Phân tích cấu tạo, tính năng kỹ thuật họ động cơ Diesel tàu thủy hiệu S70MC-C22, Chương 15 docx

Chương 15:
Hệ thống khí nạp và hệ thống khí
xả
Để đảm bảo quá trình cháy tốt phải xả hết sản vật cháy của
chu trình tr
ước r
a
khỏi xilanh và nạp đầy khí sạch mới vào. Khối
l
ượng không khí nạp vào xilanh
cà
ng nhiều thì lượng nhiên liệu có
th
ể đốt cháy càng lớn, nên công thu được tăng lên. Nh
ư
vậy chất
l
ượng làm sạch và khối lượng không khí nạp là những yếu tố quyết
định
c
ông suất phát ra của động
cơ
.
Đối với động cơ 2 kỳ, để đảm bảo chất lượng trao đổi khí sẽ
phức tạp hơn h
ơ
n động cơ 4 kì. Xilanh động cơ 4 kì làm sạch sản
v
ật cháy bằng một hành trình p
i
s

t
on. Trong thời gian mở trùng điệp
các xupáp
động cơ 4 kỳ có tăng áp diễn ra quá trình qu
ét
xilanh.
T
ổng thời gian nạp, xả khoảng 400- 450 góc quay trục khuỷu. Do
đó đảm b
ả
o chất lượng trao đổi khí tốt. Trong khi đó đối với động cơ
2 kỳ, các quá trình làm sạch v
à
nạp không khí vào xilanh diễn ra tất
c
ả khoảng 120-150 góc quay trục khuỷu,
c
h
iếm
một phần hành
trình nén. Ph
ần lớn quá trình xả khí diễn ra với quá trình nạp không
kh
í
vào xilanh do đó không tránh khỏi hiện tượng tiếp xúc và hoà
tr
ộn một phần sản v
ật
cháy với không kh
í

.
Chính vì th
ế ở động cơ hai kỳ việc sử dụng máy nén là rất
quan tr
ọng, vì qu
á
trình trao đổi khí ở động cơ hai kỳ cần không khí
n
ạp có áp suất lớn để đẩy khí cháy r
a
ngo
ài
.
H
ọ động cơ S70 MC-C có các cửa quét khí được bố trí theo
h
ướng tiếp
t
uy
ế
n,
l
ẹch với bán kính trung bình của xilanh một góc

, và hướng lên một góc

tạo
c
huy
ể

n
động xoáy lên của dòng khí
quét giúp không khí quét g
ạt hết sản vật cháy ra ngoài
làm
cho quá trình quét khí được thực hiện triệt để hơn. Kết hợp với
vi
ệc tăng áp sử dụng phương pháp tăng áp bằng tuabin đẳng áp,
đường xả từ xilanh ra có dạng loe (d
i
ffusor), xupáp xả được dẫn dẫn
động bằng thủy lực và được đóng mở có giảm chấn lò xo v
à
xupáp
được xoay tròn để tránh kẹt xupáp và các kết cốc bám trên bề mặt
làm vi
ệc
c
ủ
a
xupáp. Chuyển động xoay của xupáp thực hiện được là
nh
ờ lực tác dụng của khí xả
lê
n kết cấu cánh được bố trí ở thân
xup
á
p.
Đây là họ động sơ thấp tốc có tỉ số S/D # 4. Do là động cơ hai
k

ỳ quét thẳng qu
a
xupáp xả có hành trình S cực lớn kết hợp với việc
s
ử dụng tuabin nén khí nên quá
t
r
ì
nh quét thải rất sạch do đó hiệu
su
ất của động cơ
ca
o.
2.4.4.1. Hệ thống khí nạp.
Họ động cơ S70 MC-C sử dụng phương pháp tăng áp bằng
tuabin khí x
ả
c
ho việc nạp khí, việc nạp khí được thực hiện bằng
các c
ửa nạp thông qua sự dịch
c
huy
ể
n lên xuống của p
i
s
t
on.
M

ục đích của việc sử dụng tuabin tăng
á
p
:
Tăng lượng khí nạp vào xilanh công tác của động cơ trong
quá trình n
ạp,
làm
cho nhiên liệu phun vào buồng cháy được đốt
cháy hoàn toàn h
ơn làm tăng công su
ất
động
cơ
.
Ưu điểm của phương pháp này
là:
+ Tận dụng được động năng của dòng khí x
ả
.
+ T
ăng công suất động
cơ
.
Nh
ưng mặt khác nó cũng làm tăng sức cản trên đường khí xả
và cấu tạo các h
ệ
thống phục vụ cho hệ thống tăng áp
ph

ức
tạ
p.
3
2
4
1
5
6
7
Hình 2.40. Hình vẽ sơ đồ tăng áp hệ thống khí n
ạ
p.
1. Xilanh 5. Ống góp khí qu
ét
2. Xupáp xả 6. Hộp làm mát khí qu
ét
3. Ống góp khí xả 7. Thiết bị tách nước lẫn trong khí
qu
ét
.
4. Tuabin-máy n
é
n
Nguyên lý làm việc của hệ thống khí nạp:
Khí xả từ động cơ qua xupáp xả được dẫn vào ống góp khí xả
(3) sau đó nó đ
ược
dẫn vào máy nén (4) làm quay tuabin máy nén
sau

đó khí xả thoát ra ngoài qua ống x
ả
. Tuabin-máy nén quay hút
không khí nén vào qua bộ lọc không khí, sau đó không kh
í
được
máy nén
đẩy đến hộp làm mát khí quét (6) tại đây không khí quét
được làm mát h
ạ
thấp nhiệt độ xuống sau đó được đẩy đến ống góp khí quét rồi vào
khoang khí quét, kh
i
piston dịch chuyển xuống điểm chết dưới không
khí
được đưa vào buồng đố
t
.
Khi
động cơ đã hoạt động bình thường thì lượng khí xả thoát
ra
đủ để dẫn động tuabin quay cung cấp đầy đủ lượng không khí cần
thi
ết cho quá trình cháy của động
cơ
tuy nhiên lúc động cơ khởi
động hoặc làm việc ở các chế độ tải nhỏ hay không tải
t
h
ì

lượng khí
x
ả thoát ra không đủ để lai tuabin cung cấp lượng khí nạp cần thiết
cho
động cơ, lúc này phải hỗ trợ khởi động bằng 2 quạt phụ (hai
qu
ạt này được dẫn động b
ằ
ng động cơ điện) hút không khí từ không
gian sau b
ộ làm mát khí tăng áp, không gian n
à
y được nối với ống
d
ẫn khí tăng áp bằng một van lá, và sau khi áp suất tăng áp tăng
lê
n
đạt giá trị cần thiết thì quạt điện này sẽ được tự động
cắt
.
2
1
3
Hình 2.41. Hình vẽ bố trí quạt phụ.
1. Môtơ điện 3. Thiết bị làm mát khí nạp
2. Qu
ạ
t
đường khí của quạt phụ
.… đường khí của máy n

é
n
Các bộ phận
c
h
í
nh:
Bộ tuabin tăng áp gồm có hai phần chính là tuabin khí và máy
nén cùng các
cơ
cấu phụ như bạc đỡ trục, thiết bị bao kín, các hệ thống bôi trơn và làm
mát
…v.v.
+ Tua bin khí là thi
ết bị biến đổi nội năng và thế năng của
chất khí thành
cơ
năng. Quá trình biến đổi này được thực hiện nhờ
có sự tác động tương hỗ giữa dòng kh
í
và cánh
t
u
a
b
i
n.
N
ội năng và thế năng của chất khí trước tiên được biến đổi
thành

động năng s
a
u đó là quá trình biến đổi động năng thành cơ
năng (quay bánh công tác) trong tuabin.
Các
quá trình này được thực
hi
ện trong cánh hướng và bánh công
tác
.
+ Máy nén ly tâm là một thiết bị cơ khí dùng để chuyển năng
l
ượng cơ khí
t
h
à
nh năng lượng dòng chảy, máy nén ly tâm dựa vào
tác d
ụng của lực ly tâm để tăng áp su
ất
cho không khí (từ p
o
lên p
k
),
và làm cho không khí có l
ưu lượng G
k
(kg/s) từ phần không gian này
chuy

ển qua phần không gian kh
ác
.
H
ọ động cơ S70MC-C sử dụng tuabin hướng trục và máy nén
ly tâm. Ta có
t
h
ể
lựa chọn và trang bị cho họ động cơ các loại tuabin và máy nén của
các hãng s
a
u
:
- M
a
n
B&W
- ABB (gồm 2 loại là TPL và VTR) cũng do ManB&W chế
tạ
o.
- MHI (M
i
sub
i
sh
i
).
D
ưới đây là hình vẽ kết cấu của một cụm TB-MN của loại ABB

ki
ểu VTR. Nó b
a
o gồm 1 tuabin hướng trục lắp trên cùng một trục
v
ới máy nén ly tâm, trục của
TB
-MN được đỡ bởi 2 ổ lăn đặt ngoài.
C
ụm TB-MN này được trang bị bộ giảm âm rất
t
ố
t
.
3
4
2
1
5
Hình 2.42. Hình vẽ cấu tạo tuabin-máy nén ABB kiểu
V
TR
.
1. Ổ lăn 4. Cánh
t
uab
i
n
2. L
ưới lọc 5. Trục rô

t
o.
3. Bánh cánh máy n
é
n
Nguyên lý hoạt động: khí xả sau khi thoát ra khỏi van khí xả
được góp vào ống góp khí xả sau đó nó đi vào tuabin tác động vào
cánh tuabin làm quay tr
ục rôto, do đó cũng làm quay bánh cánh máy
nén (c
ũng gắn trên trục rôto). Nếu bánh cánh máy n
é
n đang có
chuy
ển động quay ở một tốc độ nào đó, thì sau khi không khí qua cửa
đi vào s
ẽ
cùng quay với bánh cánh máy nén rồi lưu động theo rãnh
thông gi
ữa các cánh của b
á
nh. Do đó chuyển động tuyệt đối của
dòng không khí
đi vào bánh công tác sẽ là tổng h
ợ
p
của chuyển động theo, quay tròn của bánh cánh máy nén và
chuy
ển động tương đối
c

ủ
a
dòng chảy trong rãnh cánh. Bánh
cánh máy nén
đang quay, truyền công cho không kh
í
làm tăng
áp su
ất và tốc độ của không khí trong rãnh cánh. Lúc dòng khí
đi tới miệng r
a
của bánh cánh máy nén, dưới tác dụng của lực
ly tâm chuy
ển động quay, dòng khí đ
i
qua miệng ra của bánh
v
ới một tốc độ lớn, đồng thời tạo nên hiện tượng chân không
c
ụ
c
bộ tại cửa vào gây tác dụng hút không khí phía trước cửa đi vào
b
á
nh.
So v
ới các phương pháp tăng áp khác thì phương pháp
t
ăng áp bằng tuabin kh
í

thải được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất vì chúng có
nh
ững ưu điểm vượt
t
rộ
i:
+ Có kích thước gọn nhẹ hơn so với các hệ thống tăng
áp khác mà v
ẫn
t
hõ
a
mãn được mức độ tăng áp cần
t
h
iết
.
+ T
ận dụng năng lượng của khí thải, động cơ không
tiêu hao m
ột phần n
à
o
công su
ất để dẫn
động máy n
é
n.
+ Có s
ự phối hợp tự động trong quá trình làm việc

c
ủa động cơ và tổ h
ợ
p tubin máy nén. Khi động cơ làm việc ở
chế độ thấp tải thì năng lượng chứa trong kh
í
thải ít, công sinh
ra c
ủa tuabin cũng như công suất máy nén nhỏ, phù hợp với
lượ
ng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình công tác, khi tăng
t
ải động cơ thì năng lượng
c
h
ứa
trong khí thải cũng tăng theo,
k
ết quả là công suất của tuabin tăng, đảm bảo cho
má
y nén
cung c
ấp đủ không khí theo yêu cầu của động
cơ
.
Tuy nhiên h
ệ thống này cũng tồn tại một số mặt hạn chế s
a
u
:

+ Kết cấu tuabin-máy nén phức tạp, tốc độ quay của rôto
r
ất cao, làm việc v
ới
khí thải có nhiệt độ cao
nên d
ễ hư hỏng.
+ Tính t
ăng tốc và khởi động kém hơn so với các loại
khác, thông th
ường đ
ể
khởi động phải dùng
m
ột quạt phụ.