Đang tải... (xem toàn văn)
Ảnh hưởng của hình dáng hình học hệ thống thải đến các chỉ tiêu kinh tế - năng lượng động cơ diesel 4 kỳ tăng áp bằng tuabin biến áp
Bộ giáo dục Đào tạo Bộ Quốc Phòng Học viện Kỹ thuật Quân === === Lê Đình Vũ ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG HÌNH HỌC HỆ THỐNG THẢI ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - NĂNG LƯỢNG ĐỘNG CƠ DIESEL KỲ TĂNG ÁP BẰNG TUABIN BIẾN ÁP Chuyên ngành : Kỹ thuật động nhiệt Mã số : 62.52.34.01 tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật H nội - 2006 Công trình đợc hoàn thành tại: Häc viƯn Kü tht Qu©n sù TËp thĨ h−íng dÉn khoa häc: PGS-TS Hμ Quang Minh PGS-TS L¹i văn định Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nớc họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi năm Có thể tìm hiểu luận án tại: ngày tháng danh mục công trình tác giả liên quan luận án Lê Đình Vũ, Hà Quang Minh, "Nghiên cứu mô hình tính toán trình công tác động sử dụng hệ thống tăng áp kiểu tua bin xung", Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Học viƯn KTQS, sè 93 /IV-2000, tr 70-75 Hµ Quang Minh, Lê Đình Vũ, "Mô hình tính toán quy luật toả nhiệt tơng đối tốc độ toả nhiệt cháy có xét đến đặc điểm tạo hỗn hợp động cơ", Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Häc viƯn KTQS, Sè 95 /IV-2001, tr 67-71 Lª Đình Vũ, "Góp phần hoàn thiện mô hình Volodin tính trình công tác động cơ", Toàn văn báo cáo khoa học - Hội nghị Khoa học lần thø 13 - Häc viÖn KTQS, 10-2001, tr 81-85 Le Dinh Vu, Ha Quang Minh, "Optimal diameter determination according to the exhaust manifold length of impulsive turbocharging engines", ICAT 2002 Hanoi, 10-2002, No 068 Lê Đình Vũ, Hà Quang Minh, Lại Văn Định, "Khảo sát chu trình công tác động DC-80 tăng áp tua bin máy nén TD04H15G chế độ ổn định", Tạp chí Giao thông Vận tải, Số 6/2004, tr 41-43 Lê Đình Vũ, Hà Quang Minh, "Nghiên cứu cờng hoá động DSC-80 sản xuất nớc tăng áp", Thuyết minh đề tài nghiên cứu khoa học, Học viện Kỹ thuËt Qu©n sù 12-2004 Le Dinh Vu, Ha Quang Minh, Lai Văn Dinh, " Simulation of Turbo-Charging Diesel Engines using GT-Power", ICAT 2005, Hanoi 10-2005, No 055 Lª Đình Vũ, Hà Quang Minh, Lại Văn Định, "Mô hình hoá trình nhiệt khí động dòng khí thải động lý thuyết CFD", Tạp chí Giao thông Vận tải, Số 4/2006, tr 31-32, 37 Lê Đình Vũ, Lại Văn Định, Hà Quang Minh, "Mô động tăng áp tua bin khí biến áp mô hình liên kết 1D-3D", Tạp chí Giao thông Vận tải, Sè 5/2006, tr 50-52, 32 MỞ ĐẦU Tăng áp động tuabin khí nhằm nâng cao tiêu công tác cho động sử dụng rộng rãi Các động lắp phương tiện giao thông, động quân làm việc chế độ thường xuyên thay đổi nên thường sử dụng động tăng áp tua bin kiểu biến áp Vấn đề nghiên cứu động tăng áp rộng, liên quan đến nhiều cấu, hệ thống, việc nghiên cứu tổ chức hệ thống thải nối động với tua bin khí quan trọng, đảm bảo tận dụng tối đa lượng dịng khí thải, nâng cao chất lượng thay đổi khí Vì luận án lựa chọn đề tài: “Ảnh hưởng hình dáng hình học hệ thống thải đến tiêu kinh tế - lượng động diesel kỳ tăng áp tuabin biến áp” Mục đích nghiên cứu: Xây dựng mơ hình tổng qt động tăng áp, mơ hình đường ống thải xây dựng theo lý thuyết động lực học chất lưu CFD nhằm khảo sát ảnh hưởng hình dáng hình học hệ thống thải xung nối xylanh với tua bin đến tiêu công tác động Đối tượng nghiên cứu: động diesel DSC-80 Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Ý nghĩa khoa học luận án: - Mô tả chất vật lý dịng khí khơng ổn định đường ống thải lý thuyết động lực học chất lưu CFD (Computational Fluid Dynamics) - Mô tả chất vật lý mơ hình phần tử động tăng áp: đường ống - tuabin - máy nén - động kết nối chúng để tính tốn tiêu cơng tác động cách kết hợp phần mềm mô động GT-Power với phần mềm CFD Star-CD - Cho phép tính tốn lựa chọn phương án thiết kế tối ưu hệ thống thải tăng áp tuabin biến áp Ý nghĩa thực tiễn luận án: Rút kết luận ảnh hưởng hình dáng hình học hệ thống thải xung, làm sở cho việc tính tốn thiết kế hệ thống thải xung cho động tăng áp nhằm cải thiện tiêu công tác động Bố cục luận án: Mở đầu, chương thuyết minh, kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN Trong chương tổng quan, luận án phân tích tăng áp tua bin khí biện pháp hiệu nhằm nâng cao tiêu công tác động cơ; xu hướng sử dụng tăng áp tua bin khí động diesel; hệ thống tăng áp tua bin khí động diesel cao tốc sơ đồ tổ chức hệ thống thải; ảnh hưởng hình dáng hình học hệ thống thải đến thơng số khí động dịng khí thải trước tuabin tình hình nghiên cứu giới tính tốn hệ thống thải cho động diesel tăng áp tua bin khí Các nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm khẳng định: chiều dài, đường kính đường ống thải có ảnh hưởng trực tiếp đến tham số nhiệt khí động trước tuabin, qua ảnh hưởng đến tiêu công tác động Ngồi thơng số hình học đặc trưng khác đường ống độ cong thể bán kính góc lượn, cách bố trí v.v chưa thấy có tài liệu cơng bố mà theo nguyên tắc chung hệ thống đường ống phải gọn, tích nhỏ theo tiêu chuẩn Strukhalia Để nghiên cứu động tăng áp, áp dụng mơ hình: Mơ hình dịng chiều tựa ổn định (Quasi - Steady); Mơ hình điền đầy - tháo rỗng (Filling & Emptying); Mơ hình truyền sóng áp suất (Wave Action) mơ hình động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamics - CFD) Trong mơ hình có mơ hình CFD cho phép khảo sát ảnh hưởng hình dáng hình học hệ thống thải (sơ đồ bố trí, kích thước hình học hình dáng đường ống) đến tiêu cơng tác động tăng áp Hướng nghiên cứu: Xây dựng mơ hình động tăng áp đầy đủ, áp dụng mơ hình CFD để xây dựng mơ hình đường ống thải, phần cịn lại gồm: động cơ, tua bin máy nén, đường ống nạp mô hình lý thuyết dịng 1D, sau liên kết mơ hình kín để tính tốn thiết kế cho trường hợp tăng áp cụ thể đưa phương án tối ưu cho đường ống thải Giới hạn nghiên cứu: áp dụng mơ hình CFD để mô đường ống thải Các cấu, hệ thống khác động tăng áp cấu phối khí, hệ thống làm mát, bơi trơn, cung cấp nhiên liệu không đề cập nghiên cứu luận án Kết luận chương 1: Đối với động diesel lắp phương tiện vận tải động quân tăng áp tua bin biến áp biện pháp tốt để nâng cao tiêu cơng tác động Yếu tố hình học hệ thống thải có ảnh hưởng trực tiếp đến tiêu công tác tua bin - máy nén, qua ảnh hưởng đến tiêu cơng tác động cơ, đặc biệt động nhiều xi lanh Để xác định thuộc tính nhiệt khí động dịng khí đường ống thải, luận án sử dụng mơ hình CFD 3D ghép nối với mơ hình 1D mơ phần tử mơ hình tống qt để xác định tiêu công tác động tăng áp CHƯƠNG CƠ SỞ XÂY DỰNG MƠ HÌNH, LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CHO ĐỘNG CƠ TĂNG ÁP BẰNG TUA BIN KHÍ 2.1 Quan hệ cơng suất lít với thơng số nhiệt - khí động trước sau tua bin – máy nén: Bằng quan hệ biết, sau biến đổi nhận biểu thức xác định ảnh hưởng thông số nhiệt khí động trước sau tua bin - máy nén đến cơng suất lít động cơ: NL = k −1 ⎡ ⎤ ⎢1 − ⎛ p ⎞ k ⎥ ⎜ ⎟ ⎢ ⎜p ⎟ ⎥ ⎢ ⎝ 3⎠ ⎥ ⎣ ⎦ QH η v η i η m n m T η T3 TC 30τ L0 α k −1 T1 ⎡ ⎤ ⎢⎛ p ⎞ k − 1⎥ ⎜ ⎟ ⎢⎜ p ⎟ ⎥ ⎝ 1⎠ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ;(kW/l) (2.11) v k Ak Các thơng số nhiệt khí động T3, p3, mT hệ thống thải phụ thuộc vào việc bố trí, hình dáng hình học hệ thống đường ống thải xung nối động với tuabin 2.2 Mơ hình tính động tăng áp tua bin khí 2.2.1 Tổng quát CFD Hình 2.2 Sơ đồ liên kết tính tốn động tăng áp tuabin khí Mơ hình mơ chu trình cơng tác động tăng áp bao gồm: mơ hình nhiệt động bên xylanh động cơ; mơ hình đường ống hệ thống thải xung; mơ hình tuabin – máy nén; mơ hình đường ống nạp Trong đường ống thải mơ hình hố lý thuyết CFD 3D 2.2.2 Mơ hình nhiệt động bên xylanh động cơ: bao gồm mơ hình 2.2.2.1 Mơ hình vật lý phương trình (PT) tính tốn dhv dm Biªn cđa hƯ thèng dmnl dhr d dmr dQ p, V, T, m, ρ d(CvmT) dW = pdV Hình 2.3 Mơ hình dịng lượng khối lượng qua biên thể tích xylanh chu trình Phương trình (PT) cân lượng: dmC p T = − pdV + dQC − dQ w + dm v C pv Tv − dm r C pr Tr PT cân khối lượng trạng thái: ⎧ dm = dm v − dm r + dm nl ⎨ ⎩ d ( pV ) = d ( mRT ) (2.12) (2.13) 2.2.2.2 Các quan hệ hình học xylanh bao gồm chuyển vị piston x(α), diện tích bề mặt trao đổi nhiệt A(α) tiết diện lưu thơng xu páp theo góc quay trục khuỷu α 2.2.2.3 Nhiệt lượng toả cháy xylanh xác định (2.19) theo Wibe Heywood: xb = − exp a' ( α − α ) m' Nhiệt lượng toả cháy: ΔQc = η c mct QH ( x b ,i +1 − x b ,i ) ; (2.21) 2.2.2.4 Trao đổi nhiệt môi chất thành vách xylanh xác định theo mơ hình Woschni: ∂Qw = αA( T − Tw )∂t (2.25) 2.2.3 Mơ hình đường ống thải nối động với tuabin: Q trình khí động đường ống thải phức tạp, có rối, ma sát truyền nhiệt Sự thay đổi áp suất, nhiệt độ, vận tốc khí phụ thuộc vào thời gian khơng gian Mơ hình đầy đủ dịng khí thải mơ tả hệ phương trình Navies-Stokes kết hợp với phương trình rối Reynolds có kể đến trao đổi nhiệt với giả thiết dịng pha khơng có phản ứng hố học 2.2.3.1 Hệ phương trình Navier-Stokes mơ tả dịng khí thực [ ] Dρ = − ρ∂ i v i (2.26) Dt Dvi = −∂ i p + ∂ jτ ji + ρFi (2.27) - PT bảo toàn động lượng: ρ Dt - PT liên tục: - PT bảo toàn lượng: ρ DE = − p∂ i vi + τ ji ∂ j v i − ∂ i q i (2.28) Dt : τji ten sơ ứng suất nhớt: τ ij = μ ⎛ − δ ij ∂ k v k + ∂ j vi − ∂ i q i ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Các phương trình có biến xác định thuộc tính nhiệt - động dịng khí thải vi, p, ρ E cần xác định có phương trình, cần bổ sung thêm phương trình trạng thái p = p(ρ,T) 2.2.3.2 Ảnh hưởng rối đến phương trình NavierStokes Phương trình Reynolds Dịng chảy rối gồm hai thành phần: không đổi U phân tán u’(t) (2.42) Phương trình liên tục: ∂ ρ + div ( ρ U ) = ∂t Phương trình Reynolds theo phương x: ⎛ ∂( ρ u' ) ∂( ρ u' v' ) ∂( ρ u' w' ) ⎞ ∂( ρU ) ∂P ⎟+S + div( μgradU ) + ⎜ − − − + div( ρUU ) = − MX ⎜ ⎟ ∂y ∂z ∂t ∂x ∂x ⎝ ⎠ Phương trình Reynolds theo phương y: ⎛ ∂( ρ u' v' ) ∂( ρ v' ) ∂( ρ v' w' ) ⎞ ∂ ( ρV ) ∂P ⎟+S + div( μgradV ) + ⎜ − − − + div( ρVU ) = − MY ⎜ ⎟ ∂y ∂x ∂y ∂z ∂t ⎝ ⎠ Phương trình Reynolds theo phương z: ⎛ ∂( ρ u' w' ) ∂ ( ρ v' w' ) ∂ ( ρ w' ∂ ( ρW ) ∂P + div( ρWU ) = − + div( μgradW ) + ⎜ − − − ⎜ ∂t ∂z ∂x ∂y ∂z ⎝ )⎞ ⎟+S MW ⎟ ⎠ (2.43a,b,c) Phương trình trao đổi đại lượng vô hướng: ⎛ ∂( ρ u' ϕ' ) ∂( ρ v' ϕ' ) ∂( ρ w' ϕ' ) ⎞ ∂( ρφ ) ⎟ + Sφ + div( ρφU ) = div( Γ φ gradφ ) + ⎜ − − − ⎟ ⎜ ∂x ∂y ∂z ∂t ⎠ ⎝ (2.44) Các PT (2.42), (2.43 a,b,c), (2.44) tạo thành hệ phương trình mơ tả dịng chảy rối khí thải, gồm 10 ẩn số ẩn số u, v, w p phương trình liên tục thành phần dạng u'iu'j (i=x,y,z; j=x,y,z) ( ρ u 'i u 'j - ứng suất Reynolds) Các PT giải trực tiếp mà giải qua mơ hình rối 2.2.3.3 Mơ hình rối: có nhiều mơ hình rối áp dụng để giải Mơ hình thơng dụng cho độ xác cao mơ hình k-ε (động rối - khuếch tán) Tham số thứ - k biểu diễn động rối ( ) u i u i ; Tham số thứ hai ε - biểu diễn phân tán động rối ε = 2υ e ij e ij ;trong eij ten sơ biến dạng tỷ lệ k= 2.2.3.4 Phương pháp thể tích hữu hạn giải mơ hình tốn học dịng khí động bao gồm bước: - Chia vùng khảo sát thành thể tích nhỏ gọi thể tích hữu hạn - Tích phân phương trình theo thể tích hữu hạn n n - Rời rạc hố phương trình tích phân: AP φ P = ∑ Amφ m + s n + B Pφ P m - Giải phương trình đại số theo thuật toán PISO Issa (1986) xác định vận tốc áp suất nút lưới 2.2.4 Mơ hình tuabin - máy nén Lưu lượng khơng khí nạp mkk = AFR Áp suất khơng khí nạp tăng áp pk: p k = nc ,16.10 AFR p e g e R Tkk η v ,6.10 πk = Tỷ số tăng áp suất máy nén: p e n g e Vh pk p0 − Δplk (2.70) (2.72) (2.73) Việc tính tốn chọn tua bin - máy nén tiến hành điểm: ưng với số vòng quay nhỏ nhất, số vịng quay ứng với mơmen 3.6 Mơ hình động DSC-80TA: Mơ hình mơ động DSC-80TA thực cách ghép nối mơ hình động DSC-80 mơ hình tua bin - máy nén Mơ hình đường ống thải xây dựng phần mềm CFD Star-CD với phương án khác 3.6.1 Mơ hình mơ động DSC-80TA GT-Power: thơng số đầu vào có số thay đổi: áp suất phun nhiên liệu điều chỉnh từ 170bar lên 180 bar, lượng cung cấp nhiên liệu cho chu trình điều chỉnh từ 60mg/chu trình lên 72 mg/chu trình để đảm bảo hệ số dư lượng khơng khí α thấp 1,4 (giới hạn thấp động tăng áp có phương pháp tạo hỗn hợp kiểu màng - thể tích) 3.6.2 Mơ hình đường ống thải chiều (3D): kết cầu nắp máy động DSC-80, xi lanh thứ và3 nối chung với nắp máy, phương án lựa chọn: tua bin - máy nén bố trí cuối động Chiều dài đường ống thải chọn trước theo tiêu chí: (*) Bảo đảm bố trí chung động thiết bị động lực (*) Chiều dài đường ống góp khí thải phải chọn cho sóng áp suất phản hồi từ tua bin không làm ảnh hưởng đến chất lượng q trình qt khí Thời gian tính theo góc quay trục khuỷu để sóng áp suất phản hồi: Δα = 12.l n ; Sau tính tốn kết luận: kRTk sóng áp suất phản hồi từ tua bin khơng ảnh hưởng xấu đến chất lượng q trình quét khí Do tiêu chí thứ ưu tiên để xem xét Sau chọn chiều dài đường ống thải, đường kính tối ưu đường ống thải tính tốn quan điểm tổn thất lượng nhỏ theo chiều dài đường ống Orlin Cruglop Tác giả xây dựng chương trình DOPI xác định đường kính đường ống thải tối ưu theo chiều dài cho động DSC-80TA 44.82mm 10 Trong mơ hình CFD, kích thước sử dụng để khảo sát sơ đồ bố trí hình dáng hình học đường ống thải Các phương án khảo sát chia thành nhóm chính: Nhóm 1: tua bin – máy nén bố trí động cơ, hình dáng kích thước hình học phần lõi ống phương án nhóm giới thiệu hình 3.12 (a,b,c,d) (b) (a) (c) (d) Hình 3.12 Hình dáng kích thước hình học phần lõi đường ống thải nhóm (a)- đường ống đơn giản (b),(c),(d) - đường ống khí động học, kích thước miệng phun khác Nhóm 2: tua bin – máy nén bố trí đầu động cơ, hình dáng kích thước hình học phần lõi ống phương án nhóm giới thiệu hình 3.13 (a,b) (a) (b) Hình 3.13 Hình dáng kích thước hình học phần lõi đường ống thải nhóm (a) - đường ống đơn giản (b) - đường ống dạng compact Phương pháp liên kết mơ hình 1D/3D: để liên kết mơ hình 3D với mơ hình 1D phần xi lanh, tua bin - máy nén bước cần tiến hành: chọn bước thời gian, thời gian tính cho mơ hình, phương pháp để nhận điều kiện biên điều kiện đầu tốt cho mơ 11 hình CFD, xác định thể tích trung bình biến rời rạc CFD, định nghĩa biên hình học giao diện 1D/3D, thay đổi mơ hình GT Star- CD buocthoigian = ; tocdodongcox6 Thời gian tính = buocthoigian x số chu kỳ tính x 720 (độ/chu trình) Sau có mơ hình: động DSC-80, tuabin - máy nén, đường ống thải theo lý thuyết CFD 3D, liên kết theo bước, xây dựng mơ hình động tăng áp DSC-80TA hình 3.15 Hình 3.15 Mơ hình động DSC-80TA liên kết 1D/3D, phần tử CFD mơ đường ống thải có tên "Exhaust-CFD" 3.7 Kết tính tốn tiêu cơng tác động DSC-80TA theo phương án đường ống thải khác 3.7.1 Khảo sát ảnh hưởng đường kính đường ống thải đến cơng suất có ích 12 Hình 3.16 đồ thị mô tả ảnh hưởng đường kính đường ống thải đến cơng suất có ích động tăng áp tua bin biến áp chế độ định mức n = 2200v/ph 75 C«ng suất định mức (kW) 74.8 74.6 Hỡnh 3.16 nh hng đường kính đường ống thải đến cơng suất có ích động DSC80TA 74.4 74.2 74 73.8 73.6 73.4 25 30 35 40 45 50 55 §−êng kÝnh èng th¶i (mm) Trên sở kết luận rằng: động DSC80TA sử dụng tua bin – máy nén Mitsubishi TD04H-15 đường ống thải có đường kính 45mm cho kết tốt cơng suất có ích động cơ, kết phù hợp với lựa chọn sơ theo quan điểm lượng 3.7.2 Khảo sát làm việc đồng thời động - tua bin máy nén chế độ vịng quay khác Hình 3.17 mơ tả điểm làm việc động đồ thị mơ đặc tính máy nén Hình 3.17 Điểm làm việc đồng thời động DSC80TA đặc tính máy nén 13 3.7.3 Kết tính tốn cho phương án nhóm Trên hình 3.18 sơ đồ chia lưới đường ống thải phương án 1a, 1b nhóm Hình 3.18 Hình dáng hình học sơ đồ chia lưới đường ống thải nhóm Bảng 3.10 kết tính tốn tiêu cơng tác động DSC-80TA sử dụng đường ống thải theo phương án nhóm (hình 3.18) chế độ tốc độ vòng quay định mức n = 2200vg/ph Bảng 3.10 Các tiêu công tác động ch 2200v/ph (nhúm 1) Chỉ tiêu công tác Phơng án đờng ống thải 1a 1b 1c 1d Công suÊt cã Ých Ne (kW) 72,9 75,1 75,3 75,6 M« men cã Ých Me (Nm) 316,4 326,1 326,9 327,9 10,56 10,82 10,84 10,87 áp suất thị trung bình (bar) 8,37 8,63 8,65 8,68 áp suất có ích trung bình (bar) Lu lợng khí nạp (kg/h) 442,6 448,8 450,7 453,2 Lu lợng nhiên liệu (kg/h) 19 19 19 19 Suất tiªu hao nhiªn liƯu cã Ých (g/kWh) 260,7 253,0 252,4 251,6 Tỷ số không khí / nhiên liệu 23,28 23,61 23,71 23,84 HiÖu suÊt cã Ých (%) 32,1 33,1 33,2 33,3 Từ bảng 3.10, thấy rằng, phương án đường ống thải 1d cho tiêu công tác động tốt nhất, công suất động đạt 75,6 kW(102 mã lực) so với phương án 1a 72,9 kW (99 mã lực), tăng 3,7% Các tiêu công tác khác động cải thiện rõ rệt: hiệu suất có ích tăng 3,7%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 3,58% Hình 3.19 biểu diễn biến thiên lưu lượng khối lượng khí thải qua tua bin theo góc quay trục khuỷu 14 Lưu lượng khối lượng (kg/s) 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 PA1a 0.08 PA1c 0.06 -133 -83 -33 17 67 117 167 217 PA1b PA1d 267 317 367 417 467 517 567 Độ (góc quay TK) Hình 3.19 Biến thiên lưu lượng qua tua bin theo góc quay trục khuỷu Từ hình 3.19 nhận xét: phương án 1b,1c,1d có lưu lượng khí thải qua tua bin khơng khác nhiều Cịn phương án thứ (1a) cho thấy lưu lượng khí thải qua tua bin có tính chất mạch động, liên tục thay đổi với tần số cao góc quay trục khuỷu tương ứng với kỳ thải xi lanh xi lanh thứ Ở phương án 1a có tổn thất áp suất lớn tượng tiết lưu đường ống gấp khúc Điều lý giải biểu diễn dịng khí mơ hình CFD hình 3.22 (b) (a) Hình 3.22 Véc tơ vận tốc khí thải ứng với pha phối khí cua xi lanh thứ Từ hình 3.22 thấy rằng, phương án 1a - nhóm 1, chỗ rẽ nhánh xảy hiệu ứng 3D mãnh liệt dòng khí thải, làm cho dịng khí thải vào tua bin bị phân dịng xốy, điều khơng xảy phương án đường ống thải có dạng khí động 1b, 1c,1d hình 3.22b Đây lý làm cho áp suất, lưu lượng khối lượng cơng suất cửa vào tua bin có dao động với tần số cao mô tả hình 3.19 15 3.7.4 Kết tính tốn cho phương án nhóm Trên hình 3.23 sơ đồ chia lưới đường ống thải phương án 2a, 2b nhóm (b) (a) Hình 3.23 Sơ đồ chia lưới đường ống thải phương án nhóm Bảng 3.12 kết tính tốn tiêu cơng tác động DSC-80TA sử dụng đường ống thải theo phương án nhóm Bảng 3.12 Các tiêu công tác động chế độ 2200v/ph Phơng án đờng ống thải Chỉ tiêu công tác 2a 2b C«ng suÊt cã Ých Ne (kW) 75,5 74,8 Mô men có ích (N.m) 327,9 324,7 10,88 10,8 áp suất thị trung bình (bar) 8,67 8,59 áp suất có ích trung bình (bar) Lu lợng khí nạp (kg/h) 448,2 447,6 Lu lợng nhiên liệu (kg/h) 19 19 Suất tiªu hao nhiªn liƯu cã Ých (g/kWh) 251,6 254,1 Tû sè KK / nhiªn liƯu (A/F) 23,58 23,55 HiƯu st cã Ých (%) 33,3 32,9 L−u l−ỵng qua tua bin (kg/s) Hình 3.24 biểu diễn biến thiên lưu lượng khí thải qua tua bin theo góc quay trục khuỷu 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 PA 2a 0.08 0.06 -133 PA 2b -83 -33 17 67 117 167 217 267 317 367 417 467 517 567 §é (gãc quay TK) Hình 3.24 Lu lợng khí thải qua tua bin theo gãc quay trơc khủu 16 Từ bảng 3.12 hình 3.24 thấy rằng, bố trí tua bin – máy nén đầu động (nhóm 2), với chiều dài đường kính ống thải khơng đổi tiêu kinh tế lượng động DSC80TA lưu lượng khối lượng khí thải qua tua bin thay đổi không nhiều So sánh với phương án bố trí tua bin – máy nén động tiêu cơng tác động c¬ tương tự phương án 1b, 1c, 1d nhóm Điều chứng tỏ rằng, động DSC-80 đặc điểm bố trí họng thải nắp máy nên tổ chức tăng áp, việc bố trí tua bin – máy nén theo phương án khảo sát khơng có khác biệt nhiều Vấn đề cần quan tâm đường kính đường ống thải hình dáng hình học có ảnh hưởng lớn đến tiêu công tác động 3.8 Kết luận chương - Mô động DSC-80 phần mềm GT-Power kết hợp với số liệu thực nghiệm cho kết có độ xác tin cậy cao - Bộ tua bin máy nén Mitsubishi TD04H-15G phù hợp để tăng áp cho động DSC -80 - Yếu tố hình dáng hình học thể qua toạ khơng gian phần tử nút lưới CFD Việc kết hợp hai mơ hình 1D GT-power 3D Star-CD cho phép khảo sát ảnh hưởng yếu tố hình học đường ống thải đến tiêu công tác động tăng áp Mơ hình áp dụng để tính tốn cho phương án đường ống thải, mở rộng áp dụng cho mơ hình động nhiều xylanh - Đối với động DSC-80: chiều dài đường ống thải không ảnh hưởng đến chất lượng q trình qt khí, phải bảo đảm bố trí chung khoang động lực Đường kính tối ưu 45mm hình dáng hình học hệ thống phải hợp lý, không xảy tượng mạch động mãnh liệt đường ống, ảnh hưởng đến công suất tuổi thọ tua bin Phương án 1d 2a cho kết tốt tiêu công tác động 17 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm: động DSC-80 Công ty Diesel Sông công chế tạo Động thực nghiệm động qua sử dụng, trước tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, cần phải kiểm tra lại tiêu cơng tác băng thử 4.2 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm: xác định ảnh hưởng hai sáu phương án thiết kế, bố trí hệ thống thải xung đến tiêu công tác động thực tăng áp tua bin khí 4.3 Chế độ nghiên cứu thực nghiệm thông số cần đo: chế độ thực nghiệm tiến hành theo đường đặc tính ngồi động phạm vi số vịng quay từ 1000 đến 2200 vg/ph Các thơng số cần đo gồm: công suất, mô men quay, lượng tiêu thụ nhiên liệu, suất tiêu hao nhiên liệu, lưu lượng khơng khí nạp sau máy nén 4.4 Trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thực nghiệm: việc nghiên cứu thực nghiệm tiến hành phịng thí nghiệm nghiên cứu phát triển động AVL - Bộ môn Động Đốt - Đại học Bách khoa HN Đây phịng thí nghiệm đại, mức độ tự động hoá cao 4.5 Kết nghiên cứu thực nghiệm đánh giá 4.5.1 Kiểm tra lại tình trạng kỹ thuật động DSC-80 chưa tăng áp: đo đặc tính ngồi cho số vịng quay thay đổi từ 1000 đến 2200 vg/ph Các giá trị trung bình sau lần đo liệt kê bảng 4.2 Bảng 4.2 Các tiêu công tác động DSC-80 chưa tăng áp Tèc ®é (vg/ph) Ne (kW) Me (Nm) ge (g/kWh) Gnl(kg/h) 1000 26,31 251,24 264,9 6,97 1200 34,22 272,31 256,0 8,76 1400 41,85 285,45 250,6 10,49 1600 47,10 281,10 251,4 11,84 1800 50,56 268,23 255,1 12,90 2000 52,60 251,14 261,7 13,77 2200 54,80 237,86 273,7 15,00 18 320 55 270 45 170 40 15 ge_thucnghiem 360 ge_GTpower 14 50 220 380 Gnl (kg/h) 60 N (kW e ) 370 ge (g/kW h) Me (N.m) Với số liệu thực tế kết kiểm tra lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình, cơng suất tổn hao giới thơng số hiệu chỉnh đưa vào mơ hình để tính tốn tiêu cơng tác động DSC-80 Trên hình 4.3 kết so sánh đặc tính ngồi động DSC-80 theo thực nghiệm theo tính tốn mơ hình Gnl_thuc nghiem 340 320 120 30 N e_GTpower 20 220 N e_thucnghiem 70 10 260 35 11 280 Me_GTpower 12 300 240 Me_thucnghiem 13 25 900 200 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 n (v/ph) 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 n (v/ph) Hình 4.3 Đặc tính ngồi động DSC-80 tính tốn thực nghiệm 4.5.2 Kết nghiên cứu thực nghiệm với phương án đường ống thải khác động DSC-80TA 4.5.2.1 Các phương án nghiên cứu thực nghiệm Phương án 1a: bố trí tua bin – máy nén động cơ, đường kính đường ống thải d = 45mm, không thay đổi từ họng thải nắp máy đến miệng vào tua bin (hình 4.4) Hình 4.4 Kết cấu hệ thống thải xung phương án nghiên cứu thực nghiệm 1a - nhóm 19 Phương án 2a: bố trí tua bin – máy nén phía đầu động cơ, đường kính đường ống d = 45mm, không thay đổi từ họng thải nắp máy đến miệng vào tua bin (hình 4.5) Hình 4.5 Kết cấu hệ thống thải xung phương án nghiên cứu thực nghiệm 2a - nhóm Bơm cao áp YTH-5 điều chỉnh lại với lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct = 72 mg/ct Áp suất phun nhiên liệu điều chỉnh từ 170 bar lên 180 bar cho phù hợp với động tăng áp 4.5.2.2 Kết nghiên cứu thực nghiệm phương án 1a Tiến hành đo đường đặc tính ngồi động DSC-80TA với đường ống thải theo phương án 1a Các giá trị trung bình sau lần đo trình bày bảng 4.3 Bảng 4.3 Các tiêu công tác động DSC-80TA phương án 1a - nhóm L−u l−ỵng Me ge Gnl Tốc độ Ne không khí (kg/h) (v/ph) (kW) (N.m) (g/kW.h) (kg/h) 1000 34,54 329,8 256,03 8,84 171.9 1200 43,04 342,5 249,28 10,73 219.4 1400 50,80 346,5 245,44 12,47 262.1 1600 56,63 338 245,44 13,90 286.2 1800 61,54 326,5 248,68 15,31 319.6 2000 65,81 314,2 257,69 16,96 356.5 2200 69,83 303,1 270,55 18,89 397.2 Hình 4.7 giới thiệu kết đo băng thử kết tính tốn 20 340 65 310 55 19 ge_tính 60 280 ge_đo 340 G n l ( k g /h ) 70 N e (k W ) 370 21 g e ( g /k W h ) 360 75 M e (N m ) 400 Gnl_đo 320 300 280 Me_tính 11 45 Ne_đo 190 13 240 50 Me_đo 15 260 250 220 17 40 Ne_tính 160 35 130 30 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 220 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 n (v/ph) n (v/ph) Hình 4.7 Đường đặc tính ngồi động DSC-80TA theo phương án 1a Từ bảng 4.3 hình 4.7 cho thấy sai số lý thuyết thực nghiệm nằm giới hạn nhỏ từ 1,7 đến 7,6%, chứng tỏ mơ hình liên kết 1D-3D thiết lập tin cậy 4.5.2.3 Kết nghiên cứu thực nghiệm phương án 2a Các giá trị trung bình sau lần đo trình bày bảng 4.5 Bảng 4.5 Các tiêu công tác động DSC-80TA phương án 2a Tèc ®é Ne Me ge Gnl (v/ph) 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 (kW) 34,06 42,95 50,87 56,55 61,66 66,52 71,83 (N,m) 325,2 341,8 347 337,5 327,1 317,6 311,2 (g/kW,h) 259,28 249,58 244,92 245,06 247,87 255,12 263,27 (kg/h) 8,83 10,72 12,46 13,86 15,28 16,97 18,91 Lu lợng không khí (kg/h) 166,6 208,4 258,4 287,4 321,3 359,2 403,0 H×nh 4.9 giíi thiƯu kÕt đo băng thử kết tính toán 21 70 340 65 310 340 19 ge_tính Gnl_đo 60 280 21 ge_đo Gnl (kg/h) 370 ge (g/kW.h) 360 75 Ne (kW) Me (Nm) 400 55 15 280 13 260 11 240 50 17 300 250 320 Me_đo Me_tính 220 45 Ne_đo 190 40 Ne_tính 160 35 130 900 1100 1300 1500 1700 1900 220 900 30 2100 2300 1100 1300 1500 1700 1900 n (v/ph) 2100 2300 n (v/ph) H×nh 4.9 Đường đặc tính ngồi động DSC-80TA theo phương án 2a 75 70 340 65 310 60 280 55 325 420 318 ge_đo Pa1a 310 N (kW e ) 370 ge_đo Pa2a 303 380 Gkk đo Pa1a Gkk đo Pa2a 295 250 50 220 45 280 Me_đo Pa1a Me_đo Pa2a 190 Ne_đo Pa1a Ne_đo Pa2a 160 340 288 ge (g/kW h) M (N ) e m 400 G (kg/h) kk Từ bảng 4.5 hình 4.9 cho thấy sai số lý thuyết thực nghiệm 1,9 đến 7,4% 4.5.2.4 So sánh hai phương án thiết kế hệ thống thải xung: hình 4.10 biểu diễn so sánh thơng số đặc trưng động DSC-80TA với hai phương án đường ống thải thiết kế 300 273 265 260 258 250 40 220 243 235 35 180 228 130 900 30 1200 1500 1800 220 900 2100 140 1200 1500 1800 2100 n (v/ph) n (v/ph) Hình 4.10 Các tiêu cơng tác động theo PA: 1a 2a Từ hình 4.10, rút nhận xét sau: chế độ tốc độ động thấp (nhỏ 1500v/ph), tiêu công tác Ne, Me, ge, Gkk hai phương án 1a 2a không khác biệt nhiều, số vòng 22 quay cao, tiêu công tác PA 2a cao PA 1a, cụ thể: Neđm = 71,83 kW so với 69,83 kW (tăng 2,8%), ge =263,27 g/kWh so với 270,55 g/kWh (giảm 2,7%), lưu lượng khí nạp sau máy nén GKK = 403 kg/h so với 397,2 kg/h (tăng 1,5%) 4.6 Đánh giá kết - Sai số tính tốn lý thuyết thực nghiệm nằm khoảng từ 1,7 đến 7,6% Điều khẳng định tính đắn mơ hình xây dựng phương pháp tính Mơ hình lý thuyết hồn tồn sử dụng để khảo sát, đánh giá tiêu khác động DSC-80TA - Khi tăng áp động DSC-80 tua bin khí, cơng suất động tăng lên khoảng 27 - 31% tuỳ theo phương án bố trí hệ thống thải Việc lựa chọn tua bin – máy nén Mitsubishi TD04H-15G để tăng áp cho động DSC-80 hoàn toàn hợp lý - Khi tăng áp cho động DSC-80 tua bin khí vừa cải thiện tiêu lượng, vừa cải thiện tiêu kinh tế nhiên liệu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đã thiết lập mơ hình đầy đủ tính tốn xác định tiêu cơng tác động tăng áp: Mơ hình đường ống thải theo lý thuyết CFD, có kể đến ảnh hưởng hình dáng hình học thơng qua toạ độ nút lưới khơng gian 3D, mơ hình phần cịn lại động theo lý thuyết dòng 1D Đã áp dụng phần mềm GT-Power để tính tốn mơ phần động cơ, tua bin - máy nén, đường ống nạp phần mềm CFD StarCD để xác định thuộc tính nhiệt động lực học dịng khí thải có kể đến ảnh hưởng hiệu ứng 3D dịng khí thải chỗ rẽ nhánh, thay đổi tiết diện Đây đóng góp quan trọng luận án, góp phần hồn thiện đại hố phương pháp tính tốn thiết kế động diesel tăng áp tua bin khí theo mơ hình 3-D 23 Đã tính tốn thiết kế phương án đường ống thải theo hình dáng hình học với phương án bố trí tua bin - máy nén khác xác định tiêu công tác động tăng áp với hệ thống thải tương ứng Đã chế tạo hai phương án đường ống thải để tiến hành thực nghiệm minh chứng cho kết tính tốn Sự phù hợp kết tính tốn lý thuyết thực nghiệm chứng tỏ tính đắn mơ hình phương pháp tính luận án Kết tính tốn cho thấy có tượng mạch động sóng áp suất cửa vào tua bin khí sử dụng đường ống thải xung có hình dáng khơng hợp lý (phương án 1a), điều không xảy đường ống thải có dạng khí động (phương án 1b,c,d 2a,b) Hiện tượng mạch động ảnh hưởng đến tải trọng học, phụ tải nhiệt cánh tua bin, làm ảnh hưởng đến sức bền tuổi thọ tua bin - máy nén Mô hình thiết lập áp dụng để tính toán thiết kế cho đường ống thải hệ thống thải xung động diesel tăng áp, đặc biệt động nhiều xylanh Bằng kết tính tốn thực nghiệm, khẳng định rằng: tổ chức tăng áp cho động DSC-80 tua bin biến áp, việc chọn đường ống thải theo phương án 1b, theo phương án 2a, vừa cho kết cấu đường ống đơn giản, vừa thoả mãn yêu cầu tiêu công tác động tua bin - máy nén Kiến nghị - Cần có cơng trình khoa học nghiên cứu sâu ảnh hưởng hệ thống thải đến tiêu công tác, phụ tải - nhiệt tua bin để khẳng định tính khoa học độ tin cậy kết luận thứ luận án - Cần nghiên cứu ảnh hưởng pha phối khí đến tiêu cơng tác động tăng áp yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tiêu công tác động 24 ... tài: ? ?Ảnh hưởng hình dáng hình học hệ thống thải đến tiêu kinh tế - lượng động diesel kỳ tăng áp tuabin biến áp? ?? Mục đích nghiên cứu: Xây dựng mơ hình tổng qt động tăng áp, mơ hình đường ống thải. .. công tác động cơ; xu hướng sử dụng tăng áp tua bin khí động diesel; hệ thống tăng áp tua bin khí động diesel cao tốc sơ đồ tổ chức hệ thống thải; ảnh hưởng hình dáng hình học hệ thống thải đến thơng... thống thải tăng áp tuabin biến áp Ý nghĩa thực tiễn luận án: Rút kết luận ảnh hưởng hình dáng hình học hệ thống thải xung, làm sở cho việc tính tốn thiết kế hệ thống thải xung cho động tăng áp