phân tích đặc điểm cấu tạo và khai thác kỹ thuật chân vịt biến bước của tàu thủy

CHƯƠNG 2 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LIÊN HỢP MÁY - VỎ - CHÂN VỊT TÀU THỦY 2.1 Ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến quá trình làm việc của động cơ 2.1.1 Phương pháp và kết quả nghiên cứu ản

LỜI NĨI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các thành tựu Khoa Học Kỹ Thuật, Ngành đóng tàu hiện nay cũng đang có những bước tiến nhảy vọt với bằng chứng là hiện nay con người có thể đóng được các con tàu với tải trọng hàng trăm nghìn tấn, những con tàu chạy với tốc rất cao, những con tàu ngầm… Thế nhưng đó chưa phải đã là một bản hoàn thiện của Ngành công nghiệp đóng tàu mà có thể xem nó như là những bước khởi đầu mạnh mẽ cho nền công nghiệm chinh phục đại dương này Một trong những điều đó phải kể đến chính làsự phát triển của Chân Vịt Biến Bước

Chân vịt biến bước xuất hiện cùng thời gian với sự xuất hiện của loại chân vịt thông dụng hiện nay nhưng do cơ cấu của nó vào thời điểm đó quá cồng kềnh, sử dụng lại phức tạp đòi hỏi trình độ khoa học cao nên chưa được ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên các nhà khoa học không thể không nhìn nhận những ưu thế tuyệt vời của chân vịt biến bước mà bỏ qua hay không nghiên cứu nó nên ngày nay chân vịt biến bước đã phần nào được đưa vào ứng dụng trong ngành đóng tàu, hiện nay Chân vịt biến bước được sử dụng chủ yếu trên các tàu kỹ thuật cao như tàu quân sự, tàu quét ngư lôi trên các loại tàu cá, tàu kéo, tàu phá băng… Đối với các loại chân vịt thông dụng để đảo chiều quay không có cách nào hơn ngoài việc phải dùng hộp số, hay động cơ điện để đảo chiều, còn dùng chân vịt biến bước thì có thể giải quyết vấn đề này một cách triệt để và hoàn thiện hơn Phương pháp thay đổi chiều nhờ chân vịt biến bước có các ưu điểm làtiết kiệm được thời gian cần để thay đổi tải ở các chế độ khác nhau, sử dụng được hết công suất của máy mà không cần phải đổi chiều quay của động cơ hay của trục chân vịt

Khi được giao cho đề tài này, tôi đã cố gắng để hoàn thành tối đa trong phạm vi hiểu biết và khả năng có thể của tôi, tuy nhiên chắc chắn đề tài này sẽ còn nhiều thiếu sót cần được bổ sung do nguồn nhận thức còn hạn chế về chân vịt biến bước nên kính mong được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn để đề tài này được hoàn chỉnh hơn

Xin được chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Nhận đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo để giúp tôi hoàn thành cuốn luận văn tốt nghiệp này

TP Hồ Chí Minh ngày 7/6/2005 Sinh viên thực hiện Nguyễn Sơn Tước Lớp 42DLTT – CƠ SỞ II

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐẨY

1.1 Khái niệm chung về thiết bị đẩy

Để tàu có thể chạy đều trên một đường thẳng với tốc độ v, phải đặt nó vào lực đẩy

TN, bằng về trị số ngược chiều về tác dụng với lực cản nước và không khí Có lực đẩy TN

do công suất máy thông qua một thiết bị đẩy Tàu kéo, tàu đánh cá hay những loại tàu đặc biệt khác, lực đẩy TN phải bằng, không những lực căn bản của thân tàu, còn có lực kéo ở móc kéo Z

Nếu chúng ta ký hiệu Nd, công suất chung cung cấp qua trục đến thiết bị đẩy thì bây giờ tỉ số giữa công suất kéo và công suất cung cấp sẽ là:

d d

o o

N

R N

N

75

J

x = = , chúng ta gọi là hiệu suất đẩy

1.2 Các loại thiết bị đẩy tàu

Thiết bị đẩy tàu là hệ thống cấu trúc cơ khí tạo ra lực đẩy làm cho tàu chuyển động tịnh tiến và nó cũng chuyển động cùng với con tàu

Có rất nhiều loại thiết bị đẩy với nhiều nguyên lý hoạt động cũng như nhiều dạng cấu trúc khác nhau Lấy ví dụ như mái chèo Đó là một dạng thiết bị đẩy rất đơn giản đã được biết đến và được cải tiến từ nghìn đời nay Loại thiết bị đẩy từ (nam châm) thủy động học thì lại rất phức tạp và hoạt động trên cơ sở lợi dụng những hiện tượng mớI được tìm ra không lâu Ngoài ra còn có một loại thiết bị đẩy là buồm được sử dụng từ rất lâu đời lợi dụng sức gió để làm tàu chuyển động

Tuy nhiên trong giới hạn của đề tài đang thực hiện thì ta chỉ nghiên cứu về các dạng thiết bị đẩy rất thông dụng hiện nay đó là những thiết bị làm việc trong nước, nguyên tắc làm việc của nó là phụt đẩy khối lượng nước nó ngoạm được từ xung quanh vỏ tàu ra phía ngược lại với chuyển động của tàu tạo thành lực đẩy tàu và làm cho tàu chuyển động Trong nhóm thiết bị đẩy thủy lực này thì loại phổ biến nhất bao gồm: Chân vịt, guồng, thiết bị đẩy Cycloidal, thiết bị đẩy phản lực nước

1.2.1 Chân vịt

Chân vịt có nhiều loại, loại có bước cố định, loại có bước thay đổi (xoay được), hệ thống chân vịt đạo lưu, chân vịt sủi bọt hoàn toàn, chân vịt dạng hai cấp (2 chiếc) quay cùng chiều hoặc ngược chiều, loại chân vịt hoặc chân vịt đạo lưu xoay một góc nhất định hoặc 360o và có thể thay thế hoàn toàn bánh lái

Hình 1

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cánh chân vịt được biểu diển trên hình 1 Ở đây ta thấy tổng hợp lực dP phát sinh trên phần tử cánh dưới tác dụng của dòng nước có vận tốc tổng hợp là V gồm vận tốc tịnh tiến Vp và vận tốc quay ωr

Sự phát triển về hình dạng và kết cấu cùng với những thiết bị đi kèm theo chân vịt là muôn hình muôn vẻ nhằm mục đích nâng cao hiệu suất đẩy, đem lại hiệu quả kinh tế trong chế tạo và dễ sử dụng với tính năng nâng cao của hệ thống

1.2.2 Thiết bị đẩy V-S (Cycloidal)

Dạng thiết bị đẩy này cũng được sử dụng nhiều trên các tàu kéo manơ, tàu khách và tàu phà nhờ tính năng manơ rất tốt Sử dụng thiết bị đẩy này phương tiện không cần bánh lái Trên hình 2 cho thấy tàu kéo được lắp V-S dưới đáy tàu nguyên lý hoạt động cũng như tính manơ nhờ thiết bị đẩy V-S được thể hiện ở hình 3 a và b

Hình 2: Bố trí thiết bị đẩy V-S trên tàu kéo

Hình 3: a) Nguyên lý hoạt động của V-S b) Phương pháp manơ dùng V-S

1.2.3 Thiết bị đẩy guồng nước

Là một trong một số dạng thiết bị đẩy đầu tiên dùng trong tàu thủy tuy nó nặng nề, chiếm nhiều chỗ nhưng người ta vẫn còn ứng dụng nhờ ưu điểm của nó là dùng cho mớn nước cạn, chạy êm và hơn nữa nó còn mang ý nghĩa và hình ảnh truyền thống của tàu khách du lịch

Hình 4: cách bố trí guồng trên tàu và mô hình của guồng

Hình 5: Kết cấu mô hình guồng dùng cho tàu khách

1.2.4 Thiết bị đẩy phản lực nước

Thiết bị đẩy phản lực nước là thiết bị đẩy ngày càng được dùng trong việc chế tạo các tàu chạy trên nước cạn và tàu chở khách, quân sự vớI tốc độ rất cao, hiện tạI là cao hơn so với những tàu lắp chân vịt Để phục vụ cho việc quay trở người ta lắp đặt một hệ thống phía sau ống phụt của nước để thay đổi hướng dòng nước, tạo ra phản lực có nhiều hướng khác nhau để manơ tàu

1.3 Hình học chân vịt 1.3.1 Đường xoắn ốc và mặt xoắn ốc

Quỹ tích của một điểm quay với tốc độ góc không đổi xung quanh trục và cách trục

đó một khoảng cách r, đồng thời chuyển động tịnh tiến song song với trục này là được xoắn ốc

Các đặc trưng của đường xoắn ốc là bước xoắn (trong chân vịt thường gọi là bước)

Hình 7

Tại một điểm E trên đường cong đó, ta có thể xác định được bước xoắn cục bộ và góc bước xoắn cục bộ tại điểm đó, bằng cách vẽ tam giác vuông EMK, trong đó EM tiếp tuyến tại E; EK // AB và bằng AB MK = H’ (bước xoắn cục bộ tại điểm E); φ’ – Góc bước xoắn tại điểm E

Mặt xoắn ốc thu được khi có một đoạn ab quay xung quanh một trục với vận tốc góc nhất định và đồng thời tịnh tiến song song với lại trục đó Đoạn ab được gọi là đừơng sinh của mặt xoắn ốc Đường sinh của mặt xoắn ốc có thể là một đoạn thẳng vuông góc với trục hoặc nghiêng với trục một góc, hoặc có thể là một đoạn của một đuờng cong bất

kỳ

Bước xoắn của mặt xoắn ốc được xác định giống như bước xoắn của một trong những đường xoắn ốc tạo thành mặt xoắn ốc

Mặt xoắn ốc có thể có bước không đổi, nếu bước xoắn của tất cả các đuờng xoắn ốc tạo thành mặt xoắn ốc không đổi và giống nhau Bước xoắn biến đổi theo chiều bán kính nếu bước của tất cả các đuờng xoắn ốc không đổI nhưng khác nhau đối với những đường xoắn ốc khác nhau

hình.8

Bước xoắn biến đổi theo trục – bán kính, nếu bước xoắn của tất cả các đường xoắn

ốc thay đổI và khác nhau cho từng đường

a Bước xoắn không đổI

b Bước xoắn thay đổi theo chiều trục

c Bước xoắn thay đổi theo bán knh

d Bước xoắn thay đổi theo chiều trục – bán kính

Hình 9 : Hình khai triển đường xoắn ốc nằm trên các mặt xoắn ốc

1.3.2 Hình học cánh chân vịt

Cánh chân vịt có thể coi như một hình khốI tạo nên bởI hai mặt xoắn ốc giao nhau Giao tuyến của hai mặt xoắn ốc này tạo nên hình cánh

Mặt cánh quay về hướng chuyển động của chân vịt gọi là mặt hút, mặt ngược lạI gọI

là mặt đẩy Mặt đẩy của cánh chân vịt thường nằm trên mặt xoắn ốc có bước xoắn không đổi và đường sinh là một đoạn thẳng

Mép cánh hướng về chiều quay của chân vịt gọi là mép dẫn, mép kia gọi là mép theo Điểm cách trục xa nhất trên đường chu vi cánh gọI là đỉnh cánh, còn mặt cắt bởI mặt trụ như trên gọI là profil của cánh ở bán kính r đã cho

Bước xoắn của mặt xoắn ốc mà cánh chong chóng nằm trên nó gọi là bước của chong chóng ký hiệu H

Chiều dày của profil cánh là chiều dày lớn nhất của cánh ở bán kính đã cho ký hiệu

là e

Có hai cách xác định chiều quay của chân vịt:

Cách thứ nhất: Bằng cách nhìn bằng mắt hay sờ bằng tay, căn cứ vào chiều dày mép cánh, mép dày của cánh (mép dẫn) ở về phía nàothì chiều quay của chân vịt sẽ quay về phía ấy

Cách thứ hai: Căn cứ vào vết xoắn của cánh trên mayơ

Nhìn thẳng vào đầu nhỏ moyơ và quan sát chiều xoắn của chân cánh trên moyeu Nếu vết xoắn theo phía nào thì chân vịt quay theo chiều ấy

Hình.10 a) Theo chiều quay cánh

1.3.3 Kích thước và đặc tính hình học chủ yếu của chân vịt

Z D

d o

S

S b

o

D

m

) 484 , 0 53

, 0

-=

) 1

( 2

D

d Z

S

S b

hình 12

Tỷ số kích thước H/D - Tỷ số bước

So/S - Tỷ số mặt đĩa

Sp/S - Tỉ số mặt chiếu d/D - Tỷ số đường kính lõi b/D - Tỷ số chiều rộng cánh

bm/D - Tỷ số chiều rộng lớn nhất của cánh e/D - Tỷ số chiều dày cánh

e/bs - Tỷ số chiều dày cánh

e/b - Tỷ số chiều dày profil m/d - Tỷ số độ nghiêng của cánh m’/D Tỷ số độ uốn của cánh

1.3.4 Đặc tính thủy động lực chân vịt

Chân vịt hoạt động trong nước, phía sau thân tàu vì vậy giữa chân vịt và thân tàu đều có tác động lẫn nhau, ảnh hưởng lẫn nhau

1.3.4.1 Lực đẩy và hiệu suất chân vịt

Chân vịt quay sẽ tạo ra lực đẩy đẩy tàu về phía trước,nhờ đó con tàu mớI thằng được lực cản và đi với tốc độ nhất định Lực này gọi là lực đẩy chân vịt

Chân vịt nhận được công suất từ máy chính (hoặc momen), nhưng trong thực tế, công suất để tạo ra lực đẩy hữu ích bao giờ cũng nhỏ hơn vì có nhiều hao tổn Tỷ số giữa công suất chân vịt và công suất nhận được từ máy chính là hiệu suất chân vịt:

n Q

v

T p

p

2

ηp - hiệu suất chân vịt

vp - tốc độ tiến của chân vịt (m/s)

1.3.4.2 Tốc độ tiến và tốc độ trượt

Tương tự như ta xoay bulông, nếu chân vịt xoay một vòng thì về lý thuyết nó phảI xoay một đoạn bằng đúng bước của chân vịt H, và nếu quay n vòng thì đoạn này là H.n Thế nhưng do tác động của dòng nước và thân tàu, thực tế khi quay một vòng chân vịt không tịnh tiến một đoạn H, mà chỉ là hp nhỏ hơn H Hiện tượng này gọI là sự trượt của chân vịt Hiệu H – hp = hs là trị số trượt của chân vịt và

Vp = hp.n

v D

h

J p p

.

=

= gọI là hệ số tịnh tiến vớI D và đường kính chân vịt

Tốc độ trượt của chân vịt: vs = H.n – vp

Tốc độ tến của chân vịt vp = hp.n

1.3.4.3 Đường đặc tính chân vịt

Hình 1.14 là đường đặc tính chân vịt Đó là mốI quan hệ giữa lực đẩy T, momen Q

và hiệu suất ηp của chân vịt, phụ thuộc vào hệ số tịnh tiến J

Hình 13 : Đường đặc tính chân vịt

T- Lực đẩy; Q- Momen; η p - Hiệu suất

Những thông số ảnh hưởng đến đặc tính chân vịt:

- Tỷ số bước H/D

- Tỷ số mặt đĩa So/S

- Số lượng cánh chân vịt Z Dạng cánh, dạng profin, chiều dày cánh không ảnh hửong gì đánh kể và được coi là thứ yếu

Tỷ số S/D thừơng từ 0,5 ¸ 2 tỷ số này càng cao thì hiệu súât chân vịt càng giảm

Tỷ số So/S = 0,3 ¸ 1.2 tỷ số này càng cao thì hiệu suất chân vịt càng giảm

1.3.4.4 Hệ số dòng theo ω

Con tàu lướt trên nước, làm xáo trộn dòng nước quanh thân tàu và vòm đuôi tàu, nơi chân vịt hoạt động vì vậy xuất hiện dòng nước cuốn theo chiều tiến của tàu với vận tốc c nào đó, dường như đuổI theo tàu nên gọi là dòng theo Dòng theo này làm cho tàu lẽ ra đi với tốc độ v, nhưng thực tế chỉ tiến với tốc độ vp nhỏ hơn: vp = v – c

-= 1

Trị số w, t phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố: Hệ số thể tích chiếm nước, tỷ số B/T, hình dáng đường sườn vị trí sau thân tàu…

1.3.4.6 Hiện tượng sủi bọt

Là hiện tượng nước bốc hơi ở vùng áp suất tuyệt đối thấp hơn áp suất hơi bảo hoà của nước ở nhiệt độ đã cho

Để giảI thích hiện tuợng này ta xem hình 1.12 profin chân vịt dưới độ sâu hs kể từ mặt nước Dòng nước vớI tốc độ vo, và áp suất po (áp suất tuyệt đối po = pa + γhs) chảy qua profin cánh chân vịt

Hình 14: Khảo sát dòng chảy qua profin cánh chân vịt

Tại một điểm bất kỳ A nào đó trên cánh chân vịt (profin) dòng nước có tốc độ v và

áp suất p

Theo định luật Bernoullie ta có:

2 2

hs - Chiều chìm của profin cánh

γ - trọng lượng riêng của nước

r- Mật độ của nước (kg.s2.m-4 )

sự sủi bọt phụ thuộc vào chiều chìm dưới mặt nước hs, nhiệt độ nuớc và tốc độ tàu

Từ phương trình trên ta rút ra:

Điều kiện xảy ra sủi bọt là p £ pd hay

( o) d

o v v p p

p = - 2 - 2 £

2

r

Hệ số sủi bọt

2

2 p

d o o

v

p p

r

-Hiện tượng sủi bọt có tác hại đến chân vịt:

- Làm giảm hiệu súât chân vịt

- Làm hư hỏng chân vịt do hiện tượng xâm thực

Vì vậy, nếu chân vịt có tốc độ vp cao, nhiệt độ càng cao, hs càng thấp, s ocàng nhỏ, thì hiện tượng sủi bọt càng dễ xảy ra

1.3.4.7 Trọng lượng chân vịt

Trọng lượng chân vịt cò thể được tính chính xác bằng cách tính riêng trọng lượng từng cách và moayơ Trọng luợng moayơ chân vịt không khó khăn trong tính toán vì hình dạng của nó đều là dạng hình trụ hoặc hình chóp cụt Nhưng tính trọng lượng của nó thì phức tạp đòi hỏi nhiều thời gian Vì vậy người ta thường sử dụng công thức gần đúng CAPINA sau đây để tính trọng lượng của một cánh

Trọng lượng một cánh chân vịt:

e D S

S Z

G 38.106 o 2

ø

ö ç è

, 0 4

3

10

D

e D

d D

Z

ú

ú û

ù ê

ê ë

é

÷÷

ø

ö çç

è

-+

Ở đây:

G - Trọng lượng toàn bộ chân vịt

b0,6 - chiều rộng ở bán kính r = 0,6R (m)

e0,6 - chiều dày lớn nhất của cánh ở bán kính r = 0,6R

dp - đường kính trung bình của moayơ chân vịt đo tại tâm moayơ

lp - chiều dài moayơ chân vịt Trong công thức trên, phần đầu là trọng lượng cánh, phần sau là phần moayơ chân vịt

1.3.4.8 Mômen quán tính chân vịt

Nếu một điểm A có khối lượng m với kích thứơc cực nhỏ quay xung quanh tâm O với bán kính r và vận tốc góc ε thì theo quy luật newton thì lực tiếp tuyến sẽ là:

P = m.a và momen là M = P.r

Vì gia tốc vòng: a = r.ε do đó:

M = mr2.ε Đại lượng J = mr2 gọi là momen quán tính khối lượng

r – bán kính quán tính (bán kính quay) Nếu muốn lý thuyết mở rộng cho cả một vật thể có khốI lượng m và kích thước lớn thì momen quán tính khốI lượng sẽ được biểu diễn dưới công thức tổng quát:

J = mr2

r - bán kính quán tính của khốI lượng quay

m - khốI lượng của vật quay

hình 15: Momen quan tính khối lượng

Nếu khốI lượng m vừa quay xung quanh trục đi qua trọng tâm O của nó, đồng thời quay xung quanh một trục song song với trục tâm ở khoảng cách e thì momen quán tính

sẽ là:

J = Jo + me2

Ở đây Jo – momen quán tính của vật theo trục tâm của vật

Vì chân vịt cũng có khối lượng quay, nên cũng tuân theo nguêyn lý quán tính trên Đối với chân vịt nếu thay m =G/g thì bán kính quay r2 =(D/2)2 vào công thức momen quán tính trên ta sẽ nhận được công thức gần đúng của momen quán tính chân vịt theo trục tâm của nó:

g

GD J

Công thức GD2

D

e S

S C

GD o o ÷

ø

ö ç è

æ

÷ ø

ö ç è

e e

γ - Trọng lượng riêng của vật liệu chân vịt

GD2 theo công thức tính gần đúng trên và từ đó xác định momen quán tính chân vịt J

1.3.5 Vật liệu chế tạo chân vịt

Các loại vật liệu dùng để chế tạo chân vịt gồm: Hơp kim đồng, thép Cacbon,thép không gỉ và gang Hiện nay chân vịt bằng gang hầu như không sử dụng

Vật liệu chế tạo chân vịt phải thỏa mãn yêu cầu về cơ lý tính và thành phần hoá học Với các tàu thông thường có hoạt động ở vùng băng thưa và được đăng kiểm đồng ý có thể dùng đồng thanh đặc biệt có đặc tính cơ học thấp hơn quy định một tí, với tàu hoạt động ở vùng có băng lớn, có thể dùng đồng thau, đồng thanh để chế tạo chân vịt nếu đăng kiểm chấp nhận, và không dùng thép cacbon để chế tạo chân vịt các tàu nêu trên

Các bulông nối ghép chân vịt phảI được chế tạo bằng thép hợp kim hoặc thép rèn Nếu kết cấu co giới hạn bền lớn hơn 50kG/mm2 thì nên dùng vật liệu chủ yếu dùng cho chân vịt đúc liền

CHƯƠNG 2 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA LIÊN HỢP MÁY - VỎ - CHÂN VỊT TÀU THỦY

2.1 Ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến quá trình làm việc của động cơ

2.1.1 Phương pháp và kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng

đối với quá trình làm việc của động cơ Diesel

Các thông số kinh tế - kỹ thuật và các đường đặc tính của động cơ được xác định trong điều kiện sử dụng tiêu chuẩn về môi trường làm việc và tình trạng kỹ thuật do hãng chế tạo động cơ quy định khi xuất xưởng Vì thế trong điều kiện khai thác thực tế khác với các điều kiện sử dụng tiêu chuẩn, các thông số và đườc đặc tính của động cơ sẽ bị thay đổi do hai nguyên nhân chủ yếu sau:

Ø Điều kiện của môi trường làm việc thực tế của động cơ khác với điều kiện môi trường tiêu chuẩn

Ø Tình trạng kỹ thuật của động cơ ngày càng xấu đi

Về mặt nguyên tắc sự thay đổi của các thông số và đường đặc tính như thế sẽ gây ảnh hưởng rất xấu đến quá trình làm việc của động cơ, do đó cần đặt vấn đề để xác định ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng như hai điều đã nêu trên sẽ làm thay đổi hầu hết các thông số chủ yếu của động cơ trong đó quan trọng nhất là sự thay đổi của công súât có ích N và súât tiêu hao nhiên liệu có ích ge

a Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến quá trình làm việc của động cơ

Ảnh hưởng của điều kiện môi trường làm việc đến quá trình làm việc của động cơ

đã được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu từ lâu với phương pháp và kết quả cụ thể sau:

Ngay từ năm 1941, nhà khoa học Gitchi (Nga) đã kết luận là khi làm việc ở độ cao 100m so với mặt biển thì công suất của động cơ giảm 1% và đến năm 1958, ông công bố công trình nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến các thông số động cơ Đến năm

1959, nhà khoa học người Đức là Sinner đã xây dựng được các công thức cho phép xác định ảnh hưởng của điều kiện môi trường khai thác đến sự thay đổi công suất, suất tiêu hao nhiên liệu có ích và một số thông số khác của động cơ Năm 1964, Viện nghiên cứu động cơ đốt trong của Liên Xô cũ đã đưa ra các công thức gần đúng xác định giá trị các thông số động cơ ở các điều kiện khí hậu khác nhau Trong các năm từ 1965 đến 1969, nhiều nhà khoa học liên Xô cụ đã công bố hàng loạt những công trình nghiên cứu về vấn

đề ảnh hưởng của điều kiện môi trường như: M.B.Voznhiski và Gitchi đưa ra kết luận là khi áp suất thay đổi khoảng 10mmHg thì công suất thay đổi khoảng 1% và suất tiêu hao nhiên liệu thay đổi khoảng 1,5%, khi nhiệt độ thay đổi 10oC thì công suất thay đổi 1% và suất tiêu hao nhiên liệu thay đổi khoảng 1,1%, khi độ ẩm thay đổi 10% thì công suất và chi phí nhiên liểu đều thay đổi khoảng 1% còn khi các thông số thay đổi đồng thời thì cộng ảnh hưởng của các thông số lại với nhau, vì thế phương pháp này thường ít chính xác do ảnh hưởng qua lại của các yếu tố Do đó mà nhiều nhà khoa học khác như L.P.Buruskin, R.Vcazacov (Liên Xô cũ), A.G.Smidt (Đức) tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng độc lập các thông số môi trường khi chỉ thay đổi một thông số và giữ nguyên thống số khác bằng cách đưa trực tiếp không khí có thông số xác định vào ống hút để khảo sát quá trình làm việc của động cơ Trong khi một số nhà khoa học khác như: V.V.Saghin, V.V.Kuzkin, G.A.Kamưgin lại nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của nhiệt

độ và áp suất hoặc nhiệt độ và độ ẩm đến sự thay đổi của công suất và tính kinh tế của động cơ khi tiến hành thử nghiệm trên các tàu biển đang hoạt động và đưa các kết quả so sánh quá trình hoạt động của động cơ ở chế độ làm việc định mức và ở các chế độ khi tàu làm việc trên biển Sau đó là hàng loạt công trình của I.P.Klemkov, G.I.Gurin, V.I.Soamara tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến động cơ trên các tàu đánh cá và đưa ra kết luận môi trường có ảnh hưởng lớn nhất đến chế độ nặng tải khi kéo lưới Ngoài ra trong thực tế hiện nay còn có nhiều công trình nghiên cứu vấn đề này như các công trình của T.Amenikov xác định ảnh hưởng môi trường đến hiệu suất cơ học các công trình của Cove, Green, Mekhidianhia, D.A.Protonov, M.A.Bruc, Eliota… Nhiều cơ quan nghiên cứu và các hãng chế tạo động cơ ở các nước tiên tiến trên thế giới như: Hội đồng CIMAC của Mỹ, Viện nghiên cứu động cơ đốt trong SNHIDI của Nga hoặc cơ quan nghiên cứu động cơ S.A.E của Nhật cũng đưa vào tiêu chuẩn sử dụng động

cơ của mình hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của điều kiện môi trường Riêng ở Việt Nam, từ những năm 1965 đến 1969 PTS Nguyễn Văn Bình đã công bố công trình nghiên cứu ảnh hưởng độc lập của các yếu tố môi trường nước ta đến quá trình làm việc và sự thay đổi các thông số kinh tế, kỹ thuận của động cơ Diesel Các thí nghiệm được thực hiện trên động cơ Diesel D70 của Liên Xô cũ bằng cách thay đổi một thông số môi trường trong khi vẫn giữ nghuyên hai thông số còn lại Sau đó vào năm 1970, PTS Hoàng Công Hác cũng xây dựng được các công thức xác định ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến sự thay đổi các thông số động cơ, nhất là các công thức tính ảnh hưởng môi trường đến sự thay đổi của hiệu súât cơ giới Vào những năm 1980, trong một số các công trình nghiên cứu về vấn đề khai thác động cơ Diesel thủy điển hình như là “Định mức nhiên liệu cho đội tàu Việt Nam”, “Chọn vùng khai thác công suất hợp lý cho động

cơ tàu thủy mua từ nước ngoài” GS Trần Hữu Nghị cũng tiến hành xác định ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến sự thay đổi giá trị các thông số động cơ ỡ các điều kiện khai thác khác nhau dự trên cơ sở phân tích, đánh giá và lựa chọn các công thức tính gần đúng phù hợp Trong tiên chuẩn sử dụng về động cơ Diesel của nước ta hiện nay (TCVN 1685-75) cũng có giới thiệu các công thức gần đúng cho phép xác định được ảnh hưởng của sự thay đổi điều kiện môi trường khai thác thực tế đến sự thay đổi giá trị công suất và suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ Diesel

Hiện nay để xác định ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến sự thay đổi các thông

số công tác của động cơ thương sử dụng các biện pháp sau:

- Tính nghiệm nhiệt động cơ

- Sử dụng các bảng thống kê thực kiệm

- Tính theo công thức gần đúng Phương pháp nghiệm nhiệt dựa trên cơ sở tính nghiệm nhiệt của các động cơ ở điều kiện môi trường thiết kế và môi trường khai thác thực tế để xác định giá trị thông sô thực

tế do đó cần phải lực chọn chính xác một thông số thực nghiệm Bảng thống kê thực nghiệm hoặc các thông số gần đúng được xây dựng dựa trên cơ sở tổng kết các số liệu khi tiến hành thực nghiệm đối với hàng loạt các động cơ, do đó hiện nay có nhiều công thức với độ chính xác và phạm vi áp dụng khác nhau nên việc xác định ảnh hưởng của môi trường theo các phương pháp này là khá đơn giản và có độ chính xác cao nếu lựa chọn được công thức phù hợp với động cơ đang xét Tuy nhiên trong thực tế hiện nay người ta thường xác định ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến quá trình làm việc của động cơ bằng cách tính theo các công thức gần đúng, sau đó lấy kết quả để so sánh với kết quả tính nghiệm nhiệt và các bảng thống kê để loại dần các kết quả không hợp lý và lựa chọn ra công thức phù hợp nhất với động cơ cần tính Theo kết quả tính toán với nhiều động cơ trang bị trên các tàu nước ta hiện nay, phù hợp với đề nghị của GS – TS Trần Hữu Nghị khi nghiên cứu về vấn đề này thì công thức xác định công suất động cơ ở điều kiện khai thác thực tế đối với các động cơ tăng áp cho kết quả tương đối chính xác nhất là công thức của Viện Nghiên Cứu (SNHIDI) của Nga:

35 , 0 1

, 0

273

273

÷ ø

ö ç

è

æ +

+

÷÷

ø

ö çç

è

æ -

-=

t

t P

P

P P N

bo o

b eo

e

Theo TCVN 1685-75, công thức xác định công suất động cơ theo điều kiện môi trường đối với động cơ Diesel không tăng áp như sau:

÷ ø

ö ç

è

æ -

bo o eo e

trong đó:

Po, P: Áp súât ở điều kiện môi trường tiêu chuẩn và môi trường thực tế

Pbo, Pb: Áp suất hơi bão hoà không khí ẩm ở điều kiện môi trường tiêu chuẩn thực tế

và điều kiện môi trường khai thác thực tế

to, t: Nhiệt độ ở điều kiện môi trường tiêu chuẩn và môi trường thực tế

b Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật đến quá trình làm việc của động cơ

Trạng thái kỹ thuật của động cơ chính là trạng thái kỹ thuật của các hệ thống như hệ thống tăng áp, hệ thống nhiên liệu, mức độ bám bẩn ở cơ cấu trao đổi khí, độ mài mòn các chi tiết nhóm piston xylanh và các chi tiết khác của động cơ… Theo thời gian khai thác, trạng thái kỹ thuật của động cơ ngày càng bị xấu dần đi do sự mài mòn, sự bám bẩn…, vì thế các hệ thống không thể đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật như lúc mới lắp đặt hay xuất xưởng và điều này sẽ ảnh hưởng rất xấu đến sự làm việc của động cơ Do đó nhiều nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của tình trạng kỹ thuật đến quá trình làm việc của động cơ từ rất lâu nhưng do vấn đề rất phức tạp nên cho đến hiện nay vẫn chưa có được phươgn pháp tính cụ thể Về lý thuyết thường đánh giá ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật đến sự thay đổi công suất và suất tiêu hao nhiên liệu thông qua thời gian làm việc thực tế động cơ nhưng do trạng thái kỹ thuật động

cơ còn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác như đặc điểm quá trình khai thác, trình độ sử dụng của đội ngũ cán bộ kỹ thuật… nên thời gian làm việc chưa là đại lương thời gian đặc trưng đầy đủ và chính xác nhất mà chỉ phản ánh phần nào ảnh hưởng của trạng thái

kỹ thuật đến quá trình làm việc của động cơ Trong thực tế hiện nay thường xác định ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật đến sự thay đổi của các thông số kỹ thuật động cơ phụ thuộc vào thời gian làm việc thực tế, chế độ sử dụng, chế độ bảo dưỡng và sửa chữa động

cơ bằng hệ số giảm công suất kN và hệ số tăng suất tiêu hao nhiên liệu kz cụ thể như sau:

Neo = kN.Ne

geo = kg.ge

Trong đó:

Neo, Ne: Công suất động cơ ở điều kiện thiết kế và điều kiện thực tế

geo,ge: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở điều kiện khai thác tiêu chuẩn và thực tế

kN, kg: Các hệ số tính đến ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật đến sự thay đổi công suất và suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ, xác định theo bảng sau:

1,01 1,02 1,03 1,04 1,05

2.1.2 Xác định ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến sự thay đổi của công

suất và suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ Diesel

Một cách tổng quát, có thể xác định ảnh hưởng của điều kiện môi trường và tinh trạng kỹ thuật đến sự thay đổi công suất và suất tiêu hao nhiên liệu động cơ theo các công thức sau:

Ne = k1k2Neo

eo

k k

g

2 1

sở tổng kết số liệu thực nghiệm đối với nhiều loại động cơ nên trong thực tế hiện nay có nhiều công thức với phạm vi và sai số rất khác nhau Do đó cần đặt ra vấn đề phân tích và lực chọn công thức phù hợp với động cơ đang xét Về mặt phương pháp có thể xác định ảnh hưởng điều kiện môi trường đến quá trình làm việc của động cơ bằng cách lập chương trình tính theo công thức gần đúng, sau đó so sánh với kết quả tính nghiệm nhiệt

và bảng thống kê nhằm loại dần các kết quả không hợp lý để lựa chọn công thức phù hợp nhất với động cơ đang tính Có thể tóm tắt sơ đồ khối của chương trình như sau:

2.2 Ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến quá trình làm việc của chân vịt 2.2.1 Kết quả nghiên cứu các yếu tố sử dụng đến hoạt động của chân vịt

Như đã trình bày, ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến quá trình làm việc của chân vịt ở điều kiện thực tế đã được nhiều nhà khoa học quan tâm từ rất lâu nhưng do gặp nhiều khó khăn nên kết quả nghiên cứu vấn đề này còn rất hạn chế Ngay từ năm 1940, Viện kỹ thuật quân sự Tây Đức đã bắt đầu theo dõi quá trình ăn mòn và bám bẩn trên mặt cánh chân vịt ở một số tàu quân sự và đi đến kết luận là ảnh hưởng của quá trình ăn mòn

và bám bẩn đến hoạt động của tàu là rất phức tạp, phụ thuộc nhiều yếu tố khác nhau như vùng biển, loại tàu, thời gian làm việc… Thậm chí khi theo dõi ăn mòn và bám bẩn trên hai chân vịt giống nhau, bố trí trên cùng một tàu thì kết quả thực nghiệm nhận được cũng

là khác nhau Đến năm 1972, các nhà khoa học của Liên Xô cũ như P.M.Kasman, A.P.Pustov… công bố nghiên cứu ảnh hưởng các yếu tố sử dụng đến tính năng tàu Năm

1977, một số nhà khoa học khác như G.Ikavenski, V.M.Stumph, V.N.Seredin đã công bố công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của việc tăng độ nhám bề mặt cánh chân vịt đến sự thay đổi của các đường đặc tính hoạt động thực tế của chân vịt Phương pháp nghiên cứu duy nhất hiện nay là khảo nghiệm quá trình ăn mòn và bám bẩn trên chân vịt mô hình hoặc chân vịt thật trong điều kiện khai thác thực tế Sau đó sử dụng thiết bị đo xác định một số thông số kỹ thuật chủ yếu của chân vịt như lực đẩy, momen cản… để xây dựng đường đặc tính hoạt động chân vịt thực tế Vi dụ như trên hình 16 là kết quả thực nghiệm xác định ảnh hưởng các yếu tố sử dụng đến sự thay đổi đường đặc tính hoạt động chân vịt do P.M.Kasman thực hiện

Bắt đầu

Nhập các số liệu ban đầu

So sánh và lựa chọn kết quả phù hợp

Các bảng thống kê Tính theo công thức gần đúng

Tính nghiệm nhiệt động cơ

Kết thúc

Hình 16: Ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến đường cong đặc tính hoạt động của chân vịt

tàu

Trong một số công trình nghiên cứu về vấnb đề này đã được công bố, Kasman cũng

đã kết luận ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến tính năng và quá trình làm việc của các chân vịt là rất phức tạp và không mang tính hệ thống Trên cơ sở số liệu thực nghiệm đối với một số các mô hình chân vịt cụ thể, ông xây dựng một mô hình toán thể hiện sự thay đổi tính năng của tàu trong sử dụng và thiết lập công thức thực nghiệm xác định ảnh hưởng của độ bám bẩn theo thời gian Ngoài việc phân tích ảnh hưởng của tình trạng kỹ thuật bề mặt các chân vịt thực tế, ông còn nghiên cứu ảnh hưởng của một số các yếu tố khác như sóng, gió… Trong những năm gần đây, một số nhà khoa học Mỹ như: E.V.Telfer, David Taylor… cũng đã công bố nhiều công trình nghiên cứu ảnh hưởng sự bám bẩn cánh chân vịt Tương tự như các nhà khoa học Nga, các nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ cũng thường được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm nhưng chủ yếu

đi vào xác định giá trị các thông số chính của động cơ là công suất và suất tiêu hao nhiên liệu sau cac khoản thời gian khai thác nhất định và đưa ra kết luận về ảnh hưởng của độ nhám bề mặt vỏ tàu và cánh chân vịt đến quá trình làm việc của liên hợp Vỏ - Cánh – Chân vịt Ví dụ trên cơ sở phân tích số liệu khai thác thực tế, giáo sư Taylor (Mỹ) đã kết luận là đa số tàu có chân vịt nhám thì mất khoảng 10% công suất so với tàu có chân vịt bóng hoặc theo số liệu khai thác các tàu vùng Biển Đen thì khoảng 1 đến 1,5 năm sau khi lên đà công suất động cơ tăng gần 13% (khi V = const) do tăng độ nhám chân vịt Một số nhà khoa học khác sử dụng phương pháp nghiên cứu thống kê thực nghiệm để xác định đường đặc tính chân vịt động cơ trong điều kiện thực tế như công trình của Sikywa

(Nhật), phương pháp Froude xác định đặc tính chân vịt sau thời gian, phương pháp Cacman, Khalôdin đánh giá ảnh hưởng sóng đến đặc tính chân vịt

2.2.2 Một số nhận xét về các phương pháp và kết quả nghiên cứu hiện nay

Từ trình bày trên có thể rút ra một số các kết luận như sau:

- Về bản chất, các yếu tố sử dụng ảnh hưởng đến quá trình làm việc chân vịt bao gồm tình trạng kỹ thuật bề mặt chân vịt và điều kiện hàng hải vùng tàu chạy, trong đó quan trọng nhất là ảnh hưởng của quá trình bám bẩn bề mặt cánh chân vịt

- Phương pháp duy nhất để xác định ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến quá trình làm việc chân vịt là tổ chức khảo nghiệm quá trình làm việc của chân vịt trong điều kiện sản xuất để xây dựng đường đặc tính hoạt động thực tế của chân vịt và sử dụng nó như một công cụ để đánh giá lại ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng Tuy nhiên có thể nhận thấy tổ chức một cuộc thử nghiệm như thế là một công việc rất phức tạpnên hiện nay phương pháp và kết quả nghiên cứu vấn đề này vẫn còn rất hạn chế Mặt khác, do quá trình ăn mòn và bám bẩn cánh chân vịt là quá trình ngẫu nhiên, phụ thuộ vào rất nhiều yếu tố khách quan nên các cuộc thử nghiệm nhận được hiện nay thường rất rới rạc, không mang tính hệ thống và do đó hàu như chỉ có thể áp dụng đối với một số các đối tượng tàu

đã được nghiên cứu

2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến quá trình làm việc của vỏ tàu

2.3.1 Phương pháp và kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng

đến đường đặc tính vỏ tàu

Tương tự như đối với chân vịt, hai yếu tố sử dụng ảnh hưởng đến quá trình làm việc

vỏ tàu cũng như tình trạng kỹ thuật bề mặt vỏ tàu và điều kiện hàng hải trong đó quan trọng nhất là quá trình ăn mòn và bám bẩn bề mặt vỏ tàu Sự thay đổi tình trạng kỹ thuật của bề mặt vỏ tàu thể hiện ở sự gia tăng độ nhám của bề mặt vỏ tàu do quá trình ăn mòn, quá trình bám bẩn do hàu, hà, rong rêu… là quá trình rất phức tạp và phụ thụôc nhiều yếu

tố như chất lượng lớp sơn phủ, điều kiện khí hậu vùng biển, mức độ khai thác, nhất là thời gian tàu nằm tại bến, do đó mặc dù được nghiên cứu từ rất lâu nhưng kết quả về vấn

đề này vẫn còn rất hạn chế Trong thực tế, ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến quá trình làm việc của vỏ tàu được xác định bằng cách thử nghiệm kéo các tàu thực để xác định sức cản thực tế, do đó kết quả nhận được sẽ rất khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện thí nghiệm Ví dụ như theo các nhà nghiên cứu người Anh thì sức cản tăng trung bình khoảng 0,25% trong một ngày đêm ở vùng nước có nhiệt độ trung bình và 0,5% ở vùng biển xích đạo Trong khi đó các nhà khoa học Ý thì cho rằng sau 6 tháng hoạt động thì vận tốc tàu sẽ giảm khoảng 1,5 g 2hl/h, các nhà khoa học Mỹ thì lại cho rằng sau một năm khai thác thì vận tốc tàu mới giảm khoảng 1,5 g 2hl/h, còn nhà khoa học Đức M.Ragg cho rằng sau một ngày đêm hoạt động thì sức cản vỏ tàu tăng lên khoảng 0,5% và khi độ nhám của vỏ tàu tăng lên khoảng 2mm thì vận tốc tàu sẽ giảm xuống khoảng 3% Trong khi xác định công suất khai thác thực tế trên tàu Sông Đáy và

Hải Phòng, GS Trần Hữu Nghị cũng đã kết luận là để giữ cho tốc độ quay động cơ không đổi chi phí công suất trước khi lên đà phải lớn hơn hàng trăm mã lực chi phí công suất sau xuống đà và tốc độ quay càng lớn thì độ tăng công suất động cơ càng lớn Ví dụ hình

17 là kết quả thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các yếu tố sự dụng đến đường đặc tính

vỏ tàu cụ thể theo thời gian khai thác

Hình 17: Ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến đường sức cản tàu

2.3.2 Đánh giá sơ bộ ảnh hưởng của độ nhám bề mặt đến sức cản vỏ tàu

Về lý thuyết sự thay đổi tình trạng kỹ thuật của bề mặt vỏ tàu sẽ làm tăng các mấp

mô độ nhám bề mặt vỏ tàu nên sẽ làm tăng thành phần sức cản ma sát Do đó dựa trên cơ

sở lý thuyết về lớp biên có thể đánh giá được sơ bộ ảnh hưởng độ nhám bề mặt vỏ tàu đến sức cản môi trường đối với chuyển động của tàu Cụ thể như sau:

- Sức cản của các độ nhám cục bộ có thể xác định theo biểu thức:

W

= 2

2

V C

R o o r

Trong thực tế dòng chất lỏng chạy quanh bề mặt vỏ thường ở chế độ chảy rối với quy luật phân bố tốc độ theo phương phap tuyến có thể xác định theo công thức:

8 , 10 1

÷ ø

ö ç è

æ

=

÷ ø

ö ç è

æ

=

d d

y V

y V

n o

trong đó:

Co: Hệ số sức cản độ nhám cục bộ

Ω: Diện tích mặt cắt ngang của các độ nhám cục bộ V: Vận tốc dòng chảy trong lớp biên tại khoảng cách y so với bề mặt vỏ tàu

Vo: Vận tốc dòng chảy tới chính bằng vận tốc tàu

d : Chiều dày lớp biên chảy rối, xác định theo biểu thức:

L L

x e

855 , 0 145 , 0

221 , 0

÷ ø

ö ç è

æ Â

V dy

y h

V V

2

0

2 2

2 2

1

ø

ö ç è

æ +

=

÷ ø

ö ç è

æ

trong đó n là số thực nghiệm xác định thoe biểu thức:

8 , 10

11 , 1

ø

ö ç è

æ

÷ ø

ö ç è

æ Â W

=

L

h x

L e

V C

 : Biểu thức của số Reynolde

L: Chiều dài thiết kế của tàu x: Khoảng cách từ mấp mô đang xét đến đường vuông góc mũi tàu h: Chiều cao của các mấp mô

2

2

V C

R o o r

185 , 0 158 , 0 027 , 0

2

11 , 1

ø

ö ç è

æ

÷ ø

ö ç è

æ Â W

=

L

h x

L e

V C

R o o r ta có biểu thức xác định hệ số sức cản của các

mấp mô trên bề mặt vỏ tàu phụ thuộc vào vận tốc và diện tích của bề mặt vỏ tàu dưới nước S như sau:

185 , 0 158 , 0 027 , 0

11 ,

ø

ö ç è

æ

÷ ø

ö ç è

æ Â

W

=

L

h x

L e S

C o o

x

Từ biểu thức trên ta có thể rút ra được các kết luận như sau:

- Các bám bẩn ở mút mũi tàu, tức là có khoảng cách x nhỏ nhất thì sẽ gây ra sức cản

có hệ số cản là lớn nhất

- Độ nhám tương đối

L

h càng lớn thì hệ số sức cản càng lớn

- Ảnh hưởng của việc tăng độ nhám bề mặt vỏ tàu trong quá trình khai thác đến hệ

số sức cản tàu có chiều dài nhỏ sẽ lớn hơn so với tàu có chiều dài lớn

Tương tự đối với chân vịt, khi nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến sức cản vỏ tàu có thể rút ra một số kết luận sau:

- Về bản chất, các yếu tố sử dụng ảnh hưởng đến quá trình làm việc vỏ tàu bao gồm tình trạng kỹ thuật bề mặt vỏ tàu và các điều kiện hàng hải vùng tàu chạy trong đó quan trọng nhất là ảnh hưởng của quá trình ăn mòn và bám bẩn bề mặt vỏ tàu

- Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến phần vỏ tàu là tổ chức khảo nghiệm quá trình làm việc của chân vịt ở điều kiện sản xuất thực tế Do điều kiện thực nghiệm phức tạp, cùng với quá trình ăn mòn và bám bẩn bề mặt của vỏ tàu là một quá trình ngẫu nhiên và phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố khách quan nên phương pháp

và các kết quả nghiên cứu về vấn đề này cũng còn rất hạn chế Các số liệu thực nghiệm

đã được công bố hiện nay chỉ mang tính chất gần đúng, không mang tính hệ thống và thường chỉ phù hợp với một số tàu đã được nghiên cứu

CHƯƠNG 3 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ KHAI THÁC KỸ

THUẬT CHÂN VỊT BIẾN BƯỚC

A CHÂN VỊT BIẾN BƯỚC

3.1 Giới thiệu chung về chân vịt biến bước

Chân vịt biến bước là chân vịt có bước thay đổi do cánh chân vịt có thể xoay quanh trục của nó, do đó làm thay đổi chiều đạp nước và hút nước của tàu, vì vậy mà tính cơ động của tàu được cải thiện hơn so với chân vịt định bước Ngoài khả năng thích hợp với mọi điều kiện khai thác, chân vịt biến bước có thể cho phép lùi tàu và chạy với tốc độ thấp mà không thay giá trị và chiều quay của động cơ Vì vậy động cơ không cần đổi chiều

Chân vịt biến bước xuất hiện cùng thời gian với sự xuất hiện của chân vịt Nhưng lúc đó cơ cấu truyền động chân vịt biến bước quá nặng nề, việc làm kín nước các cánh cũng không tốt, làm cho tín tin cậy và hiệu suất của chân vịt bị giảm thấp Mặt khác các thao tác điều khiển chân vịt biến bước đương thời đều dung phương pháp thô sơ Các vấn

đề có liên quan mật thiết với nhau giữa biến bước chân vịt, tính năng hành trình của tàu, tình hình làm việc của động cơ, thiết bị điều khiển chân vịt biến bước…phải trong vòng

30 năm sau mới giải quyết được Nói chung, vào thời điểm đó chân vịt biến bước chưa hoàn thiện nên chưa được ứng dụng rộng rãi

Ưu nhược điểm của chân vịt biến bước

Sử dụng chân vịt biến bước cho ta những lợi sau:

a Thay đổi tốc độ và khi tàu lùi máy không đảo chiều quay, không thay đổI số vòng quay sử dụng được các loại động cơ không tự đảo chiều được sử dụng

b Trong mọi điều kiện khai thác, tận dụng hết công suất động cơ khi ở vòng quay định mức

c Tốc độ chuyển động chậm hoàn toàn không phũ thuộc số vòng quay ổn định của động cơ đó là điều kiện xác định giới hạn dưới của tốc độ khi bước chân vịt cố định

d Sức cản chân vịt biến bước ít hơn sức cản chân vịt bước cố định

Nhược điểm của chân vịt biến bước

a Kết cấu phức tạp, thanh mảnh như moyeu và trục chân vịt, dẫn đến phí tổn nhiều đòi hỏi luôn phải theo dõi

b Tăng đường kính moyeu làm giảm hiệu suất chân vịt (trung bình từ 2% đến 3%)

c Tăng chiều dài moyeu, đối với tàu 1 chân vịt gây khó khăn cho lắp đặt bánh lái

d Giảm chiều rộng cánh, đòi hỏi phải tăng chiều dày profin dẫn đến s745 giảm hiệu súât không an toàn về xâm thực

Những nhược điểm trên hạn chế sử dụng chân vịt biến bước ở các tàu, tuy nhiên điều lợI ở mục b có nhiều ý nghĩa với 1 số tàu Những lợi do áp dụng chân vịt biến bước theo quan điểm tận dụng hoàn toàn công suất trong mọi điều kiện khai thác thể hiện ở hình 16

Hình 18

Trên hình thể hiện sức kéo đạt được của tàu kéo có cộng suất 1200cv phụ thuộc tốc

độ khi áp dụng chân vịt biến bước cũng như áp dụng 3 loại chân vịt bước cố định có bước 1656mm, 2070mm và 2484mm So sánh ta thấy rằng khi áp dụng chân vịt biến bước sức kéo luôn luôn bằng hoặc lớn hơn của ba loại chân vịt kia

* Ứng dụng

Chân vịt biến bước với những ưu điểm đó, ngay nay được sử dụng nhiều trên tàu ngầm, tàu quét ngư lôi, các tàu dân dụng như tàu cá, tàu phá băng, tàu kéo… Ngoài ra trên các tàu thủy cỡ lớn, chân vịt biến bước còn được bố trí ở phần mũi để tăng tính cơ động của tàu

Kích thước chân vịt biến bước điều chỉnh do Liên Xô sản xuất (bảng 1)

Đường kính chân vịt (m)

Đường kính lõi (m)

Số cánh (z)

Công suất được cung cấp (ml)

Số vòng quay (vg/ph)

Vị trí cơ cấu điều khiển biến bước

Hình 19 Sơ đổ bố trí chân vịt biến bước

1- bộ điều khiển bước bằng thủy lực; 2- xylanh thuỷ lực; 3- cơ cấu qua vách kín nước trước; 4- trục chân vịt; 5- cơ cấu qua vách kín nước sau; 6- cánh chân vịt; 7- lõi chân vịt

3.2 Tính năng kỹ thuật của chân vịt biến bước 3.2.1 Đặc tính chân vịt biến bước

Chân vịt biến bước hay chân vịt có bước điều chỉnh là lọai chân vịt mà cánh có thể xoay quanh được quanh trục làm thay đổi được bước của chân vịt Khi cánh quay 1 góc

Dφ, góc bước thay đổi từ φo điến φo + Dφ

Tùy thuộc vào giá trị của cánh, chân vịt biến bước có các giá trị bước khác nhau Như vậy đặc tính động lực của chân vịt này có thể xem như tập hợp của đặc tính các chân vịt có bước không đổi khi đường kính vẫn giữ nguyên

Sự thay đổi tỷ số bước H/D kéo theo sự thay đổi của hệ số momen KQ Vì tỷ số bước lớn hơn ứng với hệ số momen lơn hơn, trong lúc các thành phần khác vẫn giữ nguyên, nên tỷ số H/D tăng kéo theo sự tăng công suất ở tốc độ quay không đổi, và giảm công suất ở momen không đổi Chân vịt trở nên nặng tải hơn, nghĩa là phù hợp với sự làm việc ở tốc độ tàu cao Tương tự khi bước giảm, chân vịt sẽ nhẹ tải hơn, và điểm sự dụng hết công suất sẽ dịch chuyển về phía tốc độ thấp theo sự giảm bước Chân vịt biến bước cho phép sử dụng hết công suất cung cấp cho nó ở những tốc độ khác nhau của tàu

Tỷ số bước lớn hơn ứng với lực kéo lớn hơn Khi tốc độ quay không đổi, tỷ số

Q

T K K

giảm nếu H/D tăng vì độ hoàn hảo của góc profin cánh giảm khi góc tiến tăng

Lực đẩy khi momen không đổi sẽ giảm khi H/D tăng Như vậy ở mỗi vị trí cánh ta

có giá trị bước xoắn chân vịt phù hợp với lực cản của tàu Khi giảm bước, chân vịt sẽ làm việc phù hợp với điều kiện thử tại bến và các điều kiện làm việc trụng gian khác

Hình 20: Sự thay đổi hiệu suất của chân vịt khi bước thay đổi momen và vòng

quay thay đổi trong điều kiện khai thác khác nhau

Ở các bước khác nhau, giá trị KQ không đổi tương ứng với hệ số tịnh tiến khác nhau

J, các hệ số lực đẩy và các hiệu suất khác nhau ηp Như trên hình 18, chỉ có một giá trị H/D ở đó chân vịt có hiệu suất lớn nhất Giá trị này phụ thuộc vào đường kính chân vịt Vì vậy đường kính chân vịt biến bước phải phù hợp với điều kiện bơi nhất định Ở các điều kiện bơi khác, hiệu suất chân vịt này sẽ nhỏ hơn hiệu súât chân vịt có bước không đổi thiết kế phù hợp với điều kiện đó

Về mặt kết cấu, tỷ số đường kính lõi trên đường kính ngoài đối với chân vịt biến bước lớn hơn so với tỷ số này của chân vịt có bước cố định từ (0,16 ¸0,20) nên hiệu súât chân vịt biến bước thấp hơn (2 ¸ 3)% Sự khác nhau giữa hiệu suất chân vịt định bước

và biến bước càng lớn khi góc xoay của cánh so với vị trí ban đầu Dφ càng lớn Thông thường chân vịt biến bước có bước không đổi theo chiều bán kính (hình 21) Cùng một góc Dφ số tăng của bước càng lớn khi bán kính r ở bước đó càng lớn Điều đó gây nên sự phân bố tải không đều trên cánh, do đó làm hiệu suất giảm theo Khi cánh quay ở một góc Dφ, nó không nằm trên đường xoắn ốc nữa cũng gây nên hiện tượng giảm hiệu suất Như vậy chân vịt biến bước khi thiết kế phải phù hợp với điều kiện bơi nhất định

Hình 21: Sự thay đổi bước ở mặt cắt chân vịt biến bước khi cánh quay góc Dφ

Sử dụng chân vịt biến bước có khả năng thay đổi bước của chân vịt, làm cho độ lớn

và hướng của lực đẩy phù hợp với yêu cầu phụ tải và hướng đi của tàu Khi thiết kế chân vịt biến bước của một con tàu thường căn cứ vào phương pháp thiết kế chân vịt có bước

cố định của chính tàu đó, có điều kiện làm việc mà tàu thường gặp khi tàu chạy để lấy tỷ

số H/D trong chế độ công tác đó làm tỷ số bước thiết kế

Hình 22: Quan hệ giữa tốc độ tàu với công suất

Hình 22 thể hiện quan hệ giữa tốc độ quay với công suất, trong đó đường cong có bước 1,0 là đường cong có tỷ số bước thiết kế, còn các đường cong khác là đường đặc tính chân vịt ở các bước khác nhau, (các đường cong đó được xây dựng trong điều kiện lực cản không đổi) Tử đồ thị ta thấy nếu số bước càng lớn thì ở cùng một tốc độ quay có thể đạt được công súât hoặc lực đẩy càng lớn

hình 23: Thể hiện rõ hơn về quan hệ n-N

Hình 23 biểu thị rõ hơn các quan hệ đã nói trên Đường nét liền là đường đặc tính chân vịt có hệ số bước λp khác nhau, đường nét đứt là đường biểu thị n-N khi tốc độ không đổi Nếu có cùng một tốc độ quay của chân vịt n nhưng các hệ số λp khác nhau: 1,3; 1,1; 0,87 thì ta có tốc độ tương đối là: 0,8; 0,6; 0,4 (các điềm A,B.C trên hình vẽ)

Đồ thị cũng cho thấy với chân vịt có bước cố định muốn đảm bảo tốc độ hành trình tương đối là 0,8 thì điểm làm việc của thiết bị là điểm E và n = nE, nhưng nếu dùng chân vịt biến bước thì thiết bị có thể làm việc ở các điềm A, E, F Điều đó chứng tỏ có thể thay đổi cả tốc độ quay, lẫn hệ số bước mà vẫn duy trì tốc độ hành trình của tàu không thay đổi và cũng tại điểm A, E, F, D công suất của động cơ thay đổi rất ít

Từ điểm trên nhận thấy điểm A là điểm làm việc kinh tế nhất Trong thực tế tại điểm

A công suất tiêu thụ của trục là rất ít và hiệu suất của động cơ ở điểm đó là tốt nhất Muốn tìm hiểu được quá trình vận hành kình tế nhất của thiết bị chúng ta phải tìm được hiệu suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ tại các điềm A, F, D, E (hình 24 ) và lượng tiêu hao nhiên liệu ge, Ne tại điểm đó

hình 24

Đồ thị trên hình 22 cho thấy điểm kinh tế nhất là điểm D mặc dù tại điểm H hiệu súât tiêu hao nhiên liệu của động cơ là tốt nhất, và như vậy dùng loại chân vịt biến bước trong quá trình vận hành có thể điều chỉnh bước của chân vịt để luôn đạt được tính kinh

tế tốt nhất

Thực tế cho thấy, sự phân tích như trên không hoàn toàn phù hợp với điều kiện thực

tế, vì vậy các đường cong đặc tính không thể xây dựng một cách chính xác, tuy vậy nó vẫn có giá trị tham khảo Khi thiết kế, muốn chính xác phải xây dựng theo số liệu thực của tàu

Đối với tàu kéo (hoặc tàu đẩy) nếu thiết bị đẩy là chân vịt có bước cố định thì sẽ có

3 truờng hợp xảy ra sau đây:

- Nếu thiết kế theo chế độ hành trình tự do thì lực kéo chân vịt không thể đạt tới tốc độ quay thiết kế (thường gọi là chân vịt nặng)

- Nếu thiết kế theo chế độ kéo thì lúc hành trình tự do, mặc dù đạt được vòng quay thiết kế nhưng chân vịt không thể tiếp thu toàn bộ công súât (thường ọgi là chân vịt nhẹ)

- Nếu thiết kế chiếu cố cả hai chế độ làm việc thì có khả năng đạt được chế

độ tối ưu ở trường hợp này nhưng lại ảnh hưởng xấu cho trường hợp kia Dùng chân vịt biến bước thì có khả năng cải thiện được tình hình trên

Sau đây giới thiệu khái quát việc xác định đặc tính của chân vịt Theo lý thuyết chân vịt, momen quay của chân vịt trong vùng nước tự do là :

5 2

v s

p

p =

l

hình 25: Đồ thị đường cong thí nghiệm của đặc tính chân vịt

Từ đồ thị đường cong thí nghiệm của chân vịt (hình 25) cho ta thấy đối với chân vịt nhất định (D, H/D và các đại lượng khác nhất định), thì λp đã được xác định Như vậy mỗi chân vịt xác định momen quay tỷ lệ với dòng quay, tức là:

2

1 s n C

1 n s D C n s

K

P= r =

Trong đó K1 là hệ số lực đẩt, K1 chỉ là hàm số của λp do đó khi λp đã được xác định thì K1 có trị số xác định

Khi λp đã được xác định thì ηp cũng được xác định cặn cứ và quan hệ của λp, nếu đường kính chân vịt đã biết thì λp quyết định bởi tốc độ dòng nước chảy qua chân vịt và tốc độ của chân vịt Khi chân vịt được lắp trên tàu, dòng theo đó chịu ảnh hưởng của tốc

độ con tàu, lực đẩy thực tế sẽ giảm xuống và ta có:

) 1 ( t

có thể xem t và ω là những hằng số hay const

Như vây chỉ cần thay đổi tỷ lệ xích trên bản đồ là có thể P

và vp biến đổi thành Pe và v Do đó khi

s n

v có trị số nhất

định thì

s

p n

v

và v p cũng được xác định Lực đẩy và momen quay tỷ lệ bậc 2 với tốc độ còn công suất thì quan hệ bậc 3 với tốc độ (hình 24) Nếu cho

s n

v thay đổi, ta có thể xây dựng được một nhóm những đường cong đặc tính có quan

hệ P-n, M-ns, N-ns Khi

s

n

v càng nhỏ thì các đường cong đặc tính đócàng dốc

hình 26

3.2.2 Tính năng truyền động của chân vịt biến bước

Truyền động chân vịt biến bước có thể là loại truyền động trực tiếp hoặc có thể là truyền động gián tiếp Đặc điểm của truyền động là:

- Chiều quay chân vịt không thay đổi nhưng tàu có thể tiến hoặc lùi