(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc của tàu đánh cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN CHÍ CƠNG NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2021 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN CHÍ CƠNG NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số:9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Lương Ngọc Lợi PGS TS Ngô Văn Hệ Hà Nội - 2021 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận án tiến sỹ “Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc tàu đánh cá” tơi tự thực hướng dẫn PGS.TS Lương Ngọc Lợi PGS TS Ngô Văn Hệ Các kết tính tốn, số liệu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2021 Tập thể giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh CBHD1: PGS TS Lương Ngọc Lợi CBHD2: PGS TS Ngô Văn Hệ Nguyễn Chí Cơng i luan an LỜI CÁM ƠN Luận án tiến sỹ tơi – Nguyễn Chí Cơng, chuyên ngành Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực ‘Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc tàu đánh cá’ hoàn thành thời gian quy định bốn năm đạt kết đề Nội dung thực luận án giúp nâng cao khả tự nghiên cứu trình ứng dụng phát triển khoa học kỹ thuật Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lương Ngọc Lợi PGS.TS Ngô Văn Hệ, người hướng dẫn trực tiếp cho tơi hồn thành nội dung luận án Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích Thầy định hướng giúp tiếp cận tốt với lĩnh vực tàu thuỷ quan trọng Tôi xin cảm ơn Thầy, Cơ Viện Cơ Khí Động Lực, mơn thuộc Viện Cơ Khí Động Lực, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, Thầy, Cô Viện Cơ Khí Trường đại học Hàng Hải Việt Nam tạo điều kiện thời gian đóng góp ý kiến cho tơi hồn thành tốt luận án Tơi xin cảm ơn bố mẹ, người vợ thân yêu luôn động viên giúp đỡ tơi hồn thành luận án Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2021 Nghiên cứu sinh Nguyễn Chí Công ii luan an MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG ix DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU xiii Tính cấp thiết luận án xiii Mục tiêu luận án xiv Đối tượng phạm vi nghiên cứu .xiv Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án xiv Những đóng góp luận án xv Phương pháp nghiên cứu luận án xv Bố cục luận án xvi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC VÀ CHÂN VỊT TÀU CÁ 1.1 Tổng quan hệ thống động lực chân vịt tàu cá 1.1.1 Giới thiệu chung đội tàu cá đánh bắt xa bờ Việt Nam 1.1.2 Đặc điểm hệ thống động lực 1.1.3 Đặc điểm hoạt động .4 1.2 Đặc điểm hệ thống đẩy tàu cá 1.3 Tình hình nghiên cứu số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt nước .7 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3.3 Một số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt .10 1.4 Đề xuất giải pháp chân vịt hai bước 17 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .20 2.1 Cơ sở lý thuyết dòng chảy bao quanh profile cánh 20 2.2 Mối quan hệ tỷ số bước hiệu suất chân vịt 21 2.3 Quan hệ máy chính, vỏ tàu, chân vịt 23 2.4 Nghiên cứu phương pháp tính, kiểm tra độ xác phương pháp mơ số chân vịt tàu thủy .25 iii luan an 2.4.1 Các phương trình tính tốn mơ dịng chảy khơng nén 25 2.4.2 Phương trình Navier-Stokes viết dạng trung bình Renolds cho dòng chảy pha 26 2.4.3 Mơ hình rối RNG k - ε 27 2.4.4 Kiểm chứng phương pháp tính tốn mơ .28 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SỐ 35 3.1 Lựa chọn phương pháp tính tốn thiết kế cánh chân vịt 35 3.1.1 Phương pháp tính toán thiết kế dựa lý thuyết xoáy 35 3.1.2 Phương pháp tính tốn thiết kế theo seri mẫu .35 3.2 Tính tốn thiết kế chân vịt .35 3.2.1 Các thông số tàu khảo sát .36 3.2.2 Tính tốn thiết kế cánh chân vịt 36 3.2.3 Tính tốn thiết kế bầu 38 3.2.4 Xác định tỷ số bước H/D cho chế độ hoạt động thứ hai 39 3.3 Tính tốn mơ số 40 3.3.1 Các trường hợp tính tốn mơ .40 3.3.2 Xây dựng mơ hình miền khơng gian tính tốn 41 3.3.3 Chia lưới, điều kiện biên 42 3.4 Kết phân tích kết 45 3.4.1 Kết tính tốn mơ 45 3.4.2 Ảnh hưởng tỷ số bước 48 3.4.3 Tỷ số bước phù hợp chế độ chạy tự chân vịt hai bước 52 3.4.4 Đặc tính thuỷ động lực học chân vịt .53 3.4.5 Lực tác động lên cánh chân vịt .57 3.4.6 Tương tác chân vịt hai bước - bánh lái 60 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHÂN VỊT HAI BƯỚC .69 4.1 Giới thiệu chung thực nghiệm chân vịt .69 4.1.1 Thực nghiệm mặt thoáng 69 4.1.2 Thực nghiệm thiết bị đẩy 70 4.1.3 Thực nghiệm xâm thực 73 iv luan an 4.2 Phương án thực nghiệm chân vịt hai bước .75 4.2.1 Phương án giới hạn nghiên cứu thực nghiệm 75 4.2.2 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm 77 4.3 Chế tạo hệ thống chân vịt 78 4.4 Các bước thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 81 4.4.1 Các bước nghiên cứu thực nghiệm 81 4.4.2 Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 81 4.5 Kết phân tích kết nghiên cứu thực nghiệm .83 4.5.1 Kết đo thực nghiệm .83 4.5.2 Phân tích xử lý kết đo .84 4.5.3 Tính tốn so sánh thơng số đặc tính 84 4.5.4 So sánh kết thực nghiệm với tính tốn mơ số 88 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 91 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .92 TÀI LIỆU THAMKHẢO 94 v luan an DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu viết tắt chữ La tinh Stt Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa A N Lực thuỷ động tác dụng lên profile cánh theo phương dây cung profile Ae bmax mm Chiều rộng lớn cánh chân vịt c mm Chiều dài dây cung profile cánh cl Hệ số lực nâng profile cD Hệ số lực cản profile CV Đơn vị cơng suất tính sức ngựa D m, N Dotp m 10 db 11 Db m 12 Ddx mm 13 DNS 14 eR mm Chiều dày đỉnh cánh chân vịt 15 e0 mm Chiều dày giả định đường tâm trục chân vịt 16 Ge 17 g m/s2 18 H m 19 H/D 20 i Tỷ số truyền từ trục động đến trục chân vịt 21 J Hệ số tiến Tỷ số mặt đĩa chân vịt Đường kính ngồi chân vịt, lực cản tác động lên profile cánh Đường kính chân vịt tối ưu Tỷ số bầu chân vịt Đường kính bầu chân vịt Đường kính đĩa xoay cánh chân vịt Phương pháp tính tốn, mơ số trực tiếp Suất tiêu hao nhiên liệu động Gia tốc trọng trường Bước chân vịt Tỷ số bước chân vịt vi luan an 22 KT Hệ số lực đẩy chân vịt 23 KQ Hệ số mô men chân vịt 24 k 25 L N 26 Lh mm 27 L N 28 n v/ph Số vòng quay chân vịt, số vòng quay trục động 29 N N Lực thuỷ động tác dụng lên profile cánh theo phương vng góc với dây cung profile 30 PE W Cơng suất cần thiết để đẩy tàu 31 Pp W Công suất đẩy chân vịt tạo 32 Pdc W Công suất trục động 33 PQ W Công suất cần thiết để quay chân vịt 34 Pdcp W Công suất động truyền tới trục chân vịt 35 p Pa Áp suất tĩnh chất lỏng 36 p’ 37 Q N.m 38 R m 39 RANS 40 Re Số Reynolds 41 Rij Ten sơ ứng suất áp suất 42 rm 43 r 44 Sm Tổn thất động lượng 45 Sij Ten sơ ứng suất trung bình 46 T Là lượng rối động Lực nâng profile cánh Chiều dài bầu chân vịt Lực nâng tác dụng lên profile cánh Dao động vecto áp suất Mơ men xoắn trục chân vịt Bán kính chân vịt Phương trình Navier–Stokes viết dạng số Reynolds trung bình mm Bán kính cong mũ bầu Hệ số bán kính khơng thứ ngun N Lực đẩy chân vịt vii luan an 47 Tijk p  Ten sơ vận chuyển áp suất 48 Tkiju  Ten sơ rối đối lưu 49 Tkij  Ten sơ nhớt khuếch tán 50 t Hệ số dòng hút 51 u’ Dao động vecto vận tốc 52 V Knot Vận tốc tiến tàu 53 VA m/s Vận tốc tiến chân vịt 54 w Hệ số dòng theo 55 Z Số cánh chân vịt Các ký hiệu viết tắt chữ Hy Lạp Stt Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa  kg/m3 Khối lượng riêng chất lỏng  N/m3 Trọng lượng riêng chất lỏng  độ   Pa.s Hệ số nhớt động lực học chất lỏng  m2/s Hệ số nhớt động học chất lỏng  ij Ten sơ biến thiên vận tốc, áp suất  ij Ten sơ tiêu tán Góc đặt cánh Hiệu suất chân vịt, hiệu suất hệ thống viii luan an 3.5 Kết thực nghiệm chân vịt hai bước Bảng 0.28 Các thông số trục chân vịt hai bước chế độ kéo lưới H/D = 0,5 Stt n (rpm) Q (kN.m) T(kN) PQ (kW) V (Knot) 630 1,063 11 70,13 5,15 628 1,083 11 71,22 5,07 628 1,061 10,8 69,78 5,15 629 1,088 11 71,78 5,05 628 1,086 11,1 71,42 5,14 629 1,063 10,7 70,13 5,06 630 1,058 11 69,80 5,13 628 1,059 11 69,64 5,07 628 1,061 10,8 69,78 5,06 10 630 1,086 10,8 71,65 5,12 11 628 1,063 11 69,91 5,07 12 630 1,088 11,1 71,78 5,12 13 629 1,087 10,7 71,71 5,05 14 628 1,063 11 69,91 5,14 15 630 1,058 11 69,80 5,08 16 628 1,063 10,8 69,91 5,13 17 630 1,058 10,8 69,80 5,07 18 630 1,063 11 70,13 5,15 19 628 1,063 11,1 69,91 5,05 20 628 1,058 10,7 69,58 5,14 Bảng 0.29.Các thông số trục chân vịt hai bước chế độ chạy tự H/D = 0,6 Stt n (rpm) Q (kN.m) T(kN) PQ (kW) V (Knot) 630 1,306 8,4 86,16 11,27 630 1,326 8,4 87,48 11,19 628 1,304 8,2 85,76 11,27 629 1,331 8,4 87,81 11,17 628 1,329 8,5 87,40 11,26 630 1,306 8,1 86,16 11,18 629 1,301 8,4 85,83 11,25 628 1,302 8,4 85,62 11,19 628 1,304 8,2 85,76 11,18 10 630 1,329 8,2 87,68 11,24 11 628 1,306 8,4 85,89 11,19 12 630 1,331 8,5 87,81 11,24 13 628 1,33 8,1 87,47 11,17 14 630 1,306 8,4 86,16 11,26 15 628 1,301 8,4 85,83 11,2 16 630 1,306 8,2 86,16 11,25 44 luan an 17 18 19 20 629 630 629 630 1,301 1,306 1,306 1,301 8,2 8,4 8,5 8,1 85,83 86,16 86,16 85,83 11,19 11,27 11,17 11,26 Bảng 0.30 Lượng tiêu hao nhiên liệu theo thời gian chân vịt hai bước chế độ chạy tự Stt Thời gian Lượng nhiên liệu tiêu hao (lít) 00:15:00 498,74 00:20:00 498,125 00:25:00 497,48 00:30:00 496,875 00:35:00 496,24 00:40:00 495,635 00:45:00 494,99 00:50:00 494,375 00:55:00 493,72 10 00:60:00 493,115 11 01:05:00 492,47 12 01:10:00 491,855 13 01:15:00 491,2 14 01:20:00 490,615 15 01:25:00 489,98 16 01:30:00 489,375 17 01:35:00 488,72 18 01:40:00 488,125 19 01:45:00 487,48 20 01:50:00 486,865 Bảng 0.31 Lượng tiêu hao nhiên liệu theo thời gian chân vịt hai bước chế độ kéo lưới Stt Thời gian Lượng nhiên liệu tiêu hao (lít) 00:15:00 498,07 00:20:00 497,14 00:25:00 496,14 00:30:00 495,21 00:35:00 494,24 00:40:00 493,30 00:45:00 492,32 00:50:00 491,37 00:55:00 490,38 10 00:60:00 489,45 11 01:05:00 488,47 45 luan an 12 13 14 15 16 17 18 19 20 01:10:00 01:15:00 01:20:00 01:25:00 01:30:00 01:35:00 01:40:00 01:45:00 01:50:00 487,52 486,53 485,61 484,64 483,71 482,72 481,79 480,81 479,86 3.6 Các hệ số đặc trưng hai hệ thống chân vịt 3.6.1 Các hệ số đặc trưng chân vịt có bước cố định Bảng 0.32 Hệ số mô men chân vịt có bước cố định chế độ kéo lưới Stt Q (kN.m) V (Knot) Hệ số tiến J Hệ số mô men KQ Hệ số lực đẩy KT 1,118 5,15 0,252 0,0101 0,1037 1,138 5,05 0,248 0,0104 0,1037 1,116 5,14 0,252 0,0101 0,1019 1,143 5,06 0,249 0,0104 0,1037 1,141 5,13 0,252 0,0104 0,1046 1,118 5,07 0,248 0,0101 0,1010 1,113 5,15 0,252 0,0101 0,1037 1,114 5,05 0,247 0,0101 0,1037 1,116 5,14 0,253 0,0102 0,1019 10 1,141 5,06 0,248 0,0103 0,1019 11 1,118 5,13 0,252 0,0102 0,1037 12 1,143 5,07 0,249 0,0104 0,1046 13 1,142 5,06 0,248 0,0104 0,1010 14 1,118 5,12 0,251 0,0101 0,1037 15 1,113 5,07 0,248 0,0101 0,1037 16 1,118 5,12 0,252 0,0102 0,1019 17 1,113 5,05 0,247 0,0101 0,1019 18 1,118 5,14 0,253 0,0102 0,1037 19 1,118 5,08 0,249 0,0101 0,1046 20 1,113 5,13 0,251 0,0101 0,1010 Bảng 0.33 Hệ số mơ men chân vịt có bước cố định chế độ chạy tự Stt Q (kN.m) V (Knot) Hệ số tiến J Hệ số mô men KQ Hệ số lực đẩy KT 0,92 7,18 0,3518 0,00834 0,0746 0,94 7,08 0,3480 0,00858 0,0746 0,918 7,17 0,3513 0,00833 0,0728 0,945 7,09 0,3484 0,00863 0,0746 0,943 7,16 0,3519 0,00861 0,0755 0,92 7,1 0,3478 0,00834 0,0719 0,915 7,18 0,3518 0,00830 0,0746 46 luan an 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0,916 0,918 0,943 0,92 0,945 0,944 0,92 0,915 0,92 0,915 0,92 0,92 0,915 7,08 7,17 7,09 7,16 7,1 7,09 7,15 7,1 7,15 7,08 7,17 7,11 7,16 0,3469 0,3524 0,3473 0,3519 0,3489 0,3473 0,3503 0,3478 0,3514 0,3469 0,3524 0,3483 0,3508 0,00831 0,00838 0,00855 0,00840 0,00863 0,00856 0,00834 0,00830 0,00840 0,00830 0,00840 0,00834 0,00830 0,0746 0,0728 0,0728 0,0746 0,0755 0,0719 0,0746 0,0746 0,0728 0,0728 0,0746 0,0755 0,0719 3.6.2 Các hệ số đặc trưng chân vịt hai bước Bảng 0.34 Hệ số mô men chân vịt hai bước chế độ kéo lưới với H/D = 0,5 Stt Q (kN.m) V (Knot) Hệ số tiến J Hệ số mô men KQ Hệ số lực đẩy KT 1,063 5,15 0,252 0,0096 0,1001 1,083 5,07 0,249 0,0099 0,1001 1,061 5,15 0,253 0,0097 0,0983 1,088 5,05 0,247 0,0099 0,1001 1,086 5,14 0,253 0,0099 0,1010 1,063 5,06 0,248 0,0096 0,0974 1,058 5,13 0,251 0,0096 0,1001 1,059 5,07 0,249 0,0097 0,1001 1,061 5,06 0,249 0,0097 0,0983 10 1,086 5,12 0,251 0,0099 0,0983 11 1,063 5,07 0,249 0,0097 0,1001 12 1,088 5,12 0,251 0,0099 0,1010 13 1,087 5,05 0,247 0,0099 0,0974 14 1,063 5,14 0,253 0,0097 0,1001 15 1,058 5,08 0,249 0,0096 0,1001 16 1,063 5,13 0,252 0,0097 0,0983 17 1,058 5,07 0,248 0,0096 0,0983 18 1,063 5,15 0,252 0,0096 0,1001 19 1,063 5,05 0,248 0,0097 0,1010 20 1,058 5,14 0,253 0,0097 0,0974 Bảng 0.35 Hệ số mô men hệ thống chân vịt hai bước chế độ chạy tự Stt Q (kN.m) V (Knot) Hệ số tiến J Hệ số mô men KQ Hệ số lực đẩy KT 1,306 11,27 0,552 0,0118 0,0837 1,326 11,19 0,550 0,0121 0,0837 1,304 11,27 0,554 0,0119 0,0819 47 luan an 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1,331 1,329 1,306 1,301 1,302 1,304 1,329 1,306 1,331 1,33 1,306 1,301 1,306 1,301 1,306 1,306 1,301 11,17 11,26 11,18 11,25 11,19 11,18 11,24 11,19 11,24 11,17 11,26 11,2 11,25 11,19 11,27 11,17 11,26 0,547 0,553 0,548 0,551 0,550 0,549 0,551 0,550 0,551 0,547 0,553 0,549 0,553 0,548 0,552 0,549 0,553 0,0121 0,0121 0,0118 0,0118 0,0119 0,0119 0,0121 0,0119 0,0121 0,0121 0,0119 0,0118 0,0119 0,0118 0,0118 0,0119 0,0119 0,0837 0,0846 0,0810 0,0837 0,0837 0,0819 0,0819 0,0837 0,0846 0,0810 0,0837 0,0837 0,0819 0,0819 0,0837 0,0846 0,0810 48 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN CHÍ CÔNG NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC PHỤ LỤC 4: CÁC GIẤY TỜ KIỂM ĐỊNH 4.1 Giấy kiểm định vật liệu chế tạo chân vịt 4.2 Hồ sơ tàu cá nghiên cứu thực nghiệm Hà Nội – 2021 49 luan an 4.1 Giấy kiểm định vật liệu chế tạo chân vịt 50 luan an 51 luan an 52 luan an 4.2 Hồ sơ tàu cá nghiên cứu thực nghiệm 53 luan an 54 luan an 55 luan an 56 luan an 57 luan an 58 luan an ... Động Lực ? ?Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc tàu đánh cá? ?? hoàn thành thời gian quy định bốn năm đạt kết đề Nội dung thực luận án giúp nâng cao khả tự nghiên cứu trình... dung luận án tiến sỹ ? ?Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc tàu đánh cá? ?? tơi tự thực hướng dẫn PGS.TS Lương Ngọc Lợi PGS TS Ngô Văn Hệ Các kết tính tốn, số liệu luận án trung... thời Các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất chân vịt chủ yếu tập trung vào hướng sau 1.3.3.1 Nâng cao hiệu suất chân vịt hệ thống cánh cứng bầu Chân vịt loại cải thiện khoảng 4-5% hiệu suất so