2 Thiết bị đẩy
2.2.3 Thiết bị đẩy cycloid
Hình 3.8. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của guồng
87
Thiết bị đẩy cycloid là thiết bị đẩy trục đứng cĩ từ năm 1870, cĩ hai kiểu: kiểu Kirsten – Boeing và kiểu Voith Schneider cĩ từ năm 1931. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kiểu Voith Schneider được chỉ rõ trên hình 3.10.
Giả thiết thiết bị đẩy tịnh tiến từ trái qua phải với vận tốc đồng nhất v0 và quay với tốc độ gĩc đồng nhấtngược chiều kim đồng hồ. Khi cánh vạch đủ một vịng quanh trục của nĩ với mỗi vịng quay của đĩa, điểm C là điểm mà các cánh được nối liền bằng các nan hoa và cĩ thể dịch chuyển những vị trí khác nhau trong mặt đĩa.
1. Với điểm C tại hình a, các cánh ở vị trí đã chỉ rõ, lực tổng hợp đẩy tàu theo hướng chuyển động.
2. Với điểm C tại hình b, lực tổng hợp hướng về phía sau, ngược với hướng chuyển động của tàu.
3. Với điểm C tại hình c, lực tổng hợp vuơng gĩc với hướng chuyển động ban đầu của tàu.
Khi áp dụng thiết bị đẩy cycloid thì khơng cần thiết phải trang bị bánh lái. Tàu lắp thiết bị đẩy dạng trục đứng cĩ thể dừng lái và dừng tàu mà khơng cần ngừng hoặc đổi chiều quay của máy chính. Kiểu thiết bị này cũng cĩ thể được lắp đặt ở mũi giúp cho tàu tăng tốc độ quay trở. Tuy nhiên, thiết bị này cũng cĩ khơng ít nhược điểm như kết cấu phức tạp, chế tạo đắt tiền, tay nghề người sử dụng cao,…
2.2.4 Chân vịt
Chân vịt cĩ nhiều loại, bao gồm chân vịt cĩ bước cố định, chân vịt cĩ bước thay đổi được (chân vịt biến bước), hệ chân vịt – đạo lưu, chân vịt sủi bọt hồn tồn (chân vịt siêu bọt) và chân vịt hai cấp (hai chân vịt) quay cùng chiều hoặc ngược chiều nhau.
Chân vịt là thiết bị đẩy thủy lực cĩ trục nằm ngang hoặc dọc, gồm một số cánh (từ 2 ÷ 7) xếp đặt theo bán kính trên moay-ơ trong cùng một khoảng cách gĩc với nhau, khi chuyển động quay dần đều của chân vịt và chuyển động tịnh tiến dần đều của tàu, các điểm của cánh vẽ trong khơng gian những đường xoắn ốc đều. Hình dạng cánh như thế nào để kết quả là các vịng quay của chân vịt đẩy nước ngược hướng
với hướng chuyển động của chân vịt. Phản lực của khối nước do cánh đạp ra tạo lực đẩy.
Nguyên tắc hoạt động của chân vịt thể hiện trên hình 3.11. Cắt cánh bằng hai hai mặt cắt hình trụ cĩ bán kính r và r + dr đồng tâm
Hình 2.43. Chân vịt trục đứng Voith Schneider
với trục quay chân vịt tạo ra phần tử cánh, tốc độ dịng nước chảy vào phần tử cánh vRđặt dưới gĩc tấnE. Tốc độ vR là tổng của tốc độ quayr, tốc độ tịnh tiến vA và tốc độ được tạo nên bởi cơng của chân vịt uI. Trên phần tử cánh xuất hiện phần tử lực tổng hợp dF, cĩ thể phân tích dF thành các phần tử lực thành phần, bao gồm lực nâng dL và lực cản dD. Mặt khác cĩ thể phân tích dF thành hai phần tử lực thành phần theo hướng trục chân vịt và hướng tiếp tuyến với vịng trịn cĩ bán kính r, các thành phần lực này tương ứng là lực đẩy dT và phần tử momen dQ = dK.r. Tổng các phần tử lực đẩy và momen của cả chân vịt cho ta lực đẩy và momen chịu tải của động cơ.
Thiết bị đẩy thơng dụng của loại này là chân vịt cĩ bước khơng đổi, loại này tương đối đơn giản, dễ chế tạo, lắp ráp, hiệu suất khá cao, trọng lượng nhỏ và giá thành chế tạo, khai thác thấp. nhược điểm của chân vịt cĩ bước cố định là khơng cĩ khả năng tận dụng hết cơng suất của máy trong những điều kiện khai thác khác hơn những điều kiện đã xác định (thời tiết, tình trạng tải của tàu, tình trạng vỏ tàu) và kém linh hoạt khi quay trở tàu. Để loại trừ những nhược điểm đĩ, người ta đưa ra chân vịt biến bước là loại chân vịt mà cánh cĩ thể xoay tại moay – ơ. Chân vịt loại này cĩ kết cấu phức tạp, khĩ chế tạo, hiệu suất thấp hơn chân vịt bước cố định, giá thành cao và địi hỏi người vận hành thiết bị cĩ trình độ cao hơn.
Những lợi thế về tính năng của chân vịt bước thay đổi làm cho loại máy đẩy này chiếm ngày càng nhiều trong ứng dụng thực tế. Nếu những năm đầu của những năm sáu mươi thế kỷ XX chân vịt biến bước chỉ chiếm chừng 5% tổng số đầu máy của đội thuyền thương mại, cuối những năm sáu mươi con số này lên tới 20%. Trong thập niên tám mươi tỷ lệ tham gia chân vịt biến bước đã là 40%.
2.2.5 Đạo lưu
Một trong những biện pháp nâng cao sức đẩy của chân vịt là sử dụng hệ thống ống đạo lưu với chân vịt. Trong hệ thống này chân vịt tàu thủy được đặt trọn bộ trong ống trụ, quay trong ống và cùng với ống tạo lực đẩy thường lớn hơn chân vịt đứng riêng lẻ. Mặt cắt ngang của ống đạo lưu kết cấu hình vành khuyên. Chiều dầy vành khuyên cĩ thể cĩ giá trị khơng đổi hoặc cĩ kết cấu khơng đối xứng qua trục dọc. Mặt cắt dọc ống cho phép chúng ta quan sát thành ống dưới dạng frofil cánh máy bay.
Bộ phận quan trọng của hệ thống là chân vịt trong ống. Đây cĩ thể là chân vịt bước cố định, chân vịt bước thay đổi. Trong những trường hợp đặc biệt, ví dụ trên tàu phĩng mìn và các tàu làm nhiệm vụ đặc biệt trong quân đội, chân vịt trong ống phải là loại cánh quay ngược chiều nhau. Từ kỹ thuật bằng tiếng Anh dùng chỉ chân vịt trong hệ thống này thường được viết là ducted propeller, propeller in nozzle. Đạo lưu cĩ từ năm 1933, những năm đầu mới đưa vào ứng dụng chân vịt trong ống thường
được gọi là “chân vịt trong ống Kort” để ghi cơng lao của cơng ty Kort trong lãnh vực này. Ban đầu chân vịt trong ống chỉ dùng cho những trường hợp làm việc của chân vịt nặng, trong chế độ kéo tàu hay kéo lưới trên tàu đánh cá. Sức kéo của chân vịt trong ống Kort cĩ thể cao hơn sức kéo chân vịt khơng ống đến 30% tại chế độ kéo hoặc đến 50% cao hơn khi ủi bãi.
Cĩ hai dạng chính của ống là ống tăng tốc và ống giảm tốc. Nguyên cớ đặt tên gọi nằm ở vận tốc dịng nước tại đầu vào và đầu ra của ống. Kết cấu ống làm cho vận tốc dịng khi vào nhỏ cịn khi ra lớn được gọi ống tăng tốc, ngược lại sẽ là ống giảm tốc.
Profil mặt cắt dọc ống tăng tốc cĩ mặt lồi quay vào trong, mép dầy nằm về hướng tiến của thân tàu. Miệng hút nằm trước, thường cĩ diện tích lớn hơn diện tích miệng xả nằm sau. Diện tích tính tốn thường gọi là diện tích mặt cắt ngang của ống nằm khu vực giữa tàu, tại vị trí đặt chân vịt. Các đặc trưng hình học chính của ống được chỉ rõ trên hình 3.13.
L - chiều dài ống. Trong thực tế thường sử dụng tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính ống làm chiều dài tương đối ln= L
Dn , trong đĩ chỉ số n dùng chỉ ống đạo lưu.
C - độ hở giữa đầu cánh chân vịt và mép trong ống. Tỷ lệ giữa C và D gọi là độ hở tương đối, cn = C
Dn .
t - chiều dầy lớn nhất của thàng ống. Tỷ lệ giữa t và chiều rộng profil b, ký hiệu tn= t
b gọi là chiều dầy tương đối. Cx = Ax/A - tỷ lệ giữa diện tích miệng hút với diện tích mặt cắt ngang ống.
Cy = Ay/A - tỷ lệ giữa diện tích miệng xả với diện tích mặt cắt ngang ống.
Các hệ số trên thường nằm trong phạm vi: ln= L Dn = 0,5 0,9 cn = C Dn = 0,005 0,01 tn= 0,110,14 Cx = 1,15 1,50 Cy = 1,0 1,15 Mặt cắt ngang các ống thơng dụng
đối xứng qua trục. Tuy nhiên để tăng những tính năng cần thiết cho mỗi loại tàu, ống được sản xuất dưới dạng khơng đối xứng qua trục. Cĩ ống dầy thành trên, mỏng dưới , cĩ ống khơng đối xứng phân bố trước sau.
Trong các chế độ làm việc nặng hiệu suất động lực của hệ thống ống-chân vịt cao hơn hiệu suất chân vịt khơng nằm trong ống bao. Điều này cĩ thể giải thích như sau. Trong thành phần lực đẩy của hệ thống, ngồi lực đẩy Tcvdo chân vịt tạo ra cịn cĩ thành phần bổ sung lực đẩy Tn,
tác động cùng hướng với Tcv, do ống đạo lưu dưới dạng cánh sinh ra khi bị tác động dịng chảy. Trên hình 3.13 cĩ thể thấy, profil cánh của thành ống đặt sau đuơi tàu, nghiêng so với đường dịng và bị di chuyển với vận tốc V. Trên mỗi phần tử cánh xuất hiện lực nâng dL và đồng thời cả lực ma sát dD cản trở chuyển động. Gĩc nghiêng càng lớn, lực dL càng cĩ xu hướng ngả về phía trước. Vì rằng lực nâng của cánh trong những trường hợp này lớn hơn nhiều so với lực cản, thơng thường lớn hơn khoảng 25 đến 30 lần, do vậy lực thành phần từ dL lên trục dọc ống lớn hơn lực thành phần của dD trên cùng trục. Tổng hợp hai lực vừa nêu , với ống cĩ kết cấu hợp lý giá trị của dTn= ( dL - dD)xsẽ mang giá trị dương, và cĩ xu hướng đẩy tàu về trước. Tổng cộng tất cả lực thành phần dTn chúng ta nhận được lực đẩy bổ sung Tn. Lực đẩy của hệ thống ống-chân vịt được xét dưới dạng:
Hình 3.13. Các đặc trưng của đạo lưu Lực đẩy trên thành đạo lưu
T = Tcv + Tn. (3.46)