Chương 3: Phương pháp sử dụng Đặc tính trong quá trình khai thác hệ động lực tàu thủy pps

ChƯ¬ng Iii:
phƯ¬ng ph¸p sö dông §Æc tÝnh
trong qu¸ tr×nh khai th¸c
hÖ ®éng lùc tµu thñy
1
@ 3.1. Ph ơng pháp sử dụng đặc tính của HĐL động cơ lai chân vịt biến b ớc.
.1.1. Ph ơng pháp gần đúng xác định thông số công tác của động
cơ lai chân vịt biến b ớc.
Với HĐL động cơ lai CVBB việc thay đổi tốc độ và chiều chạy tàu ngoài việc thay đổi tốc
độ và chiều quay động cơ còn có thể thông qua việc thay đổi b ớc chân vịt (
H
/
D
).
Việc lựa chọn chính xác cặp thông số (n H/D) của chân vịt cho phép đạt đ ợc hiệu suất
chung của HĐL cao và khai thác hết công suất động cơ. Hiệu suất chung của HĐL đ ợc
tính:

HĐL
=
0
.
P
.
tđ
Trong đó:
0
: Hiệu suất chung của động cơ.

P
: Hiệu suất chân vịt.

tđ
: Hiệu suất truyền động. Tuỳ theo các thiết bị lắp đặt trên hệ trục (Nh bộ li
hợp, hộp giảm tốc, các gối đỡ đ ờng trục) mà ta có :
tđ
=
lh
.
gt
.
tr
Nếu xem
tđ
= const
trong quá trình khai thác thì:
HĐL
=
0
.
P
Hay: (32)
Trong đó: Q
H
: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu.
V
P
: Tốc độ tiến thực của chân vịt.
g
e
: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích.

N
S
: Công suất trên đế chân vịt.
T: Lực đẩy chân vịt
S
P
He
HDL
N
VT
Qg .75
.
.
.
3,632
=

2
Trong thực tế việc xác định T, V
P
,

N
S
gặp nhiều khó khăn nên có thể dựa vào hai đ ờng
cong hiệu suất chân vịt và động cơ.
N
S
0 n
min

n
S
H/D
min
H/D
max
H/D
n
V
S
= const

P
max
Hình 3.1. Biểu diễn đ ờng hiệu suất lớn
nhất của chân vịt.

P
max
: Đ ờng hiệu suất chân vịt lớn nhất.
Đ ờng hiệu suất của chân vịt đạt giá trị
lớn nhất khi công suất phát ra của động
cơ là nhỏ nhất trên cùng một tốc độ tàu.
N

P
max
= f(
H
/

D
, n) Khi N=N
min

V=const
g
e
= const
N
e
N
n
0 n
min
n
n
n

0max
M
n
= const
Hình 3.2. Biểu diễn đ ờng hiệu suất lớn nhất
của động cơ.

0
max
: Đ ờng hiệu suất chân vịt lớn nhất.
Đ ờng hiệu suất lớn nhất của động cơ là đ
ờng nối các điểm trên đ ờng suất tiêu hao

nhiên liệu có ích không đổi nh ng có công
suất phát ra là nhỏ nhất.
N

0
max
=(N
en
/ n
n
2
).n
2
3
3.1.2. Phơng pháp đơn giản xác định đờng cong (h/d - n)
tối u.
Bằng cách sử dụng các thiết bị đo ta đo đợc công suất trên trục chân vịt theo các dãi vòng
quay động cơ hoặc chân vịt ở các tỷ số bớc khác nhau. Qua đó chọn đợc giá trị công suất
và vòng quay cho ta cho ta giá trị vận tốc tàu là lớn nhất.
Hay nói cách khác: tại một giá trị vận tốc tàu không đổi ta có thể chọn đợc một giá trị
công suất nhỏ nhất (N
S
)min. Khi đó hệ số mômen (K
M
) sẽ đạt giá trị tối u (K
M
=K
MT
.u) và
đợc tính:

Trong đó:N
S
: Công suất đo đợc trên trục chân vịt (ml).
n: Vòng quay trục chân vịt (v/p).
D: đờng kính chân vịt (m)
: độ nhớt động lực học của nớc biển. =104,5 (KG.s
2
/m3)
Hoặc theo công thức thực nghiệm: KMT.u = 0,07.(S0/ S)

P
max

0
max

HĐL
max
Hình 3.3. Biểu diễn cách xác định đ ờng
hiệu suất lớn nhất của HĐL lai chân vịt
biến b ớc.

P
max
: Đ ờng hiệu suất lớn nhất của chân
vịt.

0
max
: Đ ờng hiệu suất lớn nhất của động

cơ.

HĐL
max
: Đ ờng hiệu suất chung lớn nhất
của HĐL.
Đ ờng hiệu suất chung lớn nhất của HĐL
là trung bình nhân của
P
max
và
0
max
.



HĐL
max
=

P
max
.

0
max

Sai số của ph ơng pháp này từ 1-3%.
N

S
0 n
min
n
S
(H/D)
max
(H/D)
min
xác định đ ờng hiệu suất lớn nhất của HĐL lai chân vịt biến b ớc
bằng ph ơng pháp đồ thị
Khi điều kiện khai thác thay đổi thì đ ờng
0
max
sẽ bị dịch chuyển. Nếu điều kiện khai
thác khó khăn hơn thì
0
max
sẽ dịch sang phải và ng ợc lại.
Do vậy trong quá trình khai thác ta phải thay đổi tỷ số (
H
/
D
) và tay ga nhiên liệu để sao
cho điểm phối hợp công tác luôn nằm trên đ ờng cong (
H
/
D
- n) tối u.
4

Công thức trên đúng khi: 0,26

dP/D

0,31
Trong đó:d
S
: Đờng kính may-ơ chân vịt.
S
0
: Diện tích thực của cánh chân vịt.
S: Diện tích hình chiếu của chân vịt.
Khi đó đờng cong hiệu suất chân vịt sẽ đợc xác định theo hàm sau:

Từ hàm trên cho tr ớc các giá trị vòng
quay ta tính đ ợc công suất t ơng ứng. Các
cặp giá trị (N - n) cho phép ta xây dựng đ
ờng hiệu suất lớn nhất của chân vịt.
Kết hợp với đ ờng cong hiệu suất lớn nhất
của động cơ:
N

0
max
=(N
en
/ n
n
2
).n

2
ta sẽ xây dựng đ ợc đ ờng cong hiệu suất
chung lớn nhất của HĐL.
Ph ơng pháp đơn giản xác định đ ờng cong (H/D n) tối u

P
max

0
max

HĐL
max
N
S
0 n
min
n
S
(H/D)
max
(H/D)
min
Hình 3.4. Minh họa cách xác định đ ờng cong
hiệu suất chung lớn nhất của HĐL.
5
3
5
.
24000

.
max
n
DK
N
MTu
P
=

N
2
/N
1
= [ D
2
/D
1
]
2/3
Hay: N
2
= [ D
2
/D
1
]
2/3
. N
1

@ 3.2. Xác định thông số công tác hợp lí của HĐL trong các điều kiện khai thác.
3.2.1. Khi chiều chìm của tàu thay đổi.
Chiều chìm của tàu có thể thay đổi bởi những lí do sau:
- L ợng hàng hóa chuyên chở trên tàu thay đổi.
- Nguyên nhiên liệu, dầu nhờn dữ trữ trên tàu thay đổi. (Không đáng kể)
- Tỷ trọng vùng n ớc tàu đang hành trình thay đổi. (Không đáng kể)
Giả sử ban đầu tàu chở một l ợng hàng Q
1
ứng với chiều chìm T
1
và l ợng chiếm n ớc D
1
,
Đặc tính chân vịt là C
1
. Sau đó tàu nhận thêm l ợng hàng Q. Lúc này tàu chở l ợng hàng

Q
2
= Q
1
+

Q sẽ làm cho chiều chìm tàu T
2
tăng lên, t ơng ứng làm tăng sức cản, mômen
cản kết quả làm các thông số động cơ thay đổi.
Và ta có khi tàu chở l ợng hàng Q
1
thì:

(ml)
Còn khi l ợng hàng chuyên chở là Q
2
thì: (ml)
Nếu vẫn duy trì tốc độ tàu không đổi ở cả 2 tr ờng hợp V
1
= V
2
ta có:
D
C
VD
N
3
1
3/2
1
1
.
=
D
C
VD
N
3
2
3/2
2
2
.

=
6
T(m)
T
2
T
1
N ớc ngọt
0 D
1
D
2
D(t)
N ớc mặn
Qua đồ thị Đ ờng cong lực lực nổi ở bên ta
xác định đ ợc D
2
khi biết T
2
.
Dựa vào công thức thực nghiệm:

(ml)
Trong đó: D: L ợng chiếm n ớc của tàu (tấn)
V: Tốc độ tàu (hl/h)
C
D
: Hệ số thực nghiệm
D
C

VD
N
33/2
.
=
Nhờ biết đợc N
2
và V
2
ta xác định đợc điểm công tác B trong trờng hợp tàu chở lợng
hàng Q
2
với giả sử vẫn chạy với tốc độ V
2
=V
1
.
Qua B sẽ xác định đợc đờng đặc tính vòng quay động cơ không đổi n
2
. Ta sẽ xác định
đợc hệ số C
2
của đờng đặc tính chân vịt trong trờng hợp tàu chở lợng hàng Q
2
.
3.2.2. Khi điều kiện sóng gió thay đổi.
Giả sử tàu đang hành trình trong vùng biển yên sóng gió tơng ứng với đặc tính chân
vịt C
0
. Vận tốc tàu là V

0
ở vòng quay n
0
điểm phối hợp công tác là A.
Sau đó tàu chạy vào vùng có sóng với cấp gió W
0
B, hớng gió thì tốc độ tàu bị giảm đi
một lợng là V (xác định qua đồ thị thực nghiệm 3.6.) mặc dù vẫn duy trì tốc độ quay n
0
.
Khi đó tốc độ tàu trong điều kiện sóng gió sẽ đợc xác định:
V
1
= V
0
. [1- V/100] (hl/h) (38)
Giả sử muốn duy trì vòng quay động cơ thì phải tăng tay ga vì khi đó sức cản tăng lên,
đờng đặc tính chân vịt dịch về phía bên trái có độ dốc lớn hơn. Nhờ tính đợc tốc độ V1
và vòng quay động cơ đã biết trớc n
1
= n
0
= const ta xác định đợc điểm công tác B.
B chính là điểm yêu cầu công suất động cơ phát ra để duy trì tốc độ quay không thay đổi
khi tàu công tác trong điều kiện sóng gió.
trong đó: x = log
n1
( N
1
/ C

1
)
Biết đ ợc hệ số C
2
và số mũ x ta gán các giá trị n
2
tùy ý thuộc dãi vòng quay khai thác ta sẽ
tính đ ợc các giá trị công suất N
2
t ơng ứng. Hay nói cách khác ta đã xác định đ ợc đ ờng cong
đặc tính chân vịt C
2
.
Có đ ợc đồ thị đặc tính ta sẽ xác định điểm phối hợp công tác hợp lí của HĐL mà ở
đó công suất, vòng quay động cơ không v ợt quá giá trị định mức. Động cơ không bị quá tải
về ứng suất cơ và ứng suất nhiệt.
x
n
N
C
2
2
2
=
N
S
N
2
N
1

0 V
1
=V
1
V
S
n
1
n
2
C
2
C
1
B
A
Hình 3.5. Biểu diễn cách xác định đặc tính
chân vịt khi tàu nhận thêm hàng hóa.
C
1
: Đặc tính chân vịt khi tàu chở l ợng hàng
Q
1
.
C
2
: Đặc tính chân vịt khi tàu chở l ợng hàng
Q
2
.

7
I
IV
II II
III
III
V %
30
20
10
0 2 4 6 W
0
B
I
II
III
IV
Hình 3.6. Biểu diễn sự phụ thuộc
của đại l ợng tổn thất tốc độ vào h ớng
và lực gió.
Hình 3.7. Biểu diễn cách xác định đặc tính
chân vịt trong điều kiện khai thác sóng gió.
C
0
: Đặc tính chân vịt ở ĐKKT yên sóng gió.
C
1
: Đặc tính chân vịt ở ĐKKT có sóng gió.
N
S

N
A
0 V
0
V
S
n
0
=const
C
0
A
Theo kinh nghiệm khai thác khi tàu khai thác trong điều kiện sóng gió thì động cơ dễ
bị quá tải về mômen và quá tải nhiệt. Tr ờng hợp tàu cỡ nhỏ chạy ballast thì còn có
hiện t ợng quá tải vòng quay do hiện t ợng chân vịt nhô lên khỏi mặt n ớc. Để hạn chế
và duy trì khai thác động cơ ta phải giảm tay ga nhiên liệu để đảm bảo an toàn - tin
cậy.
C
1

N
B
B
n
1
=
V
1

8

Ta tính đợc lợng nhiên liệu cần tiêu thụ cho quãng đờng S còn lại là:
BA = GA.t =GA.(S /VA) (tấn) (40)
So sánh BA với lợng nhiên liệu còn lại trên tàu B nếu:
- BA 0,95.B thì tàu vẫn có thể tiếp tục công tác tại điểm A
- BA> 0,95.B thì phải giảm tay ga về điểm công tác A có VA < VA. Sau đó tiếp tục
xác định lại BA và so sánh với B cho đến khi thỏa mãn BA 0,95.B.
Chú ý: Việc giảm tay ga đến một lúc nào đó không những không làm giảm chi phí
nhiên liệu cho chuyến hành trình mà lại có xu hớng ngợc lại.
A
Hình 3.7. Biểu diễn cách xác định
l ợng tiêu thụ nhiên liệu.
A: Điểm công tác khi ch a phát
hiện thiếu nhiên liệu.
A: Điểm công tác sau khi đã tính
toán để đ a tàu về bến an toàn.
G

(kg/h)
G
A
0 V
A

V
S
C
0
A
M
A

=const
M
A
=const
g
e
= const
3.2.3. Khi l ợng nhiên liệu trên tàu có hạn.
Giả sử trong chuyến hành trình từ cảng A tới cảng B chẳng may vì lí do nào đó
chẳng hạn: Đ ờng ống nhiên liệu vỡ, két thủng, tàu đổi tuyến hoặc lạc h ớng sẽ dẫn tới l
ợng nhiên liệu trên tàu không đủ để đ a tàu về bến an toàn. Trong tr ờng hợp này ta phải
xác định chính xác l ợng nhiện liệu còn lại trên tàu, sau đó phải xác định lại điểm công tác
để với l ợng nhiên liệu còn lại tàu vẫn về bến an toàn.
Giả sử quãng đ ờng còn lại là S hải lí. L ợng nhiên liệu thực tế còn lại trên tàu là B
tấn. Điểm công tác là A tàu chạy với vận tốc V
A
. Trên đồ thị G - V ta xác định đ ợc l ợng
nhiên liệu tiêu thụ là G
A
(kg/h).
G
A
V
A
9
@ 3.3. Phân tích trạng thái công tác của động cơ trên đồ thị công.
3.3.1. Phân tích trên đồ thị công chỉ thị.
Với động cơ diesel tàu thủy trung và chậm tốc cho phép ng ời khai thác vẽ đ ợc đồ thị
công chỉ thị của từng xy lanh bằng thiết bị chuyên dụng Indicator thông qua các biệt xả
thông với buồng đốt.

Với động cơ 2 kì đồ thị vẽ đ ợc có dạng sau:
P
Hình 3.8. Đồ thị công chỉ thị và
cách xác định P
i
P
i
: áp suất chỉ thị bình quân
(KG/cm
2
).
L
g
:Chiều dài đồ thị công (cm).
L
g
ĐCT
ĐCD
y
9
y
6
y
1
y
2
y
3
y
4

y
7
y
8
y
10
y
5
P
i
10
3.3.2. Phân tích trên đồ thị công khai triển.
Đồ thị công khai triển cũng đ ợc vẽ bằng thiết bị Indicator. Với động cơ 2 kì có dạng sau:
P
C
Quá trình giãn nở
Quá trình nén
Quá trình cháy
Điểm cháy
Đ ờng áp suất môi tr
ờng
Hình 3.9. Đồ thị công khai
triển
i
P
C
: áp suất nén (KG/cm
2
).
P

max
: áp suất cháy cực đại
(KG/cm
2
).
P
max
Qua đồ thị công khai triển ta có thể đánh giá đ ợc chất l ợng công tác của từng xy lanh và
cả động cơ qua các thông số:
- áp suất cháy cực đại P
max
- áp suất nén P
C.
- Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu.
Ta đem so sánh các giá trị xác định đ ợc với đồ thị chuẩn khi xuất x ởng trong lí lịch, và
so sánh vói nhau để rút ra kết luận về tình trạng công tác của động cơ.
11
Kết luận:
Hình 1: Hệ thống truyền động tới thiết bị đo bị rung, đồ thị vẽ đợc thiếu chính xác.
Hình 2: Sợi dây truyền động bị ngắn nên làm mất một phần đồ thị ở điểm chết trên.
Hình 3: Sợi dây truyền động bị ngắn nên làm mất một phần đồ thị ở điểm chết dới.
Hình 4: Lò xo quá yếu, đỉnh piston của indicator va vào đỉnh của xi lanh.
Hình 5: áp suất nén P
C
bình thờng, áp suất cực đại P
Z
thấp hơn bình thờng, điểm bắt đầu
cháy muộn lí do có thể vì điểm bắt đầu phun nhiên liệu muộn hoặc do vòi phun không tốt.
Hình 6: áp suất nén P
C

bình thờng, áp suất cực đại P
Z
cao hơn bình thờng lí do có thể vì
nhiên liệu phun vào quá sớm.
Hình 7: áp suất nén P
C
và áp suất cực đại P
Z
thấp hơn bình thờng có thể vì những lí do sau:
áp suất khí quét thấp, hoặc do xéc măng khí bị rò lọt, xu páp xả bị rò hoặc đỉnh piston bị
cháy.
Một số dạng đồ thị th ờng gặp và kết luận phân tích:
1
2
3
4
5
6
7
Hình 3.9. Minh họa một số kết quả thu đ ợc khi vẽ đồ thị công
từ động cơ
P
0
: Đ ờng áp suất môi tr ờng.
Đ ờng nét đứt minh họa đồ thị chuẩn khi động cơ làm việc
bình th ờng.
Đ ờng nét liền minh họa đồ thị công ở trạng thái làm việc hiện
tại.
12
3.3.3. Phân tích qua thí nghiệm thử khói.

Khi không thể đo đ ợc đồ thị công chỉ thị hoặc đồ thị công khai triển (nh ở động cơ
nhỏ, cao tốc). Bên cạnh ph ơng pháp đánh giá gián tiếp các thông số công tác của động
cơ, ta có thể dùng thiết bị thí nghiệm đơn giản để phân tích khí xả động cơ. Thiết bị bao
gồm: một ống thủy tinh hình trụ một đầu đ ợc lắp vào biệt xả của động cơ, trong ống
nghiệm ta đặt một miếng giấy thử cách miếng ống khoảng 4cm. Giấy thử là loại màu
trắng, xốp dễ bắt bụi. Sau đó mở biệt xả từ 10 15 lần, lấp giấy nghiệm ra và kiểm tra
rút ra kết luận.
4cm
Kết luận:
Nếu giấy nghiệm không hặc bẩn ít bẩn xylanh động cơ làm việc tốt.
Giấy thử có một lớp dầu mỏng: Xéc măng của xy lanh đó bắt đầu kém, hoặc gẫy.
Giấy thử có phủ một lớp dầu đen sẫm. Quá trình cháy trong xy lanh đó không tốt
Giấy thử không biến màu, nh ng khí xả có màu trắng đục (màu sữa) có thể bị rò n ớc vào
xylanh. Cần phải kiểm tra và tìm biện pháp khắc phục nếu rò n ớc mát.
Trong tr ờng hợp không có ống nghiệm thì ta có thể dùng giấy nghiệm đặt ở vị trí nh trên
và phân tích các thông số công tác của từng xy lanh.
13