Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy - Luận án TS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP.HCM – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 Người hướng dẫn khoa học: 1. Bùi Hồng Dương 2.HCM – 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyễn Quang Vinh – là tác giả luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu ảnh hưởng ống phun trong tua bin tăng áp đến công suất động cơ diesel tàu thủy”, dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn khoa học: TS.

Bùi Hồng Dương và PGS. Bằng danh dự của bản thân, tôi xin cam đoan rằng: Luận án là công trình nghiên cứu riêng của riêng tôi, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp, từ công trình nghiên cứu của tác giả hay nhóm tác giả khác; – Các số liệu kết quả nghiên cứu được nêu trong luận án, chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác trước đó; – Các thông tin, số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo trong luận án đều được chỉ rõ về xuất xứ, nguồn gốc và đảm bảo tính trung thực. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Quang Vinh ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo điều kiện cho tác giả thực hiện luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và tri ân đến tập thể hướng dẫn, TS.

Bùi Hồng Dương và PGS. Đỗ Đức Lưu đã hướng dẫn tận tình suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn đến TS.Lê Văn Vang đã có những ý kiến đóng góp quý báu trong luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn Viện Đào Tạo Sau Đại Học, Viện Hàng Hải, các khoa, các phòng ban đã tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập nghiên cứu tại trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Tp.Hồ Chí Minh.

Xin cảm ơn Viện Nghiên Cứu KH&CN Hàng Hải, Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam, Công ty CP Vận tải biển GLS đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành chương trình thực nghiệm. Tác giả trân trọng tiếp thu và cảm ơn các ý kiến đóng góp, nhận xét của các nhà khoa học, các chuyên gia, các giảng viên, các cán bộ công nhân viên và đồng nghiệp trong và ngoài nhà trường. Tác giả cũng bày tỏ lòng cảm ơn đến lãnh đạo, chỉ huy và các đồng nghiệp tại Trường CĐ Hải Quân, Trường Sĩ Quan Kỹ Thuật Quân Sự đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả an tâm học tập, nghiên cứu. Đồng thời, tác giả cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua trở ngại khó khăn để hoàn thành luận án.

iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. ix MỞ ĐẦU.

Tính cấp thiết của luận án. Mục đích nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án. Phương pháp nghiên cứu của luận án.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Những đóng góp mới của luận án. Bố cục của luận án. 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. Sự suy giảm công suất và các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản theo quá trình khai thác của động cơ diesel tàu thủy. Sự thay đổi điểm công tác (tải – mô men và vòng quay) của động cơ diesel tàu thủy. Ống phun trong tua bin tăng áp.

Tình hình nghiên cứu về tua bin tăng áp và ống phun. Đặt bài toán và phương hướng nghiên cứu. Kết luận chương 1. 29 iv Chương 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY. Chu trình công tác động cơ diesel 4 kỳ. Mô hình nhiệt động dòng khí qua máy nén. Mô hình nhiệt động dòng khí qua tua bin.

Quan hệ tua bin và máy nén. Phối hợp công tác động cơ và tua bin tăng áp. Các chỉ tiêu công tác của động cơ. Phương pháp xử lý số liệu trong mô phỏng và thực nghiệm.

Kết luận chương 2. MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA ỐNG PHUN TRONG TUA BIN TĂNG ÁP ĐẾN CÔNG SUẤT VÀ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY ĐANG KHAI THÁC. 59 Sơ đồ thuật toán dùng trong mô phỏng quá trình công tác tổ hợp động cơ – tua bin tăng áp. 59 Phương pháp đánh giá độ chính xác của mô hình mô phỏng.

63 Lựa chọn phần mềm mô phỏng. 65 Mô phỏng tổ hợp động cơ và tua bin tăng áp Deutz 226B. 66 Mô phỏng tổ hợp động cơ và tua bin tăng áp MAK43. 85 Kết luận chương 3.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. Nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel tàu thủy đang khai thác 108 4. Kết luận chương 4.

113 KẾT LUẬNVÀ KIẾN NGHỊ. 115 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Các thông số kỹ thuật của động cơ Deutz 226B tại Phòng thí nghiệm động cơ – Viện Khoa học và Công nghệ Hàng hải.

Hình ảnh thí nghiệm tại phòng thí nghiệm. Các kết quả thử nghiệm động cơ MAK 43 tại nhà máy sản xuất. Kết quả kiểm tra công suất động cơ trên tàu. Hình ảnh thực nghiệm trên tàu.

Xác nhận của đơn vị chủ quản tàu. 139 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa A m2 Diện tích, tiết diện ap , ad , – Các thông số hiệu chỉnh quá trình cháy mp,md AT m2 Tiết diện ống phun cp,cv J/kg.K Nhiệt dung riêng đẳng áp, đẳng tích ge g/kW.h Suất tiêu hao nhiên liệu có ích icyl – Số xy lanh Jt kg.m2 Mô men quán tính cụm tăng áp k – Tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích (cp/cv) ka, ke Tỷ số nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của khí nạp, khí xả ṁ kg/s Lưu lượng khối lượng n2 – Hệ số mũ đa biến quá trình giãn nở ne,nt v/ph Tốc độ vòng quay động cơ, tua bin p N/m2, bar Áp suất Áp suất khí nạp, áp suất cuối quá trình nén, áp suất ps, pc,pz N/m2, bar cháy cực đại P kW Công suất Pc kW Công suất có ích MN Pt kW Công suất có ích TB QH J/kg Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Ra, Re J/kg.K Hằng số khí nạp, khí xả Raf – Tỷ số không khí/nhiên liệu Rbs – Tỷ số tốc độ cánh T K Nhiệt độ U, C m/s Vận tốc uf g/chu trình Nhiên liệu cấp vào trong 1 chu trình công tác ut % Độ mở ống phun V m3 Thể tích W, Ẇ J, W Công, Công suất t độ Góc mở ống phun  – Hệ số nhiên liệu cháy đẳng tích  – Tỷ số nén của động cơ diesel e, gh  % Sai lệch, Giới hạn của sai lệch c – Hệ số dòng chảy của máy nén r – Hệ số khí sót của động cơ diesel  – Hiệu suất của động cơ diesel  rad, độ Góc quay trục khuỷu vii Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa s độ Góc bắt đầu cháy của nhiên liệu c – Tỷ số tăng áp khí nạp qua máy nén (p2/p1) t, t ,noz Tỷ số giãn nở của khí xả qua tua bin (p3/p4) và OP – (p3’/p3) t  t ,noz – Nghịch đảo của tỷ số giãn nở t , t ,noz  kg/m3 Khối lượng riêng  rad/s Vận tốc góc c – Hệ số chuyển hóa năng lượng của máy nén Các chỉ số dưới: Ký hiệu Ý nghĩa a Cuối quá trình nạp (pa, Ta …) c Cuối quá trình nén (pc, Tc…) e Thông số trung bình (pe) f Nhiên liệu s Trước xupáp nạp (ps, Ts…) i Thông số chỉ thị (pi, Ti, Pi…) r Cuối quá trình xả (pr, Tr…) w Thông số có ích (Pw) Các chữ viết tắt Viết tắt Tiếng Anh Ý nghĩa CFD Computational fluid Lý thuyết động lực học chất lưu dynamics DAQ Data acquisition Bộ thu thập dữ liệu ĐCT Điểm chết trên của động cơ diesel ĐCD Điểm chết dưới của động cơ diesel GQTK Góc quay trục khuỷu MDE Marine diesel engine Động cơ diesel tàu thủy MN Máy nén MVEM Mean value engine model Mô hình giá trị trung bình OP Ống phun trong tua bin tăng áp PC Personal computer Máy tính cá nhân TB Tua bin TBTA Tổ hợp tăng áp bằng tua bin khí xả viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. Tỷ lệ chuyển hóa năng lượng của động cơ diesel [92]. Danh sách thông số đầu vào cho mô phỏng.

Thông số kỹ thuật chính của động cơ và Tua bin tăng áp [90]. Đánh giá kết quả mô phỏng động cơ Deutz 226B. Các thời điểm đặc biệt trên đồ thị áp suất trên Hình 3. Các thời điểm đặc biệt trên đồ thị áp suất trên Hình 3.

Sự thay đổi công suất, Pw=f(LI, ut). Sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích, ge= f(LI, ut). Sự thay đổi áp suất khí nạp, pim= f(LI, ut). Sự thay đổi nhiệt độ khí xả.

Thông số kỹ thuật chính của động cơ MAK43 [33]. Công suất động cơ theo chế độ tải và tiết diện ống phun. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích theo tải và tiết diện ống phun. Nhiệt độ khí xả theo tải và tiết diện ống phun.

Các thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ điện tử. Thông số kỹ thuật của cảm biến áp suất điện tử. Bảng mô tả các chế độ thực nghiệm. Đánh giá sự thay đổi ge ở chế độ 50% tải, 1500 v/ph.

Thay đổi công suất theo độ mở ống phun (50% tải). Đánh giá sự thay đổi của ge ở 1500 v/ph và 25% tải. Thay đổi công suất theo độ mở ống phun (25% tải) .