TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
BỘ MÔN KỸ THUẬT TÀU THỦY
----- -----
BÀI TẬP LỚN
THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU THỦY 1 (TR2017)
SVTH: Lý Thành Tiến
MSSV: 2112432
GVHD: ThS. Nguyễn Vương Chí
TP. Hồ Chí Minh, tháng 12, năm 2023
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................................i
BÀI SỐ 1 .......................................................................................................................... 1
1. Tìm hiểu về động cơ .............................................................................................1
2. Mô tả động cơ .......................................................................................................2
3. Các động cơ khác ................................................................................................. 5
BÀI SỐ 2 .......................................................................................................................... 6
1. Tính tốn chu trình cơng tác .................................................................................6
2. Đồ thị công chỉ thị .............................................................................................. 15
3. So sánh kết quả tính tốn và đồ thị .................................................................... 17
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................18
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 . So sánh các loại động cơ ............................................................................................................5
Bảng 2 . Số liệu cho trước của động cơ ....................................................................................................6
Bảng 3 . Kết quả tính tốn q trình nạp ..................................................................................................7
Bảng 4 . Kết quả tính tốn q trình nén ..................................................................................................8
Bảng 5 . Thông số nhiên liệu sử dụng cho quá trình cháy ....................................................................... 9
Bảng 6 . Kết quả tính tốn q trình cháy .............................................................................................. 10
Bảng 7 . Kết quả tính tốn q trình giãn nở ..........................................................................................12
Bảng 8 . Kết quả tính tốn q trình xả khí ............................................................................................13
Bảng 9 . Xác định chỉ tiêu chỉ thị và thông số có ích .............................................................................14
Bảng 10 . Thơng số cơ bản để tính giá trị của đồ thị cơng .....................................................................15
Bảng 11 . Bảng số liệu để xây dựng đồ thị công chỉ thị .........................................................................16
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 . Mặt cắt của động cơ MAN L70MCE ......................................................................................... 1
Hình 2 . Sơ đồ cấu tạo .............................................................................................................................. 2
Hình 3 . Sơ đồ hoạt động của động cơ hai kỳ qt vịng ..........................................................................3
Hình 4 . Đồ thị công chỉ thị khai triển của động cơ hai kỳ ...................................................................... 4
Hình 5 . Pha phân phối khí của động cơ hai kỳ ........................................................................................4
Hình 6 . Đồ thị công chỉ thị lý thuyết .....................................................................................................15
i
BÀI SỐ 1
1. Tìm hiểu về động cơ
-
Động cơ: MAN L70MCE
-
Hãng: MAN B&W
-
Phân loại: Động cơ diesel 2 kỳ, quét thẳng qua xupap, tăng áp, tốc độ thấp
-
Kích thước (dài x rộng x cao): 22672 x 9500 x 14035 mm
-
Đường kính trong x hành trình xilanh: 700 x 2360 mm
-
Cơng suất một xi lanh: 1890 kW
-
Tốc độ quay định mức: 100 vòng/phút
-
Áp suất tăng áp: 0.35 MPa
-
Suất tiêu hao nhiên liệu: 174 g/kWh
Hình 1. Mặt cắt của động cơ MAN L70MCE
1
2. Mô tả động cơ
2.1. Sơ đồ cấu tạo
1. Trục khuỷa
2. Thanh truyền
3. Máy nén khí
4. Xilanh
5. Vịi phun
6. Xupap thải
7. Piston
8. Buồng khí
9. Cửa thổi
Hình 2. Sơ đồ cấu tạo
2.2. Nguyên lý hoạt động
Việc thải sạch khí xả khỏi xilanh bằng khơng khí đã được nén tới một áp suất nhất
định. Khơng khí được nén trước nhờ máy nén tăng áp. Khí thải trong xilanh được thốt
ra ngồi qua xupap xả nằm trên nắp xilanh.
Kỳ một - nén: Đầu kỳ một, tiếp tục quá trình quét và nạp đầy môi chất mới vào
xilanh (đường m-c trên đồ thị công). Khơng khí rừ áp suất p0 được máy nén nén đến áp
suất ps để thực hiện việc quét và nạp khí mới. Thời điểm đóng kín cửa qt và cửa xả
quyết định thời điểm kết thúc quá trình thay đổi mơi chất (điểm b’). Cửa qt có thể
đóng đồng thời hoặc muộn hơn so với cửa xả. Áp suất môi chất trong xilanh động cơ
cuối q trình thay đổi khí thường lớn hơn áp suất khí quyển và phụ thuộc vào áp suất
khí qt ps. Q trình nén bắt đầu khi kết thúc q trình thải và qt khí. Trước khi
piston đến ĐCT khoảng (10 - 30)° gqtk nhiên liệu được phun vào xilanh.
Như vậy, trong kỳ một, động cơ thực hiện các quá trình sau: kết thúc các quá trình
thải, qt và nạp đầy mơi chất mới vào xilanh ở đầu hành trình, sau đó thực hiện nén.
2
Hình 3. Sơ đồ hoạt động của động cơ hai kỳ quét vòng
Kỳ hai: Cháy và giãn nở tương ứng với hành trình piston từ ĐCT đến ĐCD. Trong
xilanh thực hiện q trình cháy (đường c-z của đồ thị cơng) và bắt đầu q trình giãn
nở sinh cơng (đường z-b). Piston mở cửa xả trước, do chênh áo bên trong và ngồi
xilanh sản vật cháy bắt đầu thốt ra ngồi đường ống xả, lúc ấy áp suất bên trong
xilanh bắt đầu giảm nhanh (đoạn b-d trên đồ thị công). Khi piston mở cửa quét thì áp
suất bên trong xilanh xấp xỉ bằng áp suất khí qt trong khơng gian cửa qt. Khơng
khí qt qua cửa qt đi vào xilanh và tiếp tục đẩy sản vật cháy còn lại qua xupap xả
ra ngồi và nạp đầy mơi chất mới vào trong xilanh. Q trình này gọi là q trình thay
đổi mơi chất (đoạn d-m trên đồ thị công).
Như vậy ở kỳ hai, trong xilanh thực hiện quá trình cháy của nhiên liệu và tỏa nhiệt,
giãn nở mơi chất, xả khí thải, thực hiện một phần việc quét và nạp đầy môi chất mới.
3
2.3. Đồ thị công chỉ thị khai triển
Đồ thị công chỉ thị khai triển p = f(φ) của động cơ diesel hai kỳ được cho trên
Hình 4. Cơng có ích của động cơ được xác định bằng diện tích md’b’czbdm với trục
hồnh. Cơng dương của khí cơng tác trong xilanh ở kỳ 2 và cơng âm trịng kỳ 1.
Hình 4. Đồ thị công chỉ thị khai triển của động cơ hai kỳ
2.4. Pha phân phối khí
Pha phân phối khí có giá trị khác nhau đáng kể, phụ thuộc vào sơ đồ trao đổi khí.
Pha phân phối khí của động cơ qt khí qua cửa xả ln đối xứng qua ĐCD, cịn qt
qua xupap có thể đối xứng hoặc khơng đối xứng. Cửa quét thường mở từ (40 ÷ 65)°
gqtk trước ĐCD, cịn cửa xả từ (60 ÷ 70)° gqtk trước ĐCD. Xupap xả thường mở ở
góc (70 ÷ 95)° gqtk trước ĐCT, và đóng lại ở (55 ÷ 80)° gqtk sau ĐCT.
Hình 5. Pha phân phối khí của động cơ hai kỳ
a) Quét vòng qua cửa; b) quét thẳng qua xupap
4
3. Các động cơ khác
Dưới đây là bảng so sánh giữa các động cơ của hãng MAN, các động cơ đều là
động cơ 2 kỳ, có 7 xilanh và đường kích piston nằm trong khoảng 700 ÷ 800 mm.
Bảng 1. So sánh các loại động cơ
Động cơ
7L70MCE
7L70ME-C8
Hành trình xilanh
(mm)
2360
2360
2800
2600
Tốc độ quay
(vịng/phút)
100
108
91
104
Cơng suất (kW)
13.230
18.312
18.312
25.368
Thể tích (l)
11.56
11.56
13.72
14.56
Suất tiêu hao nhiên
liệu (g/kWh)
174
170
169
172
5
7S70ME-C8 7K80ME-C9
BÀI SỐ 2
1. Tính tốn chu trình cơng tác
Bảng 2. Số liệu cho trước của động cơ
Thông số
Giá trị
Công suất Ne, kW
1890
Tốc độ quay n, v/ph
100
Áp suất tăng áp pk, MPa
0.35
Nhiệt độ môi trường T0, K
300
Áp suất môi trường p0, MPa
0.103
Hệ số khí sót γr
0.06
Tỷ số nén ε
13
Mức gia nhiệt khơng khí nạp từ vách xilanh ΔT, K
10
Tổn thất áp suất trong bình làm mát khơng khí Δplm, MPa
Mức giảm nhiệt độ khơng khí nạp do làm mát ΔTlm, K
Phần hành trình piston tổn thất để qt khí ψP
0.005
135
0.07415
Chỉ số nén đa biến trong máy nén nk
1.7
Nhiệt độ khí sót Tr, K
750
Hệ số lượng dư khơng khí α
2.7
Đối với động cơ hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm
trong khoảng:
•
Hệ số khí sót r = (0.02 ữ 0.08)
ã
T s nộn = (11 ÷ 15)
•
Nhiệt độ khí sót Tr = (700 ÷ 900) K
ã
H s lng d khụng khớ = (1.8 ữ 2.7)
6
Bảng 3. Kết quả tính tốn q trình nạp
Thơng số
Cơng thức tính
Nhiệt độ khơng khí sau máy nén
Tk, K
p
T0 k
p0
nk 1
nk
0.35
300
0.103
Nhiệt độ khơng khí trước cơ cấu
nạp Ts, K
1.7 1
1.7
Tk Tlm
496 135
Nhiệt độ khơng khí nạp ở cuối
q trình nạp Ta, K
Ts T rTr
1 r
361 10 0.06 750
1 0.06
Áp suất khơng khí trước cơ cấu
nạp ps, MPa
pk plm
0.35 0.005
Áp suất khơng khí nạp ở cuối
q trình nạp pa, MPa
0.95 ps
0.95 0.345
Hệ số nạp ηv
Kết quả
pa Ts 1
1
1 ps Ta 1 r
13 0.3278 361
1
1 0.07415
13 1 0.345 393 1 0.06
496
361
393
0.345
0.3278
0.820
Đối với động cơ hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm
trong khong:
ã
p sut cui quỏ trỡnh np pa = (0.90 ữ 1.1) ps
ã
H s np v = (0.65 ữ 0.85)
7
Bảng 4. Kết quả tính tốn q trình nén
Thơng số
Cơng thức tính
Nhiệt dung mol đẳng tích
của khơng khí cv' ,
kJ/(mol.K)
19.26 0.0025T
Nhiệt dung mol đẳng tích
của sản vật cháy cv" ,
kJ/(mol.K)
20.47 0.0036T
Nhiệt dung riêng của hỗn
hợp khơng khí và khí sót ở
hành trình nén cv ,
kJ/(mol.K)
Chỉ số avc và bc
r cv" 1 r r cv'
1 r
19.2853
0.06 cv" 2.7 1 0.06 0.06 cv'
+0.002523T
2.7 1 0.06
Dựa vào phương trình ở dịng trên
Chỉ số nén đa biến trung
bình n1
n1 1
n1 1
Áp suất cuối quá trình nén
pc, MPa
Kết quả
avc = 19.2853
bc = 0.002523
8.314
avc bcTa 1 n1 1
8.314
1.3646
19.2853 0.002523 393 1 13 n1 1
pa n1
0.3278 131.3646
Nhiệt độ cuối quá trình nén
Tc, K
Ta n1 1
393 131.3646 1
10.855
1001
Đối với động cơ hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm
trong khoảng:
•
Chỉ số nén đa biến trung bình n1 = (1.34 ữ 1.38)
ã
p sut cui quỏ trỡnh nộn pc = (4.0 ữ 11.0) MPa
ã
Nhit cui quỏ trỡnh nén Tc = (850 ÷ 1100) K
8
Bảng 5. Thông số nhiên liệu sử dụng cho quá trình cháy
Thơng số
Giá trị
C = 0.877
Khối lượng thành phần của nhiên liệu, kg/(kg nhiên liệu)
H = 0.120
S = 0.002
O = 0.001
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu QT, kJ/kg
42.170
Hệ số sử dụng nhiệt tại điểm z, ξz
0.90
Hệ số sử dụng nhiệt tại điểm b, ξb
0.98
Tỷ số tăng áp suất khi cháy λ
1.2
Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel thấp tốc:
•
C = (0.84 ữ 0.88)
ã
H = (0.11 ữ 0.14)
ã
S = (0.0001 ữ 0.05)
ã
O = (0.001 ữ 0.03)
ã
H s s dng nhit ti im z, z = (0.75 ữ 0.90)
ã
H s s dng nhit ti im b, b = (0.86 ữ 0.98)
ã
T s tăng áp suất khi cháy λ = (1.15 ÷ 1.35)
9
Bảng 6. Kết quả tính tốn q trình cháy
Thơng số
Cơng thức tính
Lượng khơng khí
thực tế cho q
trình cháy L,
kmol/(kg nhiên
liệu)
C H S O
0.21 12 4 32 32
Hệ số biến đổi
phân tử lý thuyết
(hóa học) β0
Hệ số biến đổi
phân tử thực tế β
2.7 0.877 0.12 0.002 0.001
0.21 12
4
32
32
1
8H O
32 L
8 0.12 0.001
1
32 1.3258
0 r
1 r
1.0227 0.06
1 0.06
Lượng nhiên liệu
cháy tại điểm z,
xz
Hệ số biến đổi
phân tử tại điểm
z, βz
Nhiệt dung riêng
trung bình đẳng
tích tại điểm z,
cvz , kJ/(kmol.K)
Nhiệt dung riêng
trung bình đẳng
tích tại điểm b,
cvb , kJ/(kmol.K)
z b
0.9 0.98
1
0 1
xz
1 r
1.0227 1
1
0.9184
1 0.06
m r cv" 1 r xz r cv'
1 r m 1 xz
1.0612 0.06 cv" 2.7 1 0.06 0.9184 0.06 cv'
2.7 1 0.06 1.0612 1 0.9184
m r cv" 11 r cv'
1 r m 1
1.0612 0.06 cv" 2.7 1 0.9184 0.06 cv'
2.7 1 0.06 1.0612 1
10
Kết quả
1.3258
1.0227
1.0214
0.9184
1.0196
19.6766
+0.002878T
19.7242
+0.002922T
Nhiệt độ cháy
cực đại Tz, K
z QT '
cvc 8.314 r cvc" 8.314 Tc
L
z 1 r c pz" Tz
0.9 42170 '
cvc 8.314 1.2 r cvc" 8.314 1.2 1001
1.3258
1705.12
1.0196 1 0.06 c pz" Tz
Áp suất cháy
cực đại pz, MPa
pc
1.2 10.855
13.026
Đối với động cơ hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm
trong khoảng:
•
Nhiệt độ cháy cực đại Tz = (1700 ÷ 1800) K
•
Áp suất cháy cực đại pz = (6.0 ÷ 14.0) MPa
Các thành phần khác được tính bằng cơng thức:
•
H O
0.12 0.001
M
4
32
4
32 1.0612
1
1
Hệ số cháy thuần túy m 1
L
1.3258
L0
2.7
•
Mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng đẳng tích và đẳng áp c p" cv" 8.314
11
Bảng 7. Kết quả tính tốn q trình giãn nở
Thơng số
Cơng thức tính
Tỷ số giản nở
sớm ρ
z Tz
Tc
1.0196 1705.12
1.2
1001
Tỷ số giãn nở
sau δ
Chỉ số giản nở
đa biến trung
bình n2
13 1.4475
n2 1
Áp suất cuối
quá trình giãn
nở pb, MPa
1.4475
8.981
8.314 z Tz Tb
QT b z z
avz bzTz Tz avb bbTb Tb
L 1 r
1.0196
8.314
1705.12 933.2
1.0214
42170 0.98 0.9
1.0196
cvz 1705.12 cvb 933.12
1.3258 1 0.06 1.0214 1.0214
Nhiệt độ cuối
quá trình giãn
nở Tb, K
Kết quả
1.2746
Tz
n 1
2
1705.12
8.9811.2746 1
933.2
pz
n
2
13.026
8.9811.2746
0.7938
Đối với động cơ hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm
trong khoảng:
•
Tỷ số giản nở sm = (1.2 ữ 1.6)
ã
Ch s gin n a bin trung bỡnh n2 = (1.2 ữ 1.3)
ã
Nhit cui quỏ trỡnh gión n Tb = (900 ữ 1000) K
ã
p suất cuối q trình giãn nở pb = (0.25 ÷ 0.85) MPa
12
Bảng 8. Kết quả tính tốn q trình xả khí
Thơng số
Cơng thức tính
Áp suất khí sót
pr, MPa
p0 pr
0.103 0.025
Nhiệt độ khí sót
Tr, K
Tb
pb
pr
0.7938
0.128
c p"'
0.128
nx 1
nx
612.5
933.2
Nhiệt dung riêng
mol trung bình
Kết quả
1.31
1.3
a 1 c p' c p" 0
a 1 0
28.546
1.25 1 27.574 0.0025T 28.784 0.0036T 1.0227
+0.00338T
1.25 1 1.0227
Nhiệt độ khí cháy
TT, K
c p" 0Tr c p' a 1Ts
c p"' 0 a 1
c p" 1.0227 612.5 c p' 1.25 1 361
565.5
c p"' 1.0227 1.25 1
Đối với động cơ hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp có giá trị nằm
trong khoảng:
•
Tổn thất áp suất trên ống xả Δpr = (0.005 ÷ 0.025) MPa
•
Chỉ số đa biến trung bình nx = (1.30 ÷ 1.35)
•
Nhiệt độ khí sót Tr = (550 ÷ 650) K
ã
H s quột a = (1.25 ữ 1.8)
13
Bảng 9. Xác định chỉ tiêu chỉ thị và thông số có ích
Thơng số
Cơng thức tính
Kết
quả
Xác định các chỉ tiêu chỉ thị
Áp suất chỉ thị trung
bình lý thuyết p’i, MPa
Áp suất chỉ thị trùng
thực tế pi, MPa
Suất tiêu hao nhiên liệu
chỉ thị gi, kg/(kW.giờ)
Hiệu suất chỉ thị ηi
pc
1
1
1
1
1 n2 1
1 n1 1
1
n2 1
n1 1
1.2 1.4475
1
1.2 1.4475 1 1.2746 1 1 8.9811.2746 1
10.855
13 1
1
1
1 1.3646 1
1.3646 1 13
1.569
pi' 1 P 1.569 0.95 1 0.07415
1.396
433
psv
0.345 0.827
433
LTs pi
1.3258 361 1.396
3600
3600
gi QT 0.185 42170
0.185
0.462
Xác định các thơng số có ích
Áp suất có ích trung
bình pe, MPa
pim 1.396 0.92
1.284
Suất tiêu hao nhiên liệu
chỉ thị ge, kg/(kW.giờ)
g i m 0.185 0.9 2
0.201
Hiệu suất có ích của
động cơ ηe
i m 0.462 0.92
0.425
Đối với động cơ hai kỳ, tăng áp, quét thẳng qua xupap, tốc độ thấp:
•
Áp suất chỉ thị trùng thực tế pi = (0.8 ữ 1.7) MPa
ã
Sut tiờu hao nhiờn liu ch th gi = (0.194 ữ 0.150)
ã
Hiu sut ch th i = (0.44 ữ 0.575)
ã
Hiu sut c gii m = (0.87 ữ 0.94)
ã
p sut cú ớch trung bỡnh pe = (0.75 ữ 1.7) MPa
ã
Sut tiờu hao nhiờn liu ch th ge = (0.160 ữ 0.205)
ã
Hiu sut cú ớch ca ng cơ ηe = (0.54 ÷ 0.42)
14
2. Đồ thị công chỉ thị
Bảng 10. Thông số cơ bản để tính giá trị của đồ thị cơng
Thơng số
Ký hiệu Kết quả
Tỷ số giãn nở sớm
ρ
1.447
Tỷ số nén
ε
13
Chỉ số nén đa biến trung bình
n1
1.3646
Chỉ số giãn nở đa biến trung bình
n2
1.2746
Áp suất cuối quá trình nén, MPa
pc
10.855
Áp suất cháy cực đại, MPa
pz
13.026
Áp suất cuối quá trình nạp, MPa
pa
0.328
Áp suất cuối quá trình giãn nở, MPa
pb
0.794
Tỷ lệ biểu đồ theo trục hoành, mm/m3
mv Vc
1 25
Tỷ lệ bản đồ theo trục tung, MPa/mm
mp
0.06
Các tỷ lệ biểu đồ để xây dựng đồ thị nên theo tỷ số
pz mv Vc 2
mp
3
Hình 6. Đồ thị công chỉ thị lý thuyết
15
Bảng 11. Bảng số liệu để xây dựng đồ thị công chỉ thị
V
Vc
V
lg
Vc
V
n1 lg
Vc
V
Vc
1
0.000
0.000
1.25
0.097
1.447
n1
V
n2 lg
Vc
p,
MPa
p, mm
1.000
10.855
180.92
0.132
1.356
8.005
133.42
0.161
0.219
1.656
6.553
109.22
0.205
1.5
0.176
0.240
1.739
6.242
104.04
1.75
0.243
0.332
2.146
5.058
2
0.301
0.411
2.575
2.5
0.398
0.543
3
0.477
4
V
Vc
n2
p,
MPa
p, mm
1.602
13.026
217.10
0.224
1.677
12.448
207.46
84.30
0.310
2.041
10.227
170.45
4.215
70.26
0.384
2.419
8.627
143.78
3.492
3.109
51.81
0.507
3.215
6.491
108.19
0.651
4.478
2.424
40.40
0.608
4.056
5.145
85.75
0.602
0.822
6.631
1.637
27.28
0.767
5.853
3.566
59.53
6
0.778
1.062
11.531
0.941
15.69
0.992
9.814
2.127
35.44
8
0.903
1.232
17.075
0.636
10.60
1.151
14.160
1.474
24.56
10
1.000
1.365
23.153
0.469
7.81
1.275
18.819
1.109
18.48
11
1.041
1.421
26.368
0.412
6.86
1.327
21.250
0.982
16.37
11.5
1.061
1.447
28.017
0.387
6.46
1.352
22.489
0.928
15.47
12
1.079
1.473
29.693
0.366
6.09
1.376
23.742
0.879
14.65
12.25
1.088
1.485
30.540
0.355
5.92
1.387
24.375
0.856
14.27
12.5
1.097
1.497
31.394
0.346
5.76
1.398
25.010
0.834
13.91
12.75
1.106
1.509
32.254
0.337
5.61
1.409
25.650
0.814
13.56
13
1.114
1.520
33.120
0.328
5.46
1.420
26.293
0.794
13.23
16
3. So sánh kết quả tính tốn và đồ thị
Diện tích đường cơng biểu đồ cơng chỉ thị lý thuyết Fi = 7641.62 mm2
Độ dài của biểu đồ ld = 325 mm
Áp suất chỉ thị trung bình
pid Fi m p ld 7641.62 0.06 325 1.4107 MPa
Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi 1.396 MPa
Sai số giữa kết quả tính tốn từ lý thuyết với đồ thị:
1.4107 1.396
1.396
100% 1.067%
→ Sai số không vượt quá 2%
17
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Thạch. Động cơ đốt trong tàu thủy. NXB ĐHQG TP.HCM, 2014.
18