Xem mẫu
- Chương 3
ĐẶC TÍNH HẠN CHẾ VÀ CÁC TRƯỜNG HỢP CÓ THỂ QUÁ TẢI CỦA
ĐCĐT TÀU QUÂN SỰ
3.1. Phạm vi tải cho phép lâu dài của ĐCĐT tàu quân sự
3.1.1. Sự cần thiết phải giới hạn phạm vi cho phép lâu dài của ĐCĐT tàu quân sự
Phạm vi làm việc của ĐCĐT nói chung là miền giới hạn bởi: trục hoành
(n), các đường vuông góc với trục hoành đi qua các điểm tốc độ vòng quay
nhỏ nhất và tốc độ vòng quay cực đại, và đường đặc tính ngoài.
Các động cơ tàu quân sự (động cơ chính) dùng để quay chân vịt cố định bước
và chân vịt biến bước, tạo ra lực đẩy để tàu chuyển động thực hiện các nhiệm vụ
đảm bảo tính năng kỹ chiến thuật của tàu.
- Các ĐCĐT tàu quân sự quay chân vịt có bước cố định được sử dụng trong
một phạm vi tải và vòng quay rộng theo đặc tính chân vịt. Đặc tính chân vịt không
cố định mà phụ thuộc vào: trạng thái vỏ tàu, lượng chiếm nước và các điều kiện
hoạt động, sẽ thay đổ i từ chân vịt “ nhẹ” đến chân vị t “nặng”.
- Các động cơ quay chân vịt biến bước được khai thác theo các đặc tính tải
trong phạm vi rộng của các mô men xoắn.
- Một trong những đặc điểm khai thác ĐCĐT tàu quân sự là khả năng quá tải
ít hoặc nhiều, hậu quả của chúng có thể làm:
+ Tăng các ứng suất nhiệt và cơ khí;
+ Tăng sự mài mòn các chi tiết;
+ Làm gãy và thậm chí làm hư hỏng động cơ trước thời hạn.
- Trong phạm vi rộng của tải và số vòng quay ở một số chế độ không bảo
đảm được sự hình thành khí hỗn hợp và chất lượng của quá trình công tác, ví dụ ở
các vòng quay và tải nhỏ. Làm việc lâu dài ở các chế độ này có thể dẫn đến:
+ Việc tăng cường tạo muội than;
+ Phá huỷ quá trình bôi trơn;
+ Cuối cùng làm hư hỏng động cơ trước thời hạn.
- Sự làm việc bền vững của động cơ tàu quân sự sẽ hoàn toàn được bảo đảm
chỉ trong trường hợp nếu các ứng suất nhiệt và cơ khí của các chi tiết không vượt
quá các giá trị giới hạn và chất lượng của quá trình công tác hoàn toàn tốt.
Để trong thời gian công tác, động cơ không bị quá tải và không làm việc lâu
dài ở các chế độ mà chất lượng của quá trình công tác không đảm bảo, cần phải
có giới hạn (phạm vi) cho phép làm việc lâu dài của các chế độ công tác. Trong các
giới hạn đó có đặc tính hạn chế.
3.1.2. Khái niệm đặc tính hạn chế, phạm vi cho phép làm việc lâu dài
Đặc tính hạn chế là sự phụ thuộc của các công suất cực tiểu và cho phép cực
đại vào số vòng quay của trục khuỷu, ở đó cho phép động cơ làm việc lâu dài trong
các điều kiện khai thác.
Hình dạng của các đường đặc tính hạn chế như trên hình 3.1, ở đó biểu diễn:
1. Đặc tính hạn chế trên:
Ne
Hạn chế giới hạn trên của công suấtNema
lâu dài. Cơ sở của đặc tính hạn chế trên H
Neđm
là các giá trị giới hạn của tải trọng nhiệt
5
và cơ khí của động cơ và cả chất lượng
1
tiến triển của quá trình công tác.
3
6
2. Đặc tính hạn chế dưới:
Hạn chế giới hạn dưới của công
suất lâu dài. Cơ sở của đặc tính hạn chế
dưới chủ yếu là chất lượng của quá trình 4
2 n
công tác và trong một số trường hợp là
nđm nmax
tải trọng cơ khí.
Hình 3.1. Phạm vi cho phép
làm việc cho phép của ĐCĐT
3. Đường hạn chế theo giới hạn trên của số vòng quay:
Cơ sở của đường hạn chế trên số vòng quay là các chỉ tiêu của tải trọng cơ
khí do các lực quán tính của các chi tiết cơ cấu tay quay thanh truyền.
4. Đường hạn chế số vòng quay khai thác cực tiểu:
Cơ sở của đường giới hạn dưới số vòng quay là độ ổn định của chế độ công
tác và chất lượng của quá trình cháy.
- 5. Đặc tính ngoài của động cơ: theo hành trình có ích cực đại của van trượt.
6. Đặc tính chân vịt.
Các đường 1, 2, 3, 4 tạo nên vùng cho phép làm việc lâu dài, hay phạm vi bên
trong nó cho phép động cơ làm việc lâu dài trong giới hạn tuổi thọ được nhà máy
chế tạo quy định. Vượt ra ngoài phạm vi này động cơ sẽ bị quá tải, sự tiến triển
của quá trình công tác sẽ không được đáp ứng.
Các đặc tính hạn chế được nhà máy chế tạo quy định phụ thuộc vào các đặc
điểm kết cấu của từng động cơ và các sơ đồ tăng áp. Tiêu chuẩn cơ bản để quy
định các đặc tính hạn chế là các chỉ tiêu tải trọng cơ khí, các chỉ tiêu của trạng thái
nhiệt và chất lượng tiến triển của quá trình công tác, có nghĩa là các điều kiện và
chất lượng phun nhiên liệu, hình thành khí hỗn hợp và cháy.
Nhà máy chế tạo quy định đặc tính hạn chế dựa chủ yếu vào kết quả thử tại
giá thử động cơ, trong thời gian này người ta đo đạc và xác định các chỉ tiêu cơ bản
trong đó có các chỉ tiêu hạn chế. Những điều kiện làm việc của động cơ trên tàu
luôn luôn nặng nhọc hơn so với ở giá thử. Động cơ làm việc trên tàu nằm trong
thành phần của tổ hợp đẩy tàu, các điều kiện đó ở một mức độ nhất định khác với
ở giá thử.
Tất cả các đặc tính hạn chế xây dựng cho các điều kiện bên ngoài, được nhà
máy chế tạo đưa ra trong tài liệu kỹ thuật của động cơ. Những điều kiện bên
ngoài có ảnh hưởng nhất định đến sự làm việc của động cơ và nếu trong thời gian
khai thác chúng khác với các điều kiện định mức quy định của nhà máy thì cần
phải xây dựng các đặc tính đặc biệt khác. Sự ảnh hưởng của các điều kiện bên
ngoài đến sự làm việc của động cơ sẽ được xem xét trong một chương riêng.
Khi sử dụng động cơ có một hoặc một số xilanh, máy tăng áp hoặc bầu làm
mát trung gian không làm việc cũng làm thay đổi các điều kiện làm việc, trong
những trường hợp này cần phải khai thác động cơ theo các đặc tính hạn chế xây
dựng riêng cho từng điều kiện.
3.1.3. Những yếu tố đảm bảo khai thác tốt động cơ
Để khai thác động cơ có kỹ thuật và không hư hỏng, các kỹ sư - thợ máy cần
phải:
- - Có đầy đủ các đặc tính hạn chế xây dựng cho tất cả các trường hợp có thể
xảy ra cho sự làm việc của động cơ. Những đặc tính hạn chế như vậy có trong các
tài liệu hướng dẫn khai thác động cơ.
- Một yếu tố quan trọng nữa để đảm bảo khai thác bình thường động cơ,
ngoài việc có các đặc tính hạn chế là có khả năng kiểm tra tải của động cơ trong
từng thời điểm riêng, kiểm tra cường độ cơ khí và trạng thái nhiệt của các chi tiết.
Cách tốt nhất là đo đạc trực tiếp các ứng suất cơ khí và nhiệt độ các chi tiết ở các
điểm đặc trưng nhất. Do được kiểm tra như vậy, có thể tin tưởng vào sự làm việc
vững chắc của động cơ cường hoá hiện đại.
ở điều kiện tàu quân sự, do có nhiều khó khăn trong việc đo đạc các tải của
động cơ, các chỉ tiêu cường độ cơ khí và trạng thái nhiệt của các chi tiết nên trong
thực tế khai thác để hạn chế và kiểm tra tải của động cơ người ta sử dụng các chỉ
tiêu gián tiếp. Kiểm tra được chúng và ở mức độ này hay mức độ khác thể hiện
được tải của động cơ, cường độ cơ khí của nó, trạng thái nhiệt của các chi tiết và
cả chất lượng của quá trình công tác. Những chỉ tiêu này được gọi là chỉ tiêu chặn.
Những chỉ tiêu chặn được dùng để hạn chế và kiểm tra tải của động cơ bao
gồm:
- Tiêu hao nhiên liệu cho chu trình, ;
Mô men xoắn có ích, Me;
- Áp suất có ích trung bình, Pe;
Áp suất cháy cực đại (áp suất cực đại của chu trình), Pz;
Nhiệt độ của khí thải, Tth;
,%
Hệ số dư lượng không khí, α;
100
Số vòng quay của tuabin máy nén, nK; 100
Nhiệt độ các chi tiết nhóm pittông,80 pt.
T 75
60
3.2. Các phương pháp khác nhau để hạn chế tải của động cơ ở số vòng quay thấp
3.2.1. Hạn chế tải của động cơ theo lượng nhiên liệu cấp cho chu50
40 trình
Phương pháp đơn giản nhất để hạn
20
25
chế tải của động cơ là đặt mốc giới hạn
0
20 40 60 80 100 nđc
trên cần dẫn động thanh răng bơm cao áp
Hình 3.2. Các đặc tính của
bơm nhiên liệu kiểu van
- lượng nhiên liệu cấp tối đa cho chu trình
hoặc mốc giới hạn hành trình thanh răng
theo chiều tăng lượng nhiên liệu. Điểm mốc
như vậy được đặt lên tất cả các động cơ tàu
quân sự. Trong trửụứng hụùp naứy ủaởc
tớnh haùn cheỏ laứ ủaởc tớnh ngoaứi cuỷa
động cơ, mặt khác đặc tính ngoài của động
cơ, khi = const, hoặc chính xác hơn là
đặc tính ở hành
trình có ích không đổi của van trượt bơm nhiên liệu (bởi vì khi cố định thanh răng
bơm nhiên liệu lượng nhiên liệu cấp cho chu trình thay đổi phụ thuộc vào số vòng
quay, xem hình 3.2).
Khả năng và sự cho phép làm việc của các động cơ khác nhau theo đặc tính
ngoài cần được nhìn nhận từ quan điểm của sự thay đổi theo đặc tính ngoài của
các chỉ tiêu tải trọng nhiệt và cơ khí của các động cơ đó. Sự thay đổi của các chỉ
tiêu trên sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Những đặc điểm về kết cấu, các sơ
đồ và thành phần của máy tăng áp, áp suất tăng áp. Ta xem các chỉ tiêu của cường
độ nhiệt và cơ khí sẽ thay đổi như thế nào theo đặc tính ngoài của các động cơ
tăng áp và không tăng áp. Trong tất cả các trường hợp xem như vòng quay của
động cơ giảm bắt đầu từ điểm của chế độ định mức hoặc cực đại.
1. Động cơ không tăng áp
Cường độ cơ khí của động cơ không tăng áp, làm việc theo đặc tính ngoài với
sự giảm vòng quay sẽ tăng lên một ít. Điều này được giải thích bằng việc tăng PZ
do hậu quả tăng giai đoạn cháy trễ τ i và trong một loạt trường hợp tăng suất nhiên
liệu cấp cho chu trình .Việc tăng một ít giai đoạn cháy trễ khi giảm số vòng
quay theo đặc tính ngoài được giải thích bằng sự giảm hiện tượng xoáy lốc, áp
suất PC và nhiệt độ của không khí nạp TC ở cuối quá trình nén. Đối với động cơ
hai kỳ việc giai đoạn cháy trễ, cường độ cơ khí được bổ sung thêm do việc giảm
các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến nên đưa đến làm tăng
nhanh hơn cường độ cơ khí.
- Sự thay đổi suất nhiên liệu của chu trình
T
phụ thuộc vào số vòng quay khi cố định thanh 1
1,0
răng bơm nhiên liệu được xác định bằng kiểu
0,8 2
và các đặc điểm kết cấu của bơm. Khi giảm
0,6
số vòng quay suất nhiên liệu cấp cho chu trình
có thể tăng hoặc giảm. Trên hình 3.4 biểu
0,4
40 60 80 100 n(%)
diễn sự phụ thuộc của hệ số cấp nhiên liệu
vào số vòng quay khi giữ nguyên thanh Hình 3.4. Sự phụ thuộc của hệ
răng
số cấp nhiên liệu (T) vào số
của bơm nhiên liệu. ở hàng loạt bơm kiểu van
vòng quay (n) khi giữ nguyên vị
trượt ở giai đoạn đầu hệ số cấp nhiên trí thanh răng nhiên liệu:
liệu
tăng lên theo sự giảm số vòng quay (đường m nhiên liệu kiểu van trượt;
1- bơ
2- kiểu van
cong 1) và sau đó giảm xuống.
ở đoạn đầu hoàn toàn thể hiện được hiệu quả của việc nạp đầy không gian
phía trên van trượt của bơm, ở giai đoạn hai có sự tiết lưu của nhiên liệu trong
thời gian nén của van và tăng tổn thất nhiên liệu qua các khe hở. Nếu việc nạp
tăng chậm hơn tiết lưu thì hệ số nạp của bơm luôn giảm khi số vòng quay giảm
(đường cong 2).
Trên hình 3.5 biểu diễn sự phụ thuộc của
Pz
PZ , Pmax và λ của động cơ không tăng áp theo
P
λ
đặc tính ngoài. Đặc trưng của việc thay đổi Pmax
các chỉ tiêu thể hiện đến việc tăng cường độ
cơ khí của động cơ khi giảm số vòng quay. λ 2,0
Trạng thái nhiệt của các chi tiết và
1,0
cường độ nhiệt của động cơ không tăng áp
khi làm việc theo đặc tính ngoài khi giảm s500
ố 600 700 n (v/ph)
vòng quay được xác định bằng đặc trưng thay 3.5. Sự phụ thuộc của Pz,
Hình
đổi suất tiêu hao nhiên liệu cho chu trình,Pmax và λ của động cơ không
hệ
tăng áp theo đặc tính ngoài
số dư lượng không khí và các yếu tố khác.
Về đặc trưng thay đổi hệ số dư lượng không khí dễ dàng suy luận theo công
thức:
(3.1)
- fb - Diện tích van trượt của bơm cao áp;
hb - Hành trình của van trượt;
γ nl - Khối lượng riêng của nhiên liệu;
η b - Hiệu suất của bơm nhiên liệu;
γ 0 - Khối lượng riêng của không khí;
η v - Hệ số nạp của động cơ;
K - Hệ số thay thế.
Nếu bỏ qua tỷ số thì hệ số dư lượng không khí có thể xem như không
đổi.
Để đánh giá trạng thái nhiệt của các chi tiết và cường độ nhiệt của động cơ
thuận tiện nhất là sử dụng công thức 2-59 (xem chương 2) để cho dòng nhiệt
riêng:
Chú ý là khi = P0 = const nếu vòng quay giảm giá trị q sẽ giảm, vì vậy cần
phải giảm nhiệt độ các chi tiết.
Như vậy, đối với các động cơ không tăng áp đặc tính ngoài có thể được sử
dụng như đặc tính hạn chế khi đó cho phép cườ ng độ cơ khí tăng lên mộ t ít.
2. Động cơ có tăng áp
Cường độ cơ khí của các động cơ có tăng áp có giá trị áp suất tăng áp lớn ở
công suất định mức thường giảm theo sự giảm vòng quay theo đặc tính ngoài, vì áp
suất tăng áp trong đa số các trường hợp lúc này giảm xuống làm giảm áp suất cuối
kỳ nén PC và giảm áp suất cháy cực đại PZ . Nhưng trong tất cả các trường hợp khi
giảm số vòng quay tốc độ tăng áp suất λ và do đó tác dụng động học của lực PZ
tăng. Điều này gây tác dụng không tốt đén sức bền của các ổ đỡ.
Khi phân tích sự thay đổi của cường độ cơ khí của động cơ có tăng áp theo
đặc tính ngoài cần phải chú ý đến giá trị áp suất tăng áp, kiểu và những đặc điểm
kết cấu của chúng thiết bị tăng áp. Đối với các động cơ có giá trị tăng áp suất
không lớn và cả trung bình, cường độ cơ khí có thể tăng khi giảm số vòng quay
- theo đặc tính ngoài. Trên hình 3.6 giới thiệu sự thay đổi các chỉ số của động cơ hai
kỳ (PK= 1,53 kG/cm2).
Khi làm việc theo đặc tính ngoài, giảm số vòng quay áp suất cháy cực đại P z
thực tế giữ nguyên không đổi và thậm chí giảm xuống một ít. Giá trị
quyết định cường độ cơ khí của nhóm tay quay thanh truyền tăng lên do Pj giảm.
- Ne, (cv) Ne
Me,(kGm)
1800 1800
Me
1400
1500
1000
1
,(kG/cm2)
Pz,
1,1 (kG/cm2)
0
Pz
Tth, C
80
Tth 75
380
70
360
340 αΣ
α 2,8
2,6
2,0 αΣ 2,4
1,8 2,2
1,6 α
400 500 600 700 800 n
(v/ph)
Hình 3.6. Sự thay đổi các chỉ tiêu của động cơ
điêden hai kỳ tăng áp làm việc theo đặc tính ngoài
Nếu động cơ được trang bị tua bin - máy nén điều chỉnh thì số vòng quay của
tua bin - máy nén làm việc theo đặc tính ngoài có thể giữ nguyên trong một giới
hạn cho trước bằng cách tăng áp suất khí trước tua bin. Áp suất tăng áp có thể giữ
ở mức tương đối cao nhưng mặt khác lại làm tăng cường độ cơ khí của động cơ
làm việc theo đặc tính ngoài.
Việc tăng cường độ cơ khí của động cơ như vậy khi giảm số vòng quay theo
đặc tính ngoài có thể thực hiện được bằng cách sử dụng thiết bị đặc biệt để giảm
góc phun sớm của nhiên liệu.
Việc thay đổi nhiệt độ của các chi tiết và cường độ nhiệt của động cơ có
tăng áp khi làm việc theo đặc tính ngoài được quyết định chủ yếu bằng sự thay đổi
áp suất tăng áp và tăng thời gian trao đổi nhiệt trong xy lanh động cơ khi giảm số
vòng quay động cơ. Khi phân tích sự thay đổi cường độ nhiệt của động cơ theo
đặc tính ngoài cũng như cường độ cơ khí cần phải xét đến giá trị của áp suất tăng
áp ở công suất định mức, thành phần và sơ đồ máy tăng áp và những đặc điểm kết
cấu của chúng. ở đa số các động cơ tăng áp khi giảm số vòng quay theo đặc tính
- ngoài áp suất tăng áp giảm tương đối lớn. Phần lớn áp suất tăng áp giảm ở các
động cơ có máy nén truyền động cơ khí và loại tua bin - máy nén có liên hệ với
trục khuỷu. ở động cơ có tua bin - máy nén tự do áp suất tăng áp thậm chí có thể
giữ nguyên ở mức độ cao.
Phân tích sự thay đổi cường độ nhiệt của động cơ tăng áp theo đặc tính ngoài
đơn giản nhất là dựa vào công thức 2.59 (xem chương 2):
Dựa vào công thức này, khi giảm tỷ lệ và η v tỷ số tăng lên tạo nên
khả năng tăng dòng nhiệt q và nhiệt độ của các chi tiết, không kể đến sự giảm của
số vòng quay của động cơ. Bằng thực nghiệm đã khẳng định điều đó là, khi giảm
số vòng quay của động cơ theo đặc tính ngoài và khi giảm một ít nhiệt độ khí thải,
nhiệt độ của các chi tiết có thể tăng lên một chút. Điểm này có thể nhìn thấy trên
hình 3.6 về đồ thị thay đổi các chỉ tiêu của động cơ hai kỳ tăng áp làm việc theo
đặc tính ngoài. Trong quan hệ của việc tăng nhiệt độ các chi tiết nhóm pit tông - xy
lanh, việc làm xấu quá trình cháy và tăng sự lọt khí vào các te qua các xéc măng của
các động cơ tăng áp làm việc theo đặc tính ngoài theo nguyên tắc là không cho
phép. Việc giảm tốc độ giảm hệ số dư lượng không khí (thậm chí giữ nguyên α =
const) theo đặc tính ngoài đối với các động cơ tăng áp có thể đạt được bằng cách
sử dụng tua bin - máy nén điều chinh. Việc giảm tiết diện miệng phun của tua bin
khí làm tăng công suất của nó giữ được số vòng quay tua bin - máy nén và áp suất
tăng áp theo yêu cầu. Nhiệt độ các chi tiết trong trường hợp này có thể giữ nguyên
ở mức độ chế độ định mức.
3.2.2 Sự hạn chế tải của động cơ theo mô men xoắn.
Việc sử dụng đặc tính hạn chế Me = const cho biết rằng trong toàn bộ
khoảng công tác của vòng quay động cơ mô men xoắn không được vượt quá giới
hạn của nó. Đồng thời cũng cho biết rằng các ứng suất tiếp tuyến của trục khuỷu
khi đó không được vượt quá giới hạn cho phép, vì:
τ max = , kG/cm2 (3.2)
- WP - Mô men cản độc cực của trục khuỷu.
Đặc tính hạn chế Me = const trong hệ trục toạ độ Ne - n là một đường thẳng
đi qua gốc toạ độ và điểm xác định chế độ làm việc định mức (hình 3.7).
Ne(%) H
Đặc tính này chủ yếu để hạn chế công
100
suất của động cơ ở các chế độ làm việc bộ
80 Me=const
phận so với đặc tính ngoài và chỉ dùng cho
α=const
các động cơ có giá trị áp suất tăng áp nhỏ60
(đến 1,3 ÷ 1,5 kG/cm2). Trong các động cơ
40
cường hoá, khi số vòng quay giảm áp suất
Ne=Cn3
tăng áp và suất tiêu hao không khí nạp củ20
a
n(%)
chu trình cung giảm. Để giữ nguyên hệ số
0 20 40 60 80
nạp cần giảm MC và chỉ trong một số đoạn
100
Hình 3.7. Hình dáng các đặc tính
cho phép hạn chế theo Me = const. hạn chế của động cơ điêden
ở một số kiểu động cơ có thể dùng mô men xoắn để kiểm tra phụ tải, người
ta sử dụng các thiết bị đo đạc, kiểm tra đặc biệt: trục xoắn, đồng hồ đo mô men
xoắn, lực kế thuỷ lực (ta sẽ tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách sử
dụng các thiết bị này trong chương sau).
Phổ biến nhất là lực kế thuỷ lực đặt trên một số kiểu động cơ M -500 có
hộp số kiểu bánh răng hành tinh. Các đặc tính hạn chế trên và dưới của các động
cơ này được ghi thành bảng biểu diễn sự phụ thuộc của áp lực dầu với vòng quay.
Áp lực dầu tỷ lệ với mô men xoắn của động cơ (xem bảng 3.1).
3.2.3 Hạn chế tải động cơ theo hệ số dư lượng không khí.
Việc xây dựng đặc tính hạn chế theo α = const ở một số nhà máy cho các
động cơ tàu quân sự cao tốc hiện nay rất phổ biến. Khi đó giả thiết rằng nếu ở tất
cả các chế độ làm việc hệ số dư lượng không khí sẽ không nhỏ hơn các giá trị
định mức, thì chính nó sẽ bảo đảm giữ được chất lượng của quá trình công tác
trong các giới hạn của toàn bộ khoảng tốc độ vòng quay công tác ở chế độ công
suất toàn tải hay công suất khai thác. Lúc này trạng thái nhiệt nhóm pittông và ứng
suất cơ khí ở các chế độ bộ phận sẽ thấp hơn giới hạn ấn định cho khi toàn tải.
Bảng 3.1. Xác định các thông số hạn chế theo áp suất dầu trong lực kế thuỷ
lực của động cơ kiểu M500
- Đặc tính hạn
Đặc tính hạn chế trên
Chế độ làm việc của chế dưới
động cơ ở hành trình áp lực dầu Áp lực dầu
Nhiệt độ khí thải lấy trung bình
tiến (vg/ph) trong lực kế trong lực kế
cho 4 Block (0C)
(kG/cm2) (kG/cm2)
750 420 12,5 2,1
1000 430 15,5 4,0
1200 470 23,4 6,0
1400 510 24,6 8,2
1500 530 25,6 9,5
1700 570 26,9 12,2
1780 585 Theo lý lịch 13,4
Việc đo trực tiếp các giá trị của hệ số dư lượng không khí trong các điều
kiện tàu quân sự không thể làm được vì không có các thiết bị cần thiết (tuy nhiên
ở một số động cơ có hệ thống điều khiển, kiểm tra điện tử như động
cơ MTU có thể xác định được). Vì vậy, để bảo đảm kiểm tra sự làm việc của
động cơ trong các điều kiện khai thác thường người ta dùng các giá trị nhiệt độ khí
thải.
Các giá trị của nhiệt độ khí thải này và tải phù hợp với việc sử dụng đặc tính
hạn chế α = const. Đồng thời để bảo đảm kiểm tra thêm tốt hơn là tiến hành đo
lượng tiêu hao nhiên liệu giờ và khi có đồng hồ chỉ thị áp suất cháy cực đại.
Đặc tính hạn chế α = const nằm dưới đặc tính Me = const (xem hình 3.7), khi
đó tốc độ giảm công suất khi giảm số vòng quay sẽ phụ thuộc vào giá trị áp suất
tăng áp, những đặc điểm kết cấu của máy tăng áp và sơ đồ liên kết chúng.
3.2.4. Hạn chế tải của động cơ theo nhiệt độ của khí thải và áp suất cháy cực đại.
Nhiệt độ khí thải sau từng xy lanh Tr, trong ống xả Tth và áp suất cháy cực
đại PZ được sử dụng rộng rãi để hạn chế và kiểm tra tải trọng của động cơ trong
các điều kiện khai thác, bởi vì chúng là các chỉ tiêu gián tiếp của tải trọng. Ngoài ra
nhiệt độ khí thải là chỉ tiêu gián tiếp của trạng thái nhiệt của các chi tiết động cơ,
và áp suất cháy cực đại là chỉ tiêu gián tiếp của ứng suất cơ khí. Các chỉ tiêu này
dễ dàng đo được trong các điều kiện dưới tàu, do vậy đã được dùng rộng rãi làm
- các chỉ tiêu hạn chế. Nếu PZ không vượt quá giá trị cho phép giới hạn thì các ứng
suất cơ khí trong các chi tiết không đạt được giá trị cho phép giới hạn của mình.
Tương tự, nếu nhiệt độ khí thải không đạt được giá trị cho phép giới hạn thì trong
đa số các trường hợp, nhiệt độ nhóm pit tông cũng không vượt quá các mức cho
phép giới hạn.
Khi hạn chế tải động cơ theo Tr và PZ cần thấy được rằng các chỉ tiêu này
cũng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: góc phun sớm nhiên liệu, các điều
kiện ngoài... Do vậy, khi hạn chế theo các chỉ tiêu trên phải coi rằng động cơ đã
được điều chỉnh, góc phun sớm nhiên liệu đã đặt đúng, thiết bị nhiên liệu chính
xác, các chi tiết động cơ không bị mòn nhiều, động cơ được khai thác trong các
điều kiện khí hậu tiêu chuẩn và có các giá trị quy định của độ giảm áp trước cửa
nạp và cản áp trên đường thải.
Các thông số hạn chế đã nêu thường được cho dưới dạng các giá trị giới hạn
cho mọi chế độ làm việc - các bảng (xem bảng 3.1), hoặc dưới dạng các đường
cong biểu thị các giá trị giới hạn ứng với các vòng quay khác nhau. Ta tham khảo
các tài liệu khai thác các động cơ sử dụng trên tàu Hải quân.
3.3. Đặc điểm sử dụng các đặc tính hạn chế và các thông số giới hạn trong khai
thác ĐCĐT tàu quân sự
Đặc tính hạn chế kể cả đặc tính ngoài hoàn toàn là đường quy ước. Trong đa
số các trường hợp không có biện pháp kết cấu nào hạn chế sự chuyển tiếp vào
đặc tính hạn chế, do vậy trong thời gian khai thác động cơ tàu quân sự không thể
tránh khỏi quá tải trong thời gian ngắn. Sự quá tải có thể xảy ra sau khi tàu tăng
tốc, trong thời gian chuyển hướng, ở chế độ đảo chiều và trong các chế độ khác...
Trong các trường hợp này nếu sự cung nhiên liệu được hạn chế một cách tự động
thì sẽ làm xấu chất lượng cơ động của con tàu. Chúng ta thường cho phép sự vượt
ra khỏi đặc tính hạn chế trong thời gian ngắn, vì dù rằng động cơ có bị quá tải
(các chế độ này tùy khả năng cần phải tránh) nhưng không dẫn đến các hậu quả
nguy hiểm. Nhiệt độ các chi tiết không kịp tăng nhiều, còn sự phá hỏng và gãy vỡ
các chi tiết do các ứng suất mỏi có thể xuất hiện chỉ sau số lượng lớn các chu
trình. Nguy hiểm là các chế độ quá tải lâu dài, trong thời gian đó nhiệt độ các chi
tiết vượt quá các giá trị cho phép cực đại, khi đó xảy ra sự tạo keo cốc mạnh và
- phá huỷ chế độ bôi trơn. Sự quá tải lâu dài dẫn đến các mài mòn mạnh, các gãy vỡ
chi tiết và động cơ hư hỏng trước thời hạn.
Để kiểm tra tải động cơ trong các điều kiện khai thác, nhà máy chế tạo cho
sẵn các giá trị giới hạn của các thông số hạn chế, chúng có thể đo được dễ dàng
trong các điều kiện dưới tàu. Đó là các chỉ tiêu:
- Mômen xoắn động cơ;
- Nhiệt độ khí xả theo các xylanh hay trong ống xả;
- Áp suất cháy cực đại;
- Tiêu hao nhiên liệu theo giờ.
Việc kiểm tra liên tục tải theo mômen xoắn chỉ thực hiện được ở các động
cơ có giảm tốc hành trình và được trang bị lực kế thuỷ lực để đo tải trọng. ở các
động cơ không có lực kế thì tải trọng cần kiểm tra theo đại lượng T r hoặc Tth và
PZ sau mỗi thời gian quy định. Ví dụ theo quy phạm khai thác động cơ tàu thủy,
tiến hành kiểm tra Tr mỗi lần sau bốn giờ làm việc và tiến hành đo P Z sau mỗi 25
đến 30 giờ làm việc. Việc đo tiêu hao nhiên liệu thường thực hiện trong thời gian
điều chỉnh động cơ có tải (điều chỉnh động). Trong mọi trường hợp việc kiểm tra
tải trọng cần tiến hành ở các công suất gần toàn tải.
3.4. Các trường hợp có thể quá tải của ĐCĐT tàu quân sự ở các chế độ làm
việc ổn định và không ổn định
3.4.1. Các đặc điểm tải trọng của các động cơ chính tàu quân sự phụ thuộc vào
các điều kiện hành trình của con tàu
Tải trọng của động cơ chính tàu quân sự làm việc với chân vịt, phụ thuộc vào
đặc tính và tình trạng của tổ hợp đẩy tàu, bao gồm ĐCĐT, truyền động đến chân
vịt, chân vịt và vỏ tàu. Mỗi bộ phận của tổ hợp đẩy tàu có đặc tính của nó, sự thay
đổi đặc tính đó có ảnh hưởng đến tải trọng động cơ. Tóm lại, khi truyền trực tiếp
công suất cho chân vịt có bước cố định, chế độ làm việc của động cơ được xác
định bằng đặc tính chân vịt, nghĩa là bằng sự phụ thuộc của công suất động cơ vào
số vòng quay của nó hoặc bằng sự phụ thuộc của lực đẩy tàu và mô men chân vịt
vào số vòng quay chân vịt.
Lực đẩy tàu và mô men chân vịt được xác định bằng biểu thức:
- P = K1.ρ.n2.D4 (3.3)
M = K2.ρ.n2.D5 (3.4)
ở đây: K1 - Hệ số lực đẩy;
K2 - Hệ mô men;
n - số vòng quay chân vịt;
ρ - Tỷ trọng của nước;
D - Đường kính chân vịt.
Trên hình 3.8 cho các đặc tính cơ bản của chân vịt, sự phụ thuộc của các hệ
số lực đẩy, hệ số mô men và hiệu suất chân vịt (η CV) vào bước tiến tương đối của
chân vịt (λ CV).
(3.5)
ở đây: hCV - bước tiến chân vịt trong nước (quãng đường chân vịt đi được sau
một vòng quay ở trong nước);
D - đường kính chân vịt;
n - số vòng quay chân vịt;
vCV - Vận tốc chuyển động tịnh tiến của chân vịt trong dòng nước theo.
Khi số vòng quay cố định, lực đẩy và mô men chân vịt phụ thuộc vào sự thay
đổi của các hệ số lực đẩy và hệ số mô men, các hệ số này lại phụ thuộc vào bước
tiến tương đối λ CV. Khi giảm bước tiến tương đối thì các hệ số lực đẩy và mô men
tăng và ngược lại. Trường hợp đầu đặc tính chân vịt trở nên nặng và trường hợp
thứ hai trở nên nhẹ. Nếu sự phụ thuộc vào K c Kộ con tàu của lực đẩy và mômen
tố , đ
1 2
1,0
chân vịt là ổn định thì đặc tính chân vịt sẽ không đổi.
K1
Trong các điều kiện hành trình thự0,8ế của con tàu, đặc tính chân vịt có thể
ct η CV
khác xa định mức do các nguyên nhân có 0,6 như sau:
thể
- Động cơ làm việc ở chế độ K
neo 2
0,4
giữ;
0,2
- Sự tăng lượng giãn nước con tàu; λ CV
- Tàu làm nhiệm vụ lai kéo; 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
1,2
Hình 3.8. Các đặc tính của chân vịt
- - Tàu hành trình ở vùng có băng;
- Tàu hành trình ở vùng nước nông;
- Sự tăng sức cản vỏ tàu do hà bám phần
chìm…
Trên hình 3.9 chỉ ra các đặc tính chân vịt
khác nhau của tàu: định mức 1, nặng 2, nhẹ 3,
cũng như vùng có các
chế độ làm việc cho phép của động cơ (phần gạch chéo) và đặc tính ngoài của
động cơ 4.
Khi động cơ làm việc theo đặc tính chân
vịt nặng thì số vòng quay giới hạn mà động cơ H
Neđm 5 B
có thể hoạt đông mà không quá tải được xác
A
định bằng điểm cắt nhau của đặc tính chân vịt 4
? 3
và đặc tính hạn chế 6 (điểm A). Khi vượt ra
ngoài giới hạn của đặc tính hạn chế (điểm B)6 1
thì động cơ sẽ bị quá tải, trong trường hợp này
động cơ không thể đạt được số vòng quay 2
định mức đã xác lập và điều đó là dấu hiệu
n
đầu tiên cho biết động cơ quá tải và làm việc
nB nA nđm
trên đặc tính ngoài. Động cơ sẽ bị quá tải theo
Hình 3.9. Xác định chế độ làm
các chỉ tiêu tải trọng nhiệt và cơ khí. việc cho phép giới hạn của
điêzen ở chế độ neo giữ và khi
Khi động cơ làm việc theo đặc tính chân vịt nhẹ thì sẽ không đủ tải. Trong
xuất hiện đặc tính chân vịt nặng
các điều kiện hành trình của con tàu, động cơ có thể không đủ tải ở các vòng quay
định mức hoặc khi chọn sai bước chân vịt khi sử dụng chân vịt biến bước.
3.4.2. Tải trọng của động cơ khi làm việc ở chế độ neo giữ
Sự làm việc dài hạn ở các chế độ neo giữ xuất hiện khi thử động cơ sau khi
sửa chữa. Chế độ tương tự có thể có trong thời gian làm việc của động cơ khi tàu
mắc cạn.
Khi làm việc ở chế độ neo giữ vận tốc tàu bằng không, bước tiến tương đối
của chân vịt λ CV cũng bằng không. Lực đẩy và mô men chân vịt trong trường hợp
- này có giá trị cực đại và đặc tính chân vịt sẽ nặng nhất trong mọi chế độ làm việc
ổn định của các động cơ.
Số vòng quay cho phép của động cơ khi làm việc ở chế độ neo giữ được xác
định bằng điểm cắt nhau của đặc tính chân vịt neo giữ và đặc tính hạn chế. Khi
tăng vòng quay cao hơn giá trị cho phép thì động cơ có thể bị quá tải theo tải trọng
cơ và nhiệt. Trên hình 3-9, 5 là đặc tính neo giữ, chế độ làm việc tới hạn được xác
định bằng điểm?.
Số vòng quay cho phép tới hạn của động cơ ở chế độ neo giữ phụ thuộc
không chỉ vào dạng đặc tính neo giữ mà vào cả dạng đặc tính hạn chế:
- Các động cơ không tăng áp có thể làm việc ở số vòng quay xác định bằng
điểm cắt nhau của các đặc tính ngoài và neo giữ.
- Động cơ tăng áp khi làm việc ở chế độ neo giữ thì số vòng quay sẽ giảm
nhiều hơn.
Trong mỗi trường hợp khi chọn chế độ công tác của động cơ khi thử nghiệm
ở chế độ neo giữ hay cứu tàu mắc cạn thì cần phải sử dụng các chỉ dẫn đã cho
trong hướng dẫn khai thác động cơ.
Thực tế khai thác động cơ đieden tàu thuỷ đối với chế độ neo giữ thường sử
dụng chế độ vòng quay không lớn hơn 70 ÷ 75% vòng quay định mức để tránh quá
tải cho động cơ và ổ đỡ chặn khi tàu mắc cạn tự cứu. Song các số liệu nêu trên chỉ
ứng dụng cho các hệ động lực tàu quân sự có động cơ chính không tăng áp hay tăng
áp thấp. Nếu động cơ chính cường hoá cao theo vòng quay và áp suất tăng áp thì sự
hạn chế chế độ làm việc neo giữ giảm nhiều hơn nữa. Thực tế số vòng quay động
cơ chính trong các trường hợp này cần thiết lập trong giới hạn (0,4 ÷ 0,5)nđm.
Khi động cơ làm việc ở các chế độ neo giữ cần lưu ý rằng lực đẩy chân vịt
khi đó có thể vượt quá nhiều so với lực đẩy ở chế độ định mức. Nếu ổ đỡ chặn
không được tính toán ở chế độ neo giữ thì vòng quay động cơ cần phải giảm một
cách hợp lý (có xét tải trọng cực đại lên ổ đỡ chặn).
3.4.3. Tải trọng của động cơ khi tàu làm nhiệm vụ lai, kéo
Lực đẩy có ích của chân vịt (Pe) khi kéo tàu hay kéo lưới bị tiêu hao cho việc
khắc phục sức cản bản thân vỏ tàu R và cho việc tạo ra lực kéo cần thiết trên móc
kéo để thắng sức cản vỏ tàu được kéo hay lưới:
- ΣPe = R + Z (3.6)
ở đây: R - Sức cản bản thân vỏ tàu;
Z - Sức cản của tàu được kéo hay lưới.
R và Z thay đổi phụ thuộc vào vận tốc kéo. Đặc tính chân vịt của tàu kéo là
nặng, và độ dốc của nó được xác định bằng đại lượng sức cản của đối tượng
được kéo, bằng lượng giãn nước và tuyến hình tàu được kéo hay bằng sức cản của
lưới. Sức cản đối tượng được kéo càng lớn, bước tiến tương đối của chân vịt càng
nhỏ, lực đẩy và mô men càng lớn, đặc tính chân vịt càng dốc. Cần nhớ rằng, tất cả
các đặc tính chân vịt của động cơ ở chế độ lai, kéo ít nặng hơn so với đặc tính
chân vịt chế độ neo giữ, vì bước tiến tương đối của chân vịt trong mọi chế độ kéo
đều lớn hơn không.
Số vòng quay giới hạn của các động cơ khi kéo tàu cùng loại hay kéo lưới
thường được ghi trong hướng dẫn sử dụng. Nếu không có chỉ dẫn thì các chế độ
kéo cần đảm bảo cho động cơ không bị quá tải. Tải trọng động cơ cần được kiểm
tra bằng mọi phương tiện kiểm tra tải trọng có thể, đã nói ở trên.
3.4.4. Tải trọng của động cơ khi hành trình trong vùng nước nông
1200
Khi con tàu hành trình ở xa bờ trong Ne, CV
vùng biển có độ sâu lớn thì độ sâu không
1000
ảnh hưởng đến sức cản của nước cho
chuyển động của con tàu. Độ sâu của nước 1 3
800
mà không ảnh hưởng đến sức cản chuyển
động của con tàu là độ sâu thoả mãn tương 2 4
600
quan:
400
ở đây: h - Độ sâu của nước biển, m;
200 4 6 8 10s(HL/h)
v
T - Mớn nước của con tàu, m. Hình 3.10. Sự thay đổi
Hành trình trên vùng nước nông đặc tính chân vịt của tàu khi
hành trình trên vùng nước
và các luồng lạch hẹp kèm theo sự nông.
tăng sức cản nước cho chuyển động con tàu. Hiện tượng này cần phải tính đến khi
khai thác các động cơ. Tính đến độ sâu nước biển đặc biệt quan trọng khi thử
- nghiệm các động cơ và khi xác định các yếu tố chiến thuật của con tàu trên “khu
vực thử nghiệm”. Khi tàu hành trình ở vùng nước nông hay luồng lạch hẹp thì đặc
tính chân vịt sẽ nặng. Động cơ không đạt được số vòng quay định mức và sẽ bị quá
tải ở chế độ tới hạn. Trên hình 3.10 chỉ ra các đặc tính chân vịt của tàu có lượng
giãn nước D = 120T khi hành trình trên vùng nước nông với các độ sâu khác nhau:
đường 1 là khi nước sâu 3,6 m, đường 2 khi 5,9 m, đường 3 khi 11,3 m, đường 4 khi
16,5 m.
3.4.5. Sử dụng động cơ ở các chế độ làm việc cục bộ trong các trạm nhiều
động cơ và nhiều trục chân vịt
Bản chất các chế độ cục bộ là sử dụng một phần các chân vịt trong trạm
nhiều trục hay một phần các động cơ trong trạm nhiều động cơ. Sự cần thiết có
các chế độ cục bộ của các trạm năng lượng tàu quân sự xuất phát từ các yêu cầu
nhận được các tốc độ hành trình nhỏ của con tàu, từ sự cần thiết làm việc ở các
chế độ kinh tế hơn với tải trọng lớn của các động cơ hoặc với mục đích kéo dài
tuổi thọ của các động cơ.
Để nhận được các tốc độ hành trình nhỏ, trạm nhiều trục cho phép sử dụng
một phần các động cơ (một phần các chân vịt). Có thể coi nó như một số đặc tính
chân vịt phụ thuộc vào số trục làm việc và trạng thái các chân vịt (trạng thái hãm
hay tự do). Hình 3.11 chỉ ra các đặc tính này đối với trạm ba trục (đường số 4 là
Ne(%)
đường đặc tính ngoài của động cơ). Khi hành trình với Z trục chân vịt, lực đẩy tàu
100
2
tổng cộng sẽ là:
80
3
4 (3.7)
ở đây: Z - Số chân vịt; 60 1
P - L ự c đ ẩ y c ủ a m ộ t chân v ị t.
40
Sau khi tách một phần các chân vịt, tải trọng tổng cộng lên chân vịt khi giữ
nguyên tốc độ con tàu tăng do phân phối 20i lực đẩy và do các sức cản phụ của
lạ
việc đặt lại bánh lái và của chân vịt không làm việc. n (%)
020 40 60 80
100 (3 .8)
Hình 3.11. Các đặc tính chân
ở đây: ∆PP - Phần tăng lực đẩy do đặvịltạkhi sử dụng cục bộ các chân
t i
vịt của trạm 3 trục
bánh lái;
1- Một chân vịt làm việc; 2- Hai chân
vịt làm việc; 3- Ba chân vịt làm việc
- ∆PB - Phần tăng lực đẩy do tăng
sức cản của chân vịt không làm việc.
Các chế độ làm việc cho phép của các
động cơ được xác định bằng các điểm cắt
nhau của đặc tính hạn chế với các đặc tính
chân vịt khi một hay hai chân vịt làm việc, như
chỉ ra trên hình 3.11. Số vòng quay của các
động cơ trong trường hợp này thường được
cho trong hướng dẫn sử dụng. Để phòng ngừa
sự quá tải của các động cơ trong các chế làm
việc cục bộ, cần phải kiểm tra thường xuyên
các chỉ tiêu tải trọng cơ và nhiệt.
Ne(%)
Trạm nhiều động cơ gồm một số 100ngđộ
cơ cùng dẫn động một trục. Trong trường hợp
80
này khi chỉ một phần các động cơ làm việc thì 2’ 2
chế độ làm việc gọi là cục bộ. Nếu bỏ qua sự
60
thay đổi của hiệu suất cơ khí thì khi chuyển 1’
sang các chế độ cục bộ tải trọng động cơ trên
40 A 1
cùng số vòng quay sẽ tăng tỷ lệ với tỷ số:
20
(3.9) n (%)
020 40 60 n1 80
Z - Số động cơ trên một trục chân vịt;
Hình 3.12. Các đặc tính chân
l - Số động cơ tách khỏi trên một trục.
vịt khi sử dụng cục bộ các
Trong các chế độ cục bộ của trạm nhiều vịt ng cơ, trạmặc tính chân vịt không
chân độ trong các đ hai động
cơ
thay đổi. Chế độ làm việc cho phép của các động cơ được xác định bằng điểm cắt
1- Một động cơ làm việc; 2- Hai
nhau giữa đặc tính hạn chế của động cơ độngặc tính việc; 1’,t. Trên hình 3.12 là ví
và đ cơ làm chân vị 2’- Các đặc
dụ xác định vòng quay cho phép của động tínhkhi tách mộtứđộng cơvà 2 trạm hai
cơ ngoài tương ng khi 1 trong
động cơ làm việc
động cơ.
3.4.6. Tải trọng của các động cơ làm việc với chân vịt biến bước
Chân vịt biến bước (BP?) có các đặc tính chân vịt khác nhau cho mỗi tỷ số
bước. Dạng các đặc tính này được chỉ ra trên hình 3.13.
nguon tai.lieu . vn
