ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRANG TRÍ ĐỘNG LỰC THIẾT KẾ TRANG TRÍ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC TÀU CHỞ HÀNG KHÔ 5000 TẤN

Ngoài ra khi công suất của động cơ truyền chochong chóng thông qua hệ trục cần phải tính đến hiệu suất hệ trục.. Tàu đợc bố trí một hệ trục ở giữa song song với sống chính và truyền động

Phần I Giới thiệu chung

I - Giới thiệu chung về tàu.

1, Công dụng.

Tàu 5000 tấn là loại tàu chở hàng khô rời trọng tải 5000 tấn,tàu lắp 1 máy chínhtruyền động trực tiếp 1 đờng trục Tàu hoạt động chủ yếu trên tuyến đờng QuảngNinh - Nhật Bản

2, Cấp tàu.

Tàu đợc thiết kế đảm bảo cấp không hạn chế theo tiêu chuẩn của đăng kiểm VR

3, Các thông số cơ bản của tàu

- Chiều dài lớn nhất : Lmax = 96,26 m

- Chiều dài thiết kế : Ltk = 89,95 m

- Chiều rộng tàu : B = 15,5 m

- Chiều cao mạn : H = 7,5 m

- Chiều chìm : T = 6,1 m

- Hệ số béo thể tích :  = 0,759

- Hệ số béo sờn giữa :  = 0,988

- Máy chính 6LU - 46A do hãng HANSHIN chế tạo

- Công suất máy chính : Ne = 3200 CV

4, Sơ lợc kết cấu tàu.

Tàu đợc thiết kế với 141 sờn, khoảng cách giữa 2 sờn liên tiếp là 0,65 m Thợngtầng mũi 11,40 m và thợng tầng đuôi là 25 m Vị trí buồng máy đặt phía đuôi tàu từSn7  Sn2 Sau buồng máy về phía lái là kho chứa, buồng máy lái, két nớc ngọt.Không gian trên buồng máy bố trí các buồng ngủ thuyền viên, nhà bếp, nhà ăn,nhà vệ sinh, lối xuống buồng máy

Phía trên bố trí buồng lái, VTĐ và các khí cụ hàng hải,về hai bên mạn lui về phíasau buồng lái bố trí mỗi bên một xuồng cứu sinh

Giữa tàu là hai khoang hàng :

II - Bố trí buồng máy.

Buồng máy đợc bố trí từ Sn7  Sn28

1, Máy chính.

Buồng máy đợc lắp một máy chính 6LU - 46A do hãng HANSHIN chế tạo Đây

là loại động cơ 4 kỳ tăng áp bằng tua bin khí xả, đảo chiều bằng không khí nén.Máy chính đợc bố trí từ Sn15  Sn24

- áp suất nén lớn nhất : Pc = 16,22 KG/cm2

- áp suất cháy lớn nhất : Pz = 100 KG/cm2

- Suất tiêu hao nhiên liệu : ge = 149,5 g/CV.h

- Suất tiêu hao dầu nhờn : gm = 1,2 g/CV.h

- Thứ tự nổ : 1- 4 - 2 - 6 - 3 - 5

- Vòng quay lớn nhất : nmax = 270 v/p

- Vòng quay nhỏ nhất : nmin = 200 v/p

- Khoảng cách giữa hai tâm xi lanh liên tiếp : H = 750 mm

- Chiều dài biên : L = 1480 mm

2.1, Động cơ Diesel lai máy phát điện.

Buồng máy đợc bố trí 2 động cơ Diesel lai máy phát điện Hai động cơ đợc bố trí

từ Sn9 + 200 mm  Sn13 và đối xứng nhau qua mặt phẳng dọc tâm

Kí hiệu động cơ Diesesl lai máy phát điện : 6RAL

Các thông số cơ bản của động cơ lai máy phát điện :

- áp suất cháy lớn nhất : Pz = 55 KG/cm2

- Suất tiêu hao nhiên liệu : ge = 163 g/CV.h

- Suất tiêu hao dầu nhờn : gm = 1,5 g/CV.h

Phần II Tính sức cản và thiết kế sơ bộ chong chóng

I - Tính sức cản tàu.

Phơng pháp tính sức cản bằng đồ thị cho ta kết quả chính xác hơn cả, trong phầnnày chọn một trong những phơng pháp xác định sức cản bằng đồ thị có đồ thị phùhợp với tàu thiết kế

Tính sức cản tàu theo phơng pháp Papmiel, đây là phơng pháp Papmiel dựa vàokết quả của những thí nghiệm mô hình và những tàu thực tế Phơng pháp này đơngiản và đễ sử dụng và chỉ dùng một đồ thị

Theo Papmiel đồ thị có giá trị trong khoảng :

50 , 51 3 ,

0 

 ψ

50 , 3 5 , 1 T

B





25 , 0 09 , 0 L

B





80 , 0 35 ,

 δ

Theo thông số tàu (Phần I), ta có :

0 , 35 0 , 80

759 , 0

25 , 0 09 , 0 172 , 0 95 , 89

5 , 15 L

B

50 , 3 5 , 1 54 , 2 1 , 6

5 , 15 T

5 , 15 10 L

B





Vậy tính sức cản của tàu theo phơng pháp Papmiel

Theo Papmiel, công suất kéo của tàu đợc xác định :

0

3 s

C

v L

D EPS 

Trong đó :

D - lợng chiếm nớc của tàu

5 , 6616 759

, 0 1 , 6 5 , 15 95 89 025 , 1 T B L

Với γ  1 , 025 là trọng lợng riêng của nớc

C0 đợc tính theo công thức :

ψ χ

λ

C

C0  p

Trong đó :

_ hệ số kể đến phần nhô của tàu

Tàu một đờng trục  = 1

Cp - hệ số phụ thuộc vào vận tốc tơng đối v1

Cp đợc tra đồ thị Papmiel theo

L v

R 

v

KGm/s

15734,35 19093,57 22792,05 27761,44 33383,01

Từ bảng trên ta vẽ đợc đồ thị sức cản R = f(v) và công suất kéo EPS = f(v)

Thực tế cho thấy đợc công suất có ích truyền từ động cơ đến chong chóng phảitính đến lợng dự trữ khi trờng hợp tàu hành trình trong vùng nớc cạn và khi độnhám của vỏ tàu tăng do hà bám Ngoài ra khi công suất của động cơ truyền chochong chóng thông qua hệ trục cần phải tính đến hiệu suất hệ trục

Vậy công suất có ích của việc đẩy tàu là :

 1

Tàu một chong chóng  X = 1

38 , 21447 313

, 0 1

35 , 15734

5 , 104

333 , 4

892 , 3 P

n

v '

4, Chọn tỷ số đĩa theo điều kiện bền.

Theo điều kiện bền, ta có :

3 4

3 / 2

max min

10

'.

.

' 375 , 0

c’ - hệ số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo

Đối với chong chóng bằng đồng c’ = 0,056

m’ - hệ số tính đến khả năng tải trọng của cánh

Với tàu hàng m’ = 1,15

D - đờng kính sơ bộ của chong chóng

D = 0,7.T = 0,7.6,1 = 4,27 m

Với T là chiều chìm của tàu T = 6,1 m

max - giá trị giới hạn của độ dày tơng đối của cánh ở tiết diện trên khoảngcách bằng (0,6  0,7)R

38 , 21447

15 , 1 1 , 0

4 27 , 4

056 , 0 375 , 0

4

3 / 2

5, Công suất truyền vào chong chóng.

Công suất truyền vào chong chóng đợc tính theo công thức :

Np = đt.N

Trong đó :

N - c«ng suÊt cã Ých cña m¸y ®o t¹i trôc m¸y

R P

p opt

' n

v D

1

D n

P k

v R N

1

15 Sai số 100 %

N

N N

1 1

Vậy chong chóng đã thiết kế thỏa mãn công suất yêu cầu cho việc đẩy tàu

7, Kiểm tra chong chóng theo điều kiện bền.

Theo công thức :

3 4

3 / 2

max min

10

P '.

m Z

D

' c 375 , 0

4 93 , 2

056 , 0 375 , 0 '

4

3 / 2

8, Kiểm tra chong chóng theo điều kiện xâm thực.

Theo công thức :

 2 s

c

P

k 130

kc - đặc tính xâm thực

Tra đồ thị theo p = 0,32 và H/D = 0,64 có kc = 0,23

75 , 14837 238

63 , 4 1025 10330

4 , 333 2 , 93 0 , 455

75 , 14837

23 , 0 4 , 1 130

0 6

, 0 0 4

6 , 0 3

4 6 , 2 2 10 0 , 71 0 , 59 10

.

e D

d D

b D

b0,6 'm.

4

93 , 2 26 , 1

I - Tính toán các chi tiết của hệ trục.

1, Bố trí hệ trục.

Tàu đợc bố trí một hệ trục ở giữa song song với sống chính và truyền động trựctiếp Hệ trục gồm có trục trung gian và trục chong chóng, không bố trí trục lực đẩyvì thiết bị chặn lực đẩy dọc trục dợc đặt ngay sau trục ra của máy chính

2, Tính đờng kính trục trung gian và trục chong chóng.

2.1, Chọn vật liệu.

2 4

3

93 , 2

07 , 0 93 , 2

56 , 0 71 , 0 10 2 2 , 6 93 , 2

92 , 0 93 , 2 8700 10

Chọn vật liệu chế tạo trục trung gian và trục chong chóng là thép 45 rèn, cấpthép KFS45 có các chỉ số kỹ thuật sau :

2.2, Đờng kính trục trung gian.

Theo quy phạm Việt Nam 1997, đờng kính nhỏ nhất của cổ trục trung gian dtgkhông đợc nhỏ hơn giá trị tính theo công thức sau :

160

560

.

n

N k F d

k = 1 - cho trục có bích liền

s - giới hạn bền kéo danh nghĩa của vật liệu trục (N/mm2)

560

260

94 , 2352

1

đ-dtg = 300 mm

Đờng kính trục trung gian dtg = 300 mm

2.3, Đờng kính trục chong chóng.

Theo quy phạm Việt Nam 1997, đờng kính trục chong chóng đợc tính theo côngthức :

3

160

560

.

n

N k d

560

260

94 , 2352

26 , 1

Đờng kính trục chong chóng dcc = 300 mm

3, Tính các chi tiết của hệ trục.

3 4

dcc

dr

H×nh 2 - PhÇn c«n trôc chong chãng

- Đờng kính ren đầu trục :

Tra bảng theo đờng kính trục chong chóng dcc = 300 mm, ta có :

dr = M200 x 6

- Chiều rộng then :

Tra bảng theo đờng kính trục chong chóng dcc = 300 mm, ta có :

b = 65 mm

Từ chiều rộng then b = 65 mm, theo tiêu chuẩn ta có :

+ Chiều cao then : h = 35 mm

+ Chiều dài then : Lt = 455 mm

- Chiều dài côn trục :

88 , 461 6 , 256 8 , 1 L 8 , 1 d

L

k cc

4 5L

Hình 3 - Rãnh then trục chong chóng

mm a

8

16 8

1   

mm a

3

16 3

2   

mm a

2

16 2

3   

mm a

3

2 3

2

mm a

4

3 4

3.3, áo trục chong chóng.

Do trục chong chóng làm việc phải tiếp xúc với nớc biển bôi trơn bạc nên cầnbọc một lớp bảo vệ gọi là áo trục

áo trục đợc làm bằng đồng BC 2 + Ni 0,3 % và đợc ép vào trục bằng phơng pháp

ép nóng dọc theo chiều dài trục chong chóng

Chiều dày nhỏ nhất của áo trục đợc xác định theo công thức :

+ Có đàn tính tốt, làm việc trong nớc có nhiều bùn cát không dễ bị màimòn

+ Công tác ổn định, không có tiếng ồn, trục vận hành có thể tự động chỉnh

vị và có khả năng chịu đợc dao động ngang

+ Làm việc tốt với áo trục bằng đồng thanh lúc dùng nớc bôi trơn

d

a

3

d

a

thỏa mãnKhoảng cách từ đỉnh cánh tới vòm đuôi : c = 610 mm

, 0 15 , 0

d

c d

c

thỏa mãn

mm d

g d

g

mm d

f d

f

mm d

b d

b

mm d

e d

e

8 , 175 2930 06 , 0 06 , 0 06

, 0

4 , 234 2930 08 , 0 08 , 0 08

, 0

897 2930 3 , 0 3 , 0 3

, 0

5 , 439 2930 15 , 0 15 , 0 15

, 0

Trong đó : d là đờng kính chong chóng, d = 2930 mm

Vậy bố trí chong chóng nh tính toán trên sẽ tạo đợc lực đẩy tối u

- Khoảng cách từ bánh đà đến vách sau buồng máy là 5040 mm

- Khoảng cách từ vách sau buồng máy đến sống đuôi là 2100 mm

4.3, Chiều dài hệ trục.

Bố trí mũ đầu trục chong chóng cách bánh lái 350 mm, ta sẽ có tổng khoảngcách của hệ trục là L = 8300 mm

Vì thiết bị chặn lực đẩy đặt ngay sau trục ra của máy chính nên hệ trục không

bố trí trục lực đẩy, vì vậy bố trí trục trung gian và trục chong chóng Với khoảngcách từ bích nối trục chong chóng đến vách sau buồng máy là 750 mm ta cóchiều dài trục chong chóng là 4050 và chiều dài trục trung gian là 4250 mm

Hệ trục đợc bố trí từ Sn1 + 340 mm  Sn14 + 450 mm

- Trục chong chóng : Sn1 + 340 mm  Sn8 + 100 mm

- Trục trung gian : Sn8 + 100 mm  Sn14 + 450 mm

Vậy :

- Chiều dài trục trung gian : Ltg = 4250 mm

- Chiều dài trục chong chóng : Lcc = 4050 mm

5, ổ đỡ trục trung gian.

Để hệ trục làm viẹc tin cậy tránh ứng suất cục bộ do biến dạng của vỏ tàu gâynên, số lợng ổ đỡ trên đờng trục nên hạn chế đến mức thấp nhất Do đó trụctrung gian đợc bố trí một ổ đỡ.

Chọn ổ đỡ trục trung gian là ổ trợt, bôi trơn bằng vòng văng dầu

Kết cấu ổ đỡ trục trung gian :

Hình 7 - Bạc đỡ trục trung gian

1- Trục trung gian

3

S 2

S 1

1 2 3 4

5 6

7

S1 - chiều dày nhỏ nhất của ống bao tại chỗ không lắp bạc.

S2 - chiều dày tại chỗ lắp bạc đỡ

da - đờng kính áo trục

da = dcc + 38 = 338 mm

* Thiết bị làm kín ống bao trục

Vì trục bôi bằng nớc nên cần có thiết bị làm kín đoạn ống trớc

Hình 9 - Thiết bị làm kín ống bao trục

4

7 8

Hình 10 - Sơ đồ bố trí hệ trục chong chóng

Trọng lợng đơn vị trục chong chóng :

56 , 5 4

30 14 , 3 10 87 , 7 4

d q

2 3

- Hệ trục đợc xem là hệ trục trơn bỏ qua các bích nối

- Hệ trục đợc xem là một dầm siêu tĩnh, bích nối trục trung gian với động cơ

L q L G

10 649 , 3

2

7 , 156 56 , 5 105 2688 2

.

5 0

2 2

0 0

   3

2

3 1 2

2 2 1 1 1

4

2

3 3 2 2 2

4

2

M

M M

M M

M

M M

10

649 ,

3

0 10

51 , 2 8

4

0 10

6 , 112 5

, 212 6

, 921 5

, 328

0 10

17 , 42 5

, 328 6

, 921

5 0

5 3

2

5 3

2 1

5 2

L

M M L q L q G R

3 0

1

0 1 1 0

0

10 7822 , 5

2

.

L

M M L

M M L q L q R

3 1

2

1 2 1

1 0 2 1 1

10 1633 , 0

2

2

L

M M L

M M L q L q R

3 2

3

2 3 2

2 1 3 2 2

10 8386 , 1

2

2

L

M L q R

3 3

3

2 3 3

10 0656 , 0 2

, 7

3028 , 7 3919 , 7

% 100

1, Nghiệm bền trục chong chóng

STT Đại lợng tính Kí hiệu Đơn vị Cách xác định Kết quả

1 Mô men xoắn trên trục Mkp KG.cm

n

N

do lắp ghép

kp 2 u m

Ta xét hệ trục có đoạn L1 = 328,5 cm là đoạn trục dài nhất

STT Đại lợng tính Kí hiệu Đơn vị Cách xác định Kết quả

L

J E

253,86

Ta có : kôđ  [k]ôđ  hệ trục thỏa mãn ổn định dọc trục.

3, Nghiệm biến dạng xoắn của hệ trục.

STT Đại lợng tính Kí hiệu Đơn vị Cách xác định Kết quả

100 M 180

Ta có :   []  hệ trục thỏa mãn điều kiện biến dạng xoắn

4, Nghiệm độ võng lớn nhất do uốn

STT Đại lợng tính Kí hiệu Đơn vị Cách xác định Kết quả

2 Độ võng đoạn

1 p

J E 384

L G 5

0,014

3 Độ võng cho

Kết luận :

Hệ trục làm việc với hệ số an toàn, ổn định, không bị biến dạng do xoắn, uốn

 hệ trục làm việc bình thờng

Phần IV

Tính dao động ngang của hệ trục

Dao động ngang có tác hại sau :

- Làm giảm tuổi thọ của động cơ và hệ trục

- Gây chấn động vùng đuôi tàu làm ảnh hởng đến vỏ tàu

Do vậy cần phải tính dao động ngang của hệ trục thông qua tính vòng quay tớihạn nk

Tính dao động ngang theo phơng Simaski, có các giả thiết sau :

- Xem trục là một dầm ngang không quay có nhiều nhịp

- Dầm nhiều nhịp lúc dao động ngang tự do mỗi nhịp tơng đơng với mộtdầm đợc đặt trên hai điểm tựa đàn tính

- Trị số mô men tại điểm tựa tỷ lệ thuận với góc lệch nghiêng của đờngcong đàn tính tại điểm đó

- Nhịp sau cùng của dầm ngang tơng đơng với một dầm treo đàn tính cố

định

J E

L

64 , 8 A

cx

cx cx

2 , 49

max

3,Tính chính xác tần số dao động ngang tự do.

Ta lập bảng tính vòng quay tới hạn nk theo các bớc sau :

n n

2 , 49

max

Trong đó :

Lmax - chiều dài đoạn trục lớn nhất (cm)

J - mô men quán tính trục

1 n n

n

X

X 1 1

1 X

- Bớc 9 :

Căn cứ vào trị số X1m của nhịp cuối cùng tra đồ thị xác định n của nhịp cuốicùng sau đó tính lại vòng quay cộng hởng theo công thức :

 24 , 0

.

64 , 8

q L

G

J E L

n

m

p m

So sánh với nk ban đầu nếu sai số lớn hơn 10 lần/s thì tính lại

Quá trình tính chỉ dừng lại khi sai số nhỏ hơn 10 lần/s

n n A

n n A

% 100 260

260 2 , 802

% 100

n

n n K

Điều kiện an toàn vòng quay tới hạn K  30%

Vậy hệ trục an toàn khi dao động ngang

Phần V Tính Dao động xoắn của hệ trục

Dao động xoắn là một trong những nguyên nhân gây gãy trục Lúc trục bịxoắn trục phải chịu ứng lực ngoại ngạch rất lớn, ngoài ra do trục bị xoắn đi xoắnlại nhiều lần mà biến dạng, kết quả làm cho trục mỏi rồi h hỏng

Theo quy phạm tàu biển nếu động cơ chính kiểu piston thì cần phải tính toándao động xoắn, tìm trị số ứng suất do mô men vặn điều hòa của động cơ gây nên

và khu vực cộng chấn nguy hiểm của trục tức là khu vực cấm hay vòng quay tớihạn của trục

Để đơn giản cho việc tính toán ta giả thiết hệ trục là một hệ thống gồm nhiềukhối lợng tập trung nối bởi các đoạn trục đàn tính không khối lợng

1, Số liệu ban đầu.

Tàu đợc bố trí một máy chính nhãn hiệu 6LU - 46A do hãng HANSHIN chếtạo Truyền động trực tiếp qua một hệ trục và một chong chóng

- Vòng quay lớn nhất : nmax = 270 v/p

- Vòng quay nhỏ nhất : nmin = 200 v/p

- Khoảng cách giữa hai tâm xi lanh liên tiếp : H = 750 mm

- Khoảng cách từ tâm xi lanh cuối tới bánh đà : Hc = 1600 mm

Gồm một trục trung gian và một trục chong chóng

- Trục trung gian :

+ Đờng kính trục trung gian : dtg = 300 mm

+ Chiều dài trục trung gian : Ltg = 4250 mm

- Trục chong chóng :

+ Đờng kính trục chong chóng : dcc = 300 mm

+ Chiều dài trục chong chóng : Lcc = 4050 mm

1.4, Khớp nối

Dùng bích liền để nối hệ trục với bích ra của động cơ

2, Tính chuyển cho hệ thống tơng đơng.

2.1, Mô men quán tính khối lợng.

2.1.1, Nhóm piston - biên khuỷu.

Theo công thức Cheski :

R b D

b D R

I bk .

4 , 1

10 25 ,

37 1 46 4 , 1

1 46 37 10 25 ,

L - chiều dài đoạn trục

d - đờng kính đoạn trục

- Với đoạn trục từ xilanh cuối đến bánh đà :

L = Hc = 160 cm

d = dct = 35 cm

006 , 189 35

160 981 32

14 , 3 10 87 ,

425 981 32

14 , 3 10 87 ,

d = 30 cm

241 , 258 30

405 981 32

14 , 3 10 87 ,

14 , 3 10 87 ,

n

k N GD

 - hệ số không đều của trục khuỷu

Động cơ tàu thủy truyền động trực tiếp  = 1/50

50 / 1

1600000

3200

3 2

- Mô men quán tính khối lợng nớc kèm :

I2 = 6,7.10-10.D5.[.(H/D) + 5].[ .(H/D) - 0,1]

Với H/d là tỷ số bớc của chong chóng

I2 = 6,7.10-10.2935(0,55.0,64 + 5).(0,55.0,64 - 0,1) = 1951,325 KG.cm.s2Vậy mô men quán tính khối lợng của chong chóng :

6 0 , 5 10

0 35

37 5 , 0 75 10

32

x

x t

d

L G

Lx - chiều dài đoạn trục

dx - đờng kính đoạn trục

- Đoạn trục từ tâm xi lanh cuối đến bánh đà :

Lx = Hc = 160 cm

dx = dct = 35 cm

5 4

5 0 , 0001 10 35

160 10 1 , 8 14 , 3

5 0 , 00066 10 30

425 10 1 , 8 14 , 3

5 0 , 00063 10 30

405 10 1 , 8 14 , 3