Trả lời các câu hỏi lý thuyết tàu thủy

Trả lời câu hỏi “Lý thuyết tàu thủy” Trình bày cách xác định lực tác động lên thân tàu ngâm nước Điều kiện cân tàu trạng thái nước nước Giải thích tên gọi liên quan: lượng chiếm nước tàu, thể tích chiếm nước, trọng lượng tàu khơng, sức chở tàu Lực Thân tàu chìm nước tiếp xúc với nước qua mặt ướt vỏ tàu Áp lực nước áp đặt lên mặt tiếp xúc mang giá trị: p = pa + γ z (*) với: pa - áp suất khí đo mặt thoáng nước z - khoảng cách đo từ mặt thoáng đến điểm xem xét mặt ướt vỏ tàu Lực thủy tĩnh tác động lên phần tử dS mặt ướt vỏ tàu trường hợp hiểu là: Hình: Trọng lực lực dP = (pa + γz)dA (**) Mặt khác dP phân thành thành phần: dPx - tác động theo phương nằm ngang, (pa+γz)dSX dPZ - tác động theo phương thẳng đứng, bằng: (pa + γz)dSZ – (pa + γ )dSZ = γzdSZ Phân tích thành phần lực thủy tĩnh áp lực gây vỏ tàu thấy rằng, tổng lực thành phần theo phương nằm ngang chúng tự triệt tiêu nhau, lực tác động theo phương thẳng đứng có dạng: dPZ = γzdSZ (a) Nếu ký hiệu: dV - thể tích cột nước cao z; diện tích đáy dSz; dV = zdSZ Cơng thức (a) có dạng: dF = dPZ = γdV (b) Công thức (b) hiểu lực nước tác động lên phần thân tàu chìm nước F = γV Lực tính theo định luật Archimedes, trọng lượng khối nước bị thân tàu choán chỗ, tác động theo hướng từ lên Lực F có tâm đặt lực B, gọi tâm tàu Lực cố gắng đẩy tàu lên cao vị trí chiếm Với tàu thủy tích phần chìm nước V, viết tắt từ Volume (hoặc ∇ ký tự thay cho V nhiều trường hợp), trọng lượng tồn tàu trạng thái tính tốn, trọng lượng khối nước bị thân tàu chiếm chỗ γ∇ Đại lượng D = γV (hoặc γ∇) gọi lượng chiếm nước tàu, mang giá trị lực tàu Ký hiệu D viết tắt từ Displacement, Δ ký tự thay cho D nhiều trường hợp Theo cách viết: W = Δ = γ∇ (c) đó: Δ (hoặc D) - lượng chiếm nước; γ - trọng lượng riêng nước ∇ (hoặc V) - thể tích phần tàu chiếm chỗ nước, gọi là lượng thể tích chiếm chỗ (volume displacement) Thứ nguyên dùng cho thành phần công thức, hệ thống đo metric, sau gọi hệ mét, hiểu theo truyền thống ghi đậm nét ngành đóng tàu: γ - trọng lượng riêng nước sơng t/m3, nước biển γ = 1,025 ÷ 1,03 t/m3 V - thể tích tính m3 D - lượng chiếm nước tính hệ metric, viết tắt T MT Thể tích V thành phần thay đổi biểu thức tính lực tàu γV, đóng vai trò thước đo tính tàu Trọng lượng tàu không (lightship) – trọng lượng ( nghĩa khối lượng) tàu máy móc, trang thiết bị Trọng lượng tàu không ký hiệu D0 Sức chở tàu hiệu lượng chiếm nước D trọng lượng tàu không: DW = D – D0 Kể đủ DW gồm hàng hóa chở tàu, dự trữ cho tàu, dự trữ cho máy tàu, đồn thủy thủ Trình bày cách xây dựng họ đường Bonjean Cách thể họ đường Bonjean đồ thị Ứng dụng đường Bonjean thiết kế, chế tạo tàu Các mặt cắt ngang tàu Các đại lượng đặc trưng cho mặt cắt ngang tàu: Diện tích mặt sườn tính đến mớn nước Z S( z ) = z ∫0 ydz () Mômen tĩnh so với trục Oy mặt sườn: m( z) = z ∫0 yzdz () Trọng tâm mặt sườn thuộc phần chìm đến mớn nước z tính theo cơng thức: m( z) C( z) = = S( z ) z ∫0 yzdz z ∫0 ydz () Tỉ lệ Bonjean Với sườn tàu, từ kết tính diện tích phần chìm mơmen tĩnh phần chìm so với đáy, vẽ hai đường cong miêu tả biến thiên hai giá trị theo chiều chìm z Tập hợp toàn đường cong kiểu này, lập cho tất sườn tính tốn đồ thị có tên gọi tỉ lệ Bonjean Tại hình trình bày tỷ lệ Bonjean lập cho tàu cá dài 45,26m Họ đường cong đồ thị mang tên tỉ lệ Bonjean sở tính thể tích phần chìm giả định, tâm theo chiều dọc, chiều cao trước hạ thủy tàu, đồng thời sở tính chống chìm, phân khoang tàu Biểu đồ Bonjean Khái niệm cân dọc tàu nước Trình bày cách xây dựng công thức momen chúi tàu, làm cho mớn nước mũi, lái tàu thay đổi đơn vị dài (1 cmm m) Thủ tục tiến hành công việc cân tàu nước tĩnh Cân dọc tàu để làm gì? Momen nghiêng dọc làm tàu chúi thêm 1cm Góc nghiêng dọc viết dạng Ψ = w( x − x1 ) ΔGM L Cơng thức tính momen nghiêng dọc: M ng = t × = t ΔGM L , từ w( x − x1 ) = t × L L ΔGM L L Thay giá trị Δ = γ∇ GM L = IL /∇ vào vế phải biểu thức cuối, đồng thời nhận giá trị t = đơn vị chiều dài, ví dụ t = 1m, cơng thức tính momen nghiêng dọc tàu thêm đơn vị chiều dài là: M dv = Δ I GM L =γ L L L (Tm/m) Momen làm nghiêng dọc tàu thêm đơn vị độ dài t = 1m =100cm, ký hiệu MTRIM, đơn vị tính Tm/m Ký hiệu thường dùng tài liệu MTC Dưới tác động momen nghiêng tàu Mng, đơn vị đo Tm, độ chúi tàu t đo m, tính theo cơng thức : t= M ng M TRIM t = M ng MTC , tính m Momen nghiêng dọc làm tàu chúi thêm cm tính cơng thức: MTcm = Δ I GM L = γ L (Tm/cm) 100 L 100 L γ = 1,025T/m3 Cơng thức tương đương tính hệ thống đo Imperial dùng UK,USA: Moment to trim one inch: MTI = ρg I L 12 L (ton-ft/ft) Trong ρg = 1/35 tính cho nước biển, 1/35,9 tính cho nước sơng Chiều dài tàu L đo ft Kiểm ta cân dọc tàu TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Bảng 12 : Cân dọc tàu Tên gọi Công thức & Ký hiệu Thể tích chiếm nước ∇= Δ/ γ Chiều chìm trung bình d, T - đọc từ đồ thị, = f(∇) Hoành độ trọng tâm XG LCG Chiều cao trọng tâm KG ZG Tâm đường nước LCF Xf- đọc từ đồ thị, = f(T) Hoành độ tâm LCB XB - đọc từ đồ thị, = f(T) Chiều cao tâm KB Zc- đọc từ đồ thị, = f(T) Bán kính tâm nghiêng BM r – đọc từ đồ thị = f(T) Momen chúi m MTRIM - đọc từ đồ thị, = f(T) Momen chúi tàu Mng = Δ(XG - XB) Độ chúi tàu δT = Mng/ MTRIM Góc chúi ψ=t/L Thay đổi chúi mũi δTm =(L/2 - LCF)ψ Thay đổi chúi lái δTl =(- L/2 - LCF)ψ Mớn nước mũi Tm = T +δTm = (2) + (13) Mớn nước lái Tl = T +δTl = (2) + (14) Chiều cao tâm ổn định GM = KM – KG = (7) + (8) - (4) Momen nghiêng tàu 1° M1 = ΔGM/57,3 Đơn vị tính m3 m m m m m m m Tm/m Tm m m m m m m Tm Trình bày khái niệm ổn định tàu Ổn định ban đầu hiểu giải vấn đề gì? Giải thích đồ thị chiều cao tâm nghiêng, tức khoảng cách từ trọng tâm tàu G đến tâm nghiêng (metacentre) M Ảnh hưởng chiều cao tâm nghiêng GM (các sách Nga ký hiệu h0) đến tính ổn định tàu Nêu giá trị thường gặp GM cho loại tàu thông dụng Tàu tàu ngầm đạt vị trí cân lực cân trọng lực tâm nằm đường thẳng vng góc với mặt thống, qua trọng tâm tàu Trong tự nhiên tàu hoạt động mặt nước, chịu tác động mơi trường gió, sóng, dòng chảy Dưới ảnh hưởng ngoại lực tác động thời, vị trí cân tàu bị phá vỡ, tàu bị nghiêng phía mạn hay nghiêng dọc tàu Có thể hình dung hàng hóa, vật tư thiết bị tàu giữ chặt vị trí cố định trường hợp khai thác cụ thể, trọng tâm G tàu không đổi tàu nghiêng, tâm B thuộc phần chìm tàu thay đổi vị trí tùy thuộc hình dáng hình học phần chìm Trong trường hợp chung, tâm thời B’ khơng nằm đường vng góc với mặt thống qua G; khoảng cách hướng lực trọng lực W với hướng lực lực F thay đổi từ cho vị trí cân đến giá trị L ≠ Mômen ngẫu lực mang giá trị WL = FL ≠ Mômen hoạt động tuân thủ định luật học, dấu với mơmen nghiêng quay tàu khỏi vị trí cân ban đầu, ngược dấu với mơmen Trường hợp đầu, mơmen ngẫu lực làm cho tàu nghiêng đến góc lớn hơn, trường hợp sau chống lại mơmen nghiêng.Hình , mơmen ngẫu lực hình a) cố gắng xoay tàu bên phải, chống lại hướng nghiêng tàu Trường hợp mơmen ngẫu lực đưa tàu lại vị trí cân ban đầu mơmen ngoại lực thơi tác động Có thể trơng đợi tàu có tính ổn định Hình b miêu tả tranh ngược lại, mômen ngẫu lực với hướng xoay rõ hình làm cho tàu ngày nghiêng nhiều Trường hợp sau coi khơng ổn định Hình : Mơmen phục hồi Ổn định hiểu theo nghĩa chung khả tàu chống lại tác động ngoại lực đẩy tàu khỏi vị trí cân ban đầu để đưa tàu trở lại vị trí cân này, tác động ngoại lực khơng Ổn định tàu xét hoàn cảnh cụ thể Dưới tác động tĩnh ngoại lực tàu phản ứng khuôn khổ ổn định tĩnh Ngược lại tính ổn định tàu xét điều kiện mômen ngoại lực tác động lên tàu dạng động gọi ổn định động Tác động tĩnh ngoại lực xảy với tốc độ tăng chậm Số đo ổn định giá trị mômen phục hồi xuất nghiêng tàu Mômen phục hồi chống lại mômen gây nghiêng tàu, mơmen nghiêng khơng tác động mơmen phục hồi đưa tàu vị trí cân ban đầu Điều phụ thuộc vào độ lớn mômen phục hồi so với mômen nghiêng Tác động mômen ngoại lực thể tốc độ tăng trưởng nhanh Số đo ổn định động cơng sinh để thắng công ngoại lực đưa tàu bị nghiêng đến góc lớn quay trở vị trí cân ban đầu lúc ngoại lực khơng tác động Phụ thuộc vào hướng nghiêng tàu bị ngoại lực tác động phân biệt hai trường hợp khác tính ổn định ổn định ngang xét ổn định trạng thái nghiêng ngang ổn định dọc cho trường hợp tàu bị nghiêng dọc ỔN ĐỊNH BAN ĐẦU M W ϕ W h g L G Z B K Hình g' B' L' ∆ Ổn định ban đầu Tàu nghiêng góc nhỏ, diện tích hai nêm nước nhau, đỉnh chung hai tam giác nằm mặt đối xứng dọc, điểm B dời vị trí đến B’ Khoảng cách BB ' xác định sau: BB ' = v×h ∇ () Trong v – thể tích nêm nước tam giác, ∇ - thể tích phần chìm thân tàu Momen phục hồi : M ph = Δ × GZ () Trong GZ - đoạn thẳng nối từ trọng tâm tàu G đến đường tác động lực thời điểm xem xét, qua điểm B’ GZ = GM sin ϕ () GM gọi chiều cao tâm nghiêng, M – tâm nghiêng GZ gọi tay đòn ổn định (righting lever) Chiều cao điểm M so với mặt chuẩn qua đáy: KM = KB + BM KM = KB + BM () Chiều cao tâm nghiêng ngang ban đầu: GM = KM − KG GM = KB + BM - KG Righting moment () KG - chiều cao trọng tâm so với mặt chuẩn qua đáy tàu Tâm B di chuyển cung gần cung tròn, bán kính r = BM , tâm M Khoảng cách đường tác động lực F Δ xác định sau: GZ = GM sin ϕ () góc ϕ góc nghiêng tàu so với mặt thống tình trạng tĩnh M W ϕ G Z B B' ∆ K Hình L F Tay đòn ổn định tàu GZ chiều cao tâm nghiêng GM Trình bày khái niệm ổn định tàu Hiểu ổn định tàu góc nghiêng lớn? Những yếu tố tố tàu có ảnh hưởng lớn đến ổn định tàu góc nghiêng lớn Trình bày cách xác định momen nghiêng ngang tàu 1°, nêu ứng dụng công thức tính tốn, thiết kế ỔN ĐỊNH Ở GĨC NGHIÊNG LỚN W M g h' ϕ ϕ W h G B Z T g' R B' K L L' ∆ Hình Xác định tay đòn ổn định góc nghiêng lớn Momen ổn định tĩnh: Δ × GZ = Δ × BR − BT ( ) Từ quan hệ: v × hh' = ∇ × BR tính: v × hh' BR = ; BT = BG sin ϕ ∇ Momen ổn định tĩnh tính theo cơng thức Atwood: ⎛ v × hh' ⎞ Δ⎜⎜ − BG sin ϕ ⎟⎟ ⎝ ∇ ⎠ Cơng thức tính tay đòn ổn định: GZ = BR − BT = BR − BG sin ϕ Họ đường BR = f (∇, ϕ ) gọi chung cross curves pantokaren Đồ thị tay đòn ổn định tĩnh có dạng: ,8 GZ (m ) ,6 ,4 ,2 ϕ 10 Hình 2.7 20 30 40 50 60 70 (o ) 80 Tay đòn ổn định tĩnh GZ = f(ϕ) Momen nghiêng ngang tàu 1° Công thức xác định momen phục hồi M = D GM sinϕ , D tương đương ký hiệu Δ, lượng chiếm nước tàu Với góc ϕ nhỏ, giá trị sinϕ ≈ ϕ, viết M ≈ D GM ϕ, góc nghiêng ϕ tính rad Khi sử dụng hệ thống đo góc độ, công thức đổi thành M = DGM × ϕ 57,3 Để nghiêng tàu 1° momen cần thiết phải là: Mđv = D × GM × 57,3 Góc nghiêng ngang tàu tác động momen nghiêng Mng: ϕ= M ng M dv Giải thích khái niệm ổn định tĩnh ổn định động Trình bày hình vẽ tay đòn ổn định tĩnh tàu nghiêng góc ϕ xác định, ví dụ ϕ = 30° Khoảng cách GZ vẽ mặt cắt ngang tàu Vẽ đồ thị GZ = f(ϕ), góc ϕ từ - 90° Dưới tác động momen nghiêng I, hình 2.15, tàu bị nghiêng chừng Mng > Mph Trong giai đoạn đến ϕ1 momen I lớn Mph, tác động I tàu phải nghiêng từ 0° đến ϕ1 Nhờ Mph > Mng đoạn sau ϕ1, tàu nghiêng từ ϕ3 đến ϕ1 Góc ϕ1 xét góc ổn định tĩnh Điều kiện cần đủ ổn định tĩnh: : (1) Mph = Mng (2) d (M ph − M ng ) > dϕ dM ph dϕ > dM ng dϕ Mng – momen nghiêng từ phía ngoại lực, Mph - momen phục hồi Từ hình thấy hai đường biểu diễn momen nghiêng II III, số đường II tiếp xúc với Mph điểm C, ứng vớiϕm Tại Mph = Mng, xuất điều kiện cần cho ổn định tĩnh, song qua khỏi ϕm đường Mph chúc xuống, điều kiện đủ nêu không thỏa mãn ϕm Momen nghiêng II đóng vai trò momen giới hạn Tàu chịu tác động momen ngoại lực làm nghiêng tàu chừng momen Mng chưa vượt qua momen giới hạn II Momen nghiêng đánh số III tác động lên tàu làm tàu ổn định Mng (tm) Mph (tm) III II C A B I góc ổn đònh tónh 10 20 ϕst 30 40 50 ϕ 60 70 (o) 80 Hình Điều kiện ổn định tĩnh góc ổn định tĩnh ϕst ỔN ĐỊNH ĐỘNG Xác định góc ổn định động theo cách làm cân công momen nghiêng momen phục hồi Thành phần công phục hồi thực chống nghiêng tàu góc nhỏ δϕ sau:δLph =Mphδϕ , công momen phục hồi thực chống nghiêng tàu từ đến ϕ tổng thành phần: L ph = ∑ M ph δϕi , i = 1,2, i Công momen nghiêng: Lng = ∑ M ng δϕi , = 1, 2, i Nghiêng tàu xét trình liên tục, thay giá trị δϕ dϕ tính ϕ Lng = ∫ M ng (ϕ )dϕ 10 ϕ L ph = ∫ M ph (ϕ )dϕ Góc ổn định động tàu xác định sau cân ϕ ∫ ϕ M ng (ϕ )dϕ = ∫ M ph (ϕ )dϕ Đồ thị ổn định động Góc ổn định động giải từ phương trình: ϕ ∫ Δ GZ (ϕ ).dϕ = ϕ ∫ M ng (ϕ ).dϕ Trên đồ thị ổn định tĩnh tiến hành xác định diện tích đưới đường cong Mph(ϕ) Đường tích phân ϕ ∫ GZ (ϕ ).dϕ ký hiệu d = f(ϕ) đồ thị ổn định động Góc ổn định động giải từ phương trình: ϕ ∫0 GZ ( ϕ).dϕ = Δ ϕ ∫0 Mng (ϕ).dϕ (2.39) Trên đồ thị ổn định tĩnh tiến hành xác định diện tích đưới đường cong Mph(ϕ) ϕ Đường tích phân d = ∫ GZ ( ϕ).dϕ đồ thị ổn định động Xây dựng tay đòn ổn định động d = f(ϕ) Hình Hãy giải thích ý nghĩa họ đường cong mang tên gọi Cross Curves hay gọi Pantokaren Trình bày cách xác định tay đòn hình dáng phần chìm nước thân tàu, khơng dẫn dắt cơng thức tính Vẽ họ đường Cross Curves tàu, trình bày định tính, khơng để ý định lượng Ứng dụng họ đường cong Khoảng cách SZ hình đóng vai trò tay đòn hình dáng phần chìm thân tàu Tập họp họ đường này, tùy thuộc thể tích phân chìm, góc nghiêng tàu có tên gọi pantokaren Cross Curves Cách làm quen thuộc là, điểm S trùng với K SZ = y cos φ − z sin φ − BS sin φ φ φ 0 = cos φ ∫ Bα M α cos αdα + sin φ ∫ Bα M α sin αdα − BS sin φ 11 24 Trình bày đồ thị Bp-δ (hay đồ thị Taylor) giành cho chân vịt seri B Wageningen Giải thích tham số có mặt đồ thị Nêu qui trình sử dụng đồ thị Bp-δ thiết kế chân vịt theo chế độ chạy tự do, giả thiết sức cản vỏ tàu, máy lắp lên tàu cho trước Thông số dùng đồ thị Taylor bao gồm: Bp = δ = ( DHP )1/ N 2,5 Va ; viết cách khác: Bp = ND Va N Va2 PD Va () () với: DHP PD - công suất dẫn đến trục chân vịt, tính mã lực (HP) theo hệ thống đo Anh-Mỹ N - vòng quay trục chân vịt phút; Va - tốc độ tiến, đo HL/h (kn) D - đường kính chân vịt, đo feet (ft) Trên đồ thị Bp~δ ứng với đường cong ηp = const tồn giá trị lớn Bp nằm điểm gặp đường Bp = const, tiếp tuyến đường hiệu suất chân vịt vừa nêu Đường cong nối liền điểm mang tính chất trên, có nghĩa hiệu suất điều kiện làm việc trạng thái xét có giá trị lớn nhất, đường hiệu suất cao Đường cong vừa nhắc đến gọi đường tối ưu Hệ thống đường δ tính theo cơng thức vừa nêu cắt đường hiệu suất cao điểm xác định Cũng đồ thị Bp δ, trục đứng đọc giá trị tỉ lệ bước H/D chân vịt, ứng với Bp Từ đồ thị, dễ dàng xác định thông số tối ưu cho chân vịt thiết kế Trong trường hợp cụ thể từ đồ thị đọc giá trị δ, liên quan đến vòng quay, đường kính vận tốc tiến, giá trị H/D chân vịt có hiệu suất cao Các đặc tính hình học chân vịt tính từ quan hệ ràng buộc đồ thị: D = δ.Va/N, H/D đọc trục đứng đồ thị Lập đồ thị Bp~δ Đồ thị Bp δ áp dụng cho trường hợp Va > Trường hợp chân vịt làm việc vận tốc tiến khơng thể tìm thấy đồ thị Cần để ý thêm đặc tính thơng số đồ thị Hệ số Bp có thứ nguyên phụ thuộc vào hệ thống đo Nguyên thủy tất đơn vị đo áp dụng cho đồ thị Taylor thuộc hệ Anh-Mỹ Ngày nhiều nhà nghiên cứu cải biên công thức, đơn vị đo áp dụng vào công thức Đồ thị Taylor đời dùng châu Âu Nhật dùng hệ thống đo quốc tế, cơng suất đo mã lực với PS = 75kGm/sec, D tính m Hình : 50 Đường kính tối ưu xác định từ đồ thị theo kết thử mơ hình chân vịt tự do, phù hợp cho thiết kế chân vịt không theo sát tàu Chân vịt gắn gần vỏ tàu thường xuyên làm việc trường tốc độ khơng điều hòa có mặt vỏ tàu dòng chảy hệ số động lực học chân vịt thực tế khơng trùng hồn tồn với đặc tính chân vịt tự Hậu đường kính tối ưu cần hiệu chỉnh cho trường hợp trường khơng điều hòa Sự khác biệt kích thước tối ưu đường kính, nằm phạm vi từ ÷ 8% cho chân vịt tàu chân vịt từ ÷ 4% cho tàu hai chân vịt Song song với đồ thị Taylor dùng cho nhóm máy tàu, đồ thị nhóm vỏ gồm thơng số sau: Bu = ( THP )1/ N 2,5 Va , viết cách khác Bu = 0, 05541 N ND Va hai nhóm cơng thức có mối quan hệ ràng buộc: Bu = Bp η p Va2 T () δ = () Bản thân Bp , Bu liên quan đến hệ số đồ thị nguyên thủy sau: Bp = 33, 09 Bu = 13, 20 δ = KQ () J KT J () 101, () J Hình : Sửû dụng đồ thị Bp–δ a) Xác định Dopt; b) Xác định P/D ηp 51 25 Trình bày thủ tục chọn máy diesel chuyên dùng cho tàu thủy thiết kế tàu vận tải biển, sử dụng chân vịt bước cố định, theo seri B Wageningen Giả sử sức chở tàu cỡ 10.000 dwt, vận tốc khai thác khoảng 14,5 – 15 HL/h Chọn máy tàu Trong nhiều trường hợp người thiết kế cần đưa đề nghị chọn máy tàu đủ công suất vòng quay trục chân vịt hợp lý cho vấn đề giải Thuật toán chọn máy tàu sau: Xác định vận tốc tàu Vp = 0,515Vs(1-w), 1, 359 PD Xác định D công thức gần đúng: D0 = n ρ.Vp Xác định R( Vs ) KT = J ρ.(1 − t)Vp2 D2 Xác định hệ số Tính PE = n = Vp J = nD ηp Vp R( Vs )0, 515 , 1−t 75 Cmtη pηhsηdtξ R 1−w , J D Chọn máy tàu kéo theo thứ tự sau: KT ρ Xác định = D.Vp T J Xác định hệ số Dopt J TVp 0, 515 Tính PE = 1−t 75 C η η η ξ − w mt p hs dt R Vp 4./ n = J D Đồ thị giúp chọn máy thiết kế chân vịt B4 B5 trình bày hình 52 Hình Chọn máy tàu 26 Trình bày quan hệ làm việc chân vịt cánh cố định với vỏ tàu, máy Trên đồ thị lực – vận tốc: R, T – v đồ thị công suất – vận tốc: P – v rõ đường làm việc theo chế độ momen quay máy const, vòng quay máy const Giải thích khái niệm “chân vịt năng” “chân vịt nhẹ” 53 Hình 6.4: Quan hệ làm việc máy - chân vòt Đường II hạn chế tần suất quay, máy làm việc ổn định tần suất quay cao n tối thiểu Đường III đường đặc tính giới hạn máy Đường IV đường hãm làm nhiệm vụ điều khiển không cho phép máy tải tần suất quay Trong điều kiện tiêu chuẩn, tàu đạt vận tốc Vp định, hệ số tiến J đạt giá trị tiêu chuẩn, chân vịt có đường kính D bước khơng đổi H/D = const đòi cấp cơng suất P định mức tần suất quay định mức n, điểm làm việc hệ thống máy - chân vịt - vỏ tàu A Tại công suất máy đạt 100% định mức, 100% n định mức Đường làm việc chân vịt có dạng đường hình Khi tàu làm việc điều kiện thuận lợi dự tính, ví dụ chạy xi dòng nước, tàu chở nhẹ , chân vịt đòi hỏi cơng suất nhỏ công suất định mức máy để đưa tàu vào hoạt động bình thường Điểm làm viêïc tốt trường hợp C Tại mày cần cấp công suất nhỏ định mức để chân vịt hoạt động Đường tải nhẹ thể đường số Đường đường đặc tính chân vịt làm việc theo chế độ nặng tải Điểm làm việc giới hạn trường hợp B, nằm đường cơng suất định mức song vị trí n nhỏ giá trị định mức Tại máy không cấp cho chân vịt 100% công suất định mức mà chừng mức, tùy thuộc vào vòng quay chân vịt nước chế độ nặng Nhiệm vụ thiết kế ln đòi hỏi chân vịt phải phù hợp với máy vỏ tàu Từ đồ thị thấy đòi hỏi có nghĩa là: chân vịt phải có đường đặc tính cơng tác giống đường số 2, theo chân vịt tiếp thu tồn công suất định mức máy, làm việc tần suất quay định mức chế độ khai thác bình thường Chân vịt có đường đặc tính dạng coi chân vịt phù hợp Trong thực tế điều kiện môi trường thay đổi, chế độ tải trọng tàu thay đổi, sức cản vỏ tàu thay đổi theo, cơng suất đòi hỏi khơng thể giữ ngun dạng tính tốn ban đầu Do vậy, xảy tượng chân vịt phù hợp cho điều kiện khai thác không phù hợp cho điều kiện khai thác khác Và thực tế khó xác định 54 chân vịt bước cố định phù hợp cho điều kiện Thực tế buộc người thiết kế phải tìm phương án thỏa hiệp xác định chế độ làm việc chân vịt - tàu Hình Quan hệ máy – vỏ - chân vịt tàu thùy 27 Trình bày bố trí ngun lý làm việc chân vịt ống đạo lưu Nêu dạng ống dùng rộng rãi Nêu loại chân vịt dùng ống Ứng dụng hệ thống ống – chân vịt Qui trình thiết kế chân vịt kiểu Kaplan ống bể thử Wageningen Hệ thống ống chân vịt Một biện pháp nâng cao sức đẩy chân vịt sử dụng hệ thống ống đạo lưu với chân vịt Trong hệ thống chân vịt tàu thủy đặt trọn ống trụ, quay ống với ống tạo lực đẩy thường lớn chân vịt đứng riêng lẻ Mặt cắt ngang ống đạo lưu kết cấu hình vành khuyên Chiều dày vành khuyên có giá trị khơng đổi có kết cấu khơng đối xứng qua trục dọc Mặt cắt dọc ống cho phép quan sát thành ống dạng frofil cánh máy bay 55 Hình : Các dạng ống đặc trưng a) Ống tăng tốc; b) Ống thuận hai chiều trước sau c) Ống tăng tốc với “rãnh thoát Hannan”; d) Ống giảm tốc Mặt cắt ngang ống thông dụng đối xứng qua trục Tuy nhiên để tăng tính cần thiết cho loại tàu, ống sản xuất dạng khơng đối xứng qua trục Có ống dày thành trên, mỏng dưới, có ống khơng đối xứng phân bố trước sau Trong chế độ làm việc nặng hiệu suất động lực hệ thống ống-chân vịt cao hiệu suất chân vịt không nằm ống bao Điều giải thích sau: thành phần lực đẩy hệ thống, lực đẩy Tcv chân vịt tạo có thành phần bổ sung lực đẩy Tn, tác động hướng với Tw, ống đạo lưu dạng cánh sinh bị tác động dòng chảy Trên hình 6.15 thấy Hình: Chân vịt ống đạo lưu profil cánh thành ống đặt sau đuôi tàu, nghiêng so với đường dòng bị di chuyển với vận tốc V Trên phần tử cánh xuất lực nâng dL, đồng thời lực ma sát dD cản trở chuyển động Góc nghiêng lớn, lực dL có xu hướng ngả phía trước Vì lực nâng cánh trường hợp lớn nhiều so với lực cản, thông thường lớn khoảng 25 đến 30 lần, lực thành phần tử dL lên trục dọc ống lớn lực thành phần dD trục Tổng hợp hai lực vừa nêu, với ống có kết cấu hợp lý giá trị dTn = (dL – dD)x mang giá trị dương, có xu hướng đẩy tàu trước Tổng cộng tất lực thành phần dTn nhận lực đẩy bổ sung Tn Lực đẩy hệ thống ống chân vịt xét dạng: T = Tcv + Tn (6.18) Trong thập kỷ qua, sau hệ thống Kort thành cơng Cộng hòa Liên bang Đức, nhà nghiên cứu chân vịt Hà Lan đưa hàng loạt mơ hình hệ thống ống-chân vịt làm việc có hiệu Nhiều cơng trình cơng bố rộng rãi, tìm thấy tài liệu tham khảo Các ống thí nghiệm Wageningen mang số hiệu sau: 56 Ống mang số từ 2÷11 có tỷ lệ L/Dn = 0,5÷0,83, tn = 0,125 Chân vịt dùng ống chân vịt nhóm B, bốn cánh Ống số 18÷20 làm theo tỷ lệ L/Dn = 0,5, tn = 0,125, dùng chân vịt K.4-55 Từ ống 19 chuyên gia Hà Lan cải biên, thay đổi kích thước hình học đưa chân vịt cánh họ Kaplan vào làm việc Cần nói rõ thêm, cánh họ Kaplan nguyên thủy dùng ngành chế tạo bơm, làm việc với ống 19 cải tiến, tức ống 19A, trở thành cánh chân vịt mà không cần biến đổi nhiều Đặc tính nhóm ống mang tên chung 19A sau: Tỷ lệ chiều dài đường kính 0,5, tỷ lệ t/b = 0,125 Profil mặt cắt ống mang dáng dấp profil cánh máy bay, trình bày bảng Chân vịt dùng thí nghiệm ống 19A gồm chân vịt cánh cánh Ka-3.50, Ka-4.55 Với chân vịt bốn cánh Ka-4.70 thí nghiệm tiến hành toàn diện, thử điều kiện tiến, lùi quay trở tiến hành thí nghiệm làm máy đẩy góc phương vị, phục vụ quay tàu Trong ống 19A tiến hành thí nghiệm chân vịt Kaplan cánh Ka-5.75 chân vịt nhóm B Wageningen B.4.70 Ống số 37 thành công Hà Lan công phát triển kiểu chân vịt ống Trong ống 37 tiến hành lắp đặt chân vịt Ka-4.70 làm đủ việc thí nghiệm với ống 19A Ka-4.70 Các ống mang số từ 30 đến 36 lắp chân vịt Kd-5.100 Profil mặt cắt dọc ống trình bày hình 57 Nozzle No 19A (L/D = 0,5) No 21 (L/D = 0,7) No 22 (L/D = 0,8) No 23 (L/D = 0,9) No 24 (L/D = 1,0) Nozzle No (L/D = 0.67) Nozzle No (L/D = 0,50) Nozzle No (L/D = 0,83) Nozzle No 37 Nozzle No Nozzle No 30 Nozzle No Nozzle No 31 Nozzle No Nozzle No (L/D = 0,50) Nozzle No 10 (L/D = 0,40) Nozzle No 11 (L/D = 0,30) Nozzle No 32 Nozzle No 33 Nozzle No 18 Nozzle No 34 Nozzle No 19 Nozzle No 35 Nozzle No 20 Nozzle No 36 Hình: Các ống thử nghiệm Wageningen Tọa độ mặt cắt dọc ống 19A giới thiệu bảng 6.27, tọa độ ống 37 trình bày bảng 28 Bảng ln = : Ống 19A L t = 0,5; tn = = 0,125; Dn b Cx = 1,35; C y = 1,14 L.E x/L 0,0125 0,025 0,050 0,075 0,100 0,150 0,200 0,250 y1/L 0,1825 0,1466 0,1280 0,1087 0,0800 0,0634 0,0387 0,0217 0,0110 yu/L – 0,2072 0,2107 0,2080 Đường thẳng T.E x/L 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0,95 1,0 y1/L 0,0048 0 0,0029 0,0082 0,0145 0,0186 0,0236 yu/L Đường thẳng 58 0,0363 28 Trình bày hình kiểu máy đẩy sau: chân vịt bước thay đổi, chân vịt đôi (double), quay ngược chiều Nêu phạm vi làm việc chân vịt, điểm trội chúng so với chân vịt cánh cố định Nêu ứng dụng chân vịt a) Chân vịt đôi b) Chân vịt bước thay đổi Đường làm việc chân vịt bước cố định theo chế độ kéo (K) theo chế độ chạy tự (TD) trình bày hình 7.1 Điểm yếu chân vịt bước cố định nằm đây, chân vịt thiết kế theo chế độ kéo K, vận tốc lúc chạy tự nhỏ vận tốc mà chân vịt theo chế độ tạo cho tàu Ngược lại chân vịt thiết kế theo chế độ chạy tự tỏ yếu làm việc chế độ “nặng”, biểu rõ sức kéo móc nhỏ, máy làm việc nặng Nhờ khả thay đổi bước suốt trình khai thác, chân vịt bước thay đổi đạt tất yêu cầu đề cho chế độ kéo chế độ chạy tự do, đường làm việc bao trùm phần tốt hai đường đặc tính riêng lẻ chân vịt cánh cố định, đường BB hình Hình: Đường đặc tính chân vịt 59 Hình 7.3: Hệ trục chân vịt biến nước Sơ đồ nguyên lý điều khiển bước chân vịt bước thay đổi trục giới thiệu hình Hệ thống thường gồm hai chân vịt kích cỡ nhau, đặt sát nhau, quay trục Hai chân vịt hệ thống quay chiều có tên gọi “tandem”, có hiệu suất thấp, dùng trường hợp hạn chế nhằm giảm cường độ va đập cánh lên hệ thống động lực Hệ thống mang nhiều khả tránh sủi bọt nhờ tổng diện tích mặt đĩa lớn Hệ thống hai chân vịt kế nhau, quay ngược chiều cho phép nâng cao hiệu suất chân vịt Lý nâng cao hiệu suất giải thích sau: Khi làm việc chân vịt trước gây đĩa làm việc chân vịt sau lực dọc trục trùng hướng dòng chảy qua chân vịt, tốc độ tiếp tuyến ngược chiều quay vận tốc tên chân vịt sau Chân vịt sau gây nên đĩa làm việc chân vịt trước vận tốc dọc trục trùng với hướng dòng chảy Từ hình vẽ thấy, dòng xoắn sau hệ thống hai chân vịt quay ngược chiều nhỏ dòng tương tự sau chân vịt đơn, điều có nghĩa tổn thất lượng cho việc tạo dòng hơn, hiệu suất sử dụng công suất cao Chân vịt kiểu có hiệu suất cao 10 đến 20% so với hiệu suất chân vịt đơn Hình: Sơ đồ làm việc hai chân vịt đồng trục, quay ngược chiều Trở ngại lớn cho việc sử dụng hệ thống hai chân vịt quay ngược chiều thiết bị truyền động phục vụ cho hai chân vịt quay đồng trục song ngược chiều phức tạp Trong điều kiện nước với khí xác chưa phát triển chế tạo truyền dạng chưa phải vấn đề giải trọn vẹn 60 29 Trình bày phương án thiết kế chân vịt tàu kéo, đẩy Giải thích khái niệm sau: sức kéo tàu chế độ thử ủi bãi (bollard pull), sức kéo tang (tại móc kéo) Hãy cho biết giá trị tỷ lệ (bollard-pull/BHP) từ thống kê tàu kéo Đơn vị đo bollard pull kG, BHP mã lực (HP) Thiết kế chân vịt theo chế độ kéo Chuẩn bị liệu máy tàu, vỏ tàu: - Vận tốc khai thác tàu chế độ kéo - Thông tin cần thiết máy chính: cơng suất định mức BHP, tần suất quay ứng với trường hợp công suất liên tục, lớn máy - Thông tin hệ trục tàu: kiểu hộp số, tỉ số truyền - Các hệ số liên quan đến tác động qua lại vỏ tàu chân vịt - Đường kính chân vịt hạn chế Dmax Từ liệu thu thập chuẩn bị giá trị KQ = 11, 936 PD ρn2 D5 = const dùng đồ thị Papmiel để tính Thơng số cần giải: - Thơng số hình học chân vịt: aE, H/D, ηp Các phép tính phần chuẩn bị - Cơng suất dẫn đến trục chân vịt sau tính đến ảnh hưởng điều kiện môi trường, hiệu suất hộp số, hiệu suất đường trục PD = Cmtηhs ηdt BHP Trong tài liệu hệ số ảnh hưởng môi trường nằm phạm vi Cmt = 1,0 ÷ 0,8 - Tần suất quay chân vịt nước tăng giảm ±2%, theo hướng dẫn chung - Tốc độ tiến thật chân vịt tính theo cơng thức Va = VT (1 – w), tính HL/h - Hệ số Bp Kn Vp = 0,5144Va, tính m/s Bp = 60n PD Va Va Kn'' = Vp Vp n PD Các phép tính thực theo bảng Bảng Dựa vào đồ thị Taylor Ký hiệu công thức B = f1(Bp) D = 0, 305δVa N H = f2 (Bp , δ) D ηp = f3(Bp, δ) T = 75PDηp Dựa vào đồ thị Papmiel Ký hiệu công thức J = f1( K''n ) Đơn vị – m D = – kG T = kG kG 75PDηp – – kG 0, 515Va Te = T(1 – t) Zo = Te – R(VT) 61 m J.n H = f2 (K''n , J) D ηp = f3( K''n , J) – 0, 515Va Te = T(1 – t) Zo = Te – R(VT) Vp Đơn vị – kG kG 30 Trình bày điều thí sinh biết tính sức cản vỏ tàu chạy nhanh (tàu cao tốc) Trình bày thiết bị đẩy tàu thích hợp với tàu cao tốc, hạn chế thiết bị: chân vịt cánh rộng, chân vịt siêu sủi bọt, bơm nước (water jet) Hình : Nguyên lý làm việc hệ thống máy đẩy dạng máy nước Giả sử nước vào hệ thống với lưu tốc V1 khỏi ống xả V2, diện tích miệng ống xả A2 Khối lượng nước qua máy đẩy, nước hệ thống tính biểu thức: m = ρA2V2 () đó: ρ - mật độ nước Động lượng khối nước qua máy đẩy trường hợp ρA2V2(V2 – V1) Lực đẩy suy từ công thức cuối: T = ρA2V2(V2 – V1) () Cơng suất hữu ích T tạo tính tích lực đẩy với vận tốc PT = TVs = mVs(V2 – V1) () Vs vận tốc tàu Để xác định cơng suất cần thiết đưa hệ thống nước vào làm việc cần thiết viết lại công thức lượng học chất lỏng cho dòng đoạn từ miệng vào số hình, miệng số hình Cơng thức Bernoulli áp dụng cho trường hợp có dạng: p1 + ρV12 ρV = p2 + + Δp 2 () đó: Δp - tổn thất áp lực hệ thống Công thức chuyển sang dạng phương trình cột áp sau: p1 V12 p V2 + + H p = + + Δh + htt ρg g ρg g đó: Δh = h1 + h2 biểu thị hình; htt - tổn thất cột áp hệ thống ống Nếu giả thiết p2 = const, cơng thức cuối viết lại sau: 62 () Hb = V22 − V12 + h2 + htt 2g với p1 = p2 + h1ρg () Cơng suất cần để bơm làm việc, tính sau: Pbôm = m[ ( V22 − V12 ) + g( h2 + htt )] () Tỉ lệ công suất đẩy THP công suất cần cấp cho máy đẩy DHP gọi hiệu suất máy đẩy, tính theo cơng thức ηo = Vs ( V2 − V1 ) ( V2 − V12 ) + g( h2 + htt ) () Thiết kế đường dẫn gồm miệng hút, đường ống, thiết bị đỡ Miệng hút vào ống thơng thường có gắn thiết bị bảo vệ nhằm tránh vật có kích thước lớn giới hạn cho phép lọt vào ống sau vào bơm Tấm lưới bảo vệ thưa không làm việc ngăn ngừa vật lạ, ngược lại mắt dày làm giảm hiệu suất sử dụng đến mức khó chấp nhận Profil mặt cắt dọc ống có hình dáng thích hợp cho dòng chảy đó, giúp cho dòng nước qua bánh cơng tác đều, dòng dọc ống khơng bị tổn thất nhiều Trong thực tế gặp ống trụ, tiết diện tròn, tiết diện elip ống có tiết diện thay đổi Hình: Bơm nước tàu cánh ngầm 1- Trục bơm (trục chân vòt) 2- Chi tiết làm kín 3- Bánh công tác 4- Bộ phận nắn dòng 5- Lỗ ống thoát Hình: Bố trí bơm nước 63 Hình: Bơm nước tàu nhỏ 64 ... 15s, Tàu hàng trạng thái chở đủ hàng ÷ 14s, Tàu hàng chế độ dằn ÷ 10s, Tàu cá, tàu kéo ÷ 8s, Tàu chạy sơng 3,5 ÷ 6s 17 (Câu hỏi sau mức độ khó Sinh viên phép sử dụng tài liệu chuẩn bị trả lời) ... trọng tâm tàu wi δxi Góc nghiêng dọc tàu dịch chuyển trọng vật: Ψ = ΔGM L ∑ ẢNH HƯỞNG BỐC DỠ HÀNG HOĂC NHẬN HÀNG LÊN TÀU Bốc dỡ hàng khỏi tàu nhận hàng lên tàu làm thay đổi trọng lượng tàu, mớn... lấy khỏi tàu w khơng lớn 10 ÷ 15% so với lượng chiếm nước D tàu, tính thay đổi vừa đề cập sau: - Trường hợp đưa trọng vật w lên tàu đặt vị trí P đường tâm dọc tàu, vị trí trọng tâm G tàu, cách