Trường đại học Bách Khoa TPHCM KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG oOo BÁO CÁO QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHÂN VỊT Giảng viên hướng dẫn Lê Tất Hiển Người thực hiện Lý Thành Tiến MSSV 2112432 MỤC LỤC 1 Giai đoạ.
Trường đại học Bách Khoa TPHCM KHOA KỸ THUẬT GIAO THƠNG oOo BÁO CÁO QUY TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHÂN VỊT Giảng viên hướng dẫn: Lê Tất Hiển Người thực hiện: Lý Thành Tiến MSSV: 2112432 MỤC LỤC Giai đoạn 1: Ước tính kích thước chân vịt 2 Giai đoạn 2: Xác định công suất tốc độ động cơ, bước xoắn chân vịt để tối đa hiệu 3 Giai đoạn 3: Xác định kích thước tối ưu chân vịt tốc độ tối đa tàu Giai đoạn 4: Xác định công suất tốc độ động cách sử dụng kích thước chân vịt xác định 14 Giai đoạn 5: Tạo đường cong công suất-tốc độ 16 Các kích thước chân vịt, bao gồm vận tốc chân vịt, xác định mối liên hệ chân vịt động Quy trình xác định kích thước chân vịt mơ tả sơ đồ phía dưới, gồm giai đoạn Ước tính Cơng suất máy Tốc độ quay máy Giai đoạn 1: Ước tính kích thước chân vịt Giai đoạn 2: Xác định công suất tốc độ động cơ, bước xoắn chân vịt để tối đa hiệu Chọn lại thông số máy? Xác định điểm thiết kế chân vịt Giai đoạn 3: Xác định kích thước tối ưu chân vịt tốc độ tối đa tàu Giai đoạn 4: Xác định công suất tốc độ động cách sử dụng kích thước chân vịt xác định Điểm thiết kế chân vịt hội tụ chưa? Giai đoạn 5: Tạo đường cong cơng suất-tốc độ 1 Giai đoạn 1: Ước tính kích thước chân vịt Sau ước tính tổng lực cản tàu, công suất động từ EHP đến MCR Sau đó, cơng suất cung cấp cho chân vịt (DHP) từ động giả định với tốc độ động Tiếp theo, ước tính đường kính chân vịt (DP) tàu thiết kế Có hai phương pháp để ước tính đường kính chân vịt tàu thiết kế Phương pháp sử dụng đường kính chân vịt tàu mẫu làm đường kính chân vịt tàu thiết kế, phương trình sau (1) Với đường kính chân vịt mẫu Phương pháp thứ hai sử dụng công thức kinh nghiệm khơng có đường kính chân vịt tàu mẫu, công thức sau (2) Với MCR tốc độ động MCR tàu mẫu Và 1.05 cho chân vịt bốn cánh 1.0 cho chân vịt năm cánh Giai đoạn 2: Xác định công suất tốc độ động cơ, bước xoắn chân vịt để tối đa hiệu Trong Giai đoạn 2, công suất động cơ, tốc độ động bước xoắn chân vịt giúp tối đa hóa hiệu chân vịt với đường kính chân vịt giả định từ Giai đoạn xác định Vấn đề xác định chúng tóm tắt Bảng7.2 Khi giải vấn đề này, sử dụng hai phương trình Phương trình thứ phương trình từ mối quan hệ động cánh quạt, gọi phương trình momen xoắn Phương trình nói cánh quạt hấp thụ momen xoắn (QP) cung cấp từ động (QE) Phương trình QE = QP phát biểu sau (3) Với Trong phương trình này, phía bên trái có nghĩa mơ-men xoắn cung cấp từ động (QE) phía bên phải có nghĩa mơ-men xoắn mà chân vịt hấp thụ (QP) Phương trình thứ hai phương trình từ mối quan hệ tàu chân vịt, gọi phương trình lực đẩy Phương trình nói chân vịt tạo lực đẩy cần thiết tốc độ định Phương trình nêu (4) Trong phương trình này, phía bên trái có nghĩa lực đẩy cần thiết để đẩy tàu với tốc độ định () phía bên phải có nghĩa lực đẩy chân vịt tạo () Bài tốn Giai đoạn có ba ẩn số (,, ) hai phương trình Vì vậy, vấn đề loại tốn vơ định số ẩn nhiều số phương trình Bài tốn vơ định có nhiều cách giải Nếu coi vấn đề vấn đề tối ưu hóa cách giới thiệu hàm mục tiêu, nhận giải pháp tốt tối ưu hóa hàm mục tiêu Ở đây, hàm mục tiêu tiêu chí để so sánh giải pháp khác để xác định giải pháp tốt Vì vấn đề tương đối đơn giản nên giải tay.Đầu tiên, từ phương trình (4) hệ số lực đẩy () biểu thị dạng hàm bậc hai tỷ lệ tiến (J) Phương trình lực đẩy biểu thức (4) xếp lại thành phương trình sau (5) Tỷ lệ tiến biểu thị phương trình sau (6) Thay phương trình (6) vào phương trình (5), ta phương trình sau (7) Ở đây, định nghĩa bên tính tốn từ liệu cho Giai đoạn Bây giờ, sử dụng biểu đồ POW chân vịt dòng B Wageningen cho giá trị cho , tính tốn giao điểm đường cong loạt chân vịt đường cong bậc hai cho chân vịt thiết kế phương trình (7) Như hình 7.8, đồ thị POW đưa cho giá trị cụ thể , z, Các đường cong bậc hai phương trình (7) vẽ đồ thị Từ hai đường cong , giao điểm thu Đối với giao điểm , tỷ lệ tiến (), hệ số (), hiệu suất chân vịt () tìm thấy Nếu lặp lại bước cho tỷ lệ bước xoắn khác nhau, tỷ lệ tiến () xác định hiệu suất tối đa chân vịt, Hình.7.9 Từ tỷ lệ bước xoắn tương ứng với điểm giao nhau, thu bước xoắn từ phương trình sau (8) Sử dụng phương trình (6), tốc độ tương ứng chân vịt (giống tốc độ động cơ) tính theo phương trình sau (9) Bây giờ, sử dụng phương trình mơ-men xoắn phương trình (3), cơng suất động tính theo phương trình sau (10) Trong phương trình trên, cơng suất động () tốc độ động () tương ứng với chân vịt có hiệu suất lớn bước xoắn ( ) Đây giải pháp Giai đoạn Với việc sử dụng công suất động này,BHP, NCR,và MCR tàu thiết kế dự đoán lần Lúc này, nên xem xét để thay đổi từ công suất cung cấp mà khơng có thân tàu sang cơng suất cung cấp phần thân sau biểu đồ POW tạo từ thử nghiệm POW chân vịt (11) (12) (13) Ngoài ra, tốc độ động NCR MCR thu từ phương trình sau cách sử dụng mối quan hệ công suất chân vịt tốc độ chân vịt biểu thức cách xem xét ăn khớp động chân vịt (14) (15) Trong Fig.7.10 hiển thị kết dự đốn cơng suất theo phương trình Cuối cùng, máy tàu thiết kế (ban đầu, máy coi tàu mẫu) khơng thể bao gồm NCR MCR, kể tốc độ động cơng suất máy tàu thiết kế phải chọn lại máy khác có cơng suất lớn 3 Giai đoạn 3: Xác định kích thước tối ưu chân vịt tốc độ tối đa tàu Ở Giai đoạn 3, kích thước tối ưu chân vịt tốc độ tối đa tàu xác định Nghĩa là, với công suất động tốc độ động xác định Giai đoạn 2, kích thước chân vịt đường kính chân vịt, bước chân vịt EAR xác định Lúc số cánh cố định tàu mẫu toán Giai đoạn Lúc đầu, điểm thiết kế chân vịt nên xác định Fig.7.11 trình bày cách xác định điểm thiết kế chân vịt đồ thị bố trí máy theo tỉ lệ logarit Trong đồ thị này, định nghĩa đồ thị tải giới hạn công suất tốc độ cho hoạt động liên tục tải động lắp đặt có điểm tối ưu hóa điểm MCR định theo thơng số kỹ thuật tàu Trong hình này, đường cong ① đại diện cho đường cong lực đẩy với thân tàu gọi 'chân vịt chạy nhẹ'.Đường cong đại ② diện cho đường cong lực đẩy với thân tàu bị bẩn thời tiết khắc nghiệt gọi 'chân vịt chạy nặng' Đường cong ③ đại diện cho mô-men xoắn giới hạn tốc độ động chính, mà nguồn cung cấp khơng khí dồi có sẵn để đốt cháy áp đặt giới hạn kết hợp tối đa mô-men xoắn tốc độ Giới hạn phù hợp cho ảnh hưởng đến tốc độ động () Đường cong ④ đại diện cho tối đa mức áp suất hiệu dụng trung bình động để làm việc liên tục Đường cong đạ ⑤ i diện cho công suất cực động hoạt động liên tục Đường cong ⑥ đại diện cho tốc độ tối đa động để hoạt động liên tục Điểm M tương ứng với MCR định (Xếp hạng liên tục tối đa MCR giảm dần), điểm S NCR (Xếp hạng liên tục bình thường) điểm B BHP Điểm M điểm đồ thị bố trí máy Khi chọn điểm này, phải xem xét tốc độ chân vịt, mức tiêu thụ nhiên liệu yếu tố khác Khi điểm M chọn, trục thiết bị phụ trợ xác định kích thước phù hợp, điểm M xếp hạng liên tục tối đa (MCR) Khi đó, MCR trở thành sở tất cơng suất tốc độ động Điểm giao điểm đường ① với công suất có xét đến sea margin điểm giao điểm đường ① với cơng suất giảm mà khơng tính đến sea margin Một điểm sử dụng làm điểm thiết kế chân vịt thông thường điểm sử dụng làm điểm thiết kế Tương tự Fig.7.11, Fig.7.12 hiển thị điểm thiết kế chân vịt đồ thị bố trí động tỷ lệ thực Trong hình này, đường cong biểu ② thị đường cong lực đẩy với lực cản tăng so với đường cong ② Trong hình này, lý điểm thiết kế chân vịt phải là sau Nếu chân vịt thiết kế điểm S, đường cong lực đẩy trở thành đường cong ② Khi lực cản tàu tăng dần theo thời gian đường cong lực đẩy dịch chuyển phía đường cong ② Như chân vịt động khớp điểm S0, cơng suất động nhỏ NCR Điều có nghĩa chân vịt khơng thể hấp thụ công suất động NCR, dẫn đến giảm tốc độ tàu Mặt khác, chân vịt thiết kế điểm , đường cong lực đẩy trở thành đường cong ① Khi sức cản tàu tăng theo thời gian, đường cong lực đẩy chuyển sang đường ② để chân vịt hoạt động điểm S, chân vịt hấp thụ cơng suất động NCR Tóm lại, điểm thiết kế chân vịt điểm (NCR, ) điểm (BHP, ) Bây giờ, vấn đề Giai đoạn để xác định kích thước tối ưu chân vịt tốc độ tối đa tàu tóm tắt Bảng7.3 Nếu điểm G1 sử dụng làm điểm thiết kế chân vịt, công suất động tốc độ động NCR từ Giai đoạn 2, Bảng7.3 Để giải vấn đề này, sử dụng ba phương trình Đầu tiên chân vịt hấp thụ mô-men xoắn cung cấp từ động chính, thể phương trình (3) Điều thứ hai chân vịt tạo lực đẩy cần thiết tốc độ định, thể phương trình (4) Phương trình cuối tiêu chí khơng xâm thực chân vịt Phương trình nói EAR () phải xác định cho không xảy tượng xâm thực Nếu EAR nhỏ hơn, khả xâm thực cao hiệu suất chân vịt cao Do đó, phương trình đưa yêu cầu tối thiểu EAR, thể phương trình (16) gọi cơng thức Keller cho EAR tối thiểu (16) Ở đây, K 0,2 tàu chân vịt 0,1 tàu hai chân vịt T lực đẩy chân vịt tính kN () 0,9947 kN/m2 nước biển 15 h độ sâu ngâm trục tính m chiều cao tâm trục (chiều cao tính từ đường sở) tính m Thay cơng thức này,Cơng thức Burrill cho EAR tối thiểu sử dụng phương trình sau (17) Ở đây, F tính DHP tính bhp (Sức ngựa Anh), hải lý, tính vịng/phút (1/phút) Cơng thức tốn cho Giai đoạn có bốn ẩn số (,,, V) với hai đẳng thức (phương trình) bất phương trình Như vậy, tốn thuộc loại tốn vơ định số ẩn số nhiều số phương trình Nếu giả sử toán toán tối ưu cách đưa vào hàm mục tiêu, nhận lời giải tốt tối ưu hóa hàm mục tiêu Giai đoạn Bài tốn vơ định định giải tay Nếu giá trị hai ẩn số (= số ẩn số – số phương trình = - = 2) giả định, tốn vơ định trở thành tốn xác định thu giải pháp Ở đây, giải vấn đề cách giả sử giá trị , V.Các bước chi tiết đưa đây.Trong bước đầu tiên, giả sử giá trị giá trị cụ thể.Trong bước thứ hai, giả sử giá trị V giá trị cụ thể Trong bước thứ ba, từ phương trình (3) hệ số mơ-men xoắn () biểu diễn dạng hàm bậc năm tỷ lệ tiến (J) Đó phương trình mơ-men xoắn phương trình (3) xếp lại thành phương trình sau (18) Tỷ lệ tiến biểu thị phương trình sau (19) Thay phương trình (19) vào phương trình (18), phương trình sau (20) Ở đây, định nghĩa bên tính tốn từ liệu xác định Giai đoạn Trong bước thứ tư, sử dụng biểu đồ POW chân vịt dòng B Wageningen cho giá trị cho z, chúng tơi tính giao điểm đường cong biểu đồ POW đường cong ngũ phân phương trình (20) Như hình.7.13, đồ thị POW đưa cho giá trị cụ thể , z, Các đường cong phương trình (20) vẽ đồ thị Từ hai đường cong , giao điểm thu Đối với giao điểm , tỷ lệ ứng tiến (), hệ số (), hiệu suất chân vịt () tìm thấy Nếu lặp lại bước cho tỷ lệ bước xoắn khác nhau, tỷ lệ tiến () xác định hiệu suất tối đa chân vịt, thể Hình.7.14 sử dụng phương trình (19), đường kính chân vịt tính theo phương trình sau (21) Từ tỷ lệ cao độ tương ứng với điểm giao nhau, thu cao độ từ phương trình sau (22) Trong bước thứ năm, phương trình lực đẩy phương trình (4) có nghĩa mối quan hệ tàu chân vịt nên kiểm tra Phương trình (4) phát biểu dạng phương trình sau (23) Trong phương trình này, tổng lực cản () hàm tốc độ tàu Nếu phương trình khơng thỏa mãn, chuyển sang bước thứ hai giả định tốc độ tàu với giá trị khác Nếu phương trình thỏa mãn, tốc độ tàu trở thành tốc độ tàu lớn () với kích thước xác định chân vịt chuyển sang bước Ở bước cuối cùng, phương trình (16) phương trình (17) nghĩa tiêu chí không xâm thực chân vịt nên kiểm tra Nếu phương trình (16) sử dụng đây, phương trình (24) nên kiểm tra (24) Ở đây, thu từ phương trình sau or (25) Nếu bất đẳng thức không thỏa mãn, chuyển sang bước giả sử EAR có giá trị khác Nếu bất đẳng thức thỏa mãn giá trị kích thước chân vịt tốc độ lớn tàu lời giải tốt cho toán Các bước để tìm giải pháp tốt cho vấn đề trình bày Hình.7.15 4 Giai đoạn 4: Xác định công suất tốc độ động cách sử dụng kích thước chân vịt xác định Ở Giai đoạn 4, công suất động tốc độ động xác định lại cách sử dụng kích thước tối ưu xác định chân vịt bước trước Tức giai đoạn tương tự Giai đoạn 2.Vấn đề xác định chúng tóm tắt Bảng7.4 Khi giải vấn đề này, sử dụng hai phương trình mơ tả Cái phương trình mơ-men xoắn, thể phương trình (3) Cái thứ hai phương trình lực đẩy, thể phương trình (4) Vấn đề Giai đoạn có hai ẩn số ( ) hai phương trình Như vậy, tốn thuộc loại tốn xác định số ẩn số số phương trình Bài tốn xác định có nghiệm phương trình độc lập với Vấn đề nêu Tìm để thỏa mãn Đầu tiên, từ phương trình (4) hệ số lực đẩy () biểu thị dạng hàm bậc hai tỷ lệ tiến (J) Như mơ tả tốn Giai đoạn 2, phương trình lực đẩy phương trình (4) xếp lại thành phương trình (26) (26) Ở đây, định nghĩa bên tính tốn từ liệu cho Giai đoạn Bây giờ, sử dụng đồ thị POW chân vịt dòng B Wageningen cho giá trị cho , z, , ta tính giao điểm đường cong sơ đồ POW đường cong bậc hai phương trình (26) Như thể hình.7.16, đồ thị POW đưa cho giá trị cụ thể , , z Đường cong bậc hai phương trình (26) vẽ đồ thị Từ hai đường cong , giao điểm thu Đối với giao điểm bốn đường , tỷ lệ tiến (), hệ số (), hiệu suất chân vịt () tìm thấy Sử dụng phương trình (6), tốc độ tương ứng chân vịt (giống tốc độ động cơ) lấy từ phương trình sau (27) Bây giờ, sử dụng phương trình mơ-men xoắn phương trình (3), cơng suất động tính theo phương trình sau (28) Trong phương trình trên, công suất động NCR tốc độ động MCR () tương ứng với điểm thiết kế chân vịt Giai đoạn Đây giải pháp cho Giai đoạn (và tương ứng) Tại thời điểm này, kiểm tra NCR giống giá trị Giai đoạn làm sở để xác định kích thước tối ưu chân vịt Nếu chúng không giống nhau, chuyển sang Giai đoạn lặp lại để giải vấn đề Giai đoạn chúng đồng Nếu tất thực hiện, giải pháp kích thước cuối chân vịt có hiệu suất chân vịt tối đa Giai đoạn 5: Tạo đường cong công suất-tốc độ Ở giai đoạn 5, xác định công suất cần thiết tốc độ động cho tốc độ định tàu Hơn nữa, xác định tốc độ tàu cho công suất tốc độ động định Đó chúng tơi tạo đường cong tốc độ-công suất Đầu tiên, lặp lại bước với chân vịt tối ưu Giai đoạn cho tốc độ tàu khác Sau đó, tính tốn , J, (=) cho tốc độ tàu Ngồi ra, EHP, DHP BHP tính cách sử dụng phương trình (29), (30) (31) (29) (30) (31) Từ tính tốn này, có bảng dự đốn cơng suất cho tốc độ tàu khác Bảng 7.5 cho thấy ví dụ dự đốn công suất cho tốc độ tàu khác nhau, từ 12,5 đến 14,5 hải lý với bước 0,5 hải lý Trong bảng này, PS đơn vị cho công suất, nghĩa sức ngựa Đức PS = 75 kgfm/giây = 0,73575 kW Với liệu bảng này, đánh dấu điểm công suất động (BHP) tốc độ động () theo tốc độ tàu, thể hình 7.17 Bằng cách kết nối điểm (vịng trịn màu đen) cho BHP , đường cong lực đẩy (cũng gọi đường cong tốc độ-công suất) nước tĩnh (① ②, đường đứt nét) thực Bây giờ, vẽ đường ngang tương ứng với NCR (điểm thiết kế chân vịt) lấy giao điểm (vòng tròn đỏ) với đường ① công suất động tốc độ tàu Trên đường thẳng đứng ứng với vận tốc đó, ta lấy giao điểm (vịng trịn xanh) với đường ② tốc độ động cơ, điểm tương ứng với Bây giờ, vẽ đường ngang tương ứng với BHP không xét đến sea margin (tức biển lặng) lấy giao điểm (vịng trịn xám) với đường ① cơng suất động tốc độ tàu Trên đường thẳng đứng ứng với vận tốc ta lấy giao điểm (hình trịn màu hồng) với đường ② tốc độ động giao điểm (hộp màu vàng) với đường nằm ngang tương ứng với NCR Nếu di chuyển đường ① ② để chúng qua màu vàng, nhận đường cong ③ Những ④ đường cong có nghĩa đường cong lực đẩy với rìa biển Cuối cùng, với đường cong này, nhận tốc độ tàu tốc độ động (hoặc tốc độ chân vịt) cơng suất động cho Đó là, NCR cho công suất động cơ, tốc độ tàu (tốc độ dịch vụ) 13,5 hải lý ví dụ