Bài tập lớn thiết kế đạo lưu định hướng xoay

. GIỚI THIỆU VỀ TÀU KÉO CẢNG, ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY VÀ THÔNG SỐ TÀU THIẾT KẾ............................................................................. 3 1.1. Giới thiệu chung về tàu kéo cảng........................................................................ 3 1.2. Giới thiệu các thiết bị lái tàu thủy....................................................................... 4 1.3. Giới thiệu về đạo lưu định hướng xoay tàu thủy ................................................ 5 1.4. Thông số tàu thiết kế ........................................................................................... 7 Phần II. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA HỆ ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY......................................................................................................... 8 2.1. Tính toán sức cản ................................................................................................ 8 2.2. Phân tích lựa chọn dạng đạo lưu - cánh ổn định................................................. 9 2.3. Hệ số thắt............................................................................................................. 9 2.4. Hệ số dãn............................................................................................................. 9 2.5. Chiều dài của đạo lưu.......................................................................................... 9 2.6. Hệ số cân bằng .................................................................................................... 9 2.7. Bán kính lượn phần mũi và đuôi đạo lưu............................................................ 9 2.8. Kích thước cánh ổn định ..................................................................................... 9 2.9. Xây dựng profin của đọa lưu và cánh ổn định.................................................. 10 Phần III. XÁC ĐỊNH LỰC VÀ MÔMEN THỦY ĐỘNG TRÊN HỆ ĐỌA LƯU - CÁNH ỔN ĐỊNH VÀ TRỤC ĐẠO LƯU............................................................... 12 3.1. Khi tàu chạy tiến ............................................................................................... 12 3.2. Khi tàu chạy lùi ................................................................................................. 15 Phần IV. KẾT CẤU ĐẠO LƯU ............................................................................. 20 4.1. Kết cấu đạo lưu ................................................................................................. 20 4.2. Kết cấu của cánh giữ hướng.............................................................................. 22

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN CƠ KHÍ ~*~ BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY Giảng viên hướng dẫn: PSG.TS Vũ Ngọc Bích Sinh viên thực – Nhóm 4: Trịnh Quốc Hưng 1851070088 Vũ Tuấn Hải 1851070154 Lữ Thanh Cao 1851070139 Lương Đình Bảo 1851070134 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích MỤC LỤC Phần I GIỚI THIỆU VỀ TÀU KÉO CẢNG, ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY VÀ THÔNG SỐ TÀU THIẾT KẾ 1.1 Giới thiệu chung tàu kéo cảng 1.2 Giới thiệu thiết bị lái tàu thủy 1.3 Giới thiệu đạo lưu định hướng xoay tàu thủy 1.4 Thông số tàu thiết kế Phần II XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA HỆ ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY 2.1 Tính tốn sức cản 2.2 Phân tích lựa chọn dạng đạo lưu - cánh ổn định 2.3 Hệ số thắt 2.4 Hệ số dãn 2.5 Chiều dài đạo lưu 2.6 Hệ số cân 2.7 Bán kính lượn phần mũi đạo lưu 2.8 Kích thước cánh ổn định 2.9 Xây dựng profin đọa lưu cánh ổn định 10 Phần III XÁC ĐỊNH LỰC VÀ MÔMEN THỦY ĐỘNG TRÊN HỆ ĐỌA LƯU CÁNH ỔN ĐỊNH VÀ TRỤC ĐẠO LƯU 12 3.1 Khi tàu chạy tiến 12 3.2 Khi tàu chạy lùi 15 Phần IV KẾT CẤU ĐẠO LƯU 20 4.1 Kết cấu đạo lưu 20 4.2 Kết cấu cánh giữ hướng 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 SVTH: Nhóm BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ TÀU KÉO CẢNG, ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY VÀ THÔNG SỐ TÀU THIẾT KẾ 1.1 Giới thiệu chung tàu kéo cảng Tàu kéo cảng (harbour tugs) thuộc nhóm tàu động đúc Đặc trưng nhóm tàu cơng suất máy đủ mạnh song kích cỡ tàu khơng lớn, chiều cao mạn khơ đạt giá trị tối thiểu Khả quay trở tàu kéo cảng cao Tất điều đảm bảo cho tàu an tồn dễ dạng thao tác khoảng không gian chật chội, len lỏi tàu cảng, tàu bến, chướng ngại cảng… Tàu có kích thước nhỏ nên bố trí chung địi hỏi phải chặt chẽ, chi li Hình Tàu kéo cảng gắn ống đạo lưu định hướng xoay Tại khu vực cảng, tàu lai dắt này, phối hợp với hoa tiêu, có mục tiêu đảm bảo an tồn tối đa tránh tai nạn va chạm xảy với cơng trình, đất liền, bãi cạn tàu khác Ở số quốc gia, việc sử dụng tàu kéo cảng trình điều động vào cảng bắt buộc tàu lớn Cụ thể, chức tàu kéo cảng sau: Hỗ trợ tàu thao tác cập cảng dỡ hàng Hỗ trợ tàu đến lượt không gian hạn chế Cung cấp hỗ trợ cần thiết để chống lại lực gió, sóng dòng chảy Giúp ngăn chặn tàu Kéo, đẩy hỗ trợ tàu bị bỏ lại mà khơng có phương tiện đẩy lái SVTH: Nhóm BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích Vận chuyển vật từ nơi đến nơi khác Hộ tống, đề phòng mát nhà chức trách, cho tàu chở hàng nguy hiểm khu vực có nguy cao 1.2 Giới thiệu thiết bị lái tàu thủy Thiết bị lái tàu thủy đảm bảo cho tàu có tính ăn lái, có nghĩa tàu có khả quay vịng tính ổn định hướng Tàu phải đủ lực giữ hướng mà người điều khiển định suốt hành trình, mặt khác có khả quay tàu sang trái, phải thỏa yêu cầu người điều khiển Những thiết bị đảm bảo tính ăn lái làm việc nguyên tắc: Tạo lực ngang tác động lên tàu, bắt tàu quay theo ý muốn điều khiển Các thiết bị thông dụng thiết bị lái thường dùng tàu bao gồm: + Bánh lái tàu (Rudder) + Ống đạo lưu quay (Ducted propeller) + Chân vịt lái (Thruster) 1.2.1 Bánh lái tàu thủy Bánh lái tàu thủy có dạng phẳng dạng dang cánh, mặt cắt ngang biên dạng giống cánh máy bay, đặt sau tàu vùng chịu tác động dòng chảy sau chân vịt tàu thủy Dưới tác động dòng chảy đề cập, bánh lái bị bẻ sang phải sang trái xuất lực thủy động vng góc với mặt bánh lái Bánh lái chia làm nhiều loại, cụ thể sau: + Bánh lái cân (Balanced rudder) + Bánh lái không cân (Umbalanced rudder) + Bánh lái nửa cân (Semibalanced) 1.2.2 Ống đạo lưu quay Trên tàu mớn nước hạn chế hoạt động sông, ven biển tàu thuộc đội tàu kỹ thuật hệ thống ống Đạo lưu – chân vịt quay bánh lái ổn định dòng dùng vào vị trí mà chân vịt bánh lái chiếm chỗ tàu thường gặp Ống đạo lưu quay có dạng gần giống ống trụ, chiều dày ống không chứa lịng chân vịt đồng tâm với Đầu cánh chân vịt gần với thành bên ống, khe hở chúng vào khoảng 0,5% đường kính chân vịt song lớn 10 mm Bánh lái ổn định dịng, có cịn gọi theo tiếng nước ngồi stabilizator, cánh ổn định dịng có hình dạng tương tự bánh lái tàu thủy SVTH: Nhóm 4 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích 1.2.3 Chân vịt lái Chân vịt lái không làm nhiệm vụ đẩy tàu tiến lùi mà giúp vào việc quay trở tàu chí vận tốc tiến tàu 0, có tên gọi tạm dùng chân vịt lái Thuật ngữ chuyên dùng tiếng Anh gọi chung “máy đẩy” Thruster Chân vịt lái thực tế sản xuất sử dụng dạng: Chân vịt đặt hầm nằm ngang, thường hầm đặt trước tàu với số lượng từ đến vài hầm Loại thứ mang tên chân vịt lái góc phương vị, chân vịt ống đạo lưu quay 360°, thường nằm đáy tàu 1.3 Giới thiệu đạo lưu định hướng xoay tàu thủy 1.3.1 Lịch sử đời đạo lưu Trong năm 1920 Bộ Giao Thông Vận Tải Đức thị cho chủ tàu kéo kênh, rạch lớn phải gắn thêm thiết bị bảo vệ xung quanh chân vịt để làm giảm rữa trơi sói mịn đến kênh rạch Nhưng lạ thay tàu di chuyển nhanh lực đẩy cung cấp nhiều Lúc Ludwing Kort người Hanover, nước Đức bắt đầu thử nghiệm với hình dạng kích thước thiết bị bảo vệ chân vịt Kết vào năm 1930 ông Hòa Kỳ cấp sáng chế cho nghiên cứu ông, tên ông đặt cho loại ống đạo lưu mà ngày ta thường gọi ống Kort 1.3.2 Các thông số Ống đạo lưu ống hình trụ, có mặt cắt ngang dạng hình vành khuyên mặt cắt dọc có dạng profil cánh máy bay Một số thơng số hình học ống đạo lưu gồm: SVTH: Nhóm BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích + L: Chiều dài ống, chiều dài tương đối Ln xác định theo công thức: Ln = L/D + C: Độ hở đầu cánh chân vịt mép ống, độ hở tương đối Cn xác định theo công thức: Cn = C/D + t: Chiều dày lớn thành ống, chiều dày tương đối tn xác định theo cơng thức: tn = t/b Trong đó: + D: Đường kính chân vịt + b: Chiều rộng profil + Cx = Ax/A: Tỉ lệ diện tích miệng hút diện tích mặt cắt ngang ống + Cy = Ay/A: Tỉ lệ diện tích miệng xả diện tích mặt cắt ngang ống Các hệ số thường nằm phạm vi sau: Ln = 0,5 – 0,9 Cn = 0,005 – 0,1 tn = 0,11 – 0,14 Cn = 1,15 – 1,5 Cy = 1,0 – 1,5 1.3.3 Các loại ống Có loại ống đạo lưu ống tăng tốc ống giảm tốc: + Với ống tăng tốc, vận tốc khỏi ống hiệu suất chân vịt tăng đáng kể Loại ống thường dùng cho chân vịt chạy nặng tải chân vịt có đường kính giới hạn Ống gọi tên “Kort nozzle” + Với loại ống thứ hai, tốc độ dòng khỏi ống giảm so với dịng vào ống, áp suất tăng nhờ mà giảm trình sâm thực chân vịt Với tên gọi “thiết bị đẩy phản lực” loại ống thường kết hợp với chân vịt cánh cố định + Viện nghiên cứu Hàng Hải Hà Lan đã đưa hàng loạt mơ hình hệ thống ống chân vịt làm việc có hiệu Một số dạng profil dạng cánh máy bay NACA đưa vào thử nghiệm cải tiến thành công NACA 4415 cho đặc trưng tốt + Một dạng ống sử dụng rộng rãi có ưu điểm cải tiến trội ống 19A ống 37 Hai loại ống có mép đẫn dạng bo tròn nên đễ dàng cho chế tạo nâng cao hiệu suất lực đẩy chạy Ban đầu, chân vịt nhóm B SVTH: Nhóm BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích Wageningen sử dụng rộng rãi, sau chân vịt nhóm Kaplan với đầu cánh rộng đưa vào sử dụng 1.3.4 Ưu điểm nhược điểm thiết bị Ống Kort hay chân vịt ống đạo lưu tạo hiệu suất đẩy cao so với chân vịt thông thường tàu hoạt động vận tốc nhỏ, so với đơn vị diện tích cánh chân vịt lực đẩy tao lớn so với chân vịt khơng có ống đạo lưu Các loại tàu kéo đẩy, tàu cá, tàu khách loại áp dụng nhiều thiết bị cho hiệu rỏ nét kinh tế Một ưu điêm thiết bị tăng tính ăn lái giảm q trình hút (nạo vét) đáy tàu hoạt động vùng nước cạn 1.4 Thông số tàu thiết kế - Đề tài thiết kế: Thiết kế “Đạo lưu định hướng xoay cho tàu kéo cảng” - Thông số tàu: Loại tàu : Tàu kéo cảng Chiều dài tàu: L = 20.4 m Chiều rộng tàu: B = 6.2 m Chiều chìm tàu: d=2 m Chiều cao mạn: D = 2.9 m Hệ số béo thể tích: δ = 0.476 Hệ số béo sườn giữa: β = 0.86 Hệ số béo đường nước: α = 0.77 Tàu lắp máy có cơng suất: PS = 2x600 cv SVTH: Nhóm BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích Phần II XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA HỆ ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY 2.1 Tính tốn sức cản: - Từ kích thước tàu cho trên, ta tính lực cản tàu, tìm vận tốc kéo tàu sơ chọn đường kính chân vịt sau: - Với tàu kéo lắp máy 600cv, ta chọn máy có cơng suất PS = 450 KW, số vòng quay n = 500 v/ph - Ta tính lực cản tàu kéo theo cơng thức Taggatar: Chiều dài tàu: L = 73.087 (ft) Tỉ số: L/B = 3.3 B/T = 3.1 Diện tích mặt ướt tàu: W = 222 (m2) Mật độ nước biển: ρ = 104.5 (KGm-4s2) Lượng chiếm nước tàu: V = 125.6 (T) V/(0.01L)3 = 321 Vận tốc tàu: v = 10 hl/h = 5.41 (m/s) 𝑣 Vận tốc tương đương: √𝐿 = 1.17 𝑣 - Sử dụng phương pháo nội suy bậc nhất, từ đồ thị 𝜉𝜋 = 𝜉𝑅 ( , 𝜑), tìm √𝐿 φ = 0.56 giá trị tương ứng sau: 𝜉𝜋 103 = 1.8 𝜉𝜋 103 = 1.4 Từ 𝑉 (0.01𝐿)3 𝑉 (0.01𝐿)3 𝑉 (0.01𝐿)3 = 300 = 350 = 321 ta có 𝜉𝜋 = 1.568.10-3 - Tính tốn hệ số lực cản ma sát: Hệ số lực cản toàn phần: ξT = 3,51.10-3 Lực cản toàn phần võ tàu: RT = ξT.0,5.ρ.W.v2 = 1191,63 KG SVTH: Nhóm BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích 2.2 Phân tích lựa chọn dạng đạo lưu - cánh ổn định: Ta chọn dạng profin đạo lưu №5 dạng profin cánh ổn định NASA 0012 - Đường kính nhỏ đạo lưu: DH = DB + 2∆ = 1.62 (m) Trong : DB – đường kính chân vịt sơ 𝑃 13 √ 𝑠 DB = Chọn 𝑉 √𝑛 = 1.51 (m) DB = 1.6 (m) ∆ = (0.005 ÷ 0.01)DB = ( 0.008 ÷ 0.016 ) Trong trường hợp ∆ ≤ 15 (mm) nên ta chọn ∆ = 0.01 (m) Diện tích làm việc đạo lưu: 2.3 Hệ số thắt αth: FH = 𝜋𝐷𝐻 = 2.06 (m) αth = 1.31 Đường kính cửa vào đạo lưu: Dv = 𝐷𝐻 √𝛼𝑡ℎ = 1.85 (m) 2.4 Hệ số dãn β: β = 1.12 Đường kính cửa đạo lưu: Dr = 𝐷𝐻 √𝛽 = 1.71 (m) 2.5 Chiều dài đạo lưu: lH = 𝑙̅𝐻 𝐷𝐻 = 1.296 (m) Trong đó: 𝑙̅𝐻 = 0.8 – chiều dài tương đối đạo lưu 2.6 Hệ số cân bằng: k = 𝑙𝑡 𝑙 Trong k = 0.44 – hệ số cân đạo lưu có cánh ổn định Khoảng cách từ mép trước đạo lưu đến đường tâm quay lt = l.k = 0.57 (m) 2.7 Bán kính lượn phần mũi đạo lưu: Bán kính lượn phần mũi đạo lưu Rin bán kính lượn phần đạo lưu Rout tính theo cơng thức sau: Rin = 0.03Rt = 0.03(DH/2) = 0.0243 m = 24.3 (mm) Rout = 0.015Rt = 0.015(DH/2) = 0.01215 m = 12.15 (mm) 2.8 Kích thước cánh ổn định: a Chiều rộng cánh ổn định: bc = 𝑏̅𝑐 𝑙𝐻 = 0.776 (m) SVTH: Nhóm BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích Trong đó: 𝑏̅𝑐 = 0.6 – chiều rộng tương đối cánh giữ hướng b Chiều dày lớn profin đạo lưu: t = 𝑡̅ 𝑏𝑐 = 0.093 (m) Trong 𝑡̅ = 0.12 – chiều dày tương đối profin cánh ổn định c Chiều cao cánh ổn định : hc = 1.71 (m) d Diện tích cánh ổn điịnh: Fc = hc.bc = 1.33 (m2) e Vị trí đặt trục đạo lưu: xδ = ̅̅̅ 𝑥𝛿 𝑙𝐻 = 0.57 (m) Trong ̅̅̅ 𝑥𝛿 = 0.44 – vị trí đặt trục tương đối f Khoảng cách từ mặt phẳng đĩa đến mép trước cánh ổn định: Gần ta tính: ac = e + lmũ + 0.5lcủ = 0.522 (m) Trong đó: e = 0.05 ÷ 0.06, chọn e = 0.055 – khoảng cách từ mũ chân vịt đến mép trước cánh ổn định lcủ = 0.25DB = 0.4 (m) – chiều dài củ chân vịt lmũ = 2(lcủ/3) = 0.267 (m) – chiều dài mũi chân vịt 2.9 Xây dựng profin đọa lưu cánh ổn định Bảng tung độ profin đạo lưu: SVTH: Nhóm 10 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích Phần III XÁC ĐỊNH LỰC VÀ MÔMEN THỦY ĐỘNG TRÊN HỆ ĐỌA LƯU - CÁNH ỔN ĐỊNH VÀ TRỤC ĐẠO LƯU 3.1 Khi tàu chạy tiến: 3.1.1 Xác định vận tốc dòng chảy đến đạo lưu: Ve = 0.515Vs(1-w) = 4.5114 (m /s) Trong đó: w = 0,165.δ.√ √𝑉 𝐷𝑐𝑣 Vs = 10 (hl/h) – tốc độ tiến tàu, - ∆w = 0.124 , theo công thức 1.66 1.68 sổ tay thiết bị tàu thủy tập 3.1.2 Xác định hệ số tải chân vịt hệ số tốc độ kích thích chiều trục: Hệ số tải chân vịt: σcv = 𝜎𝐵 1− 𝑡𝐻 = 2.507 Trong : tH = - 0.28– hệ số hút Đạo lưu (tra theo đồ thị 1.27- sổ tay thiết bị tàu thủy tập 1) σB = TK = 𝑇𝐾 𝜌𝑉𝑒2 𝜋.𝐷2 𝐻 𝑅 +𝑍 1−𝑡 = 3.21 = 7035.9 Z = (8÷12)Ps = 5000 (KG); t = 0.12- hệ số hút chân vịt ρ = 104.5 (kg.s2/m4) – mật độ chất lỏng Hệ số tốc độ kích thích chiều trục: a = 0,5 (√1 + 𝜎𝑐𝑣 − 1) = 0.44 3.1.3 Xác định lực thủy động momen thủy động hệ Đạo lưu-cánh ổn định: Lực cản: PxH = 0,5.ρ.CxH.Ve2.SH (KG) Lực dạt: PyH = 0,5.ρ.CyH.Ve2.SH (KG) Lực pháp tuyến: PnH = 0,5.ρ.CnH.Ve2.SH (KG) Lực tiếp tuyến: PtH = 0,5.ρ.CtH.Ve2.SH (KG) SVTH: Nhóm 12 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích Momen xoắn thủy động: MσH = 0,5.ρ.CmH.Ve2.SH.lH (KG) Trong đó: CxH , CyH , CmH tương ứng hệ số lực cản , hệ số lực dạt hệ số momen xoắc thủy động tác dụng lên đạo lưu CnH = CxH.sinαp + CyH.cosαp – hệ số lực pháp tuyến CtH = CxH.cosαp - CyH.sinαp – hệ số lực tiếp tuyến SH = ks.π.Dep.lH = 6.34 (m2) – diện tích bề mặt sử dụng có hiệu đạo lưu ks = 0.9 - hệ số hiệu chỉnh biểu thị % quan hệ bề mặt sử dụng thực tế đạo lưu với bề mặt Dep = 𝐷𝐻 + 𝐷𝑣 + 𝐷𝑟 đạo lưu STT Đại lượng cần tính = 1.73 – đường kính tính tốn trung bình Kết tính theo αp (°) Đơn vị 10 15 20 25 30 35 CxH - -0.25 -0.2 -0.1 0.5 0.3 0.5 0.8 CyH - 0.25 0.43 0.64 0.9 1.13 1.31 1.51 CmH - 0.05 0.09 0.148 0.19 0.168 0.137 0.116 CnH = CxH.sinαp + CyH.cosαp - 0.227 0.389 0.592 1.017 1.151 1.384 1.696 PnH = 0,5.ρ.CnH.(Ve)^2.SH kg 1530.5 2622.7 3991.4 6856.8 7760.2 9331.1 11434.7 MσH = 0,5.ρ.CmH.(Ve)^2.SH.lH kgm 436.9 786.4 1293.2 1660.2 1468.0 1197.1 1013.6 3.1.4 Lực momen thủy động cánh ổn định trục đạo lưu: a Góc dịng chảy tới cánh ổn định: ∆α = αp – αc Trong đó: αc = 57,3.CyH so với phương trục chân vịt 𝐷𝑒𝑝 𝑙𝐻 ̅̅̅̅ 𝐷2 𝛽𝑉 𝐻 – góc nghiêng dòng chảy sau đạo lưu 𝑠 ̅𝑠 = (√1 + 2𝜎𝑐𝑣 + 1) = 1.67 m/s – vận tốc tương đối dòng 𝑉 𝛽 nước chảy từ đạo lưu tàu tiến SVTH: Nhóm 13 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích ̅𝑠 = 8.6 m/s – tàu chạy tiến b Tốc độ dòng chảy tới cánh ổn định: Vc = Vs.𝑉 c Lực momen thủy động tác dụng lên cánh ổn định: Lực cản: PxC = 0,5.ρ.CxC.Vc2.Fc (KG) Lực dạt: PyC = 0,5.ρ.CyC.Vc2.Fc (KG) Lực pháp tuyến: PnC = 0,5.ρ.CnC.Vs2.Fc (KG) Lực tiếp tuyến: PtC = 0,5.ρ.CtC.Vc2.Fc (KG) Momen xoắn thủy động: MσH = PnC(Xpc + ac) Trong đó: CxC , CyC , CmC tương úng hệ số lực cản, hệ số lực dạt hệ số momen xoắn thủy động tác dụng lên cánh, tra từ đồ thị phụ thuộc ∆α CnC = CxC.sin∆α + CyC.cos∆α – hệ số lực pháp tuyến CtC = CxC.cos∆α - CyC.sin∆α – hệ số lực tiếp tuyến Fc = 1.33 m2 – diện tích cánh ổn định Cdc = (CmC/CnC) – hệ số tâm áp XpC = Cdc.bc – hoành độ tâm áp Ta có: 1 𝜋 𝜆𝑐 𝜆0 C1 = ( − CyC = Cy1 SVTH: Nhóm ) = 0.0913 ; CxC = Cx1 + C1.𝐶𝑦2 ; CmC = Cm1 14 BTL – Thiết bị tàu thủy STT Đại lượng cần tính CyH 𝑐 =5 𝐷 𝑙𝐻 𝐷 𝐻 𝐶𝑦𝐻 GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích Kết tính theo αp (°) Đơn vị 10 15 20 25 30 35 - 0.25 0.43 0.64 0.9 1.13 1.31 1.51 độ 3.9 6.7 10.0 14.1 17.7 20.5 23.7 ∆α = αp - αc độ 1.1 3.3 5.0 5.9 7.3 9.5 11.3 Cxc - 0.008 0.017 0.027 0.032 0.04 0.059 0.07 Cyc - 0.08 0.28 0.4 0.453 0.55 0.73 0.887 Cmc - 0.0195 0.067 0.098 0.112 0.135 0.181 0.215 Cnc = Cxc.sin∆α + Cyc.cos∆α - 0.08 0.279 0.393 0.436 0.515 0.662 0.767 Cdc = ( Cmc/Cnc) - 0.244 0.240 0.249 0.257 0.262 0.273 0.280 Xpc = Cdc.bc m 0.189 0.186 0.194 0.199 0.203 0.212 0.218 10 Xpc + ac m 0.711 0.708 0.716 0.721 0.725 0.734 0.740 11 Pnc = 0,5.ρ.Cnc.Vc^2.Fc kg 411.17 1433.97 2019.89 2240.89 2646.93 3402.46 3942.12 12 Mσc = Pnc.(Xpc+ac) kgm 292.41 1015.75 1445.24 1616.45 1920.13 2497.98 2915.29 STT Đại lượng tính Đơn vị Giá trị theo góc bẻ lái 10 15 20 25 30 35 PnH kg 1530.5 2622.7 3991.4 6856.8 7760.2 9331.1 11434.7 MσH kgm 436.9 786.4 1293.2 1660.2 1468 1197.1 1013.6 Pnc kg 411.17 1433.97 2019.89 2240.89 2646.93 3402.46 3942.12 MσC kgm 292.41 1015.75 1445.24 1616.45 1920.13 2497.98 2915.29 Pn = PnH + Pnc kg = 𝑐 + 𝐻 Mσ = 1.3M'σ 1941.67 4056.67 6011.29 9097.69 10407.13 12733.56 15376.82 kgm 729.31 1802.15 2738.44 3276.65 3388.13 3695.08 3928.89 kgm 948.10 2342.80 3559.98 4259.64 4404.57 4803.60 5107.56 3.2 Khi tàu chạy lùi: 3.2.1 Xác định vận tốc dòng chảy đến đạo lưu: Ve = 0.515Vs1 ξ1= 3.97 (m /s) Trong đó: Vs1 = 0.7Vs = (hl/h) – tốc độ tiến tàu, ξ1 = 1.1 – Hệ số ảnh hưởng thân tàu SVTH: Nhóm 15 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích 3.2.2 Xác định hệ số tải chân vịt hệ số tốc độ kích thích chiều trục: Hệ số tải chân vịt: σcv = 𝜎𝐵 1− 𝑡𝐻 = 3.21 Trong đó: tH = - 0.29 – hệ số hút Đạo lưu (tra theo đồ thị 1.27- sổ tay thiết bị tàu thủy tập 1) σB = TK = 𝑇𝐾 𝜌𝑉𝑒2 𝜋.𝐷2 𝐻 𝑅 +𝑍 1−𝑡 = 4.14 = 7035.9 Z = (8÷12)Ps = 5000 (KG); t = 0.12- hệ số hút chân vịt ρ = 104.5 (kg.s2/m4) – mật độ chất lỏng Hệ số tốc độ kích thích chiều trục: a = 0,5 (√1 + 𝜎𝑐𝑣 − 1) = 0.52 3.2.3 Xác định lực thủy động momen thủy động hệ Đạo lưu - cánh ổn định: Lực cản: PxH = 0,5.ρ.CxH.Ve2.SH (KG) Lực dạt: PyH = 0,5.ρ.CyH.Ve2.SH (KG) Lực pháp tuyến: PnH = 0,5.ρ.CnH.Ve2.SH (KG) Lực tiếp tuyến: PtH = 0,5.ρ.CtH.Ve2.SH (KG) Momen xoắn thủy động: MσH = 0,5.ρ.CmH.Ve2.SH.lH (KG) Trong đó: CxH , CyH , CmH tương ứng hệ số lực cản , hệ số lực dạt hệ số momen xoắc thủy động tác dụng lên đạo lưu CnH = CxH.sinαp + CyH.cosαp – hệ số lực pháp tuyến CtH = CxH.cosαp - CyH.sinαp – hệ số lực tiếp tuyến SH = ks.π.Dep.lH = 6.34 (m2) – diện tích bề mặt sử dụng có hiệu đạo lưu ks = 0.9 - hệ số hiệu chỉnh biểu thị % quan hệ bề mặt sử dụng thực tế đạo lưu với bề mặt Dep = lưu SVTH: Nhóm 𝐷𝐻 + 𝐷𝑣 + 𝐷𝑟 = 1.73 – đường kính tính tốn trung bình đạo 16 BTL – Thiết bị tàu thủy STT GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích Đại lượng cần tính Kết tính theo αp (°) Đơn vị 10 15 20 25 30 35 CxH - -0.25 -0.175 -0.02 0.23 0.445 0.65 0.835 CyH - 0.24 0.56 0.82 1.05 1.155 1.2 1.18 CmH - -0.0365 -0.074 -0.105 -0.115 -0.1185 -0.117 -0.115 CnH = CxH.sinαp + CyH.cosαp - 0.217 0.52 0.785 1.065 1.235 1.365 1.445 PnH = 0,5.ρ.CnH.(Ve)^2.SH kg 1463.0 3505.9 5292.6 7180.4 8326.6 9203.0 9742.4 MσH = 0,5.ρ.CmH.(Ve)^2.SH.lH kgm -318.9 -646.6 -917.5 -1004.8 -1035.4 -1022.3 -1004.8 3.2.4 Lực momen thủy động cánh ổn định trục đạo lưu: a Góc dịng chảy tới cánh ổn định: ∆α = αp – αc Trong đó: αc = 57,3.CyH 𝐷𝑒𝑝 𝑙𝐻 ̅̅̅̅ 𝐷2 𝛽𝑉 𝐻 – góc nghiêng dòng chảy sau đạo lưu 𝑠 so với phương trục chân vịt ̅𝑠 = 𝑉 ′ 𝛽𝐻 𝛽𝐻 ( √1 + 2𝜎𝑐𝑣 𝛽 + 1) = 1.903 – vận tốc tương đối dòng nước chảy từ đạo lưu tàu lùi 𝛽𝐻′ = + 0.6(αH – 1) = 1.186 b Tốc độ dòng chảy tới cánh ổn định: ̿̿̿̿̿̿ Vlùi = Velui.𝑉 𝑠𝑙𝑢𝑖 K = 6.97 – tàu chạy lùi c Lực momen thủy động tác dụng lên cánh ổn định: Lực cản: PxC = 0,5.ρ.CxC.Vc2.Fc (KG) Lực dạt: PyC = 0,5.ρ.CyC.Vc2.Fc (KG) Lực pháp tuyến: PnC = 0,5.ρ.CnC.Vs2.Fc (KG) Lực tiếp tuyến: PtC = 0,5.ρ.CtC.Vc2.Fc (KG) Momen xoắn thủy động: MσH = PnC(Xpc + ac) Trong : CxC , CyC , CmC tương úng hệ số lực cản, hệ số lực dạt hệ số momen xoắn thủy động tác dụng lên cánh, tra từ đồ thị phụ thuộc ∆α SVTH: Nhóm 17 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích CnC = CxC.sin∆α + CyC.cos∆α – hệ số lực pháp tuyến CtC = CxC.cos∆α - CyC.sin∆α – hệ số lực tiếp tuyến Fc = 1.33 m2 – diện tích cánh ổn định Cdc = (CmC/CnC) – hệ số tâm áp XpC = Cdc.bc – hoành độ tâm áp 1 𝜋 𝜆𝑐 𝜆0 Ta có: C1 = ( − CyC = Cy1 SVTH: Nhóm ) = 0.0913 ; CxC = Cx1 + C1.Cy2 ; CmC = Cm1 18 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích STT Đại lượng cần tính Đơn vị CyH1 𝑐 =5 𝐷 𝑙𝐻 𝐷 𝐻 12 𝐶𝑦𝐻1 Kết tính theo αp (°) 10 15 20 25 30 35 - 0.24 0.56 0.82 1.05 1.155 1.2 1.18 độ 3.3 7.8 11.4 14.6 16.1 16.7 16.5 ∆α = αp - αc độ 1.7 2.2 3.6 5.4 8.9 13.3 18.5 Cxc - 0.017 0.02 0.022 0.028 0.05 0.081 0.148 Cyc - 0.16 0.19 0.25 0.38 0.65 0.97 1.383 Cmc - 0.03 0.033 0.059 0.09 0.182 0.241 0.352 Cnc = Cxc.sin∆α + Cyc.cos∆α - 0.161 0.191 0.247 0.367 0.61 0.88 1.218 Cdc = ( Cmc/Cnc) - 0.186 0.173 0.239 0.245 0.298 0.274 0.289 Xpc = Cdc.bc m 0.145 0.134 0.185 0.190 0.232 0.213 0.224 10 Xpc + ac m 0.667 0.656 0.707 0.712 0.754 0.735 0.746 11 Pnc = 0,5.ρ.Cnc.Vc^2.Fc kg 543.54 644.82 833.87 1239.00 2059.36 2970.89 4111.98 12 Mσc = Pnc.(Xpc+ac) kgm 362.32 423.05 589.85 882.54 1551.79 2182.17 3068.62 STT Đại lượng tính Đơn vị PnH Giá trị theo góc bẻ lái 10 15 20 25 30 35 kg 1463 3505.9 5292.6 7180.4 8326.6 9203 9742.4 MσH kgm -318.9 -646.6 -917.5 -1004.8 -1035.4 -1022.3 -1004.8 Pnc kg 543.54 644.82 833.87 1239.00 2059.36 2970.89 4111.98 MσC kgm 362.32 423.05 589.85 882.54 1551.79 2182.17 3068.62 Pn = PnH + Pnc kg 2006.54 4150.72 6126.47 8419.40 10385.96 12173.89 13854.38 kgm 681.22 1069.65 1507.35 1887.34 2587.19 3204.47 4073.42 kgm 885.59 1390.54 1959.55 2453.54 3363.35 4165.81 5295.44 = 𝑐 + Mσ = 1.3M'σ SVTH: Nhóm 𝐻 19 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích Phần IV KẾT CẤU ĐẠO LƯU 4.1 Kết cấu đạo lưu 4.1.1 Khoảng cách xương gia cường - Khoảng cách nhỏ xương gia cường tính theo cơng thức quy phạm sau: x = 0,2(L/100) + 0.4 = 0.44 m Với L = 22.27 m chiều dài đường nước thiết kế Vậy ta chọn x = 450 mm - Số xương gia cường dọc: n1 = π.(DH/x) = 12 - Số xương gia cường ngang: n2 = (lđl/x) – = 4.1.2 Chiều dày tơn bao - Phần tơn tồn kết cấu đạo lưu làm thép đóng tàu A36 có σch = 235MPa Chiều dày phần tơn xác định công thức 1.146 sổ tay thiết bị tàu thủy tập trang 106 sau: 𝑆𝑡 = 1,64 𝑥 𝐷𝐻 𝑃 𝑐𝑣 (mm) √[𝜎] Trong đó: - St: Chiều dày vành tơn bao (mm) - x: Khoảng cách nhỏ gân Đạo lưu (mm) - DH: Đường kính nhỏ Đạo lưu (mm) - Pcv: Lực đẩy chân vịt - [σ]: Ứng suất cho phép Lấy (0.35 ÷ 0.5)σch Ta chọn [σ] = 0,4σch = 94 MPa Vậy St = 3,9 mm Ta chọn St = mm - Phần tơn bao cịn lại có chiều dày: St’ = 0.87St = 3.48 mm Vậy ta chon St’ = mm SVTH: Nhóm 20 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích 4.1.3 Chiều dày phần tơn bao ngồi: - Chiều dày phần tơn bao ngồi tính cơng thức 1.148 sổ tay thiết bị tàu thủy tập trang 107: 𝑆𝑛 = 40 𝑥 𝐿+37 = 4.06 mm 𝐿+240 Vậy ta chọn Sn = 4.5 mm 4.1.4 Chiều dày xương gia cường: - Chiều dày xương gia cường dọc ngang tính theo cơng thức sau: Sx = 1,2St’ = 4.8 mm Ta chọn Sx = mm 4.1.5 Kiểm tra ứng suất mặt cắt nguy hiểm: - Áp lực thủy động chiều cao h = d = m p = po + Ɣ.h = 118600 (N/m2) = 0.1186 MPa - Lực pháp tuyến lớn Đạo lưu: Pn = Py = 11434.7 kG hay Pn = 114347 N - Ở đầu Đạo lưu, mặt cắt ngang: 𝜎1 = 14 𝑘1 𝑘2 𝐷𝑛 𝑥2 (𝑇 𝐷𝑛 + 𝑃𝑛 𝑙đ𝑙 ) - Ở đầu Đạo lưu mặt cắt dọc: 𝜎2 = −0,5 𝑘1 𝑘3 𝐷𝑛 𝑃𝑛 (𝑇 𝐷𝑛 + ) 𝑆𝑛 𝑙đ𝑙 - Ở Đạo lưu mặt cắt ngang: 𝜎 = 14 𝑘1 𝑘4 𝐷𝑛 𝑥2 (𝑇 𝐷𝑛 + 𝑃𝑛 𝑙đ𝑙 ) - Ở Đạo lưu mặt cắt dọc: 𝜎2′ = − Trong đó: 𝑘 𝑃𝑛 (𝑇 𝐷𝑛 + ) (𝑘3 + 2𝑘5 ) + 0, 𝜎1 𝑆𝑛 𝑙đ𝑙 - Dn: Đường kính ngồi đạo lưu: Dn = 1850 mm - lđl: Chiều dài đạo lưu : lđl = 1296 mm - T: Chiều chìm tàu (áp suất cột nước) T = 0.1186 MPa SVTH: Nhóm 21 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích - x: Khoảng cách xương gia cường - Các hệ số k2,k4,k5,k6 tra bảng 1.31 sổ tay thiết bị tàu thủy tập trang 108 theo hệ số m tính sau : 𝑚 = 1, 𝐷𝑛 𝑥 √2 𝑆𝑛 𝐷𝑛 = 0.496 - Từ ta có hệ số cụ thể sau: k2 = 8,8672; k4 = 0.178722; k5 = 1,113234; k6 = 1.727662 - Ngồi k1 k3 tính theo công thức sau: 𝑘1 = 𝑘 1+2.𝑘.𝑘6 ; 𝑘3 = 1−𝑘 2𝑘 Trong : k tính theo công thức sau : 𝑘= 1+ 𝑆𝑛 𝑥 Với 𝐴𝑐 = 𝐴𝑐 𝜋(𝐷𝐻 +2𝑡)2 = 2061672.28 mm2 Vậy k = 0.999 => k1 = 0.2244; k3 = 0.001 - Sau tồn vào cơng thức tính tốn ứng suất ta có kết cụ thể sau: σ1 = 78,3 MPa σ2 = -14,19 MPa σ3 = 1.578 MPa σ4 = -128.63 MPa - Rõ ràng tất giá trị ứng suất thỏa mãn điều kiện ứng suất cho phép [σ] = 0,4σch = 94 MPa - Như , việc tính chọn chiều dày tơn tính tốn kết kết cấu Đạo lưu hoàn toàn hợp lý xác 4.2 Kết cấu cánh giữ hướng 4.2.1 Khoảng cách xương gia cường - Khoảng cách xương gia cường đứng xương gia cường ngang tính theo 25.1.6-2 QCVN 21:2010/BGTVT SVTH: Nhóm 22 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích - Khoảng cách xương nằm cánh giữ hướng không nhỏ công thức đây: S1 = 0,2.(L/100) + 0,4 = 0.44 m Ta chọn S1 = 0.45 m - Khoảng cách xương đứng phải 1,5 lần khoảng cách xương nằm cánh giữ hướng : S2 = 1,5S1 = 0.675 m 4.2.2 Số gia cường - Số gia cường ngang: n1 = hc/S = - Số gia cường dọc: n2 = bc – = 4.2.3 Chiều dày tôn bao cánh giữ hướng - Chiều dày tôn bao cánh giữ hướng khơng nhỏ trị số tính theo công thức sau: Theo mục 15.1.6 QCVN 21:2010/BGTVT 𝑡 = 5,5 𝑆 𝛽√(𝑑 + Trong đó: 𝐹𝑅 10−4 𝐴 )𝐾 𝑙 + 2,5 (𝑚𝑚) + Kpl: Hệ số vật liệu tôn bánh lái Kpl = 1,43 𝑆  β : Được tính theo cơng thức 𝛽 = √1,1 − 0,5 ( )2 𝑎  S: Khoảng cách xương nằm xương đứng cánh giữ hướng Lấy giá trị nhỏ (m)  a: Khoảng cách xương nằm xương đứng cánh giữ hướng Lấy giá trị lớn (m)  A: Diện tích cánh giữ hướng A = 1,33 m2  d: Chiều chìm tàu  FR: Được tính cơng thức : FR = 132.K1.K2.K3.A.V2  V: Tốc độ tàu (HL/h)  K1: Được tính cơng thức : K1 = (ʌ+2)/3  K2 = 1,1  K3 = 1,15  ʌ = (h2/At) SVTH: Nhóm 23 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích  h: Chiều cao cánh giữ hướng : h = 1.71 m  At: Diện tích cánh giữ hướng : At = 1.33 m2 - Do ta có FR = 31081,1006 N - Như ta tính t = 10.19 mm Do ta chon t = 11 mm 4.2.4 Chiều dày xương cánh giữ hướng - Chiều dày xương gia cường cánh giữ hướng không nhỏ mm 70% chiều dày tôn cánh giữ hướng, lấy trị số lớn Vậy ta chọn chiều dày xương cánh giữ hướng tx = mm SVTH: Nhóm 24 BTL – Thiết bị tàu thủy SVTH: Nhóm GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích 25 BTL – Thiết bị tàu thủy GVHD: PGS.TS Vũ Ngọc Bích TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] – Trần Cơng Nghị, 2009, Lý thuyết tàu, tập –Sức cản vỏ tàu thiết bị đẩy tàu – Đại học Giao thơng vân tải thành phố Hồ Chí Minh [2] – Trần Cơng Nghị, Nguyễn Vương Chí – Thiết bị tàu – NXB ĐHQG TP HCM – 2011 [3] – Phạm Văn Hội (chủ biên), Phan Vĩnh Trị, Hồ Ngọc Tùng, 1986, Sổ tay thiết bị tàu thủy tập – NXB Giao thông vận tải, Hà Nội [4] – Nguyễn Đức Ân, Nguyễn Bân, Hồ Văn Bình, Hồ Quang Long, Trần Hùng Nam, Trần Cơng Nghị, Dương Đình Ngun, Sổ tay kỹ thuật đóng tàu tập – NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội SVTH: Nhóm 26 ... BTL – Thiết bị tàu thủy