chong chóng và đạo lưu tàu thủy

Một trong những biện pháp nâng cao sức đẩy của chân vịt là sử dụng hệ thống ống đạo lưu với chân vịt.. Trong hệ thống này chân vịt tàu thủy được đặt trọn bộ trong ống trụ, quay trong ống

CHÂN VỊT TRONG ỐNG

Hệ thống ống chân vịt

Một trong những biện pháp nâng cao sức đẩy của chân vịt là sử dụng hệ thống ống đạo lưu với chân vịt Trong hệ thống này chân vịt tàu thủy được đặt trọn bộ trong ống trụ, quay trong ống và cùng với ống tạo lực đẩy thường lớn hơn chân vịt đứng riêng lẻ Mặt cắt ngang của ống đạo lưu kết cấu hình vành khuyên Chiều dầy vành khuyên có thể có giá trị không đổi hoặc có kết cấu không đối xứng qua trục dọc Mặt cắt dọc ống cho phép chúng ta quan sát thành ống dưới dạng frofil cánh máy bay

Bộ phận quan trọng của hệ thống là chân vịt trong ống Đây có thể là chân vịt

bước cố định, chân vịt bước thay đổi Trong những trường hợp đặc biệt, ví dụ trên tàu

phóng mìn và các tàu làm nhiệm vụ đặc biệt trong quân đội, chân vịt trong ống phải là loại cánh quay ngược chiều nhau Từ kỹ thuật bằng tiếng Anh dùng chỉ chân vịt

trong hệ thống này thường được viết là ducted propeller, propeller in nozzle Những

năm đầu mới đưa vào ứng dụng chân vịt trong ống thường được gọi là “chân vịt trong ống Kort” để ghi công lao của công ty Kort trong lãnh vực này Ban đầu chân vịt trong ống chỉ dùng cho những trường hợp làm việc của chân vịt nặng, trong chế độ cao hơn sức kéo chân vịt không ống đến 30% tại chế độ kéo hoặc đến 50% cao hơn khi ủi bãi

Có hai dạng chính của ống là ống tăng tốc và ống giảm tốc Nguyên cớ đặt tên gọi nằm ở vận tốc dòng nước tại đầu vào và đầu ra của ống Kết cấu ống làm cho vận tốc dòng khi vào nhỏ còn khi ra lớn được gọi ống tăng tốc, ngược lại sẽ là ống giảm

tốc

Hình 7.14: Các dạng ống đặc trưng

a) Ống tăng tốc; b) Ống thuận cả hai chiều trước và sau

c) Ống tăng tốc với “rãnh thoát Hannan”; d) Ống giảm tốc

Profil mặt cắt dọc ống tăng tốc có mặt lồi quay vào trong, mép dầy nằm về hướng tiến của thân tàu Miệng hút nằm trước, thường có diện tích lớn hơn diện tích miệng xả nằm sau Diện tích tính toán thường gọi là diện tích mặt cắt ngang của ống nằm khu vực giữa tàu, tại vị trí đặt chân vịt Các đặc trưng hình học chính của ống

được chỉ rõ trên (H.7.15)

L - chiều dài ống Trong thực tế thường sử dụng tỷ lệ giữa chiều dài và đường

kính ống làm chiều dài tương đối ln =L D/ n, trong đó: chỉ số n - dùng chỉ ống đạo lưu

C - độ hở giữa đầu cánh chân vịt và mép trong ống Tỷ lệ giữa C và D gọi là độ

hở tương đối, cn=C D / n

t - chiều dầy lớn nhất của thành ống Tỷ lệ giữa t và chiều rộng profil, ký hiệu

/

=

n

t t b gọi là chiều dầy tương đối

Cx = Ax/A - tỷ lệ giữa diện tích miệng hút với diện tích mặt cắt ngang ống

Cy = Ay/A - tỷ lệ giữa diện tích miệng xả với diện tích mặt cắt ngang ống

Các hệ số trên đường nằm trong phạm vi:

n

n

L 0 5 0 9 D

= = ÷ ; n , ,

n

C

c 0 005 0 01 D

= = ÷ ; tn = 0,11 ÷ 0,14

Cx = 1,15 ÷ 1,50; Cy = 1,0 ÷ 1,15

Mặt cắt ngang các ống thông dụng đối xứng qua trục Tuy nhiên để tăng những

tính năng cần thiết cho mỗi loại tàu, ống được sản xuất dưới dạng không đối xứng

qua trục Có ống dầy thành trên, mỏng dưới, có ống không đối xứng phân bố trước

sau

Trong các chế độ làm việc nặng

hiệu suất động lực của hệ thống

ống-chân vịt cao hơn hiệu suất ống-chân vịt

không nằm trong ống bao Điều này có

thể giải thích như sau: trong thành phần

lực đẩy của hệ thống, ngoài lực đẩy Tcv

do chân vịt tạo ra còn có thành phần bổ

sung lực đẩy Tn, tác động cùng hướng

với Tev, do ống đạo lưu dưới dạng cánh

sinh ra khi bị tác động dòng chảy Trên

(H.7.15) có thể thấy profil cánh của

thành ống đặt sau đuôi tàu, nghiêng so

với đường dòng và bị di chuyển với vận

tốc V Trên mỗi phần tử cánh xuất hiện

lực nâng dL, và đồng thời lực ma sát dD cản trở chuyển động Góc nghiêng càng lớn,

lực dL càng có xu hướng ngả về phía trước Vì rằng lực nâng của cánh trong những

trường hợp này lớn hơn nhiều so với lực cản, thông thường lớn hơn khoảng 25 đến 30

lần, do vậy lực thành phần tử dL lên trục dọc ống lớn hơn lực thành phần của dD

trên cùng trục Tổng hợp hai lực vừa nêu, với ống có kết cấu hợp lý giá trị của dTn =

(dL – dD)x sẽ mang giá trị dương, và có xu hướng đẩy tàu về trước Tổng cộng tất cả

lực thành phần dTn chúng ta nhận được lực đẩy bổ sung Tn Lực đẩy của hệ thống

ống chân vịt được xét dưới dạng:

Trong mấy thập kỷ qua, sau hệ thống Kort thành công ở Cộng hòa Liên bang

Hình 7.15: Chân vịt trong ống đạo lưu

Đức, các nhà nghiên cứu chân vịt tại Hà Lan đã đưa ra hàng loạt mô hình của hệ thống ống-chân vịt làm việc có hiệu quả Nhiều công trình đã được công bố rộng rãi, có thể tìm thấy trong các tài liệu tham khảo

Các ống được thí nghiệm tại Wageningen mang số liệu sau

Ống mang số từ 2 đến 11 có tỷ lệ L/Dn = 0,5 ÷ 0,83, tn = 0,125 Chân vịt dùng trong ống là chân vịt nhóm B, bốn cánh Ống số 18 đến 20 làm theo tỷ lệ L/Dn = 0,5,

tn = 0,125, dùng chân vịt K.4-55

Từ ống 19 các chuyên gia Hà Lan đã cải biên, thay đổi kích thước hình học và đưa chân vịt cánh họ Kaplan vào cùng làm việc Cần nói rõ thêm, cánh họ Kaplan nguyên thủy dùng trong ngành chế tạo bơm, khi cùng làm việc với ống 19 cải tiến, tức là ống 19A, đã trở thành cánh chân vịt mà không cần biến đổi nhiều Đặc tính của nhóm ống mang tên chung 19A như sau Tỷ lệ chiều dài trên đường kính 0,5, tỷ lệ t/b = 0,125 Profil mặt cắt ống mang dáng dấp profil cánh máy bay, được trình bày tại bảng dưới đây Chân vịt được dùng trong thí nghiệm cùng ống 19A gồm chân vịt 3 cánh và 4 cánh Ka-3.50, Ka-4.55 Với chân vịt bốn cánh Ka-4.70 các thí nghiệm được tiến hành toàn diện, thử trong điều kiện tiến, lùi quay trở và tiến hành cả thí nghiệm làm máy đẩy góc phương vị, phục vụ quay tàu

Trong ống 19A còn tiến hành thí nghiệm chân vịt Kaplan 5 cánh Ka-5.75 và chân vịt nhóm B Wageningen B.4.70

Ống số 37 cũng là một thành công của Hà Lan trong công cuộc phát triển kiểu chân vịt trong ống Trong ống 37 tiến hành lắp đặt chân vịt Ka-4.70 làm đủ các việc như thí nghiệm với ống 19A cùng Ka-4.70

Các ống mang số từ 30 đến 36 được lắp chân vịt Kd-5.100

Profil mặt cắt dọc ống được trình bày tại (H.7.16)

Tọa độ mặt cắt dọc ống 19A được giới thiệu tại bảng 7.27, tọa độ của ống 37 trình bày tại bảng 28

Bảng 27: Ống 19A

n

l = = 0,5; t = = 0,125; C = 1,35; C = 1,14

L.E

y 1 /L 0,1825 0,1466 0,1280 0,1087 0,0800 0,0634 0,0387 0,0217 0,0110

T.E

Bảng 28: Ống 37

L.E

y 1 /L 0,1833 0,1500 0,1310 0,1000 0,0790 0,0611 0,0360 0,0200 0,0100

T.E

Hình 7.16: Các ống thử nghiệm tại Wageningen

Chân vịt họ Kaplan

Chân vịt họ Kaplan xuất xứ từ các cánh bơm họ Kaplan, được chuyển hóa sang tàu thủy Những chân vịt được thử nghiệm, dùng cho ngành tàu mang tên Ka, được giới thiệu dưới đây

Bảng 7.30: Đường bao cánh chân vịt Kaplan

Nozzle No 19A (L/D = 0,5)

No 21 (L/D = 0,7)

No 22 (L/D = 0,8)

No 23 (L/D = 0,9)

No 24 (L/D = 1,0)

Nozzle No 2 (L/D = 0.67) Nozzle No 3 (L/D = 0,50) Nozzle No 4 (L/D = 0,83)

Nozzle No 37

Nozzle No 30

Nozzle No 31

Nozzle No 32

Nozzle No 33

Nozzle No 34

Nozzle No 35

Nozzle No 5

Nozzle No 6

Nozzle No 7 Nozzle No 8 (L/D = 0,50) Nozzle No 10 (L/D = 0,40) Nozzle No 11 (L/D = 0,30)

Nozzle No 18

Nozzle No 19

Nozzle No 20 Nozzle No 36

b

b

b

t D

0,2 67,15 30,21 36,94 4,00 0,3 76,59 36,17 40,42 3,52 0,4 85,19 41,45 43,74 3,00 0,5 93,01 45,99 47,02 2,45

0,7 105,86 52,93 52,93 1,38 0,8 110,08 55,04 55,04 0,92 0,9 112,66 56,33 56,33 0,61 1,0 122,88 56,44 56,44 0,50

Chiều rộng cánh tại r/R = 0,6 tính theo công thức max = , * * e

o

A 1

b 1 969

Z A Chiều dầy ảo của cánh: to = 0,049*D

Tọa độ các profil cánh đọc tại bảng 7.31

Hình 7.17: Chân vịt Kaplan

Bảng 7 31

Từ điểm dầy nhất đến mép thoát, % Từ điểm dầy nhất đến mép dẫn, %

r/R

100 80 60 40 20 20 40 60 80 90 95 100

MẶT HÚT

0,9 – 61,75 72,94 88,09 97,17 97,17 88,09 72,94 51,75 38,87 31,87

MẶT ĐẨY 0,2 20,21 7,29 0,1 – 0,21 1,46 4,37 10,52 16,04 20,62 33,33 33,33

Ngoài các ống của Hà Lan, các nước khác cũng có riêng ống của mình Với bạn đọc quen tài liệu của Nga có thể sử dụng ống số 6 thử tại Nga sau đây làm tài liệu thiết kế

Bảng 32: Ống số 6 (tài liệu Nga)

;

n

l = = 0,6; t = = 0,125

L.E x/L 0 0,0125 0,025 0,050 0,075 0,100 0,150 0,200 0,30

T.E x/L – 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0,95 1,0

Có mặt ống đạo lưu tại vùng đuôi tàu làm cho dòng chảy tại khu vực này khác với đường dòng bao tàu không trang bị ống đạo lưu Ống đạo lưu trong một chừng mức nhất định đã nắn đường dòng, làm thay đổi một số đặc tính lực thủy động So với dòng chảy qua cánh chân vịt không nằm trong ống, dòng chảy qua cánh chân vịt bị nằm trong ống có vận tốc tương đối và tuyệt đối lớn hơn vì sự hạn chế của khe hở rất nhỏ giữa đầu cánh và thành trong của ống Vận tốc nhanh hơn này trong rất nhiều trường hợp tạo ra lợi thế cho hệ thống đẩy loại này: lực đẩy của hệ thống lớn hơn lực đẩy chân vịt riêng lẻ nhờ nâng cao hiệu suất chân vịt trong dòng Khe hở bé còn có tác dụng ngăn phần lớn dòng chảy của nước từ mặt đẩy đến mặt hút qua đầu cánh, và điều này cũng góp phần nâng cao lực đẩy chân vịt

Dùng ống đạo lưu cố định làm cho tính quay trở của tàu có kém hơn so với trường hợp không có ống Để khắc phục tình trạng này diện tích bánh lái cho tàu kiểu này cần được tăng thêm khoảng 20% đến 30% Trường hợp dùng ống đạo lưu quay, vấn đề ăn lái không cần thiết đặt ra vì bản thân quay đạo lưu đã có tác dụng hướng dòng thoát và đồng thời tạo lực đẩy ngang tàu trong quá trình quay tàu

Hiệu quả sử dụng hệ thống ống theo quan niệm của những nhà nghiên cứu đầu thế kỷ XX, phụ thuộc vào hệ số tải σT = T/(ρV2A) hoặc Bp Với hệ số tải nhỏ σT < 2,5 sử dụng hệ thống ống chân vịt không đưa lại lợi thế về mặt hiệu suất, có đôi lúc còn chịu tác dụng ngược lại Ở chế độ làm việc nặng σT > 2,5, tương đương Bp > 40, hệ thống ống chân vịt phát huy đầy đủ thế mạnh Chính vì vậy ống đạo lưu khi ra đời

đã tìm thấy nơi ứng dụng trên tàu kéo, tàu đẩy, tàu kéo lưới tàu đánh cá

Ngày nay ống đạo lưu còn tìm thấy chỗ đứng trên tàu chở dầu cỡ lớn, trên các

tàu chở hàng có hệ số đẩy thân tàu khá lớn Trên các tàu này công suất dẫn đến trục

chân vịt đạt đến 45.000 ÷ 50.000 HP, còn chân vịt tuy nằm trong ống song có khi có

đường kính đáng nể, đến 7 - 8m Ống đạo lưu dùng trên tàu khổng lồ có thể làm tăng

vận tốc tàu thêm 0,4 đến 0,5 HL/h

Đường kính chân vịt trong ống bé hơn khoảng 10% so với chân vịt cùng kiểu,

song không nằm trong ống Những chân vịt lớn, khi giảm 10% đường kính sẽ giảm

được lượng vật liệu đáng kể Điều quan trọng cần đề cập khi dùng hệ thống ống chân

vịt trên tàu là, theo phân bổ lực ghi trong công thức T = Tcv + Tn, đường trục chân vịt

chỉ trực tiếp hứng chịu lực đẩy Tcv, truyền thẳng vào thân tàu Điều này giảm áp lực

cho hệ trục và cả cho máy chính, đảm bảo an toàn cao hơn cho máy

Đặc tính thủy động lực hệ thống ống chân vịt

Các đường đặc tính thủy động lực chân vịt trong ống, cùng đặc tính thủy động

lực của ống được xác lập tại bể thử được ghi lại dưới dạng các đồ thị

Hệ số lực đẩy của ống chân vịt:

K

n D

=

Hệ số lực đẩy của riêng ống:

n

K

n D

=

Hệ số momen quay:

K

n D

=

Hệ số vận tốc tiến: J Vp

n D

=

⋅

Thiết kế chân vịt trong ống đạo lưu

Các phép tính tiếp theo thực hiện cho chân vịt họ Ka, trong ống 19A hoặc 37 Các hệ số dòng theo w’ và hệ số lực hút t’ khi áp dụng cho chân vịt trong ống, tính theo công thức:

Tàu một chân vịt: w’ = 0,7*w; t’ = (0,6 ÷ 0,7)t

Tàu hai chân vịt: w’ = (1,1 ÷ 1,2)*w; t’ = t

trong đó: w, t là các hệ số tương ứng, tính cho trường hợp chân vịt không nằm trong ống

Thông thường các hệ số vừa nêu nằm trong phạm vi sau:

tàu kéo một chân vịt 0,15 ÷ 0,20 0,12 ÷ 0,16 tàu kéo hai chân vịt 0,07 ÷ 0,1 0,10 ÷ 0,12

Hình 7.18: Đặc tính thủy động lực chân vịt K a – 4.70

Để tránh sủi bọt cho cánh, tỷ lệ diện tích mặt đĩa, chân vịt cần lớn hơn giá trị

tối thiểu sau:

*

=

⋅ + γ ⋅ − − ⋅ ⋅ γ

3

trong đó: PD - công suất dẫn đến trục chân vịt, (PS); n - tần suất quay chân vịt,

(v.s)

D - đường kính chân vịt, (m); pa - áp suất khí quyển, (kG/m2)

Hs - chiều sâu đến trục chân vịt, (m); γ - trọng lượng riêng của nước,

(kG/m3)

pd - áp suất hơi bão hòa, (kG/m2)

Ví dụ: thiết kế chân vịt trong ống đạo lưu cho tàu kéo ven bờ, có các đặc tính

sau Vận tốc kéo VT = 7 HL/h; máy chính: máy diesel kiểu 6L350PN với công suất

định mức BHP = 980PS, vòng quay trục cơ N = 375 v/ph; chiều chìm đến trục chân

vịt Hs = 2,20m;

Sức cản vỏ tàu đọc theo bảng dưới đây:

Hệ số dòng theo w’ = 0,15; hệ số lực hút t’ = 0,10

Chân vịt được chọn thuộc họ Kaplan, 4 cánh, nằm trong ống 19A

Theo các chỉ dẫn ghi rõ trong chương trước, các dữ liệu cần thiết cho thiết kế

được tính từ dữ liệu đầu vào vừa nêu như sau:

Công suất dẫn đến trục chân vịt: PD = 0,86* PB = 843 PS;

vòng quay chân vịt khi làm việc trong hệ thống với vỏ tàu, máy chính được giảm 2%

và N = 0,98*375 v/p = 367,5 v/ph, hoặc có thể tính tiếp n = 6,125 v/s

Vận tốc tiến của chân vịt khi kéo:

Va = VT*(1 – w’) = 5,95 HL/h; Bp = 0,5144* Va = 3,06 m/s

Hệ số Bp:

,

* , * , ,

p 367 52 843 75

76 1 025 5 95

5 95 Sử dụng hệ số Bp để chọn δopt, trên đồ thị chân vịt Ka-4.55 và ka-4.70, cho các

phép tính tiếp theo Kết quả tính đọc theo bảng sau

Bảng 7.36 Ký hiệu Đơn vị K a -4.55 K a -4.70

δ = 0,98*δopt – 343 328,3

, * V a

D 0 3048

N

δ ⋅

Tỷ lệ mặt đĩa cần thiết nhằm tránh sủi bọt tính theo công thức (7.25) Với chân

vịt Ka-4.55D = 1,69 m tỷ lệ này bằng 0,60, với chân vịt Ka-4.70 đường kính D =

1,62m tỷ lệ AE/Ao = 0,68 Trong trường hợp này chọn tỷ lệ mặt đĩa 0,70 gần với 0,68

vừa nêu, và chân vịt Ka-4.70 tiếp tục được sử dụng trong tính toán

Tại vận tốc nhỏ hơn VT = 7 HL/h chân vịt làm việc ở chế độ momen quay định

mức,

Q = const, đặc tính động lực của hệ thống ống chân vịt tính cho hai trường hợp giới

hạn Vs = 0 và Vs = VT = 7 HL/h như sau Trong bảng tính tiếp theo sử dụng các

đường đặc tính thủy động lực KT, KTn, KQ cho chân vịt Ka-4.70 doWageningen công

bố

Bảng 7.37: Đặc tính của chân vịt tại chế độ ủi bãi và tại V T

3

,

⋅

J

ρ ⋅ 5⋅ Q

Q n

D K

9 E= − ( ) * T* *

Q

T 1 t

Tại các chế độ làm việc với vận tốc khai thác lớn hơn VT = 7HL/h, chân vịt làm

việc theo tình trạng n = const Đường đặc tính chân vịt trong trường hợp này như

sau

Bảng 7.38: Đường làm việc của chân vịt tại Vs > VT

Vs, gán dữ liệu HL/h 8 9 10 11 12

KT, đọc từ đồ thị – 0,300 0,280 0,250 0,220 0,196

KQ, đọc từ đồ thị – 0,035 0,034 0,0323 0,031 0,029

*

( )

P

1 t 75

=

* *

T

p

Q

η =

T

P

P =

η ⋅ ξ ⋅ χ ⋅ η ⋅ η PS 914,7 881,7 845,6 809,4 756,8

Kích thước đường bao cánh và tọa độ các profil tính theo chỉ dẫn của tác giả nhóm chân vịt Kaplan

0.20 169 206 375 131 64.8

0.30 202 226 428 170 57.0

0.40 231 244 476 219 48.6

0.50 257 262 519 255 39.7

0.60 278 280 558 279 30.8

0.70 295 295 591 0 22.4

0.80 307 307 614 0 14.9

0.90 316 314 630 0 9.9

1.00 315 315 630 0 8.1

Giải thích: B1- từ trục đến mép thoát; B2- từ trục đến mép dẫn; B4- từ mép dẫn đến điểm tmax

Profil các mặt cắt

0.2 * 24.8 41.2 53.4 61.6 63.5 58.9 50.0 35.6 25.1 17.8 * 0.3 * 22.3 38.0 48.0 54.7 55.7 51.4 43.1 30.2 21.6 15.7 * 0.4 * 19.7 32.5 41.6 46.8 47.2 43.2 35.8 24.3 16.9 12.6 * 0.5 * 16.6 27.2 34.3 38.3 38.4 34.6 28.0 18.2 12.0 8.8 * 0.6 * 13.4 21.0 26.4 29.7 29.7 26.4 21.0 13.4 8.8 6.3 * 0.7 * 10.1 15.5 19.3 21.6 21.6 19.3 15.5 10.1 6.9 5.1 * 0.8 * 7.2 10.6 13.0 14.4 14.4 13.0 10.6 7.2 5.1 4.0 * 0.9 * 5.1 7.2 8.7 9.6 9.6 8.7 7.2 5.1 3.8 3.1 * 1.0 * 4.2 5.9 7.1 7.9 7.9 7.1 5.9 4.2 3.2 2.6 *

0.3 7.9 2.6 0.6 0.0 0.0 0.1 0,5 1.6 3.5 4.7 5.9 12.1 0.4 4.5 1.1 0.3 0.0 0.0 0.0 0,2 0.7 1.4 1.9 2.2 6.5 0.5 2.6 0.3 0.1 0.0 0.0 0.0 0,1 0.2 0.4 0.5 0.6 3.1

Kích thước ống đạo lưu số 19A dùng trong hệ thống ống chân vịt

Chiều dài ống L = 0,5* D = 0,81m = 810 mm

Khe hở giữa đầu cánh và thành trong của ống C = 0,005*D = 8 mm

R + C = 810 + 8 = 818 mm

Tọa độ profil mặt cắt dọc ống đọc từ bảng sau:

L.E

T.E x/L 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0,95 1,0