thiết kế chong chóng tàu bách hoá trọng tải 5000t

THIẾT KẾ MÔN HỌC LÝ THUYẾT TÀUPHẦN 1: TÍNH TOÁN SỨC CẢN VÀ CÔNG SUẤT KÉO CỦA TÀU 1.. Lựa chọn phương pháp tính Trong hàng loạt các vấn đề dặt ra cho người đóng tàu thuỷ khi thiết kế một

Trang 1

THIẾT KẾ MÔN HỌC LÝ THUYẾT TÀU

Sinh viên: Chu Văn Khoa Trang: 1

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI

KHOA ĐÓNG TÀU

THIẾT KẾ MÔN HỌC

LÝ THUYẾT TÀU

THIẾT KẾ CHONG CHÓNG TÀU BÁCH HOÁ TRỌNG TẢI 5000T

Họ tên: Chu Văn Khoa Lớp: MTT51 – ĐH1 MSV: 39254 GVHD: Hoàng Trung Thực

HẢI PHÒNG - 2014

Trang 2

2.5.3. Kiểm tra tỷ số đĩa theo điều kiện không xảy ra xâm

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI

GIỚI THIỆU CHUNG

Loai tàu: Tàu chở dầu

Vùng hoạt động: Tuyến ĐNA

Chiều dài: L = 97 (m)

Chiều rộng: B = 17 (m)

Chiều chìm: d = 7 (m)

Hệ số béo thể tích: CB = 0,69

Hệ số béo sườn giữa: CM = 0,97

Hệ số béo đường nước: CWP = 0,805

Trọng tải: DWP = 5000T

Công suất máy : Ps

Trang 4

PHẦN 1: TÍNH TOÁN SỨC CẢN VÀ CÔNG SUẤT KÉO CỦA TÀU

1 Tính sức cản của tàu

1.1 Lựa chọn phương pháp tính

Trong hàng loạt các vấn đề dặt ra cho người đóng tàu thuỷ khi thiết kế một con tàu mới cần đảm bảo hình dạng vỏ tàu và trang trí đông lực sẽ hiệu quả nhất về mặt động lực học trong phạm vi yêu cầu thiết kế Lần thử tàu cuối cùng sẽ tiến hành ở tộc độ yêu cầu, với công suất nhỏ nhất phải đạt được sự phù hợp tốt nhất giữa sức cản và hiệu suất đẩy cao

Một nhân tố khác ảnh hưởng đến thiết kế thuộc phương diện động lực học của con tàu là cần đảm bảo không chỉ đặc tính vùng nước yên tĩnh tốt mà còn cả điều kiện hoạt động bình thường trên biển, con tàu phải chuyển động bình thường, các mặt boong bị ướt và tổn thất tốc độ ít trong điều kiện thời tiết xấu Đặc tính nước yên tĩnh là điều kiện quan trọng nhất Nứơc tĩnh là vùng nước mà không có sang, không có gió, không có dòng chảy

Sức cản của một con tàu ở tốc độ cho trước chính là lực cần thiết để kéo con tàu với tốc độ đó trong vùng nước yên tĩnh Giả sử không có giao thoa từ tàu kéo, nếu vỏ tàu không có các phần phụ, sức kéo này được gọi là sức cản vỏ tàu trần Công suất cần được để thắng sức cản này gọi là công suất có ích hay công suất kéo(EPS): EPS= R.v (W)

Sức cản tổng được tạo thành bởi một số các thành phần khác nhau do các nguyên nhân khác nhau và tác động lẫn nhau theo quy luật rất phức tạp Để giải quyết vấn đề này đơn giản hơn, thông thường người ta coi sức cản tổng được tạo thành bởi 4 thành phần chính:

- Sức cản ma sát do chuyển động của vỏ tàu qua chất lỏng nhớt

- Sức cản tạo sóng, do năng lượng được tàu cung cấp liên tục cho hệ sóng được tạo ra trên mặt nước

- Sức cản xoáy, do năng lượng mà các xoáy từ vỏ tàu hay các phần phụ mang đi Hiện tượng xoáy cục bộ sẽ xảy ra sau các phần phụ như củ chân vịt, trục, các thanh đỡ trục, từ các khung đuôi

và các bánh lái nếu các phần này không được tạo dáng động học phù hợp và không thẳng hàng với dòng chảy Cũng tương tự như vậy, nếu đuôi sau của tàu dài quá, nước có thể không theo kịp mặt cong và sẽ tách ra khỏi vỏ tàu, sẽ làm tăng các xoáy và sức cản phân tách

- Sức cản không khí sinh ra ở phần thân tàu trên mặt nước và kiến trúc thượng tầng do chuyển động của tàu trong không khí

Sức cản tạo sóng và sức cản xoáy thường lấy tên chung là sức cản dư Ngoài ra còn 1 số sức cản: sức cản hình dáng, sức cản phần nhô…

Lớp: MTT51 – ĐH1

Trang 5

THIẾT KẾ MÔN HỌC LÝ THUYẾT TÀU Sức cản tàu có thể tính theo nhiều phương pháp khác nhau,độ chính xác cũng khác nhau và khả năng thực tế thực hiện của từng phương pháp cũng khác nhau.Có thể xác định sức cản của tàu theo những phương pháp khác sau:

1 Xác định sức cản bằng phương pháp phân tích

2 Xác định sức cản trên cơ sở khảo sát mô hình

3 Xác định sức cản nhờ các công thức gần đúng

4 Xác định sức cản trên cơ sở phân tích các kết quả thử trên đoạn đường đo đạc

Có rất nhiều phương pháp tính gần đúng sức cản tàu thủy dựa vào kết quả khảo sát mô hình và kết quả đo ở các tàu thực

Các phương pháp được biết nhiều nhất :

- Papmiel,Ayre, Lapa-Keller, Kabaczynski,Holtrop-Mennen cho tàu

vận tải 1 hoặc 2 chong chóng

- Doust và Oertsmersen – tàu đánh cá

- Kafali và Henschke – tàu vận tải cỡ nhỏ…

- Serri 60 – tàu hàng, tàu dầu, tàu chế biến hải sản…

⇒ Phương pháp lựa chọn để tính toán: phương pháp Serri 60

- Giới hạn áp dụng của phương pháp Serri 60 để tính sức cản của tàu:

CB = 0,6 ÷ 0,8

B/d = 2 ÷ 5

L/B = 6 ÷ 8,5

L/3 ∇= 5 ÷ 7,5 ( ∇là thể tích chiếm nước của tàu)

- Kiểm tra điều kiện áp dụng:

L/B = 97,0/17,0 = 5,705 (1-1)

B/d = 17/7 = 2,42 (1-2)

C B = 0,69 (1-3)

⇒ Tàu thoả mãn các điều kiện áp dụng của phương pháp Serri 60

Vậy ta có thể áp dụng phương pháp Serri 60 để tính sức cản cho tàu

kB/d và aB/d là hệ số tính đến ảnh hưởng của tỷ số B/d - Tra trên đồ thị 6.8 và 6.10 theo B/d = 2,42

kl là hệ số ảnh hưởng của chiều dài tương đối l = L/3 ∇

Trang 6

∇ là thể tích chiếm nước của tàu: ∇ = CB × L × B × d = 0,69 × 97 × 17 × 7 = 7964,67 (m3)

PE = R × v (PE là công suất kéo của tàu)

Kết quả tính toán được ghi ở bảng sau

Sinh viên: Chu Văn Khoa Trang: 6Lớp: MTT51 – ĐH1

Trang 8

BẢNG TÍNH LỰC CẢN VÀ CÔNG SUẤT KÉO TÀU THEO SERRY 60

Trang 9

-10 11 12 13 14 15 16

50100150200250300350400

R=f(v)

PE=f(v)

Như vậy, từ bảng tính sức cản và công suất kéo cùng với đồ thị ta nội suy được:

Lực cản: R = 175 (kN)

Trang 10

Công suất kéo: PE = 1130 (kW)

PHẦN 2: TÍNH TOÁN CHONG CHÓNG 2.1 Chọn vật liệu chế tạo chong chóng

+Vật liệu thường dùng làm chong chóng là: đồng thau ( KHBsC-1) đối với chong chóng có bước tiến cố định hoặc biến bước

+ Thép - Cacbon thường được dùng đối với chong chóng có bước cố định kết cấu hàn Vậy ta chọn vật liệu chế tạo chong chóng là đồng thau KHBsC-1

Trang 11

-2.3 Chọn sơ bộ đường kính chong chóng

2.3.1 Chọn sơ bộ công suất của động cơ

S

P

Vậy ta chọn sơ bộ máy theo bảng sau :

Mác động cơ Công suất

Kw Vòng quayv/p

Đường kính XLD(mm)

Hành trình piston S(mm)

2.3.2 Chọn sơ bộ vòng quay của chong chóng

•Đối với động cơ có công suất nhỏ ( Ne cỡ vài trăm cv) ta chọn: n>500 vg/p

•Đối với động cơ công suất trung bình ( Ne từ 1000÷3000 cv) ta chọn: n= (300÷500) vg/ph.

•Đối với động cơ có cụng suất lớn ( Ne >3000 cv) ta chọn: n= (80÷300)

- Vòng quay làm việc của chong chóng:

n =0,85.nđm = 0,85.280 = 238 (vg/ph) = 3,96(vg/s)

2.3.3 Chọn sơ bộ đường kính chong chóng

Đường kính sơ bộ của chong chóng tính theo công thức:

D

Chọn Dsb = 3,7 m

Trang 12

Kiểm tra điều kiện Dsb= (0,5÷0,6)d

v A ρ

kDT =

T D

kDT = 4,68.3,7 1,04

216,1= 1,21

Do kNT < 1 và kDT < 2 nên chọn Z = 4

2.5 Tính các yếu tố cơ bản của chong chóng

2.5.1 Chọn tỷ số đĩa theo điều kiện bền

max



δ

Trang 13

2.5.2 Tính toán các yếu tố cơ bản của chong chóng và lựa chọn động cơ chính

v k

T n

D

Q T

t i

R v P

η

1680,68

1663,28

1967,6

2 1984,99 2035,88Dựa vào bảng tính ta xây dựng được đồ thị Ps= f(N)

Dựa vào đồ thị chọn được động cơ cần thiết

Vậy chọn được máy :6LU40 có P=2059kW

N = 300 rpmChọn vòng quay chong chóng n = 150 rpm

Trang 14

Hiệu suất làm việc của chong chóng :ηD =0,68

2.5.3 Tính toán chong chóng đảm bảo khai thác hết công suất của động cơ và đạt được tốc độ tối đa

Do lựa chọn động cơ có công suất lớn hơn công suất yêu cầu nên ta đi tính vận tốc tối đa của tàu

4

T n

opt T

D n

T k

1

η

T Q

Rv P

η

1569,592 2084,03 2777,516 3812,827 5242,5214

E G S

D S

k

P P

ηη

1884,26 2501,84 3334,35 4577,22 6293,54Dựa vào bảng tính, ta xây dựng đồ thị : Ps = f(vS), Dopt = f(vS), η0 = f(v S), P/D = f(vS)Dựa vào đồ thị ta xác định được các thông số tối ưu của chong chóng

Tại ηD max = 0,67 ta tra ngược lại được

Tại Ps= 4577.22 kW ta tra được vs max=13 knot, D =Dopt=3,88 m

Tra đồ thị hình 1 ứng với vận tốc vs=13 knot=13.0,514=6,682 m/s

Trang 15

-J=vA/(nD) =0,501

KT=T/(ρ.n2.D4)= 0,164

Tra đồ thị thiết kế chong chóng ứng với (AE/A0) =0,55 với Z=4

Ta có hiệu suất của chong chóng trong nước tự do : η0=0,584

Tỉ số bước hình học P/D =0,72

Kết luận:

Các đặt trưng hình học của chong chóng

D =3,88 mP/D =0,72Z=4AE/Ao=0,55Các đặc tưng thủy động học của chong chóng

J=0,501KT=0,164η0=0,584

Số vòng quay của chong chóng n=150 rpm

Tốc độ tàu vS= 13 knot

2.5.3.Kiểm tra tỷ số đĩa theo điều kiện không xảy ra xâm thực

Theo Schoenherr thì tỷ số đĩa nhỏ nhất không xảy ra xâm thực được tính theo công thức sau:

( )2 0 min

0

275,

P

k A

Trang 16

PHẦN III XÂY DỰNG BẢN VẼ CHONG CHÓNG 3.1 Tính toán củ chong chóng

Đường kính củ của chong chóng có bước cố định d0 = (0,167-0,220) D

Ne công suất trên bích ra của động cơ hoặc hộp số

Trang 17

-Độ côn củ chong chóng chọn:kk=1/15

Đường kính trung bình củ chong chóng: d0=0,167.D = 0,167.3,88 = 648 (mm)

Đường kính đầu của củ: d1 =d0-lk/30 = 648 – 600/30 = 628 (mm)

Đường kính cuối của củ : d2 =d0+lk/30 = 648 + 600/30 = 668 (mm)

Đường kính đầu của trục chong chóng:d3 =db-lk/15 = 210- 600/15=170(mm)

3.2 Tính chọn then và kiểm tra bền cho then

Chiều dài then : lt =(0.8÷0.9).lk = 480 ÷ 540

Chọn lt= 510 mm

Chiều rộng then :bt = (0.25÷0.3)db = 52.5 ÷ 63 (mm) Chọn bt = 55 mm

Chiều cao then :ht =(0.5÷0,6)bt = 27,5 ÷ 33 chọn ht=30 mm

Độ sâu của then trên củ: t2= 0,4.bt= 22 (mm)

Kiểm tra độ bền của then:

Theo ứng suất dập : [ ]d

t d

l t d

T

σ

.2

2

Theo ứng suất cắt : [ ]c

t t c

b l d

.2

Với: T= 9,55.106

n

Ne

= 55,5.106 (Nmm) Ne= 1029 (kW)

n= 150 (vòng/phút) là số vòng quay của chong chóng

[ ]σd = 50 (N/mm2) là ứng suất dập cho phép của vật liệu hợp kim đồng chế tạo nên chongchóng

[τc ]= 50 (N/mm2) là ứng suất cắt cho phép của vật liệu hợp kim đồng chế tạo nên chong chóng d= 210 (mm) là đường kính trục chong chóng

Đơnvị

3 Chiều dầy lớn nhất của cánh tại trụcchong chóng: e0=0.045×D 175 175 mm

5 Độ côn củ chong chóng

Trang 18

6 Đường kính trung bình củ chongchóng: d0=0,167.D 648 650 mm

14 Chiều dày của gioăng kín nước r

Trang 19

d D

b D Z

G: Trọng lượng của chong chóng (kg)

γ: Trọng lượng riêng của vật liệu làm chong chóng; Với chong chóng bằng đồng

ta có γ = 8600 (kg/cm3)

D: Đường kính của chong chóng : D = 3,88 m

Z: Số cánh của chong chóng: Z = 4

dH: Đường kính của củ chong chóng: dH = 0,65 (m)

lH : Chiều dài củ chong chóng : lH = 0,6 (m)

b0,6: là chiều dày lớn nhất của cánh chong chóng tại bán kính r = 0,6R

b0,6 =

z

D D d

p

).484,053

e0,6 = e0 - 0,6(e0 – em)

e0 chiều dày cánh giả định tại củ chong chóng

m D

D

e m = ⋅ − p ⋅ p =

=> e = 0,0665

Thay số vào ta có:G = 3010 (kg)

Để tính toán hình bao duỗi phẳng của dạng cánh dao cần phải xác định chiều rộng lớnnhất của hình bao duỗi phẳng tại bán kính tương đối r/R = 0,6

bmax =

o

E A

A z

D

187,2

= 1,16 (m ) Khoảng cách từ trục cánh tới mép đạp X1 và khoảng cách từ trục cánh tới mép

thoát X2 được xác định theo phần trăm của bmax

X0 là khoảng cách từ trục cánh đến đường chiều dầy lớn nhất được xác định theo phầntrăm chiều rộng toàn bộ (X1+X2)

Bảng giá trị tung độ hình bao duỗi phẳng

Xác định toạ độ x1, x2 tại các bán kính tương đối:

x1: Là khoảng cách từ đường chiều dày lớn nhất đến mép đạp

x2: Là khoảng cách từ đường chiều dày lớn nhất đến mép thoát

xo: Là khoảng cách từ đường tâm cánh đến đường chiều dày lớn nhất

b: Là chiều rộng profin cánh

b1: Là khoảng cách từ đường tâm cánh tới mép đạp

emax: Là chiều dày lớn nhất tại các tiết diện

Φđ: Là đường kính lượn mép đạp.

ΦT: Là đường kính lượn mép thoát.

bm: Là chiều rộng lớn nhất của chong chóng

Trang 20

Các giá trị tính toán theo bảng sau (theo %)

Để xây dựng được prôphin cánh ta cần phải xác định các thông số sau đây:

3.3.1 Chiều dày lớn nhất của prôphin cánh e tại các bán kính tương đối

20

Trang 21

e = e0 - rp.(e0 –eR)

Trong đó:

- e0 là chiều dày giả định của cánh e0 = ē.D = 0,045.3,88.1000 = 174,6 (mm)

- Chiều dày eR được tính theo công thức sau eR = a.D.(50 – D) mm

a= 0,06 đối với chong chóng làm bằng hợp kim đồng

3.3.3 Tính toán tung độ tại mặt đạp và mặt hút

Tung độ mặt hút và mặt đạp được tính bằng phần trăm (%) chiều dày lớn nhất e, được chỉ

ra ở các hoành độ tuyệt đối (0,2÷1)b1 và (0,2÷1)b2

Và biến đổi giảm từ đường chiều dày lớn nhất về phía mép vào nước (mép đạp) và mépthoát nước (mép theo)

100

80

60

40

20

40

60

80

100

Trang 22

60

40

20

40

60

80

100

3.6 Xây dựng tam giác đúc

Để xác kích thước của tam giác đúc, trên hình chiếu pháp của cánh người ta vạch ra trên

nó một bán kính xác định, trên mặt khóa (mép khuôn ) và tính theo công thức sau đây :

RФ = R+ (50÷60) = 3300 + 60 = 875 (mm)

Trên hình chiếu pháp từ điểm O người ta kẻ những tia giới hạn dưới góc bao cánh α1 vàα2 như thế nào đó để đảm bảo ở điều kiện tự nhiên , khe hở nhỏ nhất giữa các đường baocánh và các tia đó không nhỏ hơn 50 mm Với α1= 320 và α2 = 18,80 ,khi đó chiều dài vàchiều cao tương ứng của tam giác đúc bằng

Trang 23

Củ chong chóng được vẽ quy ước nét đứt có vị trí đường kính trung bình củ d0 cáchgiao của đường tâm cánh với cạnh huyền của tam giác đúc một khoảng mФ = RФ.tgγ Với

γ là góc nghiêng cánh, để so sánh cao độ của mặt sau của củ chong chóng ở mặt đạp củacánh với độ cao sàn khi đặt tam giác đúc

Tính toán độ bền chong chóng được tiến hành khi cho phép các giả thiết sau:

+ Cánh của thiết bị đẩy được thay thế bởi một dầm công son thẳng được kiểm tra chịuuốn từ ngoại lực tác dụng

+ Một trong những trục quán tính chính trung tâm của profin song song với dây cungcủa nó

3.7.1 Tính ngoại lực:

Momen uốn được tác dụng của lực thủy động dọc trục (lực đẩy) và lực thủy động tiếptuyến ở mặt cắt có bán kính tương đối rp=0,3 của cánh chong chong khi quay tương ứngvới bán kính củ được xác định theo công thức:

2 5

.2

ηp= 0,57 : Hiệu suất chong chóng

ρ= 104 :Mật độ riêng của nước biển

n = 7 (v/s) : Vòng quay chong chóng

D = 1,63 (m) : Đường kính chong chóng

Tra bảng với bán kính tương đối của củ r = 0,3 ta có: G = 0,4 và P G = 1,1 T

Thay số vào ta có:

Trang 24

MP =

2 50,164.104.5 3,88

.1,1