Chọn vùng vòng quay làm việc của trục chân vịt tàu thủy

Bài báo này giới thiệu chọn vùng vòng quay làm việc phù hợp, hiệu quả và an toàn của trục chân vịt tàu thủy trong thiết kế và khai thác hệ thống động lực diesel tàu thủy.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY CHỌN VÙNG VÒNG QUAY LÀM VIỆC CỦA TRỤC CHÂN VỊT TÀU THỦY SELECTION THE SUITABLE SPEED RANGE OF MARINE PROPELLER SHAFT NGUYỄN NGỌC HOÀNG*, NGUYỄN TRÍ MINH Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: hoangnn.mtb@vimaru.edu.vn Tóm tắt Sự phối hợp công tác động chân vịt vấn đề quan trọng trình khai thác Hệ động lực tàu thủy Việc lựa chọn phù hợp tốc độ quay chân vịt cho hiệu suất động chân vịt cao, ngược lại gây cố cho động cơ, chân vịt hệ thống đường trục Vòng quay chân vịt bị giới hạn phạm vi dải tốc độ quay công tác động diesel, phụ thuộc vào chất lượng trình cháy buồng đốt động diesel dải vòng quay thấp giới hạn mô men hay hiệu suất thủy động chân vịt dải vòng quay cao Bài báo giới thiệu chọn vùng vòng quay làm việc phù hợp, hiệu an toàn trục chân vịt tàu thủy thiết kế khai thác hệ thống động lực diesel tàu thủy Từ khóa: Trục chân vịt tàu thủy, động lực diesel tàu thủy hàng hải với quản lý hiệu lượng tàu thủy theo yêu cầu tổ chức hàng hải giới để nâng cao hiệu suất hệ động lực, giảm ô nhiễm môi trường, giảm phát thải carbondioxit, sở nghị định thư Kyoto hướng dẫn thực qui định bắt buộc hiệu lượng tàu thủy theo MARPOL annex VI, có: Chỉ tiêu thiết kế hiệu lượng EEDI (energy efficiency design index) tiêu kế hoạch quản lý hiệu lượng tàu thủy SEEMP (ship energy efficiency management plan) cho tàu thiết kế đóng với mục đích thúc đẩy nâng cao hiệu suất sử dụng, bố trí trang thiết bị máy móc hệ động lực tàu thủy Như với việc nghiên cứu phân tích lựa chọn vùng vịng quay khai thác thiết kế chân vịt tàu thủy theo yêu cầu tương thích với động diesel hiệu suất cơng tác chân vịt, hồn tồn phù hợp với yêu cầu cấp thiết khoa học kỹ thuật hàng hải Abstract Engine - propeller matching is an important work, a right chosen propeller RPM will give high efficiency of engine and propeller, otherwise, may cause some problems for engine, propeller and shaft devices The propeller rotation is limited to the range of the rotational speed of the diesel engine, depending on the quality of the combustion in the diesel engine combustion chamber in the low revolution range and the torque limit of shaft or hydrodynamic efficiency of propeller in the higher RPM range This article instroduces the selecting suitable, efficient and safe speed range of propeller shaft in design and operation of marine diesel propulsion Keywords: Marine propeller shaft, marine diesel propulsion Đặt vấn đề Công nghiệp tàu thủy tiến bước dài phương diện số lượng chất lượng đội tàu, cần đặc biệt trọng phát triển khoa học kỹ thuật 40 Hình Hiệu suất chân vịt, hệ số mơ men lực đẩy theo tỷ số tiến J [3] η0- Hiệu suất chân vịt bể thử mơ hình, chưa tính ảnh hưởng chân vịt làm việc thực tế sau đuôi tàu, KT- Hệ số lực đẩy, KQ- Hệ số mơ men bể thử mơ hình, chưa tính tới ảnh hưởng sau tàu [9] Nội dung 2.1 Phân tích chọn dải vịng quay làm việc động diesel thiết kế Chúng ta biết cơng suất chân vịt có quan hệ bậc ba với vịng quay trục, phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Từ sức cản vỏ tàu, chiều chìm tàu, sóng gió, dịng chảy hay chiều sâu luồng lạch phận hợp thành hệ động lực SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY N cv  K N n , (W) (1) Tương ứng mô men trục: M  K M n , (Nm) (2) Trong đó: KN, KM - Hệ số công suất hệ số mô men trục chân vịt sau tàu; n - Vịng quay trục chân vịt, (v/s) Theo phân tích tốn học đơn tăng vịng quay tăng cơng suất chân vịt mô men Tuy nhiên thực tế khơng phải hồn tồn vậy, liên quan đến hiệu suất chân vịt, hiệu suất chân vịt định nghĩa tỷ số công suất đẩy nước công suất quay học cung cấp cho chân vịt Mặt khác, mô men tổng phát triển dịng nước gây trục xác định theo quan hệ bậc với đường kính chân vịt: M  K M ,cv  D n (3) Trong đó: hiệu suất chân vịt có giá trị tối ưu J nằm khoảng 0,5÷0,9 (Hình 1), vượt khoảng hiệu suất chân vịt giảm Điều có nghĩa vịng quay làm việc chân vịt có giá trị giới hạn hiệu theo tốc độ kích cỡ tàu, từ sở giá trị tối ưu J phụ thuộc theo tốc độ thiết kế chạy tàu Va thông số phụ thuộc chiều chìm tàu đường kính chân vịt, sơ xác định vòng quay làm việc hiệu chân vịt, thực tế tàu cỡ lớn giá trị vòng quay nằm khoảng 60÷260 (v/ph), cịn ngược lại hiệu suất chân vịt nhỏ, 30% Tàu chiến, tàu ưu tiên kích thước động nhỏ, tốc độ cao khơng thể có hiệu suất chân vịt hay tỷ số tiến cao tàu vận tải Ngồi việc chọn vịng quay cịn cần quan tâm đến tình trạng xâm thực chân vịt, tính tới hệ số xâm thực, xâm thực tăng n Va tăng Câu hỏi đặt với dải vòng quay rộng với tàu cụ thể theo lượng chiếm nước chọn nào? Từ phương trình vi phân chuyển động tàu thủy có dạng: 𝑑𝑣(𝑡) 𝑑𝑡 KM,cv - Hệ số mô men theo chân vịt; B D - Đường kính chân vịt, (m); Phương trình (3) gợi ý cho thấy để thử buộc bến có kiểm sốt ‘an tồn’, tránh động diesel đạt đến giới hạn q tải mơ men nhiệt giảm mật độ dịng nước ρ cách khuếch tán bọt khí nén vào dòng nước tới chân vịt So sánh phương trình (2) (3) ta rút hệ số mơ men trục chân vịt có bước cố định là: (4) Dễ thấy KM hay KM,cv tốt D tăng (mặc dù xu hướng cịn bị giới hạn chiều chìm tàu) chúng không tỷ lệ thuận với tỷ số tiến chân vịt ‘advance coefficient’ J, thông số phản ánh hiệu suất chân vịt: J Va n.D (5) Trong đó: Va - Tốc độ tiến chân vịt so với mặt nước, xấp xỉ tốc độ tiến tàu, (m/s); KM hay KM,cv làm giảm ảnh hưởng J Từ (5) thấy có giới hạn vịng quay làm việc trục quay để đảm bảo hiệu suất chân vịt theo ‘advance coefficient’ J, thực tế người ta thấy SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) (6) Trong đó: ρ - Mật độ dòng nước sau chân vịt, (N/m3) KM = KM,cv ρ D5 = Tp-RT B - Khối lượng tồn bộ, liên quan đến dung tích tàu; v - Vận tốc tàu; Tp, RT - Lực đẩy có ích sức cản tồn lên tàu Ta thấy tàu nhỏ, dung tích nhỏ việc gia tốc thay đổi tốc độ tàu theo thay đổi lực phát động Tp-RT tốt, có nghĩa tàu lắp máy vịng quay cao kích thước nhỏ, ngược lại, tàu lớn có dung tích lớn, qn tính lớn (tàu 220.000 tốc độ 10 hải lý/h có trớn ‘stopping distance’ đến 4,5 hải lý), tàu có khả gia tốc tàu hạn chế nên chọn máy có vịng quay thấp nâng cao hiệu suất đẩy chân vịt, điều lý giải có tàu lớn ULCC (Ultra large crude carrier) vòng quay máy 70 (v/ph) mà tốc độ đạt 17 hải lý/h 2.2 Phân tích lựa chọn vùng vòng quay làm việc động diesel Trong mục nhóm tác giả tiến hành phân tích hướng dẫn thực nghiệm chọn vùng vịng quay làm việc phù hợp an tồn hiệu cho động diesel chính, sở đường đặc tính tải máy 6S70MC-C bệ thử, lắp cho tàu hàng rời NSS ENDEAVOR (Hình 2) 41 TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình Các đặc tính cơng tác máy 6S70MC-C bệ thử [6] Công suất thiết kế hoạt động liên tục (M.C.O.) 100% tải 16860kW, vòng quay chân vịt 91 (v/ph) [6] O.O - ‘overload output’ - Là điểm làm việc tiến hành thử tải động số điều kiện làm việc khắc nghiệt (tàu bị mắc cạn, chân vịt bị vướng vật cản, tàu chạy bão, ) Đường - Đường áp suất có ích trung bình định mức100% tải Đường - Đường đặc tính thiết kế chân vịt, đường chọn công suất nhỏ cơng suất chân vịt định mức từ 2,5%÷5,0% để bù cho hàu hà bám chu kỳ lên đà, tương ứng khai thác tàu đầy hàng, thời tiết tốt vỏ tàu không hàu hà Đường - Đường gấp khúc biểu diễn đặc tính giới hạn phụ tải, chế độ giới hạn mô men tải gây tải nhiệt ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY vỏ tàu bị hàu hà thời tiết tốt, vùng giới hạn đường 4, đường đường vùng dư cơng suất 2,5%÷5,0% bù cho hàu hà bám chu kỳ lên đà Khai thác chế độ định mức trung bình C.S.O (Continuous service output) tương ứng 85% cơng suất thiết kế vịng quay khoảng 86,5 (v/ph) chế độ khai thác trung bình thường xuyên, tàu đầy hàng, vỏ tàu bị hàu hà Nhưng tàu chạy ngược sóng, ngược dịng, luồng cạn, đặt vịng quay khai thác 86,5, điểm khai thác C.S.O dịch lên phía gần với đường giới hạn tải nhiệt, cần quan tâm tới mơ men tải vị trí nhiên liệu, qua thơng số phản ánh trực tiếp chất lượng trình cháy động nhiệt độ khí xả, lúc cịn cần quan tâm đến chế độ tăng áp khí nạp tua bin tận dụng nhiệt khí xả đạt đến giới hạn Khi hỏng vài xi lanh, chạy chống cướp khai thác máy đến áp suất có ích trung bình 100% tương ứng 18kG/cm2 (6S70MC), thơng số khai thác khác nhiệt độ khí thải, nhiên liệu lấy tương đương chế độ M.C.O nói thơng số khai thác chủ yếu vịng quay cịn phụ thuộc tình trạng biển tình trạng làm việc cặp tua bin - máy nén khí tăng áp đạt đến giới hạn làm ảnh hưởng ngược lại q trình cháy động Diện tích nằm giới hạn đường 2, đường đường đặc trưng cho chế độ chạy ballast tàu, mặt lý thuyết tải nhẹ khai thác máy vòng quay cao, thực tế khơng phải hồn tồn Chúng ta xem xét chế độ khai thác đồ thị Hình Đường - Đường giới hạn tải, giới hạn gây cho tua bin phá hoại chế độ làm việc bình thường động Diện tích nằm giới hạn đường 4, đường đường vùng khai thác động chế độ đầy hàng Khi tàu chở hàng đường mớn nước, vỏ tàu bị hàu hà, chạy ngược sóng, ngược nước, chạy luồng lạch cạn, chân vịt bị vật cản, hay đặc biệt tàu bị mắc cạn, tùy thuộc theo mức độ khắc nghiệt mà chế độ khai thác máy nằm lân cận đường 6, vịng quay máy khơng đạt định mức 91 (v/ph) máy bị tải mô men, bị tải nhiệt Đường - Đường đặc tính chân vịt định mức chế độ đủ tải - tương ứng khai thác tàu đầy hàng, 42 Hình Phối hợp công tác động với chân vịt Giả sử động khai thác vòng quay định mức xung quanh điểm A, giao đặc tính mơ men u cầu chân vịt - đường I, mô men phát động động - đường đặc tính điều tốc AB SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Khi sóng yên biển lặng, khai thác máy vòng quay định mức khơng có vấn đề gì, chạy vùng có sóng gió cần giảm vịng quay máy theo tình trạng biển để tránh ‘shutdow’ ‘overspeed’ (Bảng 2, với máy 6S60MCC, địa 093, 094 vòng quay overspeed shutdow 101(v/ph)) Trên đồ thị ta thấy sóng trùm lên tàu, lên chân vịt làm chiều chìm tàu tăng lên tức thời, lúc đặc tính yêu cầu chân vịt đến đường II, động giảm vòng quay tương ứng điểm A’do tính tự ổn định, sau điều tốc tác động điều chỉnh tăng nhiên liệu để tăng phục hồi vòng quay định mức tương ứng với công suất yêu cầu B’, động q tải mơ men, q tải nhiệt giới hạn khơng khí cấp buồng đốt Nhưng biết điều tốc cịn có bố trí thiết bị giới hạn lượng nhiên liệu cấp điện tử khí (Bảng 2, với máy 6S60MC-C, giới hạn lượng nhiên liệu cấp lớn điều tốc điện tử địa 099 77,1mm) nên động phát động công suất tương ứng với đường ‘max fuel limiter’, động lúc làm việc chế độ có vịng quay tương ứng với điểm B trở xuống Sóng qua tàu lại trồi lên, chiều chìm tàu tức thời lại giảm, chân vịt trồi lên mặt nước, đường đặc tính yêu cầu chân vịt lại trở đường III, điểm phối hợp công tác lúc B”, vượt đường ‘overspeed’ máy ‘shutdow’ngay khơng có độ trễ, nguy hiểm Vì cần dự liệu tình trạng sóng biển để chọn giá trị đặt vịng quay khai thác máy trường hợp để đảm bảo trường hợp khơng làm vượt tốc động diesel HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 bảo an tồn tàu khơng để xảy tình trạng ‘shutdow’ động ‘over speed’, giới hạn vòng quay đặt cao, gần với yêu cầu tốc độ khai thác tàu (vì động điều khiển cam MC làm việc tải nhỏ kém) thường xa vùng giới hạn làm việc quạt gió phụ tăng áp tốt, để tránh việc tự động bật tắt quạt áp suất hộp khí quét giảm đến giới hạn 0,069MPa mà làm ảnh hưởng đến dịng tải, đến cơng suất máy phát điện, hay tuổi thọ thiết bị Bảng Một số giá trị giới hạn đặt động 6S60MC Nguồn:Manoeuvring system, Mitsui-Man B&W-NSS ENDEAVOR finish plan, 2004 Cũng máy diesel thông thường, động 6S70MC-C cho phép chạy tải công suất 110% sau chu kỳ 12 Bảng Ảnh hưởng sóng biển lên tốc độ động diesel tốc độ tàu NSS ENDEAVOR Hình Phạm vi cơng tác máy lai chân vịt Bảng nhóm Tác giả giới thiệu việc lựa chọn vòng quay làm việc động 6S60MC-C lắp tàu NSS ENDEAVOR, sở thực nghiệm điều chỉnh thống kê ảnh hưởng sóng biển lên tốc độ động khai thác chế độ đầy ballast qua eo biển Cape Hope Nam Phi ba chuyến liên tục Như việc chọn giới hạn cho vòng quay khai thác động diesel trường hợp Bảng hoàn toàn dựa vào thống kê giá trị vịng quay lớn xuất theo tình trạng sóng biển thực tế để đảm SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Trên sơ đồ Hình giới thiệu sơ đồ phân vùng khai thác động diesel theo công suất yêu cầu chân vịt, đường cong công suất yêu cầu chân vịt phụ thuộc theo vòng quay quan hệ bậc ba (phương trình (1)), phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Tình trạng vỏ tàu, tình trạng ngoại biên, hay lực cản từ hệ đường trục khớp nối Đặc tính tiêu thụ cơng suất chân vịt luôn thay đổi trình cơng tác ảnh hưởng nhiều yếu tố như: Tình trạng biển, sức gió, dịng chảy, tình trạng vỏ tàu hay lượng chiếm nước Nói chung, việc tăng tính khốc liệt yếu tố yêu cầu tăng cơng suất chân vịt để trì tốc độ động 43 TẠP CHÍ HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 theo điểm đặt điều tốc Như vậy, đường công suất yêu cầu chân vịt di chuyển bên trái tiến tới đường A, tương ứng với chế độ làm việc động nặng nề so với thiết kế, làm động rơi vào vùng tải mơ men hay q tải nhiệt, thực tế điều phải tính tới sử dụng khai thác động cơ, chọn máy chính, thiết kế hệ thống động lực Một đường cong đường B, nằm bên phải đường công suất thiết kế yêu cầu chân vịt lựa chọn cho phối hợp công tác động chân vịt khai thác, đảm bảo có độ dư an toàn động lai chân vịt, bù cho tình trạng khắc nghiệt biển, hay vấn đề khác chưa tính đến, để đảm bảo hiệu khai thác chu kỳ lên đà Kết luận Như qua thực tế vận hành khai thác hệ động lực tàu thủy, thấy việc chọn vịng quay làm việc cho động điều kiện khác khác nhau: Cần phải tính tới ảnh hưởng sóng gió, dịng hải lưu, vị trí bánh lái, chiều chìm tàu ảnh hưởng hàu hà bám, Dựa kinh nghiệm số liệu khai thác thực tế tàu với phân tích khoa học, báo hướng nghiên cứu lựa chọn tốc độ quay tối ưu động lai chân vịt thiết kế hệ động lực tàu thủy, giúp cho kỹ sư chủ tàu trình thiết kế lựa chọn lắp đặt máy ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xiros N Robust control of diesel ship propulsion, Springer international publisher 2002 [2] Malcolm Latarche, The basics and origins of a ship turbocharger, 9/2017 [3] MS Triantafylou, Propeller & Propulsion-lecture notes, Massachuset Institute Technology, 2004 [4] IMO, documentations [5] Mitsui Engineering & Shipbuilding Co.,LTD, 6S60MC-C, Operation and data, NSS Endeavor Machinary Finish Plans, 2004 [6] NSS ENDEAVOR, Machinary, Finish Plans, 2004 [7] NSU ENDEAVOR, Engine Log Book [8] Mitsui Man B&W 7S50ME-B9, finished plan, June 2015 [9] PGS.TS Nguyễn Huy Hào, Hiệu suất đẩy chân vịt hệ số thực nghiệm xác định hiệu suất đẩy chân vịt, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 42 (4/2015), 2015 [10] PGS.TS Nguyễn Mạnh Thường, Tự động điều khiển hệ động lực tàu thủy, NXB Hàng hải, 2018 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 24/6/2021 02/8/2021 19/8/2021 Cùng với báo đưa hướng dẫn chọn vòng quay khai thác trường hợp cụ thể, rõ ràng hữu ích với ví dụ thực tế khai thác tàu, giúp cho người khai thác nắm bắt kiến thức kỹ cần thiết để sử dụng máy hiệu an tồn q trình khai thác hệ động lực diesel tàu thủy 44 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... chân vịt, sơ xác định vòng quay làm việc hiệu chân vịt, thực tế tàu cỡ lớn giá trị vòng quay nằm khoảng 60÷260 (v/ph), cịn ngược lại hiệu suất chân vịt nhỏ, 30% Tàu chiến, tàu ưu tiên kích thước... 16860kW, vòng quay chân vịt 91 (v/ph) [6] O.O - ‘overload output’ - Là điểm làm việc tiến hành thử tải động số điều kiện làm việc khắc nghiệt (tàu bị mắc cạn, chân vịt bị vướng vật cản, tàu chạy... ứng mô men trục: M  K M n , (Nm) (2) Trong đó: KN, KM - Hệ số cơng suất hệ số mô men trục chân vịt sau đuôi tàu; n - Vòng quay trục chân vịt, (v/s) Theo phân tích tốn học đơn tăng vịng quay tăng