Chế độ làm việc của động cơ khi hỏng một vài xi lanh hoặc khi tuabin tăng áp bị sự cố ppsx

3.1. Chế độ làm việc của động cơ khi hỏng một vài xi lanh hoặc khi tuabin tăng áp bị sự
cố.
3.1.1. Khi một hoặc một vài xi lanh bị hỏng:
Trong quá trình khai thác, động cơ chính tàu thủy có thể bị hỏng một hay vài xi lanh,
nhưng trong trường hợp không cho phép dừng tàu mà buộc vẫn khai thác với số xy lanh
còn lại. Trong trường hợp này người khai thác phải xác định lại thông số công tác của động
cơ và quan tâm đặc biệt tới các xi lanh còn lại.
Một vài nguyên nhân dẫn đến phải ngắt bỏ xi lanh chẳng hạn như: Kẹt cặp pít tông
bơm cao áp, vỡ đường ống cao áp, vòi phun bị kẹt do nhiên liệu bẩn, hoặc do hỏng hóc
nhóm pít tông biên, bạc biên, v.v Tùy theo mức độ hư hỏng mà ta có thể ngắt bỏ xy lanh
đó theo 2 phương pháp sau:
a) Cắt nhiên liệu nh ư ng vẫn để nhóm piston - biên chuyển động theo.

Giả sử động cơ có một xy lanh bị hỏng, ta đã biết được Ni và Ne tương ứng là các đường
cong (1) và (2). Công suất cơ giới có thể được tính theo các cách sau:
Dựa theo số liệu kinh nghiệm ta có thể chọn được hiệu suất cơ giới η
m
ở vòng quay định
mức, khi đó:
(45)
0 n
n
n
N
m
N

N
n
(1)






(2)
Xây dựng dặc tính ngoài của động cơ khi ngắt bỏ
xi lanh nhưng vẫn cho nhóm piston- biên chuyển
động theo
Đường (1) và (1’) là N
i
và N
i’
Đường (2) và (2’) là N
e
và N
e’
(1’)
(2’)
1
( )
e
m
m
imm
NNN .

1
.1
η
η
η
−
=−=
Hoặc tính theo công thức:
Nm= A.n
β
Trong đó:β: Số mũ β với động cơ thấp tốc: β = 1 -> 1,2; với động cơ cao tốc: β = 1,5 -> 2,0
Hằng số A bằng:
A= An = Nm
n
/n
β
Nếu xem công suất các xylanh là đều nhau ta tính được công suất mỗi xylanh bằng:

Ni xl = Ni / i (46)

Khi hỏng một xy lanh thì công suất toàn động cơ Ni’ còn lại:

N’i = (i-1).Ni xl = [(i-1)/i].Ni (47)
Do không tháo nhóm piston- biên nên Nm được xem như không đổi và công suất có ích
của động cơ với các xylanh còn lại được tính:
Ne’ = Ni’ - Nm (48)
Do cắt bỏ một xy lanh thì dù tay ga vẫn giữ nguyên nhưng công suất động cơ bị giảm
xuống Ne’ và điểm công tác từ A chuyển về A’. Vòng quay động cơ bị giảm xuống và đư-
ợc tính theo công thức sau:
(49)

Tuy nhiên trong thực tế khi ngắt bỏ 1 xylanh, nếu ta vẫn giữ nguyên tay ga thì động cơ khai
thác dễ bị quá tải, do vậy không nên khai thác động cơ với thời gian dài. Để an toàn cho
động cơ ta nên giảm tay ga nhiên liệu xuống điểm công tác A”.
Việc chọn điểm công tác A” phụ thuộc vào tỷ số xy lanh làm việc với số xylanh ngắt bỏ
của động cơ, sự xuất hiện rung động do mất cân bằng ở động cơ cũng như tình trạng kỹ
thuật của động cơ, điều kiện khai thác v.v
Đối với động cơ lắp đặt tuabin tăng áp kiểu xung áp thì trong trường hợp này còn có
hiện tượng tiếng ồn lớn ở phía máy nén, vòng quay tuabin bị dao động (Tuabin bị ho).
Do đó phải tiếp tục giảm tay ga cho đến khi mất hiện tượng trên hoặc xả bớt một phần khí
tăng áp ở bầu góp khí nạp.
b) Cắt nhiên liệu và tháo bỏ nhóm piston - biên.
Chỉ thực hiện khi nhóm piston - biên bị hư hỏng không thể cho tiếp tục chuyển động theo.
Lúc này sẽ gây ra một số ảnh huởng sau:
- Gây nên chuyển động không đồng đều trên trục khuỷu.
- Gây hiện tượng chấn động ngang đối với thân máy.
- Gây rung động và chấn động với vỏ tàu.
2
e
e
AA
P
P
nn
'
.
'
=
- Làm thay đổi giá trị vòng quay cộng hưởng.
Do tháo bỏ nhóm piston - biên nên chi phí cơ giới cũng giảm xuống và được xác định:

Nm’ =Nm -Nmxl = [(i-1)/ i].Nm (50)
Khi đó công suất có ích được xác định:
Ne’ = Ni’ - Nm’
Nếu so với trường hợp a) thì về mặt năng lượng, Ne’ sẽ lớn hơn chút ít nhưng động cơ sẽ
bị mất cân bằng nhiều hơn. Động cơ, vỏ tàu sẽ rung động trong quá trình công tác. Do vậy
cũng như trường hợp a) người khai thác phải giảm tay ga động cơ cho đến khi giảm hẳn
hiện tượng rung động ở động cơ cũng như vỏ tàu. Ngoài ra còn phải chú ý tới sự mất cân
bằng ở tổ hợp tua bin tăng áp.
Xây dựng đặc tính ngoài của động cơ khi ngắt bỏ xi lanh
và tháo bỏ nhóm piston- biên.
Đặc tính (1) và (1’) biểu diễn N
i
và N
i
’ trước và sau khi hỏng xylanh.
Đặc tính (2) và (2’) biểu diễn N
e
và N
e
’ trước và sau khi hỏng xylanh.
0 n
n
n
N

N
n
(1)
(1’)
(2)
(2’)
N
m
N
m
’
MINH HỌA TRÊN ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH
3

3.1.2.Khi tổ hợp tua bin tăng áp bị hỏng:
Khi hư hỏng ở tổ hợp tuabin tăng áp dẫn đến động cơ phải làm việc với áp suất khí
trong buồng máy (với động cơ chỉ có một tổ hợp tua bin tăng áp) hoặc với các tổ hợp tua
bin tăng áp còn lại (với động cơ có nhiều tổ hợp tua bin tăng áp) hoặc với các thiết bị tăng
áp phụ trợ như: quạt gió phụ, máy nén cơ khí
Khi đó:
- Tổ hợp tuabin máy nén bị rung động và có tiếng ồn lớn.
- Lượng không khí nạp bị giảm, áp suất nạp giảm làm quá trình quét khí thải không sạch.
- Làm tăng sức cản của hệ thống nạp - xả. Thời gian trì hoãn sự cháy kéo dài, quá trình
cháy nhiên liệu xấu đi.
Những lí do trên làm cho động cơ công tác không an toàn, tin cậy. Công suất phát ra
bị giảm, động cơ dễ bị quá tải. Cần xác định lại điểm công tác của HĐL.
Công suất của động cơ khi bị hỏng tổ hợp tăng áp được xác định:
Ne’ = (P
0
/ P

k
).Ne (51)
Trong đó:
P
k
: áp suất khí nạp khi động cơ làm việc bình thường.
P
o
: áp suất khí quyển hoặc áp suất khí tăng áp của hệ thống tăng áp sự cố.

4
3.1.3. Khi thử tàu tại bến:
Tàu xuất xưởng sau khi đóng mới hoặc sau sửa chữa lớn thông thường phải thực hiện thử
tại bến và có chứng kiến của Đăng kiểm. Mục đích của việc thử tàu tại bến để kiểm tra tính
hoàn thiện trong quá trình lắp ráp các bộ phận như động cơ chính và các hệ thống phục vụ,
đường trục, v.v để chuẩn bị cho khâu thử tiếp theo là thử đường dài.
Đây là chế độ động cơ phải làm việc nặng nề nhất vì lúc này VS = 0 (λP = 0, S = 0). Do
vậy thông thường chỉ thử với các thông số nằm trong giới hạn:
- n
U
= (0,50 -> 0,65).nn
- Ne
U
= (0,30 -> 0,45).Nn
- Pe
U
= (0,50 -> 0,60).Pen
- Thời gian thử không quá 10 giờ
- Không nên tăng vòng quay hoặc áp suất có ích bình quân đến 100%, vì dễ gây quá tải, phá
hỏng các chi tiết động cơ.

Khi tổ hợp tuabin-máy nén bị hư
hỏng thì điểm công tác thay đổi từ
A về A’. Tuy nhiên tại A’ động cơ
chỉ có thể làm việc trong thời gian
ngắn. Trong trường hợp động cơ
còn phải công tác lâu dài trong tình
trạng này thì phải tùy vào tình
trạng kĩ thuật thực tại của động cơ,
điều kiện khai thác hiện tại mà ta
phải giảm tay ga nhiên liệu đến vị
trí thích hợp A” sao cho động cơ
hoạt động an toan, tin cậy. Tránh
quá tải cho động cơ.
Điều này phụ thuộc nhiều vào trình
độ người khai thác và việc tuân thủ
theo hướng dẫn của nhà chế tạo.
Cần phải quan tâm theo dõi thường
xuyên các thông số công tác của
động cơ. Khi điều kiện cho phép có
thể rút rôto của tuabin ra để giảm
sức cản hệ thống nạp xả, lúc này
cần chú ý ngăn cách hai khoang
tuabin và máy nén.
Hình 3.4. Xác định điểm phối hợp công tác của động
cơ khi tổ hợp tuabin tăng áp bị hỏng.
A: Điểm phối hợp công tác khi động cơ bình thường.
A’: Điểm phối hợp công tác khi tuabin bị hỏng.
A”: Điểm phối hợp công tác khi đã giảm tay ga
nhiên liệu.
0 n” n’ n

N
N
e
’
N
e
”
N
e
A
C
o
A’
N
e
’
A”
N
e
”
5
Xác định điểm phối hợp công tác của HĐL khi thử tàu tại bến trên hệ tọa độ P
e
- n và
N
e
- n.
A: Điểm phối hợp công tácở chế độ định mức khi tàu hoạt động bình thường.
A’: Điểm công tác ở điều kiện thử tàu tại bến nếu vẫn giữ nguyên tay ga định mức.
A”: Điểm phối hợp công tác khi đã giảm tay ga nhiên liệu hợp lí sao cho P

e
<P
en
.
Ta thấy rằng ở chế độ thử tàu tại bến nếu vẫn khai thác động cơ ở tay ga định mức (h
an
)
thì ta co điểm công tác là A’, tại đó P
e
> P
en
. Động cơ sẽ bị quá tải mặc dù công suất và
vòng quay đều thấp. Để đảm bảo an toàn cho động cơ thường ta chỉ thử tới vòng quay
0,6.n
n
tương ứng với P
e
= 0,8.P
en
.
A
A
A”
A”
A’
A’
C
U
C
U

P
e
=120
0 65 80 100 n,%
P
e
, %
120
100

60
C
0
h
a
65 80 100 n,%
N
e
, %
100

40
C
0
P
e
=100
h
a
h

a
’
P
e
=60
h
a
’
6
3.2. Chế độ làm việc của động cơ khi tăng hoặc giảm tốc độ tàu.
3.2.1. Khi tăng tốc độ tàu.
Giả sử ta muốn tăng tốc độ tàu từ V
1
đến V
2
, trước hết động cơ cần phải sinh ra thêm một
lượng công suất thông qua việc tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ qua việc tăng
tay ga h
a
. Khi đó lực đẩy tàu T sinh ra sẽ thắng lực cản tức thời của tàu R, mômen phát
động M
e
thắng mômen cản M
S
. Và chúng luôn luôn thỏa mãn hệ phương trình cân bằng
năng lượng sau:
),(),(.
),(),(.
vRhT
dt

dv
m
vMhM
dt
d
I
a
Sae
ωω
ωω
ω
−=
−=
(52)
Trong đó:I: Mômen quán tính của khối lượng chuyển động quay tính quy về đường tâm
trục khuỷu.
M
e
(ω,h
a
): Mômen phát động của động cơ.
M
S
(ω,v): Mômen cản đo trên đế chân vịt.
ω: Tốc độ góc của hệ trục chân vịt.
V: Tốc độ tàu
m: Khối lượng con tàu cộng với khối lượng nước chuyển động theo.
T: Lực đẩy tàu.
R: Lực cản.
Quá trình tăng tốc độ tàu được chia làm hai giai đoạn sau:

- Tăng tốc độ động cơ, chân vịt và các chi tiết chuyển động liên quan từ tốc độ góc ω
1
tới
ω
b
= 0,95(ω
C
- ω
1
). ở giai đoạn này tốc độ tàu hầu như không thay đổi nên tàu vẫn chạy
với tốc độ V
1
.
- Tăng từ từ vận tốc tàu từ V
1
đến V
2
với giả thiết trong giai đoạn này mômen quay của
động cơ luôn cân bằng mômen quay của chân vịt.
Mômen do động cơ sinh ra biến đổi theo đường 1-a-b-c-2, còn mômen trên đế chân vịt
thay đổi theo đường 1-c-2. Lực đẩy tàu tăng từ T
1
lên T
2.
Điểm 2 là điểm công tác ổn định của HĐL. ở đó mômen sinh ra của động cơ cân bằng
với mômen cản trên đế chân vịt, lực đẩy cân bằng với lực cản, tàu chạy với vận tốc V
2
ứng với tay ga h
a 2
.

Tình trạng công tác của động cơ tốt hay xấu trong quá trình tăng tốc phụ thuộc vào ứng
suất cơ và ứng suất nhiệt, điều này tùy thuộc vào việc tăng tay ga từ từ hay đột biến nhảy
bậc. Theo kinh nghiệm khai thác cho thấy khi tăng tay ga lớn trong một đơn vị thời gian
thì các thông số công tác của động cơ thay đổi nhiều, động cơ làm việc trong trạng thái
nặng nề. Do đó khi cần phải tăng tốc độ tàu lớn thì phải tăng qua nhiều giai đoạn với hệ
số nhảy bậc k=2 hay k=3
7
a) Xét trường hợp động cơ có trang bị bộ
điều tốc.
Khi cần tăng tốc độ tàu lên V
2
ta tăng tay
ga lên vị trí đặt ω
2
. Dưới tác động của bộ
điều tốc tức thì kéo tay ga nhiên liệu lên
h
max
. Mômen động cơ tăng từ M
e1
lên M
a

sau đó thay đổi về b-c-d-2, còn mômen
trên đế chân vịt thay đổi theo đường cong
1-b’-c-d-2 theo ba giai đoạn sau:
- Giai đoạn một: Tốc độ động cơ tăng
nhanh trong khi đó tốc độ tàu hầu như
không đổi. Mômen động cơ thay đổi theo
đường 1-a-b, còn mômen trên đế chân vịt

thay đổi theo đường M
S
(ω,v
1
) từ 1-b’.
- Giai đoạn hai: Tốc độ góc của động cơ
tăng chậm dần do sự dần cân bằng giữa
mômen phát động của động cơ với mômen
cản của chân vịt M
e
(ω,h) = M
S
(ω,v), động
cơ làm việc trên đường đặc tính cực đại
h
max
(b-c-d).
- Giai đoạn ba: Lượng cấp nhiên liệu từ từ
giảm xuống từ h
max
đến h
2
theo đặc tính
điều chỉnh Ur
2
Mômen của động cơ và
chân vịt cân bằng nhau (M
e
= M
S

) và cùng
giảm sau đó sẽ làm việc ổn định tại điểm
2. Tàu đạt vận tốc V
2
như yêu cầu.
M(C
0
, ω)
Hình 3.7. Sự thay đổi thông số làm việc
của động cơ khi tăng tốc độ tàu khi có bộ
điều tốc.
Ur
1
: Đặc tính điều chỉnh ở tốc độ V
1
.
Ur
2
: Đặc tính điều chỉnh ở tốc độ V
2
.
h
max
: Đặc tính giới hạn.
b’
M(h
a 1
, ω)
0 ω
1

ω
b
ω
c
ω
2
ω
M
b c d
a
1
M(h
a 2
, ω)
M(v
1
, ω)
M(h
max
, ω)
Ur
1

Ur
2

2
M(v
2
, ω)

8

Ta nhận thấy rằng trong trường hợp
động cơ có trang bị bộ điều tốc có một
khoảng thời gian động cơ phải làm việc
trên đường đặc tính h
max
có nghĩa là
động cơ phải làm việc ở chế độ nặng nề
hơn so với trường hợp động cơ không
có bộ điều tốc.
Theo kinh nghiệm khai thác cho thấy
nếu ta tăng tay ga một cách từ từ liên
tục thì mômen của động cơ và của chân
vịt không kịp cân bằng nhau, do vậy
mômen của động cơ sinh ra sẽ dư thừa
so với mômen mà chân vịt cần tiêu thụ.
Còn nếu ta thay đổi tay ga theo từng
bậc nhỏ sẽ làm cho mômen của động
cơ và chân vịt nhanh chóng tự cân bằng
nhau, lượng dư thừa nhỏ hơn, động cơ
hoạt động an toàn tin cậy hơn.
M(v
2
, ω)
M(h
a 2
, ω)
Ur
2

2
M(v
2
’, ω)
a’
b
3.2.1.Khi giảm tốc độ tàu.
Hình 3.9. Diễn biến của quá trình
giảm tốc độ tàu từ V
1
xuống V
2
.
Mômen động cơ thay đổi theo
đường 1-a-b-d-2.
Mômen trên đế chân vịt thay đổi
theo đường 1-b-d-2
Với động cơ có bộ điều tốc thì khi
giảm tốc độ từ V
1
về V
2
sẽ có một
giai đoạn động cơ bị cắt nhiên liệu a-
b-d. Tại d gặp đường đặc tính bộ
điều tốc Ur
2
động cơ mới quay trở lại
làm việc với nhiên liệu (động cơ

khởi động lại).
b’
M(v
2
, ω)
M(h
a 2
, ω)
0 ω
2
d b a ω
1
ω
M
M(C
0
, ω)
2
M(h
a 1
, ω)
Ur
2

Ur
1

1
9
2

’
M(h
a 1
, ω)
0 ω
1
ω
2
ω
M
a
M(C
0
, ω)
1
M(v
1
, ω)
M(h
max
, ω)
Ur
1

b’
Hình 3.8. Minh họa quá trình tăng tốc qua hai bậc
Mômen động cơ thay đổi theo đường: 1-a-b’-2’-a’-b-2.
Mômen trên đế chân vịt thay đổi theo đường:
1-b’-2’-b-2.
Động cơ không phải làm việc trên đường h

max
.
4- CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ.
Các yếu tố chính sau đây có thể gây ảnh hưởng xấu tới quá trình công tác của động cơ:
- Điều kiện môi trường động cơ làm việc.
- Sức cản hệ thống nạp và thải khí.
- Chế độ nhiệt nước làm mát và dầu bôi trơn.
- Góc phun sớm.
- Góc phân phối khí.
- Áp suất tăng áp.
- Áp suất và chất lượng phun nhiên liệu.
- Phụ tải tại các xylanh không đồng đều.
- Trạng thái kỹ thuật của nhóm piston – sec-măng.
- Loại nhiên liệu sử dụng.
Sau đây ta sẽ xem xét cụ thể một số yếu tố quan trọng:
4.1 Sự ảnh hưởng chế độ nhiệt của nước làm mát:

Chế độ nhiệt của nước làm mát là yếu tố bên ngoài ảnh hưởng tới các thông số trong
quá trình làm việc của động cơ. Khi tăng nhiệt độ nước làm mát của động cơ sẽ xảy ra
các trường hợp sau:
Nhược điểm:
- Do tăng nhiệt độ đầu quá trình nên trọng lượng khí nạp sẽ giảm dẫn tới quá
trình cháy bị xấu đi, làm giảm hiệu suất và công suất của động cơ.
Ưu điểm:
- Nhiệt độ thành vách xylanh tăng lên, làm tăng nhiệt độ không khí đầu quá
trình nén, làm giảm thời gian trì hoãn sự cháy, kết quả là quá trình cháy diễn ra tốt hơn,
chi phí nhiên liệu ít đi và tuổi thọ động cơ được kéo dài hơn.
- Độ chênh nhiệt độ giữa phía khí cháy và phía nước làm mát giảm, làm cho
lượng nhiệt truyền cho nước làm mát giảm đi, giảm tổn thất của động cơ cho nước làm
mát, dẫn tới công suất của động cơ được tăng lên.

- Tăng nhiệt độ nước làm mát cũng làm nhiệt độ dầu bôi trơn tăng lên, giảm ma-
sát, giảm tổn thất cơ giới và làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu.
Nhận xét:
Ta nhận thấy rằng, việc tăng nhiệt độ nước làm mát sẽ gây ra tại động cơ những vấn đề
đối lập nhau. Những tác động đối lập này đã tồn tại trong nhiều năm ở các động cơ thế
hệ cũ, khi tỷ số H/D =2, và nó chỉ có thể giải quyết ngày một thoả đáng ở các động cơ
thế hệ mới, khi tỷ số H/D = 3-4, khi áp suất tăng áp lên tới 2-2,5 kg/cm2.
Bằng các thực nghiệm, người ta đã chứng minh được là khi nhiệt độ nước làm mát tăng
lên 10
o
C, thì công suất chi phí cho ma-sát giảm 3,5% - 5%.
Người ta cũng đã chế tạo được những động cơ có nhiệt độ nước làm mát lên tới 150
o
C
dùng trong lĩnh vực quân sự, còn hiện nay nó dao động ở 80 – 95
o
C đối với tầu chở
hàng thương mại. Tất nhiên, để có thể tăng nhiệt độ nước làm mát lên như vậy, các nhà
chế tạo đã phải cải tiến toàn diện từ chu trình lý thuyết tới các cải tiến quan trọng về kết
cấu động cơ và kim loại chế tạo. Đây thực sự là một cuộc cách mạng kỹ thuật và là sự
hợp tác chặt chẽ trong nhiều thập kỷ của nhiều hãng chế tạo máy hàng đầu thế giới.
4-2- Ảnh hưởng của sức cản trên đường ống nạp:
10
Sức cản trên đường ống nạp có thể do các nguyên nhân sau:
- Bàu lọc khí bẩn.
- Diện tích thông qua của đường ống bị bẩn, tắc, nhiều muội bẩn…
- Do điều chỉnh sai góc đóng mở supáp.
Sự tăng sức cản trên đường ống nạp sẽ dẫn tới trọng lượng khí nạp giảm, kéo theo hệ số dư
lượng không khí giảm làm cho quá trình cháy kém đi, kết quả là công suất động cơ bị giảm,
nhiệt độ khí xả tăng lên rõ rệt.

Mặt khác, khi sự điền đầy không khí bị suy giảm làm cho thời gian trì hoãn sự cháy bị tăng
lên, kéo theo sự cháy rớt trên đường giãn nở.
Khi áp suất nạp bị giảm, làm cho việc quét khí thải đầu quá trình hút bị kém đi, làm cho hệ
số khí sót tăng lên, quá trình cháy bị suy giảm đáng kể.
Vấn đề cuối cùng là nhiệm vụ của người khai thác phải luôn chăm lo vệ sinh định kỳ hệ
thống nạp.

4- 3- Ảnh hưởng của sức cản trên đường ống xả:
Phản áp trên đường ống xả có thể do các nguyên nhân sau:
- Đường ống xả bị tắc, bẩn.
- Điều chỉnh phân phối khí sai.
- Tua bin khí xả bẩn, tắc
Và gây ra:
- Tăng lượng khí sót.
- Tăng nhiệt độ không khí cuối quá trình nạp.
- Hạn chế hiệu quả quá trình nạp.
- Giảm sự điền dầy không khí sạch.
- Hệ số dư lượng không khí giảm, quá trình cháy bị kém.
- Công suất động cơ giảm.
- Suất tiêu hao nhiên liệu tăng.
11