Lý thuyết tàu Tập II - Sức cản vỏ tàu thiết bị đẩy tàu

ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Trần Công Nghò LÝ THUYẾT TÀU TẬP II SỨC CẢN VỎ TÀU THIẾT BỊ ĐẨY TÀU THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2009 TRƯỜNG ĐẠIC HỌC GIAO THƠNG VÂN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Trần Công Nghò LÝ THUYẾT TÀU TẬP 2 SỨC CẢN VỎ TÀU VÀ THIẾT BỊ ĐẨY TÀU (Tái bản lần thứ nhất) THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009 3 MỤC LỤC Lời nói đầu 7 PHẦN MỘT SỨC CẢN VỎ TÀU 11 Chương 1 SỨC CẢN 13 1.1 Sức cản tác động lên vỏ tàu 13 1.1.1 Sức cản tàu 13 1.1.2 Đònh luật đồng dạng trong nghiên cứu sức cản tàu 14 1.1.3 Các thành phần sức cản 18 1.1.4 Công suất hữu hiệu 41 1.2 Thử mô hình tàu 42 1.2.1 Ảnh hưởng tỷ lệ mô hình đến kết quả thí nghiệm 43 1.2.2 Tính chuyển kết quả thử mô hình sang tàu thật 45 1.2.3 Phương pháp trình bày kết quả thí nghiệm theo hệ thống đo Anh-Mỹ 47 Chương 2 TÍNH SỨC CẢN VỎ TÀU 51 2.1 Các phương pháp kinh nghiệm tính sức cản vỏ tàu 51 2.1.1 Phương pháp truyền thống dựa trên xử lý dữ liệu thống kê 51 2.1.2 Phương pháp tính sức cản tàu sông 60 2.2 Sức cản tàu cỡ nhỏ, chạy nhanh 61 2.2.1 Tàu hông tròn 66 2.2.2 Tàu đáy phẳng ( planing craft ) 67 2.2.3 Tàu trên cánh ngầm 69 2.2.4 Tàu trên đệm khí 72 2.3 Các phương pháp tính sức cản dựa trên phân tích hồi qui 74 2.3.1 Tàu vận tải 74 2.3.2 Sức cản tàu cá 79 2.4 Sức cản tàu trên miền nước cạn và kênh hẹp 84 2.4.1 Sức cản tàu trên miền nước cạn 84 2.4.2 Giảm vận tốc tàu khi chuyển động trong kênh hẹp 89 Chương 3 ẢNH HƯỞNG YẾU TỐ ĐƯỜNG HÌNH DÁNG ĐẾN LỰC CẢN 92 3.1 Chọn đường hình tàu 92 3.2 Ảnh hưởng kích thước tàu đến sức cản 92 3.3 Hoành độ tâm nổi phần chìm thân tàu LCB 93 3.4 Vò trí sườn lớn nhất, Hình dáng phần lái, phần mũi tàu 94 3.5 Hệ số đầy thân tàu C B 95 3.6 Hệ số đầy lăng trụ C P 96 3.7 Đường hình tàu chạy biển 97 4 PHẦN HAI THIẾT BỊ ĐẨY TÀU Chương 4 CHÂN VỊT TÀU 109 4.1 Đặc tính hình học 109 4.2 Vẽ chân vòt 113 4.3 Đặc tính thủy động lực 115 4.4 Các đònh luật đồng dạng 123 4.5 Thử mô hình chân vòt tự do 125 4.6 Các seri chân vòt đã thử nghiệm thành công 146 4.7 Cơ sở lý thuyết chân vòt tàu 168 4.7.1 Lý thuyết bảo toàn động lượng 169 4.7.2 Lý thuyết các mặt cắt phẳng (strip theory) của cánh 171 4.7.3 Dòng chảy qua cánh có chiều dài hạn chế 174 4.7.4 Lý thuyết dòng xoáy của Prandtl 176 4.7.5 Hệ thống các dòng xoáy của chân vòt tàu 178 4.7.6 Trường tốc độ quanh chân vòt số cánh vô hạn 180 4.7.7 Lực tác động lên phần tử cánh 182 4.7.8 Hiệu suất theo số lượng cánh 183 4.7.9 Hai bài toán thiết kế chân vòt 185 Chương 5 HỆ SỐ DÒNG THEO, LỰC HÚT. ĐỘ BỀN CÁNH 194 5.1 Tác động qua lại giữa vỏ tàu và chân vòt 194 5.1.1 Dòng theo và lực hút 194 5.1.2 Hệ số dòng theo tàu đi biển 196 5.1.3 Hệ số dòng theo cho tàu nội đòa 199 5.1.4 Hệ số lực hút cho tàu đi biển 199 5.1.5 Bố trí chân vòt ở vòm đuôi tàu 200 5.1.6 Công suất máy và các thành phần hiệu suất động lực 201 5.2 Xâm thực chân vòt tàu 203 5.2.1 Xâm thực chân vòt tàu 203 5.2.2 Tiêu chuẩn tránh sủi bọt khi thiết kế chân vòt 207 5.3 Độ bền cánh chân vòt 209 5.3.1 Độ bền cánh chân vòt 211 5.3.2 Kiểm tra độ bền theo công thức Taylor 212 5.3.3 Kiểm tra độ bền theo công thức Romson 214 Chương 6 THIẾT KẾ CHÂN VỊT TÀU THỦY CÁNH CỐ ĐỊNH 217 6.1 Đặt vấn đề thiết kế máy đẩy tàu 217 6.2 Quan hệ giữa máy chính - vỏ tàu - chân vòt 118 6.3 Thiết kế chân vòt theo chế độ chạy tự do, theo chế độ kéo 220 6.4 Thiết kế chân vòt tàu 223 5 6.5 Lập các đường làm việc của chân vòt tàu 240 6.6 Thiết kế chân vòt sủi bọt 247 6.7 Chân vòt trong ống 251 6.8 Hệ thống chân vòt đồng trục 266 6.9 Những giải pháp nâng cao hiệu suất động lực chân vòt 267 Chương 7 THIẾT BỊ ĐẨY TÀU 273 7.1 Chân vòt biến bước 273 7.1.1 Chân vòt biến bước và chân vòt bước cố đònh 273 7.1.2 Chọn chân vòt biến bước 279 7.1.3 Tính toán kiểm tra chân vòt bước thay đổi 280 7.2 Chân vòt lái 283 7.2.1 Chân vòt lái 283 7.2.2 Chân vòt lái đặt ngang 283 7.2.3 Đặc tính động lực học chân vòt lái 288 7.2.4 Thiết kế chân vòt lái nằm ngang 289 7.2.5 Chân vòt lái góc phương vò 292 7.3 Máy đẩy dạng phụt nước 294 7.3.1 Bơm dùng trong hệ thống máy phụt nước 297 7.3.2 Chọn hệ thống phụt nước cho tàu 298 7.3.3 Đồ thò xác đònh đóa làm việc tối ưu 300 7.3.4 Sủi bọt máy phụt nước 301 7.3.5 Thiết kế đường dẫn gồm miệng hút, đường ống, các thiết bò đỡ 304 Chương 8 LẬP CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ CHÂN VỊT TÀU 309 8.1 Hệ số dòng theo và lực hút 309 8.2 Xác minh sơ bộ đường kính chân vòt tàu 311 8.3 Tỉ lệ diện tích mặt đóa cần thiết 311 8.4 Đồ thò K T ~ η p ~ J và K Q ~ η p ~ J chân vòt nhóm B 312 8.5 Chọn máy tàu 315 8.6 Thiết kế chân vòt theo chế độ chạy tự do 317 8.7 Thiết kế chân vòt theo chế độ kéo 320 8.8 Miêu tả chương trình máy tính hiện hành 321 8.9 Vẽ chân vòt trên máy tính cá nhân PC 325 Phụ lục ĐỒ THỊ TÍNH SỨC CẢN VỎ TÀU 327 A. Sức cản tàu cỡ nhỏ 327 B. Tính sức cản toàn bộ của tàu 342 C. Tính sức cản dư tàu vận tải biển 346 C.1. Seri Dawson 346 C.2. Phương pháp Guldhammer - Harvald 347 6 C.3. Đồ thò bể thử SSPA 354 C.4. Đồ thò tính sức cản tàu vận tải, chạy nhanh từ Nhật Bản 363 D. Sức cản tàu đánh cá 369 E. Đồ thò xác đònh sức cản tàu sông của Alfierev 388 F. Sức cản tàu hai thân 393 ĐƠN VỊ ĐO DÙNG TRONG SÁCH 402 ĐỒ THỊ THIẾT KẾ CHÂN VỊT 403 Tài liệu tham khảo 425 7 Lời nói đầu LÝ THUYẾT TÀU được biên soạn lại dựa trên cơ sở 3 tập “Lý thuyết tàu” ( ĐHGTVT TPHCM – 2004). Trong lần xuất bản này dựa trên cơ sở đề cương môn học “Lý thuyết tàu 1”, “Lý thuyết tàu 2” chúng tôi soạn thành 2 tập. LÝ THUYẾT TÀU – TẬP 2 – SỨC CẢN VỎ TÀU và THIẾT BỊ ĐẨY TÀU được viết lại từ tập 2 của cuốn “Lý thuyết tàu”. LÝ THUYẾT TÀU – TẬP 2 – gồm 8 chương đề cập đến các vấn đề sức cản vỏ tàu, các đònh luật đồng dạng trong nghiên cứu sức cản vỏ tàu, công suất máy tàu, thiết kế các loại chân vòt tàu, thiết bò đẩy tàu. Ở mỗi tập chúng tôi đều có giới thiệu ký hiệu do Tổ chức Hàng hải quốc tế IMO và các hội nghò ITTC khuyến khích dùng. Ngoài ra chúng tôi cũng có giới thiệu một số ký hiệu theo cách viết của người Nga đưa ra trước đây, được dùng chính thức trong các tài liệu chuyên ngành tại nước ta, với ý đònh dùng để làm tài liệu đối chứng. Hy vọng sách có thể giúp người đọc nhận được thông tin cần thiết khi tìm hiểu sức cản các tàu thường gặp và nguyên lý làm việc của các máy đẩy tàu. Trong tài liệu này người viết cố gắng trình bày các kiểu chân vòt đnag dùng phổ biến trên các tàu vận tải đi biển, chạy sông. Tài liệu đưa vào phụ lục nhận từ nhiều nguồn tin cậy, chắc có ích cho những người làm công tác thiết kế máy đẩy tàu. Chúng tôi rất mong tiếp tục nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp và độc giả để cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn. Trần Công Nghò 8 CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG SÁCH Ký hiệu sử dụng trong tài liệu phần lớn phù hợp với qui ước của các hội nghò ITTC và Tổ chức IMO. Ký hiệu chính Tiếng Việt Tiếng Anh AP Trụ lái Aft perpendicular B Chiều rộng tàu Breadth moulded B Tâm nổi Centre of buoyancy BHP Công suất máy Brake horsepower C B Hệ số đầy thể tích Block coefficient C M Hệ số đầy mặt giữa tàu Midship coefficient C P Hệ số đầy lăng trụ Prismatic coefficient C W Hệ số đầy đường nước Waterplance coefficient C F Hệ số sức cản ma sát Frictional-resistance coefficient C L Hệ số lực nâng Lift coefficient C R Hệ số sức cản dư Residual-resistance coefficient C T Hệ số sức cản toàn bộ Total-resistance coefficient C V Hệ số sức cản nhớt Viscous-resistance coefficient C W Hệ số sức cản sóng Wavemaking-resistance coefficient EHP,EPS Công suất hữu hiệu Effective horsepower f Hệ số ma sát Coefficient of fiction FP Trụ mũi Forward perpendicular Fn, Fr Số Froude Froude number G Trọng tâm tàu Centre of gravity g Gia tốc trọng trường Acceleration due to gravity H Chiều cao tàu Depth moulded H,h Chiều sâu nước Depth of water h W Chiều cao sóng Wave heigh l Chiều dài nói chung Lenght in general L Chiều dài nói chung Lenght in general M Mômen nói chung Moment in general R Sức cản nói chung Resistance in general R F Sức cản ma sát Fictional resistance R R Sức cản dư Residual resistance R T Sức cản toàn bộ Total resistance R V Sức cản nhớt Viscous resistance R W Sức cản sóng Wave making resistance Rn,Re Số Reynolds Reynolds number T,t Thời gian Time V Thể tích nói chung Volume in general v Vận tốc nói chung Speed in general β Góc nói chung Angle in general γ Trọng lượng riêng của nước Water specific weight ρ Mật độ nói chung Density in general 9 Ký hiệu chính Tiếng Việt Tiếng Anh A Diện tích nói chung Area in general A D Diện tích khai triển các cánh Developed Area A E Diện tích duỗi các cánh Expaded Area A M Diện tích mặt cắt ngang giữa tàu Midship section area A P Diện tích mặt chiếu Projected Area A O Diện tích mặt đóa Disc area B Chiều rộng tàu Moulded breadth B P Hệ số công suất Propeller power coeficient BAR Tỉ lệ mặt đóa Blade area ratio C B Hệ số đầy thể tích Block coeficient C D Hệ số cản Drag coeficient C F Hệ số cản ma sát Frictional resistance coeficient C L Hệ số nâng Lift coeficient D Đường kính nói chung Diameter in general Đường kính chân vòt Propeller diameter D Lực cản Drag f Tần suất Frequency g Gia tốc trọng trường Acceleration due to gravity H Chiều cao tàu Depth H Bước chân vòt Pitch H/D Tỷ lệ bước, dùng như P/D h Chiều cao Height HP Sức ngựa (mã lực) nói chung Horsepower in general Mã lực trong hệ thống đo Anh-Mỹ, 1 HP = 76 kG.m/s hp Dùng như HP I Mômen quán tính Moment of inertia I P Mômen quán tính trong hệ độc cực Polar moment of ineria J Hệ số tiến Advance coeficient K Hệ số Coeficient in general K Q Hệ số mômen quay Torque moment coeficient K T Hệ số lực đẩy Thrust coeficient K TN Hệ số lực đẩy của ống đạo lưu Duct thrust coeficient L Chiều dài tàu Length of ship L Lực nâng Lift force l Chiều dài nói chung Length in general M Mômen nói chung Moment in general m Khối lượng Mass N Vòng quay trong một phút RPM n Vòng quay trong một giây, tần suất quay RPS P Công suất nói chung Power in general P Bước chân vòt Pitch P/D Tỷ lệ bước, dùng như H/D p Áp lực Pressure [...]... còn sức cản sóng Rw và sức cản được ký hiệu Rp phụ thuộc vào hình dáng của thân tàu và có thể coi tập hợp của Rw và Rp là sức cản dư Rr, để từ đó có thể tính: R = Rf + R r Một cách tổng quát, có thể hình dung các thành phần sức cản từ phía nước như bảng 1.1 Bảng 1.1 Sức cản toàn bộ RT Sức cản vỏ tàu R bổ sung Sức cản nhớt Rv Sức cản ma sát Rf Sức cản sóng Rw Sức cản hình dáng Rp Sức cản ma sát Rf * Sức. .. là tập hợp của những thành phần nhất đònh (sức cản áp suất, sức cản tạo sóng) Với tàu chạy nhanh, thành phần chủ yếu là sức cản áp suất, sức cản tạo sóng, còn với tàu chạy chậm tham gia chủ yếu lại là sức cản do tính chất nhớt của nước Sức cản vì đã tạo sóng của tàu nên có thể coi là do phần thân tàu, do phần mũi tàu và do phần chìm của đuôi tàu dạng transom trong nước tạo sóng Trong thành phần sức cản. .. Thép đóng tàu có độ nhám nằm trong phạm vi h = 0,03 ÷ 0,04 Độ nhám ảnh hưởng đến hệ số CF rất rõ nét Trong các phép tính sức cản của tàu, hệ số sức cản ma sát vỏ tàu thật phải được tăng thêm lượng dành cho sức cản do độ nhám bề mặt Phần tăng của hệ số CF, ký hiệu ΔCF, áp dụng cho các tàu thường gặp như sau: Tàu vỏ thép: 0,0003 - 0,0006 Tàu vỏ xi măng: 0,0007 - 0,0012 Tàu vỏ gỗ: 0,0018 - 0,0025 Tàu xuồng... muốn này tàu phải tốn năng lượng tạo ra nó Sức cản xoáy hay còn gọi cách khác sức cản hình dáng phụ thuộc nhiều vào hình dạng phần thân tàu nằm trong nước Sức cản dư là tập hợp của các thành phần sức cản sóng và sức cản xoáy, hay gọi chung là sức cản hình dáng, trong đó tỷ lệ sức cản sóng rất lớn Hệ số sức cản dư được tính như sau: Cr = ( Rw + R p ) Rr = 2 0, 5 ρ.V S 0, 5 ρ.V 2 S (1.59) Sức cản không... cản chiếm tỷ lệ lớn trong sức cản toàn bộ Với các tàu chạy chậm sức cản ma sát chiếm 80 ÷ 85%, còn với tàu chạy nhanh tỷ lệ này cũng giữ đến 50% sức cản toàn bộ Những công trình nghiên cứu sức cản tàu đầu tiên cũng bắt đầu từ sức cản ma sát Thí nghiệm về sức cản ma sát của Froude Froude coi sức cản dư gồm hai thành phần, mà phần quan trọng là sức cản ma sát, do vậy ông đã tập trung thí nghiệm để tìm... các thành phần sức cản dư Sức cản dư Sức cản vỏ tàu gồm nhiều thành phần khác nhau, do nhiều nguyên nhân gây ra và bản thân các thành phần tác động với nhau tạo ra bức tranh khá phức tạp Trong các thành phần đó: - Sức cản ma sát sinh ra trong quá trình vỏ tàu phải chạy qua vùng chất lỏng nhớt - Sức cản xoáy sinh ra khi tàu chạy và tạo sóng ngoài ý muốn, trên mặt nước quanh tàu do khi thân tàu cùng các... thẳng vào mũi tàu mang giá trò trung bình Hình 1.16: Hệ số sức cản không khí Hình 1.17: Hệ số sức cản Tàu chở dầu: 0,7 ÷ 1,3 Tàu chạy nhanh: 0,4 ÷ 0,6 Tàu chở hàng: 0,7 ÷ 1,2 Tàu sông: 0,5 ÷ 1,0 Hệ số vừa nêu giảm theo độ tăng góc gió thổi đến mạn (H.1.17) Sức cản tàu do sóng Khác với khái niệm sức cản sóng - wave-making” nêu trên là dạng lực cản trở chuyển động tàu do việc tạo sóng từ thân tàu trong... sức cản ma sát của vỏ tàu có thể có các thành phần: ma sát vỏ tàu trên nước lặng và lực ma sát bổ sung trong quá trình khai thác Tập hợp các thành phần trên, chúng ta có thể đánh giá sức cản dưới cách nhìn khác, rằng đây là tập hợp của sức cản nhớt Rv và sức cản tạo sóng Rw Trong thành phần sức cản nhớt, theo quan niệm mới từ những năm cuối thế kỷ XX, Rv gồm sức cản ma sát Rf và sức cản hình dáng Rp... β Góc của sức nâng 0 Zero lift angle Góc nói chung Angle in general γ Trọng lượng riêng của vật liệu γ Góc nghiêng cánh η Hiệu suất nói chung Efficient in general σ Ứng suất nói chung Stress in general σ Số sủi bọt nói chung Cavitation number 11 PHẦN MỘT SỨC CẢN VỎ TÀU 12 13 Chương 1 SỨC CẢN 1.1 SỨC CẢN TÁC ĐỘNG LÊN VỎ TÀU 1.1.1 Sức cản tàu Chuyển động trên mặt nước, trong nước, bề mặt vỏ tàu phải tiếp... Sức cản sóng Rw Sức cản dư Rr Sơ đồ trên đây được lập trên cơ sở giả thuyết về sự độc lập của các thành phần tạo nên sức cản toàn bộ Theo thuyết này sự tạo sóng của tàu chạy không ảnh hưởng và không phụ thuộc vào sức cản nhớt Có thể thấy rằng sức cản trong quá trình tạo sóng là hiện tượng vật lý sinh ra trong môi trường nước lý tưởng, chòu sự chi phối của lực hút trái đất Trong thành phần của sức cản . học Lý thuyết tàu 1”, Lý thuyết tàu 2” chúng tôi soạn thành 2 tập. LÝ THUYẾT TÀU – TẬP 2 – SỨC CẢN VỎ TÀU và THIẾT BỊ ĐẨY TÀU được viết lại từ tập 2 của cuốn Lý thuyết tàu . LÝ THUYẾT TÀU. phần sức cản từ phía nước như bảng 1.1. Bảng 1.1 Sức cản toàn bộ R T Sức cản vỏ tàu R bổ sung Sức cản nhớt R v Sức cản sóng R w Sức cản ma sát R f Sức cản hình dáng R p * Sức cản sóng. SỨC CẢN VỎ TÀU 11 Chương 1 SỨC CẢN 13 1.1 Sức cản tác động lên vỏ tàu 13 1.1.1 Sức cản tàu 13 1.1.2 Đònh luật đồng dạng trong nghiên cứu sức cản tàu 14 1.1.3 Các thành phần sức cản 18 1.1.4