ĐỀ TÀI THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐỘNG LỰC

Tính các thơng số cơ bản: Bài tốn cần giả quyết ở đây là thết kế chân vịt để chọn máy cĩ cơng suất phù hợp cho con tàu nhằm đảm bảo tốc độ cho trước ,khi thiết kế chân vịt cần xác định

ĐỀ TÀI THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐỘNG LỰC

LỜI MỞ ĐẦU

Các số liệu cho trước

Điều kiện cho trước Ký hiệu / Đơn vị Số liệu

i.Hệ số đầy chung

j.Hệ số đầy mặt đường nước

BC, ngườiVtVật liệuTEU

86,082,4612,46,75,40,630,840,933001166Phần đuôiThépcontainer

I PHẦN I

TÍNH SỨC CẢN

I.1 Tính sức cản thân tàu:

Ngày nay cĩ nhiều cách tính sức cản vỏ tàu khác nhau Mỗi loại phương pháp cĩ phạm vi ứng dụng riêng biệt Ta áp dụng phương pháp Papmeil

δ = 0.35÷0.80; L/B = 4÷11; B/T = 1.5÷3.5; Fr < 0.9

 Đối với tàu thiết kế ta có:

δ = 0.72 ; L/B = 7,0 ; B/T = 2,3 ; Fr = (0,161 ÷ 0,514) (Nếu ta giả thuyết rằng dải vận tốc của tàu thiết kế từ (5 ÷16)(hải lý/giờ) Do thông số tàu phù hợp phương pháp Papmiel nên chọn phương pháp Papmiel để tính toán sức cản

 Phương pháp Papmiel công bố tại Liên Xô trước đây trong khoảng những năm đầu của những năm năm mươi, dựa cả trên kết quả thử mô hình và đo sức cản tàu thật Trong công thức Papmiel thay vì sức cản R tác giả đề nghị sử dụng EPS (tương đương EPH) dạng sau:

V

Trong đó: D: Lượng chiếm nước của tàu (t)

L: Chiều dài tàu (m)

Vs: Vận tốc tàu (HL/h)

C0: Hệ số theo cách làm của Papmiel

C0 = ξC1ψλ

λ : hệ số tính theo công thức

λ = 0,958

1003.07

91,0

3300

C

V C

× Cho vận tốc nằm trong dải từ (5 ÷16) hl/giờ

I.2 Lập bảng tính sức cản thân tàu:

Bảng 1: Tính sức cản vỏ tàu:

1

3

4 38

C

V

v EPS

R = .75

Đồ thị sức cản tính theo phương pháp Papmeil

Từ bảng tính sức cản và Nycdc ta chọn những máy có dải công suất theo yêu cầu sau:

II.PHẦN II

THIẾT KẾ CHÂN VỊT CHỌN MÁY

II.1 Tính các thơng số cơ bản:

Bài tốn cần giả quyết ở đây là thết kế chân vịt để chọn máy cĩ cơng suất phù hợp cho con tàu nhằm đảm bảo tốc độ cho trước ,khi thiết kế chân vịt cần xác định các yếu tố sau:

II.1.1 Số lượng trục chân vịt:

Tàu thiết kế cĩ mộ hệ trục, được dẫn động bằng một động cơ chính

II.1.2 Chiều quay chân vịt:

Do tàu cĩ một chân vịt do đĩ chiều quay khơng ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả làm việc của chân vịt

Chọn chiều quay của chân vịt: cùng chiều kim đồng hồ nhìn từ mặt ngồi vào

II.1.3 Đường kính chân vịt:

Tính sơ bộ đường kính chân vịt:

Dsb = 0.7T = 0.7*5.4 = 3.78 m

II.1.4 Số lượng cánh chân vịt;

Số lượng cánh chân vịt được tính dựa vào cơng thức sau:

K’ d = vp.D.(ρ/T)1/2 Ưùng với t=200c thì ρ được tính bằng phương pháp nội suy tuyến tính(ứng với bảng 1 trang 13) ⇒ρ = 101.784(kg.s2/m4)

Với T là lực đẩy cần thiết : T = =

−t

R

1 1 0.189 23910.1

742.19383

'

*

chân vịt bằng đồng nên C’ = 0.055m’ là hệ số quá tải của chân vịt Chọn m’ = 1.15

δmax = (0.08÷0.1) là độ dày tương đối của canh chân vịt ở bán kính tương đối r= (0.6÷0.7)R

Lấy δmax = 0.08

D = 3.78 (m): là đường kính chân vịt xác định ở trên

T = 23910.1 (KG): là lực đẩy của chân vịt lấy tại vs = 16 (hải lý/h)

Z = 4 là số cánh chân vịt

Vậy: θ’min = 0.48 Ta chọn θt = 0.55

II.1.6 Các hệ số ảnh hưởng của thân tàu:

w 0.156* b n 3

Trong đó:

n =1: số chân vịt:

D – đường kính sơ bộ chân vịt , D = 0.7Ttb= 3.78 m

V – thể tích chiếm nước của tàu , V = D/ϒ = 3219.5 m3

∆ω - số điều chỉnh tính đến ảnh của sống đuôi (chỉ sử dụng khi Fn > 0.2)

Cb = 0.63 :Hệ số đầy thể tích

0.1891

II.1.9 Hiệu suất xốy:

Với nước biển chọn ηR = 1,025

- Hệ số dòng hút: t = 0,186.

- Hiệu suất thân tàu: ηk = 1,01.

- Hiệu suất môi trường: ηmt= 0,88.

- Hiệu suất đường trục: ηt= 0,98.

- Hệ số ảnh hưởng thân tàu: a = 1,05

- Hệ số dự trữ công suất: Kdt =1,11

II.2 Lập bảng tính chân vịt chọn máy:

Từ bảng tính chân vịt chọn máy ta vẽ được đồ thị chọn máy:

Dựa vào đồ thị chọn máy ta chọn được động cơ: 8L32/44CR Vì:

III.PHẦN III

THIẾT KẾ TRỤC

III.1 Thiết kế sơ bộ hệ trục:

III.1.1 Đặc điểm tàu:

Tàu được trang bị một động cơ chính diesel 4 kỳ, 8xilanh thẳng hàng, trung tốc

• Kiểu 8L32/44CR.(Hãng Man B&W)

III.1.2.1 Chiều dài hệ trục:

- Vị trí buồng máy được đặt tại cuối tàu do đó chiều dài hệ trục ngắn, với ưu điểm dễ

gia công lắp đặt và tận dụng được không gian để chứa hàng (dầu)

III.1.2.2 Kết cấu sơ bộ hệ trục:

- Tàu thiết kế có một chân vịt nên tàu chỉ có một hệ trục.

- Máy chính tàu thuộc loại trung tốc, số vòng quay lớn do đó phải sử dụng hộp số để

giảm số vòng quay của máy chính trước khi truyền động tới chân vịt Do đó hệ trục tàu được bố trí thêm hộp số và trục đẩy

• Động cơ chính được thiết kế kèm theo hộp số và trục đẩy nên:

Do đó, thành phần hệ trục bao gồm:

• Trục trung gian

• Trục chân vịt

• Trục đẩy

- Căn cứ vào bố trí chung toàn tàu ta thấy rằng buồng máy nằm ở cuối tàu ( phần

đuôi tàu) do đó hệ trục không dài, do đó ta quyết định chọn:

III.1.3 Thiết kế hệ trục:

III.1.3.1 Chọn vật liệu làm trục:

Theo “Qui phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép-hệ thống máy tàu-TCVN6259-3”:

- Vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết sau:

• Trục trung gian

• Trục chân vịt

• Khớp nối trục

• Bulong khớp nối

- Vật liệu chế tạo phải có giới hạn bền kéo danh nghĩa nằm trong khoảng 400-800N/mm2

Do đường kính trục thiết kế lớn do đó theo yêu cầu của qui phạm ta chọn vật liệu là thép rèn cacbon:

Giới hạn chảy qui ước N/mm2

Giới hạn bền kéo N/mm2

Độ giãn dài %L=5,56√A

Độ co thắt

%

III.1.3.2 Tính kích thước hệ trục:

- Đường kính trục trung gian không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau:

1 1

160

560

K Ts

N

H K

×

×

×Trong đó:

• do : đường kính yêu cầu của trục trung gian.(mm)

• H : công suất liên tục lớn nhất của động cơ (KW)

• Ts: giới hạn bền kéo danh nghĩa của trục trung gian(N/mm2)

Theo bảng tính chất của vật liệu, chọn Ts = 460N/mm2

Với: di đường kính trong trục rỗng(mm)

da : đường kính ngoài của trục rỗng (mm) Chọn K= 0,4

Suy ra:

160460

560160

44801

560160

448022

,1

Kích thước được tra theo bảng 3-Thiết kế và lắp ráp thiết bị tàu thủy-Nguyễn đăng cường.

- Có nhiệm vụ hãm chặt chân vịt trên phần ren của đầu côn trục chân vịt.

- Phần đai ốc hãm gồm hai phần: đai ốc hãm và nắp xuôi dòng.

3 Kết cấu trục trung gian:

4 Trục trung gian là trục đặc

5 Trục được chế tạo có bích liền nên không cần kết cấu côn trục

a Bích nối trục và bulong bích nối:

6 Trên tàu thủy có rất nhiều phương pháp nối trục, tuy nhiên thường dùng các hình thức là: bích liền, bích rời, ống kẹp trục

7 Chọn kết cấu kiểu bích rèn liền với trục vì có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, giá thành thấp và làm việc tin cậy

8 Kích thước cơ bản được tra theo bảng 6-Thiết kế và lắp ráp thiết bị tàu Nguyễn đăng cường.

475155

333

242832

85100110

170:241170:241187:255Trong điều kiện bình thường dùng gang xám cấp 5 để chế tạo trục chân vịt

2 Kết cấu ống trục chân vịt:

- Tàu có một ống bao trục chân vịt(do có một hệ trục)

- Đoạn cuối ống bao trục có ren để cố định vào đuôi tàu

- Chiều dài ống bao trục được xác định từ cột đuôi đến vách kín nước sau cùng

3 Vật liệu gối trục:

- Gối trục làm bằng vật liệu hợp kim babit với lí do:

Theo qui phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép thì:

9 Chiều dày của áo trục không được nhở hơn trị số tính theo công thức sau đây:t1 = 0,03ds + 7,5=0,03.300+7,5=16,5 mm

t2 = 3/4t1 = ¾.16,5=12.375 mm

Trong đó:

1 t1 : chiều dày áo trục tại vị trí ổ đỡ ống bao trục

2 t2 : chiều dày áo trục ở các phần còn lại

Do đó, có thể tính lại chiều dày ống trục dựa vào công thức sau:

b Chiều dài gối trục chân vịt:

Ống bao trục thường có 2 gối trục nằm trước và sau

Chiều dài gối trước: L1 = (3-4)D = 900-1200(mm)

Chiều dài gối sau: L2 = (4-4,5)D = 1200-1350 (mm)

5 Thiết bị làm kín áo bao trục:

- Nhiệm vụ: làm kín dầu, kín nước, không cho dầu và nước rò ra bên ngoài

- Chọn kiểu làm kín kiểu simphlex

- Cụm làm kín phía mũi dùng hai vòng làm kín(seal) có chức năng làm kín dầu

- Cụm làm kín phía lái dùng bao vòng làm kín trong đó có hai seal làm kín nước, 1 seal làm kín dầu

6 Bôi trơn và làm mát gối trục chân vịt:

- Gối trục làm bằng hợp kim babit

- Phương án bôi trơn là dùng dầu

Sử dụng phương pháp tính sức bền hệ trục theo tải tĩnh cùng với hệ số an toàn về sức bền tức Hệ số dữ trữ sức bền.

2 Tính toán kiểm nghiệm sức bền các hệ trục:

A Tính kiểm nghiệm sức bền trục trung gian:

Trục trung gian được bố trí chỉ có một gối đỡ, hai đầu trục có bích liền để nối với trục chân vịt và trục khuỷu máy chính

Sơ đồ tính toán được thể hiện theo hình sau:

Theo lý thuyết sức bền xoắn thì đường kính trục trung gian được tính dựa theo công thức sau:

dt = [ ( ) ]( )

172,

• Mx: momen xoắn định mức của máy chính

- thông thường m= 0,4(hoặc do = 0,4d)- hệ số trục rỗng

• N: Công suất định mức máy chính(trục trung gian)(cv)

N = 6090HP

• n: Vòng quay định mức máy chính(trục trung gian-v/ph)

n= 160rpm

• τx: Ứng suất xoắn cho phép được xác định theo bảng 42-Thiết kế và lắp ráp

thiết bị tàu thủy-[KG/cm2]

τx = 900kG/cm2 ứng với σT = 3500 kG/cm2

Tuy nhiên do động cơ chính đẩy tàu là động cơ diesel , do đó hệ trục còn phải chịu dao động xoắn nên τx lấy giảm xuống 1,5 lần Suy ra τx =

900/1.5=600(kG/cm2)

• do = Đường kính lỗ trong của trục rỗng(cm)

• d: đường kính lỗ ngoài của trục rỗng(cm)

Từ đó:

)1.(

.45

,

m n

N

τ = 600.160.(1 0,4 )

609045

,

− = 18.23 cmTuy nhiên, theo qui phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép 2003- hệ thống máy tàu:

dt = do ≥ 216.27 mm = 21.63 cm

Với dt, do: đường kính trục trung gian

Do đó chọn đường kính trục trung gian dt = 280 mm

Vậy: đường kính lỗ ngoài trục trung gian d=dt =280 mm

3 − = 4197.79 (cm3)Thay vào ta được:

σx =

79.4197

3 Ứng suất uốn của trục:

Để tính ứng suất uốn ta phải tính phản lưc tại gối đỡ theo sơ đồ trên

Trọng lượng đơn vị của trục:

q= π ( )γ

4

2 2

Xác địn Mu nhờ phần mềm RDM Ta được kết quả sau:

Biểu đồ momen uốn:

Sau khi su dung RDM ta thu được kết quả như sau:

Name of Material = Acier

Young's Modulus = 210000 MPa

Mass Density = 8000 kg/m3

Elastic Limit = 250 MPa

+ -+

| Nodes [ cm ] |

Upper fiber : VY = 140.00 mm Wel.Z = 2099.96 cm3

Lower fiber : VY = 140.00 mm Wel.Z = 2099.96 cm3

Weight of the structure = 8606.74 N ( g = 10.00 m/s2 )

+ -+

| Nodal support(s) |

+ -+

Node 1 : Fixed support

Node 2 : Fixed support

Maximum bending moment = 15223159.47 N.cm at 104.000 cm

Minimum bending moment = -30446318.93 N.cm at 208.000 cm

Maximum normal stress = 144.99 MPa at 208.000 cm

Minimum normal stress = -144.99 MPa at 208.000 cm

3

cm m

2098,9 (cm3) Suy ra

Suy ra trục trung gian đủ bền.

B Tính kiểm nghiệm bền trục chân vịt:

14,

3 Xác định áp lên các gối đỡ - Tính áp lực riêng trên các gối đỡ:

Thực tế sử dụng hệ trục cho thấy rằng phụ tải do trọng lượng bản thân trục và các phần tử khác gắn trên trục phân bố không đều, gối đỡ trục chân vịt chịu tác dụng của phụ tải lớn nhất do có phần côngxôn

Muốn tính áp lực riêng trên các gối đỡ, trước hết cần tính phản lực trên các gối đỡ

Để giải bài toán này người ta coi hệ trục như một dầm liên tục được đặt trên các gối đỡ, một đầu là đoạn côngxôn (đoạn lắp chân vịt) và đầu kia có liên kết ngàm

Sơ đồ tính toán:

Để giải bài toán này em dùng phần mềm RDM6 đã học trong học phần “phương pháp phần tử hữu hạn “ để có được kết quả nhanh và chính xác Phần mềm RDM6 còn cho kết quả của chuyển vị, momen, ứng suất

Các thông số đầu vào :

Chia trục ra làm 5 điểm nút 1,2,3,4,5 Khoảng cách giữa các nút theo các giá trị như sau: l1 = 0 l2 = 50cm

=

cv

γ (T/m3) _ Trọng lượng riêng vật liệu chế tạo chân vịt

d0 _ Đường kính trung bình củ chân vịt, m

d0 =

2

)45,3.125,045,3.18,0(2

).125,0.18,0

Đường kính trục chân vịt: D = 3,45m

Vật liệu chế tạo trục là thép cacbon, khối lượng riêng 7,85 tấn/m3

Trọng lượng đơn vị của trục:

q= π ( )γ

4

2 2

Name of Material = Steel

Young's Modulus = 220000 MPaMass Density = 7850 kg/m3Elastic Limit = 1450 MPa

Circle : D = 300.00 (mm)

Area = 706.86 cm2

Moment of Inertia : IZ = 39760.78 cm4

Upper fiber : VY = 150.00 mm Wel.Z = 2650.72 cm3

Lower fiber : VY = 150.00 mm Wel.Z = 2650.72 cm3

Weight of the structure = 19420.93 N ( g = 10.00 m/s2 )

Nodal force : Node = 2 FY = -29684.90 N MZ = 0.00 N.mm

Linearly distributed force : Nodes = 1 -> 5 pYo = -4.66 pYe = -4.66 N/mm

+ -+

| Results |

+ -+

Maximum normal stress = 13.87 N/mm2 at 1550.000 mm

Minimum normal stress = -13.87 N/mm2 at 1550.000 mm

Phản lực tại gối đỡ phía lái : R3= 70727.79 (N) = 7072.779kG

Phản lực tại gối đỡ phía mũi : R4 = -139976.21 (N) = -13997.621(kG)

Phản lực tại ngàm: R5 = 115239.82 (N) = 11523.982 kG

Momen xoắn Mz = -7667124.51 N.mm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Thiết kế và lắp ráp thiết bị tàu thủy

Nguyễn đăng cường-NXB KHKT -2000

2 Thiết kế trang trí động lực tàu thủy

MỤC LỤC