7. Bố cục của luận ỏn
1.3.3. Một số giải phỏp nõng cao hiệu suất chõn vịt
Như chỳng ta đó biết chõn vịt tàu thuỷ là thiết bị đẩy thụng dụng chiếm đến 90% thiết bị đẩy trang bị trờn tàu dịch vụ, nú hoạt động theo nguyờn lý mỏy cỏnh dẫn hướng trục biến đổi năng lượng của động cơ thành động năng của dũng chất lỏng và sự chờnh lệch ỏp suất giữa mặt hỳt và mặt đẩy của chõn vịt. Cụng suất động cơ dựng để dẫn động chõn vịt rất phong phỳ từ vài kW cho đến hàng nghỡn kW, do đú đối với cỏc tàu lớn chỉ cần nõng cao hiệu suất của chõn vịt 1% chỳng ta cũng tiết kiệm được khỏ lớn lượng nhiờn liệu tiờu thụ trong một chuyến đi. Như vậy nõng cao hiệu suất hệ thống đẩy núi chung và chõn vịt tàu thuỷ núi riờng trở thành vấn đề mang tớnh thời sự. Cỏc nghiờn cứu nhằm nõng cao hiệu suất chõn vịt chủ yếu tập trung vào cỏc hướng như sau.
1.3.3.1. Nõng cao hiệu suất chõn vịt bằng hệ thống cỏnh cứng trờn bầu
Chõn vịt loại này cải thiện được khoảng 4-5% hiệu suất so với chõn vịt thụng thường do chỳng cú khả năng hấp thụ năng lượng của dũng xoỏy sau chõn vịt và loại bỏ vựng ỏp suất thấp phớa sau bầu của chõn vịt. Lực đẩy của chõn vịt loại này tăng lờn do sự biến mất của vựng ỏp suất thấp phớa sau bầu chõn vịt, momen tổng tỏc dụng lờn trục giảm do momen tỏc động lờn cỏc cỏnh phụ ngược chiều với mụ men tạo ra trờn cỏnh chõn vịt. Kết cấu của chõn vịt loại này khỏ đơn giản gồm cú một số tấm phẳng lắp trờn bầu của chõn vịt cú bước cố định và quay cựng với chõn vịt Hỡnh 1.6. Tuy nhiờn hệ thống chõn vịt loại này lại khụng cơ động trong quỏ trỡnh vận hành do bước của chõn vịt khụng đổi, khụng phự hợp với tàu cú nhiều chế độ khai thỏc như tàu lai dắt, tàu cỏ, tàu kộo [72-74].
11
Hình 1.6. Nõng cao hiệu suất chõn vịt hệ thống chõn vịt PBCF
1.3.3.2. Nõng cao hiệu suất chõn vịt bằng hệ thống chõn vịt ‘Podded CRP- Azipod propeller’
Hệ thống chõn vịt CRP-Azipod propeller là hệ thống đẩy bao gồm hai chõn vịt được lắp đồng trục, khụng cú liờn kết với nhau về mặt vật lý Hỡnh 1.7. Nguyờn lý làm việc của chõn vịt loại này tương tự như hệ thống chõn vịt ‘Contrarotating propeller’. Trong hệ thống này 75% cụng suất nằm trờn chõn vịt chớnh cũn 25% cụng suất nằm trờn chõn vịt phụ ‘Pod propeller’, những tàu cú cụng suất lớn dựng hệ thống chõn vịt loại này cú thể nõng cao hiệu suất tới 10% so với tàu dựng 1 hệ thống một chõn vịt và bỏnh lỏi. Ngoài ra hệ thống chõn vịt loại này cũn cú ưu điểm là tăng khả năng quay trở của tàu, đối với hệ thống chõn vịt này tàu khụng cần trang bị thờm bỏnh lỏi. Động cơ chớnh của tàu sử dụng loại chõn vịt này nhỏ hơn động cơ trang bị cho tàu cú lắp chõn vịt thụng thường. Nhược điểm của hệ thống này là chi phớ đầu tư ban đầu lớn, quy trỡnh tớnh toỏn thiết kế phức tạp hơn so với chõn vịt cú bước cố định và chỉ phự hợp với tàu cú cụng suất lớn [13, 75]
12
1.3.3.3. Nõng cao hiệu suất chõn vịt bằng cỏch sử dụng hệ thống chõn vịt ‘Contrarotating propeller’
Hình 1.8. Hệ thống chõn vịt Contra-Rotating propellers
Contra-Rotating propellers là hệ thống chõn vịt gồm hai chõn vịt lắp ngược chiều nhau trờn cựng một trục Hỡnh 1.8. Chiều quay của hai chõn vịt cũng ngược nhau, bước của chõn vịt và tải trọng tỏc động lờn chõn vịt được thiết kế sao cho cỏc xoỏy tạo ra do vựng ỏp suất thấp phớa sau chõn vịt bằng 0. Đường kớnh của chõn vịt phớa trước thường lớn hơn một chỳt so với chõn vịt phớa sau, để triệt tiờu vựng ỏp suất thấp do chõn vịt phớa trước gõy nờn và trỏnh tương tỏc với xoỏy đỉnh cỏnh của chõn vịt trước, chõn vịt trong hệ thống này cú thể là chõn vịt cú bước cố định hoặc chõn vịt biến bước, chỳng cú thể dựng với bỏnh lỏi cú thiết kế đặc biệt Hỡnh 1.8 để nõng cao hiệu suất của hệ thống đẩy. Hệ thống chõn vịt loại này cú nhược điểm là kết cấu trục, chương trỡnh điều khiển phức tạp, chi phớ chế tạo cao và khú bảo trỡ bảo dưỡng, và chỉ phự hợp với cỏc tàu hiện đại cú cụng suất lớn [13, 76-79].
Tuy nhiờn hệ thống chõn vịt loại này cú ưu điểm nổi bật là cú khả năng loại bỏ sự mất cõn bằng mụ men tỏc động lờn hệ thống đẩy của tàu giỳp tàu chuyển động ờm hơn khi vận hành điều này đặc biệt cú ý nghĩa với cỏc thiết bị như tàu ngầm, ngư lụi. Ngoài ra hiệu suất của thiết bị đẩy này cao hơn hệ thống chõn vịt cú bước cố định cú cựng cụng suất 6- 16% [12, 13, 57, 80].
1.3.3.4. Nõng cao hiệu suất chõn vịt bằng cỏch lắp thờm cỏnh hướng trờn đuụi tàu trước chõn vịt
Hệ thống chõn vịt loại này gồm cú hệ thống cỏnh hướng cú dạng profile khớ động được lắp trờn đuụi tàu phớa trước chõn vịt với mục đớch làm suụn dũng chảy sau khi tương tỏc với thõn tàu trước khi vào chõn vịt từ đú nõng cao được hiệu suất của chõn vịt, cấu tạo của hệ thống chõn vịt loại này Hỡnh 1.9. Chõn vịt cú trang bị hệ thống cỏnh hướng này sẽ cải thiện được khoảng 5% hiệu suất so với chõn vịt cú bước cố định. Hệ thống chõn vịt loại này cú kết cấu tương đối đơn giản, nhưng phức
13 tạp trong tớnh toỏn thiết kế biờn dạng của cỏnh hướng, nú phải phự hợp với tuyến hỡnh của tàu và xột đến sự ảnh hưởng của thõn tàu đến dũng chảy khi đi vào cỏnh hướng. Hơn nữa là hệ thống này khụng cải thiện được khả năng điều động của tàu khụng cú khả năng tăng vận tốc khai thỏc khi mỏy chớnh thừa cụng suất [81]
Hình 1.9. Hệ thống cỏnh hướng lắp trờn đuụi tàu
1.3.3.5. Nõng cao hiệu suất chõn vịt bằng ống đạo lưu
Hình 1.10. Chõn vịt trong ống đạo lưu
Chõn vịt trong ống đạo lưu là hệ thống đẩy gồm một chõn vịt được lắp trong ống đạo lưu hỡnh vành khuyờn, cấu tạo của hệ thống chõn vịt - đạo lưu Hỡnh 1.10. Mặt cắt dọc của ống đạo lưu cú dạng profile khớ động chỳng cú thể dựng để tăng tốc hoặc giảm tốc tuỳ theo đặc tớnh khớ động được thiết kế. Loại ống đạo lưu giảm tốc chủ yếu dựng để hạn chế hiện tượng xõm thực xảy ra trờn chõn vịt, trong thực tế
14 chỳng ớt được ỏp dụng cho cỏc tàu lớn. Ống đạo lưu tăng tốc độ chủ yếu dựng cho chõn vịt cú hệ số cụng suất cao phổ biến là tàu chở hàng rời, tàu chở dầu, tàu dịch vụ xa bờ, tàu kộo và tàu chở cụng nhõn. So với chõn vịt thụng thường chõn vịt trong ống đạo lưu cú khả năng tiết kiệm nhiờn liệu khoảng 5% so với chõn vịt cú bước cố định [36, 37, 39, 40, 42-44, 82, 83]. Tuy nhiờn hệ thống chõn vịt - đạo lưu khụng cải thiện được khả năng vận hành tàu, khụng nõng cao được vận tốc khai thỏc nếu cụng suất mỏy chớnh cũn thừa.
1.3.3.6. Nõng cao hiệu suất chõn vịt bằng hệ thống chõn vịt và bỏnh lỏi dạng đuụi cỏ ‘Fish tail rudder -propeller system’
Cấu tạo của hệ thống này gồm cú một chõn vịt kết hợp với bỏnh lỏi cú biờn dạng khớ động dạng đuụi cỏ Hỡnh 1.11. Hệ thống đẩy loại này cú ưu điểm cải thiện khả năng quay trở của tàu do lực bẻ lỏi trờn bỏnh lỏi loại này lớn hơn lực bẻ lỏi trờn bỏnh lỏi thụng thường cú cựng kớch thước. Ngoài ra bỏnh lỏi dạng đuụi cỏ tăng khả năng trao đổi năng lượng của bỏnh lỏi với chõn vịt và thõn tàu từ đú làm tăng hiệu suất của chõn vịt. Hiệu suất của chõn vịt trong hệ thống ‘Fish tail rudder -propeller system’ được cải thiện khoảng 1% so với hệ thống chõn vịt thụng thường. Hiện nay hệ thống chõn vịt loại này càng được sử dụng rộng rói trờn cỏc tàu dịch vụ, tàu cú tải trọng lớn nhất cú trang bị hệ thống Fish tail rudder -propeller system là 145.000 m3, tàu nhỏ nhất cú trang bị hệ thống đẩy loại này là khoảng 55 m3 [84, 85]. Tuy nhiờn hệ thống này chỉ cải thiện khả năng chuyển hướng của tàu chứ khụng tận dụng được cụng suất cũn dư của mỏy chớnh biến cụng suất cũn dư ấy thành vận tốc khai thỏc.
15
1.3.3.7. Nõng cao hiệu suất chõn vịt bằng ống Becker Mewis Duct
Hình 1.12. Hệ thống chõn vịt và ống Becker Mewis
Hệ thống đẩy loại này gồm cú 1 ống Becker Mewis Duct trong đú cú gắn cỏc cỏnh hướng cố định đặt ở phớa đuụi tàu trước chõn vịt Hỡnh 1.12. Hệ thống này cú nhiệm vụ làm đều trường dũng chảy trước khi vào chõn vịt, làm giảm tổn thất năng lượng do hiện tượng trượt dũng từ đú tăng được lực đẩy do chõn vịt tạo ra. Với hệ thống này hiệu suất của chõn vịt được cải thiện từ 3 - 8 % phụ thuộc vào sự tương tỏc của dũng chảy với thõn tàu [86-88]. Hệ thống này cú một số ưu điểm như sau.
Tiết kiệm nhiờn liệu tối đa khoảng 8%;
Giảm lượng phỏt thải SO2 và CO2;
Ống Mewis duct cú kết cấu đơn giản.
Tuy nhiờn việc tớnh toỏn, thiết kế biờn dạng ống và hệ thống cỏnh hướng khỏ phức tạp, yờu cầu quỏ trỡnh thực nghiệm tỷ mỉ để tỡm ra biờn dạng phự hợp với từng tuyến hỡnh tàu cụ thể. Về khớa cạnh cải thiện khả năng điều động tàu trong quỏ trỡnh khai thỏc, hệ thống này cú khỏ nhiều hạn chế khụng tận dụng hết cụng suất cũn dư của động cơ khi tàu khai thỏc ở chế độ tải trọng nhẹ.
1.3.3.8. Nõng cao hiệu suất chõn vịt bằng chõn vịt biến bước
Chõn vịt biến bước là chõn vịt cú cỏnh xoay được quanh trục vuụng gúc với trục chõn vịt từ đú thay đổi bước của chõn vịt, cấu tạo của chõn vịt biến bước gồm ba phần cỏnh chõn vịt, bầu, và hệ thống điều khiển bước chõn vịt Hỡnh 1.14 [12, 13]. Nhờ khả năng thay đổi bước trong quỏ trỡnh hoạt động chõn vịt biến bước cú những ưu điểm đỏng chỳ ý như sau:
Hiệu suất đẩy cao hơn chõn vịt cú bước cố định, tối ưu tốc độ của tàu trong quỏ trỡnh hoạt động;
Tàu cú trang bị chõn vịt biến bước cú khả năng điều khiển tốt hơn chuyển từ trạng thỏi tiến sang trạng thỏi lựi ờm khụng cú thời gian chết bằng cỏch đảo ngược bước chõn vịt, giảm tối đa thời gian dừng tàu;
16
Hấp thụ hoàn toàn cụng suất động cơ trong cỏc chế độ hoạt động của tàu, như chế độ chạy tự do, kộo lưới, tuần tra.... Cho phộp động cơ luụn hoạt động tại số vũng quay thiết kế do đú giảm đỏng kể nhiờn liệu tiờu thụ và tăng tuổi thọ động cơ;
Bảng 1.2. Phần trăm chõn vịt biến bước được sử dụng trờn một số loại tàu cú cụng suất 20000 BHP Loại tàu 1960- 1964 1965- 1969 1970- 1974 1975- 1979 1990- 1994 1995- I999 1990- 1994 1995- 1999 2000- 2004 Tàu chở dầu 1 7 15 14 23 13 21 17 10 Tàu chở hàng chuyờn dụng 1 9 10 5 5 12 0 1 1 Tàu container 0 13 24 3 1 13 18 10 9 Tàu chở hàng khụ 2 12 20 29 42 43 45 55 80 Tàu và phà chở khỏch 24 64 82 100 94 100 88 78 63 Tàu đẩy, tàu lai dắt 29 50 44 76 85 100 77 73 78
Tàu đỏnh cỏ 48 54 87 90 93 92 100 90 89
Hình 1.13. Biểu đồ số lượng chõn vịt biến bước được sử dụng qua cỏc thời kỳ %
17 Nhờ khả năng tiết kiệm nhiờn liệu, tối ưu trong quỏ trỡnh điều khiển chõn vịt biến bước ngày càng được sử dụng rộng rói đặc biệt với cỏc tàu hoạt động ở nhiều chế độ, yờu cầu tớnh năng điều khiển cao. Năm 1960 số lượng chõn vịt biến bước chỉ chiếm 5% tổng số lượng chõn vịt được sử dụng tuy nhiờn chỉ sau khoảng 10 năm sau số lượng chõn vịt biến bước đó tăng lờn đỏng kể vào khoảng 20% năm 1964 - 1969. Vào giai đoạn 2000 - 2004 số lượng chõn vịt biến bước đó chiếm 35% tổng số lượng chõn vịt được sử dụng. Số lượng chõn vịt biến bước được sử dụng trong giai đoạn 1960 - 2004 Hỡnh 1.13, Bảng 1.2 [12, 13].
Đặc biệt với một số loại tàu đặc biệt cú cụng suất lớn hơn 2000 BHP số lượng chõn vịt biến bước được sử dụng chiếm tỷ lệ khỏ lớn cú thể đến 70% vớ dụ như tàu đỏnh cỏ, tàu khỏch, tàu kộo, tàu chở hàng ...