Xây dựng mô hình chức năng hệ động lực chính diesel - vỏ tàu - chân vịt trên tàu biển chở hàng tổng hợp, tại các chế độ khai thác đặc biệt

Bài báo đã xây dựng được đặc tính vỏ tàu, chân vịt trong điều kiện khai thác đặc biệt, gồm: mô hình lực cản vỏ tàu cho trường hợp tàu chạy trong vùng có sóng gió, hoặc qua vùng nước nôn[r]

CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016 KHOA HỌC - KỸ THUẬT

XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỨC NĂNG HỆ ĐỘNG LỰC CHÍNH DIESEL - VỎ TÀU - CHÂN VỊT TRÊN TÀU BIỂN CHỞ HÀNG TỔNG HỢP, TẠI CÁC CHẾ ĐỘ

KHAI THÁC ĐẶC BIỆT

CREATING FUNCTIONAL MODELS OF THE MAIN PROPPULSION PLANT DIESEL - HULL - PROPELLER OF SEA GOING GENERAL CARGO SHIP IN

SPECIAL OPERATING REGIMES

ĐỖ ĐỨC LƯU, LƯƠNG CÔNG NHỚ, TRẦN NGỌC TÚ

Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

Tóm tắt

Bài báo trình bày phương pháp xây dựng đặc tính tổng hợp quan hệ cơng suất máy chính - vịng quay động (chân vịt) tốc độ tàu điều kiện (chế độ) khai thác thực tế tàu sở giải toán thủy động lực học liên quan đến đặc tính vỏ tàu chân vịt điều kiện khai thác đặc biệt Áp dụng tính tàu hàng rời 34000DWT đóng nhà máy đóng tàu Phà Rừng

Từ khóa: Mơ hình chức hệ động lực chính, vỏ tàu - chân vịt - máy tàu biển, điều kiện khai thác đặc biệt

Abstract

This paper presents the method to calculate the universal characteristics of the relationship among main engine power-revolution of the crank-shaft (propeller shaft) -ship speed in the real working conditions (regimes) on the basis of solving hydrodynamics problems, related to the characteristic of ship hull and propeller in special operating condition This method is applied to calculate the 34000 DWT bulk carrier built in Pha Rung shipyard

Keywords: Functional model of the main propulsion plant, marine ship hull-propeller-main engine, special operating condition

1 Đặt vấn đề

Nhóm tác giả báo [1] xây dựng đặc tính tổng hợp liên quan đến hệ động lực diesel tàu biển chở hàng tổng hợp điều kiện khai thác bình thường: tàu chạy vùng có chiều sâu khơng hạn chế, thời tiết lặng gió khơng có sóng, tàu chạy chế độ tồn tải Ở điều kiện khai thác thực tàu, thường xảy tình khai thác khác với tính tốn trên: (a) biển có sóng gió; (b) tàu chạy kênh; (c) tàu chạy vùng nước nông; (d) trọng tải tàu khác với chế độ toàn tải

Ở chế độ khai thác thực tế kể dẫn đến thay đổi đặc tính vỏ tàu (thay đổi lực cản), từ dẫn đến thay đổi mối quan hệ tốc độ, vịng quay cơng suất máy Trong trường hợp dẫn đến chân vịt tiêu thụ nhiều hay cơng suất so với khả phát công suất động (chân vịt nặng

Hình Đăc tính DME MAN 6S 46 MC-C7 [3]

A - 100% điểm công tác định mức; M - điểm công tác có vịng quay định mức, cơng suất định mức (động hoạt động liên tục mà không bị tải); O - điểm tối ưu.; 1 - đường đặc tính chân vịt (PL, Proppeler Line) qua điểm tối ưu; 2 - PL nặng nề; 3 - đường (L) giới hạn theo vận tốc; 4 - L giới hạn vận tốc cực đại; 5 - L giới hạn theo MEP; 6 - PL khi chân vịt, vỏ tàu sạch, sóng yên, biển lặng; 7 - L giới hạn theo công suất cực đại; 8 - L

CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016

tải nhẹ tải diesel), từ dẫn đến vận tốc khai thác tàu khác với vận tốc khai thác chế độ bình thường

Trong khai thác hệ động lực diesel tàu biển lai chân vịt cần quan tâm cho diesel máy (DME) khơng bị q tải nhiệt Để trì điều kiện khai thác an toàn, tin cậy cho DME, nhà chế tạo đưa đặc tính giới hạn phạm vi cơng tác diesel đồ thị cơng suất (PE%) - vịng quay động (nE%) Giá trị % tương đối tỉ số giá trị đo thực tế với giá trị

định mức đại lượng Ví dụ hình xét cho tàu chở hàng 34000 DWT đóng Nhà máy đóng tàu Phà Rừng, sử dụng DME loại MAN 6S 46 MC-C7 [3]

Trên sở đảm bảo mối quan hệ cơng suất - vịng quay DME, tương ứng vòng quay chân vịt (phụ thuộc vào hệ động lực có dùng hộp số hay lai trực tiếp chân vịt định bước, thay đổi bước chân vịt dùng chân vịt biến bước), xác định vòng quay khai thác tương ứng cho chân vịt Với vòng quay chân vịt xác định nP, rpm, cần xây dựng đặc tính

vận tốc tàu - vòng quay chân vịt (V - nP: đó, vận tốc vỏ tàu V, m/s vịng quay chân vịt nP) Thơng

thường vịng quay biểu diễn dạng tương đối nP%

Phần đồ thị đặc tính cơng suất giới hạn DME - nE không thay đổi thay đổi chế độ

công tác (trong trường hợp xét), sở tham chiếu để lựa chọn chế độ khai thác an tồn hợp lý Đặc tính chân vịt (đường PL - hình thay đổi theo chế độ khai thác, tương ứng với đặc tính vỏ tàu chân vịt cần xây dựng: V - nP) Xây dựng tổ hợp đặc tính tổng hợp

PE - nE (nP) - V điều kiện khai thác đặc biệt đối tượng đề cập báo

Đặc tính chân vịt đặc tính V - nP chế độ khai thác bình thường xây dựng

theo hồ sơ thử tàu đường dài Tuy nhiên, chế độ khác đặc biệt cần có phương pháp tính để dự báo đặc tính đó.Tác giả báo [3, 4] dự báo đặc tính sức cản vỏ tàu, mô men tiêu thụ chân vịt thay đổi điều kiện tải (mớn nước) trạng thái kỹ thuật (độ nhám) vỏ tàu, chân vịt phương pháp hệ số ảnh hưởng Các hệ số xác định theo số liệu thống kê thực nghiệm

Các tác giả cơng trình [1, 2] đưa kết mơ hình hóa đặc tính giới hạn đặc tính chân vịt chế độ khai thác bình thường, thu từ hồ sơ kỹ thuật nhà chế tạo đưa xử lý thống kê hồi quy Đặc tính V - nP xây dựng phương pháp giải tích

phương pháp thống kê hồi quy.Tuy nhiên, cơng trình chưa đề cập rõ sở lựa chọn phương pháp tính tốn lực cản tàu trường hợp khai thác đặc biệt (tàu chạy sóng; ảnh hưởng độ sâu nước, hạn chế kích thước kênh đến lực cản vỏ tàu) Đó điểm khác biệt giải báo

2 Mơ hình lực cản vỏ tàu điều kiện khai thác đặc biệt 2.1 Ảnh hưởng sóng, gió đến lực cản vỏ tàu

Ảnh hưởng sóng: Khi tàu khai thác điều kiện sóng gió, lực cản vỏ tàu tăng lên 15 đến 30% so với lực cản tàu nước tĩnh [6] Mức tăng lực cản vỏ tàu phụ thuộc vào chiều cao sóng, phương truyền sóng so với phương chuyển động tàu tốc độ tương đối tàu

Hiện có nhiều phương pháp xác định lực cản bổ sung tàu sóng Tuy nhiên ta chia chúng thành hai nhóm phương pháp: lý thuyết thực nghiệm

Nhóm phương pháp lý thuyết Lực cản trung bình bổ sung (RAW) tàu sóng

xây dựng sở tính thơng số động học thủy động dao động dọc tàu sóng tới, tác giả nghiên cứu: Gerritsma J Bekelman W., Haskida M., Sizova V., [6, 7]

Nhóm phương pháp thực nghiệm Lực cản trung bình bổ sung tàu sóng xây dựng sở xử lý số liệu thử hệ thống serri mơ hình, tác giả đề xuất Voznesenski A.và FirsovG., Tkachev V.và SpakovV [12]; A.Jinkin V Ferdinade[13], Moor D Murday D [9], Miumoto M [8]

Các tác giả đề xuất công thức khác tính lực cản bổ sung RAW Các công thức

khác mang lại kết tính giống áp dụng vào tính tốn cho tàu cụ thể [9] Chính vậy, báo nhóm tác giả đề xuất sử dụng phương pháp tính đơn giản có thơng số đầu vào - phương pháp Moor Murday đề xuất [9] Đối tượng áp dụng để tính tốn tàu hàng rời 34000DWT đóng nhà máy đóng tàu Phà Rừng

Ảnh hưởng gió: Lực cản bổ sung gió RWAA phụ thuộc vào phương chuyển động

gió so với phương chuyển động tàu, tốc độ gió, diện tích hình chiếu phần mặt nước tàu lên mặt phẳng sườn Công thức xác định thành phần lực cản trình bày cụ thể tài liệu [11] Như vậy, lực cản toàn tàu điều kiện có sóng, gió xác định:

,

s AW WAA

CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016

Trong đó: R - lực cản tàu điều kiện khai thác thông thường, phương pháp

xác định R trình bày báo [1]; RAW, RWAA - lực cản bổ sung tàu

sóng gió, trình bày báo [2]

2.2 Ảnh hưởng độ sâu (nước cạn) đến lực cản vỏ tàu

Nhiều nghiên cứu ra, tàu khai thác vùng nước có độ sâu hạn chế, lực cản vỏ tàu tăng lên Khi FrK 0, 3(FrKV ghvới h độ sâu nước [m], V vận tốc tàu [m/s],

g gia tốc trọng trường [m/s2]) ta quan sát thấy rõ nét ảnh hưởng chiều sâu luồng

đến lực cản tàu [13] (xem hình 2)

Lực cản bổ sung tàu chạy vùng nước nông

h

R

 hàm số dạng:

 Rh f v T h L B T C( , / , , , , B),kN (2) Trong đó: L, B, T, CB - chiều dài, chiều

rộng, chiều chìm (m) hệ số béo tàu (không thứ nguyên); v - vận tốc tàu (m/s); h - độ sâu nước (m); Công thức xác định Rh nhóm tác giả trình bày

bài báo [2]

2.3 Lực cản bổ sung tàu chuyển động kênh Khi tàu chuyển động kênh, điều kiện luồng lạch hạn chế chiều rộng chiều sâu, nên tàu kênh xuất tương hỗ định Sự tương hỗ có ảnh hưởng đến lực cản nước đến chuyển động tàu (xem hình 2), cụ thể làm cho thành phần lực cản ma sát thành phần lực cản dư tàu tăng lên Từ làm tăng lực cản vỏ tàu lên lượng RK so với tàu chuyển động chế độ khai thác thông thường Mức tăngRK phụ thuộc vào thông số sau:

w

( , / K, , B, , , , B, M), K

R v T h B B L B T C C

  kN (3)

Trong đó: L, B, T, CB, CM - lần lượt chiều dài, chiều rộng, chiều chìm (m) hệ số béo

tàu (không thứ nguyên); v - vận tốc tàu (m/s), BW - chiều rộng mặt nước kênh (m); BB - chiều rộng đáy kênh (m); hK - độ sâu kênh (m) Công thức cụ thể việc xác định RKđã

nhóm tác giả trình bày báo [2].

2.4 Sự thay đổi lực cản có thay đổi trọng tải tàu

Trong trình khai thác, trọng tải tàu thay đổi thay đổi lượng nhiên liệu dự trữ, khối lượng hàng mà tàu chuyên chở… Từ dẫn đến thay đổi chiều chìm tàu cuối thay đổi lực cản tàu Để đánh giá lực cản tàu có thay đổi chiều chìm ta sử dụng cơng thức sau [11]:

i i

R k R, kN (4)

Trong hệ số ki được xác định theo công thức sau:

0,5

0,5

2 0,5

0, 789 0, 270[( ) 1] 0,529

10

1 [( ) 1] 2, 336 1, 439[( ) 1] 4, 065

10

2, 056 1, 485[( ) 1] 3, 798

10

R B

i R R B

R B

L

T C

T

V L

k T T C

T L V L T C T L                                                                      (5)

Trong đó: Ri lực cản tàu tương ứng với trạng thái tải trọng bất kỳ; R - lực cản tàu trạng thái khai thác thơng thường tương ứng với trạng thái tải trọng tồn tải tàu, xác

Hình Ảnh hưởng độ sâu nước đến lực cản vỏ tàu

1 - tàu chạy vùng có chiều sâu khơng hạn chế; - tàu chạy vùng

CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016

định báo [1]; TR = Ti/T - tỷ số chiều chìm trung bình Tiở trạng thái tải trọng i và chiều chìm trung bình trạng thái tải trọng toàn tải T; ki - hệ số

3 Đặc tính chân vịt

Tính tốn thơng số liên quan đến chân vịt tàu khai thác chế độ đặc biệt khơng có khác biệt so với việc tính tốn chế độ khai thác thông thường Sự khác thông số đầu vào, cụ thể lực cản tàu chế độ khai thác khác Mơ hình tốn tính đặc tính chân vịt chế độ khai thác thơng thường trình bày [1]

4 Thuật toán xác định mối quan hệ tốc độ tàu - vịng quay - cơng suất máy

Thuật giải xây dựng đặc tính tổng hợp xác định mối quan hệ tốc độ tàu - vịng quay động - cơng suất máy gồm bước (giống bước trường hợp tàu hoạt động chế độ bình thường [1])

Bước 1.Nhập thông số đầu vào: thông số hình học vỏ tàu chân vịt; cấp sóng gió; độ sâu nước, thơng số hình học kênh mà tàu qua; chế độ vận tốc giả định tàu

Bước 2.Xác định lực cản vỏ tàu chế độ khai thác (giả định) dải tốc độ khác

Bước 3.Tính tốn đại lượng wt, t, 1/iQ, ηs và ηtrd.

Bước 4.Xây dựng đồ thị biểu thị mối quan hệ thông số: công suất tiêu thụ chân vịt PP, kW - vòng quay chân vịt (động cơ, nP, rpm) với tốc độ tàu V, m/s (knots) sở bảng liệu

tính tốn thu cho chế độ khai thác cụ thể 5 Ví dụ áp dụng

Áp dụng sở lý thuyết nêu vào tính cho tàu chở hàng rời 34000 DWT đóng Nhà máy đóng tàu Phà Rừng [5]

Các thông số đầu vào tàu: L(m) = 179.95; Lpp (m) = 176,75; B (m)= 30; TF (m)= 9,75;

TA(m)= 9,75; T (m)=9,75; CB = 0,8137; CWP = 0,9606; CM = 0,995; XB (m)= 3,849; ABT (m2) = 14,85;

hB (m) = 5,85; Cstern = -22; DP (m)= 5,6; Z = 4; Zp = 1; P/D = 0,73; AE/AO = 0,85

Ví dụ tính triển khai chế độ:

5.1.Tàu chạy sóng với cấp độ khác Kết thể hình (đặc tính R-V) hình (đặc tính V - n - P)

5.2.Tàu chạy vùng nước có độ sâu khác Kết thu thể hình (đặc tính R-V) hình (đặc tính V - n - P)

5.3.Tàu chạy kênh có kích thước thay đổi Kết thể hình (đặc tính R-V) hình (đặc tính V - n - P)

5.4.Tàu chạy biểnvới chiều chìm thay đổi Kết thể hình (đặc tính R-V) hình 10 (đặc tính V - n - P)

Hình Quan hệ tốc độ lực cản vỏ tàu các cấp sóng khác (hướng truyền sóng

ngược với hướng chuyến động tàu)

CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016

Hình Quan hệ tốc độ lực cản vỏ tàu tàu chạy kênh có độ sâu khác

chiều rộng kênh 100 m

Hình Quan hệ tốc độ lực cản vỏ tàu tại chiều chìm khác

Hình Quan hệ tốc độ - vịng quay - cơng suất máy ở cấp sóng khác

Hình Quan hệ tốc độ - vịng quay - cơng suất máy tàu chạy vùng nước với độ sâu

khác

Hình Quan hệ tốc độ - vịng quay - cơng suất máy tàu chạy kênh có độ sâu khác

nhau chiều rộng kênh 100 m

CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2016

Đánh giá kết thu được: Kết tính tốn mối quan hệ tốc độ, lực cản vỏ tàu điều kiện khai thác đặc biệt phản ảnh chất mối quan hệ máy - vỏ tàu - chân vịt theo điều kiện khai thác tàu Chân vịt tàu bị nặng tải tàu không đạt tốc độ thiết kế tàu chạy sóng, kênh vùng nước nông Trong trường hợp này, mức độ nặng tải chân vịt mức giảm tốc độ tàu phụ thuộc vào cường độ sóng, chiều sâu độ rộng kênh Khi tàu khai thác chế độ khác toàn tải, chân vịt tàu nhẹ tải tàu đạt tốc độ lớn so với tốc độ thiết kế

Đánh giá độ tin cậy kết thu được: Theo [5] có kết thử tàu chế độ ballast, nên nhóm tác giả so sánh kết tính tốn thu với giá trị thực tế tàu chế độ Khi tàu chạy chế độ ballast, vận tốc 15.05 knots, vòng quay chân vịt tính tốn 120 v/p (rpm) công suất máy cần thiết 5420 kW Theo hồ sơ tàu 34000 DWT, tàu chạy tốc độ 15.05 knots với công suất máy đo 5660 kW với vịng quay 120 v/p, sai số cơng suất tính tốn theo mơ hình nhóm tác giả nêu với thực tế tàu 4.25%, độ xác hồn tồn chấp nhận quy luật biến thiên đại lượng - hoàn toàn phù hợp

6 Kết luận

Bài báo xây dựng đặc tính vỏ tàu, chân vịt điều kiện khai thác đặc biệt, gồm: mô hình lực cản vỏ tàu cho trường hợp tàu chạy vùng có sóng gió, qua vùng nước nơng, qua kênh tàu làm việc chế độ mớn nước (chiều chìm) tàu thay đổi; mơ hình mối quan hệ vận tốc tàu - vòng quay chân vịt - cơng suất máy Kết áp dụng tính cho tàu chở hàng rời 34000 DWT khẳng định độ tin cậy mơ hình đưa

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lương Công Nhớ, Đỗ Đức Lưu, Trần Ngọc Tú (2016) Mơ hình hóa đặc tính vỏ tàu, chân vịt

tàu biển chở hàng tổng hợp điều kiện khai thác thơng thường Tạp chí KHCNHH số 46 -03/2016 Trang -

[2] Đỗ Đức Lưu, Lương Công Nhớ, Trần Ngọc Tú (2016).Modelling reasonable operation regimes of the main propulsion plant main diesel engine - propeller - hull on the general cargo ship Kỷ

yếu Hội nghị thường niên lần thứ 17 Hiệp hội trường Đại học Hàng hải Quốc tế (IAMU 17th AGA 2016.) tổ chức Đại học Hàng hải Việt nam, 26 - 28 tháng 10 năm 2016

[3] Đỗ Đức Lưu (2005).Dự báo đặc tính hệ động lực diesel tàu thủy thay đổi trạng thái kỹ thuật vỏ tàu, chân vịt. Tạp chí Giao thông Vận tải

[4] Đỗ Đức Lưu (2005).Dự báo điểm phối hợp công tác hệ động lực diesel tàu thủy thay đổi mớn nước.Tạp chí Giao thơng vận tải

[5] Nhà máy đóng tàu Phà Rừng Hồ sơ tàu 34000 DWT

[6] F Peґ rez Arribas Some methods to obtain the added resistance of a ship advancing in waves.Science Direct.Ocean Engineering 34 (2007) 946.955

[7] Gerritsma J., Kekelman W Anlysis oft he Resistance increase in waves of a fast cargo ship International shipbuilding progress 1972, vol 19, N 217, p 285

[8] Miyumoto M On the approximate calculation of thrust increase in inregular head wave - JKSNA, 1963 Vol.8, p 67 - 102

[9] Moor D., Murday D Motions and propulsion of single screw modeles in head seas RINA, 1970 Vol 110 N4, p 403 - 446

[10] Aertssen G Service performance and Trails at seas report of 12th ITTC - Performance Committee Rome 1969

[11] Molland, Anthony F Ship resistance and propulsion - Practical estimation of ship propulsive power.

[12] Под ред Я.И Войткунского Справочник по теории корабля: В трех томах Том Гидромеханика Сопротивление движению судов Судовые движители (1985) Л.: Судостроение - 768 с

[13] Жинкин В.Б Теория и устройство корябля: учебник 4-ое изд Исправленное и дополненное (2010) - СПб: Судостроение - 408 с

[14].В.Ф Бавин, В.И Зайков и др.; Под ред В.Г Павленко.Ходкость и управляемость судов (1991) Учебник для вузов/ - М.: Транспорт 1991 397 с