Thiết kế chong chóng tàu hàng

Chän sè l­îng chong chãng : 2 Chän c¸c yÕu tè h×nh häc cña chong chãng : + Chän chiÒu quay chong chãng : Quay ph¶i. + Chän ®­êng bao c¸nh: Sªri B cña bÓ thö Wageningen (d¹ng l­ìi dao kh«ng ®èi xøng) + Chän d¹ng pr«fin c¸nh : d¹ng ph¼ng låi. + Chän gãc nghiªng cña c¸nh chong chãng : Chong chãng cã gãc nghiªng phï hîp víi h×nh d¸ng vµ kÝch th­íc ®u«i tµu, chong chãng cµng s¸t ®u«i tµu cµng tèt ®Ó gi¶m chÊn ®éng vµ t¨ng hiÖu suÊt lµm viÖc. Gãc nghiªng cña chong chãng n»m trong kho¶ng (100 150). Kh«ng cã tuyÕn h×nh tµu ta chän gãc nghiªng c¸nh chong chãng lµ :  = 15o + Chän ®é c«n cña cñ chong chãng vµ ®é c«n cña lç khoÐt trong cñ chong chãng : k = 1:15

Đề bài :

Thiết kế chong chóng tàu hàng có các thông số :

* Chiều dài thiết kế : L = 160 m.

* Chiều rộng thiết kế : B = 20 m.

* Chiều chìm thiết kế : T = 10 m.

* Hệ số béo thể tích : = 0.57

* Hệ số béo sờn giữa :  = 0.96

* Hoành độ tâm nổi : X c = - 0.01

* Vận tốc thiết kế : vs = 19 hải lý/giờ

* Vùng hoạt động : Biển không hạn chế.

* Loại tàu : Tàu hàng khô.

Phần I : Tính toán và xây dựng đờng cong lực cản và công

suất kéo của tàu : R = f(v s), P E = f(vs)

1 Chọn ph ơng pháp tính :

- Sử dụng phơng pháp tính lực cản d của hiệp hội nghiên cứu và đóng tàu Nhật Bản

để tính lực cản và công suất kéo của tàu

- Công thức tính :

CR = CR() kl/b kB/T

- Phạm vi áp dụng :

 = 0.5  0.65

L/B = 4.8  7

B/T = 2  5

x C = - 0.025 + 0.028

Hình dáng sờn mũi : chữ V, mũi quả lê

Dùng cho các tàu vận tải biển, tàu contenner, tàu đánh cá,

sà lan chạybiển

- Tàu thiết kế phù hợp với phơng pháp của hiệp hội đóng tàu Nhật Bản vì :

 = 0.57

L/B = 8

B/T = 2

x C = - 0.01

Hình dáng sờn mũi là chữ V

Vùng hoạt động : Biển không hạn chế

2.Tính toán lực cản và công suất kéo của tàu:

Công thức tính :

R = C. .v2 

PE = v.R

Trong đó :  = 1025 kg/m3

v : vận tốc tàu, m/s

Diện tích mặt ớt của tàu

C = CR + CFo + CA + CAP : hệ số cản toàn phần



a Tính hệ số cản d :

CR = CR().kL/B.kB/T

Với : CR.103f (( Tra đồ thị VII.2 )

) 64 5 (

) (





B

L C

B

L C k

R

R B

L ( Tra đồ thị VII.4 )

) 5 3 (

) (





T

B C

T

B C k

R

R T

B ( Tra đồ thị VII.6 )

b Tính hệ số ma sát của tấm phẳng :

CFo = 2

) 2 Re (lg

075 0

 - Tra bảng 8.1/ STKTĐT -Tập I

c Tính hệ số cản do độ nhám vỏ bao C A và hệ số cản phần nhô C AP

Lấy CA.103 = 0.2, CAP.103 = 0.15

d Tính diện tích mặt ớt :

 = L.T.[ 2+ 1.37( - 0.274 ).B/T ] + phần nhô

= 4497.664 + 4% 4497.664 = 4677.57 m2

Kết quả tính toán đợc thể hiện thông qua bảng tính sau: (Bảng 1)

Phần II : tính toán chong chóng

I - Chọn loại thiết bị đẩy : chong chóng.

- Chọn số lợng chong chóng : 2

- Chọn các yếu tố hình học của chong chóng :

+ Chọn chiều quay chong chóng : Quay phải

+ Chọn đờng bao cánh: Sêri B của bể thử Wageningen (dạng lỡi dao không đối xứng)

+ Chọn dạng prôfin cánh : dạng phẳng lồi

+ Chọn góc nghiêng của cánh chong chóng : Chong chóng có góc nghiêng phù hợp với hình dáng và kích thớc đuôi tàu, chong chóng càng sát đuôi tàu càng tốt để giảm chấn động và tăng hiệu suất làm việc Góc nghiêng của chong chóng nằm trong khoảng (100 - 150) Không có tuyến hình tàu ta chọn góc nghiêng cánh chong chóng là :  = 15o

+ Chọn độ côn của củ chong chóng và độ côn của lỗ khoét trong củ

chong chóng : k = 1:15

II Chọn vật liệu chế tạo chong chóng :

Theo quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép TCVN 6259- 2003, chọn vật liệu làm chong chóng :

- Loại : Đồng thau nhôm - niken đúc cấp 3.

- Cấp : AlBC 3

- Giới hạn chảy : C 245 N/ mm2

- Giới hạn bền kéo : K 590 N/ mm2

III Chọn số cánh chong chóng :

Số cánh chong chóng phụ thuộc vào hệ số lực hút KDT :

T D v

K DT  A . 

Trong đó : KDT - Hệ số lực hút chong chóng

- khối lợng riêng của nớc biển, .025 KNs2/m4

2.vA - Vận tốc tịnh tiến của chong chóng, đợc tính nh sau :

A =  ( 1 – wT ) = 8.71 (m/s)

Với : = 19 hải lý/ h = 9.8 m/s : là tốc độ của tàu

wT = 0.1135 : là hệ số dòng theo của chong chóng

3 T - Lực đẩy chong chóng :

t

T





1 = 304.456 KN.

Với : TE- Lực kéo chong chóng tính theo công thức :

P E

Z

R

2

524

= 262 KN

Với : ZP = 2 : là số trục chong chóng

R = 524 KN : lực cản của chong chóng ứng với vận tốc của tàu là 19 (hải lý/ giờ)

4 D - Đờng kính sơ bộ của chong chóng Để tính đờng kính D : ta phải tính toán các yếu tố :

a Tính công suất sơ bộ và vòng quay sơ bộ của chong chóng :

*) Công suất của động cơ :

Công suất của động cơ đợc tính nh sau :



E S

P

P  = 5728.4 (Cv) Trong đó : - Từ đồ thị (Đồ thị 1) ứng với S = 19 (hải lý/giờ) tra đợc công suất kéo của tàu là PE = 5121.6 (KW) = 5121.6 / 0.735 = 6874.03 (Cv)

- là hiệu suất đờng trục của chong chóng Chọn = 0.6 Vậy : Sơ bộ chọn động cơ có công suất là 6000 Cv

*) Vòng quay sơ bộ của chong chóng :

Với công suất PS = 6000 (Cv) ta tra bảng đợc số vòng quay hợp lý của chong chóng là :

nm = 120 (v/phút.) Vậy n = nm/ 60 = 2.0 (/s)

b Chọn sơ bộ đ ờng kính chong chóng :

Đờng kính sơ bộ của chong chóng đợc xác định theo tích số tối u giữa đờng kính

và vòng quay của nó :

D n m  11 8  4 T

Trong đó:

D - Đờng kính chong chóng, m

nm- Vòng quay chong chóng, vg/ph

T - Lực đẩy chong chóng, KN

Vậy :

D =

120

456 304 8

.

Vậy chọn sơ bộ đờng kính chong chóng là : D = 4.5 m

Do đó :

T D v

K DT  A .  = 2.27 > 2

 Vậy ta chọn số cánh chong chóng là : Z = 3

IV Chọn tỉ số đĩa của chong chóng :

Chọn tỉ số đĩa sơ bộ của chong chóng theo điều kiện bền :

min

'













O

E

A

A

5

'.

3 / 2

max 10

.

'.

375

D

Z C



Trong đó:

C’ : là hệ số phụ thuộc vào vật liệu, đồng thau C’= 0.055

Z = 3 là số cánh chong chóng

D = 4.5 m là đờng kính chong chóng

max : Chiều dày tơng đối của profin tiết diện cánh, max = (0.05  0.1) Chọn max= 0.06

m’ : là hệ số phụ thuộc vào kiểu tàu, m’ = 1.15 với tàu hàng thông thờng

T = 300345 N : là lực đẩy của chong chóng

Nh vậy : Chọn tỉ số đĩa của chong chóng là : = 0.5

V Tính toán hệ số dòng theo W T và hệ số hút t :

Theo Taylor với tàu vận tải biển hai chong chóng thì :

- Hệ số dòng theo tính theo công thức :

wT = 0.55 – 0.2 = 0.1135

Trong đó :là hệ số béo thể tích của tàu

- Hệ số hút tính theo công thức :

t = 0.7wT + 0.06 = 0.13945

VI Tính chọn động cơ :

Đây là bài toán cho trớc tốc độ tàu, tính đờng kính tối u và tỷ số bớc của chong chóng để chọn đợc động cơ có công suất nhỏ nhất

Lập bảng tính nh sau : Bảng 2.1

Vậy chọn động cơ nhãn hiệu 12M551AK (Đức) có :

- Công suất định mức : 2 x 8000 Cv

- Vòng quay định mức : n = 125 vg/ph

Ta chọn vòng quay của chong chóng là 120 vg/ph

+ Đờng kính tối u của chong chóng là : Dopt = 4.9 m

+ Hiệu suất chong chóng : D = 0.68

+ Tỉ số bớc của chong chóng : P/ D = 1.015

VII.1: Kiểm tra tỉ số đĩa của chong chóng theo điều kiện xâm thực :

2

1

1 min

'' 0

) (

130

D n P

K A















= 0.282 < 0.5

Trong đó :

1- hệ số, phụ thuộc vào trọng tải của chong chóng.Coi chong chóng thiết kế có trọng tải trung bình thì 1 = 1.3  Chọn 1 = 1.5

n - vòng quay của chong chóng : n = 120 vg/ ph = 2.0 vg/s

D - Đờng kính chong chóng : D = 4.9 m

P1 - áp suất thuỷ tĩnh tuyệt đối :

P1 = Po – Pd = 10330 +  hB – Pd = 13607.75 (kG/m2)

hB - Độ ngập sâu của trục chong chóng, hB = 0.7D = 3.43 m

1025 ( kG/m3), Pd = 238 ( kG/m2)

KC- Tra đồ thị Kc  f  P D , Z , J , Với J = 0.89; P/D = 1.015; Z = 3

Ta đợc : KC = 0.205

Nh vậy : Chong chóng chọn thoả mãn điều kiện xâm thực

VII.2: Xây dựng bản vẽ chong chóng :

1 Các thông số của chong chóng:

- Đờng kính chong chóng : D = 4.9 m

- Số cánh chong chóng : Z = 3 cánh.

- Vòng quay chong chóng : n = 120 vg/ph

- Tỉ số đĩa :

o

E

A

A

= 0.5

- Tỉ số bớc : P/D = 1.015

- Tốc độ tàu : v = 19 hải lý/h

- Công suất động cơ : P =2 x 8000 Cv

- Vật liệu chế tạo chong chóng : Đồng thau- nhôm niken đúc

- Góc nghiêng cánh chong chóng  = 15o

2 Xây dựng đ ờng chiều dày lớn nhất của profin tiết diện cánh trên hình chiếu cạnh:

- Chiều dày tiết diện cánh tại đờng trục : eo = 0.05D = 245 mm

- Chiều dày tại đỉnh cánh : ed = 0.003D = 14.7 mm

3.Xây dựng bảng tính hình bao duỗi thẳng: ( Bảng 3 )

4 Xây dựng củ chong chóng :

- Độ côn của củ : k = 1:15

- Đờng kính trung bình của củ :

do = 0.167D = 0.8183 m = 818.3 mm Chọn do = 820 mm

- Chiều dài củ :

lC = (1.6  3.3)do = 1312  2706 mm Chọn : lC = 1500 mm

- Đờng kính trớc và sau của củ :

Ta có

mm

mm d

l k

s t o

s t c

s t

770 870 2

15

1









































Trong đó :

t - Đờng kính trớc của củ

s - Đờng kính sau của củ

- Đờng kính trục chong chóng :

+ Đờng kính lớn của trục chong chóng :

n

P

d 100 3 S 0 25

Trong đó:

PS - Công suất động cơ, PS = 8000 Cv

n - Số vòng quay của chong chóng, n = 120 vg/phút

D - Đờng kính chong chóng, D = 4.9 m

 Chọn : dB = 420 mm

+ Đờng kính nhỏ trục chong chóng :

d2 = d1- k.lc = 299.333 mm

 Chọn : d2 = 320 mm

- Xác định chiều dài lỗ khoét giảm trọng lợng trong củ :

lc’ = ( 0.3  0.37) lc = (450  555) (mm)

 Chọn : l’

c = 500 mm

- Xác định chiều dài mũ thoát nớc :

l’ = ( 0.14  0.17)D = (686  833 ) (mm)

 Chọn : l’ = 700 mm

- Xác định bán kính các góc lợn :

+ Bán kính tiếp tuyến giữa mặt đạp và củ chong chóng :

R1 = 0.04D = 196 mm

+ Bán kính tiếp tuyến giữa mặt hút và củ chong chóng :

R2 = 0.03D = 147 mm

* Ơ đỉnh cánh : Rđ = 0.015D = 0.0795 m =73.5 mm Chọn : Rđ = 80 mm

* Mép dẫn : đờng kính không nhỏ hơn 3 – 5 mm vì điều kiện công nghệ và sức bền cục bộ

* Mép theo : mép nhọn để tránh hiện tợng cộng hởng âm thanh

- Khoảng cách từ mặt phẳng đĩa đến mút của cánh chong chóng :

mR = R tgR = 656.5 mm

- Chọn bu lông : Theo TCVN 6259 - 76 : chọn bu lông M 30

VIII Chọn then và nghiệm bền then:

1 Chọn then :

- Số lợng then : 01 loại then bằng

- Chiều dài then :

lt = ( 0.9  0.95 )lC = 1350  1425 mm

 Chọn : lt = 1400 mm

- Chiều rộng then :

bt = ( 0.25  0.3 )dB = 105 126 mm

 Chọn : bt = 120 mm

- Chiều cao then :

ht =(0.5 bt = 60 72 mm

 Chọn : ht = 65 mm

2 Nghiệm bền then :

+ Ưng suất dập cho phép : [d] = 50 Pa

+ Ưng suất cắt cho phép : [C] = 20 30Pa

a Ưng suất dập của then tính theo công thức :

d =

2

.

2

t d l

T

d

= 8.41 N/mm2 < [d]

Trong đó:

T - mô men xoắn truyền qua mối ghép then : T = 7162

m

D

n

P

= 57889.76 Nm Với : PD - Công suất truyền đến chong chóng, PD = PS.S = 7840 Cv

nm - vòng quay của chong chóng, nm = 120 vg/ ph

t2 = 0.4 ht - Độ ngập sâu then trên củ chong chóng, t2 = 25.6 mm

dB - đờng kính trục chong chóng, dB = 420 mm

ld - chiều dài chịu dập của then, l = lt – bt = 1280 mm.

b.Ưng suất cắt của then tính theo công thức :

C =

t

t l b d

T

.

2

= 1.64 N/ mm2 < [C]

 Vậy : Then đã chọn thoả mãn điều kiện bền dập và điều kiện bền cắt.

IX Tính tam giác đúc:

Tam giác đúc dùng trong công nghệ đúc chong chóng là tam giác bớc của chong chóng tại bán kính :1.1R và 1.2R

R= (1.1  1.2).R = ( 2695  2940 ) mm

 Chọn R= 2800 mm

Ta có các thông số sau :

mR = R.tg = 656.5 mm

m = m R

R

R

.

 = 750.3 mm

z

P

= 1657.8 mm

l =

2 1 1 2















z

R

= 3372 mm

l =

2 1 2 2















z

R

= 2492.33 mm 1 = 46o

2 = 34o

1, 2 : Là góc tạo bởi đờng tâm cánh với tia đi qua đờng bao hình chiếu pháp tại bán kính 0.3R và đi qua tâm 0

Z - Là số cánh chong chóng, Z = 3 cánh

mR- độ lệch của đỉnh cánh trên hình chiếu cạnh

X Kiểm tra sức bền chong chóng:

2 Xác định khối lợng và mô men quán tính của chong chóng :

a Xác định khối l ợng của chong chóng :

Khối lợng chong chóng đợc xác định theo công thức :

Trong đó:

 = 8350 Kg/m3 - khối lợng riêng của vật liệu làm chong chóng

G - khối lợng chong chóng

b = 1812 mm - chiều rộng cánh tại tiết diện r = 0.6R

e = 106.82 mm- chiều dày lớn nhất của propin tiết diện cánh tại r = 0.6R

D = 4.9 m - đờng kính chong chóng

rk = do/D = 0.167 (bán kính tơng đối tại gốc cánh)

do = 818.3 mm - đờng kính trung bình của củ chong chóng

l C = 1350 mm - chiều dài củ chong chóng

Z = 3 - số cánh chong chóng

 Vậy khối lợng chong chóng là: G = 4702.31 (Kg)

b Xác định mô men quán tính của chong chóng :

Mô men quán tính của chong chóng đợc xác định theo công thức thực nghiệm :

g

GD I

4

2

 =2877.2 (kg.m2s2)

γ.

Kg



















2

.l d 0.59 D

e r 0.71 2.10 6.2

4.10

.Z.b D G

Trong đó: G - là trọng lợng của chong chóng, G = 4702.31 kg

D - là đờng kính chong chóng, D = 4.9 m

g - là gia tốc trọng trờng, g = 9.8 m/s2

2 Kiểm tra bền của chong chóng theo quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép

TCVN 6259- 3 2003 Chong chóng thiết kế phải thoả mãn các yêu cầu về kết cấu

và độ bền nh sau :

a Chiều dày cánh :

* Theo điều 7.2.1 phần 3 chơng 7 thì chiều dày cánh chong chóng tại bán kính 0.25R và 0.6R phải không nhỏ hơn trị số trị số tính theo công thức :

Trong đó :

` t - Chiều dày cánh trừ góc lợn, (cm)

` H- Công suất liên tục lớn nhất của máy chính, H = 5884 KW

` Z - Số cánh chong chóng, Z = 3

` N- Số vòng quay liên tục lớn nhất chia cho 100, N = 1.2

` l- Chiều rộng cánh tại bán kính đang xét, (cm)

` K1- Hệ số tính theo công thức : 



















 





D

P k P

D k D

P k

1

3 30

3 2

2

1 1

Với : k1, k2, k3 – Là các hệ số tra bảng 3/7.1

P’ - Bớc tại bán kính đang xét, (m)

P - Bớc tại bán kính 0.7R,(m)

` K 2- Hệ số đợc tính theo công thức :

1000

.

2 2 5 0 4 2

N D k t

E k K

















Với : k4, k5- Hệ số xác định theo bảng 3/7.1

E - Độ nghiêng đầu mút cánh, E = 65.65 cm

to- Chiều dày giả định của cánh tại đờng tâm trục chong chóng,to=24.5 cm

K - Hệ số lấy theo bảng 3/7.2, K = 1.3

S -Hệ số liên quan đến tăng ứng suất thời tiết đợc tính theo công thức và 0.8<S <1:  0 095   0 677

S

S

d

D

` W - Hệ số liên quan đến ứng suất đổi dấu:





























D

P A A

D

P A A A

4 3

1 4 3 2

A 1.724 1

w

Với:

1 1

C w

w A





2

2 w C

w A





C C w

C

w C C

A











1 2

3

2 1

3

1

1

1 3 2. 0 22 1

95 0































z

a D

P P

D

= 0.245

1 1 1 19 0 2 1

95 0

















z

a D

P P

D

3  0 122  0 0236

D

P

W S l N Z

H K

K

2

1







w- Nớc kèm trung bình định mức ở đĩa chong chóng đợc xác định theo công thức : 0 625 0 04 4  0 527































S

C d

B D

B

Với : B – Chiều rộng tàu, B = 20 m

Cb – Hệ số béo thể tích của tàu, Cb = 0.57

w – Giá trị cực đại của dao động nớc kèm ở đĩa chong chóng tại 0.7R đợc tính theo công thức :

d

B D

B

S 































 7 32 1 56 0 04 4 = 0.156 Chiều dày tại tiết diện 0.25R và 0.6R đợc tính trong bảng sau :

Đại lợng tính Đơn vị Tiết diện khảo sát

0.25R 0.6R

Theo thiết kế ta có :

* Tại tiết diện 0.25R: t =18.74 cm > 10.463 cm

* Tại tiết diện 0.6R : t = 10.682 cm > 7.135 cm

Vậy : Chong chóng đủ bền theo điều 7.2.1 TCVN 6259 - 3: 1997 - Quy phạm phân

cấp và đóng tàu biển vỏ thép

b Bán kínhgóc l ợn :