Luận văn thiết kế hệ thống động lực tàu thủy

Luận văn thiết kế hệ thống động lực tàu thủy. Việc thiết kế tàu thủy luôn tuân theo những quy phạm do cục Đăng kiểm Việt Nam ban hành. Tính an toàn và tiện lợi cao khi sử dụng Thiết kế mang tính hiện đại, kinh tế và phù hợp với khả năng thi công của Ngành Thiết kế tàu thủy Việt Nam.

PHỤ LỤC

Danh mục bản vẽ i

Danh mục hì nh ii

Danh mục bảng biểu iii

Lời cảm ơn v

Phần mở đầu vi

Giới thiệu chung vii

Chương 1: Tính toán sức cản, chọn máy chính và thiết kế sơ bộ chân vịt 1

1.1 Tính sức cản 1

1.1.1 Giới thiệu 1

1.1.2 Nhiệm vụ 1

1.1.3 Các phương pháp tính toán sức cản phổ biến: 2

1.1.4 Tính toán 5

1.2 Chọn máy chính 8

1.3 Thiết kế sơ bộ chân vịt 10

1.3.1 Giới thiệu 10

1.3.2 Nhiệm vụ 10

1.3.3 Thiết kế chân vịt 10

Chương 2: Thiết kế hệ trục tàu thủy 19

2.1 Giới thiệu: 19

2.2 Nhiệm vụ 19

2.3 Tính toán 20

2.3.1 Chọn vật liệu làm trục: 20

2.3.2 Tính đường kính trục: 20

2.3.3 Tính toán thiết bị hệ trục: 22

2.3.4 Nghiệm bền hệ trục 29

Chương 3: Tính toán các thiết bị động lực tổng kết các thiết bị trong buồng máy 39

3.1 Giới thiệu 39

3.2 Nhiệm vụ: 40

3.3 Tổng quan về hệ thống năng lượng và trang trí động lực 41

3.3.1 Máy chính 41

3.3.2 Máy phát điện 42

3.4 Tính toán các hệ thống phụ trợ 42

3.4.1 Hệ thống nhiên liệu 42

3.4.2 Hệ thống dầu nhờn 48

3.4.3 Hệ thống làm mát: 53

3.4.4 Hệ thống hút khô – dằn tàu: 62

Chương 4: Bố trí buồng máy 64

4.1 Giới thiệu 65

4.2 Nguyên tắc chung bố trí buồng máy 65

Chương 5: Kết luận và đề xuất ý kiến 67

5.1 Kết luận 68

5.2 Đề xuất ý kiến: 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

Danh mục hình

Bảng 3.10 Tính toán bầu sinh hàn nước ngọt cho các máy

Lời cảm ơn

Luận văn tốt nghiệp là kết quả của quá trình phấn đấu học tập sau 4 năm trên giảng đường đại học Đây là kết quả tổng hợp quá trình học tập và rèn luyện của em trong nhà trường và ngoài thực tế Để hoàn thành đề tài luận văn và kết thúc khóa học, với tình cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tạo điều kiện cho em có môi trường học tập tốt trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường

Em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy Nguyễn Vương Chí đã nhiệt tình cung cấp

những kiến thức bổ ích cho em trong suốt quá trình và trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp này Đồng thời, em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các thầy cô ở Bộ môn Kỹ thuật Tàu Thủy , các bạn bè sinh viên đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp lần này

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Phạm Trần Duy Khanh

Sau 4 năm theo học nghành Kỹ Thuật Tàu Thủy tại khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM, nay em được giao nhiệm vụ thực hiện đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế hệ thống động lực tàu hàng 550 tấn”

Khi thực hiện đề tài này em đã tuân thủ nguyên tắc:

Việt Nam ban hành

Ngành Thiết kế tàu thủy Việt Nam

Giới thiệu chung

Đề tài: Thiết kế hệ thống động lực cho tàu dầu 555T

Thông số cơ bản tàu:

- Chiều dài lớn nhất: LMax = 42,95 m

- Chiều dài đường nước thiết kế: LTk = 42 m

+ Thời gian hành trình của tàu với vận tốc 22 km (lý thuyết)

Hệ thống động lực tàu được tính toán dựa trên thông số tàu có sẵn, thỏa mãn các quy phạm hiện hành

Chương 1: Tính toán sức cản, chọn máy chính và thiết kế

do thiết bị đẩy tàu phải thắng được ngoại lực này Do đó việc tính sức cản tàu rất quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống động lực cho tàu

Thiết bị hệ thống động lực là loại chuyên dụng cho tàu thủy và được thiết

kế để làm việc tốt nhất trong các điều kiện:

Nhiệt độ nước ngoài tàu: ~ +25oC

Độ ẩm không khí trong buồng máy: ~75%

1.1.2 Nhiệm vụ

- Tính toán sức cản toàn tàu, suy ra công suất cần thiết để đẩy tàu

- Chọn vận tốc khai thác và động cơ phù hợp cho tàu dựa trên các thông số đã tính được

1.1.3 Các phương pháp tính toán sức cản phổ biến:

1.1.3.1 Phương pháp hải quân:

Sử dụng để tính công suất kéo của tàu trong quá trình thiết kế sơ bộ

Công thứ tính như sau:

3 2 / 3 0

0

s

v D N

Phương pháp này dùng cho tàu chạy chậm và trung bình, phạm vi vận tốc

từ v / L  0,3 ÷ 2,0 Tỉ lệ B/T nằm trong giới hạn 2,25; 3,0 và 3,75 Hệ số lăng trụ tàu từ 0,48 – 0,8 Sử dụng đồ thị taylor xác định được sức cản dư, sức cản ma sát Sử dụng hệ số sức cản CF tính riêng cho vỏ tàu sử dụng công thức:

s P

D: lượng chiếm nước của tàu (m3)

L: chiều dài thiết kế của tàu (m)

 : hệ số phụ thuộc vào số trục chân vịt

 = 1 khi tàu có 1 trục chân vịt

 = 1,05 khi tàu có 2 trục chân vịt

 = 1,075 khi tàu có 3 trục chân vịt

 = 1,1 khi tàu có 4 trục chân vịt

Hệ số  được tính theo công thức:

Với B là chiều rộng tàu, L là chiều dài tàu,  là hệ số béo thể tích của tàu

CP: hệ số xác định từ đồ thị papmiel, trong đó v's v s

L



Sức cản toàn tàu được xác định bằng công thức:

V: thể tích chiếm nước của tàu (m3)

L: Chiều dài mặt ướt của tàu (m)

 : Hệ số béo thể tích của tàu

v: vận tốc tàu

Fr: Hệ số Froude của tàu được tính theo công thức sau:

m L B

m = 1 đối với tàu có thiết bị đẩy là chân vịt

m = 1.2 đối với tàu có thiết bị đẩy là chân vịt trong ống đạo lưu

1.1.4 Tí nh toán

phương pháp này dựa trên kết quả thử mô hình và kết quả đo sức cản của tàu thật nên sát với thực tế

Theo các số liệu của Zvonkov, lực cản tàu sông ( vỏ thép ) có thể tính theo công thức sau:

v: Vận tốc tàu ( theo nhiệm vụ hoặc giả thiết)

k : Để đảm bảo đủ công suất hoạt động cho tàu, ta chọn hệ số dự trữ công suất k = 1,15

Vậy công suất máy cần thiết tối thiểu bằng:

1.3 Thiết kế sơ bộ chân vịt

1.3.1 Giới thiệu

bảo tần số dao động xoắn nguy hiểm không xảy ra giữa khoảng 85% tới 100% vòng quay tương ứng với công suất lớn nhất của động cơ

Chân vịt được thiết kế dựa trên tốc độ, công suất động cơ và các chế độ tải của tàu sao cho lực đẩy là tối ưu trên dải tốc độ khai thác

1.3.2 Nhiệm vụ

- Tính chọn các hệ số chân vịt

- Tính toán các thông số kỹ thuật chân vịt

- Kiểm tra sủi bọt chân vịt

Tính theo công thức Taylor cho tàu 1 chân vịt

Hệ số dòng theo (theo Taylor):

w = 0,5CB – 0,05 = 0,5.0,75 – 0,05 = 0,325

3

2

6 0 D

P T

Lực đẩy thực tế của tàu: Te = 2832 kG

Sai số giữa lực đẩy thực tế của tàu và sức cản toàn tàu:

học của chân vịt như sau :

Đường kính chân vịt: D = 1,4 m

Tỷ lệ bước xoắn: H/D = 0,75

Tỷ lệ mặt đĩa: aE = 0,85

Số cánh chân vịt: Z = 4

1.3.3.3 Kiểm tra sủi bọt

Hiện tưởng sủi bọt chân vịt đem đến nhiều tác hại không mong muốn cho tàu như làm tăng độ ồn và là nguyên nhân làm hư chân vịt tàu do bị xâm thực

Do đó khi thiết kế chân vịt chúng ta cần kiểm tra sủi bọt nhằm đảm bảo chân vịt hạn chế bị xâm thực dẫn đến hư hỏng

Tiểu chuẩn lựa chọn để kiểm tra là “ tiêu chuẩn sủi bọt Burill”

Diện tích tối thiểu của diện tích chiếu chân vịt

2 2

- Z = 4 Số cánh chân vịt

- γ = 8930 (kg/m3) Trọng lượng riêng của vật liệu làm chân vịt

- dp : đường kính trung bình của may ơ chân vịt

- b0.6 = 0,686 m–chiều rộng cánh ở bán kính r = 0.6R

- e0.6 = 0,039 m-chiều dày lớn nhất của cánh ở bán kính r = 0.6R

Vậy ta có trọng lượng chân vịt:

G = 1090 kg

1.3.3.5 Tam giác bước xoắn làm khuôn:

Đó là tam giác vuông được xây dựng trên cơ sở đường kính D, bước xoắn

tam giác bước xoắn 1 được xác định theo công thức:

D: đường kính chân vịt

a: lượng gia công cánh chân vịt

b: chiều rộng của khung chặn ngoài của khuôn

k: hệ số co ngót của vật liệu chân vịt

Hình 1.3: Tam giác bước xoắn làm khuôn

Chiều dài L của cạnh tam giác mẫu:

H: bước xoắn chân vịt (mm)

m: hệ số thay đổi bước xoắn do vật liệu co ngót khi nguội

- m = 0,018

Bảng 1.3: Bảng kích thước xác định tam giác bước xoắn

Chương 2: Thiết kế hệ trục tàu thủy

2.1 Giới thiệu:

đảm bảo dài tần số dao động xoắn nguy hiểm không xảy ra giữa khoảng 85% tới 100% vòng quay tương ứng với công suất lớn nhất của động cơ

2.3 Tí nh toán

2.3.1 Chọn vật liệu làm trục:

Theo quy phạm đóng tàu:

- Các trục phải được chế tạo từ thép rèn, các trục có đường kính dưới 150mm được phép chế tạo từ thép đã nhiệt luyện có giới hạn bền không dưới 430 Mpa (44kG/mm2)

- Các trục phải được chế tạo từ thép có giới hạn bền từ 430 – 690 Mpa (44 –

k3 – Hệ số lấy theo bảng sau:

Bảng 2.1: Trị số k 3

Đường kính phần giữa đầu lớn phần côn trục chân vịt và đầu trước của ổ đỡ trong ống bao trục đới với chân vịt có rãnh then để lắp chân vịt:

3 1

- dk: đường kính đầu nhỏ phần côn

- dr: đường kính đoạn ren đai ốc chân vịt

- Lk: chiều dài phần côn

- Lr: chiều dài đoạn ren đai ốc chân vịt

- Tính toán ta có:

Bảng 2.2: Kích thước phần côn trục chân vịt

1

1 2

k k k

có thể liền một khối, song thường gồm ba đoạn hàn ghép lại Mút trước của ống bao trục bôi trơn bằng nước phải có bộ làm kín nước, giữa ống bao có đầu

nối ống dẫn nước từ bơm đến Mút trước và mút cuối của ống bao trục bôi trơn

Vật liệu dùng để chế tạo ống bao là gang đúc

Ưu điểm: Chịu nước biển, bề mặt đúc nhẵn và chính xác, độ co ngót bé, rẻ Nhược điểm: Dòn, kém chịu lực va đập

Bảng 2.3: Kích thước phần côn nối hộp số

1

1 5

k k k

2.3.3.6 Tí nh toán then:

Then được dùng để truyền moment xoắn từ trục đến các chi tiết lắp trên trục hoặc ngược lại Ở đây có hai then: một then truyền moment xoắn từ động cơ sang

cắt và lực dập bề mặt rất lớn nên dùng vật liệu có độ bền không thấp hơn độ bền trục

Hì nh 2.4: Kích thước then

Bảng 2.4: Bảng kích thước then theo tiêu chuẩn

Đường

kính trục D

(mm)

Kích thước của then

b  h (mm)

góc lượn r (mm)

Khoảng chiểu dài then (mm)

Trên 170

đến 200

Chọn kích thước then ở chỗ lắp với chân vịt theo đường kính trục:

Bảng 2.5: Kích thước then ở chỗ lắp với chân vịt

Chọn kích thước then ở chỗ lắp với tuốc tô:

Bảng 2.6: kích thước then ở chỗ lắp với tuốc tô

Một số đặc tính cơ bản:

- Khả năng chịu mài mòn tốt

- Không bị nở trong nước, trong môi trường ẩm ướt

Đường

kính ngoài (mm)

Sai số gia công (mm)

Chiểu dài (mm)

Độ dày lớp thau (mm)

Khe hở thay thế (mm)

L Chọn theo tiêu chuẩn 444 mm

2.3.4 Nghiệm bền hệ trục

2.3.4.1 Tính dao động ngang

Dao động ngang – dao động do sự uốn hệ trục là hiện tượng các cổ trục không ngừng gõ lên bề mặt gối đỡ do trọng tâm trục không trùng với trọng tâm quay của trục ( như khi khe hở gối trục/ lực ly tâm/ độ võng trục quá lớn, do sai

số lớn trong gia công/ lắp ráp, do mật độ vật liệu không đồng đều); hậu quả là các gối trục chóng hỏng, cũng có thể làm rung tàu

l

Ở đây:

Chiểu dài hệ trục chân vịt: l = 2300 (mm)

toàn do dao động ngang, thường chọn K  1 5  3 0 %

Hệ số an toàn dao động ngang:

2.3.4.2 Tí nh phụ tải trên gối trục

Hệ trục tàu được xem như 1 dầm siêu tĩnh nhiều nhịp, 1 đầu tự do, 1 đầu bị ngàm chặt Phụ tải tác dụng lên trục gồm lực tập trung do trọng lượng chân vịt gây ra, tải trọng phân bố đều do trọng lượng trục chân vịt gây ra

Sơ đồ tính toán như sau:

Hình 2.6: Sơ đồ tí nh toán phụ tải

la (mm) = 975

l0 (mm) = 1150

l1 (mm) = 1150

Trọng lượng chân vịt: GCV = 1090 (kg)

Trọng lượng riêng của thép làm trục:  7 8 , 6 1 0 6

C V

d

q    

2.3.4.3 Tí nh momen quán tí nh tiết diện trục:

Giải hệ phương trình ta được kết quả:

2.3.4.6 Áp suất lên gối đỡ trục:

0 0

Vậy bạc cao su làm việc an toàn

2.3.4.7 Nghiệm bền hệ trục theo hệ số an toàn

Bảng 2.9: Nghiệm bền hệ trục theo hệ số an toàn

tiết diện trục nguy

M T W

Ta thấy n > [n] nên trục làm việc an toàn

2.3.4.8 Kiểm tra độ võng do uốn

Sự kiểm nghiệm trục về độ võng là việc đi xác định độ võng lớn nhất của các đoạn trục sau đó đem so sánh với độ võng cho phép theo quy phạm của Đăng

kiểm Nếu độ võng tính được nhỏ hơn độ võng cho phép thì có nghĩa là độ võng của trục đảm bảo

Bảng 2.10: Kiểm tra độ võng do uốn

T k

Vậy trục làm việc đảm bảo độ ổn định dọc trục

2.3.5 Nghiệm bền các chi tiết lắp ráp trên trục

Ứng suất cắt được tính theo công thức:

c P

F

  Trong đó:

P – Áp lực tiếp tuyến do momen xoắn gây ra:

2 2 4 0 6 6 3

1 6 9 5

4 8

x M P

D



F là tổng diện tích chịu cắt của cả 8 bu lông

1 6 9 5 1 1, 7

1 4 4 , 7 6

c

P F

Ứng suất cắt cho phép:

[ c]  0 , 2 5   0 , 2 5  3 2 0 0  8 0 0 (kG/cm2)

Trong đó:

 là ứng suất của vật liệu -  = 3200 (kG/cm2)

Ta thấy c < [ c] nên bu lông đủ bền về điều kiện cắt

[ ]   0 , 4  c  1 2 5 N/mm2Vậy bích nối thỏa mãn điều kiện bền cắt

Chương 3: Tính toán các thiết bị động lực tổng kết

các thiết bị trong buồng máy

3.1 Giới thiệu

Các thiết bị hệ thống động lực phục vụ cho tàu bao gồm rất nhiều các hệ thống khác nhau, nhưng có 3 hệ thống quan trọng nhất cần thiết để có thể vận hành tàu:

- Hệ thống nhiên liệu: Có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu vào trong xilanh động

cơ Bao gồm hệ thống nhiên liệu áp suất thấp và hệ thống nhiên liệu áp suất

cao (hệ thống chuẩn bị nhiên liệu và hệ thống phun nhiên liệu):

o Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu: Có nhiệm vụ chuẩn bị để cung cấp nhiên liệu cho hệ thống nhiên liệu áp suất cao, bao gồm: két chứa nhiên liệu, các bộ lọc,

bộ chuyển nhiên liệu, bộ phân ly, bộ gia nhiệt nhiên liệu và đường ống

o Hệ thống phun nhiên liệu: Có nhiệm vụ phun nhiên liệu vào buồng đốt của cơ,

bao gồm: bơm cao áp và vòi phun nối với nhau bằng đường ống áp suất cao

- Hệ thống bôi trơn: Có nhiệm vụ cung cấp dầu nhờn đến các bề mặt chuyển động tương đối để giảm áp suất ma sát, làm nguội chi tiết từ nhiệt do ma sát, làm sạch bề mặt các sản phẩm mài mòn, các sản vật cháy và các phần tử khác

chứa dầu và các đường ống dẫn dầu

- Hệ thống làm mát: Có nhiệm vụ làm nguội các chi tiết của động cơ bị nung nóng khi đốt nhiên liệu hoặc do ma sát, nhờ lấy phần nhiệt lượng của chất lỏng làm mát (dầu nhờn, nhiên liệu, nước) và không khí tăng áp Bao gồm: Các bơm

nước, bình trao đổi nhiệt, két giãn nở, bộ điều chỉnh nhiệt độ và đường ống dẫn

- Hệ thống hút khô – dằn tàu: Làm khô hầm hàng, buồng máy, các khoang mũi,

đổi chiều chìm, khắc phục độ nghiêng, độ chúi của tàu nhằm đảm bảo tư thế,

điều khiển và khai thác bình thường của tàu

Trong buồng máy, ngoài máy chính và các thiết bị đính kèm máy chính còn

có các thiết bị phụ trợ khác như:

- Tổ máy phát điện

- Các hệ thống bơm phục vụ hệ thống động lực:

o Tổ bơm vận chuyển dầu nhờn

o Tổ bơm vận chuyển dầu đốt

o Tổ bơm nước chữa cháy

o Tổ bơm nước sinh hoạt

o Tổ bơm hút khô, dằn tàu

- Tổ quạt thông gió, điều hòa không khí

Các thiết bị hệ thống động lực đều là loại chuyên dụng cho tàu thủy và được thiết kế để làm việc tốt nhất trong các điều kiện sau:

 Tính chọn bơm vận chuyển dầu đốt

 Tính két dầu đốt cho máy phát sự cố

 Tính toán hệ thống ống cấp dầu cho động cơ

 Tính két dầu bẩn

 Vẽ sơ đồ hệ thống nhiên liệu

 Hệ thống bôi trơn:

 Tính thể tích két dầu bôi trơn

 Tính bơm vận chuyển dầu nhờn

 Vẽ sơ đồ hệ thống bôi trơn

diesel 4 kỳ tác dụng đơn, dạng thùng, một hàng xi lanh thẳng đứng, làm mát gián

nén, tự đảo chiều, điều kiện tại chỗ hoặc từ xa trên buồng lái

3.4.1.1 Cho các Diesel máy phát

Dầu DO sạch từ két trực nhật DO qua van đóng nhanh điều khiển ngoài buồng máy được cấp vào cửa hút của các bơm cấp dầu trên bơm cao áp cho các

dẫn, chúng được tới bơm cao áp để tới vòi phun của máy Dầu thừa từ vòi phun, bơm cao áp được đưa về két trực nhật DO

Dầu sạch DO từ két trực nhật qua van đóng nhanh vào động cơ cho quá

tăng áp Lúc này DO được tăng áp suất và đẩy tới thiết bị tách khí trước khi được bơm tuần hoàn đưa tới thiết bị hâm dầu Sau đó DO được lọc lần cuối trước khi đưa vào bơm cao áp máy chính để cấp nhiên liệu cho quá trình cháy trong xi lanh

đi qua thiết bị cảm ứng lọc dầu cho chỉ số đạt yêu cầu thì nó sẽ được tái sử dụng

DO luôn được bổ sung liên tục vào két trực nhật từ các két dầu dự trữ

hệ thống, thiết bị đều được giám sát và theo dõi thông qua các đồng hồ đo nhiệt