Nghiên cứu sự thay đổi các thông số công tác của động cơ mitsubishi 6uec37la trên tàu apollo pacific khi thay đổi bước chân vịt

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 35 NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI CÁC THÔNG SỐ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ MITSUBISHI 6UEC37LA TRÊN TÀU APOLLO PACIFIC KHI THAY ĐỔI BƯỚC CHÂN VỊT RESEARCH CHANGING MATCH OF MITSUBISHI 6UEC37LA ENGINE AND CONTROLLABLE PITCH PROPELLER OF APOLLO PACIFIC PLG TANKER Lê Văn Vang1, Đặng Nguyên Đăng2 1Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh 2 Công ty CP Vận tải Nhật Việt Tóm tắt: Bài báo giới thiệu sự phối hợp làm việc của động cơ chính tàu Apollo Pacific lai chân vịt biến bước và nghiên cứu sự thay đổi các thông số làm việc của động cơ chính khi thay đổi bước chân vịt khi tàu hành trình. Qua đó, giúp người vận hành trên tàu có cơ sở khai thác hệ động lực của tàu an toàn và hiệu quả. Từ khóa: Máy chính, hệ động lực, chân vịt biến bước, điểm phối hợp làm việc. Abstract: This article introduces the operating match of main engine and controllable pitch propeller and reseaches changing the operating parameters of the engine when changing pitch of the propeller. Thereby, this helps marine engineer officers operate ship’s propulsion plant safely and efficiently. Keywords: Main engine, ship’s propulsion plant, controllable pitch propeller, operating matching point. 1. Giới thiệu Việc khai thác có hiệu quả hệ động lực tàu thủy là một trong các vấn đề quan trọng hàng đầu trong khai thác tàu biển. Đối với mỗi hệ động lực khác nhau cần phải có những giải pháp khác nhau thích ứng với từng chế độ làm việc của động cơ để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả cao trong mọi điều kiện khai thác. Hiện nay, do tính ưu việt mà chân vịt biến bước được sử dụng rộng rãi trên các đội tàu biển Việt Nam cũng như trên thế giới. Nhằm giúp người vận hành có cơ sở trong việc khai thác hệ động lực lai chân vịt biến bước với thiết bị điều khiển hệ động lực hiện đại nói chung và tàu Apollo Pacific nói riêng, nhóm tác giả đã nghiên cứu sự thay đổi các thông số công tác của động cơ Mitsubishi 6UEC37LA lắp trên tàu Apollo Pacific khi thay đổi bước chân vịt để phân tích, xây dựng đồ thị về sự thay đổi các thông số làm việc của động cơ diesel. Qua đó, giúp người khai thác vận hành có cơ sở khoa học để khai thác hệ động lực của tàu tránh động cơ làm việc quá tải, lựa chọn vùng làm việc tối ưu, có khả năng phát huy hết công suất của động cơ, sử dụng nhiên liệu có hiệu quả và giảm thiểu độc tố khí thải gây ô nhiễm môi trường. 2. Xác định thông số kỹ thuật của động cơ Mitsubishi 6UEC37LA Động cơ 6UEC37LA là động cơ thấp tốc, tác dụng đơn, hai kỳ quét thẳng và có pa tanh bàn trượt của hãng Mitsubishi, động cơ được tăng áp bằng tuabin khí xả có các thông số cơ bản như sau: - Hãng sản xuất: Mitsubishi; - Loại động cơ: 6UEC37LA; - Số xi lanh: 6; - Đường kính xi lanh: 370 mm; - Hành trình piston: 880 mm; - Vòng quay lớn nhất: 210 vòng/phút; - Công suất lớn nhất: 3.800 PS; - Tốc độ dịch chuyển của piston: 6,16 m/s; - Công suất: 3.300 PS tại 194 vòng/phút; - Áp suất cháy cực đại: 130 kG/cm2; - Áp suất có ích bình quân: 14,34 kG/cm2; - Giới hạn quá tải: 10%; - Suất tiêu hao nhiên liệu: 127 g/PS.h; - Suất tiêu hao nhiên liệu ở 85% công suất là: 125,5 g/PS.h; - Suất tiêu hao dầu bôi trơn xi lanh: 0,8 g/PS.h; - Suất tiêu hao dầu bôi trơn hệ thống: 0,05 – 0,1 g/PS.h; - Thứ tự nổ của động cơ: 1-6-2-4-3-5; 36 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 21, Nov 2016 - Chiều quay: cùng chiều kim đồng hồ (nhìn từ phía bánh đà); - Khả năng đảo chiều: không áp dụng; - Trọng lượng: 75.000 kg. 2.1. Xác định công suất có ích Công suất có ích của động cơ Diesel 𝑁𝑒 được xác định bằng cách đo trực tiếp hoặc tính theo công thức: 2 e e 0,785.P .D .S.n.i N 0,45.m  [mã lực] Trong đó: Pe: Áp suất có ích bình quân (kG cm 2⁄ ) và được xác định bằng cách đo đạc hoặc tính toán theo công thức sau: H e k n i m 0 Q P .ρ .η .η .η .i α.L  D: đường kính xilanh (mét); S: Hành trình piston (mét); n: Vòng quay của động cơ (vòng/phút); i: Số xilanh của động cơ; m: Hệ số kỳ của động cơ; QH: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu; α: Hệ số dư lượng không khí; ηn: Hệ số nạp; ηm: Hiệu suất cơ giới; ηi: Hiệu suất chỉ thị. 2.2. Xác định mô men có ích của động cơ Tại một vòng quay n của động cơ ta xác định được mô men của động cơ và được xác định qua công thức sau: Me = 1 π. Z . Vs. QH α. L0 . ρk. ηn. ηi. ηm. i 2.3. Xác định hiệu suất của động cơ Hiệu suất chỉ thị của động cơ được xác định: i i H 632,3 η g .Q  Trong đó gi là suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị của động cơ và được xác định qua công thức: n s i 0 s i η .P g 318,4. α.L .T .P  2.4. Sự phối hợp giữa động cơ Diesel với chân vịt biến bước Đối với hệ động lực tàu thủy trang bị máy chính lai chân vịt biến bước, người vận hành có thể thay đổi điểm phối hợp công tác của động cơ diesel và chân vịt biến bước trong cùng điều kiện khai thác bằng hai cách: - Thay đổi vòng quay của động cơ n (vòng/phút); - Thay đổi bước chân vịt (tỉ số H/D). Đồng thời có thể thay đổi hành trình của tàu từ tiến sang lùi mà không cần thay đổi chiều quay của chân vịt. Tàu có thể hành trình với tốc độ nhỏ hay dừng nhưng động cơ vẫn làm việc ở vòng quay ổn định. Điều này không thể thực hiện được ở chân vịt định bước. Bước tiến Bước lùi Tốc độ tiến Tốc độ lùi Hình 1. Khả năng điều động của chân vịt biến bước. Với động cơ diesel lai chân vịt định bước, tốc độ quay nhỏ nhất của động cơ khi tàu hành trình bị giới hạn bởi vòng quay ổn định nhỏ nhất. Do vậy động cơ diesel và chân vịt định bước làm việc không ổn định ở vòng quay thấp và được thể hiện ở sơ đồ bên dưới. Tốc độ lùi Vùng làm việc không ổn định của động cơ Tốc độ tiếnChiều quay lùi Chiều quay tiến Hình 2. Khả năng điều động tàu của chân vịt định bước. 3. Hệ thống chân vịt biến bước của tàu Apollo Pacific 3.1. Kết cấu chân vịt biến bước Hệ thống chân vịt biến bước của tàu Apollo Pacific do hãng Kamome thiết kế, chế tạo và có các thông số kỹ thuật như sau: - Loại chân vịt: CPC-90B/110F; - Đường kính chân vịt: 3.400 (mm); - Số cánh chân vịt: 4; TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 37 - Bước chân vịt lớn nhất ở chiều tiến: 4.484 (mm); - Bước chân vịt lớn nhất ở chiều lùi: 3.843 (mm); - Góc xoay lớn nhất theo chiều tiến: 30,90; - Góc xoay lớn nhất theo chiều lùi: 27,20; - Đường kính trục chân vịt: 310 (mm). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Hình 3. Sơ đồ chân vịt biến bước. 1. Nắp chụp 2. Củ chân vịt 3. Bu lông 4. Cánh chân vịt 5. Chốt 6. Cần đẩy 7. Trục chân vịt 8. Mặt bích 9. Xilanh 10. Piston lực 11. Cán chỉ thị 12. Bảng chỉ thị 13. Hộp phân phối dầu 14. Vành làm kín 15. Trục trung gian 16. Ống dầu 3.2. Hệ thống điều khiển chân vịt biến bước Hệ thống điều khiển bước chân vịt biến bước là bộ điều khiển loại CPC – 53/115F. Đây là hệ thống điều khiển điện- thủy lực. Hệ thống có hai bơm thủy lực được động cơ điện lai, trong đó có một bơm dự phòng để cung cấp dầu cho hệ thống có các thông số cơ bản như sau: - Lưu lượng dầu thủy lực: 90 lít/phút; - Áp suất lớn nhất: 175 kG/cm2; - Áp suất làm việc của hệ thống: 70 kG/cm2; - Công suất: 15 kW; - Tốc độ quay của động cơ điện lai bơm: 1170 vòng/phút; - Loại bơm thủy lực: Bơm bánh răng; M P2 Mức dầu M a x . 2 0 0 0 m m 90 phút/lít P1 M 150 K Đ ến p h ò n g đ iề u k h iể n Báo động 2.5K Két dầu thủy lực 300 lít 4.5K Nước làm mát Khớp nối mềm P4P3 90 phút/lít DR W2 W1 5.0K Chân vịt biến bước TiếnLùi PS2 PS1PS1 70K 35K T1 T2 Hình 4. Mô hình hệ thống điều khiển chân vịt biến bước. 4. Phân tích các thông số động cơ 6UEC37LA khi thay đổi bước chân vịt 4.1. Vùng làm việc của động cơ 6UEC37LA Tốc độ động cơ (%) 70 75 80 85 90 95 100 104 50 55 108 60 65 70 75 80 85 90 95 100 B A C C ô n g s u ất đ ộ n g c ơ ( % ) Hình 5. Vùng làm việc của động cơ 6UEC37LA - Vùng A: Vùng làm việc liên tục lâu dài của động cơ. - Vùng B: Chỉ cho phép động cơ làm việc trong vùng này không quá một giờ cho mỗi mười hai giờ làm việc liên tục. Công suất và vòng quay của động cơ được giám sát. - Vùng C: Động cơ chỉ làm việc trong các trường hợp thử tàu. 4.2. Các thông số của động cơ 6UEC37LA khi thay đổi bước chân vịt 38 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 21, Nov 2016 Từ những kết quả tính toán và thực nghiệm thực tế trên tàu Apollo Pacific hành trình đầy tải chuyến Dung Quất – Sài Gòn, thực nghiệm tại các vòng quay của động cơ khác nhau khi thay đổi bước chân vịt thu được kết quả như sau: Tốc độ máy chính 170 [v/p] 180 [v/p] 190 [v/p] 200 [v/p] 202 [v/p] Góc xoay cánh CV Tốc độ tàu [hải lý/giờ] θ = 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 θ = 12 7,0 7,8 8,3 8,7 8,8 θ = 14 8,7 9,2 9,7 10,2 10,3 θ = 16 9,0 10,5 11,0 10,7 12,2 θ = 17 10,5 11,1 11,8 12,4 12,5 θ = 18 11,1 11,8 12,5 12,2 12,7 0 160 170 180 190 200 210 220 θ= 18 o θ= 16 o θ= 14 o θ=1 2 o 1000 2000 3000 4000 Điều kiện làm việc: - Hành trình: DQ - SG - Tàu đầy tải: 5,0 mét 13.0 HL /h Vòng quay chân vịt (vòng/phút) C ô n g s u ất c ủ a đ ộ n g c ơ ( P S ) 8.0 HL /h 10.0 HL /h 12.0 HL /h θ= 17 o 12.5 HL /h Hình 6. Các thông số của động cơ khi thay đổi vòng quay ứng với bước chân vịt thay đổi từ 120 đến 18.0 5. Kết luận Sự thay đổi thông số làm việc thu được phù hợp với đặc tính mẫu của tàu khi thử đường dài (sea trial). Đồng thời các đồ thị đã xây dựng được có thể làm tài liệu sử dụng để xác định điểm phối hợp làm việc giữa động cơ và chân vịt cũng như vùng làm việc ổn định của động cơ chính khi thay đổi bước chân vịt ở các tốc độ khai thác tàu khác nhau. Trên cơ sở kết quả của bài báo, người vận hành khai thác có thể sử dụng làm cơ sở để đánh giá sự phối hợp làm việc của động cơ diesel lai chân vịt biến bước của tàu. Từ đó có thể điều chỉnh, lựa chọn chế độ làm việc của động cơ phù hợp với điều kiện khai thác để hệ động lực diesel tàu thủy làm việc với hiệu quả cao nhất Tài liệu tham khảo [1]. Lê Viết Lượng (2000), Lý thuyết động cơ Diesel, NXB Giáo dục, Hà Nội. [2]. PGS.TS. MTr Lương Công Nhớ (2014), Khai thác hệ động lực tàu thủy, Nhà xuất bản Hàng hải. [3]. Lê Văn Vang, Trần Hồng Thanh, Giải pháp khai thác hệ động lực tàu thủy khi hành trình ở tốc độ thấp; Tạp chí Khoa học công nghệ Giao thông vận tải. Trường đại học Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh-8/2015. [4]. John B. Woodward (1988) Low speed Marine Diesel, Robert E. Krieger Publishing Company [5]. Operation Manual of Kamome Controllable Pitch Propeller. [6]. Instruction Book for Mitsubishi 6UEC37LA. Ngày nhận bài: 25/9/2016 Ngày chuyển phản biện: 29/9/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 20/10/2016 Ngày chấp nhận đăng: 27/10/2016