nghiên cứu phương pháp xác định thực nghiệm sức cản thông qua cặp thông số tốc độ tàu và số vòng quay chân chân vịt

Tài liệu tham khảo nghiên cứu phương pháp xác định thực nghiệm sức cản thông qua cặp thông số tốc độ tàu và số vòng quay chân chân vịt

Sau hơn bốn tháng nghiên cứu và tính toán, với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS.Trần Gia Thái, em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp với nội dung:

“Nghiên cứu phương pháp xác định thực nghiệm sức cản thông qua cặp thông

số tốc độ tàu và số vòng quay chân vịt”

Nhân đây em chân thành gởi lời cảm ơn đến thầy giáo TS.Trần Gia Thái đã hướng dẫn hết sức tận tình trong thời gian em thực hiện đề tài

Em xin cảm ơn Chi cục bảo vệ nguồn lợi thuỷ sản tỉnh Phú Yên, Khánh Hoà

đã tạo điều kiện, giúp đỡ em thực tập số liệu tại chi cục trong thời gian thực hiện đề tài

Và em cũng xin được cảm ơn toàn thể thầy giáo trong bộ môn tàu thuyền, cán bộ thư viện trường Đại Học Nha Trang cùng các bạn và những người thân của mình đã giúp đỡ, động viên em rất nhiều trong thời gian thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, ngày 20 tháng 06 năm 2007

Sinh viên thực hiện

Đặng Văn Cường

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.1 TỔNG QUAN 3

1.2 THỰC TRẠNG BÀI TOÁN SỨC CẢN HIỆN NAY 4

1.3 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀGIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .6

2.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ SỨC CẢN TÀU THUỶ 7

2.1.1 CÁC THÀNH PHẦN SỨC CẢN CỦA TÀU THUỶ 7

2.1.2 ĐƯỜNG CONG SỨC CẢN TÀU THUỶ 10

2.1.3 SỰ THAY ĐỔI SỨC CẢN TÀU SAU MỘT THỜI GIAN SỬ DỤNG 11

2.1.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÁCH TÍNH SỨC CẢN TRUYỀNG THỐNG 12

2.2 NGHIÊN CỨU ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CHÂN VỊT TRONG ĐIỀU KIỆN KHAI THÁC THỰC TẾ 16

2.2.1 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA CHÂN VỊT 16

2.2.1.1 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CHÂN VỊT 16

2.2.1.2 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA CHÂN VỊT 16

2.2.2 XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CHI TIẾT CHÂN VỊT 18

2.2.2.1 ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CHÂN VỊT 18

2.2.2.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CHI TIẾT CHÂN VỊT 19

2.3 CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ 25

2.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỒ THỊ VẬN HÀNH TÀU TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ 29

2.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG CONG SỨC CẢN TÀU THUỶ DỰA VÀO CẶP THÔNG SỐ VẬN TỐC TÀU VÀ SỐ VÒNG QUAY CHÂN VỊT 34

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG SỨC CẢN DỰA VÀO CẶP THÔNG SỐ VẬN TỐC TÀU VÀ SỐ VÒNG QUAY CHÂN VỊT CHO MỘT SỐ TÀU CỤ THỂ .36

3.1.3 ĐƯỜNG CONG SỨC CẢN CỦA TÀU PY - 93024 - TS THEO CÔNG

THỨC LENINGRAD 47

3.1.4 ĐƯỜNG CONG SỨC CẢN CỦA TÀU PY - 93024 - TS THEO PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 47

3.2 XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VẬN HÀNH TÀU KH - 90327 - TS 54

3.2.1 NHỮNG THÔNG SỐ CƠ BẢN VỀ TÀU 54

3.2.2 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TÀU KH - 90327 - TS 55

3.2.3 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH SỨC CẢN CHO TÀU KH-90327-TS 64

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 66

4.1 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 66

4.1.1 XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG CONG SỨC CẢN THÔNG QUA CẶP THÔNG SỐ TỐC ĐỘ TÀU VÀ SỐ VÒNG QUAY CHÂN VỊT 66

4.1.2 MỘT SỐ NHẬN XÉT VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CẢN THÔNG QUA CẶP THÔNG SỐ TỐC ĐỘ TÀU VÀ SỐ VÒNG QUAY CHÂN VỊT 69

4.2 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp tàu thủy ở nước ta phát triển khá mạnh Chúng ta đã hạ thuỷ những loạt tàu 100.000 tấn, đã gây được những tiếng vang trên trường quốc tế

Việt Nam có một vị trí rất thuận lợi để phát triển ngành công nghiệp đóng tàu cũng như phát triển ngành khai thác thuỷ - hải sản.Việt Nam có Biển Đông, cửa ngỏ của châu Á Biển Đông có diện tích 3.447.000 km2 (648.000 hải lý vuông), một trong 6 biển lớn nhất của thế giới, nối với hai đại dương là Thái Bình Dương và Ấn

Độ Dương, có 10 quốc gia và thực thể bao bọc: Việt Nam, Trung Quốc, Brunây, Campuchia, Thái Lan, Malaysia, Inđônêsia, Đài Loan, Philipin Bờ biển Việt Nam dài hơn 3.260 km, đứng thứ 27 trong số 157 quốc gia ven biển, các đảo quốc và các lãnh thổ trên thế giới Về hải sản có khoảng 2.040 loài cá, trong đó khoảng 110 loài

có giá trị kinh tế [15]

Chính vì những điều kiện thuận lợi mà thiên nhiên ban tặng cho Việt Nam, chúng ta phải nổ lực phát huy Thấy được những ưu thế đó, chính phủ ta đã có những chính sách hợp lý trong thời gian qua Đã đầu tư mạnh cho ngành công nghiệp đóng tàu, đã có những đội tàu đánh bắt xa bờ Nhưng chúng ta chưa có những đội ngũ quản lý về ngành công nghiệp đóng tàu hùng hậu, chưa có nhiều những công trình nghiên cứu về ngành tàu Do đó mỗi mùa mưa bão đến, thiên tai

về thì hậu quả đổ hết lên ngư dân Bài toán về mức độ an toàn và hiệu quả khai thác của liên hợp tàu đã và đang đặt ra cho các nhà quản lý cũng như các nhà nghiên cứu nhiều vấn đề cần giải quyết trong thực tế

Bài toán đặt ra trước mắt là về khai thác hiệu quả đội tàu đánh cá xa bờ, như bài toán về xác định công suất động cơ cũ lắp trên tàu, tính sức cản để tính chân vịt

và chọn máy phù hợp v v…

Trước những yêu cầu cấp thiết đó, các nhà quản lý và nghiên cứu trường Đại Học Nha Trang, cụ thể là bộ môn Đóng Tàu đã có nhiều công trình cống hiến cho ngành Thuỷ Sản.Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại trường chúng tôi nhận thấy bài toán xây dựng đường cong sức cản tàu thuỷ trong điều kiện khai thác thực tế

còn bỏ ngỏ Được sự đồng ý khoa cơ khí của trường đã giao cho tôi giải quyết bài

toán này trong luận văn tốt nghiệp với nội dung “Nghiên cứu phương pháp xác định

thực nghiệm sức cản thông qua cặp thông số tốc độ tàu và số vòng quay chân vịt”

Qua thời gian tìm hiểu, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS.Trần Gia Thái cùng với sự động viên giúp đỡ của các thầy cô giáo và các bạn, em đã hoàn thành nội dung đề tài

Nội dung đề tài gồm bốn phần:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Kết quả tính toán cho một tàu cụ thể

Chương 4: Nhận xét và đề xuất ý kiến

Song với thời gian thực hiện không nhiều cùng với hiểu biết còn hạn chế nên

đề tài của em không tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô và các bạn đã động viên giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài, đặc biệt em xin cảm ơn thầy giáo TS.Trần Gia Thái

đã hướng dẫn em rất tận tình trong thời gian thực hiện đề tài

Nha Trang, ngày 05 tháng 02 năm 2007

Sinh viên thực hiện

Đặng Văn Cường

mà công suất của động cơ đã bị yếu đi so với định mức, còn bề mặt vỏ tàu và chân vịt đã bị ăn mòn, bám bẩn sau một thời gian khai thác Điều này đã có ảnh hưởng không tốt đến hiệu quả khai thác và mức độ an toàn của liên hợp tàu

Chính vì lý do đó, việc tìm kiếm một giải pháp hữu hiệu để xác định đường cong sức cản đảm bảo được độ chính xác cần thiết, đặc biệt là đối với tàu đánh cá

vỏ gỗ, có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế cũng như trong điều kiện khai thác thực

tế Từ công trình nghiên cứu của TS Trần Gia Thái, chúng tôi đặt vấn đề xây dựng đường cong sức cản dựa vào cặp thông số vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n, những thông số này có khả năng xác định đơn giản bằng dụng cụ đo cầm tay Kết quả nghiên cứu đề tài này hy vọng sẽ giúp ích cho quá trình tính toán thiết kế cũng

như trong khai thác thực tế Đó là nội dung sẽ trình bày trong đề tài : “Nghiên cứu

phương pháp xác định thực nghiệm sức cản thông qua cặp thông số tốc độ tàu và số vòng quay chân vịt”

1.2 THỰC TRẠNG BÀI TOÁN TÍNH SỨC CẢN HIỆN NAY

Như đã phân tích ở trên, bài toán tính sức cản tàu là một bài toán khó, phức tạp, do phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: vận tốc tàu, môi trường hoạt động, đặc điểm hình học vỏ tàu… Chính vì đặc điểm này nên các nhà khoa học luôn đi tìm cách nghiên cứu và xác định nó Hiện nay, bài toán tính sức cản thường sử dụng công thức tính sức cản gần đúng Các công thức tính sức cản gần đúng không đánh giá được độ chính xác

Ví dụ, đối với tàu đánh cá vỏ gỗ thường sử dụng công thức của Viện Thiết kế Leningrad do việc tính toán đơn giản và công thức của Võ Văn Trác Nhưng công thức của Võ Văn Trác được xây dựng cho mẫu tàu sông Việt Nam vào những năm

70, cho đến nay không còn phù hợp nữa

Hiện nay, bài toán tính sức cản tàu sau một thời gian khai thác còn gặp nhiều khó khăn Chính vì thực trạng đã đặt ra bài toán xác định sức cản thông qua cặp thông số tốc độ tàu V và số vòng quay chân vịt n

1.3 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu xây dựng đường cong sức cản thông qua cặp thông số tốc độ tàu V và số vòng quay chân vịt n

Đây là bài toán ngược, khi đã biết công suất động cơ N, tốc độ tàu V, số vòng quay chân vịt n trong điều kiện khai thác thực tế nhờ thiết bị đo Từ những thông số đầu vào là tốc độ tàu V và số vòng quay chân vịt n để xây dựng đồ thị vận hành tàu thực nghiệm từ đó xác định sức cản tàu

Bài toán xác định thực nghiệm sức cản thông qua cặp thông số tốc độ tàu V

và số vòng quay chân vịt n được xác định trên cơ sở lý thuyết và những kết luận

luận án tiến sĩ “ Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đạt hiệu quả khai

thác của liên hợp máy - vỏ - chân vịt tàu thuỷ” của T.S Trần Gia Thái

Trong phạm vi đề tài, chúng tôi chỉ đặt vấn đề xác định đường cong sức cản đối với loại tàu đánh cá vỏ gỗ Với những nội dung được trình bày như sau:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Xây dựng đường cong sức cản dựa vào cặp thông số vận tốc tàu

và số vòng quay chân vịt cho một số tàu cụ thể

Chương 4: Phân tích kết quả, nhận xét và đề xuất ý kiến

Thành phần sức cản tổng hợp tác dụng lên tàu bao gồm: sức cản môi trường nước, sức cản của môi trường không khí và thành phần sức cản phụ do các thiết bị như bánh lái, chân vịt … gây ra

Sức cản do môi trường nước tạo ra là rất lớn, lớn hơn nhiều so với sức cản không khí Nó ảnh hưởng lớn đến tốc độ tàu cũng như các tính năng khác của tàu khi chuyển động, nên luôn được các nhà thiết kế quan tâm và nghiên cứu

2.1.1.1 Sức cản môi trường nước

Khảo sát phân tố diện tích dS trên bề mặt vỏ tàu dưới nước (còn gọi là diện tích mặt ướt S) Lực thuỷ động tác dụng lên phân tố dS được phân tích thành các

Hình 2.1: Lực thuỷ động tác dụng lên vỏ tàu khi chuyển động tiến theo Ox

x)dS os(p,

Thực chất sức cản ma sát của tàu (Rms) xuất hiện là do độ nhớt chất lỏng gây

ra ma sát giữa lớp chất lỏng với vỏ tàu và giữa các lớp chất lỏng với nhau Đại lượng này được xác định theo sức cản của tấm phẳng có tính đến độ cong và độ nhám của bề mặt vỏ tàu so với tấm phẳng theo công thức tổng quát:

Cmstàu: Hệ số sức cản ma sát của tàu

Cmstàu được tính theo công thức:

Cmstàu = k Cmstptđ + C bm

Với k: Hệ số tính đến ảnh hưởng của độ cong bề mặt vỏ tàu so với tấm phẳng, có giá trị nằm trong khoảng (1.02 1.08), phụ thuộc vào tỷ số L/B

C bm : Hệ số tính đến ảnh hưởng của độ nhám bề mặt vỏ tàu, thường

có giá trị nằm trong khoảng (0.0003  0.0008), phụ thuộc vào vật liệu làm vỏ tàu và điều kiện làm việc …

Cmstptđ: Hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng tương đương với tàu, tức

là tấm phẳng có chiều dài và diện tích mặt ướt của tàu, chuyển động trong cùng một chất lỏng với tốc độ bằng tốc độ tàu Nó phụ thuộc vào giá trị số Reynolds

lg

455 0

- Hoặc theo công thức của Hội nghị quốc tế các bể thử lần VIII(ITTC-1957)

Cmstptđ =

)2

Re 2(lg

075 0

Kết quả của sự phân bố lại áp lực và tốc độ trong dòng chất lỏng quanh bề mặt vỏ tàu là nguyên nhân gây ra sức cản áp suất gồm sức cản hình dáng và sức cản sinh sóng

1 Sức cản hình dáng (R hd )

Sức cản hình dáng xuất hiện là do sự phân bố lại áp lực và tốc độ trong dòng chất lỏng chảy dọc theo bề mặt vỏ tàu và gây ra khu vực xoáy nằm phía sau đuôi tàu như sau:

Hình 2.2: Hiện tượng lưu tuyến của dòng chất lỏng xung quanh bề mặt vỏ tàu

Khu vực xoáy

Hình 2.3: Sức cản hình dáng

Trong khu vực từ mũi về sườn giữa tàu, do các phần tử chất lỏng chuyển động theo chiều giảm của áp lực nên tốc độ các phần tử tăng dần và đạt giá trị lớn nhất tại sườn giữa tàu Còn khu vực từ sườn giữa tàu về phía đuôi tàu, các phần tử chất lỏng lại chuyển động theo chiều tăng áp lực nên tốc độ các phần tử giảm dần,

do đó động năng cũng giảm dần Riêng lớp chất lỏng chạy sát vỏ tàu, do sự ma sát với bề mặt vỏ tàu nên năng lượng của nó ngoài khắc phục sự tăng của áp lực còn phải thắng được sự ma sát nên bị giảm rất nhanh và đến một lúc nào đó, dưới sự tăng của áp lực trong dòng chảy chất lỏng sẽ làm xuất hiện một dòng chất lỏng chảy ngược sát bề mặt vỏ tàu, hướng cùng chiều chuyển động của tàu Dòng chất lỏng ngược ép và tách lớp biên khỏi bề mặt vỏ tàu, tạo ra vùng xoáy sau đuôi tàu, làm áp lực phía sau đuôi tàu giảm tạo ra một lực cản, được gọi là sức cản hình dáng của tàu

2 Sức cản sinh sóng (R ss )

Sức cản sinh sóng xuất hiện cũng do sự phân bố lại áp lực và tốc độ dòng chất lỏng chảy dọc bề mặt vỏ tàu, gây ra các hệ thống sóng xung quanh tàu khi chuyển động

Ở khu vực mũi và đuôi tàu, do áp lực trong dòng chất lỏng lớn hơn áp lực khí quyển nên mặt nước bị đẩy nhô lên, ngược lại ở giữa tàu mặt nước hạ xuống hình thành lên các sóng tàu Do khu vực mũi và đuôi tàu là nơi có độ cong lớn nên

là các tâm hình thành sóng đầu tiên vì vậy sóng tàu gồm sóng mũi, sóng đuôi và trong mỗi hệ thống sóng lại chia thành hai nhóm là sóng lan toả và sóng ngang Năng lượng tổn thất do tạo sóng là công của sức cản sinh sóng

Sóng lan toả

Sóng ngang

Hình 2.4: Sức cản sinh sóng

2.1.2 Đường cong sức cản tàu thuỷ

Quá trình làm việc của bộ phận vỏ tàu trong liên hiệp tàu thường được đặc trưng bởi đường đặc tính vỏ tàu hay còn gọi là đường cong sức cản vỏ tàu, là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa sức cản vỏ tàu R hoặc công suất kéo có ích N với vận tốc chuyển động của tàu V.(hình 2-5)

Đường cong sức cản tàu thường được xây dựng ở chế độ làm việc định mức, tương ứng trường hợp bề mặt vỏ tàu hoàn toàn sạch Tuy nhiên trong điều kiện khai thác thực tế, ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng như sự thay đổi tình trạng kỹ thuật của bề mặt vỏ tàu do quá trình ăn mòn và bám bẩn, sự thay đổi của chế độ tải trọng của tàu và các điều kiện hàng hải vùng tàu chạy nên đường cong sức cản tàu thuỷ sẽ thay đổi so với chế độ định mức Về bản chất, đường cong sức cản chính là đường đặc trưng cho quá trình làm việc của vỏ tàu trong liên hợp tàu

2.1.3 Sự thay đổi sức cản tàu sau thời gian khai thác

Ảnh hưởng của sự bám bẩn đến quá trình làm việc vỏ tàu được xác định theo phương pháp thực nghiệm bằng cách tổ chức kéo tàu thật với bề mặt vỏ tàu đã bị bám bẩn nhằm xác định đường đặc tính vỏ tàu ngay trong điều kiện thực tế Tuy nhiên, do quá trình bám bẩn thường mang tính chất ngẫu nhiên nên hiện nay các kết quả thực nghiệm thường chỉ được công bố dưới dạng các số liệu thống kê cho một

số tàu được nghiên cứu mà chưa xác định được phương pháp tính cụ thể Ví dụ, theo các nhà nghiên cứu Anh, sức cản vỏ tàu tăng trung bình 0,25% trong một ngày đêm ở vùng nước nhiệt độ trung bình và 0,5% ở vùng xích đạo Trong khi đó, các nhà khoa học Ý thì cho rằng 6 tháng hoạt động, vận tốc tàu sẽ bị giảm khoảng (1,5 – 2) hl/h, còn các nhà khoa học Mỹ cứ một năm khai thác vận tốc giảm khoảng (1,5 – 2) hl/h, riêng nhà khoa học Đức M.Ragg cho rằng sau một ngày đêm hoạt động thì sức cản vỏ tàu tăng 0,5% và khi độ nhám bề mặt vỏ tàu tăng 2mm thì vận tốc giảm 3% Hình (2-6) là kết quả thực nghiệm xác định sự thay đổi của đường đặc tính vỏ tàu theo thời gian khai thác đối với một số tàu cụ thể (trích từ tài liệu tham khảo [5] của TS Trần Gia Thái)

2.1.4.Giới thiệu một số công thức tính gần đúng tính sức cản tàu

Đường cong sức cản vỏ tàu là hàm của vận tốc R = f(V), theo cách tính truyền thống thì đường cong sức cản vỏ tàu được thể hiện trong đồ thị (R,V)

Hiện nay, có nhiều phương pháp tính sức cản vỏ tàu như: công thức hải quân, phương pháp Papmen, phương pháp Ayre, Zvonkov, Leningrad… Mỗi phương pháp tính sức cản đều là công thức gần đúng, và có một phạm vi ứng dụng riêng Sau đây là một số công thức gần đúng để tính sức cản tàu:

Công thức của Viện Thiết kế Leningrad:

V L

R0 , 17 1,8251 , 45 ( 24 )5/2 w2 4 (2-8)

) 25 , 1 16 , 1 ( 1 , 1

T

B T

 - diện tích mặt ướt của tàu (m2)

W - lượng chiếm nước tàu (tấn)

L,B,T - chiều dài, rộng, mớn nước thiết kế tàu (m)

Ngoài công thức của Viện thiết kế Leningrad tính sức cản cho tàu cá còn công thức của Võ Văn Trác, công thức Kao-Mu-Ko (Nhật Bản)

Công thức Võ Văn Trác

Công thức này được xây dựng dựa trên cơ sở thử mô hình 32 tàu mẫu cá của Việt Nam Theo công thức này, sức cản cũng được chia thành:

Rms - Sức cản ma sát được xác định theo sức cản của tấm phẳng

Rd - Sức cản dư xác định theo đồ thị thực nghiệm ( , , ,)

B

Fr T

f D

L B

R d

Đồ thị xác định sức cản dư chỉ được tính cho hai trường hợp B/T = 2,5 và B/T = 4 Trong trường hợp có tỷ số B/T khác có thể sử dụng phương pháp nội suy tuyến tính

Phạm vi sử dụng công thức này là: 0,16  Fr  0,38; LWL  25 (m); 0,56  CP

 0,68; 3  L/B  4,6; Cm = 0,87; 2,5  B/T  4,0; XC = 0%

Công thức Kao-Mu-Ko

Công thức này được áp dụng để tính công suất hữu ích cho tàu cá làm bằng

gỗ Công thức căn cứ vào kết quả thí nghiệm loại tàu cá làm bằng vỏ gỗ có lượng nước đầy khoảng 95 tấn theo tiêu chuẩn đã quy định của Hiệp hội tàu cá Nhật bản Phạm vi sử dụng của công thức: 0,16  Fr  0,38; 0,55  CP  0,75; 2,2  L/B  3; Cm = 0,903; XC = 0%; 7,5  /(0,1L)3  15

Bảng 2.1: Bảng tính sức cản theo công thức Võ Văn Trác

TT CÔNG THỨC TÍNH Đơn vị Tốc độ tàu (trị số Froude)

Fr 1 Fr 2 Fr 3 Fr 4 Fr 5

gL V

515.0

1515

5.2/T 

Bảng 2.2: Bảng tính sức cản theo công thức Kao-Mu-Ko

TT CÔNG THỨC TÍNH Đơn vị Tốc độ tàu (trị số Froude)

2.2/T 

3

8

) 10 / (

, ( ) (

KG

2.2 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CHÂN VỊT TRONG ĐIỀU KIỆN KHAI THÁC THỰC TẾ

2.2.1 Đặc điểm cấu tạo và các thông số kỹ thuật của chân vịt

2.2.1.1 Đặc điểm cấu tạo chân vịt:

Qua khảo sát thực tế thì hầu hết tàu cá Việt Nam đang sử dụng kiểu chân vịt seri B-Wagenigen Hiện tại hai tỉnh Khánh Hoà và Phú Yên tàu đánh cá vỏ gỗ lắp chân vịt có các đặc điểm sau:

2.2.1.2 Các thông số kỹ thuật của chân vịt

Những thông số hình học ảnh hưởng đến đặc tính chân vịt:

Số cánh chân vịt Z không ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính chân vịt Nói chung chân vịt không bị hạn chế bởi vỏ tàu thì số lượng chân vịt càng nhiều thì hiệu suất chân vịt càng giảm Nhưng nếu bị khống chế đường kính chân vịt thì hiện

tượng có khi ngược lại, nghĩa là phải tăng số cánh để tăng hiệu suất chân vịt Số cánh chân vịt Z = 2 ÷ 5 Thông thường Z = 3 ÷ 4

Chế độ làm việc của chân vịt bước xoắn cố định trong liên hợp sẽ được đặc trưng bởi hai thông số kỹ thuật chủ yếu là lực đẩy P và mômen cản M Tuy nhiên,

do các nghiên cứu về chân vịt đều được thực hiện bằng phương pháp thử nghiệm

mô hình trong bể thử nên trong thực tế thường được xác định gián tiếp thông qua hệ

số lực đẩy KT và hệ số mômen KQ (KT, KQ xác định theo công thức 2-11,2-12)

D n



D n

N p D

n K

M

2,716

M - momen quay chân vịt (KG.m)

n - tốc độ quay của chân vịt (s-1)

Vp - tốc độ tịnh tiến của chân vịt (m/s)

D - đường kính chân vịt (m)

 - khối lượng riêng của nước (KG.s2/m4)

Khi thử nghiệm các mô hình chân vịt trong bể thử thường tiến hành xác định các hệ số KT, KQ bằng cách chân vịt mô hình hoạt động ở các chế độ làm việc ứng với sự phối hợp các giá trị số vòng quay chân vịt n và vận tốc tàu V khác nhau, đặc trưng bởi hệ số bước thực J xác định theo công thức (2-13)

Tại mỗi chế độ làm việc của chân vịt tương ứng với các giá trị hệ số J = const, sử dụng thiết bị đo để xác định lực đẩy P và mômen cản M của chân vịt mô hình và sau đó thể hiện mối quan hệ giữa các hệ số KT, KQ theo các giá trị J khác

nhau dưới dạng các đồ thị gọi là đường đặc tính hoạt động của chân vịt như ở hình (2-6)

Trong thực tế, đường đặc tính của hầu hết các mô hình chân vịt hiện nay đều

đã được tiến hành thực nghiệm để xác định trong điều kiện sử dụng tiêu chuẩn

tương ứng với trường hợp các chân vịt hoàn toàn sạch và không bị biến dạng

Đường đặc tính hoạt động của mô hình chân vịt xác định trong điều kiện sử dụng tiêu chuẩn đã được nhà khoa học người Nga Papmen tổng hợp lại trên đồ thị thiết kế chân vịt dưới dạng các đồ thị KT – J và KQ - J

2.2.2 Xây dựng đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt

3 3 5

) 2

5 3

D n K

Trong đó hệ số C được xác định theo biểu thức: C  2 K Q  D5 (2-17)

NP – công suất đầu trục chân vịt (ml)

M – momen quay của chân vịt (KGm)

D - đường kính của chân vịt (m)

n - số vòng quay chân vịt (v/s)

Đường đặc tính chân vịt của động cơ xác định theo biểu thức (2-16) chính là đường đặc tính đặc trưng cho quá trình làm việc của chân vịt trong liên hợp tàu, thể hiện đồng thời quá trình tiêu thụ năng lượng của các bộ phận trong liên hợp tàu

Tuy nhiên từ biểu thức (2-16) nhận thấy được đường đặc tính chân vịt của động cơ có dạng đường bậc ba với hệ số tỷ lệ C được xác định theo công thức (2-17) Khi đó, sự sai khác giữa đường đặc tính chân vịt thực tế so với đường cong bậc ba cũng như sự thay đổi của nó ở các điều kiện khai thác là do sự thay đổi của

hệ số C Như vậy, để xác định được đường đặc tính chân vịt của động cơ cần xác định được giá trị của hệ số C, tức là cần phải xác định được giá trị hệ số momen KQ

Về nguyên tắc, đường đặc tính chân vịt ở chế độ định mức được xác định ở điều kiện sử dụng ứng với trường hợp bề mặt chân vịt sạch không bị biến dạng Tuy nhiên trong điều kiện khai thác thực tế do ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng nên đường đặc tính chân vịt của động cơ sẽ bị thay đổi so với chế độ làm việc định mức

và có thể sẽ gây ra các ảnh hưởng không tốt đến quá trình làm việc của liên hợp tàu

2.2.2.2 Phương pháp xác định đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt

Như đã nêu ở phần (2.2.2.1), đường đặc tính hoạt động chân vịt thể hiện quá trình làm việc của chân vịt làm việc độc lập, thì quá trình làm việc của chân vịt trong mối quan hệ năng lượng với các bộ phận trong liên hợp tàu lại được thể hiện theo đường công suất của chân vịt NP = f(n), hay gọi đơn giản là đường đặc tính chân vịt, tức là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa công suất đòi hỏi NP(ml) với tốc

độ quay của chân vịt n (s-1)

Như vậy, để có thể đánh giá quá trình làm việc của chân vịt nói riêng và liên hợp tàu nói chung cần đặt vấn đề xây dựng đường đặc tính công suất chân vịt nói trên trong điều kiện khai thác thực tế Hiện nay để xác định được đường đặc tính công suất chân vịt trong điều kiện thực tế thì xác định theo công thức (2-16) nêu

trên.Và đường đặc tính hoạt động của chân vịt được xác định chỉ bằng một cách duy nhất là thử nghiệm các mô hình chân vịt trong bể thử, ở các chế độ làm việc có giá trị J khác nhau, tương ứng với sự phối hợp các giá trị tốc độ tịnh tiến VP và tốc độ quay n của chân vịt mô hình Do đó, đường đặc tính hoạt động chân vịt thực tế nói trên cũng chỉ được xác định bằng cách duy nhất là tổ chức khảo nghiệm của toàn bộ liên hợp tàu trong điều kiện khai thác thực tế Như vậy, nếu có đầy đủ số liệu về công suất động cơ N, tốc độ tàu V và tốc độ quay của chân vịt n, có thể xây dựng đựờng đặc tính chân vịt nói riêng và đồ thị vận hành nói chung ở cùng điều kiện đó Tuy nhiên phương pháp xác định đường đặc tính chân vịt như thế không đơn giản,

vì nếu thử nghiệm mô hình trong bể thử nơi có thể chủ động thay đổi tốc độ tịnh tiến và tốc độ quay nhằm tạo ra các chế độ làm việc ứng với giá trị các hệ số tiến chân vịt J tính theo công thức đã cho,thì để xác định đường đặc tính chân vịt trong các điều kiện khai thác thực tế khác nhau, cần tổ chức khảo nghiệm ở nhiều điều kiện mới có thể phối hợp tốc độ tàu với tốc độ quay chân vịt, nhằm tạo ra các chế

độ làm việc khác nhau của liên hợp tàu, tương ứng với giá trị hệ số tiến J đã cho trước Rõ ràng đáp ứng được các yêu cầu nói trên trong điều kiện chạy tàu thực tế không đơn giản, thậm chí không thể thực hiện được, nhất là trong điều kiện kỹ thuật còn hạn chế của nước ta hiện nay Vì lẽ đó mặc dù phương pháp truyền thống vẫn cho phép xác định đường đặc tính hoạt động chân vịt thực tế nhưng chủ yếu thực hiện trong bể thử mô hình tàu hoặc trong ống khí động mà chưa được áp dụng rộng rãi, do đó cần tìm kiếm phương pháp mới, đơn giản và thuận lợi hơn Vấn đề đặt ra

ở đây là cần phải có các giải pháp khắc phục những khó khăn gặp phải trong việc tổ chức thực nghiệm xác định đường đặc tính thực tế chân vịt như đã được trình bày ở trên đây, nhất là việc phối hợp tốc độ chạy tàu với tốc độ quay chân vịt để đạt được giá trị hệ số tiến J đã cho (2-13) Về mặt toán học nhận thấy, do hệ số tiến được xác định từ cặp giá trị tốc độ tàu V và tốc độ quay chân vịt n nên có thể chủ động tính trực tiếp quan hệ giữa giá trị hệ số momen KQ từ công thức (2-12) theo cặp các giá trị tốc độ tàu V và số vòng quay chân vịt n khác nhau và biểu diễn giá trị KQ đã tính dưới dạng các đường KQ = const trong hệ toạ độ (V,n), tạm gọi đường đặc tính hoạt

động chi tiết Như vậy, mặc dù vẫn được suy ra từ đường đặc tính hoạt động nhưng

việc xây dựng đường đặc tính chi tiết chân vịt, nhất là đối với chân vịt thực tế lại đơn giản hơn nhiều và quan trọng nhất là có thể thực hiện trong điều kiện chạy tàu

vì không cần khảo nghiệm ở nhiều chế độ làm việc mới đạt được giá trị hệ số tiến chế độ làm việc mới đạt được giá trị hệ số tiến chân vịt J đã cho, đồng thời các đại lượng cần thiết như công suất động cơ N, tốc độ tàu V, tốc độ quay chân vịt n đều

có thể xác định ở điều kiện chạy tàu thực tế nhờ thiết bị đo Mặt khác cũng từ công thức (2-13) có thể nhận thấy mối quan hệ toán học giữa hệ số tiến J của chân vịt với giá trị tốc độ tàu V và tốc độ quay chân vịt n có thể biểu diễn theo công thức :

Biểu thức trên chứng tỏ ở chế độ làm việc của liên hợp đang xét, với giá trị

hệ số tiến J chân vịt và tương ứng là giá trị hệ số momen của chân vịt KQ không đổi, mối quan hệ giữa tốc độ chạy tàu và số vòng quay chân vịt dưới dạng các đường

KQ = const trong hệ toạ độ (V,n) là chùm đường thẳng đi qua gốc toạ độ O, với hệ

số góc k xác định theo biểu thức:

Trong đó (V,n) là cặp giá trị tốc độ tàu và tốc độ quay chân vịt ở chế độ làm việc đang xét Hình 2.7 là mối quan hệ và cách tính chuyển đường đặc tính hoạt động truyền thống KQ = f(J) sang đường đặc tính hoạt động chi tiết tương ứng của chân vịt dưới dạng các đường KQ= f(V,n)

Hình 2.7: Đường đặc tính hoạt động và đường đặc tính hoạt động chi tiết của chân vịt

Xây dựng được đường đặc tính chi tiết thay cho đường đặc tính hoạt động chân vịt truyền thống trong việc tính giá trị hệ số momen ở điều kiện khai thác thực

tế, không chỉ làm cho thực nghiệm đơn giản và khả thi hơn nhiều mà còn giảm khối lượng đáng kể công việc và tăng độ chính xác nhiều lần vì lúc này chỉ cần tổ chức khảo nghiệm ở mỗi một chế độ làm việc là có thể xác định được đường đặc tính hoạt động chân vịt chi tiết ở điều kiện thực tế đang xét Điều quan trọng hơn là khả năng hoàn toàn tổ chức thực nghiệm trong thực tế vì các đại lượng nói ở đây có thể xác định một cách dễ dàng ngay trong quá trình sử dụng và khai thác liên hợp Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất là việc xác định giá trị công suất động cơ đang lắp trên tàu tuy vẫn có thể thực hiện được nhờ thiết bị đo công suất cầm tay nhưng cũng không đơn giản, do đó cần phải có giải pháp khả thi và cụ thể hơn về vấn đề xác định công suất thực tế của động cơ

Nhận thấy, đường đặc tính hoạt động của các chân vịt mô hình thử nghiệm ở trạng thái sạch thường đã được tổng hợp lại trên các đồ thị chung để dùng trong tính toán, thiết kế chân vịt tàu thuỷ, do đó về nguyên tắc có thể lợi dụng kết quả nhận được từ các đồ thị tổng hợp như thế để xây dựng đường đặc tính hoạt động chân vịt sạch và chân vịt bẩn một cách đơn giản và chính xác mà không cần tổ chức khảo nghiệm quá trình hoạt động liên hợp ở các chế độ làm việc khác nhau Ví dụ

về đồ thị dạng tổng hợp như thế là đồ thị thiết kế chân vịt của nhà khoa học người Nga Papmen được xây dựng dựa trên cơ sở các số liệu thực nghiệm của đường đặc tính hoạt động KT-J,KQ-J, nhận được từ kết quả thử nghiệm kéo các mô hình chân vịt nhóm B-Wageninggen ở Liên Xô cũ Chính từ nhận xét trên chúng tôi nảy sinh ý tưởng xây dựng và so sánh hai hệ thống các đường đặc tính hoạt động chi tiết của chân vịt ở trạng thái sạch ban đầu và ở trạng thái bẩn thực tế đối với một số tàu cụ thể nhằm mục đích tìm kiếm mối quan hệ toán học giữa hai hệ thống đường đặc tính hoạt động chi tiết của chân vịt bẩn đơn giản và thuận lợi hơn từ đường đặc tính hoạt động chi tiết của chân vịt sạch và bẩn đều là những đường thẳng đồng quy tại gốc toạ độ Với cách đặt vấn đề như thế, tôi đã tiến hành thống kê trên một số tàu cụ thể chạy thử tàu trong điều kiện khai thác thực tế khác nhau để xác định những số liệu cần thiết gồm công suất động cơ N, tốc độ chạy tàu V và số vòng quay chân vịt

ở từng chế độ làm việc đang xét Các đại lượng này thường được xác định bằng thiết bị đo chuyên dụng cầm tay hoặc có trên máy Kết quả thực nghiệm cho thấy, hai hệ thống đường đặc tính chi tiết của chân vịt sạch và chân vịt bẩn không chỉ là chùm các đường thẳng đi qua gốc của hệ toạ độ (V,n) mà còn nằm trùng khít lên nhau Điều lưu ý sự trùng nhau nói trên không có nghĩa là giá trị hệ số momen KQ của chân vịt không đổi khi chuyển từ bề mặt sạch sang bề mặt thực tế mà có nghĩa

là tại cặp giá trị vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n của liên hợp tàu trong điều kiện thực tế, chân vịt thực của tàu nhận giá trị KQ bằng giá trị KQ của chân vịt sạch Nhưng xác định tại giá trị hệ số tiến chân vịt đang xét tương ứng cặp giá trị tốc độ tàu V và tốc độ quay chân vịt n của liên hợp tàu ở điều kiện thực tế Nói cách khác, trong điều kiện thực tế, do động cơ trên tàu đã cũ, cùng với chân vịt và vỏ tàu đã bẩn nên cặp giá trị vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n của liên hợp tàu sẽ thay đổi so với khi thiết kế, đã làm cho giá trị hệ số KQ của chân vịt thực tế trong liên hợp tàu thay đổi so với chân vịt sạch tương ứng, tuy nhiên có thể tìm được giá trị này trên đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt sạch tương ứng, từ cặp giá trị vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n trong liên hợp tàu trong điều kiện thực tế

Có thể giải thích thêm đặc điểm nói trên ở (hình 2.8)

Hình 2.8 :Xác định giá trị hệ số K Q của chân vịt thực tế theo đường đặc tính chân vịt sạch tương ứng

Giả sử ban đầu liên hợp tàu đang xét hoạt động ở chế độ định mức khi thiết

kế, với giá trị hệ số momen KQH được xác định theo đường đặc tính hoạt động của chi tiết chân vịt sạch, tương ứng với cặp giá trị vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n ở chế độ định mức của chân vịt (VH,nH) Còn ở các chế độ làm việc thực tế khác với chế độ làm việc định mức nói trên đây, do ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng nên tốc độ tàu và số vòng quay chân vịt bị thay đổi đến cặp giá trị mới (V1,n1), tương ứng với giá trị hệ số tiến Jt biểu diễn của chân vịt nằm trong liên hợp tàu Khi

đó, giá trị momen KQ của chân vịt bẩn thay đổi đến giá trị mới KQt có giá trị đúng bằng giá trị xác định theo đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt mô hình hay chân vịt sạch tương ứng, ở cùng một giá trị hệ số tiến J của chân vịt đã trình bày Như vậy, muốn giữ nguyên giá trị tốc độ tàu định mức VH thì buộc phải tăng giá trị

số vòng quay chân vịt từ n1 đến giá trị n2 tương ứng với giá trị hệ số momen KQt của chân vịt bẩn trong điều kiện khai thác thực tế đang xét Còn nếu giữ nguyên số vòng quay chân vịt như ở chế độ định mức nH thì tốc độ tàu sẽ giảm xuống đến giá trị V2

so với tốc độ tàu ở chế độ định mức VH

Chính nhờ đặc điểm rất quan trọng này mà việc tổ chức thực nghiệm xác định đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt nói chung và giá trị hệ số momen KQ

nói riêng trở nên đơn giản hơn nhiều, vì lúc này không cần xác định công suất động

cơ mà chỉ cần xác định cặp giá trị vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n là hoàn toàn có thể xác định được giá trị hệ số momen KQ của chân vịt thực tế

Tiến hành tương tự cho hệ số lực đẩy chân vịt KT cũng nhận được kết quả tương tự như hệ số momen KQ, cụ thể như sau:

- Đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt biểu diễn dưới dạng các đường

KT= f(V,n) thể hiện mối quan hệ giữa giá trị lực đẩy KT với cặp giá trị vận tốc tàu V

và số vòng quay chân vịt n trong hệ toạ độ (V,n) cũng là các đường thẳng đồng quy tại gốc toạ độ O

- Đường đặc tính hoạt động chi tiết dưới dạng các đường KT= f(V,n) của các chân vịt sạch, xác định từ đồ thị tổng hợp các đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt trong điều kiện bẩn tương ứng, trong đó giá trị hệ số lực đẩy KT thực tế sẽ được xác định từ số liệu chạy thử tàu ở điều kiện đang xét theo công thức tổng quát:

V D n

N D

n

K

P

P p T

P

4 2 4 2

2.3 CÁC ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ

Đường đặc tính động cơ là các đường cong thể hiện mối quan hệ giữa các thông số chủ yếu đặc trưng cho chế độ làm việc động cơ trong quá trình khai thác Trong thực tế động cơ chính tàu thuỷ luôn làm việc trong các điều kiện thay đổi nên các thông số kinh tế, kỹ thuật của động cơ sẽ thay đổi theo các đường đặc tính nên đường đặc tính thể hiện tương đối chính xác chất lượng khai thác của động cơ Đường đặc tính động cơ được chia thành hai nhóm chính:

1 Đặc tính tốc độ:

Đặc tính tốc độ là các đường cong biểu thị mối quan hệ của một số thông số chính của động cơ Diesel như công suất, mômen quay hoặc áp suất có ích trung bình, suất tiêu hao nhiên liệu, hiệu suất và các chỉ tiêu công tác khác theo số vòng quay

Đường đặc tính tốc độ được chia thành hai nhóm đặc tính cơ bản sau:

a Đặc tính ngoài động cơ:

Đường đặc tính ngoài động cơ là đường đặc tính tốc độ biểu thị công suất cực đại do động cơ phát ra tương ứng với từng chế độ số vòng quay khác nhau của động cơ Đối với các động cơ Diesel, do công suất cực đại phụ thuộc vào việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cực đại cung cấp cho mỗi chu trình ở các vị trí không đổi khác nhau (ha = const) Khi cơ cấu cung cấp nhiên liệu ở các vị trí không đổi khác nhau, giá trị công suất lớn nhất động cơ sẽ khác nhau nên tương ứng sẽ có các đường đặc tính ngoài sau:

Đặc tính ngoài công suất giới hạn (ha = max): đặc tính tốc độ trong đó công suất động cơ ở mỗi chế độ vòng quay đạt giá trị giới hạn lớn nhất (đường 1)

Đặc tính ngoài giới hạn bơm cao áp: đặc tính tốc độ trong đó ở mỗi chế độ

cơ cấu điều khiển nhiên liệu được kéo tới giới hạn trên của bơm cao áp (đường 2) Đặc tính ngoài xả khói đen (100% < ha < hamax): đặc tính tốc độ trong đó ứng với mỗi chế độ số vòng quay của động cơ, cơ cấu điều kiển cung cấp nhiên liệu nằm

ở vị trí bắt đầu có khói đen xả (đường 3)

Đặc tính ngoài công suất định mức (ha = 100%): Đặc tính tốc độ khi cơ cấu cung cấp nhiên liệu giữ ở công suất động cơ phát ra là công suất định mức theo thiết

kế NH tương ứng với số vòng quay định mức khi thiết kế là nH (đường 4) Đặc tính ngoài định mức là đường đặc tính chính để xác định các thông số kinh tế, kỹ thuật của động cơ do nhà chế tạo quy định và đảm bảo ở điều kiện tiêu chuẩn do đó khi nói đến đặc tính ngoài thì được hiểu là đường đặc tính ngoài định mức

Đặc tính ngoài công suất sử dụng (ha = 85 – 95%): là đường đặc tính tốc độ trong đó cơ cấu cung cấp nhiên liệu được giữ ở vị trí công suất động cơ phát ra là công suất sử dụng Ns ứng với số vòng quay là số vòng quay sử dụng ns (đường 5) Trong quá trình khai thác thực tế, để tránh sự quá tải cho động cơ thường tổ chức khai thác động cơ ở các chế độ làm việc theo đặc tính ngoài công suất sử dụng nên đường đặc tính này được sử dụng để lựa chọn các thiết bị động lực chính của tàu Đặc tính ngoài bộ phận ( ha < 85 – 95%): các đường đặc tính khi cơ cấu điều khiển cung cấp nhiên liệu được giữ ở vị trí công suất phát ra thấp hơn các đặc tính ngoài kể trên (đường 6)

Hình 2.9: Các đường đặc tính tốc độ động cơ Diesel

Khi tàu làm việc ở điều kiện quá tải như bề mặt vỏ tàu và chân vịt bám bẩn, tàu hoạt động ở các điều kiện hàng hải không thuận lợi như sóng to, gió lớn.v v… vòng quay động cơ giảm và làm giảm vận tốc nếu vẫn giữ tay ga ở vị trí ban đầu

Do đó để đảm bảo được vận tốc đã cho buộc người sử dụng phải kéo tay ga để tăng lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình và điều này sẽ dẫn đến việc quá tải cần phải giảm bớt lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình và chuyển động cơ đang làm việc theo đường đặc tính ngoài công suất định mức sang làm việc theo đường đặc tính giới hạn phụ tải là đường thể hiện mối quan hệ giữa công suất chỉ thị (hoặc áp suất chỉ thị) ứng với số vòng quay mà tải trọng cơ hoặc tải trọng nhiệt trong các chi tiết đạt đến mức không cho phép động cơ làm việc lâu dài hoặc chỉ trong thời gian giới hạn

Trong thực tế khai thác động cơ thường sử dụng đại lượng mômen xoắn Mehoặc áp suất có ích trung bình Pe làm tiêu chuẩn cho giới hạn của phụ tải nên đường đặc tính giới hạn phụ tải của động cơ thường là đường Me = f(n) hoặc là đường

Pe = f(n) đi qua điểm có giá trị PeH = 100% tương ứng với chế độ làm việc định mức động cơ và có thể là đường I, II hoặc III (hình 2.10)

Hình 2.10: Sự giới hạn phụ tải theo Pe = f(n)

I Động cơ bốn kỳ, không tăng áp

II Động cơ hai kỳ và bốn kỳ, tăng áp bằng cơ giới

III Động cơ hai kỳ tăng áp bằng tuabin khí xả

2 Đặc tính phụ tải

Đặc tính phụ tải là đặc tính biểu thị sự thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu có ích

và các chỉ tiêu khác theo giá trị công suất, momen hay áp suất có ích trung bình Pekhi động cơ làm việc ở các chế độ có số vòng quay không đổi khác nhau n = const Đối với động cơ Diesel, nếu giữ số vòng quay không đổi thì khi muốn thay đổi tải cần thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình và đảm bảo góc phun sớm thích hợp nhất đối với từng chế độ số vòng quay, khi đó các giá trị phụ tải của động

cơ như công suất có ích Ne, mômen có ích Me và áp suất có ích trung bình Pe ở chế

độ số vòng quay không đổi tăng theo tỷ lệ giống nhau và xác định phụ tải của động

cơ Qua đường đặc tính phụ tải có thể xác định được các thông số kinh tế của động

cơ như suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge, lượng tiêu hao nhiên liệu giờ G đối với từng chế độ số vòng quay, suất tiêu hao nhiên liệu ít nhất gmin, lượng nhiên liệu giới hạn cung cấp cho mỗi chu trình, từ đó có thể xác định được chế độ khai thác hợp lí theo công suất số vòng quay ở điều kiện khai thác thực tế và sự thay đổi các thông

số công tác động cơ từ chế độ không tải Pe = 0 cho đến chế độ tải định mức Pe =

PeH Trong thực tế các động cơ Diesel thường làm việc theo đặc tính phụ tải nên trong quá trình khai thác đặc tính phụ tải thường dừng ở vòng quay định mức nH = const Trường hợp nH = const và bộ chế tốc độ giữ mức độ không đều trong khoảng (3 – 5)% số vòng quay định mức thì khi đó đặc tính phụ tải gọi đường đặc tính điều chỉnh Kinh nghiệm khai thác nhận thấy khi làm việc ở chế độ phụ tải thì số vòng quay động cơ bao giờ cũng phải thay đổi từ (2 – 3)% số vòng quay định mức để phù hợp với sự tăng giảm của phụ tải Khi đó việc điều chỉnh số vòng quay trở lại ổn định được thực hiện nhờ bộ điều chế tốc tác động lên thanh răng bơm cao áp để cung cấp lượng nhiên liệu phù hợp phụ tải Các chế độ tải đặc trưng nhất cho quá trình làm việc của động cơ Diesel là chế độ không tải Pe = 0, chế độ toàn tải Pe = 100% và chế độ phụ tải kinh tế nhất ge = gemin

2.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỒ THỊ VẬN HÀNH TÀU TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ

Từ trình bày trình bày trên đây, có thể đề xuất phương pháp xây dựng đồ thị

vận hành tàu trong điều kiện khai thác thực tế dựa trên cơ sở đường đặc tính hoạt

động chi tiết của chân vịt theo trình tự như sau:

1) Xây dựng đường đặc tính hoạt động chi tiết của chân vịt sạch:

- Lựa chọn đồ thị thiết kế chân vịt tổng hợp các đường đặc tính hoạt động phù hợp với chân vịt đang tính để xác định mối quan hệ giữa các thông số

KT,KQ=f(J) Ví dụ trên (hình 2-9) là cách thức xác định mối quan hệ KT,KQ = f(J) theo đồ thị thiết kế chân vịt của Papmen

- Các số liệu xác định từ mối quan hệ đồ thị KT,KQ = f(J) đã được trình bày trong phần trên, tính và xây dựng đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt

KT,KQ=f(V,n) là các đường thẳng qua gốc toạ độ dưới dạng các đường KT,KQ=const trong hệ toạ độ (V,n) Ví dụ ở (bảng 2) là bảng tính và xây dựng đường đặc tính hoạt động chi tiết của chân vịt sạch theo đồ thị thiết kế chân vịt của Papmen

Hình 2-11: Xác định mối quan hệ K T , K Q =f(J) theo đồ thị Papmen

Bảng 2: Bảng tính xây dựng đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt sạch

Giá trị hệ số

momen

KQ(hoặc KT)

Giá trị hệ số tiến J theo

KQ(hoặc KT)

Tốc độ quay chân vịt n(v/s)

Tốc độ chân vịt VP=(nD)J (m/s)

Tốc độ tàu





 1

Do đường đặc tính hoạt động chi tiết của chân vịt sạch và bẩn trùng nhau nên

từ cặp giá trị vận tốc tàu V và tốc độ quay chân vịt n ở điều kiện khai thác thực tế,

có thể tính giá trị các hệ số KT, KQ của chân vịt bẩn trong các chế độ tải trọng khác nhau dựa theo đường đặc tính hoạt động chi tiết KT, KQ = f(V,n) của chân vịt sạch tương ứng đã xây dựng được trong phần trên

2) Xây dựng đường đặc tính chân vịt ở điều kiện khai thác thực tế:

Đường đặc tính chân vịt của động cơ NP = f(n), tức là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa công suất đòi hỏi NP (ml) với tốc độ quay n (s-1) của chân vịt được xác định theo công thức:

Với C = 2KQD5 (2-22)

Trong đó KQ là hệ số momen của chân vịt, xác định theo công thức:

D n

N D

n

M

5 3 5

2

936 , 11

 - khối lượng riêng của nước biển.(  = 104,5 KG.s2/m4)

3) Xây dựng đồ thị vận hành tàu trong điều kiện khai thác thực tế:

Xây dựng một hệ toạ độ tổng hợp gồm bốn phần khác nhau, trong đó phần phía trên bên trái là công suất - tốc độ quay (N,n), phần phía trên bên phải là hệ toạ

độ công suất - tốc độ (N,V), phần phía dưới bên trái là hệ toạ độ lực - tốc độ quay (P,n) và phần phía dưới bên phải là hệ toạ độ lực - tốc độ (P,V) (hình 2-10)

1 Xây dựng trong hệ toạ độ công suất - tốc độ quay (N,n) các đường đặc tính chân vịt N = f(n)(đường 1”) ở các chế độ khai thác khác nhau theo công thức(2-21), thường tính cho ba chế độ tải trọng là 100% tải, 110% tải, 85% tải

2 Xác định giá trị công suất yêu cầu của chân vịt từ công thức (2-23) theo giá trị hệ số momen KQ tương ứng với tốc độ quay chân vịt n trong liên hợp tàu ở các chế độ tải khác nhau, cơ sở để xây dựng đường đặc tính công suất thực tế thể hiện mối quan hệ giữa công suất và tốc độ quay của động cơ trong liên hợp đang xét (đường 3)

3 Trong hệ toạ độ (N,n), xác định mối quan hệ N = f(n) ở các giá trị V = const hoặc N = f(V) ở các giá trị n = const

4 Trong hệ toạ độ (N,V), xây dựng đường đặc tính công suất chân vịt (đường1) Trong hệ toạ độ (P,V), xây dựng đường đặc tính lực đẩy (đường 1’) theo tốc độ quay không đổi n = const Để xây dựng được đường này cần tính theo bảng tính xây dựng đồ thị vận hành tàu theo đường đặc tính chi tiết chân vịt (bảng 3), có thể trình bày thứ tự xây dựng bảng này như sau:

- Từ cặp giá trị vận tốc tàu và tốc độ quay chân vịt ở điều kiện khai thác liên hợp đang xét, xác định theo đường đặc tính hoạt động chi tiết của chân vịt sạch

KQ = f(V,n) KT = f(V,n), xác định giá trị hệ số momen KQ và hệ số lực đẩy KT của chân vịt bẩn ở điều kiện khai thác thực tế đang xét

- Từ giá trị hệ số lực đẩy KT của chân vịt đã được xác định, tính công suất thực tế của động cơ Ne, lực đẩy chân vịt P và sức cản tàu R ở điều kiện làm việc đang xét, phụ thuộc vào vận tốc tàu V theo các công thức đã biết:

e

V D n K

4 2

hoặc N e K q D n

3 5

75

6 Trong hệ toạ độ (P,V), xây dựng đường đặc tính lực kéo (đường 3’) theo tốc độ quay n bằng phương pháp chiếu từ đường đặc tính công suất động cơ (đường 3)

7 Từ các kết quả tính lực đẩy chân vịt P và sức cản tàu R tính ở trên, xây dựng trên hệ toạ độ lực - vận tốc ở phần dưới của đồ thị vận hành tàu đường cong sức cản vỏ R = f(V) (đường 2’) ở các chế độ tải trọng khác nhau

1,1’ - Đường đặc tính công suất chân vịt và lực đẩy theo tốc độ quay n = const

2,2’ – Đường công suất kéo EPS = f(V) và đường cong sức cản R = f(V)

3,3’ - Đường đặc tính công suất động cơ và lực kéo theo tốc độ quay n

1” - Đường đặc tính chân vịt của động cơ

Quá trình tính đồ thị vận hành tàu thực tế theo đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt được trình bày dưới bảng 3:

Hình 2.12: Đồ thị vận hành tàu trong điều kiện khai thác thực tế

Bảng 3: Bảng tính đồ thị vận hành tàu thực tế theo đường đặc tính hoạt động chi

tiết chân vịt

Giá trị các đại lượng cần tính

TT Các đại lượng và công

3 5

.75

3 5

75

3 5

75

Như chúng ta đã biết, đồ thị vận hành là đồ thị tổng hợp của ba đường đặc tính: đường đặc tính động cơ Ne = f(n); đường đặc tính vỏ tàu R = f(V); đường đặc tính chân vịt NP = Cn3 Như vậy, nếu chúng biết được một trong ba đường đó ta có thể suy ra hai đường cong lại Đường cong sức cản tàu thuỷ thực tế được xây dựng dựa trên đồ thị vận hành tàu xây dựng trong điều kiện khai thác thực tế dựa vào cặp thông số vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n khi đã biết đường đặc tính chân vịt

Sau đây là sơ đồ biểu diễn trình tự xây dựng đồ thị vận hành tàu và đường cong sức cản

Nhập số liệu chân vịt

Z, H/D,,D

Đường đặc tính hoạt động của chân vịt

Xác định mối quan hệ giữa các thông số

Xác định mối quan hệ N = f(n) ở các giá

trị V = const hoặc N = f(V) ở các giá trị

n = const

Xác định giá trị công suất thực tế của

động cơ trong liên hợp tàu





75

4 2

V D n K

Xác định đường cong sức cản từ

đồ thị vận hành tàu