THIẾT KẾ MÔN HỌC  ĐỘNG LỰC HỌC TÀU THỦY

Hiệu suất ảnh hưởng của thân tàu.. Tính toán chóng để lựa chọn động cơ .... 19 2.9.1.Tính toán các đặc trưng không thứ nguyên của chong chóng làm việc sau thân tàu .... PHẦN 1: TÍNH LỰC

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI  TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI 

BỘ MÔN LÝ THUYẾT THIẾT KẾ - KHOA ĐÓNG TÀU 

THIẾT KẾ MÔN HỌC  

ĐỘNG LỰC HỌC TÀU THỦY

THIẾT  KẾ  CHONG  CHÓNG  TÀU  HÀNG  RỜI,  TRỌNG  TẢI  12000t,  VẬN  TỐC VS = 13 KNOT, HOẠT  ĐỘNG VÙNG BIỂN  KHÔNG HẠN  CHẾ CÓ CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU SAU: 

L x B x d               =   143 x 20,1 x 7,2 

CB x CM x CWL      =      0,82 x 0,99 x 0,89 

xB/L        =  1,5%    

Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN VĂN VÕ

Người thực hiện : PHẠM VĂN CHUNG

HẢI PHÒNG, NĂM 2013

MỤC LỤC

MỤC LỤC   1

GIỚI THIỆU CHUNG:   3

PHẦN 1: TÍNH LỰC CẢN VÀ CÔNG SUẤT KÉO   4

1.1.Lựa chọn phương pháp tính   4

1.2.Tính lực cản và công suất kéo   4

PHẦN II : TÍNH TOÁN CHONG CHÓNG   7

2.1.Chọn vật liệu   7

2.2.Tính toán các hệ số tương hỗ   7

2.2.1. Hệ số dòng theo   7

2.2.2. Hệ số hút   7

2.2.3. Hiệu suất ảnh hưởng của thân tàu.   7

2.3. Chọn số cánh Z   7

2.4. Chọn tỷ số đĩa theo điều kiện bền   8

2.5. Tính toán chóng để lựa chọn động cơ   8

2.6.Kiểm tra xâm thực chong chóng   9

2.7.Xây dựng bản vẽ chong chóng   10

2.7.1.Xây dựng hình bao duỗi thẳng của chong chóng:   10

2.7.2.Xây dựng profin cánh:   11

2.6.3.Xây dựng hình chiếu pháp và hình chiếu cạnh   13

2.7.4.Xây dựng củ chong chóng   14

2.7.5.Xây dựng tam giác đúc:   16

2.8.Kiểm tra bền chong chóng:   17

2.9.Tính toán và xây dựng đồ thị vận hành của chong chóng:   19

2.9.1.Tính toán các đặc trưng không thứ nguyên của chong chóng làm việc sau thân tàu    19

2.9.2.Tính toán các đặc trưng của chong chóng sau thân tàu   20

2.9.3.Tính toán đường đặc tính ngoài động cơ   22  

Tài liệu tham khảo: 

 Tính toán tính di động của tàu có lượng chiếm nước (Nguyễn Văn Võ ) – 1. 

 Bài giảng Động lực học tàu thủy 1–Trường Đại học Hàng Hải–Khoa Đóng Tàu – 2. 

 Sổ tay Kỹ thuật Đóng tàu tập 1( Nhà Xuất Bản Khoa học –Kỹ thuật) – 3. 

GIỚI THIỆU CHUNG:

  Vùng hoạt động:  vùng biển không hạn chế 

PHẦN 1: TÍNH LỰC CẢN VÀ CÔNG SUẤT KÉO

1.1.Lựa chọn phương pháp tính

- Lựa chọn phương pháp:Seri tàu có hệ béo lớn của Viện Đóng Tàu Tokyo. 

- Giới hạn của phương pháp: 

L

5,8÷8,3  



d

B

2,2÷3,5 



L

x B

1,5÷4,4 %    Hình dáng mũi:chữ V, mũi thẳng, mũi quả lê với đường nước nhọn, kiểu cái búa.    Hình dáng đuôi:chữ U, chữ V, đuôi kiểu xì gà 

- Thông số tàu thiết kế: 

B

7,114

d

7, 2 2,792 

L

x B

1,5% 

Như vậy, tàu thiết kế thỏa mãn các giới hạn của phương pháp Seri tàu có hệ béo lớn  của Viện Đóng Tàu Tokyo.Do đó lựa chọn phương pháp trên để tính lực cản của tàu. 

1.2.Tính lực cản và công suất kéo

- Nội dung phương pháp: 

Lực cản tổng cộng  tác dụng lên thân tàu:  1 2

2

R  rC v S  trong đó:  

  r -  khối lượng riêng của nước, r =1,025 T/m3 

  v - vận tốc tàu, m/s 

  S- diện tích mặt ướt của tàu, m2 

[2 1, 37( B 0, 274)B]

d

  C F - hệ số lực cản, xác định theo công thức: 

      C C F C RC AC AP 

    với : C F - hệ số lực cản ma sát, xác định theo công thức ITTC 1957 

(lg Re 2)

F

C 

      C  - hệ số lực cản dư, xác định như sau: 

        ( , / ). / ( / ) .

B

C C C L B k B d k k   Các hệ số:  

    C C L B R( B, / ) tra đồ thị 1.36. 

  k B d/ ( / )B d : hệ số điều chỉnh sự sai khác giữa B d/  của tàu tính toán và tàu 

tiêu chuẩn, tra đồ thị 1.44[1]. 

B

x

k : hệ số điều chỉnh sự sai khác giữa hoành độ tâm nổi tương đốix B tính toán   với tàu tiêu chuẩn, tra đồ thị 1.45[1]. 

    k K: hệ số tính cho hình dạng hình chiếu sườn đuôi khác với dạng chữ U, tra 

đồ thị 1.47[1]. 

      C A - hệ số ảnh hưởng của nhám, C A= 0,1.10-3 

      C AP - hệ số ảnh hưởng của phần nhô, C AP = 0,05.10-3 

Bảng 1.1:Tính lực cản

Vận Tốc Giả thiết

2



Fr

g L

3

0

/  / ( / )

B d B d

B

x

k

K

k

0, 075

(log Re 2)





F

C

Lực cản của tàu      R  = 325,14kN 

Công suất kéo của tàu  PE = 2175,57kW 

PHẦN II : TÍNH TOÁN CHONG CHÓNG

2.1.Chọn vật liệu

- Vật liệu chế tạo là Đồng thau mangan đúc- Cấp 1.Ký hiệu:HBsC 1 

- Đặc trưng cơ tính của vật liệu được thể hiện ở bảng sau: 

Bảng 2.1:Đặc tính cơ tính của Đồng thau mangan đúc

Cấp vật liệu  Giới hạn bền chảy 

(c – N/mm2) 

Giới hạn bền kéo  (k – N/mm2) 

Độ dãn dài  ( – %) 

Bảng 2.2:Thành phần hóa học của Đồng HBsC 1

2.2.Tính toán các hệ số tương hỗ

2.2.1 Hệ số dòng theo

- Theo Taylor, đối với tàu một chong chóng : 

  Hệ số dòng theo : w T 0,5.C B0.05 = 0,5.0,82-0,05= 0,36 

    C B - hệ số béo thể tích, C B=0,82 

2.2.2 Hệ số hút

  Hệ số hút : tk w T = 0,9.0,365 = 0,324 

  trong đó : 

    k- hệ số ảnh hưởng của hình dạng bánh lái, đối với bánh lái dạng tấm đơn 

giản : k=0,9÷1,05, chọn k=0,9. 

2.2.3 Hiệu suất ảnh hưởng của thân tàu

Hiệu suất ảnh hưởng của thân tàu được tính theo công thức 6.36[2]: 

Q T

1 1 t

+ 1/iQ cho tàu 1 chong chóng được tính gần đúng theo công thức:       

1/iQ = 1 + 0,125(wT –0,1) = 1+0,125(0,36-0,1)=1,032  + wT = 0,36 – hệ số dòng theo 

+ t = 0,324 – hệ số hút 

2.3 Chọn số cánh Z

- Để lựa chọn số cánh chong chóng (Z), ta dựa vào hệ số lực đẩy theo theo đường kính  K DT

-tính theo 2.1.4[1] 

r



DT A

- Nếu KDT≥2 thì chọn Z= 3, ngược lạinếu KDT<2thì chọn Z= 4 

v A– vận tốc tiến của chong chóng,v A v S.(1w T)= 4,276 m/s 

vS – vận tốc tiến của tàu(knot), vS = 13knot;  

wT – hệ số dòng theo, wT = 0,36 

D – đường kính sơ bộ chong chóng, D = 4 m 

  T – lực đẩy của chong chóng,  480, 976kN

(1 )



P

R T

Z p – số cánh chong chóng, Z P = 1; t – hệ số hút, t = 0,324   

  rkhối lượng riêngcủa nước, r= 1,025 tấn/m3 

=>Hệ số lực đẩy theo đường kính: KDT = 1,09 <2nên chọn số cánh chong chóng Z= 4

2.4 Chọn tỷ số đĩa theo điều kiện bền

- Để đảm bảo độ bền cho cánh chong chóng thì tỷ số đĩa được chọn không nhỏ hơn giá  trịtính theo 2.1.5[1]: 

'

max

0 0 min

0, 375

100

  Trong đó: 

    C – hệ số kể đến loại vật liệu, đối với đồng thau - C = 0,06 

    Z – số cánh chong chóng, Z = 4 

    D – đường kính chong chóng sơ bộ, D = 4 m 

max max

e

b

    - tỷ số giữa chiều dày profile lớn lớn nhất của cánh 

max

e với chiều rộng profile của cánh, chọn emax 0, 08 

  m – hệ số quá tải, đối với tàu hàng m = 1,15 

  T – lực đẩy của chong chóng, T = 480,976 kN 

' 2/3

3

0 min

0, 06.4 1,15.480,976

E A

Vậy chọn tỷ số đĩa cho chong chóng là 

0

0,70



E A

2.5 Tính toán chóng để lựa chọn động cơ

Tính toán chọn động cơ theo seri: B – 4 – 70(Z = 4, 

0

0,70



E A

Bảng 2.1: Tính toán các yếu tố cơ bản của chong chóng và lựa chọn động cơ

TT Đại lượng tính toán Đơn vị

Kết quả tính

.

1, 05



0

J = a.J ,a

OPT

T

K =

ρ.n D

η = f(J,K )

1 1 - t

i 1 - w

P A S

D S

(R / Z ).v

P =

η η k

Dựa vào bảng tính ta xây dựng được đồ thị P s =f(N),D OPT = f(N), P/D = f(N), η = f N 

Dựa vào đồ thị ta chọn được động cơ cần thiết: 

Ta chọn máy có kí hiệu: MAN B&W 6S35MC 

Công suất: Ps = 4200 kW,  Vòng quay động cơ: nH = 170 r/min,  Các Thông số cơ bản của chong chóng: 

    Đường kính chong chóng:    D   = 3,81 m, 

    Hiệu suất của chong chóng:  η D  = 0,467, 

2.6.Kiểm tra xâm thực chong chóng

- Theo Schoenherr, để đảm bảo không xảy ra giai đoạn xâm thực thứ nhất thì tỷ số đĩa 

không được nhỏ hơn giá trị tính theo 3.5.1[1]: 

0 min 0

1, 275 C ( )

A

n D



 = 1,275.1,6 0, 61

151, 28.(2,83.3,59)2 = 0,66    trong  đó: 

      - hệ số thực nghiệm phụ thuộc trọng tải,  = (1,3 ÷1,6).Đối với chong chóng  nặng tải,    = 1,6(để tránh tổn thất ở mút cánh) 

    K C K Z P D J C( , / , ) - hệ số đặc trưng xâm thực, tra đồ thị(hình 3.3[1]), 

C

K =0,42 

    p0- áp suất thủy tĩnh tại độ ngập sâu trục chong chóng, kN/m2 

    P0 P Ar .g h S r0= 101,340+10.5,226 – 2,32 = 150,065 kN/m2 

      với : r.g=10 kN/m3 đối với nước biển 

      h S- độ ngập sâu của trục chong chóng, m  

        r0 2,32kPa 2,32kN / m2 

- Tỷ số đĩa 

0

E

A

A  = 0,7>

0 min

E A A

=0,66 , do đó chong chóng đảm bảo điều kiện chống xâm  thực. 

2.7.Xây dựng bản vẽ chong chóng

2.7.1.Xây dựng hình bao duỗi thẳng của chong chóng:

- Chiều rộng lớn nhất của cánh bmax : 

max

0

2,187.

.A E

D b

- Từ đó ta có bảng hoành độ để xác định hình bao duỗi phẳng theo Seri B theo % của   bmax như sau: 

Bảng 2.2:Hoành độ của hình bao duỗi phẳng

Bảng hoành độ của hình bao duỗi phẳng 

Chiều 

rộng 

cánh 

tính 

theo % 

chiều 

rộng ở 

bán kính 

0,6R 

Từ trục 

đến mép 

đạp 

46,89  52,75  56,34  57,66  56,1  51,37  41,71  25,39  - 

Từ trục 

đến mép 

thoát 

29,11  33,3  37,4  40,74  43,9  46,66  48,37  46,95  20,14 

Chiều  rộng toàn 

bộ 

75,99  86,05  93,74  98,4  100  98,03  90,08  72,34  - 

đường chiều dày lớn 

nhất đên mép đạp 

theo % chiều rộng  

cánh 

35  35  35,1  35,5  38,9  44,3  48,6  50  - 

Chiều dày lớn nhất 

tính theo %D  3,66  3,24  2,82  2,40  1,98  1,56  1,14  0,72  0,3 

Bảng 2.3:Hoành độ hình bao duỗi phẳng (tính theo mm)

Bảng hoành độ của hình bao duỗi phẳng 

Chiều 

rộng 

cánh  

Từ trục 

đến mép 

đạp 

962,93  1083,271156,991184,101152,071054,93 856,55  521,41  - 

Từ trục 

đến mép 

thoát 

597,80  683,85  768,04  836,63  901,53  958,21  993,32  964,16 413,59 

Chiều 

rộng toàn 

bộ 

1560,53 1767,121925,042020,742053,592013,141849,881485,57 - 

Khoảng cách từ 

đường chiều dày 

lớn nhất đên mép 

đạp theo % chiều 

rộng  cánh 

546,18  546,18  618,49  675,69  717,36  798,85  891,82  899,04 742,78 

Chiều dày lớn nhất 

tính theo %D  138,44  123,44  107,44  91,44  75,43  59,43  43,43  27,43  10,94 

- Từ bảng trên, ta xây dựng được hình bao duỗi phẳng của chong chóng. 

2.7.2.Xây dựng profin cánh:

2.7.2.1 Xác định chiều dày lớn nhất của các profin tại các tiết diện:

Bảng 2.8: Chiều dày lớn nhất của các profin tại các tiết diện

r r R

0,7  59,43 

2.7.2.2.Bảng tung độ profin cánh : 

Bảng 2.4: Bảng tung độ profin cánh theo Seri B

  Từ điểm có chiều dày lớn nhất 

tới mép thoát (% emax) 

Từ điểm có chiều dày lớn nhất tới mép đạp 

(% emax) 

Tung

độ

mặt

hút

r/R  100%  80%  60%  40%  20%  20%  40%  60%  80%  90%  95%  100%  0,2  -  53,55  72,65  86,9  96,45  98,6  94,5  87  74,4  64,35  56,95  -  0,3  -  50,95  71,6  86,8  96,8  98,4  94  85,8  72,5  62,65  54,9  -  0,4  -  47,7  70,25  86,55  97  98,2  93,25  84,3  70,4  60,15  52,2  -  0,5  -  43,4  68,4  86,1  96,95  98,1  92,4  82,3  67,7  56,8  48,6  -  0,6  -  40,2  67,15  85,4  96,8  98,1  91,25  79,35  63,6  52,2  43,35  -  0,7  -  39,4  66,9  84,9  96,65  97,6  88,8  74,9  57  44,2  35  -  0,8  -  40,95  67,8  85,3  96,7  97  85,3  68,7  48,25  34,55  24,45  -  0,9  -  45,15  70  87  97  97  87  70  45,15  30,1  22  - 

  Từ điểm có chiều dày lớn nhất 

tới mép thoát (% emax) 

Từ điểm có chiều dày lớn nhất tới mép đạp 

(% emax) 

Tung

độ

mặt

đạp

r/R  100%  80%  60%  40%  20%  20%  40%  60%  80%  90%  95%  100%  0,2  30  18,2  10,9  5,45  1,55  0,45  2,3  5,9  13,45  20,3  26,2  40  0,3  25,35  12,2  5,8  1,7  -  0,05  1,3  4,6  10,85  16,55  22,2  37,55  0,4  17,85  6,2  1,5  -  -  -  0,3  2,65  7,8  12,5  17,9  34,5  0,5  9,07  1,75  -  -  -  0,7  4,3  8,45  13,3  30,40 

-Từ bảng trên, ta xây dựng bảng tung độ profin cánh như sau: 

Bảng 2.5: Tung độ profin cánh:

Từ điểm có chiều dày lớn nhất  tơi mép thoát (% emax) 

Từ điểm có chiều dày lớn nhất tới mép đạp 

(%emax) 

Tung 

độ 

mặt 

hút 

r/R  100%  80%  60%  40%  20%  20%  40%  60%  80%  90%  95%  100%  0.2  -  75  101  121  134  137  132  121  104  90  79  - 

0.9  -  12  19  24  27  27  24  19  12  8  6  -   

Từ điểm có chiều dày lớn nhất tơi 

mép thoát (% emax) 

Từ điểm có chiều dày lớn nhất tới mép đạp 

(%emax) 

Tung 

độ 

mặt 

đạp 

r/R  100%  80%  60%  40%  20%  20%  40%  60%  80%  90%  95%  100% 

-Từ bảng trên, ta tiến hành xây dựng bản vẽ hình bao duỗi phẳng và các profin tại các r/R 

tương ứng. 

2.6.3.Xây dựng hình chiếu pháp và hình chiếu cạnh

-Chọn góc nghiêng cánh bằn =15o 

-Cách xây dựng hình chiếu pháp và hình chiều cạnh: 

  Từ điểm O trên đường trục ở hình bao duỗi phẳng  hình bao duỗi phẳng, theo hướng 

về phía mép theo ta đặt một đoạn thẳng OH= P/2= 560 mm, H gọi là điểm cực .Tại H kẻ  những tia đi qua điểm giao nhau giữa trục thẳng đứng với các bứn kính đường tròn r ikhác  nhau. 

  Tại mút profin, tiến hành kẻ các đường thẳng tiếp tuyến song song và vuông góc với 

tia HA, kết quả nhận được những đoạn cắt l1, l2, h1,h2 . 

  Sau đó trên hình chiếu pháp, từ tâm O1 kẻ các cung tròn bán kính ri và đặt theo cung 

này các đoạn thẳng l1 về bên phải và l2 về bên trái .Cuối cùng ta nhận được điểm B và B’  nằm trên đường bao hình chiếu pháp của cánh. 

  Để xây dựng hình chiếu cạnh, từ điểm B và B’ theo phương song song với trục chong  

chóng kẻ các đường thẳng nằm ngang và trên đó đặt các giá trị bằng h1về phía bên phải và 

h2 về phía bên trái tính từ điểm giao của đường vuông góc từ điểm A2 ở bán kính r i trên  đường chiều dày lớn nhất tại mặt đạp đến các đường nằm ngang nói trên.Cuối cùng ta nhận  được 2 điểm C và C’ nằm trên đường bao hình chiếu cạnh. 

Hình 2.2: Xây dựng hình chiếu pháp và hình chiếu cạnh

-Với các bước xây dựng trên, ta tiến hành xác định các giá trị l1, l2, h1, h2 

Bảng 2.6:Các giá trị l 1 , l 2 , h 1 , h 2 :

-Từ các giá trị trên, ta xây dựng hình chiếu pháp và hình chiếu cạnh theo các bước đã nêu. 

2.7.4.Xây dựng củ chong chóng

2.7.4.1.Xác định đường kính trục chong chóng 

-Đường kính trục chong chóng : 

    d B 1,12.d Pk D C = 373,8 mm, chọn d B= 380 mm 

  trong đó : 

    d P- đường kính trục trung gian, xác định theo công thức : 

P

m

P

n

  = 299,75 mm, chọn d P= 300 mm 

      k q a.(  1)= 0,28 

S

P - công suất của động cơ, P S=4200 kW 

      n m- số vòng quay định mức của trục chong chóng , n m=170 rpm 

C

k = 10- đối với ống bao trục là hợp kim đồng. 

D – đường kính chong chóng, D = 6,26m 

- Độ côn trục:k=1/12 

h 2 2l

B'

B

l 1

l 2

C'

C

P/2mm

l 1

h 2

-Chiều dài củ 

  Nguyên tắc được lựa chọn chỉ cần đủ để gốc cánh hoàn toàn nằm trong củ.Đồng thời 

để thuận tiện sủa chữa, người ta khuyên chiều dài củ l H  không nhỏ hơn (2÷3)%. Từ lý do 

đó, chọn l H = 1,1 m = 1100 mm 

-Độ côn củ chong chóng: k H =1/15÷1/20, chọn k H =1/15 

-Đường kính trung bình của củ chong chóng: 

    d H 0,167.D= 0,636, chọn d H= 0,65 m= 650 mm 

-Chiều dài lỗ khoét để giảm nguyên công cạo rà : 

    l0 (0, 25 0,3) l k= (0,250÷0,300) m, chọn l0= 0,300m = 300mm 

-Chiều sâu rãnh khoét chọn theo khả năng công nghệ : 15 mm 

2.7.4.3.Chọn và kiểm tra bền then 

-Chiều dài then:l t (0,9 0,95) l k= (1,08÷1,14)m, chọn l t=1,1 m =1100 mm 

  Then được chọn theo tiêu chuẩn TCVN 2261 – 77: d = 380 mm 

+Chiều rộng then: b= 80mm  +Chiều cao then: h = 40mm  +Chiều sâu rãnh then trên trục: t1 = 25 mm 

+Chiều sâu rãnh then trên lỗ :t2= 16mm 

-Kiểm tra bền cho then ( điều kiện va đập mạnh) 

  Ứng suất dập cho phép : [] = 70Mpa  

  Ứng suất cắt cho phép :[] = 40 Mpa  

  Mômen xoắn phát sinh trên trục:  9,55.10 6 P D

T

N

    trong đó:P D=0,98.P S = 4116 kW và N= 170 rpm – công suất đẩy và vòng quay 

định mức của động cơ. 

  Ứng suất dập phát sinh: 

1

2.

d

B t

T

d l h t

  = 56,34 Mpa  < [] = 70Mpa     Ứng suất cắt phát sinh: 

.

c t

T

d l b

  = 16,90 Mpa < [] = 40 Mpa 

→Như vậy, then đã chọn đảm bảo bền. 

2.7.4.4.Chọn mũ thoát nước: 

-Chiều dài mũ thoát nước:l0 (0,14 0,17). D= (0,53÷0,64)m, chọn l0= 0,6 m 

-Bán kính cầu ở cuối mũ:r0 (0, 05 0,1). D= (0,190÷0,381) m, chọn r0= 0,3 m 

  trong đó :D- đường kính chong chóng, D= 3,81 m 

2.7.4.5.Tính khối lượng chong chóng: 

-Theo Kopeeski thì khối lượng chong chóng được tính theo công thức: