Tính toán mô hình hệ thống BALLAST phục vụ công tác giảng dạy thực hành

CHƯƠNG 4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở tính toán hệ thống thủy lực và máy thủy lực Máy thủy lực là danh từ chung để chỉ các máy làm việc bằng cách trao đổinăng lượng với chất lỏng theo các n

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Máy tàu thủy TrườngĐại Học Giao Thông Vận Tải TP HCM, đặc biệt xin chân thành cảm ơn thầy TS.Nguyễn Duy Trinh đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Xin cảm ơn tới bạn bè và gia đình đã chia sẻ, giúp đỡ động viên trong suốtquá trình học tập và nghiên cứu

Mặc dù đã cố gắng hết sức thực hiện đề tài trong phạm vi và khả năng chophép để đạt kết quả tốt nhất nhưng chắc chắn rằng không tránh khỏi những thiếusót Tác giả rất mong sự thông cảm và đóng góp ý kiến quý báu của quý thầy cô vàbạn bè

Tác giả

Ks Cao Văn Hoàn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình khoa học do tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Duy Trinh Ngoài các nội dung thamkhảo trong tài liệu đã được liệt kê trong phần tài liệu tham khảo, Luận văn nàykhông hề sao chép nội dung của bất kỳ công trình khoa học nào tương tự

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về những lời cam đoancủa mình

Tác giả

Ks Cao Văn Hoàn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 10

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 4

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 4

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 5

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 5

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu 5

1.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 6

1.5 Kết cấu của luận văn 6

CHƯƠNG 2 8

2.1 Cơ sở tính toán hệ thống thủy lực và máy thủy lực 8

2.1.1 Khái niệm chung về máy thủy lực 8

2.1.2 Phân loại máy thủy lực 8

2.2 Tổng quan về bơm ly tâm 9

2.2.1 Ưu điểm bơm ly tâm 10

2.2.2 Kết cấu và nguyên lý làm việc của bơm ly tâm 10

2.2.3 Những lưu ý và các hư hỏng thường gặp ở bơm ly tâm 12

2.2.4 Các thông số cơ bản của bơm ly tâm 13

2.2.5 Cơ sở tính toán đường ống truyền động thủy lực 17

2.3 Tổng quan về hệ thống Ballast trên tàu 24

2.3.1 Lịch sử ra đời của hệ thống Ballast 24

2.3.2 Khái niệm về nước dằn tàu (Ballast water) 24

2.3.3 Mục đích của hoạt động Ballast 26

2.3.4 Nhu cầu dằn và điều kiện dằn của các tàu điển hình 26

2.3.5 Các yêu cầu cơ bản của hệ thống Ballast 28

2.3.6 Một số sơ đồ nguyên lý của hệ thống Ballast điển hình 28

2.4 Quy định về nước thải Ballast 31

2.5 Lý thuyết đồng dạng trong xây dựng mô hình 32

CHƯƠNG 3 37

3.1 Giới thiệu chung 37

3.2 Xây dựng mô hình Ballast thực tế 37

3.2.1 Xây dựng két Ballast 38

3.2.2 Xây dựng mô hình 39

3.3 Các hệ thống khác 40

3.3.1 Hệ thống đường ống 40

3.3.2 Két hàng 43

3.3.3 Hệ thống khí trơ 44

3.3.4 Van trong mô hình hệ thống 48

3.3.5 Bệ đỡ cho các thiết bị 48

3.3.6 Bơm Tính toán lựa chọn bơm cho hệ thống 48

3.4 Mô hình hóa hệ thống bằng Matlb 53

3.4.1 Giới thiệu chung về Matlab 53

3.4.2 Các khối cơ bản trong Simulink của Matlab 53

3.4.3 Khởi động Simulink 54

3.4.4 Các khối sử dụng trong mô hình 55

3.4.5 Mô đun thể hiện giá trị thể tích két các Ballast 65

3.4.6 Mô đun chuyển đổi đo lưu lượng bơm 65

3.4.7 Mô đun chuyển đổi đo áp suất trong két Ballast 66

3.4.8 Mô hình tổng thể của hệ thống 67

3.4.9 Chạy chương trình trên công cụ Matlab/Simulink 68

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 74

CM , C M Hệ số đầy mặt cắt giữa tàu

GM , ´ GM m Chiều cao tâm nghiêng ngang

GM L , ´ GM L m Chiều cao tâm nghiêng dọc

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Consultative Organization

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1Tổn thất ma sát thủy lực tại các van và đoạn ống nối quy ra chiều

dài ống tương đương 20

Bảng 2.2Độ nhám tuyệt đối 22

Bảng 2.3 ξ tra theo góc ngoặt của đường ống 23

Bảng 2.4 ξ của van 23

Bảng 2.5Giá trị hệ số tổn thất ξ 1−2 đối với chạc ba phân nhánh 23

Bảng 2.6 Giá trị hệ số tổn thất ξ 1−3 đối với chạc ba phân nhánh 24

Bảng 2.7Điều kiện và lượng bố trí nước dằn của một số tàu điển hình 27

Bảng 3.1Thông số tàu Viet Tin 01 38

Bảng 3.2Thông số về các két Ballast 39

Bảng 3.3 Bảng chiều dài từng đoạn ống 41

Bảng 3.4Kích thước két hàng 43

Bảng 3.5Bảng thông số của bệ đỡ 48

Bảng 3.6Tỷ trọng riêng của nước 52

Bảng 3.7Thông số bơm ly tâm đã chọn 52

Bảng 3.8 Các khối phần tử trong chương trình 55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1Sơ đồ về phân loại máy thủy lực 9

Hình 2.2Sơ đồ nguyên lý hoạt động bơm ly tâm 10

Hình 2.3Cấu tạo bơm ly tâm 11

Hình 2.4Sơ đồ xác định một số thông số cơ bản của bơm và hệ thống 14

Hình 2.5Hệ đường ống thẳng 17

Hình 2.6Hệ đường ống đặc biệt 18

Hình 2.7Đồ thị tra tìm tổn thất thủy lực đường ống, IMO 19

Hình 2.8 Đường ống cong 22

Hình 2.9 Đường ống thẳng 23

Hình 2.10 Đường ống 3 phân nhánh 23

Hình 2.11Sơ đồ bơm và xả nước dằn tàu 25

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dằn dọc 29

Hình 2.13Sơ đồ nguyên lý hệ thống dằn dọc 29

Hình 2.14Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dằn ngangbố trí theo nguyên tắc phân nhóm 30

Hình 3.1Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống Ballast 40

Hình 3.2Sơ đồ hệ thống hàng của mô hình 44

Hình 3.3Sơ đồ hệ thống khí trơ trong mô hình 45

Hình 3.4Sơ đồ đường ống, van, co T của hệ thống Ballast 49

Hình 3.5Thư viện Simulink trong Matlab 55

Hình 3.6 Bảng thông số của bơm 60

Hình 3.7 Bảng thông số về van kim 61

Hình 3.8 Bảng thông số đường ống thẳng 62

Hình 3.9 Bảng thông số đường ống cong CO -T 64

Hình 3.10 Bảng thông số về két chứa trong mô hình 64

Hình 3.11 Mô đun thông số thể tích các két Ballast 65

Hình 3.12 Mô đun lưu lượng bơm 65

Hình 3.13 Mô đun áp suất trong két 66

Hình 3.14 Sơ đồ của hệ thống 67

Hình 3.15 Sơ đồ khi chạy chương trình 68

Hình 3.16Đồ thị áp suất hút và đẩy của bơm 70

Hình 3.17Đồ thị lưu lượng các két trong mô hình 69

Hình 0.1Cấp điện cho hệ thống 74

Hình 0.2Màn hình bảng điện điều khiển 74

Hình 0.3 Mở van cho hệ thống 75

Hình 0.4Bật công tắc trên bảng điện cho bơm Ballast 75

Hình 0.5Nước chảy vào két Ballast 76

Hình 0.6Két slop 78

Hình 0.7Quy trình vận hành LOT 79

Hình 0.8Két lắng cấp 2 80

Hình 0.9Kết cấu hộp van thông biển 81

Hình 0.10Sơ đồ hệ thống khống chế thoát hơi 82

Hình 0.11Phương pháp cân bằng hơi 83

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, ngành vận tải biển vận chuyển 80%~85% khối lượng hàng hoá lưuthông trên toàn thế giới, với khoảng 3 ~ 5 tỷ tấn hàng hàng năm và một khối lượngtương tự như vậy được vận chuyển nội trong các nước và khu vực

Việt Nam nằm bên bờ Tây của Biển Đông, một biển lớn và thuộc loại quantrọng nhất của khu vực châu Á - Thái Bình Dương cũng như của thế giới Từ baođời nay, vùng biển, ven biển và hải đảo đã gắn bó chặt chẽ với mọi hoạt động sảnxuất và đời sống của dân tộc Việt Nam Theo Tuyên bố ngày 12/7/1977 của Chínhphủ Việt Nam và Công ước của Liên Hợp Quốc về Luật biển năm 1982 thì nướcViệt Nam có một vùng biển rộng khoảng 1 triệu km2, gấp 3 lần diện tích đất liền.Vùng biển và ven biển nước ta có vị trí hết sức quan trọng cả về kinh tế, chính trị và

an ninh - quốc phòng, nên từ lâu Đảng và Nhà nước ta đã rất quan tâm đến pháttriển kinh tế biển, vùng ven biển và hải đảo

Thực hiện chủ trương phát triển kinh tế biển của Đảng và Nhà nước, trongnhững năm qua, cùng với việc đẩy mạnh quá trình đổi mới và mở cửa, các lĩnh vựckinh tế biển cũng được tăng cường và đã thu được những kết quả rất đáng khích lệ

So với thời kỳ trước, kinh tế biển của Việt Nam trong giai đoạn đổi mới vừa qua đã

có bước chuyển biến đáng kể

Việt Nam đã xây dựng được đội tàu biển quốc gia với tổng trọng tài là2.322.703 DWT (gấp 2 lần số lượng tàu và 2,3 lần về trọng tải so với 1997, bìnhquân tăng 6,4% về số lượng và 11% về trọng tải/năm) Nòng cốt của đội tàu biểnquốc gia là đội tàu của Tổng công ty Hàng hải Việt Nam (VINALINES), với sốlượng đội tàu trọng tải khoảng 1.125.159 DWT, chiếm khoảng 50% tổng trọng tảicủa đội tàu quốc gia Không chỉ tăng năng lực vận tải mà còn có sự thay đổi cơ bản

về cơ cấu, chất lượng đội tàu, tạo thêm thị trường và trực tiếp tham gia thị trường

Trình độ, năng lực đóng, sửa chữa tàu so với trước đây đã có tiến bộ vượtbậc, hiện đại hóa một bước theo hướng tập trung quy mô lớn, bước đầu có phâncông chuyên môn hóa, vươn ra đóng tàu cỡ lớn, chuyên dùng đạt chất lượng đăngkiểm quốc tế Một số doanh nghiệp đang đầu tư lớn hiện đại để đóng tàu lớn (3 - 5vạn tấn) Liên doanh Vinashin - Huyndai đã chính thức đi vào hoạt động được 2 ụtàu có thể sữa chữa tàu từ 50.000 đến 400.000 tấn

Mặc dù kinh tế biển của nước ta đạt được những kết quả bước đầu khôngnhỏ, nhưng nhìn chung quy mô kinh tế biển của Việt Nam còn nhỏ bé và đang ởtrình độ thấp Nếu so với các nước trên thế giới và khu vực thì Việt Nam còn thấp

lý thuyết mà còn vững thực hành ngay khi còn ngồi trên ghế nhà trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

3.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trên một con tàu, có rất nhiều hệ thống cũng như trang thiết bị máy móc Đểgiúp cho con tàu hoạt động hiệu quả tốt nhất thì ngoài việc khai thác hệ động lựctốt, chúng ta còn dựa vào nhiều yếu tố khác Vấn đề an toàn khi tàu chạy khônghàng, cũng như lúc nhận và trả hàng Để đảm bảo độ ổn định của tàu, khai thác tàuhiệu quả, an toàn thì việc khai thác tối ưu hệ thống nước dằn tàu là rất quan trọng.Khi tàu không có hàng, thì ta phải bơm nước biển vào để dằn tàu, cân bằng tàu, chotàu chạy an toàn Còn khi nhận hàng, thì Đại phó phải bố trí việc xếp hàng phù hợpvới tàu và nếu cần thì ta bổ xung thêm nước dằn vào các két Ballast Điều này sẽgiúp cho tàu hoạt động an toàn hơn, hiệu quả kinh tế trong khai thác sẽ cao hơn

Nhận thức được tầm quan trọng của kinh tế vận tải biển là vô cùng quantrọng Do được sự quan tâm của Bộ Giao thông vận tải, Trường ĐH GTVT Tp.HCM đã được đầu tư và mở rộng về cơ sở hạ tầng cũng như trang thiết bị máy móc,phòng thực hành cho sinh viên học tập và nghiên cứu Trường là nơi đạo tạo về lĩnhvực Hàng hải lớn nhất phía Nam Nhà trường đã đầu tư rất nhiều cơ sở phòng học,phòng thực hành cho sinh viên ngành Khoa học Hàng hải, Kỹ thuật tàu thủy… Nhàtrường có một tàu UT Glory cho sinh viên thực tập, có nhà xưởng cho sinh viênthực hành Song song đó nhà trường cũng đang xây dựng và thiết kế thêm nhiềuchương trình, thiết bị thực hành nhằm giúp cho sinh viên trường có điều kiện họctập tốt nhất Tuy không thể đáp ứng được tất cả các môn học thực hành cho sinhviên nhưng nhà trường cũng đang hoàn thiện cho từng môn học

Tuy nhiên, do điều kiện về kinh tế và địa hình nên nhiều môn học không thểxuống tàu thực hành được Để giải quyết vấn đề này nhà trường đã có giải pháp đưasinh viên xuống xưởng để học thực hành Hiện phòng thực hành máy của nhàtrường đã có các máy móc, trang thiết bị trong buồng máy để phục vụ cho những

môn học thực hành Tuy vậy vẫn còn một số hệ thống chưa có, như là hệ thống hútkhô, hệ thống dằn tàu…

Những lý do chính đặt ra yêu cầu thực hiện đề tài đó là:

- Nền kinh tế thế giới đang dần phục hồi, nguồn hàng ngày càng được cảithiện, nhu cầu về thuyền viên đang gia tăng Để tăng tính cạnh tranh chođội ngũ thuyền viên Việt Nam thì việc giúp sinh viên thực hành nhiều thaotác trong quá trình học là một việc cần thiết

- Hệ thống này phải được tính toán thiết kế một cách khoa học để giúp chosinh viên khoa Hàng hải, khoa Máy tàu và khoa Kỹ thuật tàu thủy có một

mô hình thực hành hiệu quả nhất

- Cần thiết có một mô hình hệ thống Ballast phục vụ cho công tác giảng dạythực hành của giáo viên trong khoa Máy tàu thủy, nâng cao chất lượng họctập của sinh viên và thuyền viên tại trường

3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu của đề tài làtính toán lựa chọn xây dựng mô hình hệthống Ballast tàu dầu thực tế phù hợp với phòng thực hành Khoa Máy tàu thủy

Các vấn đề về tính toán lựa chọn mô hình hệ thống Ballast phục vụ công tácgiảng dạy phòng thực hành Khoa Máy tàu thủy – Trường Đại học Giao thông vậntải TP HCM và xây dựng quy trình vận hành hệ thống

3.3 Phương pháp nghiên cứu

- Phân tích, tổng hợp

 Dựa trên cơ sở lý thuyết về thủy lực và máy thủy lực tính toán các thiết bị cho mô hình

 Dựa trên những kiến thức về lý thuyết tàu kết hợp về điều kiện thực

tế lựa chọn kích thước cho mô hình

 Kết hợp giữa kết quả tính toán tỷ lệ đồng dạng và không gian phòngthực hành để lựa chọn kích thước mô hình hệ thống

- Thực nghiệm

 Chế tạo hệ thống Ballast

 Xây dựng quy trình vận hành hệ thống Ballast

3.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Với kết quả nghiên cứu về lý thuyết của luận văn sẽ tạođiều kiện thuận lợi để xây dựng một hệ thống Ballast phù hợp với phòng học thựchành Kết quả này có thể được dùng làm tài liệu tham khảo cho các tác giả sau cóthể phát triển thêm Mặt khác, đây cũng là cơ sở khoa học cho các nhà máy đóngtàu khi xây dựng đóng mới những con tàu hiện đại

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ được ứng dụng trực tiếp cho côngtác giảng dạy tại phòng thực hành

3.5 Kết cấu của luận văn

Luận văn được chia làm 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Trong chương này tác giả đã nêu được tính cấp thiết của đề tài, đối tượng,phạm vi nghiên cứu qua đó tác giả đã chọn được phương pháp nghiên cứu tối ưunhất Từ sản phẩm của đề tài, đã đáp ứng được ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thựctiễn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Ở chương 2, tác giả đã nêu được những cơ sở cơ bản nhất về thủy lực và máythủy lực Từ đó sẽ là cơ sở để tính toán xây dựng cho chương 3 Đồng thời, nộidung trong chương này cũng đã nêu được tầm quan trọng của hệ thống Ballasttrên

Từ những cơ sở khoa học của chương 2 tác giả đã vận dụng và tính toán đưa

ra được số liệu để lựa chọn các thiết bị phục vụ cho hệ thống Qua đó xây dựng môhình hệ thống Ballast hoàn chỉnh cho phòng thực hành.Để kiệm nghiệm lại kết quảtính toán, tác giả đã xây dựng chương trình Matlab để chạy thử mô hình

Kết luận và kiến nghị

Trong phần này, tác giả đã nêu lên những vấn đề đạt được và chưa đạt đượcqua quá trình thực hiện đề tài Từ những vấn đề chưa đạt được, tác giả đã xây dựnghướng phát triển của mô hình hệ thống

CHƯƠNG 4

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ sở tính toán hệ thống thủy lực và máy thủy lực

Máy thủy lực là danh từ chung để chỉ các máy làm việc bằng cách trao đổinăng lượng với chất lỏng theo các nguyên lý thủy lực học nói riêng và cơ học chấtlỏng nói chung, ví dụ: Bơm dùng cơ năng của động cơ để vận chuyển chất lỏng; tuabin nước nhận dòng năng lượng của nước để biến thành cơ năng kéo các máy làmviệc… Ngày nay, máy thủy lực được dùng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực sảnxuất cũng như sinh hoạt Có thể nói hầu như không một ngành kỹ thuật nào không

sử dụng máy thủy lực

4.1.2 Phân loại máy thủy lực

Ta biết rằng trong bất kỳ một dòng chất lỏng chuyển động nào cũng tiềm tàngmột năng lượng nhất định; tác dụng của máy thủy lực là trao đổi (nhận hoặc truyền)năng lượng với dòng chất lỏng chuyển động qua nó để kéo các máy làm việc hoặcvận chuyển chất lỏng Theo tính chất trao đổi năng lượng với chất lỏng, máy thủylực được chia làm hai loại:

- Loại máy thủy lực tiếp thu cơ năng của dòng chất lỏng để kéo các máy

làm việc khác, có tác dụng như một động cơ, được gọi chung là động

cơ thủy lực (như tua bin nước, các loại động cơ thủy lực trong máycông cụ…)

- Ngược lại loại máy thủy lực truyền cơ năng cho chất lỏng để tạo nên

áp suất hoặc vận chuyển chất lỏng, được gọi là bơm (như các loạibơm, quạt…)

Theo nguyên lý tác dụng của máy thủy lực với chất lỏng trong quá trình làmviệc, người ta chia máy thủy lực thành nhiều loại khác nhau, nhưng chủ yếu có hailoại:

- Máy thủy lực cánh dẫn

- Máy thủy lực thể tích

- Máy thủy lực khác

Máy thủy lực

Bơm cánh dẫn Động cơ cánh dẫn (tua bin thủy lực Bơm và động cơ thể tích

Bơm xoáy

Bơm phun tia

Bơm

và động

cơ

rô to

Bơm

và động

cơ pitton

g roto

Bơm

và động

cơ pitto ng

Tua bin xung lực

Hình 2.1Sơ đồ về phân loại máy thủy lực

Theo sơ đồ trên, thì máy thủy lực được chia ra làm nhiều loại nhưng chỉ cóbơm ly tâm là phù hợp nhất để dùng bơm nước cho hệ thống Ballast

4.2 Tổng quan về bơm ly tâm

Bơm là loại máy thủy lực biến đổi cơ năng của động cơ thành năng lượng đểvận chuyển chất lỏng hoặc tạo nên áp suất cần thiết trong hệ thống truyền dẫn thủylực

Bơm ly tâm thuộc loại bơm cánh dẫn, được dùng phổ biến nhất trong các loạibơm vì một số ưu điểm sau:

- Bơm được nhiều loại chất lỏng, như nước, dầu, nhiên liệu, hóa chất,

- Kết cấu gọn, chắc chắn, làm việc tin cậy

- Hiệu suất η của bơm tương đối cao so với các loại bơm khác

(η=0,65 ÷ 0,90)

- Chỉ tiêu kinh tế tốt (giá thành tương đối rẻ)

4.2.2 Kết cấu và nguyên lý làm việc của bơm ly tâm

Hình 2.2Sơ đồ nguyên lý hoạt động bơm ly tâm

Volute casing: vỏ bơm Vanes: Lòng cánh bơm Impeller: Bánh công tácDischarge: Cửa đẩy Suction: Cửa hút

Hình 2.3Cấu tạo bơm ly tâm

1: Bánh công tác 4: Bộ phận dẫn hướng ra (buồng xoắn ốc)

3: Bộ phận dẫn hướng vào 6: Ống đẩy

Trước khi bơm làm việc cần điền đầy chất lỏng trong thân bơm và đường ốnghút (mồi bơm) Khi bơm làm việc, bánh công tác quay làm các phần tử chất lỏng ởtrong bánh công tác bị dồn ra ngoài dưới ảnh hưởng của lực li tâm Chất lỏngchuyển động theo các máng dẫn và đi vào ống đẩy với áp suất cao hơn ⇒đó là quátrình đẩy của bơm Đồng thời, ở lối vào của bánh công tác tạo nên vùng có chânkhông và dưới tác dụng của áp suất trong bể hút (pa) lớn hơn áp suất ởcửa vào (p2),chất lỏng ở bể hút liên tục bị đẩy vào bơm theo đường ống hút ⇒đó là quá trình hútcủa bơm Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liên tục ⇒ dòng chảy qua bơmliên tục và ổn định Bộ phận dẫn hướng ra (buồng xoắn ốc) có tác dụng dẫn chấtlỏng ra được điều hòa, ổn định và biến một phần động năng thành áp năng Sựtruyền năng lượng giữa bơm và chất lỏng được thực hiện qua các cánh dẫn Nănglượng chủ yếu là động năng ⇒ bơm có cột áp động Hđ

Những lưu ý khi khai thác bơm ly tâm:

- Sử dụng bơm phải tuân thủ tài liệu kỹ thuật hướng dẫn của nhà chế

tạo

- Trước khi khởi động bơm cần phải mồi bơm cho đầy và xả khí trong

bơm một cách triệt để Để khẳng định rằng bơm làm việc với sảnlượng đầy đủ, cần quan sát áp kế lắp đặt trên bơm

- Nhiệt độ ổ đỡ bơm không vượt quá 70 – 800C

- Khi bơm làm việc mà suất hiện một số trục trặc thì cần phải xem xét

và tìm nguyên nhân khác phục ngay

- Việc điều chỉnh sản lượng bơm cần chú ý tới tình trạng đường ống,

tình trạng khí trong hệ thống bơm nếu điều chỉnh van hút

Các trục trặc thường xảy ra đối với bơm ly tâm:

Sau khi khởi động bơm không cấp được chất lỏng:

- Không mồi bơm triệt để

- Hút lẫn không khí

- Van đẩy vẫn còn đóng

- Độ cao đặt bơm quá lớn

- Cánh bơm bị tắc hoặc phin lọc quá bẩn

- Bơm quay không đúng chiều

- Vận tốc quá nhỏ

Bơm hoạt động với lưu lượng không đủ:

- Do lẫn không khí vào bơm

- Ống hút bị bẩn nhiều

- Cánh công tác bị tắc hoặt phin lọc bẩn

Bơm sử dụng công suất lớn hơn bình thường:

- Làm việc quá mực về sản lượng

- Vận tốc bơm quá lớn

- Bơm lắp đặt không chính xác

Bơm làm việc rung động:

- Bơm lắp đặt sai quy cách

- Mất cân bằng động của bánh cánh

- Bị tắc bánh cánh

- Bánh cánh quá mòn

- Bánh cánh bị bám bẩn quá nhiều

- Trục bơm bị cong vênh

Bơm làm việc có tiếng ồn không bình thường:

- Sản lượng quá cao hoặc quá thấp so với định mức

- Bơm lẫn không khí

- Bơm lắp đặt sai qui cách

- Bơm làm việc trong vùng xâm thực

4.2.4 Các thông số cơ bản của bơm ly tâm

Những số liệu kỹ thuật biểu thị khả năng và đặc tính làm việc của bơm ly tâmđược gọi là các thông số làm việc Nói chung bơm ly tâm có các thông số làm việc

cơ bản sau:

4.2.4.1 Lưu lượng

Lưu lượng là lượng chất lỏng chảy qua bơm trong một đơn vị thời gian Lưulượng có thể được đo theo thể tích, khối lượng hoặc trọng lượng Ký hiệu và đơn vịchuẩn tương ứng là: Q(m3/s), G (N/s) và M (kg/s)

Lưu lượng được xác định bằng lưu lượng kế, bằng đồng hồ đếm lượng chấtlỏng chảy qua nó trong một khoảng thời gian, hoặc đo gián tiếp qua lượng chất lỏngbơm chuyển vào một két nào đó trong một khoảng thời gian rồi chia lượng này chokhoảng thời gian đã xác định ta tính ra được lưu lượng trung bình Ngoài ra còn cólưu lượng tức thời, thể tích riêng tính cho một vòng quay của bơm

Hình2.4Sơ đồ xác định một số thông số cơ bản của bơm và hệ thống

Trong quá trình xét đến lưu lượng của máy thuỷ lực, ta nên quan tâm đến

định luật liên tục của dòng chảy Xem hình 2-4.Giả sử ta xét đoạn ống hút từ 0-0 đến

1-1, có các thông số tương ứng là vận tốc chất lỏng v0 (m/s), diện tích tiết diện A0(m2) và v1, A1 Khi đó phương trình củađịnh luật liên tục của dòng chảy có dạng:

Q0(m s3)=v0(m s )x A0(m2)=v1(m s)x A1(m2) (2.1)Trong đó:

- v0: vận tốc chất lỏng ở cửa hút của bơm

- v1: vận tốc chất lỏng ở cửa ẩy của bơmđẩy của bơm

- A0: diện tích tiết diện ở cửa hút của bơm

4.2.4.3 Công suất thủy lực của bơm

Công suất thủy lực của bơm là cơ năng mà chất lỏng trao đổi với máy trongmột đơn vị thời gian; kí hiệu là N tl Lập công thức thứ nguyên công suất của bơm:

Công suất bơm phụ thuộc vào trọng lượng riêng của chất lỏng lưu lượng quabơm Q và cột áp của bơm H Do đó ta có thể viết:

Hằng số C phụ thuộc vào đơn vị ta chọn.

(Tham khảo sách Thủy lực và máy thủy lực – Chương 10 Cơ sở lỹ thuyết thứ nguyên và tương tự).

- N tl: công suất thủy lực của máy thủy lực (kW)

- Q: Lưu lượng chất lỏng qua máy thủy lực (m3

s )

- H: Chiều cao cột áp ẩy của máy thủy lực (m)đẩy của bơm

- γ: Khối lượng riêng của chất lỏng

Công suất trên trục vào của máy thủy lực lớn hơn công suất thủy lực mộtlượng bằng tổng các tổn thất trong máy thủy lực và trong qúa trình truyền độngcông suất từ đầu trục vào máy thủy lực đến bánh cánh

4.2.4.4 Hiệu suất bơm

Hiệu suất bơm đánh giá tổn thất năng lượng trong quá trình máy trao đổinăng lượng với chất lỏng, kí hiệu là η

η= N tl

N Tr

(2.7)

4.2.4.5 Mo men của bơm

Mômen trên trục bơm được xác định:

M tl=N tl

n

(2.8)

Trong đó:

- M tl: Mômen trên trục bơm (Nm)

- N tl: Công suất bơm (W)

- n: tốc độ quay của bơm (vòng/giây)

4.2.5 Cơ sở tính toán tổn thất năng lượng trongtruyền động thủy lực

Tính toán thủy lực đường ống là một trong những vấn đề cơ bản khi thiết kế

hệ thống tàu thủy Nó là cơ sở để chọn đường kính trong của ống, vận tốc chuyểnđộng của chất lỏng, lưu lượng và cột áp của các máy thủy lực Ta có hai loại tổnthất:

 Tổn thất dọc đường sinh ra trên toàn bộ bề dài dòng chảy đều hoặc

không đều đổi dần Là tổn thất xảy ra dọc theo đường di chuyển của

dòng chảy do sự ma sát của chất lỏng với thành rắn tiếp xúc (Xem

hình 2.5)

Hình 2.5Hệ đường ống thẳng

 Tổn thất cục bộ sinh ra tại những nơi cá biệt, ở đó dòng chảy bị biến

dạng đột ngột Ví dụ: tổn thất tại nơi ống uốn cong, ống mở rộng, nơi

có đặt khóa nước v.v

Hình 2.6Hệ đường ống đặc biệt

Để xác định các loại tổn thất này, thì ta có các phương pháp xác định sau:

4.2.5.1 Xác định cột áp tổn thất trong hệ thống ống theo hãng bơm IMO

Tổn thất dọc đường ống có thể xác định được khi biết đường kính trong củaống, độ nhớt và tốc độ chảy của chất lỏng lưu chuyển trong ống Với mỗi loạiđường kính ống ta có một đồ thị tra tổn thất thủy lực Khi biết độ nhớt ta chọn đượcmột đường cong dốc lên trên đồ thị, rồi áp lưu lượng định mức vào trục tung, từ đó

kẻ một đường ngang cho gặp đường cong có chỉ báo độ nhớt tại một điểm Từ điểm

đó dóng thẳng xuống trục hoành ta có được chỉ số tổn thất cột áp (Htt) của mỗi

100 mét chiều dài ống, tính theo số mét cột chất lỏng.(Tham khảo hình 2.7)

Nếu ống có đường kính trong ID=50 (mm), chuyển nước có độ nhớt khoảng

1 mm2/s (1cSt), lưu lượng chảy là 400 (l/min) Tổn thất áp suất dọc đường, tra bảng,

sẽ là khoảng 20m cột nước/100m chiều dài ống

Để xác định tổn thất cục bộ tại các van, các đoạn ống cong được tính theo

Bảng (2.1) Mỗi chi tiết như vậy có tổn thất áp suất tương đương với tổn thất áp suất

của một số mét ống là tích số của một hệ số với đường kính ống tính theo milimet

Ví dụ: Một van đĩa cầu (globe valve) có tổn thất cục bộ tại van tương đương

(500÷ 1000) x d Vậy, nếu ta chọn hệ số ở khoảng giữa là (750 x d) thì tổn thất áp suất tại van tương đương với tổn thất áp suất của (750 x d) = 750 x 50(mm) = 37,5

(mét ống) Tổn thất áp suất tại van tính bằng số mét cột chất lỏng sẽ là:

37,5 (m é t ố ng) x 20(m é tc ộ tch ấ t l ỏ ng)

100(m é t ố ng) =7,5(mé tc ộ tchấ tl ỏ ng)

Hình 2.7Đồ thị tra tìm tổn thất thủy lực đường ống, IMO

Bảng 2.1Tổn thất ma sát thủy lực tại các van và đoạn ống nối quy ra chiều

dài ống tương đương

Globe valveAngle valveCheck valve

10 x d1000-500 x d

30-20 x d40-30 x d10-5 x d

Equivalent pipe length at

Pipe diameter d=10-50 mm

Pipe diameter d=80-400 mm

Friction loss in valves and pipe fitti ngs

- λ là hệ số ma sát đối với dòng chảy trong ống tròn Để xác định được

λ ta phải xét xem hệ chảy rối hay hệ chảy tầng Có nhiều phương pháp

xác định các khu vực chảy rối, ví dụ so sánh chiều dày của lớp dòngchảy tầng sát thành với độ nhám tuyệt đối hoặc xác định theo vận tốcgiới hạn… Trong đề tài tác giả chỉ xin giới thiệu phương pháp xácđịnh hệ số Reynolt Trạng thái của dòng chảy là rối khi nó có hệ sốReynolt: ℜ≥ 2.103 Công thức xác định hệ số Re là:

Bảng 2.2Độ nhám tuyệt đối

1 Ống sạch kéo liền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ng s ch kéo li n kh i b ng đ ng thau, đ ng đ và th y tinh ại thành ống ền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ống ằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ỏ và thủy tinh ủy tinh 0,0015 - 0,01

2 Ống sạch kéo liền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ng thép m i, l p đ t c n th n không hàn ới, lắp đặt cẩn thận không hàn ắp đặt cẩn thận không hàn ặt cẩn thận không hàn ẩn thận không hàn ận không hàn 0,04 - 0,17

3 Ống sạch kéo liền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ng thép d n h i đ t sau m t năm s d ng ẫn hơi đốt sau một năm sử dụng ơi đốt sau một năm sử dụng ống ột năm sử dụng ử dụng ụng 0,12

4

Ống sạch kéo liền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ặt cẩn thận không hàn ền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ện bình thường, cũng như ống thép ường, cũng như ống thép ư ống

kéo li n kh i sau vài năm s d ng ền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ống ử dụng ụng 0,19

5 Ống sạch kéo liền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ng thép tráng nh a đ ựa đường ường, cũng như ống thép ng 0,12 - 0,24

6 Ống sạch kéo liền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ng s ch b ng thép tráng kẽm ại thành ống ằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh 0,25

7 Ống sạch kéo liền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ng gang m i v i các m i hàn mài nh n ới, lắp đặt cẩn thận không hàn ới, lắp đặt cẩn thận không hàn ống ẵn 0,31

8 Ống sạch kéo liền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ng thép tráng kẽm thông th ường, cũng như ống thép ng 0,39

9 Ống sạch kéo liền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ng gang m i thông th ới, lắp đặt cẩn thận không hàn ường, cũng như ống thép ng 0,25 - 0,42

10 Ống sạch kéo liền khối bằng đồng thau, đồng đỏ và thủy tinh ng thép tráng kẽm thô 0,5

(Nguồn - phụ lục 4.3 – trang 534 (Trị số nhám tuyệt đối của ống dẫn làm bằng những vật liệu khác nhau) – Thủy lực và máy thủy lực – NXB Giáo dục 1996).

Tổn thất cột áp do cản cục bộ:

∑h cb=∑ξ v2

Trong đó: ξ hệ số cản cục bộ và được tra theo bảng dưới đây:

Trị số ξ khi d1 = d2 phụ thuộc góc ngoặt đột ngột của ống có tiết diện tròn

2

2 v2

Hình 2.8Đường ống cong

Góc ngoặt của ống 300 400 500 600 700 800 900

2 2

0

13,300,27 1,37 1,81 2,30 2,83 3,40 4,07 4,80 6,00 7,18 8,900,35 1,10 1,54 1,90 2,35 2,73 3,22 3,80 4,32 5,28 6,53

0,44 1,22 1,45 1,67 1,89 2,11 2,38 2,58 3,04 3,84 4,751,00 0,90 1,00 1,13 1,2 1,40 1,50 1,60 1,80 2,06 2,30Bảng 2.6Giá trị hệ số tổn thất ξ1−3 đối với chạc ba phân nhánh

(Nguồn:Bảng III Phụ lục 4.6 – Thủy lực và máy thủy lực – NXBGD 1996)

4.3 Tổng quan về hệ thống Ballast trên tàu

4.3.1 Lịch sử ra đời của hệ thống Ballast

Vào thế kỉ thứ XV thì tộc người Saxon ở miền bắc nước Đức, họ đều lànhững người đi biển lành nghề đã biết được rằng nếu một con thuyền khi chở hàngnhiều hơn làm cho thuyền chìm hơn so với những con thuyền chở hàng nhẹ thìnhững tàu chở hàng nặng sẽ có khả năng đi biển, ổn định tốt hơn nhiều Thuật ngữ

“Ballast” xuất phát từ chữ “barlast” được đọc lái từ chữ “bare load” có nghĩa là mộttrọng lượng lớn (hàng hoá) được chở trong hầm hàng Đến tận ngày nay thì nhậnxét trên vẫn còn nguyên giá trị và chữ “Ballast” vẫn còn được sử dụng rộng rãi chođến ngày nay trong lĩnh vực hàng hải

4.3.2 Khái niệm về nước dằn tàu (Ballast water)

Vật dằn là bất kỳ vật nặng nào đó được sử dụng cho mục đích làm gia tăngsức nặng hoặc cân bằng cho một vật thể khác Thời xa xưa, khi đế quốc Hà Lanxâm lược Indonesia, ở Indonesia chưa làm được gạch, người Hà Lan đã đóng nhữngcon thuyền buồm lớn và dùng gạch để làm vật dằn để vận chuyển hàng hoá đếnIndonesia và đồng thời dùng gạch đó để xây nhà tại Indonesia Các đoàn thuyền hồi

đó chỉ đi theo một chiều và không quay trở lại Hà Lan

Tàu, thuyền đã sử dụng các vật cứng như đá, cát, kim loại để dằn tàu tronghàng ngàn năm như ở ví dụ trên Tuy nhiên, việc sử dụng các vật thể cứng đó để

dằn thật sự không thuận tiện Sau này, khi công nghệ và kỹ thuật phát triển, nước đãđược đưa vào sử dụng để dằn tàu thay cho việc sử dụng các vật thể rắn như trên.Nước dằn trên tàu đảm bảo được sự ổn định của kết cấu tàu, đảm bảo cho sự cânbằng (hạ thấp trọng tâm tàu, giảm chiều cao tâm nghiêng…), đảm bảo hiệu số mớnnước mũi và lái

Hình 2.11Sơ đồ bơm và xả nước dằn tàu

1: Bơm nước vào các két Ballast khi tàu

không hàng 2: Các két Ballast đã đầy khi tàukhông hàng4: Tàu đầy hàng và nước dằn được xả hết ra

khỏi két 3: Xả nước trong két Ballast đểnhận hàng

4.3.3 Mục đích của hoạt động Ballast

Những con tàu dầu rỗng ta đều nhận thấy rằng, chúng có mạn khô lớn, cảthân tàu nhô cao lên khỏi mặt nước, thêm vào đó phần lớn trọng lượng tàu tập trungphần lái nơi đặt trang thiết bị, không gian sinh hoạt, máy móc, thiết bị đẩy… điềunày làm cho mũi tàu có khuynh hướng nhô cao hơn nữa, che mất tầm quan sát, tăngkhoảng mù phía trước tàu, điều này là nguy hiểm Ngoài ra do diện tích hứng gió

lớn, tàu bị ảnh hưởng nhiều của gió thổi mạnh làm dạt tàu khó khăn cho địnhhướng, gây nghiêng tàu mất độ ổn định, tàu bị chòng chành rất khó khăn cho thuyềnviên sinh hoạt và đảm bảo sức khoẻ Việc trọng tâm tàu ở phía sau lái, còn tạo nênứng suất nguy hiểm cho toàn bộ cấu trúc thân tàu Mạn khô lớn điều đó có nghĩa làmớn nước nhỏ, tàu sẽ mất khả năng điều động khi cả chân vịt và bánh lái không cònchìm sâu trong nước nữa, tốc độ giảm Như vậy việc tàu dầu nhận Ballast trênnhững hành trình không tải là để:

- Tăng cường khả năng đi biển và ổn định

- Cân bằng ứng suất cho toàn bộ thân tàu

- Tăng khả năng điều động và cải thiện tốc độ

4.3.4 Nhu cầu dằn và điều kiện dằn của các tàu điển hình

Mỗiloại tàu nhu cầu sử dụng lượng nước dằn là khác nhau Thông thườnglượng nước dằn sử dụng chiếm từ 30% đến 40% DWT của tàu, các tàu chở hàngrời, tàu két là các tàu yêu cầu lượng nước dằn lớn còn tàu Container, Bách hóa, Ro-ro… thì có nhu cầu sử dụng lượng nước dằn ít hơn Sự phân bố các két nước dằnphụ thuộc vào tiêu chuẩn thiết kế, kích cỡ và ứng suất của tàu Dưới đây là bảngthông số về nhu cầu sử dụng lượng nước dằn của một số tàu điển hình theo nghiêncứu của IMO

% DWT Thờitiết(xấu

)

% DWT

Nguồn: Ballast Water Treatment R&D Directory” August-2002- A

cooperative initiative of Global Environment Facility, United Nations Development programme and IMO

4.3.5 Các yêu cầu cơ bản của hệ thống Ballast

- Hệ thống phải đảm bảo bơm đầy hoặc hút cạn một két bất kỳ hoặc

đồng thời một vài hoặc tất cả, cũng như khi cần thiết phải bảo đảmchuyển nước dằn từ một két này sang một két khác.Các két nước dằnđặt càng thấp càng tốt, mục đích là cải thiện tính ổn định cho tàu.Kếtcấu của hệ thống phải loại trừ khả năng nước chảy từ mạn cũng như từcác két nước dằn vào các két và các khoang khác

- Để bố trí các két dằn, thường người ta dùng các khoang phía mũi và

lái, các khoang ngay hai bên mạn với mục đích tạo ra mô men gâynghiêng, chúi lớn nhất mặc dù khối lượng nước dằn không lớn, tiếtkiệm dung tích khoang hàng

- Thể tích các két dằn và bố trí chúng phải thỏa mãn để đảm bảo nhận

một lượng dằn cần thiết cho việc thay đổi mớn nước, nghiêng và chúicủa tàu Các két nước dằn phải bố trí thiết bị đo mức nước thích hợpđược dẫn lên boong.Trọng lượng nước dằn kể cả hàng lỏng cần thiết

để dằn tàu, đảm bảo ổn định trong khai thác, đảm bảo cân bằng dọc vàcân bằng ngang tàu Nói chung trọng lượng dằn luôn cần thiết trongthiết kế tàu Điều cần biết, cố gắng hạ thấp lượng nước dằn đến mức

có thể trong thiết kế tàu Lượng dằn nếu nhiều quá sẽ chiếm mất phầncủa sức trở của tàu, làm tăng sức cản, kéo theo tốn nhiên liệu chạymáy để thắng sức cản ngoài ý muốn đó

- Vật dằn được bố trí không chỉ trong đáy đôi, trong các két sâu, nhiều

khi còn bố trí trên các két cao làm nhiệm vụ nâng cao trọng tâm tàu, ví

dụ trên các tàu trở quặng Từ thống kê có thể nhận thấy, tàu vận tảinhỏ với buồng máy giữa tàu, thường không có két sâu

4.3.6 Một số sơ đồ nguyên lý của hệ thống Ballast điển hình

Trên hình 2.12 chỉ ra sơ đồ nguyên lý của hệ thống dằn Nước, theo nguyên

tắc dòng tự chảy, chảy qua van thông đáy (5) vào các két dằn thông qua hộp van(2), các đường ống chính và nhánh Khi cần điều chỉnh mực nước và thời gian dằn,người ta sử dụng bơm nước dằn (1)

2 5 M0

4

2 1 3

5 M0

6

Hình a

Hình b

Hình 2.12Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dằn dọc

a -Bố trí theo nguyên tắc tập trung b - Bố trí theo nguyên tắc phân nhóm

3 – Van chặn một chiều 6 – Van với thiết bị dẫn động trên boongTrong trường hợp hút nước dằn ra, nước tích tụ tại ống hút (4) được bơm (1)hút qua hộp van (2) xả ra mạn qua van chặn một chiều (3).Ngoài nhiệm vụ dằn, hệthống còn làm nhiệm vụ cứu đắm

7 2

4 8

2

2 6 3

9 5

1

Hình 2.13Sơ đồ nguyên lý hệ thống dằn dọc

1 – Van thông đáy 6 – Van kiểu phao nổi

2 – Van chặn dẫn động trục 7 - Ống kiểm tra của hệ thống tiêu nước

5 – Van chêm

Trên hình 2.13 chỉ ra sơ đồ nguyên lý hệ thống dằn dọc xây dựng theo

nguyên tắc phân nhóm Hệ thống thiết bị cho phép điền đầy két chứa từ van thôngbiển (1) hay từ bơm dự trữ (3) trang bị cho hệ thống nước dằn Nước dằn được hút

ra bởi bơm dự trữ (3) Sơ đồ cũng chỉ ra vị trí các van kiểu phao nổi 6 trong két màcác van này tự động dừng khi đủ nước trong két

Trên hình 2.14 biểu diễn sơ đồ nguyên lý của hệ thống dằn ngang bố trí theo

nguyên tắc phân nhóm , nước tự chảy qua van thông biển (1) vào các bể dằn tại haimạn qua cửa nhận nước (16) Khi cần điều chỉnh mực nước trong các két dằn, người

ta dùng bơm (2)

7 20 15

20 14 18 8 12

9 19

13

11 10

16 16 17 17

2 3

4 5

với phao chỉ báo mực nước

3,6,7,12,13,18,19 – Van dẫn hướng dẫn

4,5,10,11,14,15 – Van chặn dẫn động trục