TÍNH TOÁN sức cản và CÔNG SUẤT kéo của tàu

MỤC LỤCTrang Đề bài PHẦN 1 TÍNH TOÁN SỨC CẢN VÀ CÔNG SUẤT KÉO CỦA TÀU... Phương pháp lựa chọn để tính toán Trong hàng loạt các vấn đề đặt ra cho người đóng tàu thuỷ khi thiết kế một co

MỤC LỤC

Trang

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

GIỚI THIỆU CHUNG

Hệ số béo thể tích : CB = 0,705

Hệ số béo sườn giữa : CM = 0,975

Hệ số béo đường nước : CWP = 0,84

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

1.1 Lựa chọn phương pháp tính

1.1.1 Phương pháp lựa chọn để tính toán

Trong hàng loạt các vấn đề đặt ra cho người đóng tàu thuỷ khi thiết kế một con tàu mới cần đảm bảo hình dạng vỏ tàu và trang trí động 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 Nước tĩnh là vùng nước mà không có sóng, 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…

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

1.1.2 Giới hạn của phương pháp

- 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 = 132,2/22 = 6 (1-1)

1.1.3 Kết luận

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.

1.2 Tính sức cản và công suất kéo

- Hệ số lực cản dư xác định theo công thức:

CR = CRo × kl × kB/d × aB/d

Trong đó:

CRo = f (CB,Fr) - Tra trên đồ thị 6.9 theo CB = 0,705

v

Fr

gL

= =0,21 (g = 9,81 m/s2 - gia tốc trọng trường)

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 = 3,01

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

∇

∇ là thể tích chiếm nước của tàu:

∇ = CB × L × B × d = 0,705 × 132,2 × 22 × 7,3 = 15923,49 (m3)

⇒ l = 3L

∇ =315923,49

2 , 132

= 5,25(m) Lúc đó kl tra trên đồ thị 6.11 theo l = 5,25 (m)

- Hệ số lực cản ma sát:

0, 455

(lg Re)

F

C =

Trong đó:

Re vL

υ

= – hệ số Raynol

v– vận tốc tàu (m/s), L – Chiều dài đường nước thiết kế của tàu (m)

υ: hệ số nhớt động học của chất lỏng, lấy υ= 1,056.10-6 (m2/s) , ở 20°C

⇒ CFo 103 =[ 0,455/(lgRe)2,58] × 103

- Hệ số lực cản do nhám bề mặt, lực cản phần nhô:

CA 103 - hệ số kể đến độ nhám (bảng 6.3)

CAP 103 – hệ số kể đến phần nhô (bảng 6.4)

Lực cản: R =

2

1 ρ.C × 103 v 2 Ω

Trong đó:

ρ=104 KG.s2/m4 = 1,04 KN.s2/m4

Ω = (1,01 ÷ 1,03) Ω0 ,Ω là diện thích mặt ướt của tàu

Ω0 = L.d.[2 + 1,37.(CB – 0,274).

d B

]

= 132,2 × 7,3 ×[2 + 1,37 × (0,705 – 0,274) ×3,01] = 4096,05 (m2)

⇒ Ω= 4100 (m2)

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

Kết quả tính toán được ghi ở bảng sau

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

10 Re = vL/ ν - 707,8.106 772,2 106 836,5 106 900,8 106 965,2 106

11 CFo 103 =[ 0,455/(lgRe)2,58] × 103 - 1,640 1,622 1,606 1,591 1,579

12 CA 103 - hệ số kể đến độ nhám

(bảng 6.3)

13 CAP 103 – hệ số kể đến phần nhô

(bảng 6.4)

14 C × 103 = [9] + [11] + [12] + [13] - 2,673 2,723 2,941 2,895 3,605 15

R =

2

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

Lực cản: R = 456,9 (kN)

Công suất kéo: PE = 3522,7 (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

2.2 Tính toán hệ số dòng theo và hệ số lực hút

∗ Hệ số dòng theo ωT :

ωT = 0,165 Cβ .Zp

D

3 ∇ –

T

ω

∆

Trong đó:

CB :hệ số béo thể tích

CB = 0,705

ZP : số lượng chong chóng

x = 1

∇ : thể tích chiếm nước của tàu

∇ = CB × L × B × d = 0,705 × 132,2 × 22 × 7,3 =15923,49 (m3)

D : đường kính chong chóng

•Đối với tàu 1 chong chóng ta chọn:

D = (0,5 ÷ 0,6).d

Vậy ta chọn:

D = 0,5.d = 0,5.7,3 = 3,65 (m)

∆ωT : tổn thất dòng theo

∆ωT = 0,1.CB.(Fr - 0,2)

Trong đó:

Fr = v/ gL : chuẩn đồng dạng động học Froude.

•v: vận tốc tàu

v = 0,514.vS = 0,514.15 =7,71 (m/s)

Fr = 7,71/ 9,81.132,2= 0,21

Thay số vào biểu thức ta được:

∆ωT = 0,1.0,705.(0,21 – 0,2) = 0,0007

ωT = 0,165.0,705

65 , 3

49 , 15923 3

-0,0007 = 0,305

∗Hệ số hút t:

t = 0,7.ωT= 0,213

∗Xác định lực đẩy chong chóng T:

T = TE/(1 – t)

TE: Lực đẩy cần thiết của chong chóng

TE = R/ZP = 456,9 (kN)

=> T = 456,9/(1 – 0,213) = 580,56 (kN)

2.3 Chọn sơ bộ đường kính chong chóng

2.3.1 Chọn sơ bộ công suất của động cơ

0,85

E

S

P

P

k

=

Trong đó:

k = 0,5÷0,7 – Hệ số

PE = 3522,7 (kW) – Công suất kéo của tàu

⇒ Ps =

7 , 0 85 , 0

7 , 3522

=5920,5(kW)

2.3.2 Chọn sơ bộ vòng quay của chong chóng

Theo Catolog của các hãng máy ta chọn sơ bộ động cơ chính:

Mác động cơ Công suất

Kw Vòng quayv/p

Đường kính XL D(mm)

Hành trình piston S(mm)

- Chọn vòng quay sơ bộ của chong chóng:

n = 0,85.nđm = 0,85.210 = 178,5 (vg/ph) = 2,98 (vg/s)

2.3.3 Chọn sơ bộ đường kính chong chóng

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

4

n

Trong đó:

D – Đường kính chong chóng, m

T – Lực đẩy chong chóng, kN

T =

t

R t

Te

−

=

n – Vòng quay chong chóng, rpm

=>D =

5 , 178

56 , 580 8 ,

11 4

=4,33(m)

2.4 Chọn số cánh chong chóng

kNT = 4

T n

v A ρ

kDT =

T D

v A . ρ

vA: vận tốc tiến của chong chóng, m/s

vA = v.(1 - ωT) = 7,71.(1 – 0,305) = 5,36 m/s

ρ= 104 KG.s2/m4 = 1,04 KN.s2/m4

T: lực đẩy chong chóng, T = 580,56 kN

56 , 580

04 , 1 98 , 2

36 , 5

kDT = 0,982

56 , 580

04 , 1 33 , 4

36

,

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

≥

0

A

A E

min

0

)

(

A

A E

= 0,24.(1,08 - d ) H

3 / 2

max



 δ

D

Z

[ ]

3 10

σ

mT

Trong đó:

Z: số cánh chong chóng, Z = 4

D: đường kính chong chóng, D = 4,33 (m)

max

δ : chiều dày tương đối của chong chóng ở mặt cắt bán kính tương đối

0,6

r

r

R

= = , δmax= 0,08

T: lực đẩy của chong chóng, T = 580,56 kN

m: hệ số kể đến trạng thái tải trọng, m = 1,15

[ ]σ : ứng suất cho phép giới hạn của vật liệu, [ ]σ = 6.104 kPa

D

d

H = = 0,167 – tỷ số giữa đường kính trung bình của chong chóng với đường kính của nó Thay số:

0

A

A E

4

3 / 2

10 6

56 , 580 15 , 1 10 08 , 0 33 , 4

4













=0,538

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

Như vậy, từ bảng các yếu tố cơ bản của chong chóng và đồ thị PS = f(N) ta nội suy ra được:

PS = 13385,3 (kW)

Vậy ta chọn động cơ sau:

Mác động cơ Công suất

Kw

Vòng quay v/p

Đường kính XL D(mm)

Hành trình piston S(mm)

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

Stt Đại lượng tính toán Đơn

vị

Các giá trị tính toán

5

4

A NT

v k

T n

ρ

opt

v D nJ

9

2 4

T

opt

T k

n D

ρ

10

( , )T

P

f k J

11 η =0 f k J( , )T - 0,550 0,548 0,540 0,539 0,535 12

0

1 1 1

D

t i

ω

−

=

−

D D

R v P

η

6

10948,1 11036,2

S

S G E

P P

k

η η

9 13257,2 13278,5 13385,3

1 Vận tốc giả thiết, vs knot 11 12 13 14 15

2 v A =0,5144 (1v S. −w T) m/s 3,932 4,29 4,647 5,005 5,362

4

t

T

−

=

1

5

4

T n

v

NT

ρ

8

J n

v

opt

9

4 2

opt T

D n

T k

ρ

D

P

T,

12

0 1

1

η

T Q

D

w

t

i −

−

D D

Rv P

η

14

E G S

D S

k

P P

η η

Dựa vào đồ thị ta xác định được các thông số của chong chóng như sau:

PS = 5222,1 (kW)

Dopt = 4,69 (m)

D

η = 0,569

P/D = 0,7

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

ζ

=









Trong đó:

6

,

1

3

,

1 ÷

=

ζ - hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào tải trọng chong chóng

kC = f(Z;P/D;J) = 0,17 – hệ số, tra đồ thị

(P a h s)

P0 = +γ , kN/m2

304

,

101

=

a

P - áp suất khí quyển, kN/m2

10

=

γ - trọng lượng riêng của nước, kN/m2

D T

h s = −0,55 - khoảng cách từ tâm trục chong chóng đến đường nước thiết kế,m

n – vòng quay chong chóng, rps

D – đường kính chong chóng, m

T = d = 7,6 m

Thay số ta được:

D T

h s = −0,55 = 7,6 – 0,55.4,33 = 5,21 (m)

(P a h s)

P0 = +γ = (101,304 + 10.5,21) = 153,4 (kN/m2)

0 min

0

975 , 2 5 , 1 275 ,

P

k A









= 0,35 (kN/m2)

2.6 Xây dựng bản vẽ chong chóng

2.6.1 Xây dựng hình bao duỗi thẳng của chong chóng

Chiều rộng lớn nhất của cánh: bmax

bmax =

0

187 , 2

A

A z

D E

= 0,538

4

33 , 4 187 , 2

= 1,27 (m)

Ta có bảng tọa độ để xác định hình bao duỗi thẳng theo Seri B tính theo % của bmax

như sau:

Từ bảng trên xây dựng được hình bao duỗi phẳng của chong chóng

Bảng hoành độ của hình bao duỗi thẳng

Chiều

rộng cánh

tính bằng

% chiều

rộng ở

bán kính

0,6R

Từ trục đến mép đạp

46,89 52,75 56,34 57,66 56,1 51,37 41,71 25,39

-Từ trục đến mép thoát

29,11 33,3 37,4 40,74 43,9 46,66 48,37 46,95 20,14

Chiều rộng toàn bộ

75,99 86,05 93,74 98,4 100 98,03 90,08 72,34

-Khoảng cách từ đường

chiều dày lớn nhất đến

mép đạp theo % chiều

rộng cánh

-2.6.2 Xây dựng profin cánh

2.6.2.1 Xác định chiều dày lớn nhất của các profin tại các tiết diện:

- Chiều dày tại mút cánh:

(50 )

R

e =aD −D , mm

Trong đó:

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

D – Đường kính chong chóng, m

=> eR = 11,86 mm

- Chiều dày giả định tại đường tâm trục:

e0, mm Với e0 = 0,045D – cho chong chóng 4 cánh

=> e0 = 0,045.4,33 = 0,195 (m) = 195 (mm)

- Chiều dày của profin tại các bán kính:

0 ( 0 R)

e e= −r e −e

Trong đó: r r

R

=

Bảng tính toán e

e(mm) 158,37 140,1 127,74 103,43 85,12 66,8 48,49 30,17

2.6.2.2 Bảng tung độ profin cánh

Bảng tung độ profin cánh

2.6.3 Xây dựng hình chiếu pháp và hình chiếu cạnh

- Chọn góc nghiêng cánh bằng 100

- Từ hình bao duỗi phẳng xác định được các giá trị l1, l2, h1, h2 như sau:

l1

l2

h1

h2

2.6.4 Xây dựng củ chong chóng

2.6.4.1 Xác định đường kính trục chong chóng

Từ điểm có chiều dày lớn nhất

tới mép thoát (% e max )

Từ điểm có chiều dày lớn nhất tới mép đạp

(% e max )

0,2 - 53,35 72,65 86,90 96,45 98,60 94,50 87,00 74,40 64,35 56,95 -0,3 - 50,95 71,60 86,80 96,80 98,40 94,00 85,80 72,50 62,65 54,90 -0,4 - 47,70 70,25 86,55 97,00 98,20 93,25 84,30 70,40 60,15 52,20 -0,5 - 43,40 68,40 86,10 96,95 98,10 92,40 82,30 67,70 56,80 48,60 -0,6 - 40,20 67,15 85,40 96,80 98,10 91,25 79,35 63,60 52,20 43,35 -0,7 - 39,40 66,90 84,90 96,65 97,60 88,80 74,90 57,00 44,20 35,00 -0,8 - 40,95 67,80 85,30 96,70 97,00 85,30 68,70 48,25 34,55 24,45 -0,9 - 45,15 70,00 87,00 97,00 97,00 87,00 70,00 45,15 30,10 22,00

-Từ điểm có chiều dày lớn nhất

tới mép thoát (% e max ) Từ điểm có chiều dày lớn nhất tới mép đạp (% e max )

0,2 30,00 18,20 10,90 5,45 1,55 0,45 2,30 5,90 13,45 20,30 26,20 40,00 0,3 25,35 12,20 5,80 1,70 - 0,05 1,30 4,60 10,85 16,55 22,20 37,55 0,4 17,85 6,20 1,50 - - - 0,30 2,65 7,80 12,50 17,90 34,50

Đường kính trục chong chóng: d B =1,12d P+k D C = 451,1( mm)

Với dP là đường kính trục trung gian được tính thao công thức sau:

n

P d

m

S

Trong đó: k = q(a – 1)

q = 0,4 (động cơ 4 kỳ)

a = 2,15 (động cơ 4 xilanh )

PS – công suất trên bích ra của động cơ hoặc hộp số

nm – vòng quay định mức của trục chong chóng, rps

kC = 10 (trục có ống bao là hợp kim đồng)

D – đường kính chong chóng, m

- Độ côn trục: k = 1/10 ÷ 1/15

- Chiều dài phần côn trục: lk = (90 ÷ 95)%lH

2.6.4.2 Xác định kích thước củ chong chóng

- Chiều dài củ lH lấy lớn hon 2% ÷ 3% chiều rộng lớn nhất của hình chiếu cạnh

- Độ côn củ chong chóng: kH = 1/15 ÷ 1/20

- Đường kính trung bình củ chong chóng:

D

d H =0,167 =0,723

- Chiều dài lỗ khoét để giảm nguyên công cạo rà: l0 = (0,25 ÷ 0,3)lk

- Chiều sâu rãnh khoét chọn hợp lý theo khả năng công nghệ

2.6.4.3 Chọn then

- Chiều dài then: lt = (0,9 ÷ 0,95)lk

- Chiều rộng và chiều cao theo tiêu chuẩn Việt Nam

- Kiểm tra bền:

+ Ứng suất dập nhỏ hơn ứng suất dập cho phép: δd ≤[ ]δd =80,N/mm2

+ Ứng suất cắt nhỏ hơn ứng suât cắt cho phép: τc ≤[ ]τc =50,N/mm2

2.6.4.4 Chọn mũ thoát nước

- Chiều dài mũ thoát nước: l0 = (0,14 ÷ 0,17)D, m

- Bán kính cầu ở cuối mũ: r0 = (0,05 ÷ 0,1)D, m

Trong đó: D – đường kính chong chóng, m

2.6.4.5 Tính khối lượng chong chóng

Theo Kopeeski thì khối lượng chong chóng được tính như sau:

2 6

, 0 4

6 , 0 3

4 6,2 2.10 0,71 0,59 10

D

e D

d D

b D

Z





















=









=

Trong đó:

Z = 4 (Số cánh chong chóng)

γ - Trọng lượng riêng của vật liệu chế tạo chong chóng, kG/m3

D - Đường kính chong chóng, m

dH - Đường kính của củ chong chóng, m

lH - Chiều dài củ chong chóng, m 6

, 0

e - Chiều dài cánh tại 0,6R, m 6

, 0

b - Chiều rộng cánh tại 0,6R, m