Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy. (Research the influences of the..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy. (Research the influences of the..

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI 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 Mã số: 9520116 Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Bùi Hồng Dương 2. PGS.TSKH. Đỗ Đức Lưu TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP.HCM – 2021
2. 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 2. PGS.TSKH. Đỗ Đức Lưu Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường, họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Tp.Hồ Chí Minh vào hồi . giờ . phút, ngày . tháng . năm 2021
3. 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. 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.
4. 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. 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. 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. 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.
5. 1 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
6. 2 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). Phạm vi nghiên cứu: - Mô hình toán và mô phỏng áp dụng cho động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ tăng áp bằng tua bin xung áp. – 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 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
7. 3 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
8. 4 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. Hình 1.1. Ống phun trong TBTA 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,
9. 5 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.
10. 6 - 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: vc v1 p s c v 2 n e c v 3 (2.1) 2 Với ne (v/ph) – tốc độ động cơ; ps(N/m ) – 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: dp p dV k 1 dQ dQ k in w (2.2) d V d V d d Với k(-) là tỷ số giữa nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt dung riêng đẳng tích cv(J/kgK) của hỗn hợp khí công tác trong quá trình cháy (k=cp/cv). Quy luật phát nhiệt dQin/d : Xác định dựa trên mô hình Wiebe dQ dx in Q f (2.3) ddin 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 dQw/d . Xác định dựa trên mô hình Woschni
11. 7 dQ h (φφ )A ( )(T-T ) wt= ww (2.4) d2φ ne Với T(K) – nhiệt độ hỗn hợp khí; Tw (K) – nhiệt độ trung bình vách xy 3 2 lanh; Aw ( )(m ) – diện tích bề mặt không gian công tác; ht (W/m K) – hệ số truyền nhiệt. 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: d P P t m t c (2.5) dt Jtt 2 Với Jt (kg.m ) 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 1 1/k T a 1 1 c (2.6) c TT21 Với c(-) là tỷ số tăng áp; ka(-) tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp/đẳng tích. b. Lưu lượng MN 23 p1 mc =Φc n t D 2 (2.7) RTa 1 Với c (-) là hệ số dòng chảy; nt(v/ph) là tốc độ tua bin; D2(m) là đường 2 kính cánh công tác máy nén; p1(N/m ) áp suất không khí trước máy nén. c. Công suất máy nén 1 1/k m c T a 1 c pa1 c (2.8) Pc c 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
12. 8 2 RR−  =  1 − bs bs 0 (2.9) tt,max R bs 0 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: p3 mtA T ( t ) (2.10) RTe 3 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. 1 k e A4 t, noz CC3 '= 1 4 (2.11) AT n2 t Trong đó, , t, noz là tỷ số áp suất qua tua bin (p4/p3) và ống phun (p3’/p3); n2 chỉ số giãn nở đa biến trung bình. d. Mối quan hệ giữa độ mở ống phun với góc dẫn hướng và tiết diện Xác định góc dẫn hướng ống phun t theo độ mở ống phun ut Hình 2.1. Mối quan hệ độ mở ống phun ut và góc dẫn hướng t Theo Zeng [36], góc dẫn hướng t là hàm đa thức bậc 3 của ut
13. 9 32 t =d1 u t + d 2 u t + d 3 u t + d 4 (2.12) Trong đó di(i=1÷4) là hệ số hiệu chỉnh. ut=[0%÷100%], tương ứng với 0 0 góc dẫn hướng ống phun t=[1,483÷ 0,5757] (rad, [85 ÷33 ]); di =[– 8,867.10–9 3,899.10–5 –0,01288 1,483]. Xác định tiết diện ống phun AT theo độ mở ống phun ut 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]: AT = AfT, ma x (ut ) (2.13) Theo [38], f(ut) là hàm số của biến số ut 2 ub− f( u )= b + b 1 − t 3 (2.14) t 12 b 4 Trong đó bi(i=1÷4) là các hệ số hiệu chỉnh. e. Công suất tua bin. Pt=  t W =  t mU t3 C 3' sin t (2.15) Sơ đồ thuật toán xác định công suất tua bin: Bắt đầu Ước lượng các hệ số Mô hình tiết diện AT Mô hình góc dẫn hướng t Mô hình hiệu suất Mô hình lưu lượng Mô hình vận tốc C3’ Công suất Pt Kết thúc
14. 10 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 ps. Xác định từ phương trình trạng thái khí lý tưởng: d Ra T s dm ei ps = (2.16) dt Vim dt 3 Với Ra(kJ/kg.K) – hằng số nạp;Vim (m )– thể tích ống góp khí xả. Lưu lượng khí nạp. Xác định điểm phối hợp giữa động cơ và TBTA ps Vde n m=ei ηv (2.17) 120Ra Ts 2 Với ps(N/m ), Ts(K) – áp suất và nhiệt độ trước xu páp nạp; Ra – hằng 3 số khí nạp (kJ/kg), Vd(m ) – dung tích xy lanh, ne(v/ph) – tốc độ vòng quay, v(-) – hệ số nạp. Lưu lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ mf (kg/s): u n. i m f e cyl (2.18) f 120 Với icyl (-) là số xy lanh động cơ, uf(kg/chu trình) là lượng nhiên liệu cung cấp trong một chu trình/xy lanh. Lưu lượng dòng ra khỏi xy lanh, me (kg/s): meo m ei m f (2.19) Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng, xác định áp suất sau xy lanh:
15. 11 d RTe e dm eo pe (2.20) dt Vem dt 0 3 Với Re(kJ/kg.K) – hằng số khí xả; Te( K) – nhiệt độ khí xả; Vem (m )– 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)
16. 12 Tham số đầu vào: Tham số kết cấu, các hằng số nhiệt động của chất khí và nhiệt trị thấp của nhiên liệu, tham số khai thác và tham số hiệu chỉnh. Phương pháp hiệu chỉnh tham số. Trong quá trình mô phỏng, hiệu chỉnh tham số được thực hiện theo quy luật của hàm số hồi quy, kết thúc hiệu chỉnh khi các sai lệch giữa mô phỏng và thực tế nhỏ hơn 5%. 3.2. Mô phỏng tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp Deutz 226B Đối tượng mô phỏng: Tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp Deutz 226B lắp đặt trên bệ thử tại phòng thí nghiệm động cơ, Viện Nghiên cứu KH&CN Hàng hải – ĐH Hàng Hải. Thuật toán mô phỏng như trên hình 3.1 3.2.1. Sơ đồ mô phỏng Sơ đồ khối tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp như trên hình 3.2 Hình 3.1. Sơ đồ khối công tác của tổ hợp MDE-TBTA SAC: Khối khí nạp; EGC: Khối khí xả; u_t (ut): độ mở ống phun; n_e (ne): tốc độ động cơ, mf_cyc: nhiên liệu; omega_t (t): tốc độ TB.
17. 13 . Sơ đồ thuật toán mô phỏng toán thuật đồ . Sơ 2 . 3 Hình Hình
18. 14 Sơ đồ khối cụm tua bin tăng áp. Phối hợp công tác tua bin và máy nén được mô phỏng trên Hình 3.3 Hình 3.3. Sơ đồ khối TB-MN 3.2.2. Kết quả mô phỏng Hình 3.4. Giao diện chương trình mô phỏng MDE Deutz226B Đánh giá độ chính xác của mô phỏng. Độ chính xác của mô phỏng được đánh giá qua tài liệu kỹ thuật của động cơ (chế độ 1500 v/ph, 100% tải).
19. 15 Tài liệu Mô Sai số STT Thông số Đơn vị kỹ thuật phỏng % 1 Công suất MDE kW 110 110.24 0.2% 2 Suất tiêu hao nhiên liệu g/kWh 228 218.93 3,9% 3 Áp suất cháy cực đại bar 95 95.75 0.8% 4 Áp suất có ích trung bình bar 14,2 14.16 0.3% 5 Mô men xoắn định mức N.m 684 701.8 2.6% Đánh giá: Kết quả mô phỏng ở chế độ định mức của động cơ gần sát với các chỉ tiêu trong tài liệu kỹ thuật, với các chỉ tiêu chính có sai lệch 5%. Điều này cho thấy độ chính xác của mô hình mô phỏng để có thể thực hiện các bước tiếp theo. Mô phỏng ảnh hưởng của ống phun đến công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật động cơ Deutz 226B Mô phỏng với các chế độ tải LI=25%÷100%, tốc độ 1500 v/ph. Áp suất và công suất theo độ mở ống phun như trên Hình 3.5 và Hình 3.6 %ut Hình 3.5. Đồ thị áp suất trong xi Hình 3.6. Công suất có ích với lanh với ut=80%÷100% ut=80%÷100% Nhận xét: Chế độ tải 100% và 75%, công suất tỷ lệ thuận với ut. Ở các chế độ này động năng của khí xả đáp ứng được yêu cầu của tua bin, vì vậy nếu giảm tiết diện ống phun sẽ tạo ra phản áp lớn ở trong ống xả, giảm đặc tính kỹ thuật của động cơ. Ở chế độ trung tải và thấp tải, độ mở ống phun tối ưu sẽ nâng cao công suất. Với 50% tải, công suất lớn nhất ở lân cận 90% ut. Với 25% công suất đạt giá trị lớn nhất ở lân cận ut=80%.
20. 16 3.2.3. Xác định độ mở ống phun tối ưu cho động cơ Deutz 226B Quan hệ giữa công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và độ mở ống phun được trình bày ở Hình 3.7 và Hình 3.8 (chế độ 25% tải, 1500 v/ph) Hình 3.7. Hàm số ge/ge,nor=f(ut) Hình 3.8. Hàm số Pw/Pw,nor=f(ut) 3.2.4. Đánh giá kết quả mô phỏng động cơ Deutz 226B - Mô phỏng gần như đầy đủ đặc tính kỹ thuật của động cơ và đánh giá độ chính xác dựa trên các hồ sơ kỹ thuật động cơ với sai lệch 5%. - Xác định được ảnh hưởng của ống phun đến công suất các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ ở các chế độ tải khác nhau. Các chế độ tải cao (75% và 100%) giảm độ mở ống phun ảnh hưởng xấu đến đặc tính động cơ. Ở các chế độ tải trung tải và thấp tải (50% và 25%) giảm độ mở ở đến giá trị tối ưu sẽ cải thiện được đặc tính động cơ. - Mô phỏng ở chế độ thấp tải (25%) và xác định độ mở tối ưu của ống phun trong khoảng 81,5% ÷84,5% độ mở lớn nhất. 3.3. Mô phỏng tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp MAK43 Động cơ MAK43 là động cơ chính lai chân vịt tàu thủy. Mô phỏng công suất và đặc tính kỹ thuật cơ bản ở các chế độ để xác định định lượng các yếu tố bị suy giảm. Từ đó xác định các nguyên nhân và hướng khắc phục. Từ các kết quả mô phỏng, thiết lập mối quan hệ giữa tiết diện ống phun trong tua bin tăng áp với các thông số kỹ thuật và khai thác của động cơ. Từ đó dự đoán tiết diện tối ưu của ống phun trong tua bin tăng áp để động cơ hoạt động có hiệu quả cao nhất.
21. 17 Mô phỏng dựa trên hồ sơ xuất xưởng của động cơ. Hình 3.9. Mô phỏng MDE MAK43 ở chế độ định mức Kết quả mô phỏng các chỉ tiêu kỹ thuật và so sánh với hồ sơ kỹ thuật của động cơ: Hình 3.10. Áp suất khí nạp mô phỏng và thực nghiệm Hình 3.11. Công suất mô phỏng và thực nghiệm Mô phỏng ở chế độ khai thác. Mô phỏng ở chế độ khai thác để xác định các đặc tính kỹ thuật của động cơ và đánh giá ảnh hưởng của tiết diện ống
22. 18 phun đến công suất và các thông số khai thác. Hình 3.12. Mô phỏng MDE MAK43 ở chế độ khai thác sử dụng Xác định tiết diện tối ưu của ống phun ở chế độ khai thác Tiết diện tối ưu được xác định qua quan hệ giữa công suất, nhiệt độ khí xả và tiết diện ống phun như trên Hình 3.13 và Hình 3.14 Hình 3.13. Hàm số Pw/Pw,nor=f(AT) Hình 3.14. Hàm số Te/Te,nor=f(AT) Đánh giá kết quả mô phỏng động cơ MAK43 Mô phỏng MDE ở chế độ khai thác hành trình, cho thấy khi giảm tiết diện ống phun xuống còn 91%, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, nếu tiếp tục giảm tiết diện, các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ sẽ xấu đi, công suất và hiệu suất sẽ giảm. 3.4. Kết luận chương 3 Chương 3 đã đạt được các kết quả cụ thể như sau: - Mô phỏng nhiệt động tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp và thiết lập
23. 19 mối quan hệ giữa các thành phần này trong môi trường Matlab/Simulink. - Mô phỏng khá đầy đủ đặc tính của động cơ và đánh giá độ chính xác bằng hồ sơ kỹ thuật của động cơ với sai lệch 5%. - Đánh giá ảnh hưởng của ống phun đến động cơ diesel Deutz 226B, xác định phạm vi của độ mở ống phun tối ưu là 81,5%÷84,5%, để nâng cao các chỉ tiêu kỹ thuật của động cơ. - Xác lập mối quan hệ giữa công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí xả với độ mở ống phun của động cơ MAK43 ở chế độ khai thác (412 v/ph, 65% tải). Dự đoán dự đoán với tiết diện tối ưu của ống phun 91% so với giá trị đang sử dụng, công suất đạt giá trị lớn nhất, suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí xả nhỏ nhất. Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm Giới thiệu Chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm và trên tàu thủy đang khai thác. Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm được thực hiện tại Viện Nghiên Cứu KH&CN Hàng Hải, Đại Học Hàng Hải Việt Nam. Phần thực nghiệm trên tàu được thực hiện tại tàu Phúc Hưng, Công ty Vận tải biển GLS. Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm 4.2.1. Kết quả thí nghiệm a. Áp suất khí nạp với tiết diện ống phun mở hoàn toàn Hình 4.1. Áp suất khí nạp ở chế độ ut=100%
24. 20 Đánh giá: Ở chế độ thấp tải, áp suất khí nạp rất thấp, điều đó cho thấy bộ tăng áp làm việc không hiệu quả. b. Kết quả thí nghiệm ở chế độ 50% tải. Ảnh hưởng của độ mở ống phun đến suất tiêu hao nhiên liệu: Độ mở ống phun, % ge g/kWh (%) 100% - - 90% -6 -2,1 80% -12 -4,2 70% +2 +0,7 60% +22 +7,9 Ảnh hưởng của độ mở ống phun đến công suất: Độ mở ống phun, % Pw, kW (%) 100% - - 90% +1,2 +3,0 80% +2,4 +6,0 70% -1,1 -2,7 60% -8,1 -20,2 c. Kết quả thí nghiệm ở chế độ 25% tải. Ảnh hưởng của độ mở ống phun đến suất tiêu hao nhiên liệu: Độ mở ống phun, % ge, g/kW.h (%) 100% - - 90% –15 –5,0 80% –17 –5,7 70% +6 +2,0 60% +15 +5,0 Ảnh hưởng của độ mở ống phun đến công suất: Độ mở ống phun, % Pw, kW (%) 100% - - 90% +0,8 +4,1% 80% +2,3 +11,0% 70% -0,1 -0,5% 60% -0,4 -2,0% Đánh giá kết quả thí nghiệm: - Sai lệch lớn nhất giữa thí nghiệm và mô phỏng là 5%, cho thấy độ chính xác có thể chấp nhận được của mô hình mô phỏng. - Xác định được chế độ hoạt động của động cơ cần điều chỉnh độ mở
25. 21 ống phun (chế độ trung tải và thấp tải). Các kết quả cho thấy với động cơ Deutz 226B sau một thời gian hoạt động việc điều chỉnh độ mở ống phun phù hợp (ut=81,5% ÷ 84,5%), các chỉ tiêu công tác của động cơ tăng lên rõ rệt. Tuy nhiên ở các chế độ hoạt động khác nhau, hiệu quả khác nhau. Chế độ 25% tải sẽ mang lại hiệu quả cao hơn chế độ 50% tải. Mặt khác do phản áp trên đường xả, nếu giảm độ mở ống phun quá nhiều (ut=60%÷ 70%), phản áp tăng, lượng khí sót tăng, hệ số nạp giảm dẫn đến các chỉ tiêu kỹ thuật của đông cơ sẽ giảm xuống. Nghiên cứu thực nghiệm trên tàu thủy đang khai thác 4.2.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là động cơ MAK43, đang được sử dụng trên tàu Phúc Hưng thuộc Công ty CP Vận tải biển GLS. Tình trạng kỹ thuật động cơ trước khi cải tiến: Trước khi nâng cấp cải tiến các thông số kỹ thuật chính của động cơ suy giảm: nhiệt độ khí xả tăng cao, tốc độ tua bin không đạt yêu cầu, áp suất khí nạp, áp suất cực đại trong xy lanh thấp. Chế độ hoạt động hành trình của động cơ: Thống kê 604 giờ hoạt động của động cơ, cho thấy chế độ thường hoạt động nhất ở tốc độ 412 v/ph, 65% tải (chiếm tỷ lệ 51,7%) và chế độ 412 v/ph, 60% tải (chiếm tỷ lệ 20,5%) 4.3.1. Điều chỉnh tiết diện ống phun Từ kết quả mô phỏng, đã xác định tiết diện tối ưu của ống phun đối với động cơ đang khai thác. Tiết diện tối ưu của ống phun là 91%. b h Đo tiết diện ống phun
26. 22 Tỷ lệ thu nhỏ tiết diện: 13.44,45 %A = .100% 91% T 14,25.44,45 Hình 4.2. Mặt cắt ống phun trước và sau khi cải tiến 4.3.2. Kết quả và đánh giá Sau khi điều chỉnh tiết diện ống phun xuống còn 91% so với ban đầu, như kết quả mô phỏng. Động cơ hoạt động với ống phun được cải tiến, chất lượng hoạt động đã được cải thiện rõ rệt. So sánh ở chế độ 412 v/ph, 65% tải, trước và sau khi điều chỉnh ống phun: Thông số AT=100% AT=91% Thay đổi Áp suất cháy cực đại 114 126,9 pz =13; (11,3%) Tốc độ TB (v/ph) 11165 13341 nt=2176; (19,5%) Áp suất khí nạp, bar 1,83 2,29 pi=0,46 bar; (25,1%) Nhiệt độ khí xả (oC) 379,1 343,6 T=35,5 0C; (9,4%) Kết luận chương 4 Thực nghiệm đã chỉ ra: Đối với các động cơ diesel cũ, việc điều chỉnh tiết diện ống phun có thể sẽ nâng cao được chỉ tiêu công tác của động cơ. Phần thực nghiệm tại phòng thí nghiệm cho thấy: Ở chế độ 25% tải, giảm độ mở ống phun còn 90% ut ÷ 80% ut, áp suất khí nạp tăng 21%÷38%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 5%÷5,7%, công suất có ích tăng 4,1%÷11%. Phần thực nghiệm trên tàu cho thấy khi tiết diện ống phun được điều chỉnh giảm xuống còn 91%, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ được nâng cao rõ rệt. Tốc độ tua bin tăng 19,5%, áp suất khí nạp tăng 25,1%, áp suất cháy cực đại tăng 11,3%, nhiệt độ khí xả giảm 9,4%.
27. 23 Kết luận và kiến nghị Kết luận Những nội dung đã đạt được trong luận án 1. Đã thiết lập mô hình toán để xác định công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật cho động cơ diesel tăng áp tua bin khí. Mô hình ống phun được đặt trong mô hình tổng thể tổ hợp động cơ diesel và tua bin tăng áp, có mối liên hệ tác động ảnh hưởng chặt chẽ với nhau. Mô hình ống phun xác lập hai biến số quan trọng ảnh hưởng đến công suất của tua bin: Tiết diện và góc dẫn hướng ống phun. Hai biến số này xác định lưu lượng và công suất của tua bin, từ đó quyết định đến sự ảnh hưởng của ống phun đến thông số công suất của động cơ đang khai thác. 2. Mô phỏng các quá trình công tác tổ hợp động cơ diesel, tua bin tăng áp và ống phun bằng ngôn ngữ Matlab/Simulink. Các quá trình, mối quan hệ công tác được mô tả bằng sơ đồ khối trong Simulink, giúp hiển thị trực quan bản chất quá trình. Chương trình lập trình đã mô phỏng các quá trình nhiệt động bên trong xy lanh của động cơ (diễn biến áp suất, quá trình tỏa nhiệt, quá trình truyền nhiệt ), các thông số kỹ thuật được mô phỏng và so sánh với hồ sơ kỹ thuật của động cơ với sai lệch 5%. 3. Đối với động cơ mới, việc điều chỉnh ống phun là không cần thiết. Đối với động cơ cũ thời gian khai thác càng lâu, tình trạng kỹ thuật động cơ càng xuống thấp, việc điều chỉnh là cần thiết, tuy nhiên, tiết diện tối ưu phụ thuộc vào tình trạng kỹ thuật của từng động cơ. Động cơ Deutz226B khi hoạt động ở chế độ thấp tải, tiết diện ống phun tối ưu nằm trong khoảng 81,5%÷84,5%, còn đối với động cơ MAK43, nằm trong khoảng 91%. 4. Kết quả thí nghiệm trên động cơ Deutz 226B cho thấy khi điều chỉnh độ mở ống phun có thể tăng công suất có ích thêm 11%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 5,7%. 5. Thực nghiệm trên động cơ MAK43 cho thấy với việc điều chỉnh tiết diện ống phun tốc độ tua bin tăng lên 19,5%, áp suất khí nạp tăng 25,1%, áp suất cháy cực đại tăng 11,3%, nhiệt độ khí xả giảm 9,4%.
28. 24 Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ sự đúng đắn của mô hình toán và mô phỏng, có thể sử dụng kết quả mô phỏng để điều chỉnh ống phun trong tua bin tăng áp, nhằm nâng cao công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật cho các động cơ đang khai thác. Kiến nghị và hướng phát triển – Luận án đã nghiên cứu ảnh hưởng của ống phun đến động cơ diesel tàu thủy. Tuy nhiên chưa đánh giá đến một số yếu tố khác như tuổi thọ động cơ, ứng suất nhiệt, độ bền các chi tiết kết cấu, độ rung động. Các vấn đề này cần thêm các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. – Đối tượng nghiên cứu của luận án là các động cơ cũ, hệ thống cung cấp nhiên liệu kiểu cơ khí. Vì vậy, có thể mở rộng nghiên cứu và phát triển cho các động cơ thế hệ mới có tích hợp điều khiển điện tử cho hệ thống nhiên liệu, hệ thống phân phối khí – Chương trình tính toán, mô phỏng cần được hoàn thiện, bổ sung để có thể ứng dụng cho các loại động cơ diesel tàu thủy khác nhau. – Hiện nay, trên các đội tàu vận tải biển Việt Nam, các động cơ lai máy phát điện sau một thời gian sử dụng đã suy giảm công suất. Mặt khác ở chế độ khởi động và thấp tải thường thiếu khí nạp, xuất hiện khói đen. Điều chỉnh ống phun trong tua bin tăng áp là các giải pháp có thể mang lại hiệu quả cao với chi phí hợp lý. – Đối với động cơ diesel máy chính đang khai thác, có ống phun cố định: Điều chỉnh giảm tiết diện ống phun để tăng công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và nhiệt độ khí xả. Đây là giải pháp kỹ thuật tốt, đã được áp dụng trên các tàu Phúc Hưng, Phúc Khánh của Công ty CP Vận tải biển GLS mang lại hiệu quả cao, có thể áp dụng mở rộng.