VIẾT CHƯƠNG TRÌNH THIẾT kế CHÂN vịt tàu

Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 1 Lớp 42TT - 2. Phan Thành Nhân TS. Trần Gia Thái TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY SẢN KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN TÀU THUYỀN ♫♪A♪♫ PHAN THÀNH NHÂN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ TÀU THUYỀN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. TRẦN GIA THÁI Nha Trang, 6/2005 ĐỀ TÀI: VIẾT CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ CHÂN VỊT TÀU THỦY PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 2 Lớp 42TT - 2. Phan Thành Nhân TS. Trần Gia Thái CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 3 Lớp 42TT - 2. Phan Thành Nhân TS. Trần Gia Thái 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Chân vòt là một bộ phận của thiết bò năng lượng, làm nhiệm vụ chuyển hóa năng lượng của động cơ thành lực đẩy để đẩy tàu chuyển động. Như đã biết, để nâng cao tốc độ tàu ngoài việc thiết kế đường hình tối ưu nhằm hạn chế tối đa sức cản thì để phát huy hết công suất máy chính cần phải có một chân vòt hợp lý về động lực học và phù hợp với sự làm việc của máy chính và thân tàu. Đối với nước ta hiện nay, công tác thiết kế và chế tạo chân vòt còn nhiều hạn chế. Việc thiết kế chế tạo và lắp đặt chân vòt hầu như theo kinh nghiệm, theo các tàu mẫu hoặc lắp máy có kèm theo chân vòt. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế chân vòt, nhất là việc ứng dụng tin học vào công tác thiết kế là một việc làm cần thiết và góp phần đẩy mạnh sự hiện đại hóa cơ sở vật chất cho ngành đánh bắt cá nước ta trên đường phát triển. Chương trình thiết kế chân vòt được lập nhằm tự động hóa với công việc thiết kế chân vòt phù hợp với yêu cầu đặt ra. 1.2 THỰC TRẠNG CÔNG TÁC THIẾT KẾ CHÂN VỊT nước ta hiện nay do những hạn chế về mặt công nghệ nên công tác thiết kế và chế tạo chân vòt chưa được quan tâm đúng mức. Đa số các tàu đánh cá ở nước ta khi đóng mới thường chưa thực hiện vấn đề thiết kế chân vòt, hầu hết lắp các máy có kèm chân vòt hoặc lắp chân vòt theo kinh nghiệm dựa trên dựa trên mẫu có sẵn của các cơ sở đóng tàu nên không thể đảm bảo sự phù hợp giữa máy – thân tàu – chân vòt. Đối với các nước trên thế giới đã có rất nhiều phần mềm được công bố và sử dụng khá rộng rãi như Modul AutoPower trong phần mềm AutoShip. Song trên thực tế những phần mềm này ít phù hợp với những nhà máy đóng tàu vừa và nhỏ ở nước ta vì chi phí đầu tư để mua những phần mềm như thế này là khá lớn, nên các phần mềm này chưa được sử dụng phổ biến ở nước ta. Do đó cần phải tìm kiếm những phương án mới nhằm giải quyết hiệu quả hơn nữa những vấn đề thực tiễn trong ngành công nghiệp đóng tàu Việt Nam. Trong nhiều năm trở lại đây việc ứng dụng công nghệ tin học vào các ngành khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, nhằm đáp ứng một phần công tác đóng PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 4 Lớp 42TT - 2. Phan Thành Nhân TS. Trần Gia Thái mới tàu thủy ở nước ta thì việc nghiên cứu bài toán viết chương trình thiết kế chân vòt tàu thủy là cần thiết đối với ngành đóng tàu nước ta. 1.3 GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Thực tế hiện nay có nhiều phương pháp thiết kế chân vòt khác nhau, trong đó phổ biến nhất là phương pháp thiết kế chân vòt theo phương pháp đồ thò. Điển hình là phương pháp thiết kế chân vòt theo đồ thò Papmeil (Nga) và Taylor (Mỹ). Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi lựa chọn viết chương trình thiết chân vòt theo phương pháp Papmeil theo hai phương án thiết kế: chế độ hàng hải tự do và chế độ kéo. Trên cơ sở đó, nội dung của đề tài này được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Đặt vấn đề. Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế chân vòt. Chương 3: Thuật toán và chương trình. Chương 4: Đề xuất và kiến nghò. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 5 Lớp 42TT - 2. Phan Thành Nhân TS. Trần Gia Thái CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ CHÂN VỊT PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 6 Lớp 42TT - 2. Phan Thành Nhân TS. Trần Gia Thái 2.1 ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC VÀ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CHÂN VỊT 2.1.1 Đặc điểm hình học Cánh chân vòt là một phần của mặt xoắn ốc, do đó đặc điểm hình học của chân vòt chính là đặc điểm của mặt xoắn ốc. 1. Mặt xoắn ốc và bước xoắn ốc Một điểm di chuyển dọc theo bề mặt của hình trụ tròn và thực hiện đồng thời hai chuyển động: chuyển động tònh tiến dọc theo trục hình trụ và chuyển động quay xung quanh trục hình trụ, vẽ lên bề mặt của nó 1 đường cong không gian được gọi là đường xoắn ốc. a) b) c) Hình 1: Đường xoắn ốc và góc xoắn Giả sử có một điểm chuyển động đều dọc theo bề mặt hình trụ bán kính hình trụ, tức là vận tốc chuyển động tònh tiến và chuyển động quay không đổi ( Hình 1.a đoạn AA’) của nó sau 1 vòng quay được gọi là bước xoắn của đường xoắn ốc. Nếu cắt bề mặt hình trụ dọc theo đường sinh AA’ và khai triển nó trên mặt phẳng, thì đường xoắn ốc sẽ được biểu diễn trên mặt phẳng dưới dạng cạnh huyền của tam giác vuông ADE, có cạnh góc vuông AE bằng chiều dài vòng tròn đáy của hình trụ r p 2 cạnh DE bằng bước xoắn H của đường xoắn ốc. Tam giác này được gọi là tam giác bước xoắn, còn góc đáy j được gọi là góc bước xoắn. Theo hình vẽ ta thấy bước xoắn H của đường xoắn ốc và góc bước xoắn j quan hệ với nhau theo biểu thức: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 7 Lớp 42TT - 2. Phan Thành Nhân TS. Trần Gia Thái r H tg . . 2 p j = (1) Trường hợp đang xét trên là đường xoắn ốc của 1 điểm chuyển động đều dọc theo bề mặt hình trụ, khi khai triển trên mặt phẳng sẽ chuyển thành đường thẳng. Đường xoắn ốc như thế được gọi đường xoắn ốc có bước xoắn không đổi (Hình1.b). Bây giờ, ta giả thiết rằng điểm chuyển động tònh tiến hay vận tốc chuyển động quay thay đổi. Trong trường hợp này, đường xoắn ốc khi khai triển trên mặt phẳng sẽ chuyển thành 1 đường cong phẳng (hình 1.c). Đường xoắn ốc như thế được gọi là đường xoắn ốc có bước xoắn thay đổi, còn độ nâng DE của điểm đó sau 1 vòng quay được gọi là bước xoắn trung bình của đường xoắn ốc có bước xoắn thay đổi. Để xác đònh bước xoắn thực tế h của nó tại một điểm bất kì F, cần phải vẽ tiếp tuyến FG với đường xoắn ốc khai triển tại điểm này và xây dựng tam giác bước xoắn FGK (Hình1.c). Đoạn thẳng A’B’ khi chuyển động sao cho 1 đầu của nó dòch chuyển dọc theo trục O’O của hình trụ mà đường xoắn ốc này được vẽ lên bề mặt của nó trong không gian 1 bề mặt xoắn ốc ( hình 2). Đoạn thẳng này được gọi là đường sinh của bề mặt xoắn ốc, còn đường xoắn ốc mà đầu đoạn thẳng trượt theo nó, được gọi là đường chuẩn hay đường dẫn hướng của bề mặt xoắn ốc. Đường sinh của bề mặt xoắn ốc có thể là đường thẳng hay đường cong, nghiêng 1 góc bất kì với trục O’O. Cũng như đường xoắn ốc, mặt xoắn cũng có bước cố đònh hoặc biến đổi. Hình 2: Mặt xoắn ốc PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 8 Lớp 42TT - 2. Phan Thành Nhân TS. Trần Gia Thái 2. Các đặc điểm hình học của chân vòt Các yếu tố chính của một chân vòt bất kỳ là ổ đỡ (may ơ) và các cánh gắn cứng trên nó. Khoảng cách R từ trục chân vòt đến các đầu mút cánh (các điểm của cánh cách xa trục nhất) được gọi là bán kính của chân vòt. Phần cánh tiếp giáp với may ơ được gọi là gốc cánh, còn đầu tự do của nó được gọi là đỉnh cánh. Mép cánh hướng theo chiều quay của chân vòt khi tàu chuyển động tới, được gọi là mép dẫn (cạnh dẫn), mép ngược lại của cánh được gọi là mép theo (cạnh theo). Mặt cánh chòu tác dụng của phản lực của khối nước bò đẩy lùi khi tàu chuyển động tới được gọi là mặt đạp, mặt ngược lại (hướng vào phía vỏ tàu ) được gọi là mặt hút. Khi cắt cánh chân vòt bằng hình trụ bán kính r đồng trục với chân vòt và khai triển đường bao mặt cắt ngang trên mặt phẳng ta sẽ nhận được hình dạng tiết diện cánh ở bán kính đã cho. Hình dạng tiết diện ngang của cánh được đặc trưng bởi chiều dày tương đối của nó : ab e max = d (2) Trong đó: e max là chiều dày lớn nhất của profin. ab : dây cung của nó . Giá trò d của cánh chân vòt nằm trong giới hạn 0,1 ¸ 0,2 độ dày của gốc cánh và 0,02 ¸ 0,05 của mép cánh . Tuỳ theo dạng bề mặt của xoắn ốc, áp dụng để hình thành mặt đẩy của các cánh, người ta phân biệt chân vòt có bước xoắn không đổi và chân vòt có bước xoắn thay đổi theo bán kính, bởi vì trên mỗi bán kính của mặt đẩy bước xoắn của đường xoắn ốc tại mỗi điểm của cạnh đáy profin có giá trò không đổi khi tiết diện ngang dạng hai mặt lồi hay dạng bên lồi, bên lõm (dạng lưỡi liềm) thì bước xoắn của đường xoắn ốc trên mỗi bán kính của mặt đẩy nhất đònh sẽ thay đổi, còn toàn bộ chân vòt sẽ là có bước xoắn thay đổi theo chiều trục, hoặc thay đổi theo chiều trục bán kính . + Tỉ số giữa bước xoắn của chân vòt H và đường kính D của nó được gọi là tỉ số bước xoắn. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 9 Lớp 42TT - 2. Phan Thành Nhân TS. Trần Gia Thái D H p = (3). Đối với các chân vòt có bước xoắn thay đổi theo hướng bán kính thì tỉ số bước xoắn thay đổi dọc theo bán kính của mặt cắt ngang cánh. Trong trường hợp này, quy ước lấy giá trò danh nghóa của bước xoắn là bước xoắn của đường xoắn ốc tại bán kính r = 0,7R. + Diện tích vòng tròn ngoại tiếp chân vòt 4 . 2 D A d p = được gọi là diện tích mặt đóa của chân vòt , còn tỉ số giữa diện tích mặt cánh chiếu thẳng A và diện tích mặt đóa A d được gọi là tỉ số mặt đóa : d A A = q (4) Giá trò tỉ số mặt đóa các chân vòt thay đổi trong giới hạn 0,3 – 1,2. + Tuỳ theo chiều quay của chân vòt khi làm việc ở hành trình tiến mà người ta phân biệt thành chân vòt quay phải và chân vòt quay trái. Nếu nhìn từ phía đuôi tàu đang chạy tiến thấy chân vòt quay theo chiều kim đồng hồ thì đó là chân vòt quay phải, nếu ngược chiều kim đồng hồ là chân vòt quay trái. + Tuỳ theo công dụng tàu và hình dáng từng loại tàu mà người ta có thể bố trí một hoặc nhiều chân vòt. + Khi chọn số cánh chân vòt cần chú ý đến các thông số như: hiệu suất công tác, hiện tượng xâm thực và chấn động. Khi tăng số lượng cánh chân vòt hiện tượng xâm thực giảm xuống. Số cánh thông thường từ 2 – 6 cánh. Riêng đối với tàu cá số cánh chân vòt thường từ 3 – 4 cánh. Hình dạng các cánh, may ơ và các yếu tố hình học khác của chân vòt được biểu diễn tổng quát trên bản vẽ lí thuyết của chân vòt, sự chuẩn bò được tính toán trước ở giai đoạn đầu của thiết kế . 2.1.2 Đặc tính thủy động lực học 1. Nguyên tắc làm việc của chân vòt với chức năng là thiết bò đẩy tàu: Cánh chân vòt làm việc theo nguyên tắc cánh chòu tải nhưng chuyển động của nó phức tạp hơn, do chân vòt quay và đồng thời di chuyển cùng với tàu. Giả PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 10 Lớp 42TT - 2. Phan Thành Nhân TS. Trần Gia Thái thiết chân vòt đứng yên, tức là sử dụng nguyên lý chuyển động nghòch đảo. Xét sơ đồ vận tốc và sơ đồ lực đối với một phân tố cánh ở bán kính r (hình 3). Trong trường hợp này, dòng chảy đến phân tố cánh có vận tốc hướng trục V p và vận tốc vòng 2prn trong đó n là số vòng quay của chân vòt trong 1 giây. Đồng thời cần chú ý rằng sự chảy vòng của chất lỏng xung quanh phân tố cánh không những chỉ được xác đònh bởi vận tốc dòch chuyển và vận tốc quay của chân vòt, mà còn được xác đònh bởi vận tốc dọc trục và vận tốc tiếp tuyến của dòng kích. Hình 3: Các thành phần tốc độ và thành phần lực trên cánh. V P : thành phần vận tốc do chân vòt chuyển động theo tàu (v/ph). w: chuyển động quay của chân vòt . Các thành phần nảy sinh khi chân vòt đang làm việc gồm DV P cùng với hướng của V P , tốc độ vòng Dw trùng với chiều quay của chân vòt. Tổng hình học của các thành phần gọi là tốc độ tương đối của nước đến phần tử cánh V P độ lớn tốc độ này phụ thuộc vào hình dáng của profin cánh và là hàm của góc a. www r r r r r D+D++= PP VV (5) Trên phân tố cánh xuất hiện lực nâng dY và lực cản mặt dX. Như trên hình vẽ, khi phân tích các lực dY và dX theo hai phương vuông góc lẫn nhau, trong đó một phương trùng với chuyển động của tàu, ta có biểu thức tính lực đẩy và lực cản quay của phân tố cánh như sau : dP =dP y - dP x dQ = dQ y + dQ x (6) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com [...]... đặc tính chân vòt (hình 4) Hình 4: Đường đặc tính chân vòt 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHÂN VỊT Các phương pháp thiết kế chân vòt tàu thủy có thể chia làm 3 nhóm sau: - Nhóm 1: Bao gồm các phương pháp thiết kế chân vòt dựa trên kết quả thí nghiệm của hàng loạt mô mình của các học giả, từ đó chúng ta thiết kế chân vòt theo mẫu chân vòt đã có sẵn Phương pháp này gọi là phương pháp thiết kế chân vòt... 2.3.3 Các bài toán thiết kế chân vòt theo đồ thò Papmeil Theo cách trình bày ở trên có thể tóm tắt trình tự các bài toán thiết kế chân vòt như sau: Bảng 1: Các bài toán thiết kế chân vòt Đại lượng cho trước D Thông số cần tính K 'd = V p D n D, n K 'n = K1 = Vp 4 n r P nopt, H/D, hmax, q r P Dopt, H/D, hmax, q P rn 2 D 4 l= Đại lượng xác đònh được H/D, h, q vp nD 2.3.4 Trình tự thiết kế chân vòt 1 Các... PHÁP THIẾT KẾ CHÂN VỊT THEO ĐỒ THỊ PAPMEIL 2.3.1 Khái niệm về chân vòt tối ưu Thiết kế chân vòt theo đồ thò Papmeil cho phép lựa chọn chân vòt tối ưu, đáp ứng được các yêu cầu: - Phù hợp với vỏ tàu, tức là chân vòt có đường kính D cho trước - Phù hợp với động cơ, tức là chân vòt có số vòng quay cho trước - Hiệu suất làm việc chân vòt lớn nhất 2.3.2 Trình tự xây dựng đồ thò thiếùt kế chân vòt Papmeil... lớn nhất mà chân vòt tạo ra ở vận tốc Vk cho trước Chân vòt thiết kế ở chế độ kéo khác với ở chế độ hàng hải là khi tàu chạy ở chế độ hàng hải vận tốc tàu sẽ lớn hơn vận tốc tàu ở chế độ kéo, còn tại vận tốc kéo lực kéo ở chế độ kéo sẽ lớn hơn ở chế độ hàng hải Trình tự tính toán thiết kế chân vòt ở chế độ kéo tương tự như ở chế độ hàng hải Tuy nhiên tại thời điểm Vk ta xác đònh lực kéo do chân vòt tạo... Gia Thái Luận Văn Tốt Nghiệp Trang 28 Lớp 42TT - 2 Bình thường trò số đường kính lớn nhất của chân vòt bằng: Dmax ≤(0,7 - 0,8).Tđ – Tàu một chân vòt (19) Dmax ≤ (0,6 - 0,7) Tđ – Tàu hai chân vòt (20) Tđ: Mớn nước đuôi tàu (m) b Số cánh chân vòt (Z): Theo lý luận thiết kế chân vòt của Papmeil xét trên quan điểm chân vòt làm việc tốt thì khi hệ số ' Kd = Vp D r ³ 2 thì chọn Z = 3 P ρ . Thành Nhân TS. Trần Gia Thái mới tàu thủy ở nước ta thì việc nghiên cứu bài toán viết chương trình thiết kế chân vòt tàu thủy là cần thiết đối với ngành đóng tàu nước ta. 1.3 GIỚI HẠN NỘI DUNG. được gọi là đường cong đặc tính chân vòt (hình 4). Hình 4: Đường đặc tính chân vòt 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHÂN VỊT Các phương pháp thiết kế chân vòt tàu thủy có thể chia làm 3 nhóm sau:. thiết kế chân vòt dựa trên kết quả thí nghiệm của hàng loạt mô mình của các học giả, từ đó chúng ta thiết kế chân vòt theo mẫu chân vòt đã có sẵn. Phương pháp này gọi là phương pháp thiết kế