P E= R V.
CHƯƠNG III: HỆ ĐỘNG LỰC ĐẨY CHÂN VỊT.
Nhân tố truyền thống để đẩy tàu dịch chuyển là một chân vịt hoặc hai chân vịt, hiếm có trường hợp nào có số chân vịt nhiều hơn nữa.
Lực đẩy tàu T yêu cầu dịch chuyển tàu ở tốc độ V thường phải lớn hơn giá trị lực cản R và trong các lý do của vấn đề này, lý do liên quan dòng chảy sẽđược dẫn giải ở trong chương này. Hình 4 cho thấy tốc độ, lực, công suất, các tham số hiệu suất thích hợp.
3.1. Tình trạng dòng chảy quanh chân vịt Hệ số dòng theo w
Khi con tàu dịch chuyển sự ma sát của vỏ tàu sẽ tạo nên một cái được gọi là vành đai hoặc lớp biên của nước bao quanh vỏ tàu. Trong vành đai ma sát này, tốc độ dòng nước ở trên bề mặt vỏ tàu bằng tốc độ của tàu nhưng sẽ
giảm dần khi càng xa bề mặt đó. Ở một khoảng cách nào đó, và đó là khoảng cách nằm trên bề mặt ngoài của lớp biên, tốc độ dòng nước bằng zêrô.
Chiều dầy của lớp biên tăng theo khoảng cách từ mũi tàu về phía đuôi tàu. Vành đai ma sát này có độ dầy nhất ở phía đuôi tàu và độ dầy này gần như tỷ lệ với độ dài của tàu. Điều đó có nghĩa là sẽ có một tốc độ dòng theo nào đó gây bởi sự ma sát dọc theo bề mặt vỏ tàu. Thêm vào đó, sự giãn nước cũng gây sóng theo cả ở phía mũi và phía đuôi tàu. Tất cả những cái này tác động làm chân vịt ở phía đuôi tàu sẽ hoạt động trong một trường của dòng theo phân tán.
Do đó khi hình thành dòng theo ma sát, nước ở chân vịt sẽ có một tốc
độ dòng theo hiệu dụng VW có hướng tương tự hướng tốc độ của tàu V (xem hình 3.1). Điều đó có nghĩa là tốc độ dòng nước tới VA tại chân vịt (bằng tốc
độ trước chân vịt ) được biết như là tốc độ trung bình trên vùng đĩa chân vịt, nhỏ hơn tốc độ tàu V.
Tốc độ dòng theo hiệu dụng do đó sẽ là VW = −V VA và có thểđược thể
hiện qua hệ số không thứ nguyên w
W A V V V w V V − = = và ta có VA 1 w V = −
Giá trị của hệ số dòng theo phụ thuộc rất lớn vào hình dạng vỏ tàu vàcũng phụ thuộc vào vị trí đặt chân vịt, kích thước chân vịt sẽ có ảnh hưởng rất lớn vào hiệu suất chân vịt.
Đường kính chân vịt, hoặc hay hơn là tỷ số giữa đường kính chân vịt và chiều dài thân tàu có một số ảnh hưởng tới hệ số dòng theo như D L/ WL cho thấy hình ảnh ở mức độ thô về sự làm việc của chân vịt trong trường dòng cuốn theo của vỏ tàu. Do vậy tỷ số D L/ WL lớn thì hệ số w sẽ giảm đi.
Hình 3.1: Mô tả phân bố lực, công suất, sức cản và tốc độ tàu.
Bảng tóm tắt các tham số: Tốc độ
Tốc đô tàu V
Tốc độ nước tới chân vịt (tốc độ trước
chân vịt) A V Tốc độ dòng theo VW = −V VA Hệ số dòng theo V VA w V − =
Lực Lực cản R Lực đẩy T Hiệu số lực đẩy F=T-R Hệ số hiệu lực đẩy T R t T − = Công suất Công suất đẩy hiệu dụng PE =RxV
Công suất chân vịt tác động vào nước PT =PE/ηH
Công suất cung cấp cho chân vịt PD =PT /ηB
Công suất có ích của máy chính PB =PD/ηS Hiệu suất Hiệu suất thân tàu 1 1 H t w η = − − Hiệu suất quay tương đối ηR
Hiệu suất chân vịt thuần túy η0
Hiệu suất chân vịt đặt sau đuôi tàu ηB =η η0. R Hiệu suất đẩy ηD =η ηH. B Hiệu suất trục η S Hiệu suất tổng 0 0 0 E E T T H B S H R S B T B P P P P x x P P P P η = = =η η η =η η η η T η Hệ số hiệu lực đẩy có thể được tính toán bằng cách sử dụng các mẫu tính toán tạo dựng trên cơ sở các nghiên cứu được tiến hành trên các mẫu khác nhau.
Thông thường hệ số hiệu lực đẩy tăng khi hệ số dòng theo tăng. Hình dạng của vỏ tàu có một ảnh hưởng mạnh làm giảm t, ví dụ như loại đáy kiểu phình củ hành, trong một phạm vi nào đó ( tốc độ thấp chẳng hạn)
với tàu có hai chân vịt, hệ số hiệu lực đẩy sẽ nhỏ hơn khi hiện tượng hút của chân vịt từ dòng chảy sau thân tàu xảy ra.
3.2. Hiệu suất
Hiệu suất thân tàu ηH
Hiệu suất thân tàu được định nghĩa là tỷ số giữa công suất đẩy tàu hiệu dụng PE =R V. và công suất đẩy chân vịt truyền cho nước
. 1 . 1 E H A T A R P RV T t V P T V w V η = = = = − −
Với tàu một chân vịt, hiệu suất thân tàu luôn nằm trong khoảng 1.1-1.4, giá trị lớn dùng cho tàu có hệ số béo cao. Đối với tàu hai chân vịt, hiệu suất thân tàu thường xấp xỷ bằng 0.95-1.05 với giới hạn trên cũng dành cho tàu có hệ số béo lớn.
Hiệu suất chân vịt thuần túy
Hiệu suất chân vịt thuần túy quan hệ với tình trạng làm việc của chân vịt trong trường dòng theo đồng nhất không có thân tàu phía trước.
Hiệu suất chân vịt phụ thuộc đặc biệt vào tốc độ dòng tới VA, lực đẩy T, vòng quay n, đường kính chân vịt d và hơn nữa, phụ thuộc vào thiết kế của chân vịt, nghĩa là số cánh, tỷ số diện tích đĩa, tỷ số bước / đườngkính, là những cái sẽ được bàn tới sau đây trong chương này. Giá trị của hiệu suất chân vịt thuần η0 nằm trong khoảng 0.35-0.75 với giá trị cao dành cho chân vịt có tốc độ dòng tới cao.
Hình 3.2 cho thấy hiệu suất chân vịt thuần η0 có thể có được như là hàm số của tốc độ dòng tới VA , và biểu diễn dưới dạng không thứ nguyên như: . A V J n d =
Ởđây J là số biểu kiến của chân vịt
Hình 3.2 : hiệu suất chân vịt thuần
Hiệu suất quay tương đối ηR
Tốc độ dòng nước chảy vào chân vịt không những thay đổi mà cũng không thẳng góc với đĩa chân vịt, tạo ra chuyển động quay tròn. Do đó khi
được so sánh với trạng thái chân vịt hoạt động trong nước thuần túy, hiệu suất chân vịt sẽ bị ảnh hưởng bởi yếu tố ηR- được gọi là hiệu suất quay tương đối của chân vịt.
Ở tàu có một chân vịt, hiệu suất quay tương đối của chân vịt nằm trong khoảng 1.0-1.07, nói cách khác sự quay của nước có ảnh hưởng có lợi. hiệu suất quay tương đối ở tàu có tuyến hình vỏ tàu truyền thống, hai chân vịt sẽ
nhỏ hơn và ηRbằng xấp xỷ 0.98.
Kết hợp với w và t, ηR thường được dùng để hiệu chỉnh kết quả thử
nghiệm mẫu thử trong bể thử nghiệm so với lý thuyết. Hiệu suất chân vịt làm việc thực sau tàu η
Hiệu suất chân vịt làm việc thực sau tàu ηB là tỷ số giữa công suất PT - là công suất chân vịt tác dụng lên nước và công suất PD- là công suất cung cấp cho chân vịt . E 0 D R D P P η = =η η T 0 B R D P P η = =η η Hiệu suất đẩy ηD
Nhất thiết không được nhầm hiệu suất đẩy ηD với hiệu suất chân vịt thuần η0; hiệu suất đẩy ηD là tỷ số giữa công suất đẩy hiệu dụng PE và công suất cần thiết cung cấp cho chân vịt
E E T 0 D H B H R D T D P P P P P P η = = =η η =η η η Như có thể thấy hiệu suất đẩy ηD bằng tích số của hiệu suất thân tàu H
η , hiệu suất chân vịt thuần ηO và hiệu suất quay tương đối ηR mặc dầu giá trị phía sau thường không lớn lắm.
Liên quan tới điều này người ta cũng có thể thấy là một tuyến hình thân tàu cho hệ số dòng theo w cao do đó một hiệu suất thân tàu ηHcao cũng tạo nên một hiệu suất đẩy ηD tốt nhất.
Tuy nhiên vì hiệu suất đẩy ηD cũng phụ thuộc mạnh vào tốc độ dòng tới VA ( xem hình 5 ) là cái sẽ suy giảm với việc tăng w nên hiệu suất đẩy ηD
thường không được cải thiện bởi việc tăng w mà thường có tác dụng ngược lại.
Nói chung hiệu suất đẩy ηD lớn nhất đạt được khi chân vịt làm việc trong môi trường dòng theo đồng nhất.
Hiệu suất trục ηS
Hiệu suất trục ηS phụ thuộc độ thẳng của trục và mức độ bôi trơn các ổ
trục và vào bộ giảm tốc nếu lắp đặt.
Hiệu suất trục ηS là tỷ số giữa công suất cung cấp cho chân vịt PD và công suất có ích do động cơ chính sinh ra PB
D
P
Hiệu suất trục ηS ở quanh giá trị 0.985 nhưng cũng có thể nằm trong khoảng từ 0.96 tới 0.995
Hiệu suất tổng cộng của hệ thống đẩy ηT
Hiệu suất tổng cộng của hệ thống đẩy ηT là tỷ số giữa công suất đẩy hiệu dụng PEvà công suất cần thiết cung cấp của máy chính PB
E E D 0 T D S H R S B D B P P P P P P η = = =η η =η η η η 3.3. Kích thước chân vịt Kích thước chân vịt
Trên quan điểm có được hiệu suất đẩy ηD cao nhất có thể, thường sẽ có khuynh hướng ưa thích kích thước chân vịt lớn nhất có thểđược. Tuy nhiên có một số tình trạng đặc biệt cần được xem xét thêm. Thứ nhất là, hình dạng thân phía sau của vỏ tàu có thể thay đổi phụ thuộc lớn vào loại tàu và thiết kế tàu. Thứ hai là khe hở cần thiết giữa phần đầu chân vịt và vỏ tàu sẽ phụ thuộc vào loại chân vịt.
Đối vơi tàu chở hàng rời và tàu dầu là những loại thường hoạt động trong tình trạng balast. Tồn tại các yêu cầu là chân vịt phải được ngập chìm trong nước trong tình trạng này tạo một số giới hạn về kích thước chân vịt. Yêu cầu này không có ý nghĩa với tàu container là loại hiếm khi hoạt động trong tình trạng balast. Tất cả những điều trên đây nghĩa là không thể đưa ra một tỷ số giữa đường kính chân vịt / chiều chìm tàu chính xác nhưng những giá trị gần đúng của tỷ lệ đường kính / chiều chìm có thể được thể hiện dưới
đây (theo như kinh nghiệm) và kích thước chân vịt lớn thường tạo ra khả năng tồn tại vòng quay thấp.
Tàu hàng rời và tàu dầu d/D < giá trị xấp xỷ 0.65 Tàu container
d/D < giá trị xấp xỷ 0.74
Vì những lý do chế tạo, đường kính chân vịt hiếm khi vượt 8.5 m mặc dầu là đường kính chân vịt lớn nhất hiện nay xấp xỷ 12 m.
Chân vịt có thểđược chế tạo 2,3,4,5 hoặc 6 cánh. Số lượng cánh càng ít thì hiệu suất chân vịt càng cao. Tuy nhiên vì lý do độ bền mà chân vịt là cái phải chịu những tải trọng lớn không thểđược chế tạo với hai hoặc ba cánh.
Chân vịt hai cánh được sử dụng trên tàu nhỏ còn chân vịt ba, bốn, năm, sáu cánh được sử dụng trên tàu lớn. Các tàu sử dụng động cơ chính là loại hai kỳ công suất lớn thấp tốc của MAN & BW thường dùng chân vịt 4 cánh . Các tàu yêu cầu công suất tương đối lớn và chân vịt chịu tải nặng như tàu Container yêu cầu số cách chân vịt là 5, 6 cánh. Vì lý do dao động, chân vịt có một số cánh nào đó có thể tránh được trong một số trường hợp riêng lẻ để
không tăng sự kích thích của tần số dao động tự nhiên trong thân tàu và thượng tầng.
Hệ số diện tích đĩa.
Hệ số diện tích đĩa - trong tài liệu cũ được gọi là tỷ số diện tích cánh mở rộng-xác định diện tích mặt cánh so với diện tích đĩa của chân vịt, giá trị
vào khoảng 0.55 được coi là tốt. Tỷ số diện tích đĩa của chân vịt 4 cánh khá nhỏ, vì khi giá trị này cao sẽ chỉ đưa đến tăng sức cản phụ trên chính cánh chân vịt do vậy đạt được ít hiệu quả trong kết quả cuối cùng.
Với chân vịt chịu tải nặng có số cánh 5 hoặc 6 cánh sẽ có hệ số này cao hơn. Với tàu chiến, hiệu suất này có thể tới 1.2.
Tỷ số bước / đường kính
Tỷ số bước / đường kính biểu diễn tỷ số giữa bước chân vịt p với đường kính của chân vịt d ( xem hình 6 ). p là khoảng dịch chuyển của chân vịt khi " xoắn " trong nước trong một vòng quay với giả định là không có hiện tượng trượt ( tham khảo phần tiếp theo và hình 6 ). Vì bước có thể thay đổi theo bán kính của cánh nên tỷ số thường liên quan tới bước ở giá trị 0.7 r - ởđây r=d/2 là bán kính của chân vịt.
Để có được hiệu suất cao nhất của chân vịt khi có đường kính d của chân vịt cho trước thì tỷ số bước / đường kính phải được xác định tối ưu và
đáp ứng cả giá trị vòng vòng quay thiết kế. Nếu , ví dụ như mong muốn giảm vòng quay chân vịt thấp hơn thì tỷ số bước / đường kính cần phải được tăng lên và ngược lại tại mức độ hiệu suất của chân vịt được tính toán. Mặt khác nếu mong muốn vòng quay thấp đi và chiều chìm của tàu cho phép lựa chọn một đường kính chân vịt lớn sẽ cho phép giảm vòng quay nhỏ hơn và cùng lúc đó sẽ tăng được hiệu suất đẩy cao hơn.
Hệ số chân vịt J, T Q
K
của nước ρ . Ba cái quan trọng nhất của các hệ số này sẽ được bàn đến như
dưới đây
Số biểu kiến không thứ nguyên của chân vịt là tỷ số giữa vận tốc dòng tới với tích số của vòng quay n và đường kính d . A V J n d =
Lực đẩy T được biểu diển không thứ nguyên với sự giúp đỡ của hệ số
TK K 2 4 . T T K n d ρ =
và mô men của chân vịt 2 D P Q n π
= được biểu diễn không thứ nguyên với sự trợ giúp của hệ số KQ 2 5 . . Q Q K n d ρ =
Hiệu suất chân vịt η0 có thể được tính toán với sự trợ giúp của các hệ
số không thứ nguyên đã nói như trên, bởi vì như vừa nói, hiệu suất chân vịt
được định nghĩa như: 0 2 2 T A T D Q P TxV K J x P Qx xn K η π π = = = Với sự trợ giúp của các đồ thức riêng và rất phức tạp, chứa đựng các
đường cong J, KT và KQ có khả năng tìm và tính toán được các giá trị kích thước, hiệu suất, lực đẩy và công suất … của chân vịt.
3.4 Trạng thái hoạt động của chân vịt
Tỷ số trượt S
Nếu chân vịt không có hiện tượng trượt , nghĩa là nước không bị dạt (không bị chảy nhanh về phía sau) thì chân vịt sẽ chuyển dịch vế phía trước với tốc độ V = P. n , n- ở đây là tốc độ quay của chân vịt, P là bước của chân vịt. Xem hình 3.3.
Nhưng thực sự là nước bị dạt và chuyển động nhanh dần về phía sau của tàu nên tốc độ của chân vịt giảm và bằng tốc độ của tàu V. Độ trượt thấy
được S = P.n -V.
Tỷ sốđộ trượt biểu kiến không thứ nguyên sẽ bằng:
. 1 . . A P n V V S P n P n − = = −
Tỷ số độ trượt biểu kiến được tính toán bởi thuyền viên trên tàu cung cấp một thông tin về sự biểu hiện của tải tác động vào chân vịt trong các điểu kiện hoạt động khác nhau. Tỷ sốđộ trượt lớn có nghĩa là tàu chạy ngược sóng hoặc gió, tàu chạy ở vùng nước cạn, vỏ tàu bẩn hoặc tàu tăng tốc độ.
Tỷ số độ trượt thực SR sẽ lớn hơn tỷ số độ trượt biểu kiến SAvì tốc độ
dòng tới chân vịt VA nhỏ hơn tốc độ tàu V và công thức tính tỷ số độ trượt thực cho thấy toàn cảnh chức năng của chân vịt là:
A 1 A 1 (1 ) R Pn V V V w S Pn Pn Pn − − = = − = −