bài tập lớn môn thiết bị và hệ thống tàu thủy thiết kế bánh lái tàu bách hóa trọng tải 4700t chạy tuyến đông nam á

Bài tập lớn

Môn : thiết bị và hệ thống tàu thủy

-o0o -Đè bài : Các thông số chính của tàu

Thiết kế bánh lái tàu bách hoá trọng tảI 4700t chạy tuyến Đông Nam á.Cho kích thớc chủ yếu của tàu nh sau:

* Vận tốc tàu v S = 16 hl/h

* Chiều dàI tàu L = 45 m

* Chiều rộng tàu B = 10 m

* Chiều cao mạn H = 3,2 m

* Chiều chìm thiết kế T = 2,4 m

* Các hệ số béo

# Hệ số béo thể tích  = 0,82

# Hệ số béo sờn giữa  = 0,995

# Hệ số béo đờng nớc  = 0,88

Phần I :Tính toán sức cản và đờng kính chong chóng

Ta xét các đặc trng của tàu

4

,

2

10





T

B

1

,

17

97





B

L

*  = 0,69

Vậy ta áp dụng phơng pháp Papmiel để tính sức cản tàu

Công suất kéo của tàu đợc xác định bằng công thức

EPS =

0

3

C

v

L

D S

Trong đó

* D = LBT = 1,025.0,69.97.17,1.6,9 = 80944 ,tấn là trọng lợng tàu

* L = 97,0 ,m là chiều dài tàu

* C0 là hệ số tính theo công thức

C0 =

1

1

1

1





x

C

Trong đó

*  = 

L

B

10 = 10 0 , 69 1 , 21

0 , 97

1 , 17

 là hệ số đặc trng về hình dáng thân tàu

* 1 = 1 vì L > 100 m

* x1 = 1 là hệ số kể đến ảnh hởng của phần nhô thân tàu phụ thuộc vào số đ-ờng trục

* C1 là hệ số phụ thuộc vào 1 và tốc độ tơng đối v1 =

L

v s 1

= 1,3vs

Hệ số này đợc cho trong đồ thị

Thay số vào ta đợc công thức tính công suất kéo của tàu

EPS =

0

3 120

C

v S

với C0 = 0,905C1

Các giá trị công suất và lực cản đợc tính theo bảng

Vận tốc

giả thiết

vS (hl/h)

Vận tốc tơng đối

v1=0,098vs

Hệ số C1

(tra đồ thị) C0=0,905CHệ số 1

Công suất kéo EPS (Cv) Lực cảnR (kG)

Ta vẽ đợc đồ thị công suất kéo và lực cản

Đờng kính chong chóng

Đờng kính chong chóng đợc xác định dựa vào tích số tối u giữa đờng kính

và vòng quay chong chóng

D n m  11 , 8 4T

trong đó T =

t

R

 1

Sơ bộ cho t = 0,21 là hệ số lực hút

T = 1193680,21

 = 24516 kG = 24516.9,8.10 -3 = 240 kN

Để tàu chạy với vận tốc 13 hl/h thì EPS = 3358 Cv = 3358.0,7355 = 2470 kW Sơ bộ cho DS = 0,55

Công suất máy

PS =

S

D

EPS



55 , 0

2470 = 4491 kW

S

EP S = f( v )

S

R = f(v )

v (hl/h) S

10000

14000

18000

22000

26000

30000

34000

R (kG)

1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400 EPS (Cv)

Từ công suất máy ta chọn vòng quay hợp lý của chong chóng là

nm = 160 vòng/phút

Thay số vào ta có đờng kính sơ bộ của chong chóng

D =

m

n

T

4

8

,

11

=

160

225 8 ,

= 3,6 m

Từ đờng kính chong chóng ta vẽ đợc sơ đồ khung giá lái

Phần ll Lựa chọn dạng bánh lái

Ta lựa chọn dạng bánh lái cân bằng,đơn giản

* Bánh lái có dạng hình chữ nhật

* Profin bánh lái là profin NACA 0012

Phần lll Các đặc trng hình học của bánh lái

1.Diện tích bánh lái

1.1.Theo công thức thống kê

Diện tích bánh lái đợc tính bằng công thức

FP = LT ,m2

trong đó

 = 0,018  0,027 là hệ số diện tích bánh lái cho tàu đi biển 1 bánh lái

L = 97 ,m là chiều dài giữa 2 trụ của tàu

T = 6,9 ,m là chiều chìm trung bình của tàu ở trạng thái toàn tải

Thay số vào ta có

FP = 17,2  25,9 ,m2

Ta chọn diện tích bánh lái F P = 19,44 ,m 2

1.2.Kiểm tra theo điều kiện diện tích tối thiểu

Diện tích của bánh lái phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau

75

150 75

, 0 (

LT

trong đó

p = 1 vì bánh lái đặt trực tiếp sau chân vịt

q = 1 đối với tàu hàng

L,T lần lợt là chiều dài và chiều chìm tàu

Thay số vào ta có

FPmin = ) 10 , 8

75 97

150 75

0 ( 100

7

97





Vậy diện tích bánh lái đã chọn FP = 22 m2 thoả mãn không nhỏ hơn diện tích tối thiểu FPmin = 10,8 m2

2.Kích thớc bánh lái

Các kích thớc đặc trng cho bánh lái hình chữ nhật gồm có chiều cao và chiều rộng bánh lái

Dựa vào điều kiện bố trí trong khung giá lái mà ta chọn

# Chiều cao bánh lái hP = 5,4 ,m

# Chiều rộng bánh lái bP =

P

P

h

F

= 3,6 ,m

3.Độ dang bánh lái

Độ dang của bánh lái tính bằng công thức

 =

P

P

b

h

=

6 , 3

4 , 5

= 1,5

4.Chiều dày lớn nhất của profin bánh lái

Với prôfin NACA 0012 thì chiều dày tơng đối

t  0 , 12

tmax = tbP = 0,12.3,6 = 0,423 ,m

Vị trí chiều dày lớn nhất

x = 0,3

Hoành độ chiều dày lớn nhất

x = xbP = 0,3.3,6 = 1,08 ,m

5.Vị trí đặt trục tối u

Vị trí đặt trục tối u đợc tính bằng công thức

a = aopt =

2

max min p

p x

Giá trị của xpmin và xpmax đợc tính theo bảng sau

p(độ) Cx Cy Cm Cn=Cxsinp+Cycosp Cd=Cm/Cn xp=Cdbp

(m)

Để tìm xPmax và xPmin ta vẽ đồ thị xP = xP(P)

Dựa vào đồ thị ta có

xPmax = 1,03 m tại P = 27 độ

xPmin = 0,89 m tại P = 7,9 độ

Vị trí đặt trục tối u

a = aopt =

2

89 , 0 03 ,

= 0,96 ,m

6.Hệ số cân đối của bánh lái

Hệ số cân đối của bánh lái đợc tính theo công thức

R =

P

P

F

F '

trong đó

FP’ = 0,96.5,4 = 5,184 m2 là diện tích phần đối của bánh lái

FP = 19,44 m2 là diện tích của toàn bộ bánh lái

0,89 0,9

5 7,9 10

x (m)

1,03 1,0 P



0,9

P 1,0

R = 195,184,44 = 0,27 > 0,25

Vậy vị trí đặt trục tối u là

a = 0,25.3,6

a = 0,9 m

7.Xây dựng tuyến hình prôfin lý thuyết

Toạ độ thực của prôfin tính theo công thức

100

b

x

x 

100

.tmax y

y

Tra bảng 1-9 tr 24 sổ tay thiết bị tàu thuỷ ta lập bảng toạ độ prôfin

x(%) y (%) x(mm) y(mm) x(%) y (%) x(mm) y(mm)

0.25 7.2 9.00 30.46 20 47.78 720.00 202.11 0.5 10.28 18.00 43.48 25 49.5 900.00 209.39 0.75 12.45 27.00 52.66 30 50 1080.00 211.50

1 14.1 36.00 59.64 40 48.35 1440.00 204.52 1.25 15.8 45.00 66.83 50 44 1800.00 186.12 1.75 18.55 63.00 78.47 60 38.03 2160.00 160.87 2.5 21.8 90.00 92.21 70 30.5 2520.00 129.02 3.25 24.55 117.00 103.85 80 21.85 2880.00 92.43

5 29.6 180.00 125.21 85 17.08 3060.00 72.25 7.5 34.99 270.00 148.01 90 12.06 3240.00 51.01

10 39 360.00 164.97 95 6.7 3420.00 28.34

15 44.55 540.00 188.45 100 1.05 3600.00 4.44

Phần lV.Lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái

1.Tàu chạy tiến

Vận tốc dòng nớc chảy đến bánh lái

vep = 0,515vS(1-r) ,m/s

Trong đó

v S = 13,5 ,hl/h là là vận tốc khai thác của tàu

r là giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt bánh lái

r = 0,80 với 0 là giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đĩa chong chóng

Theo Papmiel,với tàu biển ta có

0 =   

B

x

D

V x

3

165

,

0

trong đó

x = 1 là số chong chóng

 = 0,7 là hệ số béo thể tích của tàu

V = LBT = 0,69.97.17,1.6,9 = 79646 ,m3 là thể tích chiếm nớc của tàu

DB = 3,6 ,m là đờng kính chong chóng

 là phần kể đến sự tạo sóng

Vì Fr = 0,19 < 0,2 nên  = 0

Thay số vào ta có

0 = 0.165 0 , 20

6 , 3

79646 1

69 , 0

3  r = 0,8.0,20 = 0,16

 là hệ số hiệu chỉnh có kể đến ảnh hởng của dòng nớc do chong chóng

đẩy ra đập vào bánh lái

 đợc tính bằng công thức

 = 1 ''( B 1)

P

F

F

trong đó

FP’’ = 3,6.3,6 = 12,96 ,m2 là diện tích của bánh lái bị phủ bởi dòng nớc do chong chóng đẩy ra

kB là hệ số kể đến sự gia tăng thêm của lực dạt do bánh lái đặt trực tiếp trong dòng nớc của chong chóng

kB phụ thuộc vào B/2 và đợc tra đồ thị với B là hệ số tải của chong chóng

B =

4 2

1 2 B2

A

D v

T





trong đó

T =

t

T E



1 là lực đẩy của chong chóng

TE = R/x = 19368 kG là lực đẩy có ích của chong chóng

t là hệ số lực hút đợc tính bằng công thức

t = K trong đó K = 0,5 ~ 0,7 cho tàu có bánh lái dạng thoát nớc

Chọn t = 0,7

t = 0,7.0,20 = 0,14

T = 24210

20

,

0

1

19368



vA là tốc độ dòng nớc chảy đến chong chóng đợc tính bằng công thức

vA = 0,515vS(1-0)

= 0,515.13,5(1-0,20) = 5.56 ,m/s

 = 1025 kg/m là khối lợng riêng của nớc biển

Thay số vào ta có

14 3

1025

8

1

237258

6 3 56

.



B/2 = 0,74

3600

F'' P

B = 3

Tra đồ thị ta có

k B = 2,3

 là hệ số kể đến ảnh hởng toàn phần của tốc độ kích thích chiều trục đến bánh lái và đợc xác định bởi công thức

 =

2

1

2

2



















B

k k



với k là hệ phụ thuộc vào tỉ số khoảng cách từ đĩa thiết bị đẩy đến mép trớc của bánh lái chia cho đờng kính chong chóng

k = 











B

D

z

f

Tra đồ thị với

6 , 3

5 , 1



B

D

z

= 0,42 ta có

k = 1,65



















47 , 1 1 2

65 , 1 2 2

65

,

1

= 1,2  = 1,2 

Thay số vào ta có

 = 1+ ( 2 , 3 1 , 76 1 ) 2 , 8

44

,

19

96

,

12



   = 2,8 

Vận tốc dòng chảy đến chong chóng

vep = 0,515.13.5(1-0,16).2,8 = 7,00,m/s

v ep = 7,00 ,m/s

Lực và mômen thuỷ động tác dụng lên bánh lái đợc thể hiện dới dạng bảng sau

STT Đại lợng tính toán Đơn vị Góc bẻ lái P(độ)

4 Cn=Cxsinp+Cycosp - 0.201 0.401 0.603 0.853 1.224

5 xP = (Cm/Cn)bP 0.896 0.898 0.955 0.970 1.030

6 l = xP-a m -0.004 -0.002 0.055 0.070 0.130

7 Pn = 1/2Cnvep2FP kG 14177.9 28278.5 42526.8 60205.8 86313.9

8 M' = Pnl kGm -62.3 -55.2 2358.7 4224.4 11201.7

2.Tàu chạy lùi

Tốc độ tàu chạy lùi

vl = 0,75vS = 0,75.13,5 = 10 hl/h

Tốc độ dòng chảy đến bánh lái

vepl = 0,515vll ,m/s

trong đó l = 1,05 ~ 1,1

Chọn l = 1,1 ta có

Vepl = 0,515.10.1,1 = 5,66 ,m/s

v epl = 5,66 ,m/s

Quá trình tính toán làm theo bảng

STT Đại lợng tính toán Đơn Góc bẻ lái P(độ)

vị 5 10 15 20 23

4 Cn=Cxsinp+Cycosp - 0.161 0.355 0.497 0.693 0.623

5 xP = (Cm/Cn)bP m 0.894 0.608 0.796 1.091 1.097

6 l = xP-a m -0.006 -0.292 -0.104 0.191 0.197

7 Pn = 1/2Cnvepl2FP kG 4996.34 11010.74 15419.65 21484.49 19332.96

8 M' = Pnl kGm -31.65 -3212.09 -1598.79 4105.47 3809.33

9 M = k0M' kGm -41.15 -4175.72 -2078.43 5337.12 4952.13

Từ kết quả ta vẽ đồ thị lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái

So sánh 2 trờng hợp tàu chạy tiến và chạy lùi ta có kết luận

# Pnmax = 86314 kG tại P = 27 độ

# Mmax = 14562 kGm tại P = 27 độ

Phần V: Kết cấu của bánh lái

1.Vật liệu chế tạo bánh lái

* Chọn vật liệu chế tạo là thép CT 3C có

ch = 2400 kG/cm2

* Vật liệu chế tạo trục là phôi rèn bằng thép hợp kim thấp nhóm 8 theo ĐKLX có

ch = 686 Mpa = 7000 kG/cm2

2.Xơng gia cờng

Khoảng cách giữa các xơng gia cờng tính theo công thức

a0 = 0,2 0 , 4

100







 L

với L = 97,0 m là chiều dài tàu

a0 = 0 , 4

100

0 , 97

2

,











= 0,594 m Vì khoảng sờn vùng đuôi là 600 mm nên ta chọn khoảng cách giữa các

x-ơng gia cờng ngang là

a n = 0,6 m

Chọn khoảng cách giữa các xơng gia cờng đứng bằng khoảng cách giữa các xơng gia cờng ngang

a d = 0,6 m

Chiều dày các xơng gia cờng đợc lấy theo chiều dày tôn bao(=0,8t0)

Vì a = 900 mm > tmax = 423 mm nên ta phải có 2 xơng gia cờng đứng thay thế cho trụ lái.Khoảng cách giữa chúng là 400 mm

Bố trí các xơng gia cờng nh hình vẽ

3.Chiều dày tôn bao

Chiều dày tôn bao bánh lái phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức  =

] [

2 1



C P S

a F

P T











trong đó

kS là hệ số phụ thuộc vào tỉ số bC/aC = 1,167 và nội suy theo bảng

kS = 0,59

T là áp suất thuỷ tĩnh,về trị số bằng chiều chìm lớn nhất của tàu

T = 7.9,8/10,02 = 6,8 ,N/cm2

aC = 60 cm là khoảng cách giữa các xơng gia cờng lấy trị số bé hơn

[] là ứng suất cho phép của vật liệu.Lấy hệ số an toàn bằng 2 ta có

[] = 2400.9,8/2 = 11760 N/cm2

Pn = 845877 N là áp lực thuỷ động tác dụng lên bánh lái

FP = 194400 cm2 là diện tích bánh lái

Thay số vào ta có

0 = 0,59 1,5 2,7

11760 194400

845877 8

,

















Trị số nhỏ nhất của tôn bao bánh lái tính theo công thức

240 100

37 100 7 , 0 40 240

37













l

l

mm Chọn chiều dày tôn bao

 = 14 mm

Chiều dày tôn mặt trên và tôn mặt d ới

Đợc lấy không nhỏ hơn 1,20 = 1,2.14 = 16,8 mm

Chọn chiều dày tôn mặt trên và dới

t =  d = 18 mm

Trên tấm tôn mặt trên và mặt dới có khoét lỗ để thử áp lực,sau đó đợc làm kín bằng vít đồng có đờng kính 50 mm,phía ngoài đợc hàn tấm ốp có đờng kính 100 mm

Chiều dày tôn bao vùng thay thế cho trục lái

400

600

3600

700 900

Không nhỏ hơn 1,20 = 16,8 mm

Chọn chiều dày tôn bao vùng thay thế

0 ’ = 18 mm

Chiều rộng tôn bao vùng thay thế S không nhỏ hơn 1/6hmax với hmax = 6,5 m

là khoảng cách lớn nhất giữa 2 gối kề nhau của trục lái

Chọn S = 1,4 m

Chiều dày x ơng gia c ờng

Không nhỏ hơn 0,80 và không lớn hơn 1,20

Chọn chiều dày xơng gia cờng

x = 15 mm

Chiều dày xơng gia cờng thay thế cho trục lái bằng (1,8~2)0 = 25 ~ 28 mm Chọn chiều dày xơng gia cờng thay thế cho trục lái

tt = 28 mm

4.Lập là

* Chiều dày xơng lập là  = 15 mm

* Chiều rông lập là b = 100 mm

5.Kiểm tra bền trục lái

Bánh lái đợc coi là đủ bền nếu mômen chống uốn của xơng đúng thay thế cho trục lái và mép kèm của nó lớn hơn mômen chống uốn cho phép

W  W =

] [



M

trong đó M là mômen uốn nhịp đợc tính ở phần sau

 = ch/3 = 800 kG/cm2

Chiều rộng mép kèm

bmk = h/6 = 5400/6 = 900 mm

Việc tính mômen chống uốn thực hiện theo bảng

STT Quy cách(cm) Diện tíchF

i(cm2) Zi(cm) FiZi2

(cm4) i0(cm4)

Mô men quán tính

I = 331160,12 cm4

Mômen chống uốn

W = I/Zmax = 331160,12/23 = 14398 cm 3

Mômen chống uốn cho phép

W = Mtt/ = 113437.102/800 = 14179 cm3

Vậy bánh lái đủ bền

6.Khối lợng & toạ độ trọng tâm bánh lái

Ta tính đợc toạ độ trọng tâm của profin bánh lái,cách mép trớc bánh lái

một khoảng là 155 cm

Diện tích prôfin bánh lái

S = 10333 cm 2

Việc tính toán trọng tâm của bánh lái đợc thực hiện theo bảng

(mốc tính trọng tâm là mép trớc của bánh lái)

STT Tên chi tiết Số lợng(cm)Kích thớc Thể tíchV

i(cm3) Xi(cm) ViXi(cm4)

2 Vách đứng 1 41,8x540x2,8 63201.6 70 4424112

3 Vách đứng 2 41,8x540x2,8 63201.6 110 6952176

x 900

3

z 2

4 Vách đứng 3 36x540x1,5

x0,9

26244 170 4461480

5 Vách đứng 4 26,2x540x1,5 19099.8 230 4392954

6 Vách đứng 5 13,7x540x1,5 9987.3 290 2896317

7 Vách ngang 10333x1,5x8 111596.4 155 17297442

Chú ý: Hệ số 0,9 là hệ số kể đến việc chiếm diện tích của lỗ khoét trên vách

ngang và vách đứng

Từ bảng trên ta có khoảng cách từ trọng tâm bánh lái đến mép trớc

xG =





i

i i

V

x

V

= 145177635969157,5 = 150 cm

Khoảng cách từ trọng tâm bánh lái tới trục lái

r = xG-90 = 60 cm

r = 60 cm

Khối lợng bánh lái

G = Vi = 7850.0,9692

G = 7608 kG

Phần VI : Kết cấu trục lái

Tải trọng tác dụng lên trục lái gồm có

# áp lực thuỷ động Pn của nớc tác dụng vuông góc gây uốn trục

# Mômen thuỷ động M gây xoắn trục

# Lực tác dụng lên đầu sectơ lái

PC = MC/RC với RC là bán kính sectơ lái

# Trọng lợng bánh lái Gm và trọng lợng bản thân của trục lái

1.Tính toán lần gần đúng thứ nhất

Ta giả thiết PC = 0 và ta áp dụng nguyên lý độc lập tác dụng

1.1.Trục lái dới tác dụng của P n và M

Ta coi bánh lái và trục lái nh 1 dầm tựa trên các đế cứng.Phản lực tại các

đế là Ri.Độ cứng của bánh lái là EI1 ,của trục là EI2.Ta giả thiết là

EI1 = 2EI2

Khi đó dầm là siêu tĩnh bậc nhất

M'' = -496 kGm 1

R''

a = 3 m 1 L = 6,5 m 1

b = 3,5 m 1

L = 0,65 m 3

L = 1,9 m 2

M

M' = 81705 kGm

L

M = 139430 kGm

1

b

a 1

1

0

G

M

1

R'' 1 R'' 2

M = 4565 kGm G

Tác dụng của P n

Tác dụng của M G

1

M'

ViÕt ph¬ng tr×nh gãc xoay cho gèi 1

















1

1 1

1 1 2

2 1 1

1

6 3

' 3

'

b

a EI

b a P EI

L M

EI

L

=0

suy ra M’1=

2 1

1 1 1

1

2

1

b a b

a

P n















9 , 1 2 5 , 6

5 , 3 3 5 , 3

3 1 2

86314















M«men nhÞp:

M=

1

1 1

L

b

a

P n

= 863146,5.3.3,5 = 139430 (kGm) M«men tÝnh to¸n

1

1 1

1

L

a L

b

a

P n

 = 101720 (kGm) §êng kÝnh trôc t¹i gèi 1:

D1 

 

3

2 2 1 1 0

'





M

M  (cm)

Víi   = 0.4T = 0,4.7000 = 2800 (kG/cm2 )

 D1  3

2 2

2800 1 , 0

1456200

8170500 

= 30,9 (cm) §êng kÝnh trôc t¹i gèi 2:

D2 

 

3

1

0 



M

= 17,3 (cm) Ph¶n lùc t¹i c¸c gèi:

R’0 =

1

1 1

L

M L

b

P n

 = 863146,5.3,5 817056,5 = 33907 (kG)

R’1 =  

1

1

2 1

2 1

1

'

L

a P L

L

L L





5 , 6

3 86314 9

, 1 5 , 6

9 , 1 5 , 6 81705





= 95410 (kG)

R’2 =

-2

1

'

L

M

=

-9 , 1

81705

= -43003 (kG) §êng kÝnh t¹i gèi 0

D0  10

4400

0



ch

R

4400 7000

33907 10

 = 17,2 (cm)

D0  2,76

  0

R

= 9,6 (cm) Chän D0 = 24 (cm)

D1 = 34 (cm)

D2 = 30 (cm)

MG = Gm.r = 4565 kGm

víi G m = 7608 kG

r = 0,6 m

Ta cã ph¬ng tr×nh gãc xoay:

















1

2 1 1

1

a EI

L

=

-2

2 1 1

1 1

3

'' 3

''

EI

L M EI

L M

