Untitled SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No K7 2015 Trang 110 Đặc trưng hình học và đặc tính thủy động lực chân vịt phương tiện thủy nội địa cỡ nhỏ Ngô Khánh Hiếu Bộ môn Kỹ thuật Hàng khôn[.]
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 Đặc trưng hình học đặc tính thủy động lực chân vịt phương tiện thủy nội địa cỡ nhỏ Ngô Khánh Hiếu Bộ môn Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Bách khoa Lê Tất Hiển Bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy, Trường Đại học Bách khoa (Bài nhận ngày 13 tháng năm 2015, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 10 năm 2015) TÓM TẮT Đánh giá đặc tính thủy động chân vịt cần phải dựa đặc trưng hình học chân vịt thơng số đốn trước Dựa mẫu chân vịt thủy nội địa sử dụng Tp Hồ Chí Minh, báo đưa phương pháp xây dựng mơ hình 3D chân vịt từ liệu tọa độ điểm khơng gian ba chiều nó, có thiết bị quét biên dạng không tiếp xúc Từ tiến hành khảo sát đặc trưng hình học chân vịt thơng qua mơ hình 3D qt, đồng thời đưa phân tích đặc tính thủy động chân vịt Các kết phân tích thu viết sử dụng làm giá trị tham khảo cho kết mô số đặc tính thủy động chân vịt, kết thực nghiệm mơ hình thu nhỏ chân vịt thực tế Từ khóa: Qt khơng tiếp xúc, đặc tính thủy động chân vịt, đặc trưng hình học chân vịt TỔNG QUAN Chân vịt dùng cho phương tiện thủy nội địa thường thiết kế, chế tạo dựa chuẩn thiết kế phổ biến chân vịt chuẩn Wageninen B, chuẩn Japanese AU, chuẩn Gawn, chuẩn KCA, chuẩn Newton-Rader… Dựa chuẩn thiết kế trên, đặc tính thủy động chân vịt nhà sản xuất thử nghiệm công bố nên việc lựa chọn chân vịt hệ thống đẩy hồn tồn tiến hành dễ dàng với độ tin cậy cao Tuy vậy, yêu cầu cao thơng số hình học chuẩn thiết kế phí sản xuất dịng chân vịt theo chuẩn cao phù hợp cho số dịng phương tiện thủy nội địa Thực tế Việt nam cho thấy phần lớn Trang 110 phương tiện thủy nội địa sử dụng dòng chân vịt chế tạo phương pháp đúc, gia cơng truyền thống để giảm chi phí Điều dẫn đến việc tính chọn đặc tính hoạt động chân vịt cho hệ thống đẩy chủ yếu dựa vào vào đồ thị tham khảo nghiên cứu Hình dịng chân vịt ba cánh đường kính 400 mm nước mà nhóm sử dụng để khảo sát Để đánh giá tốt đặc tính thủy động mẫu chân vịt thực tế Hình việc khảo sát hình học bước quan trọng đầu tiến cần tiến hành Tiếp theo, sở hình học khảo sát so sánh với chuẩn thiết kế chân vịt có để tìm tương quan đốn đặc tính theo chuẩn thiết kế gần nhất; xây dựng mơ TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 tính tốn số đặc tính theo điều kiện hoạt động khác vịt (Z), tỉ số bước hình học (P) đường kính chân vịt (D), tỉ số diện tích trải phẳng cánh (AE) diện tích tất cánh (AO, với AO = D2/4) Bước hình học chân vịt định nghĩa khoảng cách tiến điểm cánh xoay vòng quanh trục xoay chân vịt Bước hình học thường phân bố theo tỉ số vị trí bán kính xét (r) với bán kính chân vịt (R) Và bước hình học vị trí 0.7R thường chọn bước hình học đặc trưng chân vịt [5] Nếu cắt cánh chân vịt theo vị trí bán kính (r) trải phẳng thu biên dạng hình học phần tử cánh chân vịt (xem Hình 2) Hình Chân vịt phương tiện thủy nội địa cỡ nhỏ Bài viết tập trung vào hướng số hóa chân vịt dựa phương pháp đo khơng tiếp xúc, từ đánh giá đặc tính thủy động chân vịt Phương thức số hóa tác giả áp dụng cho chong chong khí máy bay không người lái [1], cho chong chóng khí thuyền lướt khí ba chỗ ngồi [2], từ đưa giá trị tham khảo cho lựa chọn hệ thống đẩy thơng số hình học phù hợp cho chân vịt tàu ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA CHÂN VỊT Chân vịt có nhiều chủng loại khác nhau: chân vịt bước cố định, chân vịt biến bước,… tất chân vịt có đặc trưng hình học chung để phục vụ cho nhu cầu tính tốn sử dụng [3] Mỗi chân vịt có hai mặt thủy động học Mặt hướng vào thân tàu gọi mặt hút, mặt hướng phía sau tàu gọi mặt đạp Thơng thường, chân vịt quay theo chiều kim đồng hồ nhìn vào mặt trước Giao tuyến mặt trước mặt sau gọi đường giao cánh chân vịt, biên trước mép dẫn, biên sau mép thoát [4][5] Các thơng số đặc trưng hình học chân vịt là: đường kính chân vịt (D), số cánh chân Hình Biên dạng cánh chân vịt tàu thủy nội địa vị trí 0.7R sau trải phẳng Theo đó, - góc mặt phẳng xoay chân vịt với đường thẳng nối điểm đầu (LE) điểm cuối (TE) phần tử cánh - c chiều dài dây cung phần tử cánh Tại vị trí bán kính xét (r), mối quan hệ bước hình học (Pr) góc thể biểu thức: Pr = 2r.tan() - a khoảng cách từ điểm LE đến đường khai triển chân vịt (xem Hình 3) - b khoảng cách từ điểm LE đến vị trí mà biên dạng phần tử cánh đạt bề dày cực đại (xem Hình 2) - t bề dày lớn biên dạng phần từ cánh chân vịt vị trí bán kính xét Trang 111 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 Như trình bày phần trên, chân vịt thiết kế chế tạo theo chuẩn tuân thủ quy định kích thước Bảng quy định kích thước cho chân vịt ba cánh theo chuẩn Wageningen B (trong Ar, Br hai số xác định từ quan hệ với tỉ số t/D) Trên thực tế, yêu cầu chi phí với nhu cầu lớn chân vịt phương tiện thủy nội địa cho thị trường nước nên việc sản xuất chân vịt nước phần lớn dựa khn mẫu sẵn có Phương pháp chế tạo chân vịt chủ yếu sở sản xuất chân vịt Việt Nam phương pháp đúc Đa số sản phẩm chân vịt bước cố định có từ ba đến bốn cánh, chế tạo từ đồng thau Chân vịt gang thép thường chiếm tỉ lệ thấp, thường sản xuất theo đơn đặt hàng Chất lượng chân vịt phụ thuộc vào tay nghề, công nghệ đúc dựa kinh nghiệm mẫu chân vịt phổ biến [6] Điều dẫn đến việc xác định đặc tính hoạt động chân vịt cịn nhiều hạn chế Và nhu cầu đánh giá đặc trưng hình học chân vịt dành cho phương tiện thủy nội địa sử dụng nước cần thiết Nó sở cho phép lựa chọn hệ thống đẩy tàu để tăng hiệu hoạt động chân vịt giảm chi phí vận hành Ở phần viết trình bày phương pháp khảo sát biên dạng không tiếp xúc với kết biên dạng khảo sát chân vịt tàu thủy nội địa; đánh giá tương quan hình học chân vịt khảo sát với chuẩn chân vịt có; sau giá trị đặc trưng hình học chân vịt khảo sát Trang 112 Hình Đường bao chân vịt tàu thủy nội địa sau trải phẳng mặt phẳng Oyz Bảng Thơng số kích thước chân vịt ba cánh theo chuẩn Wageningen B [5] TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SOÁ K7- 2015 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT BIÊN DẠNG CHÂN VỊT BẰNG MÁY QUÉT LASER trục Ox, đường khai triển chân vịt đường thẳng qua gốc tọa độ 3.1 Giới thiệu vài nét máy quét NextEngine 3D Scanner Sau có kết đám mây điểm trên, việc áp dụng thuật toán lọc điểm thuộc vị trí bán kính xét, tiến hành trải phẳng tìm biên dạng cánh chân vịt vị trí bán kính với thơng số hình học đặc trưng cho biên dạng trình bày mục Đây loại máy quét bắt đối tượng với đầy đủ màu sắc với độ xác cao Máy có tích hợp phần mềm ScanStudio HD, xuất liệu quét dạng STL, OBJ, VRML, XYZ số định dạng khác Máy xuất file liệu mơ hình 3D dạng phần mềm thiết kế thông dụng như: SolidWords, 3ds Max… Sử dụng công cụ ScanStudio CAD Tools nhanh chóng tạo file ảnh bề mặt sử dụng RapidWorks để xây dựng file solid Đồng thời in mơ hình máy in 3D như: Dimension, 3D Systems, zCorp, Objet…[7] 3.2 Quy trình quét sử dụng máy quét NextEngine 3D Scanner Máy quét NextEngine 3D Scanner điều khiển phần mềm ScanStudio HD phiên 1.3.2 Do đó, muốn sử dụng máy quét phải có máy tính kết nối với máy qt để điều khiển quy trình quét Trước quét cần điều chỉnh thông số phù hợp với vật thể quét Sau quét, ta thu liệu nhiều mặt quét Mỗi mặt quét thông số 3D vật thể nhìn góc nhìn khác Để có mẫu 3D hồn chỉnh, ta tiến hành bước: align, buff, fuse, trim Kết cuối file point-cloud chứa liệu tọa độ điểm vật thể không gian 3.3 Xử lí đám mây điểm quét Dữ liệu đám mây điểm có sau quét chưa có vị trí hệ trục khơng gian thuận tiện cho việc tính tốn Do cần phải xác định thành phần trục tọa độ gốc tọa độ trước xữ lí liệu Có thể ứng dụng Matlab với phép biến đổi hình học khơng gian [8] với ma trận điểm tập hợp đám mây điểm quét để chuyển đổi trục xoay chân vịt ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA CHÂN VỊT ĐƯỜNG THỦY NỘI ĐỊA ĐƯỜNG KÍNH 400 MM, BA CÁNH HIỆN CÓ Chân vịt mà tác giả chọn để khảo sát chân vịt ba cánh đồng, đường kính 400 mm (xem Hình 1) có mơn Tàu thủy, Trường Đại học Bách khoa Hình Hình thể kết hình học cánh chân vịt giao diện máy quét dạng tập hợp đám mây điểm quét sau xử lý lọc điểm vị trí bán kính từ 015R đến 0.98R Hình Mơ hình 3D cánh chân vịt khảo sát giao diện đồ họa máy quét Trên sơ tập hợp điểm quét vị trí bán kính, đặc tính hình học biên dạng cánh chân vịt xác định dễ dàng kết trình bày cho biên dạng vị trí 70% bán kính Hình Trang 113 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA CHÂN VỊT THỦY NỘI ĐỊA KHẢO SÁT Từ kết đặc trưng hình học mẫu chân vịt thủy nội địa khảo sát mục 4, tác giả nhận thấy tương đồng số tiêu chí với chân vịt thiết kế theo chuẩn Wageningen B3.60 Cụ thể, hình 8~10 thể so sánh hình học với chuẩn Wageningen B theo ba tiêu chí tỉ số (c/D).(Z/AE/AO); tỉ số a/c; tỉ số b/c (xem Bảng 1) Hình Tập hợp điểm vị trí bán kính chân vịt khảo sát Hình Hình thể phân bố tỉ số P/D tỉ số c/D theo vị trí bán kính (r/R) chân vịt khảo sát Hình So sánh đặc trưng hình học với chuẩn Wageningen B theo tỉ số (c/D).(Z/AE/AO) Hình Phân bố P/D theo r/R chân vịt khảo sát Hình Phân bố c/D theo r/R chân vịt khảo sát Hình So sánh đặc trưng hình học với chuẩn Wageningen B theo tỉ số a/c Từ kết đưa trên, chân vịt khảo sát có đặc trưng hình học sau: - Đường kính (D) 400 mm (15.75 in) - Số cánh (Z) - Tỉ số P/D đặc trưng 0.7R 0.9 - Bước hình học trung bình (Pmean) 335.5 mm (13.21 in) - Tỉ số AE/AO 0.3 Trang 114 Hình 10 So sánh đặc trưng hình học với chuẩn Wageningen B theo tỉ số b/c TAÏP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 Về mặt hình học chân vịt khảo sát gần giống mẫu Wageningen B3.60 tỉ số (c/D) (Z/AE/AO) tỉ số a/c tương đối Đối với tỉ số b/c có sai lệch lớn giá trị dạng phân bố giống Điều lý giải kỹ thuật chế tạo chân vịt khảo sát phương pháp đúc gia công truyền thống nên phân bố bề dày cánh chân vịt khơng hồn tồn kiểm sát xác theo thiết kế Điều dẫn đến khác biệt đặc tính hoạt động chân vịt so với đặc tính hoạt động chân vịt theo chuẩn Wageningen B với thơng số hình học (bảng 6.6, trang 106 tài liệu [5]) Và đó, việc xác định đặc trưng hình học chân vịt thủy nội địa khảo sát mặt giúp hoàn thiện vẽ thiết kế chân vịt hồ sơ thiết kế tàu, mặt khác dựa hình học 3D chân vịt khảo sát hồn tồn chế tạo chân vịt đồng dạng (đáp ứng tương đồng tỉ số P/D tỉ số AE/AO) với tỉ lệ thu nhỏ chân vịt để phát triển thực nghiệm đặc tính hoạt động, đồng thời phát triển mơ hình tính tốn số mơ hoạt động chân vịt khảo sát Các hướng phát triển trình bày viết KẾT LUẬN Bài báo đưa phương pháp khảo sát biên dạng vật thể dựa cách quét biên dạng không tiếp xúc áp dụng phương pháp vào chân vịt thủy nội địa nhằm tạo liệu 3D từ chân vịt thực tế phục vụ cho khảo sát đặc tính hình học chân vịt Từ đó, xử lí liệu đưa đốn đặc tính làm việc chân vịt, làm tham khảo cho việc lựa chọn chân vịt hệ thống đẩy tàu, cho khảo sát thực nghiệm chân vịt sau Áp dụng phương pháp đề xuất cho mẫu chân vịt thủy nội địa ba cánh có đường kính 400 mm minh họa điển hình Kết thu đặc trưng hình học chân vịt khảo sát từ việc áp dụng phương pháp so sánh với chuẩn thiết kế Wageningen B đồng dạng mặt hình học cho thấy tính khả thi việc triển khai phương pháp đề xuất cho mẫu chân vịt khác dùng phổ biến nước Với đặc trưng hình học có chân vịt khảo sát, việc thiết kế cải tiến hướng đến tối ưu đặc tính hoạt động chân vịt có hồn tồn thực Hơn nữa, dựa vào hình học có này, hồn tồn thiết kế chế tạo chân vịt thu nhỏ chân vịt thực tế đáp ứng tương đồng tỉ số P/D tỉ số AE/AO để hướng đến khảo sát thực nghiệm đặc tính hoạt động chân vịt với hầm nước, đồng thời phát triển mô hình tính tốn số đặc tính hoạt động chân vịt khảo sát Đây định hướng phát triển tới kết trình bày viết Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) khn khổ đề tài mã số B2015-20-01 Trang 115 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 Geometry features and performance characteristics of an inland marine propeller Ngo Khanh Hieu Le Tat Hien Faculty of Transportation Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, VNUHCM ABSTRACT Review performance characteristics of a marine propeller should be based on its geometric properties and the design standard of marine propeller Based on an inland ship propeller which is currently widely used in the Ho Chi Minh city, the article provides a method of building a 3D model of this propeller from its coordinate data points obtained by a laser scanning devices Then surveying the geometric characteristics of the marine propeller through 3D scanning, and making comparisons with the marine propeller manufacturing standards in the world in order to estimate the operating characteristics of this marine propeller The analysis results obtained in the article can be used as a reference value for the simulation results of the characteristics of this insland marine propeller, as well as the experimental results on a miniature model of this propeller Keywords: laser scanner, hydrodynamics of ship propeller, geometry of marine propeller TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Khánh Hiếu, Đặng Quốc Bảo, Phạm Minh Vương, Xây dựng hình học mơ hình lưới cho mơ dịng chuyển động qua chong chóng máy bay mơ hình, Tạp chí khoa học cơng nghệ giao thông vận tải, số 8-9, 2013 [2] Thiết kế, thi cơng thuyền lưới khí ba chỗ phục vụ tuần tra, khảo sát, Báo cáo đề tài NCKH cấp Trường đặt hàng (T-KTGT2013-76), 2015 [3] Nguyễn Đức Ân, Nguyễn Bân, Lý thuyết tàu thủy (tập 2), Hà Nội, NXB Giao thông vận tải, 2005 Trang 116 [4] The geometry of marine propellers, Báo cáo nghiên cứu Donald R Smith, John E Slater, Defense Research Establishment Atlantic, Canada, 1988 [5] J.S Carlon, Marine Propeller and Propulsion, Butterworth – Heinemann Ltd., 1994 [6] V.V Lốt, Phân tích quy trình chế tạo chân vịt nước nay, Đồ án thiết kế, Đại học Nha Trang, 2007 [7] Tài liệu máy Next –engine 3D Scanner [8] Anupam Saxena, Birendra Sahay, Computer aided engineering design, Anamaya Publishers, India, 2005 ... thông số hình học phù hợp cho chân vịt tàu ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA CHÂN VỊT Chân vịt có nhiều chủng loại khác nhau: chân vịt bước cố định, chân vịt biến bước,… tất chân vịt có đặc trưng hình học chung... bước hình học đặc trưng chân vịt [5] Nếu cắt cánh chân vịt theo vị trí bán kính (r) trải phẳng thu biên dạng hình học phần tử cánh chân vịt (xem Hình 2) Hình Chân vịt phương tiện thủy nội địa. .. cánh chân vịt, biên trước mép dẫn, biên sau mép thoát [4][5] Các thơng số đặc trưng hình học chân vịt là: đường kính chân vịt (D), số cánh chân Hình Biên dạng cánh chân vịt tàu thủy nội địa vị