chương 6: Chế độ làm việc của động cơ Diêsel tàu thủy Việc khai thác Diêsel tàu thủy được tiến hành trong những điều kiện khác nhau, muôn h ình muôn vẻ cùng với sự thay đổi các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ cũng như các hệ thống động lực tương đối lớn. Chế độ làm việc của động cơ được đặc trưng bằng các chỉ tiêu thông số kinh tế kỹ thuật trong các điều kiện khai thác cụ thể. Thông số nào được chọn làm thông số cơ bản thì tên g ọi và giá trị của nó sẽ xác định tên gọi của chế độ làm việc. Khi tàu hoạt động, động cơ chính làm việc trong những điều kiện khác nhau cùng với sự thay đổi của các chỉ tiêu và thông số công tác của động cơ cũng như của thiết bị động lực tàu cá. Người ta căn cứ vào điều kiện làm việc và công dụng của động cơ để đánh giá khả năng phát ra công suất của động cơ. Sự đánh giá đó dựa theo giá trị tổng hợp của các chỉ ti êu các thông số biến động của động cơ qua đó thể hiện khái quát chế độ làm việc của động cơ. Chế độ làm việc của động cơ chính là thành phần chính của động cơ - thân tàu - chân vịt phụ thuộc vào kiểu loại và điều kiện làm việc của tàu, đặc điểm kết cấu thân tàu, kiểu động cơ chính và phương pháp truyền công suất đến chân vịt . Theo sự ổn định của các thông số công tác của động cơ người ta chia các chế độ làm việc của động cơ ra thành các chế độ ổn định v à không ổn định. Các chế độ ổn định được đặc trưng bởi tính bất biến của phụ tải, tốc độ quay của động cơ và trạng thái nhiệt của các chi tiết. Các chế độ làm việc ổn định của động cơ chính có thể có ở các hành trình tàu không đổi khi chạy tiến và chạy lùi ở mức phụ tải nhỏ, trung bình và toàn phần, ở các chế độ quá tải, ở tốc độ quay ổn định thấp nhất của động cơ. Chế độ làm việc không ổn định được đặc trưng bằng sự không ổn định của các thông số công tác. Các chế độ làm việc không ổn định của các động cơ gặp phải khi khởi động hoặc dừng động cơ, khi tàu khởi hành tăng tốc, đổi chiều, quay v òng …Trong các trường hợp này người vận hành c ần đặc biệt theo dõi sự làm việc của động cơ nhằm đề phòng sự cố xảy ra . Ngoài các chế độ khai thác cơ bản thì còn có các chế độ làm vi ệc không thuận lợi như khi thay đổi các thông số môi trường xung quanh như như khi gặp sóng to gió lớn, khi qua vùng nước cạn, khi thân tàu bị rong rêu hà bám, khi tàu ở các chế độ sự cố, bị nghiêng ngang nghiêng dọc, khi sử dụng loại nhiên liệu và dầu bôi trơn không đúng tiêu chuẩn . Ngoài các chế độ khai thác cơ bản thì còn có các chế độ làm vi ệc không thuận lợi như khi thay đổi các thông số môi trường xung quanh như như khi gặp sóng to gió lớn, khi qua vùng nước cạn, khi thân tàu bị rong rêu hà bám, khi tàu ở các chế độ sự cố, bị nghiêng ngang nghiêng dọc, khi sử dụng loại nhiên liệu và dầu bôi trơn không đúng tiêu chuẩn. Việc phân tích sự l àm việc của động cơ ở những chế độ đó, lựa chọn phụ tải v à tốc độ quay phù hợp, đánh giá tổng hợp trạng thái l àm việc của động cơ có ý nghĩa rất lớn trong quá trình khai thác . Ngoài ra khái ni ệm chế độ làm việc của động cơ chính tàu thủy như chế độ toàn tải, chế độ nhỏ tải, chế độ không tải đôi khi đồng nghĩa với chế độ l àm việc của tàu . Các thông s ố cơ bản đặc trưng cho sự làm việc của động cơ gồm có: mômen, công suất, tốc độ quay, chi phí nhiên liệu riêng và chi phí nhiên li ệu giờ, hiệu suất chỉ thị, cơ giới và có ích, áp suất chỉ thị và có ích trung bình, áp suất cháy cực đại, áp suất cuối quá trình nén, áp suất trung bình theo thời gian, nhiệt độ khí xả . 2.3. SỰ PHỐI HỢP LÀM VIỆC GIỮA ĐỘNG CƠ – THÂN TÀU VÀ CHÂN V ỊT 2.3.1. Điều kiện phối hợp giữa máy – thân tàu và chân vịt Ta biết công suất của động cơ chính được xác định phụ thuộc vào tốc độ tàu, sức cản thân tàu khi chuyển động trong nước ở tốc độ đ ã cho. Để nâng cao hiệu quả kinh tế của tàu, trước tiên khi thiết kế phải đảm bảo sự phù hợp giữa các thành phần của liên hợp tàu, trong quá trình khai thác phải xác định được chế độ làm việc, đánh giá nó và lựa chọn được chế độ l àm việc hợp lý của tổ hợp tàu . Đặc tính của các thành phần của liên hợp tàu như sau: Sức cản của tàu khi chuyển động trong nước với tốc độ V bao gồm các thành phần: Hình 2.7 – Đặc tính thân tàu R = R ms + R hd + R s + R pl + R kk Trong đó: R ms :Sức cản ma sát , kG R hd :Sức cản hình dạng ,kG R s :Sức cản sinh sóng ,kgG R pl :Sức cản phần lồi ,kG R kk :Sức cản không khí đối với phần nhô trên mặt nước, kg. Sức cản của tàu là một hàm số của tốc độ R= f(V) Từ đây ta thấy rằng nếu tốc độ của tàu tăng lên thì sức cản của tàu sẽ tăng nhanh hơn . Mối quan hệ giữa sức cản và tốc độ tàu chính là đặc tính của thân tàu . Để tàu chuyển động với tốc độ V không thay đổi thì chân ph ải tạo ra lực đẩy P cân bằng với lực cản R . R V R = f(V) Do ảnh hưởng của thân tàu khi chân vịt làm việc sau đuôi tàu (h ệ số dòng hút t) nên lực đẩy có ích cúa chân vịt P e nhỏ hơn lực đẩy P do chân vịt tạo ra . Ta có P e = R V ới Pe = (1-t)P Trong đó: t: là hệ số dòng hút Các giá tr ị của lực đẩy và mômen do chân vịt tạo ra cũng như công suất yêu cầu có thể xác định được vào đặc tính thủy động của chân vịt, hay còn gọi là đặc tính chân vịt có dạng như ở hình Trên đó biểu diễn sự phụ thuộc trên các đại lượng: hệ số lực đẩy K 1 , hệ số mômen K 2 , hiệu suất của chân vịt trong nước tự do p  và bước trượt tương đối λ p . L ực đẩy và mômen của chân vịt được tính theo biểu thức: P= ρ.K 1 .n cv 2 .D 4 M = ρ.K 2 .n cv 2 .D 5 Trong đó: K 1 : Hệ số lực đẩy . K 2 : Hệ số mômen. n cv : Tốc độ quay của chân vịt D: Đường kính chân vịt Ρ: Mật độ nước biển . Công suất của chân vịt trong nước tự do dược tính theo công thức: N P = 2  . K 2 .n 3 .D 5 Từ đó có thể tính được công suất thông qua đặc tính của tổ hợp thân tàu – chân vịt. Từ đặc tính của thân tàu (hình 2.7) tại tốc độ chạy t àu V sẽ có được sức cản R và ta tính được công suất kéo . N R = R.V Công su ất của chân vịt trong nước tự do còn được tính theo công suất kéo N P = RK R N  . Trong đó p  : Hiệu suất của chân vịt làm việc trong nước tự do Ta có công suất đẩy của chân vịt tại đầu mút trục chân vịt (sau đuôi tàu). N D = RK P N  . Trong đó: k  : Hệ số ảnh hưởng của thân tàu . r  : Hiệu suất xoáy . Từ đây ta có thể viết là: N D = PRK R N  Hay D R D N N   Trong đó: PRKD   hiệu suất đẩy của chân vịt khi làm việc với thân tàu .Khi đó côn g suất yêu cầu của động cơ chính là: N eycdc = mthst D N  Trong đó: t  : Hiệu suất đường trục . hs  : Hiệu suất hộp số . mt  : Hiệu suất môi trường . Do đó: N eycdc = mthstR DnK   53 2 2 Tại một điều kiện chạy tàu nhất định nếu coi mthstR DnK   53 2 2 = C = const Thì ta có th ể viết được N e = C.n 3 và đây chính là dạng của đặc tính chân vịt của tổ hợp t àu . Trong th ực tế K 2 thay đổi theo tốc độ quay của động cơ và tốc độ tàu nên người ta biểu diễn đặc tính chân vịt của tổ hợp tàu ở dạng N e = C.n x . Trong điều kiện khai thác động cơ có thể làm việc quá tải nên khi thi ết kế người ta sử dụng hệ số dự trữ công suất K dt để lựa chọn động cơ nhằ m tránh quá tải N e = N eycdc . K dt Trong đó: K dt : Hệ số dự trữ công suất. Công suất yêu cầu của động cơ theo tốc độ quay được biểu diễn trên (hình 2.8) . Đó là đặc tính chân vịt của tổ hợp thân tàu chân vịt . Từ hình ta kẻ thêm đường đặc tính ngoài của động cơ thì ta s ẽ có được điểm phối hợp làm việc giữa tổ hợp động cơ chính – thân tàu – chân v ịt. Hay điểm K xác định chế độ làm việc của liên h ợp tàu (động cơ chính – thân tàu – chân vịt). Việc nghiên cứu sự làm việc của máy – vỏ - chân vịt (khi sử dụng chân vịt định bước cũng như chân vịt biến bước) trong các điều kiện khác thường có ý nghĩa lớn trong việc lựa chọn chế độ hợp lý trong từng trường hợp cụ thể . Ne(ha=han) K Ne ˜ Cn 3 Ne n 0 Hình 2.8 - Sự phối hợp làm việc giữa chân vịt – máy – vỏ động cơ khi tốc độ quay không đổi . của liên h ợp tàu (động cơ chính – thân tàu – chân vịt) . Việc nghiên cứu sự làm việc của máy – vỏ - chân vịt (khi sử dụng chân vịt định bước cũng như chân vịt biến bước) trong các điều kiện. đặc tính chân vịt của tổ hợp thân tàu chân vịt . Từ hình ta kẻ thêm đường đặc tính ngoài của động cơ thì ta s ẽ có được điểm phối hợp làm việc giữa tổ hợp động cơ chính – thân tàu – chân v ịt việc hợp lý của tổ hợp tàu . Đặc tính của các thành phần của liên hợp tàu như sau: Sức cản của tàu khi chuyển động trong nước với tốc độ V bao gồm các thành phần: Hình 2.7 – Đặc tính thân tàu R