Đồ án môn học khai thác hđl tính toán, thiết kế hệ thống động lực tàu vận tải lớp trường sa TS12

Nhằm giúp quá trình học tập và nghiên cứu về hệ động lực động cơ diesel tàu thủy, đồng thời có hướng phát triển mô phỏng tính toán tầm hoạt động của các động cơ diesel khác giúp cho học

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Tại Học viện Hải quân, việc học tập, nghiên cứu và làm chủ các trang thiết bịcủa động cơ diesel còn gặp nhiều khó khăn do ít có cơ hội tiếp xúc trực tiếp vớiđộng cơ, tài liệu học tập và tài liệu tham khảo còn hạn chế Một phần trang thiết bịcòn ít, học viên còn chưa được trực tiếp thực hành và nghiên cứu về các loại động

cơ diesel được trang bị trên các tàu Hải quân Việt Nam, đặc biệt là các loại tàu vậntải, để từng bước tiếp cận với động cơ diesel chưa có tại Học viện đồng thời làm tàiliệu phục vụ cho việc học tập môn “ Khai thác hệ động lực tàu thủy quân sự” tại

Học viện Hải quân, tôi đề xuất đồ án môn học: “Tính toán, thiết kế hệ thống động lực Tàu vận tải lớp Trường sa TS12 ” Nhằm giúp quá trình học tập và nghiên cứu

về hệ động lực động cơ diesel tàu thủy, đồng thời có hướng phát triển mô phỏng

tính toán tầm hoạt động của các động cơ diesel khác giúp cho học viên có cái nhìn

trực quan hơn, giúp quá trình vận hành và khai thác hiệu quả trong quá trình họctập và công tác tại đơn vị sau này

2 Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu

- Mục tiêu: Thu thập số liệu, dùng excel tính toán, đánh giá và mô phỏng hệthống động lực tàu vận tải TS12

- Đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Hệ động lực tàu vận tải TS12

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp lý thuyết: thông qua các loại tài liệu tham khảo về hệ động

lực tàu TS12.

- Phương pháp thực nghiệm: sử dụng excel để tính toán và mô phỏng hệ

thống động lực của tàu vận tải TS12

TỔNG QUAN VỀ TÀU VẬN TẢI TS12 1.1 TỔNG QUAN VỀ TÀU TS12

1.1.1 Loại tàu, công dụng

TS12 là tàu vận tải có sức chở 10.500 tấn là loại tàu vỏ thép, kết cấu hàn điện hồ quang, một boong chính, một boong dâng lái và boong dâng mũi Tàu được thiết kế trang bị 01 diesel chính 4 kỳ truyền động trực tiếp cho 01 hệ trục chân vịt

Tàu được thiết kế dùng để chở hàng khô, hàng bách hóa, tiếp dầu ra các đảo thuộc chủ quyền nước ta

1.1.2 Vùng hoạt động

Ven biển Việt Nam và Đông Nam Á

1.1.3 Cấp thiết kế

Tàu được thiết kế thoả mãn Cấp không hạn chế theo Quy phạm phân cấp và

đóng tàu vỏ thép – 2003, do Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường ban hành

Phần hệ thống động lực được tính toán thiết kế thoả mãn tương ứng Cấp không hạn chế theo TCVN 6259 – 3 : 2003.

1.1.4 Các thông số cơ bản phần vỏ tàu

1.2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG VÀ TRANG TRÍ ĐỘNG LỰC

1.2.1 Bố trí buồng máy

Buồng máy được bố trí từ sườn 08 (Sn8) đến sườn 25 (Sn25) Diện tích vùng

tôn sàn đi lại và thao tác khoảng 25 m2 Lên xuống buồng máy bằng 04 cầu thang

chính (02 cầu thang tầng1 và 02 cầu thang tầng 2) và 01 cầu thang sự cố.

Trong buồng máy lắp đặt 01 máy chính và các thiết bị phục vụ hệ thống động lực, hệ thống ống toàn tàu Điều khiển các thiết bị được thực hiện tại chỗ trong buồng máy Điều khiển máy chính được thực hiện tại chỗ trong buồng máy hoặc từ xa trên buồng lái Một số bơm chuyên dụng có thể điều khiển từ xa trên boong chính như bơm vận chuyển dầu đốt, bơm nước vệ sinh, sinh hoạt, các quạt thông gió

Buồng máy có các kích thước chính:

- Công suất quá tải 10% …792 Kw

- Công suất trong trường hợp không tăng áp max : 338 Kw

- Kiểu buồng đốt : hesselman

- Khí tăng áp-tăng áp suất thấp

- Thứ tự nổ :

Chạy tiến/cùng chiều kim đồng hồ 1-4-2-6-3-5

Chạy lùi/ngược chiều kim đồng hồ 1-5-3-6-2-4

- Chạy đảo chiều-máy đảo chiều trực tiếp

áp lực tuần hoàn kín, khởi động bằng điện.

Các thông số cơ bản của động cơ Diesel lai máy phát

– Công suất định mức, [Ne] 720 hp

– Số vòng quay định mức, [n] 1200 rpm

– Đường kính xylanh, [D] 330 mm

– Hành trình piston, [S] 232 mm

Các thiết bị kèm theo động cơ Diesel lai máy phát

– Máy phát điện một chiều 01 cụm

+ Chiều dài trục chân vịt động cơ:

Khoang máy trước: 8345 mm

Khoang máy sau: 6696 mm

+ Chiều dài trục trung gian của khoang máy trước: 5220 mm

+ Đường kính ổ trục (ở vị trí ổ đỡ): 130 mm

+ Đường kính trục: 118 mm

- Ổ đỡ:

+ Ổ đỡ trung gian kiểu lăn dạng bi đũa

+ Ổ kín vách ngăn và vỏ tàu dạng càng kín, làm khít phía trong bằng sợi tẩmchì

+ Ổ đỡ chặn chịu lực để nhận lực đẩy vào thân tàu

+ Số lượng: 1

+ Số cánh: 3

+ Đường kính: 1200mm

+ Khối lượng: 225kg

+ Khoảng cách giữa 2 chân vịt: 1,5m

1.3 Đánh giá bố trí hệ động lực của tàu TS12.

a Ưu điểm:

- Kết cấu khoang máy đơn giản vì tàu chỉ có 1 máy chính

- Bố trí hệ trục ngắn làm giảm tổn hao hiệu suất nâng cao công suất có ích

-Tàu phục vụ mục đích vận tải nên kết cấu không phức tạp, dễ khai thác và vậnhành

- Nâng cao lợi ích kinh tế giảm giá thành của hệ trục

b Nhược điểm:

- Ổn định dọc của con tàu kém do hệ trục và máy nằm về phía đuôi tàu là mất cânbằng dọc của tàu

- Tầm nhìn quan sát của thuyền trường giảm vì có phát sinh khoảng cách từ lầu lái

ở phái đuôi tới mũi tàu

-Khả năng sinh tồn của tàu sẽ giảm nếu trường hợp tàu 1máy chính và 1 hệ trụckhi đó nếu có sư cố mà ko khắc phục được tàu sẽ khó vượt qua và đây là hạn chếlớn nhất trong quá trình khai thác của tàu mẫu cần khắc phục

- Trong đó : V = L.B.d CB (m3) là lượng chiếm nước thể tích của tàu.

- Tàu thiết kế sườn mũi quả lê, lựa chọn phương pháp Holtrop tính sức cảncho tàu

2.1.2 TÍNH LỰC CẢN VÀ CÔNG SUẤT KÉO TÀU :

RA_Sức cản hiệu chỉnh giữa tàu thực và mô hình (KN)

2.1.2.1 R FO _ Sức cản ma sát tương đương tính theo công thức:

(kN)

: khối lượng riêng của nước ở 20 C

1.025(tấn/ ) - nước mặn

ν: tốc độ tàu (m/s)

:diên tích mặt cắt ướt của vỏ bao thân tàu ( )

*/ Hệ số sức cản ma sát tính theo công thức ITTC – 1957

theo ITTC – 1957

Re.10-6= v _ Số Raynoll

Trong đó : v (m/s)_Tốc độ tàu

L = 110 (m)_ Chiều dài thiết kế của tàu

- hệ số nhớt động học của nước = 1,056.10-6,nước biển

L =110(m) _Chiều dài đường nước

d = 9,2 (m) _Chiều chìm thiết kế của tàu

B = 18,8 (m)_Chiều rộng thiết kế của tàu

_ Hệ số béo thân ống tính ở chiều dài đường nước thiết kế L

V =14269,2 (m3)-Lượng chiếm nước của tàu

*/ _diện tích mặt ướt của tàu xác định theo công thức :

= 3320,62 (m2)

Trong đó:ABT = 5 (m2) :diện tích ngâm nước mũi cầu(quả lê)

= 0,75 _ hệ số béo thể tích

= 0.985 _ hệ số béo sườn giữa

= 0,86 _ hệ số béo đường nước

(1+k2) eq = = 1,9143

Lập bảng:

Chọn (1+k2) SAPP(m2)

SAPP _ Diện tích phần phụ : SAPP = 14 (m2 )

2.1.2.3 Rw_Sức cản sóng :

Công thức tính lực cản sóng phụ thuộc vào số frude (Fr ).Với vận tốc giả thiết

vs = (11 ÷ 15 ) hl/g ,Số Frmax = ( )max =0,235 < 0,4, thì lực cản sóng được tính theo công thứ sau:

Hệ số C3 được tính:

Trong đó:

TF = 9.2 (m) : Mớn nước đo tại đường vuông góc mũi

hB =5 (m) : Chiều cao cách đường chuẩn của tâm diện tích ABT (m)

PB :liên quan đến chiều sâu ngập nước của mũi tàu :

PB = 0,56 BT.(TF – 1,5.hB) = 2,129

Fri : liên quan đến chiều sâu ngập nước :

2.1.2.5 RTR _Sức cản áp suất bổ sung do ngập đuôi kiểu tuần dương hạm :

Từ số liệu ta lập được bảng tính lực cản và công suất kéo của tàu như sau:

Bảng 2.1: Tính lực cản và công suất kéo của tàu theo phương pháp Holtrop-Mennen

Hình 2.1 : Đồ thị sức cản và công suất kéo theo vận tốc

2.2.4 Chọn số cánh Z :

Ta chọn số cánh Z =4

2.2.5 Chọn tỉ số đĩa theo điều kiện bền và điều kiện xâm thực :

- Từ điều kiện đảm bảo bền với :

2.2.6 Tính toán chân vịt, đảm bảo tốc độ tàu đã cho :

- Vận tốc tàu Vs = 12,5 knot hay v = 6,425 m/s

- Kết quả tính toán chân vịt được thể hiện trong bảng sau :

Đại lượng tính toán Kết quả tính toán

Vòng quay chong chóng giả thiết :N

Bảng 2.2 : Tính toán chân vịt đảm bảo tốc độ đã cho

- Theo kết quả tính toán , ta xây dựng được đồ thị biểu diễn quan hệ

Ps(n) và Dopt(n) như hình 2.2 , ở điều kiện n = 215 vg/ph , ta xác định được

Ps= 3285 (kW) ; D = 3,37 vg/ph

- Động cơ được lắp đặt trên tàu là động cơ diesel 6UEC33LSII –MITSUBISHI có đặc tính định mức là Ps = 3400 kW và n=215 vg/ph

Hình 2.2 : Xác đinh đường kính chân vịt và công suất cần thiết

- Ta đi tính vận tốc khai thác thực của tàu , giả thiết Vs = (12,5÷12,8 )knot và tính toán cơ bản với vòng quay n = 215 vg/ph

- Ta xác đinh lại các yếu tố sau với D =3,275 m

+ wT = 0,338+ t = 0,237+ iQ = 1,0297

- Quá trình tính toán được thể hiện trong bảng sau :

Bảng 2.3 : Tính toán chân vịt đảm bảo tốc độ đã cho

- Theo kết quả tính toán, ta xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc

Dopt(Vs) và Ps(Vs) ( hình 2.3 ) và ở Ps = 3400 kW , ta xác định được Vsmax = 12,65 knot , D =3,34m

Hình 2.3 : Xác định đường kính chân vịt và vận tốc tối đa của tàu

- Kiểm nghiệm lại tỉ số đĩa chân vịt với

+ Fr = 0,15+ wT = 0,3373+ t = 0,223+ R = 237,8 (kN) ( tra đồ thị hình 2.1 )+ T= 310,2 (kN)

+ hs = 7,363 (m)

- Theo điều kiện bền :

- Theo điều kiện xâm thực :

- Kết luận : Đặc trưng hình học và thủy động lực học của chân vịt là :+ D = 3,34 m

+ P/D = 0,7256 + Z = 4

+ AE/A0 = 0,7+ J = 0,3608+ KT = 0,19+ η0 = 0,4595

với b’m = 1,26  b0,6 = 1,26 = 1,05 m

Vậy:

Trọng lượng của chân vịt G = 3560 kG

Tàu được bố trí 01 hệ trục đặt trong mặt phẳng dọc tâm tàu, hệ trục được đặt song

song và cách mặt phẳng cơ bản (đường cơ bản) 2500 mm.

Hệ trục bao gồm 01 đoạn trục chân vịt chiều dài 3850 mm, 01 đoạn trục trung gianvới chiều dài 3780 mm

Trục trung gian liên kết với trục chân vịt và động cơ bằng kết cấu bích liền

Trục chân vịt kết cấu bích rời, được đặt trên hai gối đỡ Gối đỡ trước có kết cấu kiểu bạc ba bít, bôi trơn và làm mát bằng dầu nhờn Gối đỡ sau có kết cấu kiểu bạccao su, bôi trơn và làm mát bằng nước ngoài tàu trích từ hệ thống nước làm mát chung Gối đỡ sau được bố trí trong ống bao trục Trục chân vịt được chế tạo bằng thép rèn 45 (KSF45).

3.2 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH TRỤC

3.2.1 Đường kính trục chân vịt

№ Hạng mục tính hiệu Ký Đơn vị Công thức - Nguồn gốc quả Kết

1 Công suất liên tục lớn nhất của động cơ H kW Được xác định theo lý lịch máy 3.400

2 Vòng quay của trục chân vịt ở công suất

7 Đường kính thiết kế của trục chân vịt d s mm Thiết kế chỉ định 340

Kết luận: Chọn đường kính của trục chân vịt là 340 mm.

3.2.2 Đường kính trục trung gian

№ Hạng mục tính hiệu vị Công thức - Nguồn gốc quả

1 Công suất liên tục lớnnhất của động cơ H kW Được xác định theo lý lịch máy 3.400

2 Vòng quay của trục chân vịt ở công suất

7 Đường kính thiết kế của trục trung gian d 0 mm Thiết kế chỉ định 280

Kết luận: Chọn đường kính của trục trung gian là 280 mm.

3.2.3 Chiều dày áo bọc trục

№ Hạng mục tính hiệu Ký Đơn vị Công thức - Nguồn gốc Kết quả

1 Đường kính tính toán quy định của trục chân

3340

2 Vật liệu chế tạo áo bọc trục Theo thiết kế (Xem bản vẽToàn đồ trục chân vịt) Đồng Đ

№ Hạng mục tính hiệu Ký Đơn vị Công thức - Nguồn gốc Kết quả

4 Chiều dày lớp áo bọc bằng đồng thanh tại cổ

trục theo thiết kế t 1 mm Theo thiết kế chỉ định

118

Kết luận: Chọn chiều dày lớp áo bọc bằng đồng thanh tại cổ trục theo thiết kế là

19 mm

3.3 CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ TRỤC

3.3.1 Chiều dày bích nối trục

Bảng 3.4. Tính chiều dày bích nối trục

№ Hạng mục tính hiệu Ký Đơn vị Công thức - Nguồn gốc quả Kết

1 Công suất liên tục lớn nhất của động cơ H kW Được xác định theo lý lịch máy 3.400

2 Vòng quay của trục chân vịt ở công suất

8 Vật liệu chế tạo bích trục Theo thiết kế (Xem bản vẽ Toàn đồ trục chân vịt) KSF35

9 Chiều dày các khớp nối trục b mm b=0,22.d0 74,8

№ Hạng mục tính hiệu vị Công thức - Nguồn gốc quả

Kết luận: Chọn chiều dày bích nối trục là 80 mm.

3.3.2 Bulông bích nối trục

Bảng 3.5. Tính bu lông bích nối trục

№ Hạng mục tính hiệu Ký Đơn vị Công thức - Nguồn gốc quả Kết

2 Đường kính trục chân vịt ds mm Theo thiết kế 340

5 Giới hạn bền kéo danhnghĩa của vật liệu làm

Kết luận: Chọn đường kính của bu lông bích nối trục là 60 mm.

3.3.3 Chiều dài bạc đỡ

№ Hạng mục tính hiệu Ký Đơn vị Công thức - Nguồn gốc quả Kết

2 Đường kính tính toán trục chân vịt ds m

Chọn chiều dài bạc đỡ sau trục chân vịt là 1250mm

Chiều dài bạc đỡ trước trục chân vịt là 350 mm

3.3.4 Then chân vịt

Bảng 3.7. Tính then chân vịt

№ Hạng mục tính hiệu Ký Đơn vị Công thức - Nguồn gốc Kết quả

№ Hạng mục tính hiệu vị Công thức - Nguồn gốc Kết quả

5 Công suất truyền liên tục lớn nhất H kW Theo lý lịch máy 3.400

6 Vòng quay tính toán của hệ n rpm Thiết kế chỉ định 215

8 Giới hạn chảy của vật liệu σ kG/ cm 2 Theo vật liệu 2.700

9 Chiều dài toàn bộ L cm L=28,648.104 H

0,5.n.d σ (h−2r) +b 39,516

Kết luận: Chọn then có các thông số sau:

- Chiều dài then: 40 cm

- Chiều rộng then: 7,0 cm

- Chiều cao then: 3,6 cm

- Đoạn cắt vát: 0,2 cm

Hình 3.1. Sơ đồ phụ tải tác dụng lên gối đỡ

3.4.1.2 Số liệu tính toán:

Tỷ trọng vật liệu làm trục γ = 7,86.10-3 kG/cm 3

3.4.1.3 Mômen tại gối

Phương trình mô men dạng tổng quát cho gối thứ n

1 1 1

1

4

1

2

.

n

n n n

n n n

n n n

n n

n n n

n n

J

L

q J

L

q J

L

M J

L J

L M J

L

M

Thiết lập hệ phương trình mômen :

3.4.2 Nghiệm bền trục

3.4.2.1 Nghiệm bền tĩnh

a Đối với trục chân vịt

№ Hạng mục tính hiệu Ký Đơn vị Công thức - Nguồn gốc Kết quả

1 Giới hạn chảy của vật liệu  T kG/cm 2 Thép KSF45 3.200

2 Mô men uốn lớn nhất tác dụng lên trục chân

№ Hạng mục tính hiệu Đơn vị gốc Kết quả

b Đối với trục trung gian

№ Hạng mục tính hiệu Ký Đơn vị Công thức - Nguồn gốc Kết quả

1 Giới hạn chảy của vật liệu  T kG/

№ Hạng mục tính hiệu Ký Đơn vị Công thức - Nguồn gốc Kết quả

BỐ TRÍ THIẾT BỊ BUỒNG MÁY

GIỚI THIỆU CHUNG

Việc bố trí thiết bị trong buồng máy là một công việc hết sức quan trọng và cực kì phức tạp Cùng một phương án trang trí động lực nhưng sẽ có nhiều phương án bố trí buồng máy Một phương án tốt nhất là phương án đảm bảo được các yêu cầu

sau :

 Các thiết bị vận hành tin cậy

 Thuận tiện cho việc quản lí

 Các yêu cầu kĩ thuật của trang trí động lực

BỐ TRÍ THIẾT BỊ BUỒNG MÁY

Các nguyên tắc bố trí trang thiết bị trong buồng máy :

 Phân bố trọng lượng các thiết bị, máy móc trong buồng máy phải đảmbảo cân bằng các thiết bị phải được bố trí đối xứng qua mặt phẳng dọc thân tàu, bốtrí theo thứ tự thiết bị chính, thiết bị có khối lượng lớn bố trí trước, thiết bị phụ cókhối lượng nhỏ bố trí sau

 Bố trí trang thiết bị trong buồng máy sao cho thuận tiện cho việc quản

lý, giảm nhẹ cường độ lao động của thợ máy Trên cơ sở này, các thiết bị phụ cầnphải bố trí gần các thiết bị chính mà nó phục vụ, gần nơi lấy công chất và gần cácthiết bị phụ khác cùng chức năng phục vụ thiết bị chính Các van có chung chứcnăng bố trí thành cụm Các thiết bị theo dõi thường xuyên nên lắp gần vị trí điềukhiển và lắp thành bảng

 Bố trí các thiết bị máy móc sao cho chúng hoạt động bình thườngtrong mọi điều kiện làm việc của tàu, kể cả khi tàu nghiêng, chúi, khi ngược sóng,ngược gió, khi hành hải hay khi đỗ bến

 Bố trí trang thiết bị đảm bảo thuận tiện cho công tác sửa chữa, bảodưỡng, đảm bảo không gian vận chuyển các thiết bị theo cả ba phương phục vụcho sửa chữa phải có các thiết bị chuyên dùng như bàn nguội, máy khoan, máymài,ê tô…

 Bố trí các trang thiết bị đảm bỏa các yêu cầu đặc trưng của từng thiết

bị, đảm bảo an toàn cho buồng máy Các máy có trục nằm ngang bố trí song songvới mặt phẳng dọc tâm để tránh hiện tượng quay Các bơm nước không có khảnăng tự hút nên đặt thấp dưới mực nước biển các thiết bị phát nhiệt nên bố trí ởcác khoang riêng, nếu không được thì nên bố trí tại những chỗ thoáng, xa cáckhoang chứa nhiên liệu…

 Bố trí các trang thiết bị trong buồng máy phải loại trừ được chấn động

và giảm ồn Các thiết bị gây ồn và rung động cần đặt trên các cơ cấu vỏ tàu là cứng

và ổn định, không đặt động cơ ở vị trí mà tần số dao động riêng của nó gần với tần

số dao động của tàu để tránh hiệng tượng cộng hưởng dao động, ví dụ nếu tàu cóhai đường trục thì hai đường tâm lý thuyết của chúng không được cắt nhau tạitrọng tâm tàu Tránh tiếng ồn bằng bầu tiêu âm và vị trí phải thích hợp

 Bố trí trang thiết bị buồng máy đảm bảo phòng hỏa, phòng nổ, phòngđộc Các thiết bị phát nhiệt như nồi hơi, bảng điện, các động cơ điện không được