyền động chân vịt biến bướ c, việc đảo chiều tiến lùi con tàu r ấtđơ n giản thông qua các cơ cấu ly hợ p hộ p số đảo chiều hay thay đổichiều tiến lùi con tàu bằng cách thay đổi bướ c chân vịt khi động cơ lai vẫn hoạt động theo chiều cũ.

Để chủ động thờ i gian đáp ứng yêu cầu phối hợ p công tác,ngườ i sử dụng cần dự tr ữ thờ i gian đáp ứng yêu cầu chuẩn bị hệ

động lực. Mỗi hệ động lực có những đòi hỏi về thờ i gian khở i độngkhác nhau. Theo kinh nghiệm, ta có thể so sánh thờ i gian khở i động,đảo chiều tiến lùi vớ i các hệ thống động lực khác nhau như sau

Bảng 5.2 Thờ i gian khở i động của động cơ

Từ trạng thái động cơ nguội/trạngthái chờ đến khi đạt công suất định

mứ cTừ trạng thái động cơ nóng

Nồi hơ i 2-4 giờ Diesel cao tốc 1.5-8 giây



187

Đạt đến toàn công suất (100%) từ lúc bắt đầu khở i động

Turbine hơ i

Diesel thấ p tốc

Diesel trung tốc

Diesel cao tốc vàturbine khí

4 giờ

2-2.5 giờ

30 phút

5-10 phútTurbine hơ i

Diesel thấ p tốc

Diesel trung tốc

Diesel cao tốc và turbinekhí

1-1.5 giờ

1 giờ

30 phút

30 giây tớ i4 phút.

-Thờ i gian đảo chiều và đạt tớ i công suất quy định có thể tớ i30 - 60 giây đối vớ i tàu lớ n. Thờ i gian đảo chiều tàu có chân vịt biến bướ c 9-22 giây.

-Thờ i gian từ lúc toàn công suất tớ i khi dừng tàu phụ thuộcvào quán tính của tàu khi chuyển động. Ví dụ tàu cá có tr ớ n bằng 3.7- 6.3 chiều dài tàu và cần 90-160 giây; tàu lớ n có tr ớ n đến 2500 m,thờ i gian khoảng 10 phút.

5.3.2 Đặc tính khở i động, sấy nóng động cơ diesel

1.Chế độ khở i động động cơ

Khở i động nhằm đưa động cơ từ tr ạng thái dừng tớ i tr ạng tháitự duy trì các quá trình cháy nổ, sinh công để hoạt động liên tục.Khở i động động lực diesel động cơ chính là quá trình cấ p khí nénvào xi lanh theo quy luật đượ c nhà chế tạo quy định (thứ tự phát hỏa)để động cơ diesel đạt tớ i vòng quay tối thiểu có thể tự duy trì hoạtđộng đượ c, sau đó nhiên liệu đượ c cấ p vào động cơ và sự tự cháy nổ trong xi lanh xảy ra.

Phươ ng trình động lực học cho động cơ đều có thể viết như sau:

e l

dwT T I

dt − = (5.17)

Ở đây

Te – mô men quay động cơ (tr ườ ng hợ p khi khở i động –chính là mô men khở i động động cơ ).





188

Tl –tải tr ọng (tr ườ ng hợ p ở đây có thể là mô men cấn tạo bở isức cản chân vịt quay trong nướ c, mô men cản cơ giớ i, mô men cảncủa con tàu…)

I- mô men quán tính của bánh đà, của các khối lượ ng chuyểnđộng quay hoặc khối lượ ng chuyển động tịnh tiến quy về chuyển

động quay, của khối nướ c quay theo chân vịt…w – tốc độ góc (rad/s) của tr ục.

Để khở i động thuận lợ i, ngườ i ta thườ ng cắt tải khỏi động cơ khi khở i động. Ngườ i ta có thể nâng nhiệt độ máy bằng hâm sấy,tăng cườ ng bôi tr ơ n để giảm ma sát vớ i mục đích tăng nhanh gia tốckhi khở i động và đạt tốc độ góc cao trong khả năng khở i động củathiết bị.

Mặc dù vậy, chế độ khở i động thực sự là quá trình khá nặngnề vớ i động cơ điesel. Trong quá trình khở i động, tốc độ tăng áp suấttrong xi lanh cao hơ n khi động cơ làm việc bình thườ ng gấ p ba đến bốn lần. Giá tr ị độ tăng áp suất xi lanh r ất cao có thể làm nhảy súp páp an toàn. Nhiệt độ bề mặt chi tiết tiế p xúc khí cháy tăng nhanhchóng tớ i mức r ất cao trong khi các phần nhiệt khác trong phần kimloại dầy của động cơ vẫn nguội lạnh như lúc tr ướ c. Hơ n thế nữa, việcchuyển tr ạng thái tức thờ i từ ngừng nghỉ sang hoạt động của các chitiết chuyển động tươ ng đối vớ i nhau không tạo ngay màng dầu bôitr ơ n tốt nên cũng gây hao mòn khá nhiều tại những chi tiết đó.

Trong thực tế, quá trình khở i động, dừng động cơ , đảo chiềuđộng cơ vớ i hệ động lực lớ n truyền động tr ực tiế p có thể làm nảysinh ra những vấn đề như ‘mỏi nhiệt’ làm gia tăng khả là bộc lộ các

khuyết tật tiềm ẩn trong nhóm xi lanh, piston có thể dẫn đến xuấthiện các hư hỏng chi tiết đó. Bản chất của vấn đề là khi kích thướ cchi tiết lớ n, sự truyền nhiệt phụ thuộc thờ i gian sẽ gây khả năng giãnnở và co lại nhanh chóng lớ p kim loại tiế p xúc vớ i khí cháy lúc quánóng, lúc lại quá lạnh và lâu dần, vớ i số lần khở i động đảo chiềutăng lên, các vết nứt li ti có thể xuất hiện trên bề mặt chi tiết và vấnđề càng nghiêm tr ọng nếu sự thay đổi chế độ nhiệt xảy ra đột ngột và phụ tải nhiệt tăng cao.



189

Do đó chúng ta thấy việc đặt chế độ tay ga khi khở i độngđộng cơ cỡ lớ n và việc chuẩn bị cho khở i động đóng vai trò vô cùngquan tr ọng. Việc chuẩn bị tốt động cơ bao hàm cả hâm sấy và chuẩn bị quạt gió tăng áp phụ k ết hợ p vớ i chế độ tay ga hợ p lý sẽ tránh tăngtải tr ọng đột ngột động cơ và hạn chế sự tăng cao phụ tải nhiệt.

Tr ạng thái nhiệt độ, áp suất trong xi lanh liên quan tr ực tiế p

tớ i điều kiện khở i động động cơ mà cụ thể là nhiệt độ tự cháy củanhiên liệu như trên hình 5.8 thể hiện. Chúng ta cũng thấy rõ độ chênh lệch giữa nhiệt độ cuối quá trình nén và nhiệt độ tự cháy càngcao cho phép dễ dàng khở i động động cơ . Nhiệt độ tự cháy phụ thuộc vào nồng độ của các hỗn hợ p giữa thành phần nhiên liệu vàlượ ng oxy tham gia phản ứng cháy sẽ càng giảm đi nếu áp suất cuốiquá trình nén cao hơ n và lượ ng cấ p nhiên liệu vào xi lanh nhiều hơ n.Tất nhiên đặt tay ga cao quá sẽ là vấn đề ứng suất cơ và ứng suấtnhiệt trong động cơ có thể vượ t qua giớ i hạn cho phép gây nguy

Hình 5.8 Quan hệ nhi ệt độ t ự cháy và áp suấ t khi khở i động

đườ ng 1-nhi ệt độ t ự cháy, đườ ng 2- nhi ệt độ khí trong xi lanh





190

hiểm động cơ . Thườ ng khi khở i động, chế độ tay ga không nên đặtcao quá 60% giá tr ị định mức. Tr ườ ng hợ p khẩn cấ p cũng không nênkhở i động động cơ ở tr ạng thái nguội lạnh mà tay ga đặt cao gần bằng chế độ định mức để tránh hư hỏng động cơ .

2.Chế độ nhiệt ở động cơ diesel.

Sau khi khở i động động cơ , để đảm bảo sự làm việc tin cậycủa động cơ ở các chế độ khác nhau, cần phải sấy nóng động cơ theocách thức đơ n giản là chạy không tải và sau đó tăng tải dần.

Tr ạng thái nhiệt của động cơ đượ c coi là ổn định khi nhiệt độ các chi tiết chủ yếu, nhiệt độ làm mát, nhiệt độ dầu nhờ n không thayđổi theo thờ i gian. Khoảng thờ i gian từ khi khở i động đến khi độngcơ đạt tr ạng thái nhiệt ổn định gọi là thờ i gian sấy nóng.

Để khai thác hệ động lực lâu dài, khi đưa động cơ vào làmviệc cần chú ý:

-Nên sấy nóng dần và tăng dần vòng quay của động cơ .

-Nhiệt độ làm mát và nhiệt độ dầu nhờ n là thông số quantr ọng trong chế độ này cần đượ c kiểm soát liên tục và chặt chẽ.

- Nhiệt độ dầu bôi tr ơ n ra khỏi động cơ có thể là tiêu chuẩnđể đánh giá khoảng thờ i gian sấy nóng động cơ .

-Tr ướ c khi khở i động động cơ cần phải hâm nóng động cơ ,nên duy trì nhiệt độ làm mát ≈ 50 độ C, nhiệt độ dầu nhờ n ≈ 25÷ 32độ C.

Thực sự, quá trình sấy nóng động cơ tàu thủy dùng trong hệ thống động lực chính phức tạ p hơ n r ất nhiều hệ thống động cơ laimáy phát điện t ĩ nh tại do ảnh hưở ng của sự khở i động, ngừng, đảochiều liên tục khi điều động tàu. Do vậy chúng ta nên xem xét k ỹ về sự ảnh hưở ng của thay đổi nhiệt độ tớ i tr ạng thái ứng suất nhiệt vàứng suất bổ sung để có biện pháp khai thác phù hợ p tránh gây sự cố nguy hiểm cho các chi tiết chính của động cơ .

Ứ ng suấ t nhiệt

Ứ ng suất cơ của động cơ diesel có thể đánh giá gián tiế p qua

áp suất cực đại Pmax, độ tăng áp suất trong xi lanh max C p p p

ϕ

−∆ =

∆, tỷ



191

số tăng áp max

C

p

p hoặc mô men động cơ liên quan tớ i vòng quay và vị

trí tay ga; việc so sánh các chỉ tiêu trên so vớ i giá tr ị cho phép giúpnhận định tr ạng thái ứng suất cơ của động cơ .

Đánh giá chỉ tiêu ứng suất nhiệt khó khăn hơ n vì bản thânứng suất nhiệt phụ thuộc vào những yếu tố mà trong khai thác khóxác định nhanh chóng. Vớ i tr ạng thái truyền nhiệt ổn định như hình5.9 ta thấy ứng suất nhiệt vách xi lanh có thể đượ c tính theo côngthức

2(1 )t

E t β σ

∆=

− (5.18)

Trong đó E- mô đun đàn hồi, β -hệ số dãn nở dài, µ -hệ số poat xông và chênh nhiệt độ t ∆ xác định như sau:

1 2t t t q δ λ

∆ = − = (5.19)

q-nhiệt tải truyền qua vách, δ - chiều dày vách, λ -hệ số dẫnnhiệt của vật liệu vách.

Thực tế, trong khai thác, ngườ i ta dùng thực nghiệm để xácđánh giá ứng suất nhiệt ví dụ để đánh giá ứng suất nhiệt của nhómvách xylanh động cơ hai k ỳ, ngườ i ta đưa ta tham số tổng hợ p sau:

Hình 5.9 Truyền nhi ệt qua vách





192

. . .. i S

S

S n

P n T K K

P

δ

η = (5.21)

Ở đây :

K- Hệ số.& s S P T - Áp suất và nhiệt độ khí nạ p ở lối vào xylanh

oT - Nhiệt độ môi tr ườ ng

i p -Áp suất chỉ thị trung bình

n-Vòng quay động cơ

nη -Hiệu suất nạ p

Các tham số làm việc của chu trình ảnh hưở ng mạnh nhất tớ iứng suất nhiệt động cơ là vòng quay, áp suất chỉ thị trung bình vàlượ ng không khí tiêu thụ. Ngườ i ta thấy r ằng nhiệt độ vách của nhóm

xylanh piston là nhóm chịu ảnh hưở ng mạnh nhất của ứng suất nhiệttỷ lệ thuận vớ i tích số ( .i p n ) và tỷ lệ nghịch vớ i lượ ng không khí

tiêu thụ . s s n

s

P G C

T η =

Giá tr ị K trong công thức (5.21) là hệ số có tính đến các hệ số cấu tạo và điều kiện làm mát nhóm piston xylanh.

Trong tr ườ ng hợ p piston làm mát bằng dầu, phần trên xylanhkhông làm mát tăng cườ ng, hệ số K có thể lấy bằng 1

Tất nhiên, ngay cả công thức thực nghiệm như (5.21) cũng

khó xác định trong khai thác; do vậy, để đánh giá ứng suất nhiệt,ngườ i ta phải căn cứ vào vị trí tay ga, vòng quay động cơ , nhiệt độ khí xả, chênh lệch nhiệt độ khí xả, nhiệt độ làm mát máy, nhiệt độ dầu nhờ n, áp suất tăng áp và nhiệt độ tăng áp (sau sinh hành tăngáp). So sánh các chỉ tiêu trên vớ i các giớ i hạn cho phép có thể giúphình dung tr ạng thái ứng suất nhiệt động cơ .

Thực ra, bức tranh tổng thể của tr ạng thái ứng suất không chỉ đơ n giản như vậy vì còn có sự thay đổi đột ngột lượ ng cấ p nhiên liệuxảy ra khi ma nơ , điều động tàu. Do vậy, chúng ta phải xem xét tiế p



193

sự dao động nhiệt độ nảy sinh ở các chi tiết tiế p xúc vớ i khí cháytrong xi lanh.

Dao động theo chu k ỳ của nhiệt độ chi tiế t tiế p xúc khí cháy

Trong khai thác, có những thờ i điểm như khi khở i động độngcơ , khi đảo chiều, khi tăng tải đột ngột, khi thờ i tiết thay đổi như

sóng, gió lớ n… tr ạng thái truyền nhiệt không phải là truyền nhiệt ổnđịnh mà quá trình truyền nhiệt sẽ thay đổi theo thờ i gian. Bài toántruyền nhiệt không ổn định thườ ng thể hiện dướ i dạng phươ ng trìnhvi phân. Việc giải phươ ng trình vi phân sẽ cho k ết quả đánh giá quátrình truyền nhiệt không ổn định - ngh ĩ a là biết quan hệ thay đổinhiệt độ theo thờ i gian cũng như phân bố nhiệt độ trong vật thể.

Đối vớ i bài toán dẫn nhiệt một chiều (ví dụ như dẫn nhiệt quavách xi lanh, piston, nắ p xi lanh động cơ ) ngườ i ta có thể viết phươ ng trình nhiệt trên cơ sở định luật Fourier:

2

2 x

T c T

x t

ρ

λ

∂ ∂=

∂ ∂

ở đây: λ -độ dẫn nhiệt của vật liệu; c- nhiệt dung riêng vậtliệu; ρ -mật độ riêng vật liệu.

Ngườ i ta cũng dùng thực nghiệm khảo sát truyền nhiệtkhông ổn định như sau đây, từ đó rút ra các k ết luận như sau đây.

Chúng ta thấy biên độ dao động của nhiệt độ bề mặt váchxylanh sẽ tăng khi tăng tải, giảm vòng quay và tăng hệ số truyềnnhiệt α.

Thông qua các bộ cảm biến đo nhiệt độ gắn trên động cơ haik ỳ cỡ lớ n, ngườ i ta xây dựng đượ c các đồ thị thể hiện tr ạng thái nhiệt

độ của nhóm nắ p máy, piston, xi lanh.Hình 5.10a sau cho thấy mức độ dao động của nhiệt độ bề

mặt xylanh và ở các độ sâu khác nhau ở khu vực buồng cháy độngcơ hai k ỳ cỡ lớ n (n=91 v/p, e P = 10,12 bar ). Ảnh hưở ng lớ n nhất về

dao động biên độ phụ thuộc chế độ công tác có thể đạt tớ i 50°C

Đườ ng 1 - Nhiệt độ bề mặt vách xylanh

Đườ ng 2-Nhiệt độ ở độ sâu 1 mm





194

Đườ ng 3-Nhiệt độ ở độ sâu 2 mm

Đườ ng 4 - Nhiệt độ ở độ sâu 3 mm

Hình 5.10b cho thấy sự ảnh hưở ng của lượ ng cấ p nhiên liệutớ i biên độ dao động nhiệt độ vách buồng cháy động cơ hai k ỳ cỡ lớ n. Lượ ng cấ p nhên liệu tăng thì biên độ dao động của hiệt độ cũng

tăng theo.Bằng thực nghiệm trên động cơ 9UET 52/65 cũng cho thấy

ảnh hưở ng của vòng quay lên biên độ dao động của nhiệt độ trên bề mặt chi tiết. Độ dao động nhiệt độ theo chu k ỳ trên bề mặt đỉnh piston ở điểm giữa không vượ t quá 20°C khi vòng quay là 330 v/pvà áp suất e P = 9,8 bar. Ngườ i ta còn thấy ở động cơ cao tốc, biên độ

dao động nhiệt độ này không vượ t quá 10-15 °C.

Sự dao động nhiệt độ trên bề mặt buồng cháy và gây nên ứngsuất nhiệt của chúng trong vách xylanh động cơ khi đồng thờ i vừagiảm vòng quay vừa tăng lượ ng cung cấ p nhiên liệu cho chu trình

đượ c thể hiện trong bảng sau:Theo số liệu của bảng trên trong lớ p bề mặt chi tiết cấu tạo

nên buồng cháy động cơ hai k ỳ cườ ng hoá tốc độ thấ p dướ i tác độngcủa nhiệt độ thay đổi theo chu k ỳ ứng suất bổ xung thay đổi lặ p đilặ p lại có giá tr ị khoản từ 600-900 Kg/cm2 sẽ đượ c xuất hiện. Sự mấtan toàn về sự giảm đặc tính độ bền nhiệt của vật liệu xuất hiện liênquan vớ i điều đó.

S ự thay đổ i chế độ công tác.

Ứ ng suất nhiệt bổ sung trong các chi tiết của xylanh tùythuộc vào cấu trúc của chúng, tốc độ thay đổi chế độ tải tr ọng và phụ thuộc vào giá tr ị độ lớ n của tải tr ọng cuối.

Hình 5.11a cho thấy sự phân bố nhiệt độ theo chiều dầy củanắ p xylanh động cơ Sulzer ST-60 và sự thay đổi theo thờ i gian củachúng sau khi khở i động động cơ .

Từ đồ thị này ta thấy phần đỉnh bị đốt nóng không đồng đều;về phía nướ c làm mát, nhiệt độ vách bắt đầu tăng sau khi khở i động30-40 s, đồng thờ i nhiệt độ vách về phía khí nóng tớ i thờ i điểm đóđã tăng tớ i 120-160 °C. Tốc độ đốt nóng tiế p theo chậm lại và sau 5 phút thì nhiệt độ nắ p đã thực sự đượ c ổn định.



195

Hình 5.11b cho thấy sự thay đổi của ứng suất nhiệt theo thờ igian và độ dầy của nắ p xylanh nhận đượ c bằng cách tính toán như trên hình 5.10a đã thể hiện. Giả định là đáy bị biến dạng dướ i tácdụng nhiệt. Khi nung nóng đáy trên bề mặt của nó nảy sinh ứng suấtnén còn trong phần lõi nảy sinh ứng suất kéo. Việc phân bố ứng suất

nhiệt như vậy có đặc tính cực đại đối vớ i thờ i gian là 10 giây. Ở thờ iđiểm này lớ p vật liệu bị nung nóng hơ n (phía khí nóng) sẽ giãn ra tạonên ứng suất nén và kéo các lớ p vật liệu nằm sâu trong khoảng 10-40mm gây nên ứng suất kéo. Trên hình 5.10b cho thấy sau khi khở iđộng 10 s, ứng suất về phía khí nóng đạt tớ i 450 kg/cm² còn sau 2 phút thì giảm xuống còn 100 kg/cm². Như vậy sự nguy hiểm nhất về ứng suất nhiệt nảy sinh tại lúc bắt đầu làm việc ngay sau khi khở iđộng động cơ .

Ứ ng suất nhiệt cao xuất hiện ở đáy nắ p máy và piston gâynên sự nguy hiểm nghiêm tr ọng vớ i các chi tiết này vì vậy nó lànguyên nhân tiềm ẩn của các hư hỏng của chúng. Tr ướ c tiên là sự

xuất hiện của các vết nứt tế vi tại các lớ p vật liệu bề mặt bị đốt nónglớ n nhất là nơ i trong quá trình làm việc có các ứng suất nén do nhiệtnảy sinh. Sự phát triển các vết nứt do thờ i gian dài làm việc vớ i cácquá trình thay đổi như vậy sẽ nguy hiểm cho các chi tiết có tiết diệnthay đổi đột ngột hoặc vốn đã có những khuyết tật tiềm ẩn. Do đó,việc kiểm tra định k ỳ các chi tiết trên trong khai thác bảo dưỡ ng cóthể giúp phát hiện và ngăn ngừa tr ướ c sự cố vớ i những chi tiết trên.

S ự xuấ t hiện vế t nứ tBức tranh về sự phát triển của ứng suất dẫn tớ i hư hỏng đỉnh

có thể biểu diễn theo hình 5.12 là nơ i giản đồ ứng suất nén (đườ ngcong ab'n) thể hiện. Ngay cả sau khi khở i động động cơ còn mớ i thì

nhiệt độ của đáy cũng tăng lên, trên bề mặt bị đốt nóng của nó xuấthiện ứng suất nén. Nếu chúng vượ t qua giớ i hạn chảy thì sẽ đưa vậtliệu tớ i tr ạng thái ứng suất đượ c đặc tr ưng bở i đườ ng cong ab'c' , và ở đây đườ ng cong b'c' biểu hiện quá trình chảy của vật liệu.Việc dừngđộng cơ và làm mát phần đáy tớ i nhiệt độ của môi tr ườ ng tươ ng ứngvớ i quá trình thay đổi ứng suất trong các lớ p bề mặt theo đườ ng congc'm. vì sự tồn tại của biến dạng chảy dư (đườ ng ao) trên lớ p bề mặtvà sự thiếu vắng của nó trong toàn bộ phần khối lượ ng chính nên





196

gây ra sự kéo dãn lớ p bề mặt (đườ ng am). Đó chính là ứng suất dư.Ở bất k ể chu k ỳ nung nóng và làm mát nào của đỉnh trong khoảngthờ i gian ngắn thì đườ ng biến dạng của lơ p bề mặt sẽ đượ c đặc tr ưng bở i đườ ng c'm và ngượ c lại. Khi đó giá tr ị ứng suất dư không thayđổi, còn trong tr ườ ng hợ p như hình vẽ, nó thậm chí không gây ra sự

hư hỏng phần đáy do mỏi. Nếu ứng suất nhiệt ở lớ p bị nung nóng không vượ t quá giớ ihạn chảy (đườ ng ab) thì việc làm mát piston không gây xuất hiệnứng suất kéo dư nào.

Ứ ng suất nén khi vật liệu làm việc lâu dài trong điều kiệntr ạng thái ứng suất và nhiệt độ cao sẽ đượ c giảm từ từ do hiện tượ ngrão của vật liệu (điểm c'd' hoặc là bd ), thêm vào đó, vật liệu làm việccàng lâu, sự biến dạng rão càng lớ n, tác động của ứng suất nén cànggiảm. Khi đó vớ i sự tăng ứng suất và nhiệt độ ban đầu của vật liệu,tốc độ rão tăng lên (đoạn c'd' lớ n hơ n đoạn bd trong khi thờ i giannhư nhau). Do việc rão của vật liệu, ứng suất kéo dư cũng đồng thờ i

tăng lên. Giá tr ị của nó không phụ thuộc vào sự tồn tại và số chu k ỳ nung nóng và làm lạnh.

Khi nhiệt độ làm việc của lớ p bề mặt cao sau một khoảngthờ i gian nào đó sẽ gây xuất hiện ứng suất dư (ak' ) vượ t quá giớ i hạnmỏi. Nếu sau đó động cơ đượ c làm việc vớ i sự khở i động thườ ngxuyên, thì hư hỏng do mỏi nhiệt của đáy nắ p sẽ xảy ra tươ ng đốinhanh chóng. Khi quá trình rão của vật liệu tiến tớ i điểm f' , dù r ằngkhông khở i động động cơ nhưng có vết nứt trong lớ p bề mặt xuấthiện thì thờ i gian phục vụ của đáy nắ p cũng vẫn bị giảm xuống.

Trong các động cơ có độ bền lớ n, tốc độ tích lũy ứng suấttrong phần đáy khá nhỏ là do trong toàn bộ thờ i gian làm việc, chúngkhông đạt tớ i giớ i hạn mỏi (thì dụ điểm f chẳng hạn).

Các vết nứt do mỏi nhiệt xuất hiện ở đáy nắ p dầy, vớ i việctích lũy các chu k ỳ sấy nóng - làm mát, và thườ ng xuyên chịu tảitr ọng cơ thay đổi lặ p đi lặ p lại, sẽ ăn sâu vào lớ p vật liệu dẫn tớ i hư hỏng dạng vết nứt xuyên qua. Sự phát triển của các vết nứt do mỏinhiệt không phải luôn luôn diễn ra trên bề mặt mà thỉnh thoảngchúng bắt đầu ở bên trong chi tiết tại nơ i nào đó có cấu trúc khônghoàn thiện hoặc khuyết tật công nghệ vật liệu tồn tại.



197

Trong bảng sau cho thấy giá tr ị ứng suất dư ở phần đỉnh piston động cơ phụ thuộc vào tr ạng thái nhiệt của nó.

Bảng 5.4 ứ ng suấ t d ư ở piston động cơ tùy thuộc nhiệt độ của nó.

Giá trị ứ ng suất ( kg/cm² ) khi nhiệt độ ở Dạng ứ ng suất

325 400 475

Tổng

Tổng cộng sau 10 giờ hoạt động của động cơ

Dư

2250

2000

150

2140

1530

610

1730

300

830

Bằng các thống kê đo đạc ở loạt loạt động cơ NVD 36 và NVD 48 dùng làm động cơ chính trên các tầu đánh cá ngườ i ta thấyvớ i số lần thay đổi chế độ làm việc nhiều, tải tr ọng cao (tr ạng tháinhiệt của piston khá cao xấ p xỷ 550 °C) có chung một đặc tr ưng hư

hỏng do mỏi nhiệt ở đỉnh piston, gây các vết nứt ở giữa đỉnh và dẫntớ i cháy đỉnh piston.

3. Chế độ dừ ng động cơ Trong khai thác thườ ng xảy ra hai tr ườ ng hợ p dừng động cơ :

dừng đột ngột và dừng từ từ. Dừng đột ngột làm thay đổi nhanhtr ạng thái nhiệt động cơ , đặc biệt nhiệt độ nhóm piston xi lanh.

Nên kéo dài thờ i gian giảm tải của động cơ từ định mức đếnkhi dừng khoảng 30 đến 60 phút và có chế độ làm mát thích hợ p.

Sau khi dừng động cơ , để tránh tăng cao nhiệt độ chi tiết cầntiế p tục bơ m dầu bôi tr ơ n và làm mát khoảng 30 phút và dùng cơ cấu

lai bên ngoài quay tr ục khuỷu từ 4 đến 10 phút.5.4.1 Chế độ khai thác tối ư u để tàu về bờ an toàn

Thực chất công việc này là giải bài toán tối ưu tìm phươ ng ánkhai thác dựa trên việc lựa chọn thờ i gian con tàu hành trình về bờ lànhỏ nhất khi lượ ng dầu tiêu thụ có hạn, các thông số khai thác độngcơ nằm trong khoảng cho phép. Cách thườ ng dùng nhất là thử nghiệm các phươ ng án khác nhau và lậ p bảng để lựa chọn.

1 Cơ sở tính toán gần đúng tiêu thụ nhiên liệu chuyến đi.





198

Xuất phát từ mối liên hệ giữa lượ ng giãn nướ c D, tốc độ tàuV, suất tiêu thụ nhiên liệu g, lượ ng tiêu thụ nhiên liệu ngày đêm Gd có thể xác định lượ ng tiêu thụ nhiên liệu gần đúng.

Lượ ng tiêu thụ nhiên liệu phụ thuộc vào công suất đẩy tàu.

Tính gần đúng, công suất đẩy tàu phụ thuộc vào lượ ng giãn

nướ c D, tốc độ tàu V và hệ số hải quân Ca theo (5.1)2

33 .

e

D V P

C =

Lượ ng tiêu thụ nhiên liệu cho một ngày đêm Gd tính như sau:2

33 .d

P D V G

g g = =

(5.22)

Trong đó g- suất tiêu hao nhiên liệu

Do vậy ta có 233 .

d

D V g

G= (5.23)

Nếu coi suất tiêu thụ nhiên liệu là không đổi thì ta có quan hệ sau:

2 23 33 3

1 1 2 2

1 2

. .

d d

D V D V g

G G= =

(5.24)

Các chỉ số 1, 2 ứng vớ i các tr ạng thái 1 và 2 của tàu.

Từ mối quan hệ trên suy ra:2

33

1 1 1

2 2 2

d

d

G D V

G D V

=

(5.25)

Biết hành trình của tàu là S thì lượ ng tiêu thụ chuyến đi sẽ làB.

B = Gd. t (5.26)



199

Đồng thờ i ta biết thờ i gian hành hải t= S/V do vậy ta có quanhệ mớ i

11 1 2

2 2 2 1

d

d

G B S V

B G S V =

(5.27)

Vớ i quan hệ đã biết tr ướ c đây (5.25) ta sẽ có dạng tổng quáttính lượ ng tiêu thụ nhiên liệu chuyến đi2

33

1 1 1 2 1

2 2 2 1 2

B D V V S

B D V V S

=

Dạng rút gọn của biểu thức là2

23

1 1 1 1

2 2 2 2

B D V S

B D V S

=

(5.28)

Ví dụ:

Tàu có độ giãn nướ c 12250 tấn tiêu thụ 290 tấn nhiên liệu khihành trình vớ i tốc độ 15 hải lý/giờ qua quãng đườ ng 2850 hải lý. Đốivớ i chuyến hành trình dài 1800 hải lý và tốc độ là 13 hải lý/giờ khilượ ng giãn nướ c là 14200 tấn thì ướ c lượ ng nhiên liệu sẽ cần là baonhiêu?

Tr ả lờ i:

Áp dụng công thức tính trên cho lượ ng nhiên liệu (5.28)2

23

1 1 1 1

2 2 2 2

B D V S

B D V S

=

2

23

1 14200 13 1800

290 12250 15 2850

B =

1 1.103*0.75*0.63*290 B =

1 151.14 B = Lượ ng tiêu thụ cần là 151.14 tấn cho chuyến đi.





200

2. Xác lậ p chế độ khai thác khi lượ ng nhiên liệu hạn chế mộtcách gần đúng.

Cơ sở tính toán

Căn cứ vào mối quan hệ giữa lượ ng tiêu thụ nhiên liệu vàtốc độ tàu khi giữ nguyên các điều kiện khác (S=const, D=const).

Xuất phát từ (5.28) chúng ta có2

ii

V B B

V

=

(5.29)

Lậ p bảng tính toán và xác định các giá tr ị tiêu thụ nhiên liệuvà sơ bộ xác định một số khoảng tốc độ tàu dùng thử nghiệm.

3. Xác lậ p chế độ khai thác khi lượ ng nhiên liệu hạn chế thựcnghiệm.

Thực chất suất tiêu hao nhiên liệu có thể thay đổi ở nhữngchế độ khác nhau nên có cơ sở lựa chọn chế độ để có lượ ng tiêu thụ

hợ p lý đồng thờ i đảm bảo thờ i gian hành trình là nhỏ nhất.Dữ kiện ban đầu đã biết:

Quãng đườ ng S, lượ ng nhiên liệu còn trên tàu là Ba.

Các công tác đo cần thiết:

+Đo lượ ng nhiên liệu tiêu thụ theo giờ : dùng thiết bị đo hoặcthông qua mức tiêu thụ ở két, nếu có bình đo chuyên dụng để bấmthờ i gian thì dùng loại này chính xác hơ n.

+ Đo tốc độ tàu: Sử dụng các hệ thống đo tốc độ đượ c trang bị trên tàu như hệ thống vệ tinh, tốc độ k ế hoặc dùng phươ ng phápđo đơ n giản thả vật nổi từ mũi và bấm thờ i gian khi vật nổi tớ i lái để

tính tốc độ tàu khi đã biết chiều dài con tàu L.Các công tác đo trên cần tiến hành một số lần, mỗi lần đo nên

để động cơ hoạt động ổn định ít nhất trong vòng 1 giờ , hướ ng lái cố gắng giữ nguyên không đổi, các thông số động cơ nằm trong phạmvi cho phép, tiến hành khử sai số thô khi đo.

+Thử nghiệm: tiến hành thử nghiệm một số chế độ vớ i cácvòng quay động cơ khác nhau và lấy số liệu.

+Tính toán:Lậ p bảng tính

+ Phân tích lựa chọn



201

5.4.2 Động cơ làm việc trong điều kiện sóng gió lớ n.1. Động cơ không trang bị bộ điều tốc.

2. Động cơ trang bị bộ điều tốc 1 chế độ:

Vớ i điều kiện giả định giống như trên, khi động cơ có trang bị bộ điều tốc 1 chế độ giớ i hạn cực đại sẽ có sự đảm bảo động cơ

không bị quá tải vòng quay nhưng vì vấn đề an toàn cho hệ thốngđộng lực, tay ga cũng phải đặt lại để sự làm việc của động cơ luôntrong vùng cho phép khai thác lâu dài (vùng A). (Hình 5.19)

Hình 5.18 xác đị nh đ i ể m làm vi ệc động cơ không bộ đ i ều t ố c





202

3. Động cơ trang bị bộ điều tốc nhiều chế độ

Vấn đề sẽ phức tạ p hơ n chút ít so vớ i hai tr ườ ng hợ p trên vìkhi động cơ trang bị bộ điều tốc nhiều chế độ. Một mặt bộ điều tốcluôn có khuynh hướ ng duy trì vòng quay không đổi bằng cách điềuchỉnh lượ ng cấ p nhiên liệu để cố gắng đáp ứng yêu cầu năng lượ ngkhi điều kiện tải bên ngoài yêu cầu. Mặt khác, khi điều khiển tay ganhiên liệu cấ p vào cho động cơ , chúng ta đồng thờ i đặt lại chế độ cho bộ điều tốc hoạt động và từ thờ i điểm đặt lại chế độ cho bộ điều tốc, bộ điều tốc sẽ điều khiển cấ p nhiên liệu theo yêu cầu của tải mộtcách tự động. Chính vì lẽ đó, việc đặt chế độ tay ga không chính xáccó thể hạn chế r ất nhiều công suất của hệ động lực hoặc đưa hệ độnglực vào tr ạng thái hoạt động nguy hiểm do quá tải về công suất, quátải mô men, quá tải về nhiệt.

4. Đặt tải giớ i hạn cho bộ điều tốc.

Hình 5.19 Xác đị nh đ i ể m làm vi ệc động cơ có bộ đ i ều t ố c 1 chế độ



203

Trong thực tế, Nếu bộ điều tốc có bộ phận giớ i hạn tải (load

limit ), ngườ i ta thườ ng dùng phươ ng án đặt giớ i hạn tải cho bộ điềutốc để bảo vệ động cơ . Khi đặt giớ i hạn tải như vậy, ngườ i ta không phải đặt lại tay ga khi sóng to gió lớ n và chấ p nhận có lúc động cơ làm việc theo đặc tính ngoài (tải giớ i hạn ta đặt cho bộ điều tốc).

Hình 5.21 minh họa chế độ làm việc sử dụng giớ i hạn tải. Mặc dầutr ườ ng hợ p này phát huy đượ c công suất động cơ (vị trí thanh r ăng h3 có thể đặt cao hơ n h2 trong ví dụ trên) nhưng phải chấ p nhận vòngquay thay đổi vớ i biên độ lớ n từ N1 tớ i N3.

5.5.1 Khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải

Các nguồn nhiệt thứ cấ p như nhiệt khí thải, nhiệt do làm mátđộng cơ đều có thể đượ c tận dụng để nâng cao hiệu suất chung củatoàn thể hệ thống động lực.

Phân bố nhiệt lượ ng khi đốt cháy nhiên liệu trong Diesel tàuthuỷ hiện nay có thể liệt kê gần đúng như sau:

1. Nhiệt lượ ng biến thành công có ích khoảng 40% -50 %

2. Nhiệt lượ ng do khí thải mang đi khoảng 20%-25%

3. Nhiệt lượ ng do môi tr ườ ng làm mát khoảng 20%-25%

4. Nhiệt lượ ng do tổn thất khác 5% -10%

Chi tiết phân bố trong cân bằng nhiệt có thể viết như sau

Qnl = Qe + Qkx + Q lmxl + Q lmpt + Qlmn + Qcg + Qcl

Khả năng tận dụng nguồn nhiệt thứ cấ p tác dụng cải thiệnhiệu suất chung có thể xem qua hình minh họa 5.22





204

Các thiết bị tận dụng nhiệt thông thườ ng đượ c bố trí nhằmtăng hiệu suất chung có thể k ể như sau:

- Turbine khí thải

- Nồi hơ i kinh tế

- Thiết bị chưng cất nướ c Ngoài ra tuỳ thuộc vào tàu, hệ động lực và các nhu cầu sử

dụng có thể trang bị các thiết bị sau: hâm sấy (dầu, nướ c, không khí),máy lạnh hấ p thụ…

Sơ đồ tổng quát sử dụng thiết bị khí thải để tăng khả năng hệ động lực thể hiện trên hình 5.23. Đặc điểm nổi bật của hệ động lựcnày là cho phép thiết bị máy phát/động cơ đồng tr ục có khả năng làmviệc hai chiều: khi nguồn năng lượ ng trên lướ i dư thừa cho phép cấ pcông suất cho hệ động lực, khi năng lượ ng này giảm đi, cho phépmáy phát đồng tr ục trích điện cấ p cho mạng lướ i. Khí thải khôngnhững dùng cho turbine động lực mà còn trích cho nồi hơ i để cấ p hơ icho turbine hơ i cùng phát điện. Một sơ đồ như vậy cho phép thay đổimềm dẻo chế độ công tác đồng thờ i vẫn duy trì hiệu suất cao hệ thống.

Sau đây chúng ta lần lượ t xem xét các thiết bị tận dụng nhiệt.

Hình 5.22 Cân bằng nhi ệt động cơ tiêu chuẩ n và loại cải ti ế n



205

1. Thiết bị tận dụng nhiệt khí thải.

Thiết bị tận dụng nhiệt khí thải chính bao gồm: turbine khíthải, nồi hơ i khí thải.

a)Turbine khí thải

Turbine khí thải là ứng dụng phổ biến nhất sử dụng nănglượ ng khí thải. Sử dụng turbine khí thải mang lại những lợ i ích sau:

1. Nâng cao khả năng phát ra công suất của động cơ

2. Hoàn thiện chế độ làm việc của động cơ 3. Nâng cao tính kinh tế của động cơ và của toàn hệ động lực

Turbine khí thải hiện có là các loại turbine khí khác nhau laimáy phát điện hoặc lai máy nén khí tăng áp. Hiện nay sử dụng hailoại turbine khí thải: turbine khí thải đẳng áp và turbine khí thải biếnáp. Để nâng cao khả năng làm việc của động cơ ở chế độ nhỏ tải và

Hình 5.23: sơ đồ bố trí hệ thố ng động l ự c hi ện đại.





206

tăng độ tin cậy, thông thườ ng còn lắ p thêm quạt gió độc lậ p hoặc dođộng cơ lai cho hệ thống

b) Nồi hơ i khí thải

Hầu hết trên các tàu có công suất trung bình và lớ n đều lắ pđặt nồi hơ i khí thải (nồi hơ i kinh tế), các nồi hơ i khí thải thườ ng lắ p

đặt sau turbine khí thải. Thông thườ ng, ngườ i ta sử dụng hệ thốngliên hợ p cả nồi hơ i kinh tế và nồi hơ i phụ (đốt dầu).

Ở chế độ nhỏ tải hoặc dừng động cơ : nồi hơ i phụ hoạt độngvì khi đó đó nồi hơ i khí thải không hoạt động. Khi tàu hành trình, nồihơ i phụ tự động ngắt, việc cấ p hơ i do nồi hơ i khí thải đảm nhiệm.

K ết cấu nồi hơ i khí thải phụ thuộc vào công suất động cơ , hệ động lực, con tàu; có thể chỉ đơ n giản là nồi hơ i ống lửa nhưng cũngcó thể là nồi hơ i ống nướ c.

Yêu cầu chung đối vớ i nồi hơ i khí thải là đơ n giản, gọn nhỏ.

2. Thiết bị tận dụng nhiệt nướ c làm mát.

Ngườ i ta có thể sử dụng nhiệt nướ c làm mát mang ra ngoàicho tất cả thiết bị như: chưng cất nướ c ngọt, hâm dầu, hâm nướ c,sưở i không khí. Hiện nay chủ yếu sử dụng chưng cất nướ c ngọt. Sử dụng thiết bị chưng cất nướ c ngọt ngoài ý ngh ĩ a tận dụng nhiệt tổnthất còn mang ý ngh ĩ a: giảm bớ t khả năng dự tr ữ, tăng khả năngchuyên chở hàng hóa , tiết kiệm tiền mua nướ c ngọt.

3. Nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượ ng thứ cấp

Để phát nâng cao hiệu suất chung, các thiết bị tận dụng nhiệtcần phải làm việc hoàn hảo và đượ c chăm sóc, bảo dưỡ ng định k ỳ.Có các hình thức bảo dưỡ ng không cần tháo thiết bị như vệ sinh bảodưỡ ng turbine phần cánh lửa bằng các loại hạt chuyên dùng hoặc r ửa bằng nướ c dùng áp lực, phần cánh máy nén dùng nướ c… Tuy nhiênkhi tiến hành việc này phải tuân thủ quy trình cụ thể của nhà chế tạo.Ví dụ, nếu là turbine VTR của ABB thì cho phép r ửa phần cánh máynén bằng nướ c nhưng turbine MET lắ p trên động cơ Mitsubishi cócấu trúc giống hệt lại không cho phép dùng nướ c r ửa.

Nồi hơ i kinh tế nên đượ c đưa vào làm việc ngay khi có thể vàthiết bị chưng cất nướ c cũng cần phải đượ c đưa vào làm việc khi đủ điều kiện mớ i phát huy hết khả năng hệ thống động lực. Tuy nhiên



207

vớ i thiết bị chưng cất cần lưu ý đến vùng biển ô nhiễm để đảm bảovệ sinh nguồn nướ c chưng cất.

khai thac dong luc tau thuy

Documents