7. Bố cục của luận ỏn
3.4.2. Ảnh hưởng của tỷ số bước
Trong phần này luận ỏn khảo sỏt ảnh hưởng của tỷ số bước cỏnh H/D, (hay gúc đặt cỏnh) đến đặc tớnh thuỷ động lực học chõn vịt. Hỡnh 3.8 - Hỡnh 3.9 cho biết phõn bố ỏp suất trờn mặt hỳt, mặt đẩy chõn vịt ở cỏc tỷ số bước H/D từ 0,5 - 0,6 tại hệ số tiến J = 0.1. Từ hỡnh ảnh phõn bố ỏp suất ta thấy rằng tỷ số bước H/D cú ảnh hưởng quan trọng đến đặc tớnh làm việc của chõn vịt, trong phạm vi tỷ số bước khảo sỏt tỷ số bước tăng lờn thỡ sự chờnh lệch ỏp suất giữa hai bề mặt cỏnh tăng lờn, ỏp suất trờn bề mặt đẩy cỏnh tăng lờn, ỏp suất trờn bề mặt hỳt của cỏnh giảm đi. Tại tỷ
số bước H/D = 0, 5 vựng ỏp suất cao tại mặt đẩy cú giỏ trị khoảng 3.104 Pa chiếm
40% diện tớch, cũn lại 60% diện tớch cú giỏ trị ỏp suất là 6.103 Pa, cũn vựng cú giỏ
trị ỏp suất nhỏ nhất -1,2.105 Pa nằm tại vựng mộp vào của cỏnh chiếm khoảng 5%
diện tớch mặt hỳt, 70% diện tớch cú giỏ trị ỏp suất là khoảng -3.6.104 Pa, cũn lại 25% diện tớch mặt hỳt tại vựng mộp thoỏt của cỏnh cú giỏ trị 6.103 Pa. Tại tỷ số bước H/D = 0,55, tại mặt đẩy của cỏnh cú khoảng 5% diện tớch đạt giỏ trị ỏp suất lớn nhất khoảng 9.104 Pa, 60% diện tớch bề mặt cỏnh đạt giỏ trị ỏp suất 4,8.104 Pa, cũn lại 35% là vựng cú giỏ trị ỏp suất là 6.103 Pa. Ở mặt hỳt tại vựng mộp vào của cỏnh cú giỏ trị ỏp suất nhỏ nhất -1.2.105 nú chiếm khoảng 7% diện tớch, khoảng 33% diện tớch mặt hỳt phớa gần mộp vào cú giỏ trị ỏp suất -3.6.104 Pa, phần diện tớch cũn lại của cỏnh cú giỏ trị ỏp suất khoảng 4.103 Pa. Tại H/D = 0,6, cú sự khỏc biệt lớn của phõn bố ỏp suất giữa hai bề mặt cỏnh so với trường hợp tớnh toỏn thiết kế ban đầu H/D = 0,5. Tại mặt đẩy vựng cú ỏp suất lớn nhất chiếm khoảng 20% với giỏ trị 9.104 Pa, 50% diện tớch mặt đẩy cú giỏ trị ỏp suất 4.8.104 Pa, cũn lại 30% diện tớch cú ỏp suất 6.103 Pa. Tại mặt hỳt vựng cú ỏp nhỏ nhất cú giỏ trị -1,2.105 Pa chiếm khoảng 15% diện tớch, khoảng 30% cú giỏ trị ỏp suất 6.103 Pa, cũn lại 55% diện tớch cú giỏ trị ỏp suất 6.103 Pa. Vựng cú ỏp suất thấp tại mặt hỳt tăng lờn cả về diện tớch và giỏ trị tuyệt đối điều này làm tăng khả năng xõm thực xảy ra trờn cỏnh chõn vịt. Như vậy cú thể kết luận rằng, trong phạm phi tỷ số bước H/D khảo sỏt, khi tỷ số bước tăng lờn thỡ chờnh lệch về phõn bố ỏp suất giữa hai bề mặt cỏnh tăng lờn điều này hoàn toàn phự hợp với lý thuyết cỏnh đề cập trong cỏc tài liệu [13, 14, 89, 90].
49
Hình 3.8. Phõn bố ỏp suất trờn hai bề mặt cỏnh với H/D = 0,5 - 0,55 tại J = 0,1.
50 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 H/D= 0,60 H/D= 0,59 H/D= 0,57 H/D= 0,55 H/D= 0,53 H/D = 0,52 H/D= 0,50 K T J
Hình 3.10. Biến thiờn hệ số lực đẩy tại theo hệ số tiến J với H/D khỏc nhau.
0 1 2 3 4 5 6 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 K T Góc quay cánh (độ) J = 0,1 J = 0,15 J = 0,2 J = 0,25 J = 0,3 J = 0,35 J = 0,4 J = 0,45
51 0 1 2 3 4 5 6 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 10K Q Góc quay cánh (độ) J = 0,1 J = 0,15 J = 0,2 J = 0,25 J = 0,3 J = 0,35 J = 0,4 J = 0,45 J = 0,5
Hình 3.12. Biến thiờn hệ số mụ men theo gúc xoay cỏnh
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 H/D= 0,60 H/D= 0,59 H/D= 0,57 H/D= 0,55 H/D= 0,53 H/D = 0,52 H/D= 0,50 J
Hình 3.13. Biến thiờn hiệu suất chõn vịt theo tỷ số bước cỏnh H/D
Hỡnh 3.10, Hỡnh 3.11 là biến thiờn hệ số lực đẩy chõn vịt KT theo tỷ số bước cỏnh H/D và biến thiờn hệ số lực đẩy theo gúc xoay của cỏnh. Đồ thị cho thấy, ở cựng một hệ số tiến J khi tỷ số bước H/D tăng trong phạm vi khảo sỏt thỡ hệ số lực
72 4.1. Từ đú suy ra đồ thị vận hành tại cựng hệ số lực đẩy KTP tương ứng với J0T, KQT và η0T Hỡnh 4.3.
Hình 4.3. Đường đặc tớnh vận hành chõn vịt trong thực nghiệm thiết bị đẩy
0 P T TP P J J K J (4.1)
Trong đú, chỉ số P đặc trưng cho giỏ trị thu được từ thực nghiệm thiết bị đẩy và ‘0’ đặc trưng cho giỏ trị thu được từ thực nghiệm mặt thoỏng. Do đú hệ số lực đẩy khấu trừ t, hiệu suất thõn tàu H, hiệu suất quay tương đối theo lực đẩy đơn vị
R
, và hiệu suất đẩy được xỏc định theo cỏc cụng thức (4.2) - (4.5).
TP D m TP T F R t T (4.2) 1 1 w H tT t (4.3) 0 Q T R QP K t K (4.4) 0 . . D T H R (4.5)
Theo phương phỏp phõn tớch mụ men đơn vị từ hệ số tiến tương đối JP thu
được từ thực nghiệm thiết bị đẩy và hệ số mụ men tương ứng KQP được tớnh toỏn
theo biểu thức 4.6. Từ đú suy ra đồ thị vận hành tại cựng hệ số lực đẩy KQP tương ứng với J0Q, KT0Q và η0Q. Cỏc hệ số đẩy được tớnh tương tự như với trường hợp phõn tớch theo lực đẩy đơn vị. Hệ số mụ men đơn vị, hệ số lực đẩy khấu trừ, hiệu suất thõn tàu, hiệu suất quay tương đối theo mụ men đơn vị được xỏc định theo cỏc cụng thức (4.6) - (4.10).
73 0 P Q QP Q J J K J (4.6) TP D m TP T F R t T (4.7) 1 1 w H Qt t (4.8) 0 T Q R TP K t K (4.9) 0 . . D Q H R (4.10)
Trong đú, chỉ số P đặc trưng cho giỏ trị thu được từ thực nghiệm thiết bị đẩy và ‘0’ đặc trưng cho giỏ trị thu được từ thực nghiệm mặt thoỏng. Trong cựng một điều kiện thực nghiệm cho trước cả hai phương phỏp phõn tớch trờn cho kết quả tương tự như nhau [12, 13].
4.1.3. Thực nghiệm xõm thực
Thực nghiệm xõm thực với chõn vịt được thực hiện để nghiờn cứu hiện tượng xõm thực xảy ra trờn chõn vịt và xỏc định ảnh hưởng của nú đến đặc tớnh thuỷ động lực học của chõn vịt khi hoạt động. Ngoài việc quan sỏt hiện tượng xõm thực xảy ra như thế nào, nú cũn cho phộp chỳng ta nghiờn cứu hiện tượng ăn mũn, gõy ồn, rung động do xõm thực gõy ra. Mặc dự cú thể nghiờn cứu xõm thực chõn vịt kớch thước nguyờn mẫu trang bị trờn tàu với sự trợ giỳp của thiết bị đo hiện đại. Tuy nhiờn cỏc thớ nghiệm xõm thực thường được tiến hành với cỏc chõn vịt mụ hỡnh trong ống thực xõm thực. Ngoài ra chỳng ta cũn cú thể nghiờn cứu hiện tượng xõm thực tại bể thử MARIN, Hà Lan, đú là cơ sở duy nhất để nghiờn cứu xõm thực chõn vịt trờn bể thử. Cấu tạo cơ bản của ống thử xõm thực chõn vịt gồm cú 10 bộ phận chớnh Hỡnh 4.4.
Ống thử xõm thực chõn vịt là một kờnh dẫn kớn chứa nước tuần hoàn và cú ỏp suất tại mặt thoỏng cú thể thay đổi được, nú được cấu tạo gồm nhiều cụm chi tiết được lắp ghộp với nhau. Nước trong hệ thống được tuần hoàn nhờ hệ thống bơm hướng trục, ỏp suất của mặt thoỏng được điều chỉnh bởi mỏy nộn khớ. Để đảm bảo dũng chảy tuần hoàn trong ống được suụn đều tại cỏc gúc của hệ thống thử nghiệm ta bố trớ cỏc cỏnh hướng dũng. Để giảm dũng xoỏy sinh ra khi qua bơm tương tỏc với chõn vịt khảo sỏt ta bố trớ thờm lưới 3. Khi dũng chảy qua phần số 4 của ống thử xõm thực do tiết diện mặt cắt ngang của phần này giảm dần dũng chảy được tăng tốc đến giỏ trị mong muốn trước khi vào chõn vịt. Phần 6 của ống xõm thực cú tiết diện loe rộng để giảm khả năng xõm thực sinh ra khi dũng chảy tương tỏc với bỏnh cụng tỏc của bơm. Ở điểm cao nhất của ống thử xõm thực cú chứa thiết bị điều chỉnh ỏp suất tại mặt thoỏng của ống, tuỳ vào từng bài toỏn khảo sỏt mà ỏp suất tại mặt thoỏng được điều chỉnh cho phự hợp [12, 13].
74
Hình 4.4. Cấu tạo ống thử xõm thực
Trong thực nghiệm xõm thực chõn vịt, chõn vịt mụ hỡnh được đặt trong buồng quan sỏt cú gắn cỏc thiết bị đo lực đẩy, đo mụ men khi chõn vịt quay ở số vũng quay xỏc định. Buồng quan sỏt được làm bằng chất liệu trong suốt cú trang bị cỏc thiết bị đo bằng quang học để ta cú thể quan sỏt được hiện tượng xõm thực xảy ra. Một số loại xõm thực thường xuất hiện trong thực nghiệm xõm thực chõn vịt Hỡnh 4.5.
Hình 4.5. Một số loại xõm thực chõn vịt
Quy trỡnh thực nghiệm chõn vịt trong một hệ thống thử xõm thực được trỡnh bày như sau:
75
Dải đo hệ số tiến J nờn chứa toàn bộ dải vận hành của chõn vịt thực nghiệm, từ 0 đến giỏ trị hệ số tiến J mong muốn. Giỏ trị hệ số tiến J được điều chỉnh bởi vận tốc dũng vào chõn vịt tức là điều chỉnh số vũng quay của bơm;
Thể tớch nước trong kờnh dẫn nờn giữ cố định trong quỏ trỡnh toàn bộ quỏ trỡnh thớ nghiệm;
Trong mỗi lần thử, ghi lại vận tốc dũng vào chõn vịt, số vũng quay chõn vịt, lực đẩy và mụ men sinh ra;
Nếu quan sỏt thấy bất kỳ kiểu xõm thực nào xuất hiện trờn cỏnh chõn vịt thỡ ghi lại hiện tượng đú.
Từ cỏc kết quả thu được như vận tốc dũng vào chõn vịt, lực đẩy, mụ men ta tớnh cỏc hệ số đặc trưng ở trờn và xõy dựng cỏc đường đặc tớnh của chõn vịt [12, 13].
4.2. Phương ỏn thực nghiệm chõn vịt hai bước
4.2.1. Phương ỏn và giới hạn nghiờn cứu thực nghiệm
4.2.1.1. Phương ỏn thực nghiệm
Ngày nay, để đỏnh giỏ được cỏc đặc tớnh thuỷ động lực học của chõn vịt sau khi tớnh toỏn thiết kế một cỏch kinh tế nhất thường sử dụng kết hợp giữa mụ phỏng số và thực nghiệm đo đạc trờn mụ hỡnh đồng dạng. Cỏc mẫu sau khi tớnh toỏn thiết kế bằng phương phỏp lý thuyết được tớnh toỏn mụ phỏng số, mẫu nào cú đặc tớnh thuỷ động lực học tốt nhất được giữ lại để chế tạo mụ hỡnh đồng dạng để nghiờn cứu thực nghiệm. Mụ hỡnh chõn vịt sau khi chế tạo cú thể được thực nghiệm trong bể thử, hoặc trong ống thử xõm thực để đo lực đẩy, mụ men từ đú xỏc định cỏc hệ số thuỷ động lực học của chõn vịt như hệ số lực đẩy KT , hệ số momen KQ và hiệu suất η. Thực nghiệm trong bể thử, ống thử xõm thực cú ưu điểm là tiết kiệm được chi phớ nghiờn cứu, rỳt ngắn thời gian nghiờn cứu, điều chỉnh cỏc thụng số thực nghiệm một cỏch dễ dàng và hạn chế được cỏc yếu tố nhiễu gõy sai số trong quỏ trỡnh nghiờn cứu thực nghiệm. Tuy nhiờn mụ hỡnh sử dụng trong nghiờn cứu thực nghiệm là mụ hỡnh đồng dạng so với mụ hỡnh thực do đú nú chỉ thoả món một số tiờu chuẩn đồng dạng hay mụ hỡnh thực nghiệm và mụ hỡnh thực chỉ đồng dạng từng phần với nhau chứ khụng phải là đồng dạng toàn phần. Tuỳ thuộc vào hiện tượng nghiờn cứu mà cú thể sử dụng tiờu chuẩn đồng dạng Reynolds, tiờu chuẩn đồng dạng Froude, tiờu chuẩn đồng dạng Strouhal...Do đú đặc tớnh thực nghiệm trờn mụ hỡnh chưa phản ỏnh đầy đủ cỏc đặc tớnh của mụ hỡnh thực ban đầu, giữa kết quả thực nghiệm của mụ hỡnh và đặc tớnh của mụ hỡnh thực cú sai số khi sử dụng cỏc tiờu chuẩn đồng dạng. Thực nghiệm trờn mụ hỡnh thực cú ưu điểm là đặc tớnh thu được là đặc tớnh thực của sản phẩm, tuy nhiờn thực nghiệm trờn mụ hỡnh thực cú nhược điểm là chi phớ chế tạo mẫu thử, chi phớ thực nghiệm lớn, tốn thời gian, khú điều chỉnh được cỏc thụng số trong quỏ trỡnh nghiờn cứu và một nhược điểm cơ bản
76 nữa đú là khụng hạn chế được cỏc yếu tố nhiễu tỏc động trong quỏ trỡnh nghiờn cứu thực nghiệm.
Hệ thống chõn vịt hai bước vừa thiết kế cú chứa hệ thống điều khiển bước cỏnh ở trong bầu của chõn vịt nờn bầu chõn vịt khụng được chọn nhỏ hơn 0,3m, đường kớnh cỏnh chõn vịt 1m, do đú việc nghiờn cứu thực nghiệm trờn mụ hỡnh đồng dạng của hệ thống chõn vịt hai bước là khú thực hiện. Hiện nay tại Việt Nam chưa cú hệ thống thực nghiệm đo đạc nghiờn cứu cỏc đặc tớnh thuỷ động lực học của chõn vịt cũng như của mụ hỡnh tàu. Ngày nay với sự phỏt triển của khoa học mỏy tớnh việc khảo sỏt cỏc đặc tớnh thuỷ động lực học của chõn vịt bằng phương phỏp số cho kết quả đỏng tin cậy khi so sỏnh với kết quả nghiờn cứu thực nghiệm như đó trỡnh bày tại mục 2.4.4 của luận ỏn. Chương 3 của luận ỏn đó trỡnh bày đặc tớnh thủy động lực học của chõn vịt hai bước vừa thiết kế. Do đú với điều kiện hạn chế của thực tế của luận ỏn mục đớch của thực nghiệm với hai vấn đề chớnh:
Đo đạc số vũng quay, cụng suất, lực đẩy, và mụ men xoắn trờn trục chõn vịt so
sỏnh hiệu suất của hệ thống chõn vịt cú bước cố định và chõn vịt hai bước;
Đỏnh giỏ hiệu quả về mặt tiết kiệm nhiờn liệu, và về mặt nõng cao tớnh năng
điều động trong quỏ trỡnh vận hành của chõn vịt hai bước so với chõn vịt bước cố định.
4.2.1.2. Điều kiện và giới hạn nghiờn cứu thực nghiệm
Để hạn chế cỏc yếu tố nhiễu chủ yếu là súng, giú tỏc động trong quỏ trỡnh đo, việc nghiờn cứu thực nghiệm hệ thống chõn vịt hai bước, hệ thống chõn vịt cú bước cố định được diễn ra vào thỏng ba tại vựng biển thị xó Đồ Sơn, Hải Phũng. Thời tiết tại vựng biển tại thị xó Đồ Sơn thời gian này cú giú nhẹ vào khoảng 1 - 2 m/s, chiều cao súng nằm trong khoảng 0 - 0,2m, nhiệt độ dao động trong giải 14 - 23 0C, độ ẩm khụng khớ dao động trong khoảng 62 - 92%. Đầu tiờn thực hiện lắp đặt hệ thống đo mụ men trục chõn vịt, hệ thống đo nhiờn liệu, hệ thống giỏm sỏt hành trỡnh cho tàu, sau đú vận hành thử hệ thống và tiến hành đo cỏc thụng số mụ men xoắn, số vũng quay, vận tốc tiến của tàu, lượng tiờu hao nhiờn liệu cho hệ thống chõn vịt cú bước cố định. Quỏ trỡnh lắp đặt vận hành thử hệ thống và tiến hành đo thực nghiệm diễn ra trong 8 ngày với cỏc điều kiện thời tiết được trỡnh bày trong Bảng 4.1.
Sau khi thực nghiệm xong hệ thống chõn vịt cú bước cố định là quỏ trỡnh cho tàu lờn đà thay thế hệ thống chõn vịt cú bước cố định bằng hệ thống chõn vịt hai bước, lắp đặt lại hệ thống đo. Việc lắp rỏp thay thế hệ thống chõn vịt cú bước cố định diễn ra tại cơ sở đúng và sửa chữa tàu của thị xó Đồ Sơn. Sau khi lắp rỏp thay thế xong là quỏ trỡnh hạ thuỷ và vận hành thử và thực nghiệm hệ thống chõn vịt hai bước, tổng thời gian lắp đặt thay thế, thực nghiệm hệ thống chõn vịt hai bước diễn ra trong 12 ngày của thỏng 2. Điều kiện thời tiết khi thực nghiệm hệ thống chõn vịt hai bước được trỡnh bày trong Bảng 4.2.
77
Ngày Nhiệt độ (0C) Độ ẩm (%) Vận tốc giú (m/s) Chiều cao súng (m)
1 17 - 21 89 - 92 1 - 2 0 - 0,2