MÔN THIẾT bị NĂNG LƯỢNG tàu THỦY 1 đề tài tìm hiểu về hệ thống đẩy tàu thủy và hệ thống lái thủy lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG THÍ NGHIỆM MÔN THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU THỦY 1 LỚP L02 HỌC KỲ 221, NĂM HỌC 2022 2023 ĐỀ TÀI Tìm hiểu về hệ thống đẩy tàu thủy và hệ thống lái thủy lực[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

THÍ NGHIỆM MÔN THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU THỦY 1

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S Đoàn Minh Thiện

MỤC LỤC

A.Nguyên lý hoạt động của hệ thống đẩy tàu thủy 1

I.Động cơ (Engine) 3

1.1.Hệ thống bôi trơn động cơ 3

1.1.1.Công dụng 3

1.1.2.Yêu cầu đối với hệ thống bôi trơn 4

1.1.3.Hệ thống bôi trơn điển hình trên tàu thủy 4

1.1.4.Một số bộ phận của hệ thống bôi trơn 5

1.1.5.Các phương pháp bôi trơn 5

1.1.6.Nguyên tắc hoạt động 5

1.2.Hệ thống làm mát động cơ 6

II.Khớp nối trục và các khớp nối linh động 8

2.1.Khớp nối trục (Shaft coupling) 8

2.2.Khớp linh động phổ biến ở tàu thủy 8

III.Hộp giảm tốc-Hộp số (Reduction Gear box) 9

3.1.Công dụng 9

3.2.Phân loại 10

IV.Máy phát điện trục (Shaft Generator) 12

4.1.Điều kiện làm việc 12

4.2.Các hệ thống máy phát điện đồng trục trong thực tế 12

V.Ống đuôi tàu có ổ đỡ (Stern Tube with bearing) 15

5.1.Chức năng 15

5.2.Cấu tạo 15

VI.Hệ trục chân vịt (Propeller system shaft) 15

6.1.Nhiệm vụ 15

6.2.Điều kiện làm việc 16

6.3.Các thành phần hệ trục 16

VII.Chân vịt (Propeller) 17

VIII.Hệ thống bánh lái 20

A.Nguyên lý hoạt động của hệ thống đẩy tàu thủy

Hình 1A: Hình minh họa tổng quát hệ thống đẩy tàu thủy

* Nguyên lý hoạt động tổng quát hệ thống đẩy trên tàu thủy

Lực đẩy của tàu được thực hiện bằng năng lượng điện hoặc động cơ chính chạybằng động cơ diesel Thông thường tàu có hệ thống chân vịt đơn hoặc kép Số lượngchân vịt phụ thuộc vào yêu cầu lực đẩy và độ chìm của chân vịt Tàu chở dầu, tàu chởhàng rời và tàu container có yêu cầu lực đẩy vừa phải nhưng yêu cầu về hiệu quả chân vịtcao và mớn nước trong phạm vi hoạt động ít thay đổi hơn, chân vịt đơn hiệu quả hơnnhiều Đối với các tàu có yêu cầu tốc độ cao hơn, chẳng hạn như tàu chở khách có haichân vịt lớn Các tàu nhỏ hơn như AHTS, PSV, thuyền, v.v nơi độ ngập chân vịt đủ bị hạnchế bởi bản nháp hoạt động thấp hơn, chân vịt đôi phù hợp hơn Đối với các tàu nhỏ tốc

độ cao hoạt động ở mức mớn nước thậm chí còn thấp hơn, số lượng chân vịt phải đượctăng lên để đạt được tốc độ cần thiết Tàu thương mại có hệ thống monoblock bước cố

định Trục bao gồm trục chân vịt, trục đuôi và trục trung gian Cánh quạt thường được làmbằng đồng và trục bằng thép rèn.

Hình 2A: Cấu trúc hệ thống đẩy phổ biến trên tàu thủy

Hệ thống động lực tàu thường được chia thành những bộ phận như sau:

1 Động cơ (Engine)

2 Trục động cơ và các khớp nối linh động (Engine Shaft and flexible Coupling)

3 Hộp giảm tốc (Reduction Gear box)

4 Máy phát điện trục (Shaft Generator)

5 Ống đuôi tàu có ổ đỡ (Stern Tube with bearing)

6 Hệ trục chân vịt (Propeller system shaft)

7 Chân vịt (Propeller)

8 Hệ trục cánh lái

I.Động cơ (Engine)

Động cơ tàu thủy, còn được gọi là động cơ đẩy hàng hải, về cơ bản là động cơ phùhợp cho thuyền và tàu lớn Có nhiều loại động cơ tàu, tùy thuộc vào nhu cầu của tàu vànhu cầu của người điều hành

Động cơ tàu thủy là loại động cơ dùng để lái tàu hoặc thuyền trong nước Nóthường được sử dụng để đẩy nhưng cũng có thể tạo ra điện hoặc kết hợp cả hai Cónhiều loại động cơ khác nhau, bao gồm hơi nước, động cơ diesel và tuabin khí Các thànhphần chính của động cơ tàu thủy là buồng đốt, tuabin, bánh răng giảm tốc và trục chân vịt

Hiện nay, những con tàu lớn thường sử dụng đến những cỗ động cơ diesel cực lớn

để vận hành, đặc biệt là động cơ diesel 4 kỳ Sau đây là nguyên lý của một vài hệ thốngtrong động cơ diesel

1.1.Hệ thống bôi trơn động cơ

1.1.1.Công dụng

- Làm mát

- Tẩy rửa

- Làm kín

- Chống gỉ

1.1.2.Yêu cầu đối với hệ thống bôi trơn

- Mỗi động cơ phải có 1 hệ thống bôi trơn độc lập Để đảm bảo yêu cầu làm việc liên tục,trong hệ thống phải có bơm dự trữ

- Động cơ phải được bôi trơn liên tục trong mọi trường hợp

- Lượng dầu nhờn dự trữ phải đủ tương ứng với lượng nhiên liệu ở động lực

- Áp suất P và nhiệt độ T của dầu nhờn trong hệ thống phải xác định và điều chỉnh đượctrước và sau khi vào động cơ Đối với các tàu hoạt động ở vùng lạnh cần phải có thiết bịhâm nóng dầu nhờn

- Hệ thống phải có tính tin cậy cao, cơ động nhưng đơn giản, dễ quản lý lọc sạch nhanhchóng

- Hệ thống phải có khả năng nhận và đưa dầu ra ngoài tàu

- Trong hệ thống phải lắp đặt thiết bị báo áp suất dầu nhỏ nhất và lớn nhất để đảm bảo antoàn

1.1.3.Hệ thống bôi trơn điển hình trên tàu thủy

Hình 1.1A: Hệ thống bôi trơn

1.1.4.Một số bộ phận của hệ thống bôi trơn

- Van tràn: Van tràn là một van thủy lực xả nhanh Được lắp trong những hệ thống có sửdụng van tiết lưu và lắp đặt song song với máy bơm để giúp áp suất đầu máy bơm ổnđịnh, không thay đổi

- Bơm dầu: Dùng để hút dầu từ caste đến bôi trơn cho các chi tiết

- Két làm mát: Két làm mát dầu nhờn dùng để làm mát dầu nhờn, góp phần làm mát chitiết máy trong động cơ Có 2 phương pháp làm mát dầu nhờn: làm mát bằng không khí vàlàm mát bằng nước

- Bình lọc dầu: Lọc sạch cặn bẩn trong dầu Gồm lọc nỉ, lọc lưới kim loại và lọc li tâm Bìnhlọc li tâm chủ yếu là dầu được lọc sạch dưới tác dụng của lực li tâm

1.1.5.Các phương pháp bôi trơn

- Bôi trơn kiểu thủ công

- Bôi trơn kiểu nhỏ giọt

- Bôi trơn kiểu vung té

- Bôi trơn bằng áp lực tuần hoàn

1.1.6.Nguyên tắc hoạt động

Dầu nhờn chứa trong cácte được bơm dầu hút qua phao hút dầu (vị trí phao hútnằm lơ lửng ở mặt thoáng của dầu để hút được dầu sạch và không cho lọt bọt khí), sau đó

dầu đi qua lọc thô, khi đi qua bầu lọc thô, dầu được lọc sạch sơ bộ các tạp chất cơ học cókích cỡ các hạt lớn,tiếp theo đó dầu nhờn được đẩy vào đường dầu chính để chảy đếncác ổ trục khuỷu, ổ trục cam, Đường dầu trong trục khuỷu đưa dầi lên bôi trơn ở chốt, ởđầu to thanh truyền rồi theo đường dầu lên bôi trơn chốt piston Nếu như không có đườngdẫn trên thanh truyền thì đầu nhỏ trên thanh truyền phải có lỗ hứng dầu Trên đường dầuchính còn có các đường dầu đưa dầu đi bôi trơn các cơ cấu phối khí Một phần dầu(khoảng 15 - 20% lượng dầu bôi trơn do bơm dầu cung cấp) đi qua bầu lọc tỉnh rồi trở vềlại cácte Bầu lọc tinh có thể được lắp gần bầu lọc thô hoặc để xa bầu lọc thô, nhưng baogiờ cũng lắp theo mạch rẽ so với bầu lọc thô.

Khi nhiệt độ của dầu bôi trơn lên cao quá 80°C, vì do độ nhớt giảm sút, van điểukhiển sẽ mở để dầu nhờn đi qua két làm mát dầu nhờn Sau một thời gian làm việc bầu lọcthô có thể bị tắt do quá tải, van an toàn của bầu lọc thô được dầu nhờn đẩy mở ra, dầu lúcnày không thể qua bầu lọc thô mà trực tiếp đi vào đường dầu chính Để đảm bảo áp suấtdầu bôi trơn có trị số không đổi trên cả hệ thống, trên hệ thống bôi trơn có gắn van antoàn

Ngoài việc bôi trơn các bộ phận trên để bôi trơn các bể mặt làm việc của xilanh,piston, người ta kết hợp tận dụng dầu vung ra khỏi ổ đầu to thanh truyền trong quá trìnhlàm việc ở một số ít động cơ, trên đầu to thanh truyền khoan một lỗ nhỏ để phun dầu vềphía trục cam tăng chất lượng bôi trơn cho trục cam và xilanh.hệ

Đối với động cơ Diesel công suất lớn, hầu hết đều được làm mát bằng nước Mặc

dù so với làm mát bằng gió thì làm mát bằng nước rất dễ xảy ra ứng suất nhiệt, ăn mònchi tiết, nhưng hiệu quả làm mát cao hơn Có hai phương pháp làm mát bằng nước là làmmát trực tiếp và làm mát gián tiếp

Hình 1.2A: Hệ thống làm mát trực tiếp

Hình 1.3A: Hệ thống làm mát gián tiếp

Hệ thống làm mát trực tiếp lấy nước biển từ ngoài tàu vào làm mát cho động cơ, saukhi làm mát được xả trực tiếp ra biển Hệ thống làm mát có đặc điểm là: Hệ thống đơngiản, không cần trang bị sinh hàn nước ngọt, không cần bơm nước ngọt làm mát Nhưng

có nhược điểm là nhiệt độ nước làm mát ra khỏi động cơ không được vượt quá 55°C Một

số hạn chế của hệ thông này là:

- Khi tàu chạy ở vùng có nhiệt độ nước biển thay đổi lớn, làm cho nhiệt độ bề mặt làm mátthay đổi, dẫn đến làm tăng ứng suất nhiệt

- Chất lượng nước làm mát kém, tăng đóng cáu cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt, tăng ănmòn điện hoá, giảm khả năng trao đổi nhiệt, tăng ứng suất nhiệt

- Nhiệt độ nước làm mát thấp làm tăng tổn thất nhiệt năng, giảm hiệu suất nhiệt, giảmcông suất của động cơ

II.Khớp nối trục và các khớp nối linh động

2.1.Khớp nối trục (Shaft coupling)

Hình 2.1A: Khớp nối trục

Định nghĩa: Một bộ phận Cơ khí được sử dụng để tạo kết nối cố định hoặc bán cố

định giữa hai trục nhằm truyền công suất/chuyển động từ trục này sang trục khác

Công dụng:

- Để tạo kết nối cố định hoặc bán cố định giữa hai trục để truyền Công suất/Chuyển độnggiữa chúng

- Để cung cấp cho sự sai lệch của trục (trong khớp nối linh hoạt)

- Giảm việc truyền quá tải từ trục này sang trục khác

- Bảo vệ chống quá tải

- Giữ các trục thẳng hàng

Phân loại:

+ Ống của khớp nối bịt (Sleeve of muff

coupling)

+ Khớp nối giảm âm (Split-muff coupling)

+ Khớp nối mặt bích (Flange coupling)

+ Khớp nối kiểu chân trụ (Bushed-pin typecoupling)

+ Khớp nối vạn năng (Universal coupling) + Khớp nối Oldham (Oldham coupling)

2.2.Khớp linh động phổ biến ở tàu thủy

- Khớp linh hoạt được sử dụng để kết nối hai trục sao cho cho phép lệch trục.

- Khớp linh hoạt thường thấy trên tàu thủy-Khớp nối kiểu chân trụ: truyền động diễn rathông qua các ống lót bằng cao su hoặc da có thể nén được

Hình 2.2A: Khớp nối hình chân trụ

III.Hộp giảm tốc-Hộp số (Reduction Gear box)

3.1.Công dụng

- Hộp giảm tốc dùng để thay đổi tốc độ hay lực đẩy của tàu khi tàu chuyển động nhanhhoặc chậm, và cắt truyền động từ động cơ, qua ly hợp đến bánh xe chủ động, khi cầndừng tàu trong một thời gian nhất định Trong thực tế không thể lúc nào cũng có thể chọnđược động cơ chính có số vòng quay đáp ứng yêu cầu của chân vịt

- Ngoài ra các thiết bị truyền động trực tiếp có khối lượng và kích thước tương đối lớn Dovậy,trong thực tế người ta con sử dụng truyền động gián tiếp qua hộp giảm tốc và hộpgiảm tốc đảo chiều.

- Theo kiểu ăn khớp

- Theo kiểu khả năng đảo chiều

3.2.1.Phân loại theo cấp số truyền

Căn cứ vào phương pháp thay đổi tỷ số truyền để phân loại ta có:

Hộp số vô cấp theo phương pháp tạo thành momen có thể là loại cơ học, điện tử và

thủy lực Ưu điểm: rút ngắn thời gian tăng tốc khi khởi hành, sử dụng hoàn toàn tải trọngcủa động cơ Thay đổi tỉ số truyền đều đặn mà không theo từng cấp Nhược điểm: cấu tạophức tạp, khả năng thay đổi lực đẩy chân vịt trong phạm vi nhỏ

Hộp số có cấp hộp số có cấp chia ra ba, bốn cấp… Hộp số có cấp là loại truyền

chuyển động qua các tỷ số truyền của các cặp bánh răng

Cấu tạo chung của hộp số có cấp gồm có: nắp hộp số, vỏ hộp số, bộ phận gài số,

hệ thống bánh răng và trục của hộp số

- Nắp hộp số ngoài nhiệm vụ che kín còn có tác dụng lắp đặt bộ phận cài số

- Vỏ hộp số làm nhiệm vụ chứa các trục truyền động của hộp số và hệ thống bánh răng,chứa dầu bôi trơn

- Bộ phận gài số gồm cần điều khiển lắp trên hộp số nối với hệ thống bánh răng

- Hệ thống bánh răng và trục hộp số: trong hộp số gồm có các trục: trục sơ cấp và trục thứcấp.

3.2.2.Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh

Hộp số bánh răng hành tinh có kích thước và khối lượng nhỏ, tỷ số truyền lớn, đảmbảo đồng bộ trục, hiệu suất cao, làm việc êm và độ ồn nhỏ

b.Nguyên lý

- Bộ truyền bánh răng hành tinh thay đổi tốc độ truyền động và chiều quay bằng cách thayđổi vị trí đầu vào, đầu ra và các phần tử cố định để giảm tốc, tăng tốc, đảo chiều hoặctruyền trực tiếp đến bộ phận chấp hành Sau đây ta có thể diễn giải lần lượt từng hoạtđộng đó như sau:

Giảm tốc: Khi bánh răng mặt trời bị cố định thì chỉ có bánh răng hành tinh quay và

quay xung quanh bánh răng mặt trời Do đó trục đầu ra giảm tốc độ quay so với trục đầuvào bằng chuyển động quay của bánh răng hành tinh Quan sát hình vẽ trên độ dài củamũi tên chỉ tốc độ quay lớn hay nhỏ và chiều rộng của mũi tên tướng ứng với độ lớn củamômen 101 Tăng tốc: Khi cần dẫn quay theo chiều kim đồng hồ thì bánh răng hành tinhchuyển động xung quanh bánh răng mặt trời theo chiều kim đồng hồ Do đó bánh răng baotăng tốc trên cơ sở số răng trên bánh răng bao và trên bánh răng mặt trời Độ dài của mũitên chỉ tốc độ quay và chiều rộng của mũi tên chỉ mômen Mũi tên càng dài thì tốc độ quaycàng lớn, và mũi tên càng rộng thì mômen càng lớn

Dẫn động trực tiếp: Do bánh răng bao và bánh răng mặt trời quay cùng nhau với

cùng một tốc độ nên cần dẫn (đầu ra) cũng quay với cùng tốc độ đó Kết quả là động lựcđược truyền trực tiếp đến bộ phận chấp hành thông qua cần dẫn Ta nhận thấy ở đâymômen không thay đổi độ lớn từ đầu vào cho đến đầu ra

Đảo chiều quay: Khi cần dẫn được cố định ở vị trí và bánh răng mặt trời quay thì

bánh răng bao nhờ các bánh răng hành tinh quay trên trục của nó và hướng quay được

đảo chiều Đầu ra nối trực tiếp vào bánh răng bao kết quả là bộ phận chấp hành quayngược chiều so với trước Mômen đầu ra thay đổi lớn hơn so với đầu vào.

Truyền động gián tiếp: với hộp số đảo chiều được sử dụng trên các thiết bị động cơ

trung và cao tốc không đảo chiều.Hộp số đảo chiều không chỉ cho phép đảo chiều trụcchân vịt,ma còn tách trục khỏi động cơ, đảm bảo khởi động cơ không mang tải.Việc đảochiêu ở loại hộp số này đượcthực hiện nhờ ly hợp ma sát , điều khiển bằng thuỷ lực hoặcbằng tay Hộp số đảo chiều được chế tạo liền với động cơ hoặc chế tạo riêng rẽ.Nếu tronghộp số đảo chiều có gối đỡ chặn thì nó được bố trí sau hộp số đảo chiều.Hộp số đảochiều thường sử dụng kiểu bánh răng hành tinh Hộp số đảo chiều còn có kiểu lồng trụchoặc vi sai

IV.Máy phát điện trục (Shaft Generator)

Máy phát điện đồng trục là thuật ngữ được sử dụng bởi ngành Hàng hải, là một hệthống phát được điều khiển bằng máy chính Trục đẩy chính của tàu từ động cơ đến chânvịt đi qua một hộp số lớn, hộp số này có thể có nhiều hơn một trục phụ để truyền động các

bộ phận của các thiết bị như máy nén hoặc bơm thủy lực, hoặc máy phát điện,

4.1.Điều kiện làm việc

Điều kiện hoạt động của máy phát đồng trục khác nhiều so với điều kiện hoạt độngcủa máy phát có truyền động riêng, ví dụ như trong các chế độ sau: Chế độ điều động tàu,chế độ tàu hành trình qua kênh, chế độ tàu hành trình trên biển trong điều kiện thời tiếtsóng to, gió lớn Quá trình khai thác máy phát đồng trục đòi hỏi hệ thống công tác ổn địnhtrong giới hạn thay đổi tốc độ quay chân vịt từ (60-100)% tốc độ định mức Giới hạn này

có liên quan đến sự ổn định điện áp và tần số của lưới điện Với bất kỳ nguyên nhân nàodẫn đến sự thay đổi tốc độ quay của chân vịt thì vẫn phải đảm bảo điện áp và tần số ra với

độ chính xác cho phép theo yêu cầu của Đăng kiểm Do yêu cầu về độ tin cậy của cácthiết bị điện tàu thuỷ, đặc biệt là thiết bị điều khiển, kiểm tra, thông tin liên lạc, thiết bị dẫnhướng sử dụng vệ tinh nên mục đích ổn định điện áp, tần số và công tác song songđược với các tổ hợp máy phát khác trên tàu thuỷ người ta phải ứng dụng cả hai chứcnăng đó là:

- Có khả năng giữ ổn định điện áp

- Có khả năng giữ ổn định tần số

4.2.Các hệ thống máy phát điện đồng trục trong thực tế

Hệ thống phát điện đồng trục có thể chia ra làm 2 phần chính là phần cơ và phầnđiện Phần cơ thể hiện phương pháp, cách thức bố trí máy phát đồng trục để lấy cơ năng

từ máy chính, phần điện thể hiện cấu trúc máy điện và phương pháp điều khiển chúng đểchuyển đổi từ cơ năng sang điện năng

Các máy phát đồng trục được bố trí bằng nhiều cách khác nhau để lấy cơ năng từmáy chính (ME) Mỗi cách bố trí đều có các ưu và nhược điểm của riêng của nó, cụ thể cócác cách bố trí như sau:

Hình 4.1A

Máy phát đồng trục là một phần của trục chân vịt được thể hiện ở hình 4.1 Máyphát đồng trục có rotor là một đoạn của trục chân vịt, được đặt ở giữa chân vịt và máychính Đây là phương pháp đơn giản không cần có hộp số, khớp nối riêng để đóng máyphát đồng trục vào hoặc đưa ra Tuy nhiên, khi tiến hành sửa chữa, bảo dưỡng máy phátphải tiến hành các thao tác phức tạp để tháo rời máy phát khỏi bệ và hệ trục Trongtrường hợp tốc độ chân vịt quá thấp, tần số chỉ đạt từ 15 - 20 Hz, hệ thống buộc phải trang

bị thêm biến tần, như vậy làm tăng giá thành hệ thống, giảm hiệu suất của máy phát Mặtkhác với cấu trúc như trên do sự tác dụng của chấn động là lực xoắn nên khe khí của máyphát đồng trục phải lớn, hệ thống này có hiệu suất không cao

Hình 4.2A

Máy phát đồng trục được đặt đối diện với chân vịt qua máy chính được thể hiện ởhình 4.2 Máy phát đồng trục được đặt sau máy chính, được nối với trục máy chính bằngkhớp đàn hồi, vì vậy giảm khe khí giữa rotor và stator, giảm bớt từ trở cho máy Tuy nhiên,

hệ thống này có nhược điểm là hiệu suất cơ không cao và chiếm diện tích lớn trong buồngmáy