BÀI GIẢNG ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ - PHẦN 2 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - CHƯƠNG 6 ppsx

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 86

CHƯƠNG 6
TĂNG ÁP DIESEL TÀU THUỶ
6.1 Mục đích của tăng áp cho động cơ diesel tàu thuỷ:
6.1.1 Các phương pháp tăng công suất động cơ diesel tàu thuỷ
Cơ sở lý luận của tăng công suất động cơ diesel tàu thuỷ có thể bắt đầu từ
các công thức cơ bản tính toán quá trình công tác của động cơ, như sau:
- Lượng không khí nạp vào các xy lanh của động cơ G
kk
[kg(kk)/công tác];

kknskk
ViG
ρ
η

=
(6-1)
trong đó:
V
s
: thể tích công tác xy lanh
η
n
: hệ số nạp
γ
kk
: khối lượng riêng của không khí nạp vào động cơ
i: số xy lanh

- Lượng nhiên liệu phun vào các xy lanh trong một chu trình G
nl
kg(nl)/ ct công tác]

ctnl
qiG .
=
(6-2)
Trong đó:
i:số xy lanh
q
ct
: lượng nhiên liệu cung cấp theo chu trình
- Hệ số dư lượng không khí α tính cho một chu trình:

oct
ct
Lq
L
.
=
α
(6-3)
- Công suất có ích của động cơ N
e
[ ml – mã lực]:

m
inSDp
kN

e
e

.
2
=
(6-4)
Trong đó:
k: hằng số
p
e
: áp suất có ích bình quân
D: đườmh kính xy lanh
S: hành trình piston
n:vòng quay
i: số xy lanh
m: hệ số kỳ, bằng 1 với động cơ hai kỳ, bằng 2 với động cơ bốn kỳ
Các phương án thông thường tăng công suất động cơ có thể bao gồm:
- Tăng số xy lanh i hoặc kích thước cơ bản, bao gồm đường kính xy lanh D
và hành trình piston S. Khi đó, thể tích công tác của xy lanh V
s
= K.785D
2.
S sẽ
tăng lên.
- Tăng số vòng quay n (v/p), công suất động cơ cũng có thể cũng sẽ tăng lên.
Khi tăng vòng quay, vấn đề khó khăn là tính toán cân bằng động và đảm bảo bôi
trơn.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 87

- Dùng động cơ lai hai kỳ (m = 1), có thể tăng gấp đôi công suất động cơ
bốn kỳ (m = 2). Trên thực tế, động cơ hai kỳ có công suất lớn hơn từ 1,6 ÷ 1,8
công suất động cơ bốn kỳ có cùng kích thước cơ bản.
Tất cả các phương án đã nêu trên, việc tăng công suất cho động cơ luôn kèm
theo việc tăng các kích thước của động cơ đồng thời với việc t
ăng lượng nhiên
liệu tiêu thụ cho động cơ.
Phương án tăng công suất dựa trên công thức (6.4) được đề cập sau đây là
phương pháp tăng nhiên liệu tiêu thụ G
m
cho động cơ nhưng giữ nguyên kích
thước của động cơ, được gọi là tăng áp động cơ. Thuật ngữ “tăng áp” muốn nói
đến vấn đề tăng áp suất không khí nạp, nhưng bản chất của vấn đề tăng công suất
trong mọi trường hợp là phải tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ cho động cơ.
Trên cơ sở công thức (6.4), việc tăng p
e
sẽ làm tăng công suất có ích của
động cơ N
e
. Hiệu suất chỉ thị η
i
phụ thuộc trực tiếp vào các điều kiện đảm bảo
quá trình cháy nhiên liệu, trong đó yếu tố quan trọng là tỷ lệ giữa lượng nhiên
liệu và không khí cấp vào xy lanh động cơ. Chính vì vậy, để tăng lượng nhiên
liệu cấp vào xy lanh, người ta phài đồng thời tăng lượng không khí cần thiết để
đốt cháy nó.
Khối lượng riêng của không khí nạp được tính theo công thức:

s

s
kk
TR
p
.
=
γ
(6-5)
Theo công thức (6.5), để tăng lượng không khí nạp, phải tăng áp suất không
khí nạp p
s
, và giảm nhiệt độ T
s

Tăng công suất động cơ diesel bằng cách tăng áp suất không khí nạp để
đảm bảo hiệu suất cháy toàn bộ lượng nhiên liệu lớn hơn trên cơ sở các kích
thước cơ bản của động cơ được gọi một cách đơn giản là tăng áp.
Trong các động cơ tăng áp, người tăng áp thường sử dụng máy nén để tăng
áp suất và sinh hàn để giảm nhiệt độ không khí nạp cho động cơ.
Mức độ tăng công suất của động cơ nhờ tăng áp so với chính động cơ đó
trong điều kiện chưa tăng áp được đánh giá bằng hệ số λ
ta
gọi là mức độ tăng áp.

e
ta
e
e
ta
e

ta
p
p
N
N
==
λ
(6-6)
Ttrong đó: N
e
và N
e
ta
là công suất có ích
P
e
và p
e
ta
là áp suất có ích bình quân của động cơ chưa tăng áp và động cơ đã
tăng áp

Đối với các động cơ chế tạo trước những năm 1980, hệ số λ
ta
có giá trị phổ
biến từ 1.5 ÷ 2. Theo trị số của áp suất có ích bình quân của cac động cơ tăng áp
phụ thuộc vào mức độ tăng áp của chúng như sau:

Trị số p
e

(kG/cm
2
)
Mức độ tăng áp
Động cơ bốn kỳ Động cơ hai kỳ
Thấp 8 ÷ 12 6 ÷ 8

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 88

Vừa 13 ÷ 20 9 ÷ 12
Cao 21 ÷ 30 14 ÷ 26

6.1.2 Các phương pháp tăng áp:
Trong động cơ tăng áp, người ta có thể sử dụng máy nén thể tích hoặc cánh
dẫn để nén không khí nạp. Máy nén thể tích có thể là máy nén piston, máy nén
trục vít, máy nén dùng hốc dưới piston của động cơ ….
Các máy nén có thể được truyền động trực tiếp từ động cơ, dùng động cơ
điện hoặc dùng tua bin khí xả. Tuỳ theo việc dẫn động máy nén, người ta phân
biệt các hình thức tăng áp cơ giớ
i, tăng áp tua bin khí máy nén và tăng áp hỗn
hợp.
a. Tăng áp truyền động cơ giới

Hình 6.1 Động cơ diesel tăng áp cơ giới

Máy nén khí thường có thể là máy nén thể tích hoặc máy nén cánh dẫn
được truyền động trực tiếp từ động cơ. Sơ đồ khối kết cấu động cơ tăng áp truyền
động cơ giới trên hình 6.1, bao gồm: động cơ diesel, cơ cấu truyền động, máy
nén khí, sinh hàn gió tăng áp và bầu chứa khí nạp.
Tăng áp cơ giới có ưu điểm là đảm bảo được không khí cung cấp cho động

cơ khi thay
đổi chế độ khai thác động cơ. Nhược điểm của phương pháp là phải
chi phí công để dẫn động máy nén, khi công dẫn động máy nén vượt quá 10%
công suất chỉ thị thì hiệu quả tăng áp không cao
và suất tiêu hao nhiên liệu tăng
g
e
> 180g/(mlci.h). Tính đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, người ta chỉ áp dụng
tăng áp cơ giới cho cac động cơ có áp suất tăng áp p
k
< 1.5 ÷ 1.6 kG/cm
2
.
b. Tăng áp tua bin khí xả lai máy nén:
Tăng áp tua bin khí xả lai máy nén là phương pháp dùng tua bin sử dụng
năng lượng khí xả lai máy nén gió kiểu ly tâm được gắn đồng trục với roto tua
bin. Trên hình 7.2 thể hiện sơ đồ khối động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí
máy nén. Khí xả sau khi ra khỏi động cơ có thể qua bộ biến đổi sơ bộ rồi cấp vào
tua bin. Công suất động cơ tua bin trực tiếp được sử dụng để dẫn
động máy nén
gió tăng áp. Không khí nén trước khi cấp vào động cơ có thể được làm mát bằng
thiết bị sinh hàn.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 89


Hình 6.2 Động cơ diesel tăng áp tua bin khí máy nén

Tăng áp bằng tua bin khí máy nén đơn thuần nhất cho phép tăng công suất
động cơ diesel từ 50 ÷ 70%, tăng hiệu suất động cơ từ 4 ÷ 6%, suất tiêu hao

nhiên liệu có ích giảm từ 8 – 13%, nhiệt độ khí xả giảm 50
o
C. Bằng một số biện
pháp cải tiến, tăng áp tua bin khí máy nén có thể tăng công su ấ động cơ
từ 2 đến
4 lần. Để chủ động định lượng mức độ tăng áp, người tăng áp có thể trích một
phần
năng lượng khí cháy trong xy lanh động cơ dành cho tua bin bằng cách tăng
góc mở sớm cơ cấu xả. Trong trường hợp này, tua bin khí máy nén là thiết bị tận
dụng năng lượng của khí xả. Mặc dù tăng áp bằng tua bin khí máy nén có thể cải
thiện được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ nhưng khả năng gia tải của
động cơ rất kém.
Trên thực tế, các động cơ diesel thường
được trang bị các tổ hợp tua bin khí
máy nén với nhiều thiết bị phụ trợ, nhiều phương án cải tiến. Các phương án đó
có thể kể ra như: bộ biến đổi xung khí xả, ống phun và ống khuyếch tán điều
chỉnh được, phối hợp tăng áp cơ giới và tua bin khí máy nén, sử dụng máy nén
hốc dưới piston; sử dụng quạt gió phụ hoặc máy nén phụ vào mục đích giảm tả
i
cho tổ hợp tua bin khí máy nén …
6.2 Sử dụng năng lượng khí xả cho tăng áp diesel tàu thuỷ:
6.2.1 Phân bố năng lượng khí xả động cơ diesel
Quá trình xả trong động cơ diesel bắt đầu tại thời điểm mở cơ cấu xả (điểm
b, hình 6.3). Có hai giai đoạn trong quá trình xả. Giai đoạn thứ nhất là xả tự do
diễn ra với tốc độ rất lớn do độ chênh lệch áp su
ất trong xy lanh và ống góp khí
xả. Giai đoạn thứ hai diễn ra dưới tác động của piston hoặc khí quét, với tốc độ
lưu động nhỏ hơn.
Năng lượng toàn bộ trong khí xả của động cơ E có thể chia làm hai phần:
- Năng lượng do giãn nở khí xả từ áp suất p

b
đến áp suất trong ống góp
trước tua bin phụ tải, thành phần này được ký hiệu là E
1
, tương đương với phần
diện tích S (becb). Đây là thành phần năng lượng mang tính chất xung.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 90

- Năng lượng do giãn nở khí xả trong tua bin khí máy nén từ áp suất phụ
tải đến áp suất p
OT
(sau tua bin). Thành phần này ký hiệu là E
2
tương đương với
phần diện tích là S(efqpe). Thành phần năng lượng này mang tính chất ổn định.
P
V
Pb
PT
POT
b
c
em
n
f
p
q
ΔV

Hình 6.3 Phân bố năng lượng khí xả

Tua bin khí xả có thể sử dụng cả hai thành phần năng lượng này tuy nhiên
mức độ sử dụng thành phần xung E
1
phụ thuộc vào phương pháp tổ chức cấp khí
xả đến tua bin. Tuỳ thuộc vào cách tổ chức cấp khí xả đến tua bin, tua bin khí
máy nén tăng áp có hai loại:
- Tăng áp xung, khí áp suất khí xả trước tua bin thay đổi.
- Tăng áp đẳng áp, khí áp suất khí xả trước tua bin ổn định.
6.2.2 Tăng áp xung

Hình 6.4 Sơ đồ bố trí hệ thống tăng áp xung

Đây là hình thức tăng áp mà tua bin khí xả sử dụng nhiều nhất thành phần
năng lượng xung E
1
. Sử dụng năng lượng xung là sử dụng trực tiếp động năng

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 91

cho việc sinh công của tua bin. Để thực hiện mục đích đó, một số các biệm pháp
sau đây được thực hiện:
- Tránh giãn nở khí xả sau khi ra khỏi tua bin bằng cách dùng ống xả có
kích thước nhỏ, được tính toán trước, tua bin đặt gần xy lanh.
- Tăng góc mở sớm xupáp xả tạo xung khí xả lớn.
- Tránh sự trùng hợp gây ảnh hưởng lẫn nhau giữa xung của các xy lanh
khác nhau, ống xả của các xy lanh thường được chế t
ạo riêng biệt; sự nối chung
đường ống xả với không quá ba xy lanh có thứ tự nổ cách xa nhau.

Trên hình 6.4 là sơ đồ tăng áp sử dụng tua bin khí xả lai máy nén kiểu xung.
Khí xả được cấp đến tua bin theo hai nhóm xy lanh (số 1, 2, 3 và 4, 5, 6) qua hai
đường ống xả có kích thước nhỏ. Các động cơ diesel hai kỳ thấp tốc có thể tận
dụng từ 35 ÷ 45% năng lượng xung E
1
. Các động cơ diesel bốn kỳ đặt nhiều tua
bin có thể tận dụng từ 20 ÷ 30% năng lượng E
1
.
6.2.3 Tăng áp đẳng áp:
Trong hệ thống tăng áp đẳng áp, toàn bộ khí xả từ động cơ ra khỏi xy lanh
được đưa đến một bình chứa có thể tích lớn. Tại đây, khí xả thực hiện một sự
giãn nở nhỏ tăng thể tích ΔV (xem hình 6.5), động năng khí xả chuyển hoá thành
nhiệt năng với nhiệt độ cao, áp suất bình ổn trước khi cấp đến tua bin.
Trên hình 6.5 biểu diễn sơ
đồ tăng áp cấp khí kiểu đẳng áp. Toàn bộ khí xả
ra khỏi động cơ được đưa đến bầu góp chung có thể tích tương đối lớn. Từ bầu
góp chung này, khí xả được cấp đến tua bin tăng áp.
Năng lượng khí xả phân bố trước tua bin là E
2
+ ΔE
2
, trong đó ΔE
2
là phần
năng lượng tương đương với diện tích S(emnfe). Mặc dù không trực tiếp sử dụng
xung khí xả, nhưng tăng áp đẳng áp lại có sự cấp khí ổn định cho tua bin. Đây là
điều kiện đảm bảo hiệu suất công tác của tua bin rất cao.

Hình 6.5 Sơ đồ bố trí hệ thống tăng áp đẳng áp

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 92

6.2.4 Ưu nhược điểm của tăng áp xung và tăng áp đẳng áp
Ưu điểm lớn nhất của tăng áp xung là việc sử dụng trực tiếp xung năng
lượng khí xả, đó chính là động năng rất lớn của khí xả trong giai đoạn xả tự do.
Chính vì thế, tốc độ của tua bin tăng rất nhanh và có khả năng cung cấp đủ khí
cho diesel ngay cả khi động cơ hoạt độ
ng ở chế độ nhỏ tải. Tính tăng tốc của
động cơ sử dụng tăng áp đẳng áp rất tốt. Tuy nhiên, nhược điểm của tăng áp xung
là hiệu suất công tác của tua bin rất kém. Do cần tạo xung, góc mở sớm xupáp xả
tăng lên ảnh hưởng đến công suất chỉ thị của động cơ. Tính hiệu quả của tăng áp
xung càng giảm khi áp suất tăng áp càng lớn. Ngoài ra, kế
t cấu của hệ thống cũng
phức tạp hơn.
Ngược lại với tăng áp xung, tăng áp đẳng áp có hiệu quả sử dụng năng
lượng của tua bin rất cao. Tăng áp đẳng áp không đòi hỏi tăng góc mở sớm do đó
tăng được công suất chỉ thị động cơ. Tăng áp đẳng áp đảm bảo tính kinh tế rất
cao của động cơ, đặc biệ
t là các động cơ có mức độ tăng áp lớn khi hoạt động ở
chế độ toàn tải. Nhược điểm lớn nhất của nó là tính tăng tốc của động cơ rất kém.
Đối với động cơ hai kỳ khi hoạt động ở chế độ phụ tải thì không có khả năng
quét khí cho xy lanh. Trong trường hợp này, hệ thống tăng áp thường phải trang
bị thêm quạt gió phụ.
6.3 S
ự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ khi tăng áp

6.3.1 Sự thay đổi hiệu suất cơ giới của động cơ tăng áp
So với động cơ không tăng áp, các động cơ tăng áp có các thông số chỉ thị η
i

và g
i
thay đổi nhiều nhưng các thông số có ích η
e
và g
e
lại thay đổi nhiều hơn.
Tính chất thay đổi của các thông số có ích η
e
và g
e
là

do sự thay đổi của hiệu suất
cơ giới gây ra. Tính chất thay đổi hiệu suất cơ giới phụ thuộc vào hệ thống tăng
áp, trong đó, công tổn hao cho ma sát là một hàm phụ thuộc vào vòng quay động
cơ. Giả sử động cơ trước và sau tăng áp có số vòng quay khai thác như nhau, khi
đó, hiệu suất cơ giới của động cơ tăng áp được tính như sau:

TBMNmeTA
eTA
iTA
eTA
mTA
NNNN
N

N
N
+++
==
η
(6-7)
trong đó:
N
MN
: là công suất chi phí cho lai máy nén
N
TB
: là công suất của tua bin
Gọi mức độ tăng áp của động cơ diesel là:
e
eTA
TA
N
N
=
λ
; công suất tương đối
của máy nén:
i
MN
MN
N
N
=
δ

và của tua bin:
i
TB
TB
N
N
=
δ
so với công suất chỉ thị khi
chưa tăng áp. Biến đổi công thức (6.7) và nếu coi như công suất tua bin truyền
hết cho máy nén:
TBMN
NN = , ta có:

()
11.
.
+−
=
TAm
mTA
mTA
λη
η
λ
η
(6-8)
Ví dụ: Khi
5,1=
TA

λ
; 8,0=
m
η
thì 858,0
=
mTA
η
tức là
mTA
η
tăng lên 0,058 (tức 5.8%)

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 93

Với động cơ tăng áp cơ giới, khi đó: 0==
i
TB
TB
N
N
δ
, trong trường hợp này:

()
MNTAm
mTA
mTA
δλη
η

λ
η
++−
=
11.
.
(6-9)
Khi đó, hiệu suất cơ giới sau khi tăng áp phụ thuộc vào sự thay đổi của λ
TA

và
MN
δ
. Ví dụ : khi 1,0;8,0;5,1
=
==
MNmTA
δ
η
λ
tức là
mTA
η
không thay đổi. Nhưng nếu
tăng tiếp tục λ
TA
sẽ làm cho
TA
δ
tăng lên và

mTA
η
giảm xuống.
6.3.2 Sự thay đổi tỷ số tăng áp suất λ khi tăng áp
Khi tăng áp, vấn đề cần quan tâm là ứng suất cơ của động cơ, trong đó, tỷ số
C
z
p
p
=
λ
là thông số đánh giá mức độ làm việc nhẹ nhàng, tin cậy với ứng suất cơ
thấp.
Từ công thức tính nhiệt lượng cháy đẳng tích:

(
)
CZZ
TTCGQ
−
=
111
(6.10)
trong đó:
G: là lượng không khí (nạp) trong xy lanh (kg)
C
v
: là nhiệt dung riêng đẳng tích
Trong quá trình cháy đẳng tích CZ
1

tăng áp có:

λ
===
C
Z
C
Z
C
Z
T
T
p
p
p
p
11
(6-11)
Kết hợp (6.10) và (6.11), rút ra:

1

1
11
+==
C
Z
C
Z
TCG

Q
T
T
λ
(6-12)
Từ (6.12), khi tăng lượng không khí nạp G, tỷ số tăng áp suất
C
Z
p
p
=
λ
sẽ
giảm xuống. Ngoài ra, trong các động cơ tăng áp, việc tăng áp suất không khí nạp
p
a
làm giảm thời gian chuẩn bị cháy, làm giảm tỷ số tăng áp suất λ.
6.4 Tăng áp động cơ diesel bốn kỳ
Việc chuyển một động cơ sang tăng áp lần đầu tiên được áp dụng cho
diesel bốn kỳ. Ngoài việc lắp đặt tổ hợp tua bin khí máy nén và làm mát không
khí nạp, động cơ có tăng áp sẽ phải có một số thay đổi như sau:
- Thay đổi các thiết bị cung cấp nhiên liệu (bơ
m cao áp, vòi phun) để
tăng lượng phun nhiên liệu cho chu trình.
- Thay đổi góc độ của pha phối khí và tăng kích thước của cơ cấu phân
phối khí (xu páp hút và xả) để đảm bảo lưu lượng không khí lớn hơn đi qua động
cơ.
- Động cơ có tăng áp phải thiết kế lại để đảm bảo độ bền cơ nhiệt phù
hợp với điều kiện làm việc nặng nề h
ơn.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 94

- Do có các hành trình bơm riêng biệt, động cơ bốn kỳ làm việc không
hoàn toàn phụ thuộc vào quá trình quét khí, nhờ chênh lệch áp suất không khí
nạp và khí xả.
Trên hình 6.6, khi phụ tải động cơ khoảng trên 30%, áp suất tăng áp lớn hơn
áp suất khí xả: p
s
> p
x
. Khi động cơ làm việc ở chế độ nhỏ tải hơn 30%, áp suất
khí xả nhỏ hơn áp suất không khí tăng áp và khi đó chế độ quét khí xy lanh động
cơ giai đoạn các xupáp mở trùng pha là không có. Tuy nhiên, nhờ các hành trình
bơm mà động cơ vẫn có thể nạp không khí đủ cho quá trình cháy nhưng chất
lượng cháy sẽ kém đi.

Hình 6.6 Sự thay đổi thông số hệ thống tăng áp động cơ bốn kỳ theo phụ tải
6.5 Tăng áp động cơ diesel hai kỳ
Tăng áp cho động cơ hai kỳ phức tạp hơn rất nhiều so với động cơ bốn kỳ
do các đặc điểm sau đây:
- Phải bảo đảm độ chênh áp suất Δp = p
s
– p
x
> 0 trong tất cả các chế độ
khai thác. Trong trường hợp ngược lại, động cơ sẽ dừng hoạt động do khả năng
quét và nạp không khí chấm dứt.
- Hệ số dư lượng không khí quét của động cơ hai kỳ đòi hỏi lớn hơn động
cơ bốn kỳ (đ/c hai kỳ

65,145,1
÷
=
a
ϕ
; đ/c bốn kỳ 35,107,1
÷
=
a
ϕ
) do đó động cơ hai
kỳ đòi hỏi lưu lượng không khí do máy nén cung cấp lớn hơn. Vì vậy, công suất
tiêu thụ của máy nén cao hơn.
- Khi áp suất chỉ thị bình quân bằng nhau, nhiệt độ khí xả động cơ hai kỳ
thường thấp hơn động cơ bốn kỳ (đ/c hai kỳ:
00
450350 ÷=
kx
t C; đ/c bốn
kỳ:
00
500450 ÷=
kx
t C). Đây cũng là khó khăn gặp phải khí tăng công suất của tua
bin.
- Khi tăng áp, ứng suất nhiệt và ứng suất cơ của các động cơ hai kỳ
thường cao hơn so với động cơ bốn kỳ.

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 95

Chính vì vậy, hệ thống tăng áp của động cơ hai kỳ thường phức tạp hơn rất
nhiều so với động cơ bốn kỳ. Sự khác nhau về thiết kế, trang bị phụ thường gặp
trong các động cơ hai kỳ có thể bao gồm:
- Các thiết kế được tính toán, thử nghiệm chặt chẽ hơn nhằm đảm bảo
hiệu suất cao của cả tua bin và máy nén. Các động c
ơ hai kỳ thấp tốc, công suất
lớn thường trang bị tổ hợp tua bin khí xả tăng áp đẳng áp.
- Trang bị các thiết bị phụ, tự động điều chỉnh (các ống phun và ống
khuyếch tán xoay được…) nhằm phục vụ động cơ khi làm việc ở chế độ phụ tải
nhỏ.
- Các thiết bị giảm mất mát không khí nạp (đặc biệt khí ở pha tổn thất khí
nạp) như van bướm gió, van một chiều…
- Quạt gió phụ để bổ sung không khí nạp và giảm tải máy nén.
6.6 Làm mát không khí tăng áp
Cùng với việc tăng áp suất, vấn đề làm mát không khí tăng áp quyết định rất
lớn đến việc tăng lượng không khí nạp và do đó, đến công suất động cơ.
1.5 2.0 2.5
Pk/Po
Pe
2
3
1

Hình 6.7 Quan hệ áp suất tăng áp và áp suất có ích bình quân
1. làm mát đến 25
0
C; 2. làm mát đến 30
0
C; 3. không làm mát

Hình 6.7 cho ta mối quan hệ giữa áp suất có ích bình quân p
e
và mức độ tăng
áp khi có làm mát, làm mát kém và không làm mát. Bên cạnh đó, làm mát không
khí tăng áp còn làm giảm ứng suất nhiệt của động cơ.
Tuỳ thuộc vào mức độ tăng áp, nhiệt độ làm mát thường được quy định cao
hơn nhiệt độ ngưng tụ hơi nước trong không khí. Khi khai thác thiết bị làm mát
không khí tăng áp, định kỳ phải xả nước ngưng tụ.
Các thiết bị làm mát không khí tăng áp thường dùng cho tàu thuỷ là thiết bị
trao đổi nhi
ệt kiểu thu hồi nhiệt, kiểu bay hơi và kiểu giãn nở trong tua bin.
Thiết bị và dụng cụ đo, chỉ báo thường dùng là nhiệt kế đo nhiệt độ vào và
ra của không khí và nước. Thiết bị đo sức cản bằng độ chênh lệch cột áp lối vào

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 96

và lối ra của bầu làm mát. Độ chênh quy định đối với bầu làm mát không khí
tăng áp thường trong khoảng 20 ÷ 25 cm cột nước.
6.7 Kết cấu tổ hợp tuabin khí máy nén tăng áp diesel tàu thuỷ
6.7.1 Nguyên lý hoạt động
Tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp được chế tạo nhằm mục đích sử dụng
năng lượng của khí xả để lai máy nén cung cấp không khí nạp với áp suất cao
cho động cơ. Trên hình (6.8) mô tả nguyên lý hoạt động của t
ổ hợp tua bin khí
máy nén.

Khí xả động cơ disel được cấp vào tua bin theo đường khí xả vào (exhaust
gas in), sau khi qua cụm ống phun được biến đổi năng lượng thành động năng,
thổi vào cánh tua bin để quay rotor tua bin (turbine rotor) rồi thoát ra ngoài qua
đường dẫn khí thoát (exhaust gas out). Cánh máy nén được gắn đồng trục với

rotor tua bin, khi quay sẽ hút không khí qua phin lọc trên đường vào (air in), qua
bộ cánh máy nén (compressor), không khí được đẩy vào buồng nén kiểu ống
xoắn tăng áp (compressed air out). Đường khí xả thoát ra khỏi tổ hợp tua bin máy
nén được n
ối với đường ống xả ra ngoài, đường không khí nén được nối với ống
nạp động cơ diesel. Rotor tua bin được quay trên hai ổ đỡ kiểu vòng bi hoặc bạc.















Hình 6.8 Nguyên lý hoạt động tổ hợp tua bin khí máy nén

6.7.2 Kết cấu tua bin khí máy nén

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 97

Kết cấu tổ hợp tua bin khí máy nén dùng cho tăng áp động cơ diesel tàu thuỷ
(hình 6.9) có thể chia thành các phần: thân tua bin (bao gồm thân phía tua bin,
thân phía máy nén và thân giữa), roto có gắn trên đó cánh tua bin và cánh máy

nén, thiết bị tăng hiệu suất công tác (phía khí xả: bộ biến đổi xung, ống phun;
phía máy nén: cánh hướng không khí vào, ống khuyếch tán, khoang khuyếch
tán), bạc đỡ hoặc vòng bi, thiết bị làm kín
, thiết bị giảm chấn, thiết bị bôi trơn, …
Trong một số tua bin khí máy nén, thiết bị bị tăng hiệu suất công tác còn có thể
tự động điều chỉnh được.
1. Thân tua bin.
Thân tua bin có 3 phần: Thân tua bin 7 bao gồm: đường nhận khí xả, đưa
khí xả đến cụm ống phun để biến đổi năng lượng thành động năng trên cụm ống
phun 6 trước khi vào bánh cánh công tác 5 gắn trên trục roto tua bin. Thân tua
bin còn chứa cụm ổ đỡ kiểu vòng bi 2 (hoặc bạc) đầu trục rotor phía tua bin.
Khoang trong của cụm ổ đỡ còn là nơi chứa ( hoặc góp) dầu bôi trơn.
- Thân phía máy nén cũng bao gồm đường vào và ra của không khí nén
trong đó cụm cánh khuyếch tán biến đổi động năng thành áp năng trước khi đưa
vào ống xoắn tăng áp 4. Thân máy nén cũng có khoang chứa cụm ổ đỡ kiểu vòng
bi 2 (hoặc bạc) đầu trụ
c rotor phía máy nén và là nơi chứa hoặc gom dầu bôi trơn.
- Thân giữa, là đường thoát khí xả, còn là chân bệ và là thân trung gian
liên kết các phần tua bin và thân máy nén thành một khối. Thân giữa còn là nơi
đặt vách ngăn trung gian nhằm phân biệt và cách nhiệt giữa không khí và khí xả.
Các phần thân giữa và thân tua bin chịu nhiệt độ cao của khí xả do đó, thường có
các khoang làm mát với công chất là nước làm mát của động cơ.

Hình 6.9 Kết cấu tua bin khí máy nén

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 98


2. Rotor
Rotor tua bin là phần quay, có gắn các bánh cánh tua bin 5 và cánh máy
nén 3. Trên cả hai đầu rotor và bánh cánh máy nén có gắn các vành thép mỏng để
tạo bộ làm kín kiểu khuất khúc, trong đó thiết bị :
- Bộ làm kín tua bin có mục đích làm kín khoang dầu bôi trơn với khí xả.
- Bộ làm kín phía máy nén có mục đích làm kín khoang dầu bôi trơn với
khu vực không khí nén.
- Trên cánh máy nén (phía tua bin) tạo với vách ngăn trung gian bộ làm
kín, nhằm mục đích tăng cường làm kín, đặt trong thân giữa của tổ hợp tua bin
khí máy nén tăng áp.
3. Thiết bị tăng hiệu suất công tác
Các thiết bị làm tăng hiệu suất các quá trình công tác của tổ hợp tua bin khí
máy nén tăng áp, bao gồm :
- Thiết bị tăng hiệu suất công tác phía khí xả, bao gồm : bộ biến đổi xung
và ống phun 6 (hình 6.9). Bộ biến đổi xung bố trí ngay trên hệ thống ống góp khí
xả sau động cơ diesel. Tuỳ thuộc vào đặc điểm hệ thống tăng áp, bộ biến đổ
i
xung có thể là bộ tạo xung động năng (tăng áp xung) hoặc bộ tích trữ thế năng

(tăng áp đẳng áp). Cụm ống phun đặt sau hệ thống ống góp khí xả, ngay trước
cánh công tác của rotor tua bin, nhằm mục đích biến đổi thế và nhiệt năng khí xả
thành động năng thổi vào cánh công tác của tua bin.
- Thiết bị tăng hiệu suất công tác phía không khí, bao gồm: cánh hướng
dòng không khí vào, ống khuyếch tán 4 (hình 6.9). Cánh hướng dòng không khí
vào cánh máy nén, nhằm mụ
c đích ổn định dòng chảy của không khí vào cánh
máy nén. Cụm ống khuyếch tán cũng đặt trên thân máy nén, cùng với ống xoắn
tăng áp, biến đổi động năng dòng không khí ra khỏi cánh máy nén thành áp năng.
4. Bạc đỡ, vòng bi và bộ giảm chấn
Thiết bị làm giảm ma sát cơ khí khi rotor quay, chống dịch chuyển dọc trục,
giảm rung động, bao gồm vòng bi (hoặc bạc) và bộ giảm chấn.
- Bạc đỡ : bao gồm hai loại bạc
đỡ và bạc chặn (hình 6.9)
- Vòng bi : bao gồm hai loại bạc đỡ và bạc chặn (hình 6.9)
- Bộ giảm chấn : các lá thép mỏng có thấm dầu đặt bao quanh vòng bi
trong ổ đỡ. Bộ giảm chấn cho phép giảm các chấn động, bảo vệ vòng bi khỏi các
hư hỏng do rung động gây nên.
5. Dầu bôi trơn
Tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp có thể áp dụng các hình thức bôi trơn
cho vòng bi (hoặc bạc), bao gồm: hệ thống độc lập với b
ơm độc lập, dùng
khoang dầu với bơm dầu do rotor tua bin lai.
- Hệ thống dầu bôi trơn độc lập bao gồm các két, các bơm dầu độc lập,
các van và đường ống …

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 99

- Dùng khoang dầu độc lập như hình 6.9, trong đó bố trí các bơm dầu đầu
trục do chính rotor lai.

- Một số loại tua bin tăng áp cỡ nhỏ có thể dùng chung dầu với hệ thống
bôi trơn động cơ.
6.8 Khai thác tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp
6.8.1 Các thiết bị đo và chỉ báo.
a. Nhiệt kế
- Nhiệt kế đo nhiệt độ khí xả vào và ra tua bin.
- Nhiệt kế đo nhiệt độ không khí sau máy nén, vào và ra sinh hàn khí
tăng áp.
- Nhiệt kế đo nhiệt độ nước làm mát vào và ra sinh hàn không khí tăng
áp.
b. Đồng hồ áp suất
- Các áp kế đo áp suất không khí tăng áp.
- Các áp kế đo áp suất dầu bôi trơn.
- Các áp kế đo áp suất nước làm mát.
c. Đo sức cản thuỷ lực
- Thiết bị ống chữ U do độ chênh cột áp lối vào và ra của phin lọc không
khí vào máy nén.
- Thiết bị ống chữ U do độ chênh cột áp lối vào và lối ra c
ủa bầu làm mát
không khí tăng áp.
d. Đo vòng quay
- Thiết bị đo vòng quay rotor tua bin.
6.8.2 Vận hành, khai thác tổ hợp diesel tua bin khí máy nén tăng áp.
a. Chuẩn bị
- Kiểm tra trạng thái sẵn sàng hoạt động.
- Kiểm tra mức dầu trong hốc (loại VTR) hoặc trong két chứa và két
trọng lực (loại MET).
- Mở van xả đáy trong tua bin, trong hốc xả sinh hàn, trong ống nạp.
- Kiểm tra các thiết bị đo, chỉ báo.
b. Theo dõi hoạt động

- Kiểm tra theo dõi các thông số,
đặc biệt là vòng quay tua bin và áp suất
tăng áp. Sự thay đổi các thông số phải phù hợp với sự thay đổi chế độ hoạt động
của động cơ.
- Kiểm tra, theo dõi sự bôi trơn trong tua bin khí máy nén.
- Kiếm tra, theo dõi sự rung động, tiếng ồn của tua bin khí máy nén.
- Nếu các thiết bị phụ trợ không hoạt động tự động thì cần phải đưa
chúng vào hoạt động kịp thời.
c. Ho máy nén và xử lý

Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 100

Ho máy nén (như quen gọi là ho tua bin) có rất nhiều nguyên nhân:
- Nguyên nhân tiềm ẩn là do chất lượng quá trình cháy trong các xy lanh
của động cơ và tình trạng kỹ thuật của tổ hợp tua bin khí máy nén tăng áp.
- Nguyên nhân trực tiếp do sóng gió làm thay đổi tải và vòng quay máy
chính ở mức độ tương đối lớn khi thời tiết xấu.
Khi vòng quay động cơ tăng, lưu lượng không khí nạp vào xy lanh tăng làm
giảm áp suất đối áp trên máy nén. Trong khi đó, do quán tính của rotor, vòng
quay máy nén giữ nguyên làm cho tốc độ dòng không khí qua máy nén tă
ng đột
ngột. Lưu lượng gió tức thời tăng làm đặc tính sức cản tuyến nạp tăng lên. Ngay
sau đó, vòng quay động cơ giảm xuống làm giảm lưu lượng của máy nén, đưa
điểm làm việc của máy nén từ điểm D (vốn đã rất gần điểm giới hạn ho C) về
điểm giới hạn ho C (hình 6.10). Tại điểm C, máy nén chưa ho. Tuy nhiên, nếu
cườ
ng độ quá trình nói trên quá lớn, hệ thống không dừng ở điểm C mà chuyển
tiếp vầ điểm B có lưu lượng âm, dòng không khí nạp đi ngược từ hệ thống nạp ra
ngoài qua cánh máy nén. Điều này có thể xem như một sóng áp suất ngược từ
ống góp không khí nạp ra môi trường. Theo đặc tính công tác của hệ thống, đặc

tính sức cản giảm đột ngột làm tăng lưu lượng của máy nén (từ A về
B). Do
cường độ của quá trình, sự thay đổi lưu lượng và cột áp không dừng ở điểm B mà
chuyển từ B về D.

Sự thay đổi đột ngột của các yếu tố: cột áp từ dương sang âm, lưu lượng từ
dương, bằng không rồi sang âm, dòng chảy vào, đứng yên rồi trào ngược ra
ngoài máy nén làm máy nén và tổ hợp phát âm thanh dữ dội, rung động mạnh gọi
là ho máy nén.
Để chống ho, hãy xả bớt gió tăng áp, giảm tay ga, chạy quạt gió phụ, … nếu
có điều kiện hãy kiểm tra lại tổ hợp tua bin máy nén, vòi phun bơm cao áp, các
xu páp…



Hình 6.10 Đặc tính làm việc của máy nén khi ho.




Động cơ Diesel tàu thủy - Đại học GTVT TP.HCM - 2008 101



Câu hỏi ơn tập chương:
1. Trình bày trên đồ thức tròn các góc độ mở sớm, đóng muộn của xupáp
xả, nạp, xupáp khởi động và góc cấp nhiên liệu ở động cơ bốn kỳ tăng áp
cao.
2. Trình bày, vẽ sơ đồ nguyên lý các kiểu quét khí động cơ Diesel hai kỳ?
3. Các phương pháp tăng áp cho động cơ Diesel?

4. Các kiểu quét khí sử dụng trong động cơ diesel hai kỳ. Trò số thời gian
tiết diện là gì?
5. Trình bày các phương pháp vệ sinh tua bin, máy nén khi động cơ đang
hoạt động, cần lưu ý gì khi rửa tua bin bằng nước?
6. Mô tả có hình vẽ :
- Một hệ thống tua bin tăng áp xung.
- Một hệ thống tua bin tăng áp đẳng áp
7. Nêu ảnh hưởng của tăng áp tới các thông số của động cơ.
8. Trình bày hiện tượng mất ổn đònh tổ hợp tua bin- máy nén, nêu nguyên
nhân và biện pháp khắc phục?
9. Trình bày s
ơ đồ tua bin tăng áp và nêu đặc điểm của hai loại tua bin
xung lực và đẳng áp.
10. Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tăng áp của hệ thống tăng áp?
11. So sánh hệ thống tăng áp đẳng áp và xung áp, cách nhận biết thực tế
trên động cơ, ứng dụng trong thực tế?
12. Trình bày sơ đồ tăng áp hỗn hợp song song thường áp dụng trên tàu
thuỷ?
13. Trình bày sơ đồ tăng áp hỗn hợp n
ối tiếp thường áp dụng trên tàu thuỷ?
14. Trình bày các phương pháp tăng áp cho động cơ, đặc điểm tăng áp trong
động cơ Diesel hai kỳ?
15. Bảo dưỡng tổ hợp tua bin - máy nén cần làm gì, các lưu ý khi vệ sinh TB-
MN mà động cơ đang hoạt động?