Hướng dẫn thiết kế trang bị động lực tàu thủy - Chương 2 pps

Công suất trên chỉ có ý nghĩa trong thiết kế sơ bộ tàu, trong các giai đoạn thiết kế tiếp theo ta phải tính tương đối chính xác công suất máy và chọn được máy phù hợp với chế độ làm việc

Chương II TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TÀU

1 TÍNH SỨC CẢN VÀ CHỌN CÔNG SUẤT MÁY CHÍNH

1.1 Tính sức cản

Sức cản tàu là tổng hợp tất cả các ngoại lực tác dụng lên tàu làm giảm khả năng chuyển động của tàu Ngoại lực tác dụng lên tàu do nhiều thành phần: sức cản sóng, sức cản ma sát, sức cản áp suất để tàu chuyển động được thì lực tạo ra do thiết bị đẩy của tàu phải thắng được ngoại lực nầy Do đó việc tính sức cản tàu là rất quan trọng trong quá trình thiết kế tàu Có rất nhiều phưong pháp tính sức cản tàu, tuy nhiên mỗi phương pháp chỉ cho kết quả tốt nhất cho một số loại tàu nhất định (có những thông số phù hợp), vì vậy khi tính sức cản chúng ta phải lựa chọn phương pháp thích hợp nhất cho tàu mình thiết kế để có được kết quả đáng tin cậy Ở đây chỉ nêu một số phương pháp tính sức cản gần đúng cho một số loại tàu

a Tính sức cản theo phương pháp hải quân

Sử dụng để tính công suất kéo của tàu trong qúa trình thiết kế sơ bộ Công thức tính như sau:

0

3 / 2 3 0

C

D v

Trong đó:

N0 là công suất kéo cần thiết của tàu

VS: Vận tốc tàu (hl/h) D: Lượng chiếm nước của tàu

C0: Hệ số hải quân Hệ số hải quân xác định từ tàu mẫu hoặc theo bảng thống kê (phụ lục) Phương pháp nầy cho kết quả tốt khi lựa chọn tàu mẫu hợp lý nghĩa là ta phải chọn tàu mẫu có hình dạng gần giống với tàu ta thiết kế

b Phương pháp Papmel

Sử dụng cho các tàu có các thông số cơ bản như sau:

δ = 0.35 ÷ 0.8 L/B = 4 ÷ 11 B/T = 1.5 ÷ 3.5

Fr < 0.9

D N

D: Lượng chiếm nước của tàu (m3)

L: Chiều dài thiết kế của tàu (m)

χ: Hệ số phụ thuộc vào số trục chân vịt

χ = 1 khi tàu có một trục chân vịt

χ = 1,05 khi tàu có hai trục chân vịt

χ = 1,075 khi tàu có ba trục chân vịt

χ = 1,1 khi tàu có bốn trục chân vịt

Hệ số λ được tính theo công thức sau:

1003.07

=λ

= - Hệ số thon của tàu

với B là chiều rộng của tàu, L là chiều dài tàu, δ là hệ số béo thể tích của tàu

CP: Là hệ số xác định từ đồ thị Papmel (phụ lục) trong đó hệ số vS’ được xác định như sau:

L v

(Các phương pháp tính sức cản khác tham khảo Sổ Tay Kỹ Thuật Đóng Tàu Tập 1)

c Tính sức cản cho tàu sông theo phương pháp Zvonkov

Theo các số liệu của Zvonkov, lực cản tàu sông (vỏ thép, tự hành) có thể tính theo công thức sau:

Fr

R=ξ Ω 1,825 +δ.ξ Θ 1,7+4

Trong đó:

ξr : Hệ số lực cản ma sát

ξr = 0.17 đối với tàu vỏ thép

ξr = 0.23 ÷ 0.25 đối với tàu vỏ gỗ

S⊗: Diện tích sườn giữa (m2)

Ω: Diện tích mặt ướt (m2)

Diện tích mặt ướt của tàu được tính theo công thức gần đúng sau:

)09,23,3

3 / 2

V

L

=Ω

V: Thể tích chiếm nước của tàu (m3)

L: Chiều dài mặt ướt của tàu (m)

δ: Hệ số béo thể tích của tàu

v: Vận tốc tàu

Fr: Hệ số Froude của tàu được tính theo công thức sau:

gL

v

Fr =

v: Vận tốc tàu (m/s)

L: Chiều dài tàu (m)

ξ: Hệ số lực cản dư

Hệ số lực cản dư được tính như sau:

2)6(

7,173

5 , 2+

=

B L

mδξ

m = 1.0 đối với tàu có thiết bị đẩy là chân vịt

m = 1.2 Đối với tàu có thiết bị đẩy là chân vịt trong ống đạo lưu

Lập bảng thống kê và vẽ đồ thị sức cản

Bảng thống kê:

Giải thích các cột :

(1) v: Vận tốc tàu (theo nhiệm vụ thư hoặc giả thiết)

Rv

với: v là vận tốc tàu, R là sức cản toàn phần của tàu

Công suất trên chỉ có ý nghĩa trong thiết kế sơ bộ tàu, trong các giai đoạn thiết kế tiếp theo

ta phải tính tương đối chính xác công suất máy và chọn được máy phù hợp với chế độ làm việc của tàu, tạo được hiệu suất đẩy cao nhất và tương thích với chân vịt Thông thường người ta tính chọn máy cho các trường hợp cụ thể sau:

a Chọn máy chính cho tàu làm việc theo chế độ chạy tự do, đường kính chân vịt không hạn chế

Thông số đầu vào: sức cản tàu R = f(v) và vận tốc tàu vmax

Yêu cầu: Xác định công suất máy chính, tần số quay chân vịt, thông số chính của chân vịt

Sơ đồ tính: Đầu tiên, ta chọn số vòng quay chân vịt trong một khoảng giới hạn xác định (ví dụ chọn vòng quay chân vịt là 400 v/ph, 600v/ph, 800v/ph ) tại mỗi tần số quay chân vịt

ta tiến hành tính theo các bước sau:

1 Xác định hệ số

4 '

T n

Vp n

Trong đó T, Vp được tính như sau:

)1(

max

t

V R T

V: vận tốc tàu (m/s)

w: Hệ số dòng theo ( xem phần III )

ρ mật độ nước, ρ = 104,5 kGs2/m4

n: số vòng quay chân vịt (giả thiết) – đơn vị (v/s)

2 Trên đồ thị Jopt = F2(K’n) ta đọc được giá trị Jopt

3 Đường kính chân vịt tối ưu: n

Vp Jopt

4 Xác định hiệu suất tối ưu theo đồ thị ηP = F4(KT,J)

5 Xác định công suất theo công thức sau:

Công suất keó cần thiết:

75

Rv EPS = v(m/s), R(kG) Công suất máy:

P R V T HS

EPS Pe

ηξηηη

=

Trong đó:

ηHS : Hiệu suất hộp số

ηHS = 0.95–0.97 với hộp số thủy lực

ηHS = 0.97-0.98 với hộp số điện từ

ηT: Hiệu suất trục chân vịt

ηT = 0.95 khi đường trục dài

ηT = 0.97 khi dùng ổ đỡ là bi cầu hoặc bi lăn

ηV: Hiệu suất vỏ tàu

ηV = 0.98-1.2

ξR : Hiệu suất dòng xoáy

ξR = 1.0-1.025

ηP: Hiệu suất chân vịt (xác định the đồ thị ở bước 4)

6 Vẽ đồ thị Pe, D, H/D, ηP theo n Tại giá trị nP lớn nhất ta xác định được các giá trị

Pe, D, H/D, n hợp lý

Đồ thị có dạng như sau:

Việc chọn máy chính cho tàu có được thể hiện qua bảng sau:

Số vòng quay chân vịt (hoặc máy) v/ph

TT Công thức, ký hiệu Đvị

8

(Các giá trị trong các cột đã trình bày ở phần trên)

2 THIẾT KẾ CHÂN VỊT

2.1 Chọn số cánh chân vịt và tỉ lệ mặt điã

a Chọn số cánh chân vịt:

Số cánh chân vịt thay đổi từ 2 đến 8 cánh Theo kinh nghiệm, người ta thường dùng như sau:

Chân vịt 2 cánh: dùng cho thuyền buồm gắn máy hoặc cho tàu lưới bé

Chân vịt 3 cánh dùng cho các tàu nhỏ trang bị một hoặc hai máy (chân vịt 3 cánh gắn lên tàu 1 chân vịt có khả năng gây ra rung động vỏ tàu)

Chân vịt 4 cánh được dùng rộng rãi trên các loại tàu

Các loại chân vịt có số cánh lớn hơn được dùng trên các tàu có công suất lớn

Lưu ý: Không nên chọn chân vịt có số cánh là ước số cuả số xilanh máy chính

b Tỷ lệ mặt điã

Để tránh hiện tượng sủi bọt và xâm thực, tỷ lệ mặt điã của chân vịt không được nhỏ hơn giá trị tính theo công thức sau:

k p

p

T Z A

Ae

d o

)3,03,1(

Trong đó:

Z: số cánh chân vịt T: lực đẩy chân vịt

k = 0.2 cho tàu một chân vịt

pd: áp suất hơi bảo hòa, pd = 240 kg/m2

po : áp suất thủy tĩnh

po = (pa +γhS)

pa = 10.330kG/m2 (áp suất khí quyển)

hS : Chiều chìm đến trục chân vịt

γ : trọng lượng riêng của nước,

γ = 1000 kg/m3 – Đối với nước ngọt

γ = 1025 kg/m3 – Đối với nước biển

2.2 Tính hệ số dòng theo và hệ số lực hút

a Hệ số dòng theo:

Các công thức xác định hệ số dòng theo:

w D

w=0,156.δn 3 ∇ −∆ Trong đó :

n- số chân vịt trên tàu

D- đường kính chân vịt, m

∇- thể tích chiếm nước của tàu

δ- hệ số béo thể tích

∆w = 0,1(Fr - 0,2): hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng của sóng đuôi

(chỉ sử dụng khi số

w0 = F(δ,B/L) tra từ đồ thị

w1- hệ số ảnh hưởng dạng sườn tàu, tra từ đồ thị

w2 = F(D/L), tra từ dồ thị

w3 = 0,5E/T – 0,2

E: khoảng cách từ đường cơ bản qua đáy tàu đến trục chân vịt

T: mớn nước

Công thức Harvald phù hợp cho các tàu trong phạm vi:

Tàu một chân vịt:

δ = 0,5÷0,77 L/B = 5÷8 D/L = 0,025÷0,07 Tàu hai chân vịt:

δ = 0,52÷0,67 L/B = 6,5÷7,5 Hệ số dòng theo tàu nội địa không có hầm trục:

w D n

w=0,11+0,16δn 3 ∇ −∆ Hệ số dòng theo tàu kéo tính theo công thức của Keldvil:

Tàu một chân vịt: w = δ/3 + 0,01

Tàu hai chân vịt: w = δ/3 – 0,01

Hệ số dòng theo tàu cá:

w = 0,77CP – 0,28 trong đó: CP - hệ số đầy lăng trụ

b Hệ số lực hút

Trong vùng làm việc của chân vịt, tốc độ dòng chảy tăng lên làm giảm áp suất cục bộ Vùng áp suất thấp này là nguyên nhân gây ra lực bổ sung tác động theo hướng ngược với chuyển động của tàu và do đó làm tăng sức cản vỏ tàu Lực cản bổ sung này gọi là lực hút Trong hệ thống vỏ tàu-chân vịt, lực này mang tính chất của nội lực Do đó để đảm bảo cân bằng lực tác động lên vỏ tàu, chân vịt phải tạo thêm lực đẩy cân bằng với lực cản bổ sung

Do đó lực đẩy cần thiết sẽ phải là:

Công thức xác định lực hút:

Tàu đi biển:

+Tàu một chân vịt:

a = 0,9÷1,05: đối với tàu có bánh lái phẳng

+Tàu hai chân vịt:

t = 0,25w + 0,14

Tàu nội địa:

+Tàu một chân vịt:

2.3 Thiết kế chân vịt

Sau khi đã xác định được sức cản tàu và xác định được máy chính ta tiến hành thiết kế chân vịt cho phù hợp Ta xét các bài toán cụ thể sau:

a Bài toán 1: Thiết kế chân vịt theo chế độ chạy tự do, đường kính không hạn chế

Các thông số cho trước:

▫ Đường cong sức cản vỏ tàu R = f(V);

▫ Các thông số máy chính: công suất định mức Pe, tần số quay n

▫ Các hệ số vỏ tàu, hệ số môi trường, các hiệu suất…

Các thông số cần tìm:

▫ Đường kính chân vịt D, tỉ lệ bước xoắn H/D, tỉ lệ mặt đĩa Ae, hiệu suất chân vịt

ηp

▫ Tốc độ tàu lớn nhất Vs

Cách giải:

Sử dụng đồ thị Taylor Bp-δ hoặc Papmiel Kq-J Lần lượt tính thử cho các tốc độ tàu V1,

V2…Ở mỗi tốc độ Vi tính hệ số Taylor Bp hoặc Papmiel Kn Từ đồ thị tương ứng đọc giá trị hệ số tốc độ tối ưu δ hoặc J = 101.3/δ

▫ Tính đường kính D theo J, n, Vp Các hệ số H/D, ηp đọc từ đồ thị tương ứng

▫ Tính lực đẩy của chân vịt dựa vào công suất dẫn đến chân vịt, hiệu suất chân vịt và tốc độ dòng chảy qua cánh

▫ Tính hiệu suất giữa lực đẩy chân vịt và sức cản vỏ tàu Kiểm tra lại với sai số cho phép (thường là 5%) Nếu vượt quá mức cho phép thì tính lại với tốc độ khác (lấy từ đồ thị sức cản) cho đến khi nào thỏa mãn điều kiện trên

Sau đây là sơ đồ tính:

Dựa vào đồ thị Taylor Dựa vào đồ thị Papmiel

Vs

Va=Vs(1-w)

Hl/g Hl/g

-

Vs Vp=0,515Vs(1-w)

hl/g m/sec _

δopt=F1(Bp) (tra đồ thị)

δ=(0,94÷0.96)δopt (tra đồ thị)

Vp Vp n

Jopt=F1(K”n) (tra đồ thị)

96,094,

J

n J

Vp D

=

5 3

936,11

D n

Pd Kq

_ _

kG

kG

b Bài toán 2: Thiết kế chân vịt theo chế độ kéo

Các thông số cho trước bao gồm:

▫ Kích thước và thông số đặc trưng của vỏ tàu

▫ Các hệ số, hiệu suất liên quan đến vỏ tàu…

▫ Các thông số đặc trưng của máy: Pe, n, hiệu suất hộp số ηhs, đường trục ηt

▫ Hệ số tính đến ảnh hưởng của môi trường Cmt

▫ Tốc độ kéo cần đạt đến Vk

Các thông số cần tìm:

▫ Đường kính D, tỉ lệ bước H/D, tỉ lệ mặt đĩa Ae

▫ Hiệu suất chân vịt ηp

▫ Trước hết cần tính:

▫ Công suất dẫn đến chân vịt: Pd = Cmt.ηhs.ηt.Pe

▫ Tần số quay chân vịt trong nước được tăng hoặc giảm đi 2% theo hướng dẫn

▫ Tốc độ tiến thật của chân vịt trong nước:

Va = Vk(1-w) (hl/g)

Vp = 0,515.Vk(1-w) (m/s)

Sơ đồ tính tiếp theo:

Dựa vào đồ thị Taylor Dựa vào đồ thị Papmiel

Vp Vp n

=

J=F1(K”n) (tra đồ thị) D=Vp/J.n

H/D=F2(J,K”n) (tra đồ thị)

ηp=F3(J,K”n) (tra đồ thị) T=75Pd.ηp/Vp

Te=T(1-t)

Zo=Te-R(Vk)

hl/g m/s _

Nếu đường kính chân vịt bị hạn chế, sơ đồ tính như sau:

Dựa vào đồ thị Taylor:

▫ Tính Bp và δ = 101,3n.D/Vp

▫ Tra H/D và ηp từ đồ thị

Dựa vào đồ thị Papmiel:

▫ Tính

5 3

936,11

D n

Pd Kq

3 THIẾT KẾ HỆ TRỤC TÀU THỦY

Công việc tính toán, kiểm tra hệ trục được tiến hành sau khi đã tính chọn được máy chính

3.1 Phương pháp tính kích thước cơ bản hệ trục tàu thủy

a Kích thước cơ bản hệ trục tàu biển

i Trục trung gian

Đường kính trục trung gian được làm bằng thép rèn không được nhỏ hơn giá trị sau:

3 1

H k F d

F1: Hệ số lấy theo bảng 1

k1: Hệ số lấy theo bảng 2

TS: Giới hạn bền kéo danh nghiã của vật liệu làm trục (N/mm2) Trong tính toán, trị số được lấy bằng: TS = 520÷540 N/mm2

k: Hệ số trục rỗng tính theo công thức sau:

4 0

)(11

d d

K

i

−

=

dI: Đường kính trong của trục rỗng (mm)

d0: Đường kính ngoài của trục rỗng (mm) Nếu dI≤ 0.4 d0, có thể lấy K=1

Đối với thiết bị tuabin hơi, tuabin khí, thiết bị

diezen có khớp nối trượt, thiết bị đẩy bằng điện Đối với tất cả thiết bị diezen không phải là các thiết bị ghi ở cột trái

Trục có rãnh then

Trục có lỗ khoét ngang Trục có khe khoắc dọc Trục có then trượt

Bảng 2: Trị số k 1

Đường kính trục trung gian được chế tạo từ thép không rỉ không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau:

4

1000

N

H k

d S =

Trong đó k3 được lấy theo bảng sau:

KSUS 316 SU

KSUSF 316 L KSUS 316 L-SU

1

Phần giữa đầu lớn của phần côn trục chân vịt

(trong trường hợp chân vịt được lắp bích, mặt

trước của bích) và đầu trước ổ đỡ sau cùng

trong ống bao trục hoặc 0.25ds lấy trị số lớn

2

Trừ phần trục qui định ở 1 bên trên, phần trục

tính về phía mũi cho đến phần trước của đệm

kín ống bao trục trước và đầu trước của ổ đỡ

sau cùng trong ống bao trục hoặc 2.5ds lấy trị

3 Phần trục nằm phía trước của đầu trước đệm

Bảng 3: Trị số k3

ii Trục lực đẩy

Đường kính trục lực đẩy không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau:

3

160

5601

T N

H F d

Nếu đường kính trục lực đẩy lớn hơn đường kính trục trung gian thì đường kính trục đẩy có thể giảm dần về phía mũi hoặc phía lái bằng cách nhân 0.91 với giá trị đường kính tính theo công thức trên

iii Trục chân vịt

Đường kính trục chân vịt được làm bằng thép cacbon rèn hoặc thép hợp kim thấp rèn không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau:

T N

H k d

dS: đường kính trục chân vịt

k2: giá trị được lấy theo bảng 4 TS: Giới hạn bền keó danh nghĩa của vật liệu, trị số TS không được lấy lớn hơn 600

N/mm2

Các giá trị còn lại đã liệt kê trong các công thức trước

Đối với trục chân vịt được chế tạo từ thép không gỉ, đường kính trục chân vịt không được nhỏ hơn giá trị tính theo công thức sau:

3

3 100

N

H k

d =

Trong đó k3 là hệ số liên quan đến vật liệu đã liệt kê trong bảng 2

Đối với mối ghép trục và chân vịt không dùng then hoặc nếu chân vịt được gắn bích liền

1.22

1

Phần giữa đầu lớn của phần côn trục

chân vịt (trong trường hợp chân vịt

được lắp bích, mặt trước bích và đầu

trước của ổ đỡ sau cùng trong ống bao

trục hoặc 2.5dS , lấy trị số nào lớn hơn Đối với chân vịt có rãnh then để lắp

2 Trừ phần trục qui định ở phần 1, phần trục tính về phía mũi cho đến phần trước

3 Phần trục nằm ở phía trước của đầu trước đệm kín ống bao trục trước 1.15

Bảng 4: Trị số k 2

b Kích thước cơ bản hệ trục tàu sông

i Đường kính trục trung gian

Đường kính trục trung gian không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức:

( )

65

a: hệ số được xác định theo bảng sau:

Số lượng

xilanh

Số lượng xilanh

8.0 3.8 2.6 2.2 1.8 1.5

1.3 1.2 1.15 1.15 1.1 1.05

Bảng 5: Giá trị hệ số a

Ta có thể tính đường kính trục trung gian theo công thức sau:

k : tính theo công thức trên

ii Trục đẩy

Đường kính trục trong vùng vành đẩy phải lớn hơn đường kính trục trung gian ít nhất 10%,

ở ngoài ổ đẩy có thể giảm dần đến đường kính trục trung gian

iii Trục chân vịt

Đường kính trục chân vịt không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức:

dcv = dtg + KD Trong đó:

dtg: Đường kính trục trung gian D: Đường kính chân vịt

K= 7 đối với trục được làm bằng thép không gỉ K=10 đối với trục làm bằng các loại thép khác

Đường kính đoạn đầu trục chân vịt từ vòng đệm kín ở ống bao đến mặt bích (hoặc khớp nối có thể giảm dần đến 1.05 đường kính trục trung gian

iv Áo trục chống ăn mòn

Áo trục chống ăn mòn được làm bằng đồng thau và có chiều dày không nhỏ hơn trị số tính theo công thức:

t = 0.03d + 7.5mm

Trong đó:

d: đường kính trục chân vịt (m)

t: chiều dày lớp áo trục (mm)

v Gối đỡ trục

Bạc trục được chế tạo bằng gỗ, cao su Bạc cao su được chọn theo tiêu chuẩn

Chiều dài gối đỡ trục: đối với tàu biển L≥ 4dS , đối với tàu sông L≥ 3dS Với dS là đường kính trục chân vịt

3.2 Bố trí hệ trục

Bố trí hệ trục tàu được tiến hành sau khi xác định máy chính và xác định kích thước hệ trục Dựa vào kết cấu vùng đuôi tàu, kết cấu buồng máy mà bố trí cho phù hợp, đảm bảo dòng nước chảy vào chân vịt là tốt nhất, hiệu suất đẩy cao, không bị rung

Giữa chân vịt và vòm đuôi phải đảm bảo các khoảng cách theo qui định Khi bố trí trục tốt nhất là bố trí góc nghiêng của trục so với phương ngang là α = 00 nhưng theo kết cấu vòm đuôi thường không thể bố trí α = 00 do đó thường bố trí α≤ 30, trường hợp đặc biệt α = 50

Khi bố trí hệ trục cần chú ý kiểm tra dao động ngang tại gối đỡ trục, kết cấu gối đỡ được xác định theo qui phạm

Vòng quay tới hạn :

max 2

610.08.12

l

d

Trong đó:

dCV là đường kính trục chân vịt (cm)

l: Khoảng cách giưã hai gối đỡ trục (cm)

Hệ số an toàn:

%100

n

n n

=

Khi k >30% thì mới thỏa mãn Nếu k không đảm bảo thì phải tăng dCV hay giảm l

a Tính momen uốn và phản lực tại các gối đỡ trục

a

n + 1 n

n -1 2

1 0

0

ql l G

M =− CV a +

)(

4)

4)

4)

4)

Phản lực tại các gối: