Thiết kế hệ trục chân vịt trên tàu kéo cứu hộ CSB – 9002 (3500CV)

Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT MỞ ĐẦU . 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY 2 1.1. GIỚI THIỆU TRANG BỊ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY . 2 1.1.1. Giới thiệu 2 1.1.2. Chức năng . 2 1.1.3. Nguyên lý làm việc . 2 1.2. PHÂN LOẠI HỆ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY . 2 1.2.1. Hệ động lực tuabin hơi 2 1.2.2. Hệ động lực tuabin khí 4 1.2.3. Hệ động lực nguyên tử . 6 1.2.4. Hệ động lực Diesel 7 1.3. CÁC PHƢƠNG ÁN BỐ TRÍ HỆ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY . 9 1.3.1. Năng lượng dùng để đẩy tàu và năng lượng cung cấp các thiết bị phụ tách rời (riêng biệt) nhau 9 1.3.2. Trích công suất của máy chính cho những mục đích không liên quan đến việc đẩy tàu (để dẫn động thiết bị phụ) 9 1.3.3. Hệ thống năng lượng điện chung . 10 1.4. KẾT CẤU CÁC CỤM THIẾT BỊ CHÍNH CỦA HỆ ĐỘNG LỰC 11 1.4.1. Máy chính . 11 1.4.2. Hệ trục 11 2.1.1. Chân vịt . 18 Chƣơng 2. KHẢO SÁT HỆ ĐỘNG LỰC TÀU CSB – 9002 . 20 2.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG TÀU KÉO CỨU HỘ CSB – 9002 . 20 2.1.1. Giới thiệu, chức năng nhiệm vụ tàu kéo cứu hộ CSB – 9002 20 2.1.2. Các thông số cơ bản của tàu kéo cứu hộ CSB – 9002 . 23 Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) 2.2. HỆ ĐỘNG LỰC TÀU KÉO CỨU HỘ CSB – 9002 . 24 2.2.1. Máy chính tàu CSB – 9002 26 2.2.2. Khớp nối đàn hồi . 30 2.2.3. Hộp số thủy tàu CSB – 9002 . 31 2.2.4. Hệ trục chân vịt tàu CSB – 9002 33 Chƣơng 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ TRỤC CSB – 9002 42 3.1. THIẾT LẬP SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU KÉO CỨU HỘ CSB – 9002 . 42 3.2. XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƢỚC SƠ BỘ CỦA HỆ TRỤC CHÂN VỊT . 43 3.2.1. Xác định đường kính trục chân vịt 44 3.2.2. Xác định đường kính trục trung gian 46 3.2.3. Tính kích thước phần côn trục . 47 3.2.4. Tính bích nối và bu lông bích nối trục . 49 3.2.5. Tính kích thước ống bao trục chân vịt . 50 3.3. TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN HỆ TRỤC . 51 3.4. TÍNH KIỂM NGHIỆM SỨC BỀN HỆ TRỤC 56 3.4.1. Tính kiểm nghiệm bền trục trung gian 56 3.4.2. Tính kiểm nghiệm bền trục chân vịt 62 Chƣơng 4. CĂNG TIM ĐỊNH TÂM VÀ LẮP RÁP HỆ TRỤC 65 4.1. CĂNG TIM ĐỊNH TÂM HỆ TRỤC . 65 4.1.1. Mục đích , ý nghĩa căng tim định tâm hệ trục 65 4.1.2. Công tác chuẩn bị và phương pháp căng tim định tâm hệ trục 65 4.2. LẮP RÁP CÁC THÀNH PHẦN HỆ TRỤC . 69 KẾT LUẬN . 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 73 Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT CAT – CATERPILLAR CSB – Cảnh Sát Biển DST – Damen Salvage Tug HĐL – Hệ Động Lực TBNL – Trang Bị Năng Lƣợng LO – Lubrication Oil : Dầu bôi trơn Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) 1 MỞ ĐẦU Việc thiết kế đóng mới một chiếc tàu biển cần rất nhiều thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của nhiều nhà kỹ thuật hàng đầu. Do đó, việc thiết kế, tính nghiệm và tìm hiểu kết cấu, cách bố trí của các hệ thống, trang bị của một con tàu hiện đại cũng là một yêu cầu đối với một kỹ sƣ mới ra trƣờng. Vì vậy, mục đích mà em hƣớng đến trong đề tài này là: + Tìm hiểu các trang bị động lực, các hệ thống và phƣơng pháp bố trí các trang thiết bị, hệ thống đó trên tàu. + Thiết kế và tính nghiệm bền hệ trục cho một chiếc tàu cụ thể. Trong phạm vi đề tài, em trình bày một cách khái quát về các vấn đề liên quan nhƣng chú trọng về việc thiết kế và tính toán kiểm nghệm bền hệ trục. Do những hạn chế về tài liệu cũng nhƣ sự hạn chế về kiến thức cơ bản chuyên nghành tàu thủy nên em chỉ tính toán thiết kế và kiểm bền hệ trục dựa trên tài liệu tàu thủy sẵn có cũng nhƣ qui phạm đóng tàu Việt Nam. Đối với một sinh viên nghành cơ khí động lực việc chọn đề tài “ Thiết kế hệ trục chân vịt trên tàu kéo cứu hộ CSB – 9002 (3500CV) ” có một ý nghĩa nhƣ sau: + Tìm hiểu thêm những kiến thức về một con tàu hiện đại cũng nhƣ những khó khăn trong việc thiết kế đóng mới một con tàu. Tạo nên sự tự tin, sự linh hoạt trong việc tìm kiếm việc làm sau khi ra trƣờng. + Đề tài thể hiện sự kết hợp những kiến thức đã học trong những năm học lại với nhau thành một chỉnh thể. Điều đó chứng tỏ có một sự biến đổi về chất đối với một sinh viên sau nhiều năm học tập. Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) 2 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY 1.1. GIỚI THIỆU TRANG BỊ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY 1.1.1. Giới thiệu Hệ động lực trên tàu thủy là tập hợp các thiết bị gồm: các động cơ chính, động cơ phụ, cơ cấu truyền động, hệ trục và các hệ thống khác nhau, ngoài ra còn có các thiết bị phụ .v.v để thực hiện quá trình biến đổi năng lƣợng hóa học của nhiên liệu thành nhiệt năng, cơ năng hay điện năng nhằm đảm bảo năng lực hoạt động của tàu và đảm bảo các nhu cầu cần thiết khác của hệ động lực. 1.1.2. Chức năng Hệ động lực tàu thủy có chức năng tạo lực đẩy, duy trì tốc độ, điều khiển phƣơng hƣớng chuyển động của tàu và tạo ra các dạng năng lƣợng phụ đảm bảo cho sự hoạt động của tàu, thuyền viên và hàng hóa. 1.1.3. Nguyên lý làm việc Máy chính (động cơ đẩy tàu) sẽ phát ra công suất truyền đến hệ trục bao gồm trục đẩy (nếu có), trục trung gian và trục chân vịt, truyền đến làm quay chân vịt. Chân vịt quay trong nƣớc tạo ra lực đẩy truyền ngƣợc lại hệ trục, từ trục chân vịt, trục trung gian, trục đẩy đến ổ đỡ chặn và cuối cùng truyền đến vỏ tàu làm tàu chuyển động với tốc độ điều khiển. Tổng hợp các thiết bị trên hệ động lực có thể phân chia thành các hệ thống sau: - Trang bị động lực chính. - Trang bị động lực phụ. - Thiết bị đảm bảo an toàn trên tàu. - Thiết bị sinh hoạt. - Thiết bị tàu. 1.2. PHÂN LOẠI HỆ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY Hiện nay, hệ động lực (HĐL) trên tàu đƣợc phân thành các dạng chính nhƣ sau: -Hệ động lực tuabin hơi. -Hệ động lực tuabin khí. -Hệ động lực năng lƣợng nguyên tử. -Hệ động lực dùng động cơ Diesel. 1.2.1. Hệ động lực tuabin hơi Hệ động lực tuabin hơi là HĐL sử dụng động cơ chính là tuabin hơi (là loại động Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) 3 cơ nhiệt đốt ngoài kiểu rôto). Sơ đồ nguyên lý hệ động lực tuabin hơi đơn giản đƣợc thể hiện trên hình 1-1 Hình 1-1: Sơ đồ hệ động lực tuabin hơi. 1. Chân vịt; 2. Hộp số; 3. Tuabin hơi; 4. Nồi hơi; 5. Bơm cấp; 6. Thiết bị ngưng tụ; 7. Mạch nước làm nguội   Nguyên lý hoạt động : Hệ động lực tua bin hơi sử dụng hơi nƣớc làm môi chất trung gian trong đó thế năng của hơi gia nhiệt tiến hành giãn nở sẽ chuyển hóa thế năng thành động năng, sau đó chuyển thành cơ năng làm quay tuabin 3, công suất do tuabin 3 sinh ra truyền qua hộp số 2, hệ trục và làm quay chân vịt 1. Hơi nƣớc sau khi ra khỏi tuabin đƣợc đƣa đến thiết bị ngƣng tụ 6 để biến thành nƣớc, rồi đƣợc bơm cấp 5 cấp trở lại nồi hơi 4, hoàn thành chu trình công tác.  Ƣu điểm: -Tính cân bằng tƣơng đối tốt, không gây xoắn hệ trục. -Suất tiêu hao nhiên liệu thấp. -Tạo đƣợc tổ hợp công suất lớn, có thể đạt trên 100.000 CV và ổn định. -Làm việc với nhiên liệu dầu Mazut rẻ tiền.  Nhƣợc điểm: 1 2 3 4 5 6 7 Hơi gia nhiệt Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) 4 -Hiệu suất thấp (η = 0,17 – 0,23) - Tính cơ động kém, số vòng quay cao (5000-7500 v/ph) -Hệ thống cồng kềnh, giá thành chế tạo đắt. - Khi lắp với máy công tác có yêu cầu tốc độ thấp thƣờng phải truyền động qua hộp số. - Thời gian khởi động lâu, từ 45-60 phút vì phải đốt lò.  Phạm vi sử dụng: Vì công suất của tổ máy hơi nƣớc lớn nên thƣờng đƣợc sử dụng trong các trạm phát điện, cung ứng điện cho một khu dân cƣ rộng lớn hoặc các khu công nghiệp hiện đại. Hệ động lực tuabin hơi cũng đƣợc trang bị trên các tàu viễn dƣơng công suất trên 25.000 CV nhƣ tàu hàng, tàu dầu tải trọng lớn. 1.2.2. Hệ động lực tuabin khí Hệ động lực tuabin khí là HĐL sử dụng động cơ chính là tuabin khí, đốt nhiên liệu đƣợc phun vào buồng cháy, tạo hỗn hợp khí cháy làm quay tuabin.  Sơ đồ nguyên lý hoạt động Hình 1-2 : Sơ đồ hệ động lực tuabin khí. 1. Chân vịt; 2. Hộp số; 3. Bơm phun nhiên liệu; 4. Ống hút không khí; 5. Máy nén khí; 6. Ly hợp; 7. Động cơ điện khởi động; 8. Vòi phun; 9. Buồng đốt; 10. Ống khí xả; 11. Tuabin khí Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) 5  Nguyên lý làm việc (hình 1-2) Động cơ điện 7, máy nén tuabin 5, bơm nhiên liệu chân vịt 3 đƣợc lắp đồng trục với nhau. Khi khởi động cho động cơ điện quay qua khớp nối số truyền động làm máy nén không khí từ áp suất p 0 đến áp suất p k . Đồng thời bơm hút nhiên liệu cũng hoạt động dẫn nhiên liệu vào buồng đốt cùng hỗn hợp không khí p k qua vòi phun 5. Hỗn hợp khí cháy sau khi qua buồng đốt có áp suất,vận tốc lớn làm tuabin quay, lúc này trục đã quay theo số vòng quay của tuabin nên ta ngắt động cơ điện qua khớp nối 3, bây giờ hệ động lực làm việc tuần hoàn qua hộp số ta đƣợc số vòng quay mong muốn của chân vịt.  Ƣu điểm: So với các kiểu TBNL khác, TBNL tuabin khí có các ƣu điểm sau: - Công suất tổ hợp thiết bị lớn - Nguyên lý làm việc đơn giản, độ tin cậy cao (nhờ nguyên tắc tác động quay và sự đơn giản của sơ đồ động) - Vận hành thuận tiện, đơn giản trong việc bảo dƣỡng, có khả năng khởi động nhanh và tính năng tăng tốc cao - Chi phí vận hành thấp - Hiệu suất tƣơng đối lớn [ = (0,32  0.34)]; - Kích thƣớc và khối lƣợng nhỏ, diện tích chiếm chỗ và thể tích buồng máy nhỏ - Có khả năng nghiên cứu hoàn thiện chu trình nhiệt và kết cấu nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí nhiên liệu - Thích nghi tốt với việc tự động hóa và điều khiển từ xa do đơn giản đƣợc việc khởi động và điều khiển.  Nhƣợc điểm: - Công suất giới hạn nhỏ hơn so với thiết bị tuabin hơi. - Vật liệu chế tạo có giá thành cao. - Tính kinh tế tƣơng đối thấp vì nhiệt độ ban đầu của khí cháy bị giới hạn. Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) 6 - Sự phụ thuộc của độ tin cậy và tính kinh tế của thiết bị tuabin khí chu trình hở vào tác dụng ăn mòn của môi trƣờng ngoài - Yêu cầu nghiêm ngặt về chất lƣợng nhiên liệu sử dụng trong thiết bị tuabin khí chu trình hở và chi phí cho nó lớn - Khó thực hiện việc đảo chiều ở các thiết bị cỡ lớn - Phải trang bị thiết bị thay đổi tốc độ (hộp số có kích thƣớc lớn, cồng kềnh) - Kích thƣớc ống không khí và khí cháy lớn nên gây phức tạp cho việc ghép bộ thiết bị tuabin khí trên tàu.  Phạm vi sử dụng : Hệ động lực tuabin khí đƣợc sử dụng trên các tàu cánh ngầm, tàu đệm khí , tàu chuyên dùng và trên các tàu quân sự. 1.2.3. Hệ động lực nguyên tử  Sơ đồ nguyên lý làm việc (hình 1-3) Hình 1-3 : Sơ đồ hệ động lực nguyên tử 1-Vỏ; 2- Thanh kìm hãm phản ứng; 3- Lò phản ứng; 4-Thiết bị trao đổi nhiệt (thiết bị sinh hơi); 5- Tuabin hơi; 6- Hộp số; 7-Chân vịt; 8- Bình ngưng; 9, 10- Bơm; 11- Buồng sinh học  Nguyên lý làm việc: Ban đầu năng lƣợng nhiệt do phản ứng hạt nhân sinh ra là rất lớn, sinh ra hơi nƣớc với áp suất cao, hơi nƣớc đƣợc nén vào trong bộ phát sinh hơi với áp suất rất cao, để đảm bảo an toàn cho bộ phát sinh hơi ngƣời ta sử dụng bộ nén nƣớc nhằm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) 7 giảm đƣợc tai nạn phát nổ cho lò. Nếu áp suất quá cao thì bộ này có nhiệm vụ nén hơi nƣớc thành nƣớc làm cho thể tích và áp suất trong bộ phát sinh hơi giảm xuống.Hơi nƣớc đi ra khỏi bộ phát sinh hơi với áp suất và vận tốc rất lớn đƣợc dẫn đến cánh tuabin trên hệ động lực tàu thủy cả tuabin của hệ động lực chính và hệ động lực phụ đều nhận năng lƣợng hơi nƣớc từ lò phản ứng làm quay trục tuabin và dẫn động hệ động lực. Sau khi đi ra khỏi tuabin hơi nƣớc một phần đƣợc làm ngƣng và đồng thời làm nguội nhờ hệ thống bơm nƣớc lạnh nhằm làm giảm thể tích và áp suất sau đó đƣợc đƣa trờ lại lò bộ phát sinh hơi. Kết thúc một vòng làm việc.  Ƣu điểm: - Năng lƣợng tích trữ trong nguyên tử U 235 rất lớn nên không cần lƣợng dự trữ) - Tàu sử dụng TBNL nguyên tử không hạn chế vùng hoạt động.  Nhƣợc điểm: - Chế tạo, điều khiển cực kỳ phức tạp - Phải có những qui trình đặc biệt để chế tạo, dự trữ nhiên liệu - Ngƣời vận hành cần có trình độ cao.  Phạm vi ứng dụng : Ngày nay, năng lƣợng nguyên tử đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng hải, nhất là lĩnh vực quân sự nhƣ tàu ngầm, tàu sân bay… 1.2.4. Hệ động lực Diesel 1 2 3 4 5 6 7 8 Hình 1-4 : Sơ đồ hệ động lực động cơ Diesel 1.Máy chính; 2.Hộp số; 3. Gối trục trung gian; 4. Trục trung gian ; 5. Trục chân vịt; 6. Gối trục chân vịt; 7. Ống bao trục chân vịt; 8. Chân vịt . 4. Trục trung gian ; 5. Trục chân vịt; 6. Gối trục chân vịt; 7. Ống bao trục chân vịt; 8. Chân vịt Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002. nén. Thiết Kế Hệ Trục Chân Vịt Trên Tàu Kéo Cứu Hộ CSB – 9002 (3500CV) 17  Phanh hệ trục Hình 1- 24 : Phanh hệ trục Phanh làm nhiệm vụ phanh, hãm hệ trục