TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA CƠ KHÍ THIẾT KẾ MÔN HỌC LÝ THUYẾT TÀU GV Hướng dẫn : Hoàng Trung Thực Sinh viên : Cao Văn Trình Lớp : MTT51 – ĐH1 Mã SV : 39283 Đề bài: Thiết kế chong chóng tàu hàng khô 10000 tấn, vận tốc 13,5 hl/giờ, chạy tuyến Hải Phòng – Tây Âu. Cho kích thước chủ yếu của tàu như sau: L × B × D × d = 124 × 21 × 10,5 × 7,6 (m) C B × C M × C WP = 0,74× 0,98 × 0,835 GIỚI THIỆU CHUNG Loại tàu: Tàu hàng khô Chiều dài: L = 124 (m) Chiều rộng: B = 21 (m) Chiều chìm: d =7,6 (m) Hệ số béo thể tích: C B = 0,74 Hệ số béo sườn giữa: C M = 0,98 Hệ số béo đường nước: C WP = 0,835 Trọng tải: 10.000T Vận tốc : v s = 13,5 hl/giờ 1 MỤC LỤC Trang Đề bài 1 PHẦN 1 TÍNH TOÁN SỨC CẢN VÀ CÔNG SUẤT KÉO CỦA TÀU 3 1.1 Lựa chọn phương pháp tính 3 1.2 Tính toán lực cản và công suất kéo 4 PHÀN 2 TÍNH TOÁN CHONG CHÓNG 7 2.1 Chọn vật liệu 7 2.2 Tính toán hệ số dòng theo và hệ số lực hút 7 2.3 Chọn sơ bộ đường kính chong chóng 8 2.3.1. Chọn sơ bộ công suất của động cơ 8 2.3.2. Chọn sơ bộ vòng quay của chong chóng 8 2.3.3. Chọn sơ bộ đường kính 8 2.4 Chọn số cánh chong chóng 9 2.5 Tính các yếu tố cơ bản của chong chóng 9 2.5.1. Chọn tỉ số đĩa theo điều kiện bền 9 2.5.2. Tính toán các yếu tố cơ bản của chong chóng và lựa chọn động cơ chính 10 2.5.3. Tính toán chong chóng đảm bảo khai thác hết công suất của động cơ và đạt được tốc độ tối đa 12 2.5.4. Kiểm tra tỉ số đĩa theo điều kiện bền 13 2.6 Xây dựng bản vẽ chong chóng 13 2.6.1. Xây dựng hình bao hình bao duỗi thẳng của chong chóng 13 2.6.2. Xây dựng profin cánh 14 2.6.3. Xây dựng hình chiếu pháp và hình chiếu cạnh 15 2.6.4. Xây dựng củ chong chóng 15 PHẦN 1: TÍNH TOÁN SỨC CẢN VÀ CÔNG SUẤT KÉO CỦA TÀU 2 1. Tính sức cản của tàu 1.1. Lựa chọn phương pháp tính Trong hàng loạt các vấn đề đặt ra cho người đóng tàu thuỷ khi thiết kế một con tàu mới cần đảm bảo hình dạng vỏ tàu và trang trí động lực sẽ hiệu quả nhất về mặt động lực học trong phạm vi yêu cầu thiết kế. Lần thử tàu cuối cùng sẽ tiến hành ở tốc độ yêu cầu, với công suất nhỏ nhất phải đạt được sự phù hợp tốt nhất giữa sức cản và hiệu suất đẩy cao. Một nhân tố khác ảnh hưởng đến thiết kế thuộc phương diện động lực học của con tàu là cần đảm bảo không chỉ đặc tính vùng nước yên tĩnh tốt mà còn cả điều kiện hoạt động bình thường trên biển, con tàu phải chuyển động bình thường, các mặt boong bị ướt và tổn thất tốc độ ít trong điều kiện thời tiết xấu. Đặc tính nước yên tĩnh là điều kiện quan trọng nhất. Nước tĩnh là vùng nước mà không có sóng, không có gió, không có dòng chảy. Sức cản của một con tàu ở tốc độ cho trước chính là lực cần thiết để kéo con tàu với tốc độ đó trong vùng nước yên tĩnh. Giả sử không có giao thoa từ tàu kéo, nếu vỏ tàu không có các phần phụ, sức kéo này được gọi là sức cản vỏ tàu trần. Công suất cần được để thắng sức cản này gọi là công suất có ích hay công suất kéo(EPS): EPS= R.v (W) Sức cản tổng được tạo thành bởi một số các thành phần khác nhau do các nguyên nhân khác nhau và tác động lẫn nhau theo quy luật rất phức tạp. Để giải quyết vấn đề này đơn giản hơn, thông thường người ta coi sức cản tổng được tạo thành bởi 4 thành phần chính: - Sức cản ma sát do chuyển động của vỏ tàu qua chất lỏng nhớt. - Sức cản tạo sóng, do năng lượng được tàu cung cấp liên tục cho hệ sóng được tạo ra trên mặt nước. - Sức cản xoáy, do năng lượng mà các xoáy từ vỏ tàu hay các phần phụ mang đi. Hiện tượng xoáy cục bộ sẽ xảy ra sau các phần phụ như củ chân vịt, trục, các thanh đỡ trục, từ các khung đuôi và các bánh lái nếu các phần này không được tạo dáng động học phù hợp và không thẳng hàng với dòng chảy. Cũng tương tự như vậy, nếu đuôi sau của tàu dài quá, nước có thể không theo kịp mặt cong và sẽ tách ra khỏi vỏ tàu, sẽ làm tăng các xoáy và sức cản phân tách. - Sức cản không khí sinh ra ở phần thân tàu trên mặt nước và kiến trúc thượng tầng do chuyển động của tàu trong không khí. Sức cản tạo sóng và sức cản xoáy thường lấy tên chung là sức cản dư. Ngoài ra còn 1 số sức cản: sức cản hình dáng, sức cản phần nhô… Sức cản tàu có thể tính theo nhiều phương pháp khác nhau, độ chính xác cũng khác nhau và khả năng thực tế thực hiện của từng phương pháp cũng khác nhau. Có thể xác định sức cản của tàu theo những phương pháp khác sau: 1. Xác định sức cản bằng phương pháp phân tích 2. Xác định sức cản trên cơ sở khảo sát mô hình 3. Xác định sức cản nhờ các công thức gần đúng 4. Xác định sức cản trên cơ sở phân tích các kết quả thử trên đoạn đường đo đạc. Có rất nhiều phương pháp tính gần đúng sức cản tàu thủy dựa vào kết quả khảo sát mô hình và kết quả đo ở các tàu thực. 3 Các phương pháp được biết nhiều nhất : - Papmiel,Ayre, Lapa-Keller, Kabaczynski,Holtrop-Mennen cho tàu vận tải 1 hoặc 2 chong chóng. - Doust và Oertsmersen – tàu đánh cá. - Kafali và Henschke – tàu vận tải cỡ nhỏ… - Seri 60 – tàu hàng, tàu dầu, tàu chế biến hải sản… ⇒ Phương pháp lựa chọn để tính toán: phương pháp Seri 60 - Giới hạn áp dụng của phương pháp Seri 60 để tính sức cản của tàu: C B = 0,6 ÷ 0,8 B/d = 2 ÷ 5 L/B = 6 ÷ 8,5 L/ 3 ∇ = 5 ÷ 7,5 ( ∇ là thể tích chiếm nước của tàu) - Kiểm tra điều kiện áp dụng: L/B = 124/21 = 5,9 (1-1) B/d = 21/7,6 = 2,76 (1-2) B C = 0,74 (1-3) ⇒ Tàu thoả mãn các điều kiện áp dụng của phương pháp Seri 60 Vậy ta có thể áp dụng phương pháp Seri 60 để tính sức cản cho tàu. 1.2. Tính sức cản tàu - Hệ số lực cản dư xác định theo công thức: C R = C Ro × k l × k B/d × a B/d Trong đó: C Ro = f (C B, F r ) – Tra trên đồ thị 6.9 theo C B = 0,74 Fr = v/ gL (g = 9,81 m/s 2 - gia tốc trọng trường) k B/d và a B/d là hệ số tính đến ảnh hưởng của tỷ số B/d - Tra trên đồ thị 6.8 và 6.10 theo B/d = 2,76 k l là hệ số ảnh hưởng của chiều dài tương đối l = L/ 3 ∇ ∇ là thể tích chiếm nước của tàu: ∇ = C B × L × B × d = 0,74 × 124 × 21 × 7,6 = 14644,90 ( 3 m ) l = L/ 3 ∇ = 5,07 (m) k l tra đồ thị 6.11 theo l = 5,07 R e = vL/ ν Trong đó: R e: số Reynold ν : hệ số nhớt động học của chất lỏng, lấy ν = 1,056.10 -6 m 2 /s C Fo .10 3 =[ 0,455/(lgR e ) 2,58 ] × 10 3 C A . 10 3 - hệ số kể đến độ nhám (bảng 1.2) C AP . 10 3 – hệ số kể đến phần nhô (bảng 1.3) - Lực cản tàu: R = 2 1 ρ .C × 10 3 . v 2 . Ω 4 Trong đó: ρ =104 KG.s 2 /m 4 Ω là diện thích mặt ướt của tàu Ω = (1,01 ÷ 1,03) Ω 0 Ω 0 = L.d.[2 + 1,37.(C B – 0,274). d B ] = 124× 7,6 ×[2 + 1,37 ×(0,74 – 0,274)×2,76] = 3545,34 m 2 Ω = 3600 m 2 Công suất kéo của tàu : P E = R × v Kết quả tính toán được ghi ở bảng sau: BẢNG TÍNH LỰC CẢN VÀ CÔNG SUẤT KÉO TÀU THEO SERI 60 TT Đại lượng tính toán Đơn vị Vận tốc giả thiết 1 Vận tốc giả thiết: v s hl/g 12 12,5 13 13,5 14 2 Vận tốc giả thiết: v = 0,5144 v s m/s 6,173 6,43 6,687 6,944 7,202 3 v 2 (m/s) 2 38,10 41,345 44,72 48,22 51,87 4 Fr = v/ gL - 0,177 0,184 0,192 0,199 0,206 5 C Ro = f (C B, F r ) – Đồ thị 6.9 - 1,08 x10 3 1,10 x10 3 1,12 x10 3 1,17 x10 3 1,30 x10 3 6 k l - Đồ thị 6.11 - 1,39 1,40 1,41 1,43 1,44 7 k B/d - Đồ thị 6.8 - 1,05 1,06 1,03 1,06 1,04 8 a B/d – Đồ thị 6.10 - 0,915 0,915 0,916 0,917 0,919 9 C R = C Ro × k l × k B/d × a B/d - 1,442 1,494 1,490 1,626 1,789 10 R e = vL/ ν - 724,86 x10 6 755,04 x10 6 785,2 x10 6 815,4 x10 6 845,67 x10 6 11 C Fo .10 3 =[ 0,455/(lgR e ) 2,58 ] × 10 3 - 1,64 1,63 1,62 1,61 1,60 12 C A . 10 3 - hệ số kể đến độ nhám (bảng 1.2) - 0,374 0,374 0,374 0,374 0,374 13 C AP . 10 3 – hệ số kể đến phần nhô (bảng 1.3) - 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 14 C × 10 3 = [9] + [11] + [12] + [13] - 3,606 3,648 3,634 3,76 3,913 15 R = 2 1 ρ .[14].[3]. Ω kN 257,2 282,3 304,2 339,4 380 16 P E = [15].[2] KW 1587,7 1815,19 2034,19 2356,79 2736,76 Với tàu có vận tốc 13,5 knot có + R = 339,4 kN 5 + P E = 2356,79 KW 6 PHẦN 2 : TÍNH TOÁN CHONG CHÓNG 2.1. Chọn vật liệu +Vật liệu thường dùng làm chong chóng là: đồng thau ( KHB s C-1) đối với chong chóng có bước tiến cố định hoặc biến bước. + Thép-Cacbon thường được dùng đối với chong chóng có bước cố định kết cấu hàn. Vậy ta chọn vật liệu chế tạo chong chóng là đồng thau KHB s C-1. QCVN 2010-Phần 7A về vật liệu –Chương 7 : Đồng và hợp kim đồng. – 7.2 :Hợp kim đồng đúc (Đồng thau- Mangan – Cấp 1) : HBsC1 _Thành phần hóa học : +Thành phần kẽm tương đương (%)= 100. (%) 100 100 Cu A − + Trong đó A=Sn+5Al-0,5Mn-0,1Fe-2,3Ni(%) +Thành phần hóa học (%) của HBsC1: (52 62)%Cu ÷ , (0,5 3,0)%Al ÷ , (0,5 4,0)%Mn ÷ , (35 40)%Zn ÷ , (0,5 2,5)%Fe ÷ , 1,0%Ni ≤ , 1,5%Sn ≤ , 0,5%Pb ≤ *Giới hạn độ bền +Giới hạn chảy: 2 175( / )N mm≥ +Giới hạn bền kéo: 2 460( / )N mm≥ +Độ giãn dài(%): 20 ≥ 2.2. Tính toán hệ số dòng theo và hệ số lực hút - Hệ số dòng theo T ω Theo Papmiel : T ω = T D C P Z B ω ∆− ∆ 3 165,0 Trong đó : C B – hệ số béo của tàu C B = 0,74 ∇ : thể tích chiếm nước của tàu, m 3 ∇ = 14644,90 m 3 7 D : đường kính chong chóng, m D = 10,5 m wT∆ : tổn thất dòng theo do kể đến quá trình tạo sóng wT ∆ = 0,1.C B .(Fr-0,2) Lg v Fr . = = 0,199 ⇒ wT∆ ≈ 0 Z p : số chong chóng Z p = 1 (chong chóng) ⇒ T ω = 0,165.0,74. 1 3 5,10 90,14644 - 0 = 0,2845 - Hệ số lực hút t t = 0,7. T ω = 0,7. 0,2845 = 0,199 2.3. Chọn sơ bộ đường kính chong chóng 2.3.1. Chọn sơ bộ công suất của động cơ P s = k P E .85,0 Trong đó : k = 0,5 ÷ 0,7 – hệ số Chọn k = 0,55 P E : công suất kéo của tàu P s = 55,0.85,0 79,2356 = 5041,26 kW Chọn P s = 5045 kW Vậy với P s =5045 kW thì chọn sơ bộ máy chính Mác động cơ Công suất Kw Vòng quay rpm Đường kính XL D(mm) Hành trình piston S(mm) 8 8L35MC 5200 210 350 1050 2.3.2. Chọn sơ bộ vòng quay của chong chóng Số vòng quay n trong khoảng 100 – 250 rpm Chọn n = 190 rpm 2.3.3. Chọn sơ bộ đường kính Đường kính sơ bộ của chong chóng tính theo công thức : D sb n = 11,8 4 T  D sb = n T 4 8,11 Trong đó : D - đường kính chong chóng, m T - lực đẩy chong chóng, kN T = T E /(1-t) = R/(1-t), kN T =339,4/(1-t) = 423,72 kN n - vòng quay chong chóng, rpm n = 190 rpm ⇒ D sb = 190 72,4238,11 4 = 3,88 m Chọn D sb = 3,9 m Kiểm tra điều kiện D sb = (0,5 ÷ 0,6)d Xét d = 7,6 m ⇒ D sb /d = 3,9/7,6 =0,51 ( thỏa mãn ) 2.4. Chọn số cánh chong chóng k NT = 4 T n v A ρ k DT = v A .D. T ρ Trong đó : v A – Vận tốc tiến của chong chóng, m/s v A = v s . (1- T ω ).0,5144 m/s 9 ⇒ v A = 13,5.(1- 0,2845).0,5144 = 4,97 m/s n - Vòng quay chong chóng, rps n=190 rpm = 3,17 rps T – Lực đẩy chong chóng, kN D – Đường kính chong chóng, m 104= ρ KG.s 2 /m 4 = 1,04 KN.s 2 /m 4 ⇒ k NT = 4 72,423 04,1 17,3 97,4 = 0,62 ⇒ k DT = 4,97.3,9. 72,423 04,1 = 0,96 Nếu k NT <1 và k DT < 2 thì chọn Z=4 và ngược lại Z = 3 Vậy số cánh chong chóng Z = 4 ( cánh) 2.5. Tính các yếu tố cơ bản của chong chóng 2.5.1. Chọn tỉ số đĩa theo điều kiện bền [ ] 3 3/2 max min 00 10 . ).08,1.(24,0 σδ mT D Z d A A A A H EE         −=         ≥ Trong đó : Z – Số cánh chong chóng D – Đường kính chong chóng max δ - Chiều dày tương đối của chong chóng ở mặt cắt bán kính tương đối r = R r = 0,6 . max δ = 0,08 T – Lực đẩy chong chóng, kN m – hệ số kể đến trạng thái tải trọng , m = 1,15 [ ] σ - Ứng suất cho phép giới hạn của vật liệu, [ ] σ = 6.10 4 kPa d = D d H = 0,167 – tỷ số giữa đường kính trung bình của củ chong chong với đường kính của nó 10 [...]... lượng riêng của nước, kN/m2 hs=T-0,55D – khoảng cách từ tâm trục chong chóng đến đường nước thiết kế, m n – vòng quay chong chong, rpm D- đường kính chong chóng, m T = d = 7,6 m  AE Kết quả  A  0   = 0,336   min 2.6 Xây dựng bản vẽ chong chóng 2.6.1 Xây dựng hình bao duỗi thẳng của chong chóng Chiều rộng lớn nhất của cánh bmax bmax= 2,187 D AE ,m z A0 Kết quả bmax = 0,846 m Ta có bảng tọa độ... 0,24.(1,08 –0 ,167).(     2/3 3 10mT [σ ] 4 10.1,15.423,72 ) 2/3 3 = 0,48 4,4.0,08 6.10 4 2.5.2 Tính toán các yếu tố cơ bản của chong chóng và lực chọn động cơ chính a : Hệ số hiệu chỉnh đường kính chong chóng tối ưu giữa làm việc trong nước tự do và làm việc sau đuôi tàu Chọn a=1,05 (Tàu có 1 chong chóng) k E = 0,85 - Hệ số dự trữ công suất đối với tàu chạy biển IQ hệ số kể đến ảnh hưởng của tốc độ không... Trong đó: D – đường kính chong chóng, D = 4 m 2.6.4.5 Tính khối lượng chong chóng Theo Kopeeski thì khối lượng chong chóng được tính như sau: G= b Z γD 3  0, 6 4  D 4.10   d   6,2 + 2.10 4  0,71 − H  D    e0, 6  2   + 0,59γl H d H  D  Trong đó: Z = 4 (Số cánh chong chóng) 18 γ - Trọng lượng riêng của vật liệu chế tạo chong chóng, γ = 8600 kG/m3 D - Đường kính chong chóng, D = 4... lớn nhất của các profin tại các tiết diện : - Chiều dày tại mút cánh : eR=aD(50-D), mm Trong đó : a = 0,06 – đối với chong chóng làm bằng hợp kim đồng D- đường kính chong chóng, m Kết quả eR = 11,04 mm - Chiều dày giả định tại đường tâm trục : e0 , mm với e0 = 0,045D – cho chong chóng 4 cánh Kết quả e0 =0,18 m = 180 mm - Chiều dày lớn nhất của profin tại các bán kính : Trong đó : r = e = e 0 − r (e... dựng củ chong chóng 2.6.4.1 Xác định đường kính trục chong chóng - Đường kính trục chong chóng: d B = 1,12d P + k C D 16 Với dP là đường kính trục trung gian được tính theo công thức sau d P = 923 PS (1 + k ) , mm nm Trong đó: k = q(a – 1) q = 0,4 (động cơ 4 kỳ) a = 1,4 (động cơ 8 xilanh ) k = 0,16 PS – công suất trên bích ra của động cơ hoặc hộp số ( nếu có hộp số ) Ps = 4979,99 kW= 6722,99 cv nm – vòng... Dựa vào đồ thị chọn được động cơ cần thiết Vậy chọn được máy MAN B&W 8L35MC có Ps = 5200 kW N = 210 rpm Chọn vòng quay chong chóng n = 190 rpm Vậy cần chọn hộp giảm tốc có tỉ số truyền i P = N 210 = =1,1 n 190 Tỉ số bước: P/D= 0,70 Hiệu suất làm việc của chong chóng :η D = 0,58 2.5.3 Tính toán chong chóng đảm bảo khai thác hết công suất của động cơ và đạt được tốc độ tối đa 12 210 3,5 Do lựa chọn động... 6722,99 cv nm – vòng quay định mức của trục chong chóng, rps dP = 923 6722,99 1,.16 = 318 mm 190 Chọn dP = 320 mm dB=1,12.320+10.4= 399 mm kC = 10 (trục có ống bao là hợp kim đồng) D – đường kính chong chóng, m - Độ côn trục: k = 1/10 ÷ 1/15 Chọn k = 1/12 - Chiều dài phần côn trục: lk = (90 ÷ 95)%lH Lấy lK = 0,9.lH = 0,777 (m) 2.6.4.2 Xác định kích thước củ chong chóng - Chiều dài củ lH lấy lớn hơn 2% ÷... tra tỷ số đĩa theo điều kiện không xảy ra xâm thực: Theo Schoenher thì tỉ số đĩa nhỏ nhất không xảy ra xâm thực được tính theo công thức sau : 13  AE  A  o  k  = 1,275ξ c ( nD ) 2  P0  min Trong đó : ξ = 1,3÷,16 - hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào tải trọng chong chóng Chọn ξ = 1,5 kC = f(Z;P/D;J) – hệ số, tra đồ thị kC = 0,17 P0 = ( Pa + γhs ) , kN/m2 Pa=101,340 – áp suất khí quyển, kN/m2 γ... 2% ÷ 3% chiều rộng lớn nhất của hình chiếu cạnh lH = 1,05.1,02= 0,86 (m) - Độ côn củ chong chóng: kH = 1/15 ÷ 1/20 Chọn kH = 1/15 - Đường kính trung bình củ chong chóng: d H = 0,167 D = 0,167.4 = 0,72 (m) - Chiều dài lỗ khoét để giảm nguyên công cạo rà: l0 = (0,25 ÷ 0,3)lk Lấy l0= 0,3lK = 0,3.0,777 =0,233 (m) - Chiều sâu rãnh khoét chọn hợp lý theo khả năng công nghệ 2.6.4.3 Chọn then - Chiều dài then:... chóng) 18 γ - Trọng lượng riêng của vật liệu chế tạo chong chóng, γ = 8600 kG/m3 D - Đường kính chong chóng, D = 4 m dH - Đường kính của củ chong chóng, dH = 0,72 m lH - Chiều dài củ chong chóng, lH = 0,86 m e0,6 - Chiều dài cánh tại 0,6R b0,6 - Chiều rộng cánh tại 0,6R Kết quả : G = 5440 kg 19 . HÀNG HẢI KHOA CƠ KHÍ THIẾT KẾ MÔN HỌC LÝ THUYẾT TÀU GV Hướng dẫn : Hoàng Trung Thực Sinh viên : Cao Văn Trình Lớp : MTT51 – ĐH1 Mã SV : 39283 Đề bài: Thiết kế chong chóng tàu hàng khô 10000 tấn,. Kabaczynski,Holtrop-Mennen cho tàu vận tải 1 hoặc 2 chong chóng. - Doust và Oertsmersen – tàu đánh cá. - Kafali và Henschke – tàu vận tải cỡ nhỏ… - Seri 60 – tàu hàng, tàu dầu, tàu chế biến hải sản… ⇒ Phương. : Z – Số cánh chong chóng D – Đường kính chong chóng max δ - Chiều dày tương đối của chong chóng ở mặt cắt bán kính tương đối r = R r = 0,6 . max δ = 0,08 T – Lực đẩy chong chóng, kN m – hệ