Giáo trình Trang bị động lực (Phần 1)

Nội dung text: Giáo trình Trang bị động lực (Phần 1)

1. Trang bị động lực trang 1 Lời tựa Giáo trình “Trang bị động lực’’ được biên soạn theo đề cương giảng dạy cho sinh viên ngành Cơ khí động lực, khoa Cơ khí Giao thông, trường đại học Bách khoa, Đại học Đà nẵng nhằm mục đích giúp sinh viên có tài liệu tham khảo trong học tập cũng như trong tính toán các hệ thống động lực. Tài liệu biên soạn không thể tránh khỏi thiếu sót trên mọi phương diện, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các độc giả để tài liệu hoàn chỉnh hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin vui lòng gửi về họp thư tác giả: tranvluan@gmail.com. Xin chân thành cảm ơn. Trần Văn Luận
2. Trang bị động lực trang 2 PHẦN: TRANG BỊ HỆ ĐỘNG LỰC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu chung trang bị động lực: Trang bị động lực hay hệ động lực là tập hợp các thiết bị gồm: các động cơ chính, các cơ cấu và các thiết bị phụ để thực hiện biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu thành nhiệt năng, cơ năng hay điện năng nhằm bảo đảm tất cả các nhu cầu cần thiết trong hệ động lực. Thành phần của hệ động lực nói chung gồm có các động cơ chính, các động cơ phụ, cơ cấu truyền động, hệ trục và các hệ thống khác để phục vụ trực tiếp hay gián tiếp cho các thiết bị động lực trong hệ. Ngoài ra trong hệ động lực còn có các thiết bị để kiểm tra điều khiển trực tiếp hoặc từ xa chế độ làm việc từng thành phần trong hệ. Động cơ chính là động cơ phục vụ cho nhu cầu chính, như đối với hệ động lực tàu thủy để quay chân vịt; đối với hệ tĩnh tại – để quay máy phát điện, Ở các trang bị động lực cỡ nhỏ như trạm bơm, trạm cấp khí nén, trạm phát điện lưu động, tàu sông, tàu chạy ven biển, số lượng động cơ chính thường là một. Ở các trang bị động lực cỡ lớn như hệ động lực tĩnh tại, tàu viễn dương, phụ thuộc vào nhu cầu về điện hay sức kéo mà số lượng động cơ chính có thể lớn hơn hai. Trong hệ động lực, ngoài động cơ chính còn trang bị các động cơ nhỏ để quay máy phát điện, máy bơm, máy nén khí khởi động, các động cơ này gọi là các động cơ phụ. Cơ cấu truyền động là thiết bị trung gian giữa hai nguồn phát và thu năng lượng, làm nhiệm vụ thay đổi tầng số quay trên trục bị động. Cơ cấu này thường dùng kiểu truyền động cơ khí, truyền động bằng điện, bằng thủy lực hay truyền động cả cơ khí và thủy lực. Nghiên cứu trang bị động lực là đi khảo sát đặc điểm kết cấu, tính năng của từng thiết bị động lực để lựa chọn, bố trí, lắp đặt chúng thành hệ động lực phục vụ cho mục đích nào đó. Trên thực tế có nhiều dạng trang bị hệ động lực khác nhau, tùy theo công dụng và yêu cầu cụ thể. Trong phạm vi giáo trình này chỉ đi khảo sát một số hệ động lực thường dùng. 2. Hướng phát triển trang bị động lực: Trần Văn Luận
3. Trang bị động lực trang 3 Khái niệm sử dụng động cơ nhiệt để sinh công cơ học đã có từ lâu, nhưng việc ứng dụng vào thực tế chỉ mới bắt đầu vào khoảng cuối thế kỷ thứ XIX. Năm 1883 kỹ sư người Thụy Điển Lavan và năm 1884 kỹ sư người anh Parsôn đã thiết kế tuabin hơi nước đầu tiên, năm 1897 kỹ sư người Đức Diesel đã phát minh động cơ đốt trong tự cháy do nén nhiên liệu. Đầu thế kỷ XX động cơ tuabin hơi và động cơ Diesel được dùng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, nhất là trang bị trên tàu thủy, tàu hỏa, nhà máy phát điện, trạm bơm, Còn động cơ tuabin khí chỉ mới được phát triển và những năm 50 của thế kỷ trước. Sau đại chiến thế giới lần thứ hai, bắt đầu phát triển năng lượng nguyên tử. Cùng với việc xây dựng các trạm phát điện nguyên tử, trên đại dương có các tàu được trang bị động lực nguyên tử. Thiết bị này được dùng đặc biệt có ưu thế trên các tàu chiến của các hạm đội và phần lớn trang bị trên tàu cánh ngầm. Ngày nay, công suất của một cụm tuabin hơi đã đạt trên 100.000 mã lực, đối với cụm động Diesel đã đạt gần 100.000 mã lực. Việc sử dụng động cơ tuabin khí công suất lớn, cao tốc trên các tàu đệm khí cho phép đạt được tốc độ đến 100 km/h. Trong giai đoạn hiện nay, xu hướng phát triển thiết bị động lực chủ yếu tập trung giải quyết các vấn đề sau: Tăng công suất động cơ, Tăng hiệu suất, Dùng đa nhiên liệu phụ thuộc vào các chế độ làm việc khác nhau của động cơ. Giảm trọng lượng và kích thước thiết bị, Tăng độ tin cậy và tính độc lập trong sử dụng, Tự động điều khiển, điều chỉnh. 3. Các loại hệ thống động lực thường dùng: 3.1. Hệ động lực tuabin hơi: Thành phần chính của hệ động lực tuabin hơi gồm: I. Nồi hơi - ở đây năng lượng hóa học của nhiên liệu được biến hóa thành nhiệt năng của hơi nước; II. Tuabin - biến đổi nhiệt năng của hơi nước thành cơ năng; III.Bình ngưng - thực hiện Trần Văn Luận
4. Trang bị động lực trang 4 quá trình tỏa nhiệt ngưng tụ thành nước; IV. Bơm nước - duy trì sự tuần hoàn và cấp nước cho hệ thống. Hình 1.1. Sơ đồ hệ động lực tuabin hơi Ưu điểm: Tạo được tổ hợp công suất lớn, Làm việc với nhiên liệu rẻ tiền, Tính cân bằng tương đối tốt, Suất tiêu hao nhiên liệu thấp. Nhược điểm: Tính cơ động kém, Số vòng quay cao, nên khi lắp với máy công tác có yêu cầy tốc độ thấp thường phải truyền động qua hộp số, Hiệu suất thấp, Hệ thống cồng kềnh, giá thành chế tạo đắt. 3.2. Hệ động lực tuabin khí: Thành phần chính của hệ động lực tuabin khí: I. Động cơ điện; II. Máy nén; III. Buồng cháy; IV. Tuabin khí Trần Văn Luận
5. Trang bị động lực trang 5 Ưu nhược điểm: Khác với hệ động lực tuabin hơi, hệ động lực tuabin khí không có nồi hơi, bình ngưng và một số thành phần khác làm phức tạp hệ thống, tăng trọng lượng kích thước chung hệ thống. Hệ động lực tuabin khí, quá trình công tác xảy ra liên tục nên có thể thiết kế cụm động lực với số vòng quay cao, công suất lớn, kích thước và trọng lượng nhỏ. Hình 1.2. Sơ đồ hệ động lực tuabin khí Hệ động lực tuabin khí thường được trang bị trên tàu đệm khí, hệ động lực máy bay, hệ động lực tĩnh tại. Tuy nhiên, hệ thống động lực tuabin khí còn tồn tại nhược điểm lớn là hiệu suất thấp. 3.3. Hệ động lực nguyên tử: Trần Văn Luận
6. Trang bị động lực trang 6 Hình 1.3. Sơ đồ hệ động lực năng lượng nguyên tử. Ngày nay, năng lượng nguyên tử được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng hải, nhất là lĩnh vực quân sự. Có sự tập trung năng lượng cao trong nhiên liệu hạt nhân, đối với hệ động lực này không cần thừơng xuyên tiếp nhận nhiên liệu dự trữ trong thời gian hệ thống làm việc. Tuy nhiên, hệ động lực này có chi phí đầu tư ban đầu cao, cần dùng vật liệu đắt tiền và khan hiếm; yêu cầu khắt khe về chất lượng chế tạo, kiểm tra, lắp ráp thiết bị; đòi hỏi nhiều phương tiện bảo vệ hoàn hảo và phức tạp. Chương 1 HỆ ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ 1.1 Tổng quát về hệ động lực tàu thuỷ: 1.1.1 Khái niệm, công dụng, thành phần: 1.1.1.1 Khái niệm, công dụng: Hệ động lực là một tổ hợp các trang thiết bị (các động cơ, các máy móc, hệ trục, đường ống và hệ thống). Hệ động lực tàu dùng để chuyển và biến các dạng năng lượng khác thành cơ năng, điện năng, dùng cho việc đẩy tàu hoặc một số nhu cầu phụ khác. 1.1.1.2 Thành phần: Gồm hệ động lực chính và hệ động lực phụ: 1. Hệ động lực chính: công dụng chủ yếu là quay chân vịt đẩy tàu chuyển động. Trần Văn Luận
7. Trang bị động lực trang 7 a. Động cơ chính: cung cấp năng lượng để đẩy tàu. - Đặc điểm: + Thường là loại động cơ diesel, đối với tàu có công suất lớn thì động cơ chính là loại làm việc được với hai loại nhiên liệu (nhiên liệu nặng – F.O và nhiên liệu nhẹ - DO) + Thường là loại động cơ thấp tốc, Cm < 6,6m/s hoặc trung tốc có Cm ≅ (6,6 : 10)m/s. + Động cơ tự đảo chiều quay hoặc không, + Thường là loại động cơ hai kỳ, tăng áp, + Động cơ có tính cơ động cao. b. Hệ trục: (kết cấu hệ trục xét ở mục tiết tiếp theo) Chức năng chủ yếu là truyền cơ năng từ trục ra của máy chính đến chân vịt tàu, nhận lực đẩy từ chân vịt truyền lại thân tàu, đẩy tàu chuyển động. 2. Hệ động lực phụ: chủ yếu dùng để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu khác ngoài việc đẩy tàu gồm: các động cơ quay máy phát điện, các máy bơm, các máy nén khí, các hệ thống và cơ cấu hỗ trợ khác. 1.1.2. Yêu cầu đối với hệ động lực: Để đảm bảo độ an toàn, tin cậy của tàu khi làm việc trên sông, biển, hệ động lực cần tuân thủ các yêu cầu về kinh tế kỹ thuật và vận hành cơ bản sau: - Phải kinh tế, nghĩa là giá thành thiết kế mới và chi phí vận hành của phải tối ưu. - Hệ động lực chính phải đảm bảo tốc độ tàu cho trước, có chất lượng cơ động tốt ở tất cả các chế độ chuyển động của tàu, có tuổi thọ cao, - Cung cấp các dạng năng lượng khác nhau cho các hộ tiêu thụ với tính kinh tế cao, - Các quá trình điều khiển và điều chỉnh phải được tự động hoá, Trần Văn Luận
8. Trang bị động lực trang 8 - Phải tin cậy nghĩa là có xác suất làm việc không hỏng hóc tối ưu, đòi hỏi thời gian khắc phục những trục trặc ít nhất và có khả năng làm việc trong trường hợp sự cố, - Khi làm việc không gây tác động độc hại đến người vận hành, không gây ô nhiễm môi trường xung quanh, - Có kích thước và khối lượng nhỏ gọn, Tuy nhiên, trên đây là những yêu cầu cơ bản chung, trong thực tế tuỳ vào kiểu loại, công dụng có thể có những yêu cầu riêng hoặc không đáp ứng được những yêu cầu trên. 1.1.3. Các phương án trang bị hệ động lực trên tàu thuỷ diesel: Tuỳ theo kiểu loại và công dụng tàu, dạng truyền động mà khi thiết kế còn chọn các dạng trang bị động lực khác nhau: 1.1.3.1 Năng lượng dùng cho việc đẩy tàu và năng lượng cho các thiết bị phụ tách rời nhau: Hình 1.4. Năng lượng đẩy tàu và năng lượng phụ tách rời 1.Chân vịt; 2. Hệ trục; 3. Máy chính; 4. Máy phụ; 5. Máy phát Phương án này áp dụng trên các tàu cỡ lớn Có ưu điểm: sự làm việc độc lập cao, năng lượng chính và năng lượng phụ không phụ thuộc lẫn nhau, Hệ động lực chính thường có các kiểu bố trí sau: Trần Văn Luận
9. Trang bị động lực trang 9 Hình 1.5. a. Hệ động lực với 1 động cơ truyền động thẳng; b. Hệ động lực với 2 động cơ truyền thẳng; c. Hệ động lực với 3 động cơ truyền thẳng; đ. Hệ động lực với hệ trục nghiêng; 1.1.3.2. Trích công suất máy chính để dẫn động thiết bị phụ: Hình 1.6. Hệ động lực có trích năng lượng từ máy chính Ở phương án trang bị động lực này, hệ động lực chính thường truyền động qua hộp số. Trần Văn Luận
10. Trang bị động lực trang 10 Có ưu điểm là cho phép khai thác triệt để công suất máy chính nhưng cũng có một số trường hợp máy chính làm việc non tải như; đậu bến, ra vào cảng, Thường áp dụng trên các tàu có công suất vừa và nhỏ nhất là tàu đánh cá. Trong phương án trang bị này, thường có các kiểu bố trí sau: Hình 1.7. a. Hệ động lực có 1 máy chính; b. Hệ động lực có 2 máy chính; c. Hệ động lực có 3 động cơ chính; đ. Hệ động lực có 4 động cơ chính 1.1.3.3 Hệ thống năng lượng điện chung: Phương án trang bị này thường áp dụng cho hệ động lực có bộ truyền động bằng điện. Ưu điểm của phương án này là cho phép giảm được chiều dài hệ trục. Trần Văn Luận
11. Trang bị động lực trang 11 Hình 1.8. Kiểu hệ động lực năng lượng điện chung 1. Máy phụ; 2. Máy phát điện; 3. Trạm phân phối điện; 4. Động cơ điện; 5. Hệ trục; 6. Chân vịt Trong phương án trang bị này, hệ động lực thường có các kiểu bố trí sau: Hình 1.9. Hệ động lực truyền động bằng điện a. Truyền động đơn; b. Truyền động kép 1. Ổ chặn trục chân vịt;2. Hộp giảm tốc; 3. Động cơ điện; 4. Máy phát 1.2. Sự phối hợp làm việc giữa động cơ chính và chân vịt 1.2.1. Đặc tính của động cơ chính và chân vịt: Trong hệ động lực tàu, việc truyền mômen quay và công suất của máy chính cho chân vịt có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp qua bộ truyền trung gian đến hệ trục rồi ra chân vịt. Điều kiện làm việc đồng thời của động cơ, bộ truyền và chân vịt được xác định bởi đặc tính của các phần tử tổ hợp. Trần Văn Luận
12. Trang bị động lực trang 12 Để đi khảo sát sự làm việc của tổ hợp máy chính – chân vịt, chúng ta xuất phát từ đặc tính của máy chính và chân vịt. n Hình 1.10. Đặc tính máy chính - chân vịt Ghép hai đồ thị: đồ thị công suất máy chính và nhóm đồ thị công suất do chân vịt tàu yêu cầu, chúng ta sẽ có bức tranh toàn cảnh về mối quan hệ giữa máy chính –chân vịt. Trên đồ thị: đường I- đường đặc tính ngoài, hay là công suất được phép sử dụng của máy chính. đường II- đường giới hạn dưới số vòng quay (mỗi động cơ chỉ có thể làm việc ổn định ở một số vòng quay giới hạn cao hơn số vòng quay tối thiểu). đường III- là đường đặc tính giới hạn dưới của máy đường IV- là đường hãm làm nhiệm vụ điều khiển không cho động cơ quá tải về số vòng quay. Trong điều kiện tiêu chuẩn, tàu đạt vận tốc nhất định, các thông số thuỷ động lực học chân vịt ở giá trị tiêu chuẩn, lúc này điểm làm việc của tổ hợp máy chính - chân vịt là A. Trong trường hợp chân vịt làm việc trong điều kiện thuận lợi hơn định mức: tàu chạy xuôi dòng, chở nhẹ, Đường làm việc của chân vịt lúc này là đường 3, điểm làm việc của tổ hợp là C Đường 1 là đường làm việc của chân vịt theo chế độ nặng tải, điểm làm việc giới hạn của trường hợp này là B- nằm trên đường công suất định mức nhưng n nhỏ hơn định mức. 1.2.2. Làm việc đồng thời của tổ hợp máy chính - chân vịt Trần Văn Luận