Chương II. TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TÀU 1. TÍNH SỨC CẢN VÀ CHỌN CÔNG SUẤT MÁY CHÍNH 1.1 Tính sức cản Sức cản tàu là tổng hợp tất cả các ngoại lực tác dụng lên tàu làm giảm khả năng chuyển động của tàu. Ngoại lực tác dụng lên tàu do nhiều thành phần: sức cản sóng, sức cản ma sát, sức cản áp suất . . . để tàu chuyển động được thì lực tạo ra do thiết bò đẩy của tàu phải thắng được ngoại lực nầy. Do đó việc tính sức cản tàu là rất quan trọng trong quá trình thiết kế tàu. Có rất nhiều phưong pháp tính sức cản tàu, tuy nhiên mỗi phương pháp chỉ cho kết quả tốt nhất cho một số loại tàu nhất đònh (có những thông số phù hợp), vì vậy khi tính sức cản chúng ta phải lựa chọn phương pháp thích hợp nhất cho tàu mình thiết kế để có được kết quả đáng tin cậy. Ở đây chỉ nêu một số phương pháp tính sức cản gần đúng cho một số loại tàu. a. Tính sức cản theo phương pháp hải quân. Sử dụng để tính công suất kéo của tàu trong qúa trình thiết kế sơ bộ. Công thức tính như sau: 0 3/2 3 0 C Dv N s = Trong đó: N 0 là công suất kéo cần thiết của tàu V S : Vận tốc tàu (hl/h) D: Lượng chiếm nước của tàu C 0 : Hệ số hải quân . Hệ số hải quân xác đònh từ tàu mẫu hoặc theo bảng thống kê (phụ lục). Phương pháp nầy cho kết quả tốt khi lựa chọn tàu mẫu hợp lý nghóa là ta phải chọn tàu mẫu có hình dạng gần giống với tàu ta thiết kế. b. Phương pháp Papmel Sử dụng cho các tàu có các thông số cơ bản như sau: δ = 0.35 ÷ 0.8 L/B = 4 ÷ 11 B/T = 1.5 ÷ 3.5 Fr < 0.9 14 Công thức tính: P s C v x L D N 3 0 ψ λ = Trong đó: D: Lượng chiếm nước của tàu (m 3 ) L: Chiều dài thiết kế của tàu (m) χ: Hệ số phụ thuộc vào số trục chân vòt χ = 1 khi tàu có một trục chân vòt. χ = 1,05 khi tàu có hai trục chân vòt. χ = 1,075 khi tàu có ba trục chân vòt. χ = 1,1 khi tàu có bốn trục chân vòt. Hệ số λ được tính theo công thức sau: 100 3.07.0 L += λ L ≥ 100 thì λ = 1 δψ L B 10= - Hệ số thon của tàu với B là chiều rộng của tàu, L là chiều dài tàu, δ là hệ số béo thể tích của tàu. C P : Là hệ số xác đònh từ đồ thò Papmel (phụ lục) trong đó hệ số v S ’ được xác đònh như sau: L vv s s ψ = , Sức cản toàn bộ của tàu được xác đònh như sau: v N R 0 75= (kG) với v(m/s), N 0 (cv) (Các phương pháp tính sức cản khác tham khảo Sổ Tay Kỹ Thuật Đóng Tàu Tập 1) c. Tính sức cản cho tàu sông theo phương pháp Zvonkov. 15 Theo các số liệu của Zvonkov, lực cản tàu sông (vỏ thép, tự hành) có thể tính theo công thức sau: Fr r vSvR 47,1825,1 + Θ +Ω= ξδξ Trong đó: ξr : Hệ số lực cản ma sát ξ r = 0.17 đối với tàu vỏ thép ξ r = 0.23 ÷ 0.25 đối với tàu vỏ gỗ S ⊗ : Diện tích sườn giữa (m 2 ) Ω: Diện tích mặt ướt (m 2 ) Diện tích mặt ướt của tàu được tính theo công thức gần đúng sau: ) 09,2 3,3( 3/1 3/2 V L V +=Ω V: Thể tích chiếm nước của tàu (m 3 ) L: Chiều dài mặt ướt của tàu (m) δ: Hệ số béo thể tích của tàu v: Vận tốc tàu Fr: Hệ số Froude của tàu được tính theo công thức sau: gL v Fr = v: Vận tốc tàu (m/s) L: Chiều dài tàu (m) ξ: Hệ số lực cản dư. Hệ số lực cản dư được tính như sau: 2) 6 ( 7,17 3 5,2 + = B L m δ ξ m = 1.0 đối với tàu có thiết bò đẩy là chân vòt m = 1.2 Đối với tàu có thiết bò đẩy là chân vòt trong ống đạo lưu 16 Lập bảng thống kê và vẽ đồ thò sức cản Bảng thống kê: v(km/h) v(m/s) R f (kG) R d (kG) R(kG) (1) (2) (3) (4) (5) V 1 V 2 v n … … … … Giải thích các cột : (1) v: Vận tốc tàu (theo nhiệm vụ thư hoặc giả thiết) (2) R f = ξ r .Ω.v 1,825 (3) R d = δ.ξ.S ⊗ .v 1,7+4Fr (4) R = R f + R d • Vẽ đồ thò sức cản: Dựa vào các thông số đã liệt kê trong bảng ta vẽ được đồ thò sức cản theo vận tốc tàu. R(kG) v(km/h) 1.2 Chọn máy chính. Trong tính toán sơ bộ, để tính công suất máy chính ta có thể tính sơ bộ theo công thức sau: 75 0 Rv N = 17 với: v là vận tốc tàu, R là sức cản toàn phần của tàu. Công suất trên chỉ có ý nghóa trong thiết kế sơ bộ tàu, trong các giai đoạn thiết kế tiếp theo ta phải tính tương đối chính xác công suất máy và chọn được máy phù hợp với chế độ làm việc của tàu, tạo được hiệu suất đẩy cao nhất và tương thích với chân vòt. Thông thường người ta tính chọn máy cho các trường hợp cụ thể sau: a. Chọn máy chính cho tàu làm việc theo chế độ chạy tự do, đường kính chân vòt không hạn chế. Thông số đầu vào: sức cản tàu R = f(v) và vận tốc tàu v max Yêu cầu: Xác đònh công suất máy chính, tần số quay chân vòt, thông số chính của chân vòt. Sơ đồ tính: Đầu tiên, ta chọn số vòng quay chân vòt trong một khoảng giới hạn xác đònh (ví dụ chọn vòng quay chân vòt là 400 v/ph, 600v/ph, 800v/ph . . . ) tại mỗi tần số quay chân vòt ta tiến hành tính theo các bước sau: 1. Xác đònh hệ số 4 ' T n Vp nK ρ = Trong đó T, Vp được tính như sau: )1( max. t VR T − = R: Sức cản tàu (đã tính ở phần 1 – xét tại Vmax) Vmax: vận tốc lớn nhất của tàu t: hệ số lực hút (xem phần III) Vp = V(1-w) Trong đó: V: vận tốc tàu (m/s) w: Hệ số dòng theo ( xem phần III ) ρ mật độ nước, ρ = 104,5 kGs 2 /m 4 n: số vòng quay chân vòt (giả thiết) – đơn vò (v/s) 2. Trên đồ thò Jopt = F2(K’n) ta đọc được giá trò Jopt 3. Đường kính chân vòt tối ưu: n Vp Jopt Dopt 1 = 18 4. Xác đònh hiệu suất tối ưu theo đồ thò ηP = F4(KT,J). 5. Xác đònh công suất theo công thức sau: Công suất keó cần thiết: 75 Rv EPS = v(m/s), R(kG) Công suất máy: PRVTHS EPS Pe ηξηηη = Trong đó: η HS : Hiệu suất hộp số η HS = 0.95–0.97 với hộp số thủy lực. η HS = 0.97-0.98 với hộp số điện từ. η T : Hiệu suất trục chân vòt η T = 0.95 khi đường trục dài η T = 0.97 khi dùng ổ đỡ là bi cầu hoặc bi lăn η V : Hiệu suất vỏ tàu η V = 0.98-1.2 ξ R : Hiệu suất dòng xoáy. ξ R = 1.0-1.025 η P : Hiệu suất chân vòt (xác đònh the đồ thò ở bước 4) 6. Vẽ đồ thò Pe, D, H/D, ηP theo n. Tại giá trò nP lớn nhất ta xác đònh được các giá trò Pe, D, H/D, n hợp lý. Đồ thò có dạng như sau: 19 1 N 2 N p Pe η p η D max D N 3 N 4 N 5 N η p Pe Từ công suất máy đọc được trên đồ thò ta chọn máy phù hợp với tính năng khai thác của tàu ta thiết kế. Việc chọn máy chính cho tàu có được thể hiện qua bảng sau: Số vòng quay chân vòt (hoặc máy) v/ph TT Công thức, ký hiệu Đvò N1 N2 N3 1 2 3 4 5 6 7 n=N/60 4 ' T n Vp nK ρ = Jopt = f(K’n) từ đồ thò n Vp Jopt D 1 = H/D = f 1 (K’n, J) η P = f 2 (K’n, J) EPS = Rv/75 Pe = EPS/η HS η V η T ξ R η P v/s m HP HP 20 8 (Các giá trò trong các cột đã trình bày ở phần trên) 2. THIẾT KẾ CHÂN VỊT. 2.1 Chọn số cánh chân vòt và tỉ lệ mặt điã. a. Chọn số cánh chân vòt: Số cánh chân vòt thay đổi từ 2 đến 8 cánh. Theo kinh nghiệm, người ta thường dùng như sau:  Chân vòt 2 cánh: dùng cho thuyền buồm gắn máy hoặc cho tàu lưới bé  Chân vòt 3 cánh dùng cho các tàu nhỏ trang bò một hoặc hai máy (chân vòt 3 cánh gắn lên tàu 1 chân vòt có khả năng gây ra rung động vỏ tàu)  Chân vòt 4 cánh được dùng rộng rãi trên các loại tàu.  Các loại chân vòt có số cánh lớn hơn được dùng trên các tàu có công suất lớn. Lưu ý: Không nên chọn chân vòt có số cánh là ước số cuả số xilanh máy chính. b. Tỷ lệ mặt điã. Để tránh hiện tượng sủi bọt và xâm thực, tỷ lệ mặt điã của chân vòt không được nhỏ hơn giá trò tính theo công thức sau: k pp TZ A Ae do + − + = )( )3,03,1( Trong đó: Z: số cánh chân vòt T: lực đẩy chân vòt k = 0.2 cho tàu một chân vòt p d : áp suất hơi bảo hòa, p d = 240 kg/m 2 p o : áp suất thủy tónh. p o = (p a +γh S ) p a = 10.330kG/m 2 (áp suất khí quyển) h S : Chiều chìm đến trục chân vòt γ : trọng lượng riêng của nước, 21 γ = 1000 kg/m 3 – Đối với nước ngọt γ = 1025 kg/m 3 – Đối với nước biển 2.2 Tính hệ số dòng theo và hệ số lực hút a. Hệ số dòng theo: Các công thức xác đònh hệ số dòng theo: Công thức Taylor:  Tàu một chân vòt: w = 0,5δ - 0,05  Tàu hai chân vòt: w = 0,55δ - 0,2 Công thức Gill:  Tàu một chân vòt: w = δ/1,5 – 0,15  Tàu hai chân vòt: w = δ/1,5 – 0,27 Công thức Papmiel: w D w n ∆− ∇ = 3 156,0 δ Trong đó : n- số chân vòt trên tàu D- đường kính chân vòt, m ∇- thể tích chiếm nước của tàu δ- hệ số béo thể tích ∆w = 0,1(Fr - 0,2): hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng của sóng đuôi (chỉ sử dụng khi số gL v Fr = > 0,2) Công thức Harvald: w = w 0 + w 1 + w 2 (D/L) + w 3 (E/T) trong đó:  w 0 = F(δ,B/L) tra từ đồ thò  w 1 - hệ số ảnh hưởng dạng sườn tàu, tra từ đồ thò 22  w 2 = F(D/L), tra từ dồ thò  w 3 = 0,5E/T – 0,2  E: khoảng cách từ đường cơ bản qua đáy tàu đến trục chân vòt  T: mớn nước Công thức Harvald phù hợp cho các tàu trong phạm vi: Tàu một chân vòt: δ = 0,5÷0,77 L/B = 5 ÷8 D/L = 0,025 ÷0,07 Tàu hai chân vòt: δ = 0,52÷0,67 L/B = 6,5 ÷7,5 Hệ số dòng theo tàu nội đòa không có hầm trục: w Dn w n ∆− ∇ += 3 16,0 11,0 δ Hệ số dòng theo tàu kéo tính theo công thức của Keldvil: Tàu một chân vòt: w = δ/3 + 0,01 Tàu hai chân vòt: w = δ/3 – 0,01 Hệ số dòng theo tàu cá: w = 0,77CP – 0,28 trong đó: CP - hệ số đầy lăng trụ b. Hệ số lực hút Trong vùng làm việc của chân vòt, tốc độ dòng chảy tăng lên làm giảm áp suất cục bộ. Vùng áp suất thấp này là nguyên nhân gây ra lực bổ sung tác động theo hướng ngược với chuyển động của tàu và do đó làm tăng sức cản vỏ tàu. Lực cản bổ sung này gọi là lực hút. Trong hệ thống vỏ tàu-chân vòt, lực này mang tính chất của nội lực. Do đó để đảm bảo cân bằng lực tác động lên vỏ tàu, chân vòt phải tạo thêm lực đẩy cân bằng với lực cản bổ sung. Do đó lực đẩy cần thiết sẽ phải là: 23 [...]... trục nối cứng với bích động cơ nên X11 = 0 ⇒ X21 = ( X11 + X21 ) – X11 = 2, 95 – 0 = 2, 95 Nhòp thứ hai: X 12 = 1 1 = 0,307 = 1 − X 21 1 − 2, 95 1 − 2 1 − 3,407 2, 95 X 21 X 22 = (X 12 – X 22) – X 12 = 2, 05 – 0,307 = 1,743 X 13 = 1 1 = = 0,9 1 − X 22 1 − 1,743 1 − 0 ,24 9 1 − β3 1,743 X 22 Với X13 = 0,9 căn cứ vào đồ thò II ta xác đònh được: µm = µ3 = 0,5 Vậy hệ số B của tần số dao động là: B = 54,8 Nghiệm... phản lực tại các gối đỡ trục La G cv L0 L1 0 M 0R0 L2 1 M 1 R1 L n -1 2 M 2 R2 n -1 Mn -1 Rn -1 Ln n M n Rn L n+1 n+1 M n +R n + 1 1 B Trọng lượng đơn vò của trục: q= πd 2 CV 4 γ (kG/cm) Trong đó : γ = 7,85.1 0-3 kG/cm3 dCV: Đường kính trục chân vòt Phương trình 3 momen: ql 2 0 M 0 = −(GCV l a + ) 2 q M 0 l1 + 2M 1 (l1 + l 2 ) + M 2 l 2 = − (l 31 + l 3 2 ) 4 q M 1l 2 + 2M 2 (l 2 + l3 ) + M 3l3 = − (l 3 2. .. chòu áp lực η0= 0,6 Đường kính trục : D=7, 62 cm Chiều dài đoạn trục treo : l1 = 50 cm Chiều dài giữa 2 gối trục : l2 = 20 5 cm Áp suất cho phép của gối trục cao su : [P] ≤ 2 2, 5 kG/cm2 Diện tích chòu lực các gối : - Gối thứ nhất : S1 = 0,9Dl1η0 =0,9.7, 62. 50.0,6 = 20 5,74 cm2 - Gối thứ hai : S2 = 0,9Dl2η0 =0,9.7, 62. 205.0,6 = 843,534 cm2 Áp suất trên các gối : -Gối thứ nhất :P1 = R1/S1 = 1 32, 79 /20 5,74... 54,8 * 0,5 = 27 ,4 lần/s Kiểm tra sai số: ⎢ nK - nK’ ⎢* 60 ⎢38,8 – 27 ,4 ⎢* 60 = 684 vòng/ph > 10 vòng/ph 48 ⇒ Không thỏa Tính lại lần 2 Vì nK tính được nhỏ hơn nK ban đầu do đó trong lần tính này chọn nK = 33 lần/s Cũng tính cách trên ta có: Trò số các nhòp: µ1 = 0,07 32 2 = 0,85 Hệ số hoạt động X: X11 + X 12 = 2, 94 X 12 + X 22 = 2, 3 X21 = ( X11 + X 12 ) – X11 = 2, 94 – 0 = 2, 94 X 12 = 0,308 X 22 = 2 X13 = 0,89... thuộc số kì động cơ Vì động cơ CUMMIN S-6BT5.9-M là động cơ 4 kì nên q = 0,4 a: hệ số tỷ lệ giữa momen tổng chỉ thò lớn nhất của toàn động cơ với momen xoắn chỉ thò trung bình , a = 2, 15 Hệ số a lấy theo bảng sau : Trò số của hệ số a 38 Số lượng xy lanh Động cơ tác dụng đơn 4 kì 2 kì Số lượng xy lanh 1 14 8 2 6,4 3 Động cơ tác dụng đơn 4 kì 2 kì 7 2, 1 1,3 3,8 8 2 1 ,2 4,5 2, 6 9 1,85 1,15 4 2, 8 2, 2 10 1,6... đỡ trục: Pt = P (1 + 2 cos 2 α )bl Điều kiện cho phép: Pt ≤ [Pt] 36 3.3 Bài toán ví dụ: Thiết kế hệ trục cho tàu có các thông số cơ bản như sau: - Chiều dài thiết kế : L = 24 ,3m - Chiều rộng : B = 5,4m - Chiều cao : H = 1,8m - Mớn nước : T = 1 ,2 m - Khoảng sườn thực : a = 500mm - Đường kính chân vòt : D = 0.9m Máy chính tàu là Diesel CUMMIN S- 6BT5 9-M với các thông số như sau: - Công suất máy chính... từ k = q(a-1) với q= 0.5 cho các thiết bò có động cơ hai thì q= 0.4 cho các thiết bò có động cơ bốn thì 31 a: hệ số được xác đònh theo bảng sau: Số lượng xilanh Động cơ tác dụng đơn Số lượng xilanh Động cơ tác dụng đơn 4 kỳ 2 kỳ 4 kỳ 2 kỳ 1 14.0 8.0 7 2. 1 1.3 2 6.4 3.8 8 2. 0 1 .2 3 4.5 2. 6 9 1.85 1.15 4 2. 8 2. 2 10 1.6 1.15 5 2. 4 1.8 11 1.5 1.1 6 2. 15 1.5 12 1.4 1.05 Bảng 5: Giá trò hệ số a Ta có thể... / ln −1 ⇒ β 2 = l 2 / l 1 = 20 1 / 59 = 3 , 407 ⇒ β 3 = l 3 / l 2 = 50 / 20 1 = 0 , 24 9 46 Tính sơ bộ vòng quay tới hạn: n k = 49 , 2 1 l 2 max E I η q ( lần/s) Trong đó: ⇒ µ1 = 0,086 2 = 0,999 µ µ 47 µ Căn cứ vào hệ số dựa vào đồ thò I ta xác đònh được các hệ số X ( trừ nhòp cuối không tính vì là nhòp treo ) µ1 = 0,086 ⇒ X11 + X 12 = 2, 95 2 = 0,999 ⇒ X 12 + X 22 = 2, 95 Tính trò số X1n , X2n của tất... + 2M n (l n + l n +1 ) + M n +1l n +1 = − (l 3 n + l 3 n +1 ) 4 q M n l n +1 + 2 M n +1 (l n +1 + l n + 2 ) + M n + 2 l n + 2 = − (l 3 n +1 + l 3 n + 2 ) 4 4M n +1 + 8M B + ql 2 n + 2 = 0 Giải hệ phương trình ta được M0, M1, … Mn+1 Phản lực tại các gối: 34 R0 = GCV + ql 0 + ql1 M 1 − M 0 + 2 l1 R1 = ql1 ql 2 M 0 − M 1 M 2 − M 1 + + + 2 2 l1 l2 Rn = ql n ql n +1 M n −1 − M n M n +1 − M n + + + 2 2 ln... 0,9÷1,05: đối với tàu có bánh lái phẳng +Tàu hai chân vòt: t = 0 ,25 w + 0,14 Tàu nội đòa: +Tàu một chân vòt: t = 0,6w(1 + 0,67w) +Tàu hai chân vòt: t = 0,8w(1 + 0 ,25 w) Đối với các tàu có chân vòt ngập hoàn toàn trong hầm đuôi có thể tính t=w Tàu kéo, tàu đánh cá: t = 0,77CP – 0,3 24 2. 3 Thiết kế chân vòt Sau khi đã xác đònh được sức cản tàu và xác đònh được máy chính ta tiến hành thiết kế chân vòt cho . nhân gây ra lực bổ sung tác động theo hướng ngược với chuyển động của tàu và do đó làm tăng sức cản vỏ tàu. Lực cản bổ sung này gọi là lực hút. Trong hệ thống vỏ tàu- chân vòt, lực này mang. bảng sau: Động cơ tác dụng đơn Động cơ tác dụng đơn Số lượng xilanh 4 kỳ 2 kỳ Số lượng xilanh 4 kỳ 2 kỳ 1 2 3 4 5 6 14.0 6.4 4.5 2. 8 2. 4 2. 15 8.0 3.8 2. 6 2. 2 1.8 1.5. gian (S -1 ) k = 0 cho thiết bò có động cơ kiểu roto, có khớp nối thủy lực hoặc khớp nối điện từ. k = q(a-1) với q= 0.5 cho các thiết bò có động cơ hai thì q= 0.4 cho các thiết bò có động cơ