THIẾT KẾ CHONG CHÓNG TÀU HÀNG CÓ CÁC THÔNG SỐ Chiều dài thiết kế : L = 149.9 m. Chiều rộng thiết kế : B = 17.5 m. Chiều chìm thiết kế : T = 9.4 m. Hệ số béo thể tích : d = 0.8 Hệ số béo sườn giữa : b = 0.98 Hoành độ tâm nổi : c = 0.006 Vận tốc thiết kế : vs = 11.5 hải lýgiờ Vùng hoạt động : Biển hạn chế cấp I. Loại tàu : Tàu hàng rời.
Trang 1THIếT Kế MÔN HọC
Thiết kế chong chóng tàu hàng có các thông số
* Chiều dài thiết kế : L = 149.9 m
* Chiều rộng thiết kế : B = 17.5 m
* Chiều chìm thiết kế : T = 9.4 m
* Hệ số béo thể tích : = 0.8
* Hệ số béo sờn giữa : = 0.98
* Hoành độ tâm nổi : X c = 0.006
* Vận tốc thiết kế : vs = 11.5 hải lý/giờ
* Vùng hoạt động : Biển hạn chế cấp I
* Loại tàu : Tàu hàng rời
Trang 2Phần I : Tính toán và xây dựng đờng cong lực cản và công suất kéo của
tàu : R = f(vs), PE = f(vs)
1 Chọn phơng pháp tính:
- Sử dụng phơng pháp tính lực cản d Serri ‘60’ để tính lực cản và công suất kéo của tàu
- Phạm vi áp dụng : = 0.6 ¿ 0.8
L/B = 5.5 ¿ 8.5
B/T = 2.13 ¿ 3.92
- Tàu thiết kế có đặc điểm :
= 0.8
L/B = 8.57
B/T = 1.86
xC = 0.006
Hình dáng sờn mũi là chữ V
Vùng hoạt động : Biển hạn chế cấp I
2.Tính toán lực cản và công suất kéo của tàu:
+ Công thức tính :
R = C.ρ.v2
PE = v.R
Trong đó : ρ = 1025 (kg/m3)
v : vận tốc tàu( m/s)
Diện tích mặt ớt của tàu.
C = CR + CFo + CA + CAP : hệ số cản toàn phần.
CR: Lực cản d
CFo: Hệ số lực cản ma sát của tấm phẳng nhẵn tơng
đơng
CA : Hệ số lực cản do đọ nhám
CAP : Hệ số lực cản do phần nhô
2.1Tính hệ số cản d : CR 103= CR().kxC.k.kB/T.aB/T
Với : CR.103f (( Tra đồ thị VII.12 )
kxC( Tra đồ thị VII.15 )
Trang 3k
a ψ
a ψ 0( Tra đồ thị VII.13 )
ψ= L3
√V =δ LBT =5 54 ; Ψ0 xác định trên đồ thị VII-12 từ
kB
T
ìaB
T
= CR( B T )TK
CR( B T ) ìaB T
( Tra đồ thị VII.14 ) 2.2 Tính hệ số ma sát của tấm phẳng :
CFo =
0.075 (lgRe−2)2 2.3 Tính hệ số cản do độ nhám vỏ bao CA và hệ số cản phần nhô CAP
Lấy CA.103 = 0.2 , CAP.103 = 0.1
2.4 Tính diện tích mặt ớt :
’ = +phần nhô =1.05¿L.T.[ 2+ 1.37( - 0.274 )
B
T ]
’= 1.05¿149.9¿9.4¿ [ 2+1.37¿(0.8-0.274) ¿1.86 = 4944 m2
phần nhô=(1.5¿7)% Chọn phần nhô=5%
Kết quả tính toán đợc thể hiện thông qua bảng tính 1
Phần II : tính toán thiết bị đẩy
Trang 41 Chọn loại thiết bị đẩy : chong chóng.
2 Chọn số lợng chong chóng : zp=1
3 Chọn chiều quay chong chóng : Quay phải
4 Chọn vật liệu chế tạo chong chóng :
- Loại : Đồng thau
Chọn dạng prôfin cánh : dạng phẳng lồi
Chọn góc nghiêng của cánh chong chóng là : = 10o
Chọn độ côn của củ chong chóng và độ côn của lỗ khoét trong củ chong chóng : k = 1:15
5 Chọn số cánh chong chóng :
Số cánh chong chóng phụ thuộc vào hệ số lực hút KDT :
KNT=
vA
√ n
4
√ ρ
T
Trong đó :
KNT - Hệ số lực hút chong chóng
- khối lợng riêng của nớc biển, 025 Kg/m3
vA - Vận tốc tịnh tiến của chong chóng, đợc tính nh sau :
A = ( 1 – wT ) =5.916¿(1-0.35)= 3.845 (m/s)
Với : = 11.5 hải lý/ h = 5.916 m/s : là tốc độ của tàu
wT =0.35 : là hệ số dòng theo của chong chóng
T - Lực đẩy chong chóng :
T = TE
1−t = 247.4 1−0.245=327.68 ( KN)
Với : TE- Lực kéo chong chóng tính theo công thức :
TE= R
ZP = 247 41 =247.4 KN.
Với : ZP = 1 : là số trục chong chóng
R = 247.4 KN : lực cản của chong chóng ứng với vận tốc của tàu là 11.5 (hải lý/ giờ)
áp dụng công thức Taylor cho tàu 1 chong chóng có hệ số hút t=KTWT=0.7
¿0.35=0.245
-KT Hệ số phụ thuộc hình dáng bánh lái : KT =0.5-0.7 đối với bánh lái tấm Chọn KT =0.7
Trang 5-WT:Hệ số dòng theo tính toán WT= 0.5-0.05=0.5¿0.8-0.05= 0.35
6 Tính công suất sơ bộ và vòng quay sơ bộ của chong chóng :
+ Công suất của động cơ :
Công suất của động cơ đợc tính nh sau : PS= PE
η = 1463 0.6 =2438(KW)
Trong đó : - Từ đồ thị (Đồ thị 1) ứng với S = 11.5 (hải lý/giờ) tra đợc công suất kéo của tàu là PE = 1463 (KW)
- là hiệu suất đờng trục của chong chóng Chọn = 0.6 Vậy : Sơ bộ chọn động cơ có công suất là 2500 KW3399 Cv
Vòng quay sơ bộ của chong chóng :
Với công suất PS = 2500(Cv) ta tra bảng đợc số vòng quay hợp lý của chong chóng là :
nm = 180 (v/phút) Vậy n = nm/ 60 = 3(/s)
Do đó :
KNT=
vA
√ n
4
√ ρ
T =3.845 √ 3
4
√ 1025
327680 =0.525<1
⇒ Vậy ta chọn số cánh chong chóng là : Z = 4
7 Chọn sơ bộ đờng kính chong chóng
Đờng kính sơ bộ của chong chóng đợc xác định theo tích số tối u giữa
đờng kính và vòng quay của nó :
D=11.8 4√ T
√ nm=11.8ì
4
√ 327.68
√ 180 = 3.74(m)
Trong đó:
D - Đờng kính chong chóng, m
nm- Vòng quay chong chóng, vg/ph
T - Lực đẩy chong chóng, KN
Vậy chọn sơ bộ đờng kính chong chóng là : D = 3.8 m
8 Chọn tỉ số đĩa của chong chóng
Chọn tỉ số đĩa sơ bộ của chong chóng theo điều kiện bền :
(A E
A O)'
min
= 0.375ì2/3√ C' Z
D.δmax.3√ m' .T
105
Trong đó:
C’ : là hệ số phụ thuộc vào vật liệu, đồng thau C’= 0.055
Trang 6Z = 4 là số cánh chong chóng.
D =4 m là đờng kính chong chóng
max : Chiều dày tơng đối của profin tiết diện cánh, max = (0.08
0.1)
Chọn max= 0.085
m’ : là hệ số phụ thuộc vào kiểu tàu, m’ = 1.15 với tàu hàng thông thờng
T = 327680 N : là lực đẩy của chong chóng
(A E
A O)'
min
=
0.375ì ( 0.055ì4
3.8ì0.085 )2
3ì3√ 1.15ì327680
Nh vậy : Chọn tỉ số đĩa của chong chóng là :
A E
A0 = 0.55
9 Tính chọn động cơ :
Đây là bài toán cho trớc tốc độ tàu, tính đờng kính tối u và tỷ số bớc của chong chóng để chọn đợc động cơ có công suất nhỏ nhất
Lập bảng tính nh sau : Bảng 2
Vậy chọn động cơ nhãn hiệu L32/40- serries AMG18EL-typeVBS 640
- Công suất định mức : 3500kW 4762 Cv
- Vòng quay định mức : n = 200 vg/ph
Ta chọn vòng quay của chong chóng là 180 vg/ph
+ Đờng kính tối u của chong chóng là : Dopt = 3.84 m
+ Hiệu suất chong chóng : D = 0.525
+ Tỉ số bớc của chong chóng : P/ D = 0.65
10 Kiểm tra tỉ số đĩa của chong chóng theo điều kiện xâm thực :
(A E
A0)''min
=130.ξ P1.K C
1
.(n.D )2
Trong đó :
1- hệ số, phụ thuộc vào trọng tải của chong chóng.Coi chong chóng thiết kế có trọng tải trung bình thì 1 = 1.3 Chọn 1 = 1.5
n - vòng quay của chong chóng : n = 180 vg/ ph = 3 vg/s
D - Đờng kính chong chóng : D = 3.84 m
P1 - áp suất thuỷ tĩnh tuyệt đối :
P1 = Po – Pd = 10330 + hB – Pd = 10330+1025¿2.688-238=12847.2 (kg/m2)
hB - Độ ngập sâu của trục chong chóng, hB = 0.7D = 0.7¿
3.84=2.688 m
Trang 71025 ( kg/m3), Pd = 238 ( kg/m2) áp suất thuỷ tĩnh
KC- Tra đồ thị K c =f(P
D , Z , J), Với J = 0.334; P/D = 0.65; Z = 4
Ta đợc : KC = 0.215
(A E
A0)''min
=130.ξ1.K C
P1 .(n.D )2=130.ì1.5ì0.21512847.2 ì(3ì3.84)2=0.433<0.55
Nh vậy : Chong chóng chọn thoả mãn điều kiện xâm thực
Phần iii :Xây dựng bản vẽ chong chóng
1 Các thông số của chong chóng:
- Đờng kính chong chóng : D = 3.84 m
- Số cánh chong chóng : Z = 4 cánh
- Vòng quay chong chóng : n =180vg/ph
- Tỉ số đĩa :
A E
A o = 0.55
- Tỉ số bớc : P/D = 0.65
- Tốc độ tàu : v = 11.5 hải lý/h
- Công suất động cơ : P =4762 Cv
- Vật liệu chế tạo chong chóng : Đồng thau
- Góc nghiêng cánh chong chóng = 10o
2 Xây dựng đờng chiều dày lớn nhất của profin tiết diện cánh trên hình chiếu cạnh:
- Chiều dày tiết diện cánh tại đờng tâm trục : eo = 0.045D = 0.045¿
3840 = 173mm
- Chiều dày tại đỉnh cánh : eR = 0.08(50-D)D = 0.08(50-3.84)3.84=14.2
mm
3.Xây dựng bảng tính hình bao duỗi thẳng: ( Bảng 1 )
Sử dụng đồ thị chong chóng của Nga có các thông số :
4 Xây dựng củ chong chóng:
- Độ côn của củ : k = 1:15
- Đờng kính trung bình của củ :
do = 0.167D = 0.167¿ 3.84= 0.642 m = 641 mm
- Chiều dài củ :theo công thức thực nghiệm chiều dài củ phảI thoả mãn cánh chìm hoàn toàn trong củ , khi đặt chong chóng để sửa cánh chong chóng không chạm đất
lC = (1.3 3.3)do = 833 22116 mm Chọn : lC = 920 mm
Trang 8- Đờng kính trớc và sau của củ :
Ta có
k = .l Φ t −Φ s
Φ t +Φ s
Φ s =610 mm
Trong đó :
t - Đờng kính trớc của củ
s - Đờng kính sau của củ
- Đờng kính trục chong chóng :
+ Đờng kính lớn của trục chong chóng :
dB = d1=100ì3√P S
n +0 25 D = 100ì
3
√ 4762
180 +0.25ì3.84=299 (mm)
+Đờng kính sau trục chong chóng: d’1= d1 - klc = 299-920/15=238 (mm) Trong đó:
PS - Công suất động cơ, PS = 4762 Cv
n - Số vòng quay của chong chóng, n = 180 vg/phút
D - Đờng kính chong chóng, D = 3.84 m
⇒ Chọn : dB = 299 mm
- Xác định chiều dài lỗ khoét giảm trọng lợng trong củ :
lc’ = ( 0.3 0.4) lc = (276 368) (mm)
⇒ Chọn : l’
c =360 mm
Chiều sâu lỗ khoét chọn bằng 45 mm đảm bảo chiều dày của củ sau khi khoét không nhỏ hơn chiều dày tại gốc cánh
+ Bán kính tiếp tuyến giữa mặt đạp và củ chong chóng :
R1 = 0.04D = 153.6 mm Chọn R1=154mm
+ Bán kính tiếp tuyến giữa mặt hút và củ chong chóng :
R2 = 0.03D = 115.2 mm Chọn R2=115mm
- Khoảng cách từ mặt phẳng đĩa đến mút của cánh chong chóng :
mR = R tgυ R = 1920 tg10o=338.5 mm
-Chọn bu lông : Theo TCVN 6259 - 2003 :
Đờng kính bu lông d’B= 0.06dB =0.06¿299=18(mm) chọn bu lông M18
5 Chọn then và nghiệm bền then
5.1 Chọn then :
- Số lợng then : 01 loại then bằng
- Chiều dài then : lt = ( 0.9 0.95 )lC = 828 874 mm
⇒ Chọn : lt = 870 mm
- Chiều rộng then :bt = ( 0.25 0.3 )dB = 59.4 71.3 mm
Trang 9⇒ Chọn : bt = 70 mm
- Chiều cao then: ht =(0.5 bt = 30 36 mm
⇒ Chọn : ht = 30 mm
5.2 Nghiệm bền then :
+ ứng suất dập cho phép : [d] = 400 N/mm2
ứng suất dập của then tính theo công thức :
d =
2.T
l d d t2 =510ì299ì122ì36281000 =39.7 (N/mm2 )< [d] Trong đó:
T - mô men xoắn truyền qua mối ghép then : T = 7162.√P D
n m =7162
180 =36281Nm.
Với : PD - Công suất truyền đến chong chóng, PD = PS.S = 4762¿
0.97=4619
nm - vòng quay của chong chóng, nm = 180vg/ ph
t2 = 0.4 ¿ht - Độ ngập sâu then trên củ chong chóng, t2 = 12 mm
dB - đờng kính trục chong chóng, dB = 299 mm
ld - chiều dài chịu dập của then, l d= 870-360 = 510 (mm)
⇒Vậy : Then đã chọn thoả mãn điều kiện bền
6 Tính tam giác đúc:
Tam giác đúc dùng trong công nghệ đúc chong chóng là tam giác bớc của chong chóng tại bán kính :1.1R và 1.2R
R= (1.1 1.2).R = ( 2112 2304 ) mm
⇒ Chọn R=2200 mm
Ta có các thông số sau :
mR = R.tg = 338.5 mm
m =
R Φ
R .m R =
2200
1920ì338.5=388 mm.
P
z =0.65ì38404 = 624 mm.
Trang 10
l =
2 πR Φ
z ì
ϕ1
ϕ1+ϕ2 = 1443mm
l =
2 πR Φ
z ì
ϕ2
ϕ1+ϕ2 = 2011 mm
1 = 33o
2 = 46o
1, 2 : Là góc tạo bởi đờng tâm cánh với tia đi qua đờng bao hình chiếu pháp tại bán kính 0.3R và đi qua tâm 0
Z - Là số cánh chong chóng, Z = 4 cánh
mR- độ lệch của đỉnh cánh trên hình chiếu cạnh
Phần IV Kiểm tra sức bền chong chóng
Theo quy phạm phân cấp à đóng tàu biển vỏ thép TCVN-6259,10-20003
1 Xác định khối lợng và mô men quán tính của chong chóng :
1.1 Xác định khối lợng của chong chóng :
Khối lợng chong chóng đợc xác định theo công thức :
Trong đó:
= 8600 Kg/m3 - khối lợng riêng của vật liệu làm chong chóng
b = 1155.8 mm =1.156m- chiều rộng cánh tại tiết diện r = 0.6R
e = 780 mm=0.78m- chiều dày lớn nhất của propin tiết diện cánh tại
r = 0.6R
D = 3.84 m - đờng kính chong chóng
do = 641 mm=0.641m - đờng kính trung bình của củ chong chóng
rk = do/D = 0.167 (bán kính tơng đối tại gốc cánh)
l C = 920 mm=0.92m - chiều dài củ chong chóng
Z = 4 - số cánh chong chóng
⇒Vậy khối lợng chong chóng là: G =5319 (Kg)
1.2 Xác định mô men quán tính của chong chóng :
Mô men quán tính của chong chóng đợc xác định theo công thức thực nghiệm :
G= γ D
2 Z b0 6
4 104 [6 2+2 104(0 71−r k).e0 6
D ]+0 59ìγ d2o l c ( Kg)
Trang 11I= GD2
4 g =1998.8 (kg.m2s2) Trong đó: G - là trọng lợng của chong chóng, G = 5319 kg
D - là đờng kính chong chóng, D =3.84m
g - là gia tốc trọng trờng, g = 9.8 m/s2
2 Kiểm tra bền của chong chóng theo quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép TCVN 6259- 3 2003 Chong chóng thiết kế phải thoả mãn các yêu cầu về kết cấu và độ bền nh sau :
2.1 Chiều dày cánh :
* Theo điều 7.2.1 phần 3 chơng 7 thì chiều dày cánh chong chóng tại bán kính 0.25R và 0.6R phải không nhỏ hơn trị số trị số tính theo công thức :
Trong đó :
` t - Chiều dày cánh trừ góc lợn, (cm)
` H- Công suất liên tục lớn nhất của máy chính, H = 3500 KW
` Z - Số cánh chong chóng, Z = 4
` N- Số vòng quay liên tục lớn nhất chia cho 100, N = 1.8
` l- Chiều rộng cánh tại bán kính đang xét, (cm)
` K1- Hệ số tính theo công thức :
K1=30 3
√1+k1(P '
D)2(k2 D P +k3 P D ')
Với : k1, k2, k3 – Là các hệ số tra bảng 3/7.1
P’ - Bớc tại bán kính đang xét, (m)
P - Bớc tại bán kính 0.7R,(m)
` K2- Hệ số đợc tính theo công thức :
K2=K−(k4 E
t0+k5) D2.N2
1000
Với : k4, k5- Hệ số xác định theo bảng 3/7.1
E - Độ nghiêng đầu mút cánh, E = 33.8 cm
to- Chiều dày giả định của cánh tại đờng tâm trục chong chóng,to=17.3 cm
K - Hệ số lấy theo bảng 3/7.2, K = 1.3
t=√K1
K2.ZìN ìl H .S.W
Trang 12S -Hệ số liên quan đến tăng ứng suất thời tiết đợc tính theo công thức và 0.8<S <1:
S=0.095ì D S
d S+0.677=0.793 Chọn : S = 0.8
` W - Hệ số liên quan đến ứng suất đổi dấu:
w = 1 + 1 724(A2A3+ A4A1P '
D
A3+ A4P ' D )
Với:
A1= Δw
w+C1,A2= Δw
w+C2,A3 = (C1+1)(C2+w)
C3(C2+1)(C1+w)
C1= D
0 95 P{P
D(1 3−2 a e
z )+0.22}−1
= 0.435
C2= D 0.95 P(1.1 P D−1.19a z e+0.2)−1
= 0.217
C3=0.122 P
D +0.0236 = 0.103,
w- Nớc kèm trung bình định mức ở đĩa chong chóng đợc xác
định theo công thức :
w=0.625{0.04ì(B
D+4) √ B
d S +C b}−0.527
= 0.265 Với : B – Chiều rộng tàu, B = 17.5 m
Cb – Hệ số béo thể tích của tàu, Cb = 0.8
w – Giá trị cực đại của dao động nớc kèm ở đĩa chong chóng tại 0.7R đợc tính theo công thức :
Δw=7.32{1.56−0.04(B
D+4) √ B
d S −C b}w
= 0.568 Chiều dày tại tiết diện 0.25R và 0.6R đợc tính trong bảng sau :
Đại lợng tính Đơn vị Tiết diện khảo sát
Trang 13k1 1.62 0.281
Theo thiết kế ta có :
* Tại tiết diện 0.25R: t =13.4 cm > 8.15 cm
* Tại tiết diện 0.6R : t = 7.8 cm > 2.06 cm
Vậy : Chong chóng đủ bền theo điều 7.2.1 TCVN 6259 - 3: 1997 - Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép
2.2 Bán kínhgóc lợn :
* Bán kính góc lợn giữa chân cánh và củ chong chóng không đựơc nhỏ hơn trị số Ro, tính theo công thức :
R o =t r+
(e−r B).(t o −t r)
e (cm)
Trong đó:
tr – Chiều dày yêu cầu của cánh tại 0.25R, tr = 8.15 cm
rB – Là tỉ số củ của chong chóng, đợc xác định bằng tỉ số đờng kính
củ chong chóng đo ở mặt phẳng vuông góc với tâm chia cho đờng kính chong chóng :
rB = 0.167