85 Phần 2 thiết bị đẩy tàu thuỷ Ch ơng 12 Các tính chất chung và sự phân loại các thiết bị đẩy tàu 12.1. Khái niệm cơ bản về thiết bị đẩy tàu Trọng l ợng của tàu khi đứng yên sẽ bằng tổng hợp các lực áp suất theo h ớng thẳng đứng từ d ới lên tác dụng lên vỏ bao tàu. Hợp lực đó gọi là lực nổi tĩnh. Khi tàu chuyển động, hợp lực này sẽ nghiêng đi so với ph ơng thẳng đứng và khi đó trên mặt n ớc sẽ xuất hiện các lực tiếp tuyến. Hình chiếu của hợp lực áp suất lên trục thẳng đứng gọi là lực nổi, còn hình chiếu của nó lên trục nằm ngang và hợp lực tiếp tuyến gọi là lực cản chuyển động của tàu R (Xem H12.1) Hình 12.1. Sơ đồ lực tác dụng lên tàu đang chuyển động Chuyển động thẳng đều của tàu là do tác dụng của lực kéo T E , về mặt trị số nó bằng lực cản và ng ợc chiều với lực cản. Khi tàu chuyển động với tốc độ v, nó sẽ thực hiện một công, mà trong một đơn vị thời gian sẽ bằng công suất có ích hoặc công suất kéo P E = T E .v Lực kéo có thể sinh ra bởi nguồn năng l ợng đặt trên tàu và trong tr ờng hợp này nguồn năng l ợng đó đ ợc gọi là động cơ (diezel, tuốcbin) hoặc nằm bên ngoài tàu. Ví dụ nguồn năng l ợng bên ngoài là gió để tạo nên các lực kéo trên các tàu buồm. Các tàu đ ợc lắp động cơ là các tàu tự hành. Nó luôn luôn đ ợc lắp đặt các thiết bị để biến công suất của động cơ sang năng l ợng chuyển động thẳng của tàu. Thiết bị tạo ra lực kéo T E đ ợc gọi là thiết bị đẩy tàu. Nếu P D là công suất truyền đến thiết bị đẩy, thì hiệu suất của nó đ ợc xác định bằng tỉ số h D = P E /P D và đ ợc gọi là hiệu suất đẩy. Công suất P D luôn luôn nhỏ hơn công suất trên trục động cơ P S . Nh vậy công suất trên trục của động cơ có liên quan với công suất P D theo quan hệ: P D = P S .h n Trong đó: h n = h S .h P h S : hiệu suất của đ ờng trục h P : hiệu suất của bộ truyền động (bộ giảm tốc, bộ tải điện và ) g V D R 86 12.2. Các kiểu thiết bị đẩy và tính chất của chúng Tất cả các thiết bị đẩy tàu đều tạo nên lực đẩy nhờ phản lực của các khối chất lỏng hoặc khí đ ợc lấy từ môi tr ờng bao quanh và đẩy về phía ng ợc chiều với chiều chuyển động của tàu, nghĩa là theo nguyên lý phản lực. Chất lỏng hoặc khí đ ợc đẩy ra nhờ các bộ phận làm việc (cánh, máng, guồng). Các bộ phận này tiếp nhận các phản lực của khối môi chất đẩy ra và biến chúng thành lực, mà hình chiếu của nó lên ph ơng chuyển động gọi là lực đẩy của thiết bị đẩy. Lực đẩy thông qua gối trục chặn truyền vào thân tàu. Các loại thiết bị đẩy mà lực đẩy trực tiếp sinh ra trên các cơ cấu cánh nh : chong chóng, guồng và chân vịt. Các lực trên các cánh có thể sinh ra bởi lực cản và lực nâng khi chúng chuyển động trong chất lỏng. Lực đẩy đ ợc tạo nên bởi lực nâng phát sinh trên các cánh của thiết bị đẩy. Phản lực của môi chất không chỉ các bộ phận của thiết bị đẩy tiếp nhận, mà có thể ngay cả các bộ phận cố định (ống, đạo l u, kênh) cũng tiếp nhận. Thiết bị đẩy, mà phần lớn phản lực của dòng chảy đ ợc bộ phận cố định tiếp nhận, đ ợc gọi là thiết bị phụt n ớc. Các thiết bị đẩy không có cơ cấu cánh và việc tăng tốc môi chất ở trong chúng nhờ năng l ợng của khí nén, đ ợc gọi là thiết bị phụt khí. Guồng là thiết bị đẩy đầu tiên đã đ ợc sử dụng rộng rãi trên các tàu có lắp động cơ truyền động. Guồng là một hình trụ quay, mà trên đ ờng sinh của nó có đặt 6 á 12 cánh guồng. Trục guồng nằm ngang và vuông góc với ph ơng chuyển động. Các guồng đều đặt ở hai bên mạn tàu hoặc ở phần đuôi tàu. Chúng có thể có cánh cố định hoặc di động. Sơ đồ của guồng có cánh cố định đ ợc trình bày trên (Xem H12.2). chiều chuyển động Hình 12.2. Sơ đồ guồng có Hình 12.3. Sơ đồ guồng có cánh cố định cánh quay Khi cánh làm việc dòng n ớc bao lên các cánh, tốc độ của dòng là tổng hình học của tốc độ Wr sinh ra do cánh quay và tốc độ tịnh tiến v của tàu. Nh vậy các lực thuỷ động sinh ra trên các cánh guồng gần vuông góc với chúng đ ợc truyền vào trục guồng và thân tàu. Thật vậy, nếu đặt vào trục guồng hai lực ng ợc chiều R 1 và R 2 , về trị số bằng lực R sinh ra trên cánh, ta nhận đ ợc một ngẫu lực R và R 2 , mà mômen xoắn của động cơ phải thắng lại mômen của chúng. Chiếu R 1 lên h ớng chuyển động đ ợc lực đẩy T. Sự làm việc của guồng cánh cố định kèm theo nhiều tổn thất năng l ợng đáng kể khi n ớc vào và thoát khỏi cánh. Những tổn thất này có thể giảm bớt bằng cách cho cánh quay (Xem H12.3). Về mặt kết cấu guồng cánh quay rất phức tạp, khối l ợng của nó t ơng đối lớn, nh ng hiệu suất đẩy cao hơn, hiệu suất đẩy đạt 0,5 á 0,6. Tác dụng R W r R 1 R 2 e 01 0 D W T n 87 a d T d F V W r V E v W Hình 12.5. Sơ đồ làm việc của chong chóng của guồng giảm đột ngột khi tàu chòng chành và chiều chìm thay đổi, việc truyền động chúng so với các động cơ hiện đại khá phức tạp, vì vậy chúng chỉ đ ợc sử dụng trên các tàu sông luồng lạch cạn. Hiện nay ng ời ta không đóng những con tàu mới lắp guồng. Thiết bị đẩy đ ợc sử dụng rộng rãi nhất là chong chóng, nó hơn hẳn guồng do hiệu suất lớn, kết cấu đơn giản và độ tin cậy cao trong khai thác. Chong chóng gồm từ 3 á 7 cánh, đặt cách nhau cùng một góc trên mặt vật quay, đ ợc gọi là củ chong chóng (Xem H12.4) Hình 12.4. Các chong chóng với số cánh khác nhau Trục quay của chong chóng trùng với h ớng chuyển động của tàu hoặc nghiêng một góc th ờng không lớn. Các cánh chong chóng cong cả hai chiều với độ dang bé. Hình 12.5 là sơ đồ làm việc của chong chóng, gần đúng đ ợc mô tả bằng những tam giác tốc độ và lực tác dụng lên tiết diện cánh, đ ợc cắt bằng mặt trụ đồng trục với chong chóng. Dòng bao phần tử cánh đ ợc xác định bằng tốc độ v E , bao gồm tốc độ tịnh tiến v của tàu và tốc độ quay Wr quanh trục chong chóng. Phần tử của cánh chong chóng có thể coi là một prôphin chuyển động trong dòng chảy với tốc độ v E theo góc tới a. Trong tr ờng hợp này trên phần tử sẽ xuất hiện lực nâng và lực cản. Hình chiếu hợp lực của các lực này lên h ớng chuyển động là lực đẩy dT của phần tử đã cho, còn hình chiếu lên mặt phẳng quay dF ng ợc chiều với tốc độ Wr tạo thành mômen đối với trục quay mà động cơ phải thắng nó. Chong chóng th ờng đặt ở phần đuôi tàu. Chỉ trên một vài kiểu tàu (phà, tàu phá băng) ngoài chong chóng ở đuôi còn có thêm chong chóng ở mũi. Ng ời ta th ờng bố trí một chong chóng ở mặt phẳng đối xứng, hoặc hai chong chóng ở hai mạn đối xứng nhau. ít khi ng ời ta dùng ba đến bốn chong chóng trên các tàu chạy nhanh trọng l ợng lớn. Chong chóng đ ợc lắp trên trục nằm ngang hoặc nghiêng. Trên các tàu một chong chóng gối đuôi đ ợc đặt trong lỗ luồn trục, khi bố trí trục ở bên mạn gối này phải tựa lên giá chữ nhân. Trong những tr ờng hợp khi chong chóng phải đặt cách xa đáy tàu một khoảng lớn, ví dụ trên các tàu cánh ngầm, hoặc khi cần phải quay trục chong chóng để đảm bảo tính ăn lái thì việc dẫn động nó phải đ ợc thực hiện bằng cách truyền động công suất kiểu góc - cột định góc. Về nguyên tắc trên mỗi trục chỉ lắp một chong chóng. Song để nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống đẩy, ng ời ta sử dụng các chong chóng đồng trục quay ng ợc chiều nhau. Trong tr ờng hợp này cần phải dùng hệ gồm hai trục chong chóng đồng tâm - trục lồng ngoài và trong, mỗi trục quay một chong chóng riêng. Nếu bố trí hai chong chóng, nên tránh tr ờng hợp chúng quay cùng chiều. P 2 P 2 2P 2 R 0 R 0 R0R0 T 2 T 2 R 0 R 0 T 2 T 2 w V A 88 Để nâng cao hiệu suất của các chong chóng ng ời ta còn sử dụng thêm các thiết bị h ớng dòng nh đạo l u và các cánh. Đạo l u là một cánh hình vòng bao lấy chong chóng và các cánh dẫn h ớng dòng chảy (Xem H12.6). Chiều chuyển động Hình 12.6. Chong chóng trong đạo l u Đối với các chong chóng có b ớc không đổi thì việc đảm bảo chiều chạy của tàu cần phải đảo chiều quay của chong chóng. Việc chạy đảo chiều hoàn toàn đơn giản khi sử dụng chong chóng biến b ớc, vì cánh của chúng có thể quay quanh trục h ớng bán kính t ơng ứng để có thể thay đổi đ ợc trị số và dấu của lực đẩy khi vẫn giữ nguyên chiều quay của chong chóng Chân vịt Voit - Schneider, viết tắt là (V.S) cũng cho phép thay đổi dấu và trị số của lực đẩy khi chiều quay của trục vẫn không đổi. Chân vịt sẽ làm thay đổi đ ợc véc tơ lực đẩy khi quay trong mặt phẳng nằm ngang giới hạn từ 0 á 360 0 . Thiết bị đẩy này đ ợc sử dụng vào năm 1930, có thân hình trống, mà mặt d ới của nó đặt ngang tầm với đáy tàu. Trên chu vi của trống theo các góc bằng nhau đặt 4 á 8 cánh thò xuống phía d ới để vừa quay với trống vừa quay quanh trục bản thân. Dạng prôphin cánh có thể là hình thang hoặc nửa elip. Hình 12.7. a . Sơ đồ làm việc của chân vịt d D 1 D 2 D S L H 1 H 2 dP H dT H dR H dX H p / 2 dP H i d y H D DE D DR n i a i D D D D D D 89 n i, p 0 3 2 1 n i, P 0 Hình 12.9. Thiết bị phụt n ớc chiều chuyển động Hình 12. 7. b. Sơ đồ làm việc của chân vịt Trong một vòng quay của trống các cánh sẽ thực hiện trọn vẹn một dao động, biên độ và pha dao động đ ợc xác định bằng cơ cấu vi sai đặc biệt đặt trong trống của chân vịt. ứng với mọi lúc các đ ờng vuông góc với dây cung của cánh đều cắt nhau tại một điểm, đ ợc gọi là tâm điều khiển (Xem H12.8). Tổng tốc độ của dòng chảy tới cánh sẽ tạo với dây cung của cánh góc a k . Nh vậy trên cánh sẽ xuất hiện lực thuỷ động R, các hình chiếu của nó lên h ớng chuyển động và tiếp tuyến với vòng tròn sẽ tạo ra lực đẩy và mômen mà hệ thống năng l ợng phải thắng lại nó. Kết cấu của bộ dẫn động chân vịt cho phép xác định đ ợc tâm điều khiển N tại một điểm bất kỳ trên vòng tròn. Chuyển vị của điểm N sẽ làm thay đổi lực đẩy, ph ơng của lực đẩy vuông góc với đoạn 0N, còn trị số tỉ lệ với chiều dài của đoạn đó. Hình 12. 8. Các vị trí tâm điều khiển cánh chân vịt Nh vậy, chân vịt không những thực hiện đ ợc chức năng của thiết bị đẩy mà còn đóng vai trò thiết bị lái, nhờ chúng có thể đảm bảo đ ợc việc quay tàu tại chỗ, dịch tàu 0 N 0 N 0 N 0 N N P T R v0 wR a np wR P T R 0 a n p wR w a a 90 sang ngang. Chân vịt kém chong chóng về mặt hiệu suất, nó có khối l ợng lớn và kết cấu phức tạp, nh ng lại có tính chất điều động cao nên vẫn đ ợc áp dụng ở một số kiểu tàu. Những thiết bị đẩy gồm các ống dẫn hoặc các kênh, mà bơm đặt trong lòng chúng đ ợc gọi là thiết bị phụt n ớc (Xem H12.9). Bơm sẽ hút n ớc qua lỗ tiếp nhận và xả nó qua đ ờng ống. Dòng n ớc xả có thể xả trong n ớc, vào không khí hoặc vừa n ớc vừa không khí đối với thiết bị phụt n ớc kiểu bán chìm. Với tốc độ chuyển động chậm và trung bình thì hiệu suất của thiết bị phụt n ớc kém chong chóng, vì vậy chúng chỉ đ ợc áp dụng trên các tàu chạy trong luồng cạn và vùng n ớc nhiễm bẩn. Đặc điểm nổi bật của thiết bị phụt n ớc là không có khả năng đảm bảo việc chạy đảo chiều của tàu bằng cách đổi h ớng quay vành cánh bơm. Vì vậy thiết bị phụt n ớc th ờng đ ợc lắp các thiết bị để đổi h ớng dòng n ớc xả, cũng nh các bánh lái đặc biệt và các tấm che để đảm bảo việc đảo chiều. ở những tốc độ chuyển động lớn thì hiệu suất của thiết bị phụt n ớc gần bằng hiệu suất của chong chóng, vì vậy trong những năm gần đây ng ời ta đã áp dụng chúng trên các tàu cánh ngầm và taù đệm khí. Để tăng áp trên đoạn ống xả các thiết bị phụt n ớc có thể dùng bơm h ớng tâm hoặc ly tâm, cũng nh bằng năng l ợng của khí nén. Các thiết bị đẩy trực tiếp biến năng l ợng dãn nở chất khí sang tăng áp cho n ớc, đ ợc gọi là thiết bị phụt khí. Sơ đồ của các thiết bị này rất khác nhau. Chúng có thể chia ra hai nhóm chính - thẳng dòng và mạch động. n + w x Hình 12.10. Thiết bị phụt khí a. Thẳng dòng _ b. Mạch động Thiết bị phụt thẳng dòng gồm một ống với mặt cắt biến đổi, mà n ớc và khí có áp suất đi qua đó. Nh vậy hỗn hợp hai pha đã xuất hiện sẽ đ ợc tăng tốc do sự giãn nở thể tích chất khí và xả về phía ng ợc chiều với chiều chuyển động của tàu (Xem H12.10.a). Tính chất của thiết bị phụt khí thẳng dòng là không có khả năng tạo ra lực kéo khi tốc độ chuyển động của tàu bằng không. Thiết bị phụt mạch động (Xem H12.10.b) vẫn tạo ra lực kéo ngay cả khi tốc độ chuyển động của tàu bằng không, nhờ các van đóng mở chu kỳ kênh tiếp n ớc. Hiệu suất của thiết bị phụt mạch động thấp hơn hiệu suất của thiết bị phụt thẳng dòng. Nói tóm lại, thiết bị phụt khí hoàn toàn kém về mặt hiệu suất so với loại có cánh cho nên không đ ợc áp dụng rộng rãi. V a) b) . 85 Phần 2 thiết bị đẩy tàu thuỷ Ch ơng 12 Các tính chất chung và sự phân loại các thiết bị đẩy tàu 12. 1. Khái niệm cơ bản về thiết bị đẩy tàu Trọng l ợng của tàu khi đứng. của bộ truyền động (bộ giảm tốc, bộ tải điện và ) g V D R 86 12. 2. Các kiểu thiết bị đẩy và tính chất của chúng Tất cả các thiết bị đẩy tàu đều tạo nên lực đẩy nhờ phản lực của các khối. chuyển động của tàu (Xem H 12. 10.a). Tính chất của thiết bị phụt khí thẳng dòng là không có khả năng tạo ra lực kéo khi tốc độ chuyển động của tàu bằng không. Thiết bị phụt mạch động (Xem H 12. 10.b)