Tài liệu Chương 9 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NGOÀI ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA ĐCĐT TÀU QUÂN SỰ ppt

Chương 9
ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NGOÀI ĐẾN
SỰ LÀM VIỆC CỦA ĐCĐT TÀU QUÂN SỰ
9.1. Sự phụ thuộc của công suất, tính kinh tế và ứng suất của động cơ vào các
điều kiện ngoài
9.1.1. Các điều kiện ngoài
Các động cơ được thiết kế để khai thác trong các điều kiện ngoài hoàn toàn xác
định. Các điều kiện ngoài được hiều là các yếu tố: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tương đối
của không khí. Các yếu tố này phụ thuộc theo tiêu chuẩn của mỗi nước sản xuất động
cơ.
1. Các điều kiện tiêu chuẩn của một số nước
Điều kiện tiêu chuẩn của một số nước trên thế giới áp dụng trong thiết kế động
cơ như bảng 9.1.
Bảng 9.1. Các thông số môi trường ở điều kiện tiêu chuẩn của một số nước trên
thế giới
Nước
sản xuất
Nhiệt độ
(
0
C)
áp suất
(mmHg)
độ ẩm
tương đối (%)
Tiêu chuẩn
Liên bang Nga 20 760 70 ???? 4398-48
10448-68
Séc và Xlôvakia 20 736 70 CS 09-0770
Liên bang Đức 20
20

736
760
60
60
DIN 6270
TGL
Mỹ 29,4 746,5 50 SEA
Anh 29,4
29,4
749
749
60
50
BS 649-1949
BS 649
Nhật 20 760 65 YANMAR
Tổ chức tiêu
chuẩn quốc tế
27 750 60 ISO
Hội nghị quốc
tế về ĐCĐT
30 760 60 CIMAC
Việt Nam 20 760 70 TCVN 1685-
75
2. Áp suất không khí trước máy nén ( ) và của khí sau tuabin (p
2
)
Áp suất không khí trước máy nén và của khí sau tuabin p
2
có các giá trị tuỳ

thuộc vào đặc điểm kết cấu của trạm, các điều kiện khai thác hoặc các nguyên nhân
riêng biệt khác.
Các giá trị cho phép của áp suất trước máy nén và của khí sau tuabin p
2
để
đảm bảo nhận được công suất tính toán và khai thác an toàn động cơ phụ thuộc vào
dạng trạm năng lượng, các đặc điểm kết cấu động cơ, các điều kiện khai thác và được
lưu ý riêng trong các điều kiện kỹ thuật khi chế tạo.
Chúng ta sẽ bàn cụ thể hơn về các đại lượng đặc trưng cho độ ẩm không khí.
Mức độ bão hoà hơi nước trong không khí được đánh giá bằng tiều chuẩn độ ẩm
tương đối (ϕ) - là tỷ số giữa áp suất riêng của hơi nước trong không khí với áp suất
riêng bão hoà hơi nước ở nhiệt độ đã cho của không khí :
(9.1)
Sự phụ thuộc của áp suất bão hoà vào nhiệt độ không khí thường được biểu diễn
ở dạng bảng hay các đồ thị (hình9.1)
Áp suất riêng hơi nước được xác định nhờ các bảng riêng theo hiệu số của
các chỉ số của các nhiệt kế khô và nhiệt kế ẩm của ẩm kế.
Áp suất riêng “phân thể tích” không khí khô cần thiết cho các tính toán tiếp
theo, là hiệu số áp suất khí quyển và áp suất riêng hơi nước:
(9.2)
9.1.2. ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến tính kinh tế động cơ khi lượng cung
cấp nhiên liệu chu trình là cố định
Khi lượng cung cấp nhiên liệu cho chu trình cố định (thanh răng bơm cao áp
chạm mấu tỳ) số vòng quay trục khuỷu không đổi và nhiệt độ nhiên liệu trước bơm
cũng không đổi thì các nguyên nhân chính về ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến
công suất và tính kinh tế của động cơ có thể tìm ở các phương trình sau:
(9.3)
Hay khi = const, n = const
(9.4)
(9.5)

(9.6)
(9.7)
(9.8)
(9.9)
ở đây:
A = 60.Z.n.K là các hệ số không đổi.
N
e
- Công suất có ích của động cơ.
H
u
- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu.
Z- Số xi lanh của động cơ.
K- Hệ số kỳ.
n. Số vòng quay của động cơ.
- lượng nhiên liệu cấp cho xi lanh trong một chu trình công tác.
η
i
- Hiêụ suất chỉ thị của chu trình công tác.
η
M
- Hiệu suất cơ khí
N
HX
- Công suất tổn thất hành trình bơm
- Công suất tổn hao cơ giới đối với động cơ tăng áp tua bin khí xả tự do;
- Công suất tổn hao cơ giới đối với động cơ tăng áp tua bin khí xả có liên động
Khi khảo sát các phương trình trên có thể nhận xét rằng:
1. Công suất chỉ thị (N
i

) chỉ phụ thuộc vào hiệu suất chỉ thị.
2. Công suất có ích (N
e
) ngoài hiệu suất chỉ thị còn phụ thuộc vào các đại lượng
tổn thất cơ khí hay hiệu suất cơ khí (9.4).
3. Mức độ ảnh hưởng của các điều kiện ngoài đến công suất có ích qua công
suất tổn thất cơ khí đối với các động cơ tăng áp tuabin khí xả tự do (CTK) và liên
động (ΠTK) có thể khác nhau cơ bản trong nhiều trường hợp. Nguyên nhân là ở chỗ
các công suất tổn thất cơ khí của các động cơ với ΠTK (9.8) và CTK (9.7) có chứa
các thành phần khác nhau trong nhiều trường hợp các công suất máy nén N
k
và tuabin
N
T
và do đó công suất tổn thất cơ khí với ΠTK bị thay đổi rất lớn. Đặc biệt là ảnh
hưởng của phản áp sau tuabin, khi thay đổi công suất hành trình của bơm N
HX
và do
đó cả công suất tổn thất cơ khí của động cơ với CTK cũng có thể rất lớn.
4. Đại lượng hiệu suất cơ khí:
(9.10)
η
M
bị thay đổi do sự thay đổi của công suất chỉ thị lẫn công suất tổn thất cơ khí.
Tóm lại có thể đưa ra những nhận xét sau đây có ích cho việc phân tích tác dụng
của các điều kiện ngoại cảnh đến công suất và tính kinh tế của động cơ:
1. Để làm sáng tỏ đặc tính thay đổi công suất có ích của động cơ khi điều kiện
ngoài thay đổi, trước hết cần phân tích sự thay đổi của các yếu tố mà hiệu suất chỉ thị
và công suất chỉ thị của động cơ phụ thuộc vào chúng. Như đã biết từ lý thuyết các
quá trình công tác, các yếu tố này trước hết là hệ số dư lượng không khí α và sau đó là

mức tăng áp suất λ.
2. Các kết luận cuối cùng về sự thay đổi công suất có thể sẽ được rút ra sau khi
phát hiện mức độ và dấu của sự thay đổi công suất tổn thất cơ khí, để điều đó làm
được cần phải biết:
, kG/cm
2
0,1
0,20
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0
10 20 30 40 50 60 τ,
0
C
0,2
0,4
0,6
0,8
ϕ
Hỡnh 9.1. Sửù phuù thuoọc vaứo
nhieọt ủoọ vaứ ủoọ aồm khoõng
khớ
0,95 1.00 1,05 1,10 1,15

P
r
/P
k
η
v
0,92
0,88
0,84
γ
r
0,12
0,08
0,04
0
γ
r
η
v
Hỡnh 9.2. Sửù thay ủoồi cuỷa γ
r
vaứ η
v
cuỷa ủoọng cụ 4 kyứ vaứo
P
r
/P
k
vaứ ∆α
- Các thông số không khí trước và sau máy nén, các thông số khí trước và sau

tuabin, các tiêu hao không khí (nhằm thiết lập sự không cân bằng công suất trong
ΠTK).
- Tương quan các áp suất trong thiết bị trước và sau các xy lanh (để đánh giá đại
lượng và dấu công suất các hành trình bơm)
Đặc biệt cần nói về những thay đổi ứng suất cơ khí và ứng suất nhiệt xuất hiện
dưới tác dụng của các điều kiện ngoài.
Các tiêu chuẩn quy ướcđặc trưng cho ứng suất cơ khí là:
- Áp suất cháy cực đại P
Z
đặc trưng cho tải trọng tác dụng lên các chi tiết động cơ.
- Tốc độ tức thời hay tốc độ trung bình tăng áp suất trong xy lanh trong thời
gian cháy W
p
(đồng thời với chúng thường được sử dụng mức tăng áp suất λ = )
cho phép nhận xét về động lực học của tải trọng động cơ.
Các tiêu chuẩn qui ước đặc trưng ứng suất nhiệt và trạng thái nhiệt các chi tiết
nhóm xy lanh -pít tông gồm:
- Nhiệt độ cực đại của pít tông và nhiệt độ pít tông trong vùng vòng găng trên
cùng t
Pmax
, t
Pk
. Đối với một số động cơ khác, thường sử dụng nhiệt độ van thải.
- Dòng nhiệt qua vách xy lanh.
Các chỉ tiêu nêu ở trên được xác định hoặc bằng cách đo trực tiếp trong phòng
thí nghiệm hoặc nhờ tính toán theo các chỉ tiêu gián tiếp.
Trong thực tế khai thác, tiêu chuẩn gián tiếp ứng suất nhiệt của động cơ thường
được sử dụng là nhiệt độ khí xả trước tuabin t
th
.

Nếu khi thay đổi các điều kiện ngoài mà hệ số dư lượng không khí khô α hay
mức tăng áp suất λ bị giảm thì quan sát được sự giảm của hiệu suất chỉ thị và công
suất chỉ thị. Khi = const thì α được xác định theo phương trình:
α = (9.11)
Hệ số dư lượng không khí α phụ thuộc nhiều nhất vào trọng lượng riêng không
khí γ
k
, hệ số nạp η
v
và tỷ số áp suất riêng không khí khô P
0
k
với áp suất khí quyển P
0
.
Tỷ số nói lên lượng thể tích không khí nạp của không khí khô nhỏ hơn bao nhiêu
lần so với lượng không khi ẩm trong khí nạp và trong quan hệ hàm số của độ ẩm
tương đối ϕ thì tỷ số này thay đổi càng rõ rệt khi nhiệt độ không khí môi trường càng
cao (hình 9.2).
Đại lượng η
v
phụ thuộc nhiều nhất vằơ tương quan các áp suất trong các thiết bị
trước và sau xy lanh và bị thay đổi rõ ràng nhất khi thay đổi cản áp sau tuabin P
2
(hình 9.2).
Trong các điều kiện khai thác động cơ, đại lượng bị thay đổi nhiều nhất trong số
các đại lượng có trong công thức (9.11) là γ
k
:
γ

k
= (9.12)
Đặc điểm và mức độ phụ thuộc của áp suất P
k
vào nhiệt độ T
k
trước xy lanh
được xác định không chỉ bằng vùng thay đổi các điều kiện ngoài mà cả bằng các đặc
điểm kết cấu của động cơ (các thành phần và sơ đồ liên hệ các máy tăng áp với động
cơ, sự tồn tại và cường độ làm mát không khí)…
Mức độ thay đổi tương đối của hiệu suất chỉ thị theo hệ số dư lượng không khí
khô η
i
α
= có thể được trình bày bởi chùm đường cong xây dựng cho các giá trị
λ
0
= const khác nhau với gốc toạ độ là điểm (α = 1, η
i
α
= 1) (hình 9.3). Trên trục
tung không đặt giá trị tuyệt đối của η
i
mà là đại lượng tương đối để cho thấy tính chất
tổng quát của sự phụ thuộc được khảo sát. Thực tế trong các động cơ có kết cấu khác
nhau và thậm chí trong một động cơ thôi thì các giá trị tuyệt đối của η
i
cũng không
giống nhau khi các giá trị khác nhau của số vòng quay hay góc phun sớm nhiên liệu.
Đồng thời thực nghiệm cũng chỉ ra rằng, trong các kiểu động cơ khác nhau, kích

thước và tính cao tốc khác nhau, thì mức độ thay đổi η
i
phụ thuộc vào α gần như
giống nhau nếu khi đó λ giống nhau.
Đặc tính thay đổi của hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào mức tăng áp suất λ: η
i
λ
= được trình bày trên hình 9.4 dưới dạng chùm đường cong với điểm gốc toạ độ
là (α = 1, η
i
α
= 1) ứng với các giá trị α không đổi khác nhau.
Sự thay đổi λ chủ yếu là do thay đổi thời gian giữ chậm sự tự cháy τ
i
, τ
i
phụ
thuộc vào nhiệt độ và áp suất trong xy lanh ở thời điểm phun nhiên liệu, còn hai thông
số sau cùng khi = const trong mọi trường hợp tỷ lệ thuận với T
k
và P
k
. Sự tăng T
k
và P
k
dẫn đến làm giảm τ
i
và λ và do vậy làm giảm hiệu suất chỉ thị.
Qua phân tích trên ta thấy rằng:

- Nếu α bị giảm thì sẽ gây giảm η
i
, N
i
và cuối cùng là giảm N
e
.
- Sự giảm λ cũng gây giảm hiệu suất chỉ thị η
i
.
- Trong nhiều trường hợp (khi nghiên
cứu ảnh hưởng của T
0
, ϕ
0
, P
0
, t
w
) để rút ra kết
luận đúng đắn về đặc tính thay đổi N
e
thì chỉ
phân tích sự thay đổi η
i
và N
i
là đủ. Khi phân
tích ảnh hưởng của P
0

’ và P
2
có thể vận dụng
nghiên cứu bổ sung về sự thay đổi của công
suất tổn thất cơ khí như hình 9.3.
Về nguyên tắc, việc giảm α dẫn tới việc
tăng dòng nhiệt qua vách xy lanh, nhiệt độ pit
tông và nhiệt độ khí trước tua bin, đặc biệt là
trong trường
hợp tăng độ ẩm tương đối khi nhiệt độ không khí t
0
cố định. Các nguyên nhân của
hiện tượng này sẽ được khảo sát ở phần sau.
Việc sử dụng lâu dài động cơ khi tải trọng cơ hay tải trọng nhiệt bị tăng cao dẫn
đến hư hỏng sớm các chi tiết riêng biệt và có thể là các nguyên nhân xảy ra sự gãy vỡ.
Các sự quá tải về cơ và nhiệt có thể còn được dẫn đến từ nguyên nhân là các chỉ tiêu
công tác riêng của động cơ trong điều kiện trên tàu không được đo kiểm. Do vậy việc
hiểu biết các quy luật chung về sự thay đổi các chỉ tiêu của động cơ và đặc biệt các
thông số giới hạn phụ thuộc vào các điều kiện ngoài là vấn đề rất trọng cho khai thác.
9.1.3. C ác nguyên tắc hiệu chỉnh các đặc tính hạn chế và những đánh giá các chế
độ khai thác cho phép khi các điều kiện ngoài khác với tiêu chuẩn
Như đã thấy ở mục 9.1.2, khi các điều kiện ngoài thay đổi bất lợi và khi thanh
răng bơm cao áp đã chạm đến mấu chặn (n = const) thì công suất có ích của động cơ
bị giảm từ trị số N
eđm
xuống N’
e
, còn tải trọng nhiệt của các chi tiết động cơ tăng lên.
Người ta thường suy đoán gián tiếp về tải trọng nhiệt lên các chi tiết động cơ trong
các điều kiện khai thác dựa vào trị số nhiệt độ khí xả trước tuabin T

th
, nhiệt độ này
chỉ được tăng trong giới hạn cho phép của T
th.cho phép
được xác lập cho các điều kiện khí
quyển định mức.
Hỡnh 9.4. Thay ủoồi tửụng ủoỏi cuỷa hieọu suaỏt chổ thũ
phuù thuoọc vaứo λ khi caực giaự trũ ban ủaàu khaực
nhau
1,3
1,2
1,0
0
1,0 1,2 1.4 1,6 1,8 2,0 2,2
λ
α=2,5
α=2,0
α=1,5
Hỡnh 9.3.
Sự thay đổi tương đối hiệu suất
chỉ thị theo α với các λ khác nhau
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0
1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0
α

λ=2,2
0
λ=1,8
0
λ=1,6
0
λ=1,4
0
λ=1,3
0
λ=1,1
5
Tương ứng với các yêu cầu không vượt quá t
0
’ = 32
0
C, ϕ = 0, 8 và t
w
=
28%, động cơ cần phải làm việc tin cậy khi thanh răng bơm cao áp ở vị trí cung cấp
nhiên liệu cực đại, tức là tuổi thọ theo ứng suất nhiệt được đảm bảo. Không cho phép
tăng nhiệt độ khí trước tua bin đến giá trị cho phép cực đại t
th.max
đã cho trong hướng
dẫn khai thác.
Khi tiếp tục tăng nhiệt độ và độ ẩm không khí trước tuabin, nhiệt độ nước biển
trước bộ làm mát không khí, hay khi giảm áp suất khí quyển, thì phải giảm tiếp công
suất đến giá trị N
e
’’ bằng cách giảm lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình xuống

giá trị bảo đảm duy trì các thông số giới hạn (thường là t
th.max
) trong các giới hạn mà
nhà náy sản suất đã quy định.
Vì ứng với mỗi số vòng quay có trị số t
th.max
xác định (hình 9.5), đặc tính hạn chế
được điều chỉnh tương ứng với các điều kiện ngoài mới cần đảm bảo sự làm việc của
động cơ trong toàn bộ vùng số vòng quay khi các giá trị nhiệt độ khí xả không vượt
quá các giá trị giới hạn đã quy định.
Các giá trị giảm công suất khi thay đổi các điều kiện ngoài cần phải cho trong
hướng dẫn khai thác ở các dạng đồ thị tương tự như trên hình 9.5 hay ở dạng khác.
Tuy nhiên trong nhiều hướng dẫn khai thác lại không có tài liệu này. trong trường hợp
này, sự hiệu chỉnh các đặc tính hạn chế có thể thực hiện theo các phương pháp đã biết.
Nếu động cơ có đặc tính ngoài đã được hiệu chỉnh để dẫn động chân vịt biến
bước (BP?) hay máy phát điện, thì đặc tính hạn chế không chỉ là giới hạn trên về công
suất cho phép khai thác, mà còn là giới hạn trên các công suất có thể đạt được.
Trường hợp động cơ dẫn động chân vịt cố định bước (BΦ?), giữa số vòng quay
của trục khuỷu và thiết bị tiêu thụ công suất (chân vịt) có mối quan hệ hàm số xác
định là đặc tính chân vịt. Khi đó số vòng quay cho phép mới được xác định đơn giản
bằng cách chiếu điểm cắt của đặc tính hạn chế mới với đặc tính chân vịt lên trục
hoành (hình 9.5) . Sự giảm cần thiết công suất và vòng quay và do đó cả tốc độ con
tàu V
S
không những phụ thuộc vào các đặc điểm của động cơ mà cả vào vỏ tàu. Đặc
tính chân vịt càng nằm gần đặc tính hạn chế (tàu cánh ngầm, tàu có tuyến hình lướt
nước) thì các đại lượng này càng lớn.
9.2. ảnh hưởng của việc tăng cản áp tới các chỉ tiêu công tác của ĐCĐT
Cản áp tăng lên có thể do các nguyên nhân khác nhau như sức cản của các bình
giảm âm hoặc của các ống thải dài, việc thải khí xả dưới nước, trục trặc của hệ thống

thải …
Trị số cho phép của cản áp sau tua bin (hoặc sau các xy lanh của các động cơ
không có tua bin) ứng với nó bảo đảm nhận được công suất yêu cầu, tính kinh tế và
duy trì các thông số hạn chế trong các giới hạn đã định, là điều kiện kỹ thuật thường
được nêu ra của các động cơ.
Trong trường hợp bất kỳ, khi = const, việc tăng cản áp dẫn đến giảm hệ số
dư lượng không khí, giảm hiệu suất chỉ thị và công suất chỉ thị. Các tổn thất cơ giới
tăng lên, công suất có ích bị giảm và suất tiêu hao nhiên liệu có ích riêng phần tăng.
Đồng thời sẽ tăng một trong các thông số hạn chế cơ bản như nhiệt độ khí xả sau các
xy lanh (trước tuabin), điều đó nhiều khi buộc phải giảm lượng nhiên liệu cung cấp
cho chu trình và làm giảm thêm công suất động cơ.
Cần khẳng định rằng, mức độ ảnh hưởng của cản áp thay đổi đến các chỉ tiêu
chỉ thị và có ích phụ thuộc vào số kỳ của động cơ, góc mở các van nạp, thải (ở động
cơ 4 kỳ) và các đặc điểm kết cấu khác.
9.2.1. Đối với động cơ điêden hai kỳ với máy nén thể tích và máy nén ly tâm dẫn động
cơ khí
Các máy nén thể tích (rô to) thường không sử dụng để tăng áp cho các động cơ
4 kỳ. Vì vậy phân tích ảnh hưởng của cản áp đến các chỉ tiêu của quá trình công tác
trong sự phụ thuộc vào kiểu máy nén sử dụng (rô to hay li tâm) sẽ hợp lý hơn khi
phân tích trên ví dụ cho động cơ 2 kỳ tăng áp cơ khí.
40 50 60 70 80 90 100 n
đ

(%)
t
th
(%)
100
90
80

Ne (%)
90
80
70
60
50
40
30
t
th.max
N
e
=Cn
3
N
e.đm
N
e
’
N
e
’’
Hình 9.5. Sự hiệu chỉnh các đặc tính hạn chế và đánh giá các
chế độ làm việc cho phép của các động cơ điedel
Trên hình 9.6 trình bày sơ đồ xy lanh (3) của động cơ 2 kỳ với các ống quét khí
(2) và ống thải (4). Không khí di đến xy lanh từ máy nén (1) có liên hệ cơ khí với trục
khuỷu. Máy nén có thể là kiểu rô to hay li tâm, sự thay đổi cản áp sau xi lanh nhờ van
tiết lưu (5).
Trong chế độ ổn định, áp suất trước xi lanh chênh lệch với áp suất sau xy lanh
một giá trị ∆p bằng sức cản thuỷ lực trong xi lanh:

P
k
= P
th
+ ∆P (9.13)
Đại lượng ∆P có trị số thay đổi . Sức cản cục bộ bất kỳ (các tổn thất thuỷ lực)
trong dòng tĩnh có thể mô tả bằng phương trình Bécnuli:
∆P = ξ
ξ - Hệ số cản cố cục bộ.
W - Tốc độ lưu động dòng khí.
γ - Trọng lượng riêng của khí.
Xy lanh có kết cấu phức tạp, nhiệt độ và áp suất trong xy lanh bị thay đổi theo
góc quay của trục khuỷu và không đồng nhất ở các tiết diện khác nhau. Tính gần đúng
coi ∆P là hàm của đại lượng chính W và P
k
lấy ở tiết diện vào các cửa quét. Khi phân
tích về chất lượng có thể coi ∆P có trị số thay đổi, khi đó thấy rằng sự thay đổi cản áp
sau xy lanh ∆P
th
sẽ gây biến thiên tương tự áp suất không khí trước máy nén ∆P
k
(∆P
k
≈ ∆P
th
)
p
xl
p
th

,T
th
p
k
,T
k
1 2
3
4 5
Hỡnh 9.6. Sụ ủoà heọ thoỏng naùp vaứ thaỷi khớ cuỷa ủoọng
cụ ủieõden 2 kyứ taờng aựp daón ủoọng cụ khớ maựy neựn
ly taõm hay roõ to