ĐAMH ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY LÊ TUẤN VŨ VT14

Trong số các thiết bị đẩy đó thì chân vịt trong ống đạo lưu xoay đóng một vài trò to lớn, loại thiết bị đẩy này không chỉ tăng hiệu suất đẩy của chân vịt thông thường lên 20% tới 30% mà

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT TÀU THỦY

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY

Giảng viên hướng dẫn: ThS ĐẶNG QUỐC TOÀN Sinh viên thực hiện: LÊ TUẤN VŨ

Tp Hồ Chí Minh tháng 1 năm 2018

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TÀU DỊCH VỤ DẦU KHÍ, ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY VÀ THÔNG SỐ TÀU THIẾT KẾ 4

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU DỊCH VỤ DẦU KHÍ 4

1.1.1 Lịch sử về tàu dịch vụ dầu khí 4

1.1.2 Nhiệm vụ của các loại tàu 5

1.2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ LÁI TÀU THỦY 5

1.2.1 Bánh lái tàu thủy 6

1.2.2 Ống đạo lưu quay 6

1.2.3 Chân vịt lái 6

1.3 Giới thiệu về đạo lưu định hướng xoay tàu thủy 6

1.3.1 Lịch sử ra đời của đạo lưu 6

1.3.2 Các thông số cơ bản 7

1.3.3 Các loại ống cơ bản 8

1.3.4 Lý thuyết tạo lực đẩy bổ sung 8

1.3.5 Ưu điểm và nhược điểm của thiết bị 8

1.3.6 Đạo lưu định hướng xoay 8

1.4 Thông số tàu thiết kế 9

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY 10

2.1 Tính sức cản tàu và tính toán sơ bộ chân vịt 10

2.1.1 Tính toán và xác định các thông số hỗ trợ quá trình thiết kế: 10

2.1.2 Tính toán sức cản tàu theo phương pháp Taylor: 10

2.1.3 Tính chọn máy cho tàu dựa vào đồ thị Taylor 11

2.2 TÍNH TOÁN SƠ BỘ ĐẠO LƯU 15

2.2.1 Đường kính trong nhỏ nhất của Đạo lưu: 15

2.2.2 Chiều dài tương đối của Đạo lưu: 15

2.2.3 Chiều dài của Đạo lưu: 16

2.2.4 Hệ số giãn của Đạo lưu: 16

2.2.5 Đường kính cửa ra của Đạo lưu: 16

2.2.6 Hệ số thắt của Đạo lưu: 16

2.2.7 Đường kính cửa vào của Đạo lưu: 16

2.2.8 Bán kính lượn phần mũi, đuôi Đạo lưu: 17

2.2.9 Vị trí đặt trục của Đạo lưu: 17

2.2.10 Chiều dày tương đối của Đạo lưu: 17

2.2.11 Kích thước cánh giữ hướng: 17

2.2.12 Hệ số cân bằng của Đạo lưu: 18

2.2.13 Tọa độ profil Đạo lưu: 18

CHƯƠNG III: ĐẶC TÍNH THỦY ĐỘNG CỦA ĐẠO LƯU 20

3.1 Tính cho tàu chạy tiến 20

3.1.1 Xác định hệ số tải và hệ số tốc độ kích thích của chân vịt trong ống Đạo lưu: 20 3.1.2 Xác định lực thủy động và momen thủy động trên hệ Đạo lưu – Cánh giữ hướng: 20

CHƯƠNG 4: KẾT CẤU ĐẠO LƯU VÀ CÁNH GIỮ HƯỚNG 25

4.1 Kết cấu Đạo lưu 25

4.1.1 Khoảng cách giữa các xương gia cường 25

4.1.2 Chiều dày tôn bao trong: 25

4.1.3 Chiều dày phần tôn bao ngoài 25

4.1.4 Chiều dày xương gia cường: 25

4.1.5 Kiểm tra ứng suất tại các mặt cắt nguy hiểm: 25

4.2 Kết cấu của cánh giữ hướng 27

4.2.1 Khoảng cách giữa các xương gia cường 27

4.2.2 Số tấm gia cường 27

4.2.3 Chiều dày tôn bao cánh giữ hướng: 27

4.2.4 Chiều dày của xương cánh giữ hướng 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

LỜI NÓI ĐẦU

Tàu thủy là một công trình mổi đặc biệt mà con người từng tạo ra, nó có thể nổi, di chuyển, và phục vụ nhiều nhu cầu của con người trên mặt nước Với nét đặc trưng như vậy cho nên tàu thủy có kết cấu rất đặc biệt Người ta khái niệm cơ bản tàu thủy gồm: vỏ, ngăn cách giữa môi trường nước và khô của tàu, cộng vào đó vỏ tàu được gia cường dọc và ngang đảm bảo cho tàu nổi trên mặt nước và làm việc an toàn trong các diều kiện khai thác

Và để tàu có thể di chuyển tiến lùi, quay trái, quay phải thì vai trò của thiết bị đẩy rất quan trọng Trong số các thiết bị đẩy đó thì chân vịt trong ống đạo lưu xoay đóng một vài trò to lớn, loại thiết bị đẩy này không chỉ tăng hiệu suất đẩy của chân vịt thông thường lên 20% tới 30% mà nó còn có thể thay thế bánh lái trong một số trường hợp nhất định

Với lý do trên mà chân vịt trong ống đạo lưu nói chung cũng như bộ môn thiết bị tàu thủy nói riêng là một bộ môn nền tảng hết sức quang trọng Bên cạnh đó "ĐAMH thiết bị tàu thủy" là một công cụ phụ trợ cần thiết, nhằm giúp chúng ta cũng cố kiến thức cũng như làm quen với một trong những công việc quang trọng của người kĩ sư khi ra làm việc thực tế

Nhận thức được tầm quan trọng của môn học nên bản thân chung em đã cố gắng học tập và nghiêng cứu một cách nghiêm túc dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy, và kết quả là em đã hoàn thành xong đồ án đúng thời gian cho phép Vì đây là

đề tài mới và tự nhận thấy kiến thức còn chưa vững nên trong bài làm chắc chắn còn nhiều phần sai sót, hy vọng sẽ nhận được sự góp ý quý báu của các thầy cô để bài làm trở nên tốt hơn

Và cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo bộ môn cũng như các thầy khác trong khoa đã hướng dẫn em trong thời gian làm đồ án để chúng em hoàn thành đồ

án một cách tốt nhất

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TÀU DỊCH VỤ DẦU KHÍ, ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY VÀ THÔNG SỐ TÀU THIẾT KẾ

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU DỊCH VỤ DẦU KHÍ

1.1.1 Lịch sử về tàu dịch vụ dầu khí

Cuối thế kỷ 20, ngành khai thác và sản xuất dầu khí ngoài khơi đã trở thành một trong những hoạt động kinh tế mũi nhọn của thế giới Những mỏ dầu trong đất liền đã gần trở nên cạn kiệt, nên mối quan tâm đã chuyển sang việc thăm dò, phát hiện nguồn tài nguyên dầu khí dưới đáy biển Bằng việc tạo giếng khoan thăm dò, và những cuộc khảo sát địa chấn với mật độ ngày càng tăng lên, vị trí có trữ lương dầu khí nằm bên dưới thềm lục địa đang được đánh dấu trên bản đồ và có xu hướng tiến dần ra những khu vực có độ sâu lớn và khó xâm nhập hơn

Để khai thác được những nguồn tài nguyên này, cả một nghành công nghiệp đồ

sộ đã được phát triển, sử dụng các giàn khoan nổi, tàu thuyền và các giàn sản xuất cố định hoặc neo đậu trên biển Những công trình nổi này đòi hỏi những loại hình hoạt động hỗ trợ khác nhau và để cung cấp sự trợ giúp cần thiết này, người ta đã cho ra đời nhiều chủng loại tàu qua nhiều năm

Thông thường, các loại tàu hỗ trợ xa bờ được vân hành bởi các chủ tàu, họ hoặc những công ty chuyên trách sở hữu và vận hành các loại tàu này hoặc là những công

ty kết hợp vận hành hỗ trợ xa bờ với các hoạt động khác như là lai dắt và cứu hộ, sở hữu tàu theo công ước, hay các hoạt động công nghiệp và thương mại khác Ngành khai thác và sản xuất dầu khí ngoài khơi do một số tổ chức nắm giữ Những tổ chức này có thể là các công ty dầu khí quốc doanh hoặc những tập đoàn gồm các công ty dầu khí cùng với các bên liên quan, cho đến các công ty công nghiệp phụ trách việc cung cấp một số dịch vụ nhất định cho dự án

Những đòi hỏi từ phía các nhà khai thác và sản xuất đối với dịch vụ tàu hỗ trợ được đáp ứng bởi những con tàu hiện có thông qua một số cơ chế khác nhau Đó là thị trường giao nhận trực tiếp rất phát triển, hoạt động như một phương thức thanh toán bù trừ dành cho những hợp đồng ngắn hạn Ví dụ như trường hợp, người điều hành của một giàn khoan nửa chìm nửa nổi cần sử dụng dịch vụ tàu cung ứng kéo và

xử lý neo (AHTS) trong thời gian 3 tháng diễn ra hoạt động khoan để di chuyển giàn khoan tới và rời khỏi vị trí khoan Một số lượng tàu loại này hoạt động trên thị trường giao nhận trực tiếp, được phân loại theo kích cỡ, sức chứa và công suất, với thời gian thay đổi tùy theo khả năng của tàu và phương thức phục vụ và theo nhu cầu thị trường Đối với việc hỗ trợ dài hạn cho những công trình cố định người ta thuê những con tàu bằng những hợp đồng kéo dài nhiều năm, thường cùng quyền lựa chọn gia hạn hoặc kéo dài Hợp đồng thuê tàu kiểu này có thể đủ chặt chẽ để bảo lãnh cho việc đóng một hoặc nhiều con tàu hỗ trợ, mà các đặc tính của chúng được thiết kế phù hợp với những nhu cầu của một giàn khoan hoặc mỏ cụ thể Trong một số trường hợp tàu

hỗ trợ có thể giành toàn bộ thời gian hoạt động kinh tế của nó, về cơ bản, để thực hiện một công việc

1.1.2 Nhiệm vụ của các loại tàu

Nhiệm vụ chung của các loại tàu hỗ trợ xa bờ là hỗ trợ cho nghành khai thác và sản xuất dầu khí ngoài khơi Nhiệm vụ chung này có thể được chia thành nhiều nhiệm

vụ cụ thể Một con tàu có thể được thiết kế để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể đơn lẻ, nhưng thông thường người ta thường thiết kế tàu để thực hiện kết hợp một số loại nhiệm vụ Khi phải giải quyết nhiều nhiệm vụ cùng lúc, thì chủ tàu phải đưa ra quyết định để có được cán cân thăng bằng nhất giữa những yêu cầu đối nghịch nhau, và người thiết kế tàu phải hiện thực hóa các nhiệm vụ đó vào trong con tàu, đáp ứng được các yêu cầu về mặt vận hành và các bộ luật an toàn tương ứng

Các loại tàu hỗ trợ xa bờ gồm:

Tàu dịch vụ dầu khí (Offshore Support Vessels) là các tàu trực tiếp tham gia

dịch vụ các giàn khoan thăm dò và khai thác dầu khí Tàu dịch vụ dầu khí phục vụ mục đích chung là đảm bảo an toàn cho người và công việc thăm dò, khai thác dầu khí ngoài khơi Những tàu cỡ lớn đảm bảo lắp ráp và bảo dưỡng giàn khoan, trang thiết bị giàn, giếng những tàu cỡ nhỏ hơn đảm bảo công tác cung ứng, dịch vụ các giàn, đảm bảo chăm sóc y tế, sức khỏe người làm việc trên giàn ngoài khơi, đảm bảo

an toàn công việc lặn biển

Những chức năng của đội tàu dịch vụ dầu khí bao gồm:

- Theo dõi động đất vùng biển có đặt các giàn khoan thăm dò và khai thác dầu khí

- Chuyên chở các giàn di động từ xưởng sản xuất đến vị trí khai thác Bố trí hệ thống neo - buộc giàn tại vị trí đã định

- Chuyên chở các giàn cố định từ bờ ra vị trí lắp đặt, định vị vị trí đặt giàn và hạ giàn

- Cung ứng dịch vụ cho giàn di động, giàn cố định những vật dụng, thiết vị cần thiết, chuyên chở người làm việc đến giàn, chuyên chở thực phẩm, dự trữ đến giàn và chở từ giàn những mẫu bùn, đất, dầu, vật thải

Tàu cung ứng dịch vụ dầu khí ( Platform Supply Vessels - PSV): Tàu nhóm

này ra đời cùng công nghiệp khai thác dầu khí ngoài khơi Tàu cung ứng dịch vụ cho các giàn khoang trên biển Đặc tính chung của tàu nhóm này là tính cơ động cao, khả năng đi biển rất tốt, tính ổn định đảm bảo, độ bền kết cấu đảm bảo Ngày nay nhóm này mang tên gọi đồng nghĩa với PSV là OSV - Offshore Supply Vessels Tàu nhóm này cung ứng định kỳ cho giàn nhiên liệu, nước sinh hoạt cho người làm việc, lương thực, thực phẩm, thiết bị và các loại chất lỏng phục vụ khoan

Tàu hỗ trợ xa bờ đa năng (Anchor Handling Tug Supply Vessel - AHTS):

Trình bày rõ hơn ở mục 1.2

Tàu đa chức năng (Multifunctional Vessel): Tàu nhóm này thường được cải

tiến từ tàu thả neo (AHTS) Ngoài những công việc đã kể cho AHTS, tàu đã chức năng còn giải quyết các công việc thuộc phần dưới nước của các giàn khoan như khảo

sát dưới nước và bảo dưỡng đường ống, thân giàn

1.2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ LÁI TÀU THỦY

- Thiết bị lái tàu thủy đảm bảo cho tàu có tính ăn lái, có nghĩa là tàu có khả năng quay vòng và tính ổn định hướng đi Tàu phải đủ năng lực giữ hướng đi mà người điều khiển đã định trong suốt hành trình, mặt khác có khả năng quay tàu sang trái,

phải thro yêu cầu của người điều khiển Những thiết bị đảm bảo tính ăn lái làm việc trên cùng một nguyên tắc: Tạo lực ngang tác động lên tàu, bắt tàu quay theo

ý muốn điều khiển Các thiết bị thông dụng của thiết bị lái thường dùng trên tàu bao gồm:

o Bánh lái tàu (Rudder)

1.2.1 Bánh lái tàu thủy

- Bánh lái tàu thủy có dạng tấm phẳng hoặc dạng tấm dang cánh, mặt cắt ngang là biên dạng giống cánh máy bay, đặt sau tàu trong vùng chịu tác động dòng chảy sau chân vịt tàu thủy Dưới tác động dòng chảy đang đề cập, trên bánh lái bị bẻ sang phải hoặc sang trái xuất hiện lực thủy động vuông góc với mặt bánh lái Bánh lái được chia ra làm nhiều loại, cụ thể như sau:

1.2.2 Ống đạo lưu quay

- Trên những tàu mớn nước hạn chế hoạt động trong sông, ven biển hoặc trên những tàu thuộc đội tàu kỹ thuật hệ thống ống Đạo lưu – chân vịt quay cùng bánh lái ổn định dòng được dùng vào vị trí mà chân vịt và bánh lái vẫn chiếm chỗ trên tàu thường gặp Ống đạo lưu quay có dạng gần giống ống trụ, chiều dày ống không đều chứa trong lòng chân vịt đồng tâm với nó Đầu cánh chân vịt rất gần với thành bên trong ống, khe hở giữa chúng vào khoảng 0,5% đường kính chân vịt song ít khi lớn hơn 10 mm

- Bánh lái ổn định dòng, có khi còn được gọi theo tiếng nước ngoài là stabilizator, hay là cánh ổn định dòng có hình dạng tương tự như bánh lái tàu thủy

1.2.3 Chân vịt lái

- Chân vịt lái không làm nhiệm vụ đẩy tàu tiến hoặc lùi mà chỉ giúp vào việc quay trở tàu thậm chí ở vận tốc tiến của tàu bằng 0, có tên gọi tạm dùng là chân vịt lái Thuật ngữ chuyên dùng bằng tiếng Anh gọi chung đây là “máy đẩy” Thruster

- Chân vịt lái trong thực tế được sản xuất và sử dụng dưới 2 dạng: chân vịt đặt trong hầm nằm ngang, và thường hầm này đặt trước tàu với số lượng từ 1 đến vài hầm Loại thứ 2 mang tên chân vịt lái góc phương vị, là chân vịt trong ống đạo lưu quay

1.3 Giới thiệu về đạo lưu định hướng xoay tàu thủy

1.3.1 Lịch sử ra đời của đạo lưu

trong kênh, rạch lớn phải gắn thêm thiết bị bảo vệ xung quanh chân vịt để làm giảm

sự rữa trôi và sói mòn đến các kênh rạch Nhưng lạ thay là các tàu di chuyển nhanh hơn và lực đẩy cung cấp nhiều hơn Lúc bấy giờ Ludwing Kort người ở Hanover, nước Đức bắt đầu thử nghiệm với hình dạng và kích thước của thiết bị bảo vệ chân vịt Kết quả là vào năm 1930 ông đã được Hòa Kỳ cấp bằng sáng chế cho các nghiên

cứu của ông, và tên ông được đặt cho các loại ống đạo lưu mà ngày nay ta vẫn thường gọi là ống Kort.

1.3.2 Các thông số cơ bản

- Ống đạo lưu là một ống hình trụ, có mặt cắt ngang dạng hình vành khuyên và mặt cắt dọc có dạng profil của cánh máy bay Một số thông số hình học chính của ống đạo lưu gồm:

Ln = L/D

định theo công thức: tn = t/b

Trong đó:

Các hệ số trên thường nằm trong phạm vi sau:

1.3.3 Các loại ống cơ bản

- Có 2 loại ống đạo lưu chính là ống tăng tốc và ống giảm tốc:

o Với ống tăng tốc, thì vận tốc ra khỏi ống và hiệu suất chân vịt tăng đáng kể Loại ống này thường dùng cho chân vịt chạy nặng tải hoặc chân vịt có đường kính giới hạn Ống này còn được gọi dưới cái tên “Kort nozzle”

o Với loại ống thứ hai, tốc độ dòng ra khỏi ống giảm đi so với dòng vào ống, chính

vì thế áp suất tăng nhờ đó mà giảm được quá trình sâm thực chân vịt Với tên gọi

là “thiết bị đẩy phản lực” loại ống này thường được kết hợp với chân vịt cánh cố định

o Viện nghiên cứu Hàng Hải Hà Lan đã đã đưa ra hàng loạt mô hình của hệ thống ống chân vịt làm việc có hiệu quả Một số dạng profil dạng cánh máy bay của NACA được đưa vào thử nghiệm và cải tiến thành công như NACA 4415 đã cho

ra những đặc trưng rất tốt

o Một trong những dạng ống được sử dụng rộng rãi nhất do có những ưu điểm cải tiến nổi trội là ống 19A và ống 37 Hai loại ống này có mép đẫn dạng bo tròn nên

đễ dàng cho chế tạo và nâng cao hiệu suất lực đẩy khi chạy Ban đầu, chân vịt nhóm

B Wageningen được sử dụng rộng rãi, về sau chân vịt nhóm Kaplan với đầu cánh rộng cũng được đưa vào sử dụng

1.3.4 Lý thuyết tạo lực đẩy bổ sung

- Với ống tăng tốc, vận tốc dòng chày phía trong ống tăng dẫn đến áp lực giảm Điều

đó làm giảm lực đẩy và momen xoắn của chân vịt Đồng tời do chênh lệch áp suất nên bề mặt trong của cánh suất hiện một lực hướng vào trong ống, lực này được phân tích thành hai thành phần lực đẩy bổ sung hướng về phía trước và lực hướng tâm Do thành phần lực đẩy bổ sung lớn hơn tổng thành phần lực cản và phần giảm lực đẩy chân vịt nên hiệu suất chung của chân vit tăng lên trong khi đó tiêu hao nhiên liệu lại giảm xuống

- Tốc độ tăng dẫn đến lực cản tăng, tới lúc nào đó lực cản lớn hơn lực đẩy bổ sung

Do vậy tàu thông thường không trang bị thiết bị này Với tàu kéo, tàu chạy với tốc

độ thấp và chân vịt làm việc trong môi trường nặng tải khi kéo do vậy ống đạo lưu loại này thường được trang bị cho tàu và hiệu suất lực đẩy có thể tăng tới 30%

dụng cho tàu cao tốc do hoạt động theo nguyên lý phản lực Các tàu muốn giảm tiếng

ồn và tăng vận tốc như tàu chiến thường dùng loại ống này

1.3.5 Ưu điểm và nhược điểm của thiết bị

- Ống Kort hay chân vịt trong ống đạo lưu có thể tạo ra hiệu suất đẩy cao hơn so với chân vịt thông thường khi tàu hoạt động ở vận tốc nhỏ, và so với cùng một đơn vị diện tích cánh chân vịt thì lực đẩy tao ra lớn hơn so với chân vịt không có ống đạo lưu Các loại tàu kéo đẩy, tàu cá, tàu khách là những loại áp dụng nhiều nhất thiết bị này bởi vì

nó cho hiệu quả rỏ nét về kinh tế Một trong những ưu điêm nữa của thiết bị là tăng tính ăn lái và giảm quá trình hút (nạo vét) đáy khi tàu hoạt động ở những vùng nước cạn

1.3.6 Đạo lưu định hướng xoay

- Thiết bị em thiết kế là đạo lưu định hướng xoay, tên tiếng anh là Azimuthing thruster, thiết bị này có nhiều ưu điểm hơn so với đạo lưu thông thường do có tính cơ động

cao, tính ăn lái cho tàu tốt… Ngoài ra, thiết kế đạo lưu định hướng xoay để tránh việc lắp thêm bánh lái cho tàu thủy khi thiết kế đạo lưu cố định

1.4 Thông số tàu thiết kế

- Đề tài thiết kế: Thiết kế “Đạo lưu định hướng xoay cho tàu dịch vụ dầu khí”

- Thông số cơ bản của tàu:

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY

2.1 Tính sức cản tàu và tính toán sơ bộ chân vịt

2.1.1 Tính toán và xác định các thông số hỗ trợ quá trình thiết kế:

a Các hệ số Froude, hệ số Reynolds

9581,9

717,7

10 169 , 8 897400

95 717 ,

b Hệ số béo thể tích:

CB = 1,05 – 1,4Fn ± 0,06 (Theo công thức 9.65 trang 175 sách Lý thuyết thiết kế tàu thủy)

7 ,

C

C C

/6621,

2.1.2 Tính toán sức cản tàu theo phương pháp Taylor:

- Phạm vi ứng dụng của phương pháp Taylor:

 vm/s

93,23418

717 , 7 93 , 23418

21 , 0 1 1

2.1.3.2 Công suất đẩy tàu:

HP v

T

3,327

5,102,653533

,327

Trong đó:

o T: Lực đẩy chân vịt (funt) với 1funt = 0,4536 KG