ĐỒ án THIẾT kế đạo lưu ĐỊNH HƯỚNG XOAY

Đây là bài mẫu đồ án tính toán thiết kế đạo lưu định hướng xoay chuẩn dành cho sinh việc đang làm đồ án môn học thiết bị tàu thủy. Bài đồ án bao gồm đầy đủ nội dung cần tính toán. Các bạn nào tải bài cần bản vẽ thì nhắn email mình sẽ gửi cho bạn.

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung

1.1 Giới thiệu chung về đạo lưu 7

1.1.1 Lịch sử ra đời 7

1.1.2 Các thông số cơ bản 7

1.1.3 Các loại ông cơ bản 8

1.1.4 Lý thuyết tạo lực đẩy bổ sung 9

1.1.5 Ưu điểm và nhược điểm của thiết bị 9

CHƯƠNG 2 Tính chọn kích thước của đạo lưu 2.1 Các thông số của tàu 10

2.2 Tính toán sức cản của tàu 10

2.3 Thiết kế chân vịt Kaplan trong ống đạo lưu N°19A 13

2.4 Xác định các thông số kỹ thuật của đạo lưu 18

2.4.1 Đường kính trong nhỏ nhất 18

2.4.2 Chiều dài tương đối của đạo lưu 18

2.4.3 Chiều dài của đạo lưu 18

2.4.4 Hệ số cửa ra của đạo lưu 18

2.4.5 Đường kính cửa ra của đạo lưu 19

2.4.6 Hệ số cửa vào của đạo lưu 19

2.4.7 Đường kính cửa vào của đạo lưu 19

2.4.8 Vị trí đặt trục đạo lưu 20

2.4.9 Chiều dày tương đối của đạo lưu 20

2.4.10 Kích thước cánh giữ hướng 20

2.4.11 Khoảng cách từ mép trước của cánh giữ hướng đến trục quay của đạo lưu 21

2.4.12 Khe hở nhỏ nhất giữa mũ thoát nước chân vịt và mũ thoát nước của bắp chuối nước 21

2.4.13 Xác định loại profil của đạo lưu 21

CHƯƠNG 3 Tính lực và momen thủy động ❖ Tính toán theo lý thuyết 3.1 Tính cho tàu chạy tiến 23

3.1.1 Xác định hệ số tải của chân vịt và hệ số tốc độ kích thích chiều trục của chân vịt trong ống đạo lưu 24 3.1.2 Xác định lực thủy động và mômen thủy động trên hệ đạo

lưu - cánh giữ hướng 24

3.1.2.1 Tính lực và momen thủy động trên đạo lưu 24

3.1.2.2 Tính lực và momen thủy động trên cánh giữ hướng 25

3.1.2.3 Tính lực và momen thủy động trên hệ đạo lưu – cánh giữ hướng 29

3.2 Tính cho tàu chạy lùi 29

3.2.1 Xác định hệ số tải của chân vịt và hệ số tốc độ kích thích chiều trục của chân vịt trong ống đạo lưu 29

3.2.2 Xác định lực thủy động và mômen thủy động trên hệ đạo lưu - cánh giữ hướng 31

3.2.2.1 Tính lực và momen thủy động trên đạo lưu 31

3.2.2.2 Tính lực và momen thủy động trên cánh giữ hướng 32

3.2.2.3 Tính lực và momen thủy động trên hệ đạo lưu – cánh giữ hướng 35

❖ Tính theo quy chuẩn 3.3 Tính cho tàu chạy tiến 35

3.3.1 Khi tàu chạy tiến 35

3.3.1.1 Lực tác dụng lên đạo lưu và cánh giữ hướng 35

3.3.1.2 Momen xoắn tác dụng lên hệ đạo lưu và cánh giữ hướng 37

3.4 Tính cho tàu chạy lùi 38

3.4.1 Khi tàu chạy lùi 38

3.4.1.1 Lực tác dụng lên đạo lưu và cánh giữ hướng 38

3.4.1.2 Momen xoắn tác dụng lên hệ đạo lưu và cánh giữ hướng 40

CHƯƠNG 4 Tính kết cấu đạo lưu và cánh giữ hướng 4.1 Kết cấu của đạo lưu 42

4.1.1 Lựa chọn dạng kết cấu 42

4.1.2 Chiều dày tôn bao 43

4.1.2.1 Chiều dày tôn bao trong 43

4.1.2.2 Phần tôn bao trong còn lại 43

4.1.2.3 Chiều dày nhỏ nhất tôn bao ngoài 43

4.1.2.4 Chọn chiều dày của xương gia cường 44

4.1.2.5 Kích thước lập là 44

4.1.2.6 Thiết kế hai mép của đạo lưu 44

4.1.2.7 Ứng suất lớn nhất tại các mặt cắt 44

4.1.3 Kết cấu cánh giữ hướng 46

4.1.3.1 Khoảng cách giữa các xương gia cường 46

4.1.3.2 Số tấm gia cường 46

4.1.3.3 Lựa chọn dạng kết cấu 46

4.1.3.4 Chiều dày tôn bao của cánh giữ hướng 47

4.1.3.5 Chiều dày xương gia cường đứng 48

4.1.3.6 Chiều dày xương gia cường ngang 48

4.1.3.7 Chiều dày tấm tôn mặt trên và dưới 48

4.1.3.8 Chiều dày xương lập 48

4.1.3.9 Giá trị lớn nhất của áp lực thủy động 48

4.1.3.10 Ứng suất trên tấm tôn bao mặt ngoài của cánh giữ hướng 48

CHƯƠNG 5 Tính đường kính trục lái A Tải trọng tác dụng 50

B Tính sơ bộ 51

5.1 Tính theo lý thuyết 51

5.1.1 Trục lái dưới tác dụng của lực thủy đông Pn 51

5.1.1.1 Sơ đồ tải trọng 51

5.1.1.2 Giải dầm liên tục (dầm siêu tĩnh bậc 1) 51

5.1.2 Trục lái dưới tác dụng của trọng lượng đạo lưu 53

5.1.2.1 Giải dầm liên tục (siêu tĩnh bậc 1) 55

5.1.3 Lực tác dụng tổng cộng trên trục lái 56

5.1.4 Xác định đường kính trục tại các gối đỡ 57

5.2 Tính theo quy phạm 58

5.2.1 Đường kính phần trên của trục lái 58

5.2.2 Đường kính phần dưới của trục lái 58

5.2.3 Đường kính của chốt lái 59

5.2.4 Momen ma sát tại các gối trục 59

5.2.5 Giá trị momen xoắn lớn nhất 59

5.2.6 Chọn máy lái 59

C Tính chính xác 60

5.3 Tính theo lý thuyết 60

5.3.1 Trục lái dưới tác dụng của Pn và Pc 60

5.3.1.1 Sơ đồ tải trọng 60

5.3.1.2 Giải dầm liền nhịp (dầm siêu tĩnh bậc 1) 60

5.3.2 Trục lái dưới tác dụng của Gp 62

5.3.3 Phản lực tổng cộng tại đế 62

5.3.4 Xác định đường kính trục tại các gối đỡ 63

5.4 Tính theo qui phạm 5.4.1 Đường kính phần trên của trục lái 63

5.4.2 Đường kính phần dưới của trục lái 64

5.4.3 Đường kính của chốt lái 64

5.4.4 Kiểm tra máy lái 64

D Tính toán kiểm tra bền một số tiết diện trục lái 65

CHƯƠNG 6 Tính mối nối 6.1 Ổ đỡ trục lái và chốt lái 67

6.1.1 Áo bọc trục 67

6.1.2 Tại ổ đỡ cổ trục lái 67

6.1.3 Tại chốt lái 67

6.2 Chiều dày bạc lót 67

6.2.1 Tại ổ đỡ trục lái 67

6.2.2 Tại ổ đỡ cổ trục lái 68

6.2.3 Tại chốt lái 68

6.2.4 Bề mặt đỡ 68

6.2.5 Khe hở ổ đỡ 70

6.3 Mối nối đạo lưu – trục lái 70

6.3.1 Vât liệu chế tạo 70

6.3.2 Kiểu mối nối 70

6.3.3 Các thông số của mối nối 71

6.3.3.1 Chiều dài đoạn côn 71

6.3.3.2 Độ côn 71

6.3.3.3 Kích thước êcu 71

6.3.3.4 Then 71

LỜI NÓI ĐẦU

Tàu thủy là một công trình nổi 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 điều 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 vai 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 quan 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 quan trọng của người kĩ sư khi ra làm việc thực tế

Nhận thức được tầm quan trọng của môn học nên bản thân 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 để bài làm trở nên tốt nhất có thể

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

em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất

SVTH

Lê Hoàng Vinh

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐẠO LƯU

1.1.1 Lịch sử ra đời

Trong những năm 1920 Bộ Giao Thông Vận Tải Đức chỉ thị cho chủ của các tàu kéo 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

1.1.2 Các thông số cơ bản

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

• L – Chiều dài ống, và chiều dài tương đối Ln được xác định theo biểu thức: Ln = L/D

• C – độ hở của đầu cánh chân vịt và mép trong ống, và độ hở tương đối Cn được xác định theo biểu thức: Cn = C/D

• t - Chiều dày lớn nhất của thành ống, và chiều dày tương đối tnđược xác định theo công thức: tn = t/b

Trong đó:

+ D – Đường kính chân vịt + b – Chiều rộng profil + Cx = Ax/A – Tỉ lệ giữa diện tích miệng hút và diện tích mặt cắt ngang ống

+ Cy = Ay/A – Tỉ lệ giữa diện tích miệng xả và diện tích mặt cắt ngang ống

Các hệ số trên thường nằm trong phạm vi:

Ln = 0,5 đến 0,9; Cx = 1,15 đến 1,5;

Cn = 0,005 đến 0,01; Cy = 1,0 đến 1,5

tn = 0,11 đến 0,14;

Hình 1.1 Chân vịt trong ống đạo lưu

Viện nghiên cứu Hàng Hải Hà Lan 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 NASA được đưa vào thử nghiệm và cải tiến thành công như NÂC

4415 đã cho ra những đặc trưng rất tốt

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 dẫn dạng bo tròn nên dễ 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

1.1.4 Lý thuyết tạo lực đẩy bổ sung

Với ống tang tốc, vận tốc dòng chảy phía trong ống tang dẫn đến áp lực giảm Điều đó làm giảm lực đẩy và momen xoắn của chân vịt Đồng thời do chênh lệch áp suất nên bề mặt trong của cánh xuất 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 vịt tang 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 %

Với ống giảm tốc, loại này ngược với loại trên về phân tích lực và thường được sử 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 dung loại ống này

1.1.5 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 tạo 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 rõ nét về kinh tế Một trong những ưu điểm 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

CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN KÍCH THƯỚC CỦA ĐẠO LƯU

2.1 Các thông số của tàu

▪ Chiều dài tàu: L = 38,32 m

▪ Lượng chiếm nước: ∆ (D) = γV = 1021,4 m³

Trong đó: γ = 1,025 kG/dm³ = 1025 kG/m³ - Trọng lượng riêng của

nước biển

2.2 Tính toán sức cản của tàu

Sử dụng phương pháp Ayre (1942)

Áp dụng phướng pháp Ayre tiến hành tính sức cản tàu theo sách “Lý thuyết tàu

2, tác giả Trần Cồn Nghị” như sau:

✓ Các thông số cần tính

32,38.81,9

514,0.10

=

L g

v

F n

)4,1021(

32,38

3 / 1 3

✓ Hiệu chỉnh tỉ số B/d

Tỉ số B/d thực của tàu

0

43,

10 = -2,6 %

✓ Hiểu chỉnh chiều dài

Chiều dài đường nước thực:

L0= 1,025.Lpp = 35,875 (m) Chiều dài thiết kế: Ltk = 38,32 (m)

Ltk− Lpp = 3,32 (m) Hiệu số điều chỉnh tính từ kích thước:

v EHP

3 64 , 0



✓ Sức cản vỏ tàu

463314

,5

3,43.550

CA prop =∆

✓ Lựa chọn đạo lưu và dạng profil của đạo lưu thiết kế:

Như đã nói ở phần giới thiệu chung thì ta chọn đạo lưu định hướng xoay có cánh giữ hướng Dạng profil của đạo lưu thiết kế thì với tàu dịch vụ ta chọn đạo lưu N°19A, số liệu ở bảng 1-12 STTB T1

2.3 Thiết kế chân vịt Kaplan trong ống đạo lưu N°19A

Đường kính sơ bộ chân vịt D = 0,6d = 2,52 m

Các hệ số dòng theo w và hệ số lực hút t áp dụng cho chân vịt trong ống đạo lưu

Công suất đẩy:

1313

,327

5,8.50363

,327

t

v T

Công suất đẩy:

1281025

1000

14 , 5 4633 75

=

k p t h e

N N

'1

𝜂ℎ = 0,97 - hiệu suất hộp số

𝜂𝑚𝑡 = 0,97 - hiệu suất môi trường Đây là hiệu suất làm việc của máy bị giảm so với thiết kế do máy làm việc khác với môi trường thiết kế

Vòng quay chân vịt tàu nhận khoảng 98 % đến 99 % tần suất quay định mức

n = 0,98.290 = 284,2 v/ph = 4,74 v/s Chiều chìm trục chân vịt

s = 0,6.d = 2,52 m

Hệ số Bu được sử dụng để chọn δopt trên hai đồ thị Ka - 4.55 và Ka - 4.70, ngoài ra để thỏa mãn điều kiện tránh sủi bọt chân vịt thì tỉ lệ mặt đĩa phải tuân theo điều kiện sau:

) 4,0

.(

.245

3

P A

A

d s a

D e

−

−+

Trong đó:

+ D - Công suất dẫn đến trục chân vịt (PS) + D - Đường kính chân vịt (m)

+ n - Số vòng quay của trục chân vịt (v/s) + s - Chiều chìm trục chân vịt (m) + γ = 1025 - Trọng lượng riêng của nước (kG/m³) + a = 10330 (kG/m²) - Áp suất khí quyển

+ d = 240 (kG/m²) - Áp suất hơi bão hòa

Sử dụng hệ số Bp để chọn 𝛿𝑜𝑝𝑡, trên đồ thị chân vịt Ka - 4.55 và Ka - 4.70

Hệ số Bp:

a

D a

p

v

P v

n

B = 602

Ta thấy chân vịt Ka - 4.70 giá trị 𝐀𝐞 𝐀𝟎 tương ứng với gần tỷ lệ mặt đĩa

0,70 hơn so với chân vịt Ka - 4.55 Vậy ta chọn chân vịt Ka - 4.70, đường

kính D = 1,6 (m)

Mômen quay:

11482

STT Ký hiệu và công thức Đơn vị

= 𝑉

- Đọc từ đồ thị

- Đọc từ đồ thị

- Đọc từ đồ thị = ( − 0,3 )

=

= −

0= −

+ 𝑉𝑝 = 4,37 (m/s) + = 6831 (kG)

+ = 1,6 (m)

2.4 Xác định các thông số kỹ thuật của đạo lưu

Chọn dạng profin của đạo lưu thiết kế N°19a, số liệu ở bảng 1- 12 STTB T1

2.4.1 Đường kính trong nhỏ nhất 𝐃𝐇 (m):

H = cv + 2∆ = 1600 + 2.15 = 1630 mm

H ≤ 1,02 cv = 1630 mm Trong đó:

+ cv = 1600 mm - Đường kính chân vịt trong đạo lưu + ∆ - Khe hở nhỏ nhất giữa chân vịt và đạo lưu, ∆ ≤ 15 mm

∆ = (0,01 - 0,005) cv = (15 - 7,5) mm, ta chọn ∆ = 15 mm

➢ Vậy ta chọn đường kính nhỏ nhất của đạo lưu: H = 1630 mm

2.4.2 Chiều dài tương đối của đạo lưu

- Thông thường chiều dài tương đối của đạo lưu có ảnh hưởng rất lớn đến

các thống số lượn vòng như: tốc độ lượn vòng, bán kính lượn vòng

- Theo hồ sơ phân tích các mô hình thử thì người ta nhận thấy rằng chất

lượng hàng hải của tàu nhận được lớn nhất khi:

𝑙̅ = 0,55 ÷ 0,95 𝐻

- Vì là tàu dịch vụ nên ta chọn đạo lưu ống số N°19a nên chọn 𝑙̅ = 0,8 𝐻

2.4.3 Chiều dài của đạo lưu

𝑙̅ = 𝐻 𝑙𝐻

𝐷𝐻 => 𝑙𝐻 = 𝑙̅ 𝐻 𝐻 = 0,8.1630 = 1304 (mm)

2.4.4 Hệ số cửa ra của đạo lưu

- Thông thường lấy 𝛽𝐻 = 1,1 ÷ 1,15 thì khi đó sẽ tạo được góc côn trung bình từ 8° ÷ 9° ở phần đuôi đạo lưu do đó sẽ đảm bảo được dòng chảy vòng ở phần đuôi tàu khi tàu chạy tiến

- Tuy nhiên do bề mặt phía trong của đạo lưu có độ nhám tương đối nên nó tạo ra sự phá hoại dòng bao, vì vậy để loại bỏ hiện tượng này người ta lấy

r H

2.4.6 Hệ số cửa vào của đạo lưu: 𝜶𝑯

- Để nhận được lực đẩy lớn nhất của chân vịt ở chế độ định mức và sử dụng hết công suất máy của động cơ, 𝛼𝐻 nên lấy phụ thuộc vào hệ số tải của chân vịt 𝜎𝐵

2.4.9 Chiều dày tương đối của đạo lưu: 𝜹̅

- Chiều dày tương đối của đạo lưu thay đổi trong giới hạn rộng Để đảm bảo

độ bền cho đạo lưu thường lấy = =(0,120,13)

2.4.10 Kích thước của cánh giữ hướng:

- Bẳng việc thử mô hình đạo lưu định hướng xoay, kích thước của cánh giữ hướng không ảnh hưởng đến bán kính lượn vòng Cánh giữ hướng có tác dụng lực dạt trên cánh giữ hướng sẽ tạo ra mômen thủy động dương cân bằng mômen thủy động âm Khi tàu chạy tiến, làm tăng tính ăn lái của đạo lưu Trong khi thử nghiệm các tàu được trang bị đạo lưu có cánh giữ hướng, người ta thấy rằng nếu tàu chuyển động trên tuyến thẳng thì phải bẻ lái tàu

10 ÷ 15 lần/phút với đạo lưu không có cánh giữ hướng và 1 ÷ 2 lần/phút với đạo lưu có cánh giữ hướng

- Chiều cao cánh giữ hướng:

h



- Chiều dày tương đối của prôfin: ̅ = 5%

117780

.15,015

(mm)

2.4.11 Khoảng cách từ mép trước của cánh giữ hướng đến trục quay của đạo lưu:

mm l

a a

D l

a a

H

cv H

)72,23436

,117(

)18,009,0()

12,006,0(

2.4.13 Xác định loại prôfin của đạo lưu:

Với tàu dịch vụ ta chọn đạo lưu ống số N°19a, số liệu trong bảng 1-12 sổ tay thiết bị tàu thủy tập 1, có các thông số:

+ Chiều dài của đạo lưu: 𝑙𝐻 = 1304 (mm)

+ Đường kính trong nhỏ nhất của đạo lưu: 𝐻 = 1630 (mm)

+ Đường kính cửa vào đạo lưu: 𝑣 = 1894 (mm)

+ Đường kính cửa ra của đạo lưu: 𝑟 = 1725 (mm)

+ Khoảng cách từ mép trước của đạo lưu tới trục quay của đạo lưu:

𝑥𝛿 = 𝑥̅̅̅.𝑙𝛿 𝐻 = 0,44.1304 = 574 (mm) + Chiều dày tương đối của đạo lưu: 𝛿̅ = 0,125

+ Bán kính lượn phần mũi và phần đuôi của đạo lưu có thể tính:

CHƯƠNG 3 TÍNH LỰC VÀ MÔMEN THỦY ĐỘNG

❖ TÍNH TOÁN THEO LÝ THUYẾT

Với chân vịt đạo lưu thông thường thì việc xác định lực thủy động và

mômen có thể thực hiện thông qua đồ thị trong sách “Thiết bị tàu thủy - Tập 1’’ đối với tàu chạy tiến và lùi Ngoài ra đối với đạo lưu thường, mômen thủy động của đạo lưu và cánh ổn định được tính thông qua trục lái nằm trên đạo lưu và có

đồ thị để ta có thể tính gần đúng với các giá trị trên, dựa vào mômen này ta có thể chọn máy lái phù hợp Nhưng đối với thiết bị lái góc phương vị thì cách tính trên không còn tuyệt đối chính xác, vậy cách giải quyết như sau:

Đối với góc lái từ 0 tới 40 độ thì tính lực thủy động thực hiện như thường nhờ đồ thị bể thử, momen thủy động trong trường hợp này được xác định bằng tích giữa cách tay đòn (khoảng cách từ tâm áp lực tới tâm trục đạo lưu) và lực thủy động

Đối với thiết bị đẩy Azimuthing thruster có thể xoay 360 độ thì giới hạn momen xoắn cực đại trên trục nằm trong khoảng từ 0 đến 90 độ, tại 90 độ lực tác dụng lên đạo lưu lúc này chỉ là áp lực nước và được tính bằng áp lực thủy động Ngoài ra do azimuthing thruster có thể xoay 360 độ nên ở đây ta chỉ xét một trường hợp có thành phần lực tác động lớn hơn tác động lên hệ đạo lưu là lúc tàu tiến, vậy cách tính gần đúng được thực hiện theo các bước như sau:

3.1 TÍNH CHO TÀU CHẠY TIẾN

3.1.1 Xác định hệ số tải của chân vịt và hệ số tốc độ kích thích chiều trục của chân vịt trong ống đạo lưu

Tính vận tốc dòng nước chảy tới chân vịt:

𝑉𝑒 = 0,5 𝑉𝑠( − 𝑤) = ,37 m/s Trong đó:

+ 𝑉𝑠 = 10 HL/h - Vận tốc chạy tiến của tàu + w = w’ = 0,15 - Hệ số dòng theo có kể đến ảnh hưởng của đạo lưu

Hệ số tải của đạo lưu:

6,32

=

cv e

B D

F V

P





đạo lưu

Hệ số tải của chân vịt trong ống đạo lưu:

86,226,01

6,3





589326

,01

1)11

(2

3.1.2.1 Tính lực và mômen thủy động trên đạo lưu

Lực và mômen thủy động của đạo lưu khi ta bẻ lái một góc 𝛼𝑝 dựa vào hệ số không thứ nguyên 𝐶𝑥𝑚, 𝐶𝑦𝐻, 𝐶𝑚𝐻 được tra trong hình 1-23

STTB T1 các hệ số này phụ thuộc vào góc bẻ lái 𝛼𝑝 và hệ số a Việc tính

toán được thực hiện dưới bảng sau:

Trong đó:

+ 𝑎𝑝 = 0,48 + 𝑃 𝐻- Lực pháp tuyến + 𝑀𝜎𝐻 - Mômen thủy động + 𝑆𝐻 - Diện tích sử dụng bề mặt có hiệu quả của đạo lưu

𝑆𝐻 = 𝑆 𝐵 𝜋 𝑙𝐻 = 6,3 (m²) Với + 𝑆 = 0,85 - là hệ số biểu thị giữa bề mặt sử dụng thực tế của đạo lưu so với toàn bộ bề mặt tính toán

+ 𝐵 - Đường kính trung bình của đạo lưu

5,18092

18941725

+ 𝑙𝐻 = 1304 (mm) - Chiều dài của đạo lưu

3.1.2.2 Tính lực và mômen thủy động trên cánh giữ hướng

Với cánh giữ hướng cố định, khi bẻ lái một góc 𝑎𝑝 thì góc lệch giữa phương của cánh giữ hướng và mặt phẳng đối xứng là ∆𝛼 = 𝛼𝑝 − 𝛼𝑐

Góc nghiêng của dòng nước chảy ra sau đạo lưu:

2 2

0

3,57

s H H

H TB yH

c

v D

l D C



 =

Tốc độ của dòng nước chảy ra từ đạo lưu:

87,1112,1

6,3.212

11

212

=

H

D s

𝑥𝑝𝑐 = 𝐶𝑑𝑐 𝑏𝑐Trong đó:

+ 𝐶𝑑𝑐 - Hệ số tâm áp lực thủy động trên cánh giữ hướng + 𝑏𝑐 - Chiều rộng của cánh giữ hướng

Lực tác dụng lên cánh giữ hướng gồm có:

➢ Lực cản: 𝑃𝑥𝑟 = 2 𝐶𝑥𝑟 𝑉𝑟 𝐹𝑟

𝑃𝑦𝑟 = 2 𝐶 𝑟 𝑉𝑟2 𝐹𝑟

➢ Lực pháp tuyến:

𝑃 𝑟 = 2 𝐶 𝑟 𝑉𝑟 𝑆𝑟Với 𝐹𝑟 - Diện tích tiết diện của cánh giữ hướng

𝐹𝑟 = ℎ𝑐 𝑏𝑐 = ,725 0,7 = ,35 𝑚

Hệ số 𝐶 𝑟:

𝐶 𝑟 = 𝐶𝑦𝑟 𝐶 𝛼𝑝 𝐶𝑥𝑟 𝑆 𝛼𝑝Mômen tác dụng lên cánh giữ hướng:

𝑀𝜎𝑟 = 𝑃 𝑟 𝑙 = 𝑃 𝑟 (𝑥𝑝𝑟 𝑎) (𝑘𝐺 𝑚) Với 𝑥𝑝𝑟 - Khoảng cách từ tâm áp lực thủy động trên cánh giữ hướng đến mép trước cánh giữ hướng

Các hệ số 𝐶𝑥𝑟, 𝐶𝑦𝑟 xác định theo chiều dày tương đối, độ dang bánh lái 𝜆𝐶 và ∆𝛼

Ta có: 𝜆𝐶 = ℎ𝑐 𝑏𝑐 = 1725/780 = 2,21 - Độ dang của cánh giữ hướng

Với độ dang này thì các hệ số không tra theo đồ thị mà tính chuyển theo giá trị độ dang bánh lái 𝜆 = 6

Các hệ số thủy động lực của prôfin đối xứng NACA 0015 ứng với

𝜆1 = 6 được tra trong Bảng 11-3 / Sổ tay kỹ thuật đóng tàu - Tập 1

3.1.2.3 Tính lực và mômen thủy động trên hệ đạo lưu - cánh giữ

hướng

=> 𝑃 𝑚𝑎𝑥 = 13654 (kG)

𝑀𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 4824 (kG.m)

3.2 TÍNH CHO TÀU CHẠY LÙI

3.2.1 Xác định hệ số tải của chân vịt và hệ số tốc độ kích thích chiều

trục của chân vịt trong ống đạo lưu:

Tốc độ của tàu khi chạy lùi:

𝑣𝑙 𝑖 = (0,7 ÷ 0,75)𝑣𝑠 = (7 ÷ 7,5) (𝐻𝐿 ℎ)

➢ Chọn 𝑣𝑙 𝑖 = 7,25 (HL/h) Tính vận tốc dòng nước chảy tới chân vịt:

𝑣𝑒 𝑙 𝑖 = 0,5 𝑣𝑙 𝑖 𝜉𝑙 𝑖 = , (𝑚 ) Trong đó:

+ 𝑣𝑠 = 10 HL/h - Vận tốc chạy tiến của tàu + 𝜉𝑙 𝑖 = ( ,05 ÷ , ) - Hệ số ảnh hưởng của thân tàu tới bánh lái Chọn 𝜉𝑙 𝑖 = 1,1

Góc bẻ lái (độ) Đại lương tính

Hệ số tải của chân vịt trong ống đạo lưu:

05,42

=

cv lùi e

B D

F V

P



Trong đó:

,01

đạo lưu

Hệ số tải của chân vịt trong ống đạo lưu:

16,328,01

05,4





580128

,01

1)11

(2

3.2.2 Xác định lực thủy động và mômen thủy động trên hệ đạo lưu -

cánh giữ hướng

3.2.2.1 Tính lực và mômen thủy động trên đạo lưu

Lực và mômen thủy động của đạo lưu khi ta bẻ lái một góc 𝛼𝑝 dựa vào hệ số không thứ nguyên 𝐶𝑥𝑚, 𝐶𝑦𝐻, 𝐶𝑚𝐻 được tra trong hình 1-23

STTB T1 các hệ số này phụ thuộc vào góc bẻ lái 𝛼𝑝 và hệ số a Việc tính

toán được thực hiện dưới bảng sau:

Trong đó:

+ 𝑎𝑝 = 0,79 + 𝑃 𝐻- Lực pháp tuyến + 𝑀𝜎𝐻 - Mômen thủy động + 𝑆𝐻 - Diện tích sử dụng bề mặt có hiệu quả của đạo lưu

𝑆𝐻 = 𝑆 𝐵 𝜋 𝑙𝐻 = 6,3 (m²) Với + 𝑆 = 0,85 - là hệ số biểu thị giữa bề mặt sử dụng thực tế của đạo lưu so với toàn bộ bề mặt tính toán

+ 𝐵 - Đường kính trung bình của đạo lưu

5,18092

18941725

3.2.2.2 Tính lực và mômen thủy động trên cánh giữ hướng

Với cánh giữ hướng cố định, khi bẻ lái một góc 𝑎𝑝 thì góc lệch giữa phương của cánh giữ hướng và mặt phẳng đối xứng là ∆𝛼 = 𝛼𝑝 − 𝛼𝑐Góc nghiêng của dòng nước chảy ra sau đạo lưu:

2 2

0

3,57

s H H

H TB yH

c

v D

l D C



 =Tốc độ của dòng nước chảy ra từ đạo lưu:

09,2112,1

05,4.2112,1

21,12

11

21

'2

=

H

D H

H s

𝑣𝑐 = 𝑘 𝑣𝑒 𝑣̅ = 0, 5 , 2,0 = , (m/s) 𝑠Với k = 0,95 - Hệ số tính đến độ lớn của tốc độ kích thích chiều trục Khoảng cách từ tâm áp lực thủy động đến mép trước cánh giữ hướng

𝑥𝑝𝑐 = 𝐶𝑑𝑐 𝑏𝑐Trong đó:

+ 𝐶𝑑𝑐 - Hệ số tâm áp lực thủy động trên cánh giữ hướng + 𝑏𝑐 - Chiều rộng của cánh giữ hướng

Lực tác dụng lên cánh giữ hướng gồm có:

➢ Lực cản: 𝑃𝑥𝑟 = 2 𝐶𝑥𝑟 𝑉𝑟 𝐹𝑟

𝑃𝑦𝑟 = 2 𝐶 𝑟 𝑉𝑟2 𝐹𝑟

➢ Lực pháp tuyến:

𝑃 𝑟 = 2 𝐶 𝑟 𝑉𝑟 𝑆𝑟Với 𝐹𝑟 - Diện tích tiết diện của cánh giữ hướng

𝐹𝑟 = ℎ𝑐 𝑏𝑐 = ,725 0,7 = ,35 𝑚

Hệ số 𝐶 𝑟:

𝐶 𝑟 = 𝐶𝑦𝑟 𝐶 𝛼𝑝 𝐶𝑥𝑟 𝑆 𝛼𝑝Mômen tác dụng lên cánh giữ hướng:

𝑀𝜎𝑟 = 𝑃 𝑟 𝑙 = 𝑃 𝑟 (𝑥𝑝𝑟 𝑎) (𝑘𝐺 𝑚) Với 𝑥𝑝𝑟 - Khoảng cách từ tâm áp lực thủy động trên cánh giữ hướng đến mép trước cánh giữ hướng

Các hệ số 𝐶𝑥𝑟, 𝐶𝑦𝑟 xác định theo chiều dày tương đối, độ dang bánh lái 𝜆𝐶 và ∆𝛼

Ta có: 𝜆𝐶 = 𝐻 𝑏𝑐 = 1725/780 = 2,21 - Độ dang của cánh giữ hướng

Với độ dang này thì các hệ số không tra theo đồ thị mà tính chuyển theo giá trị độ dang bánh lái 𝜆 = 6

Các hệ số thủy động lực của prôfin đối xứng NACA 0015 ứng với

𝜆1 = 6 được tra trong Bảng 11-3 / Sổ tay kỹ thuật đóng tàu - Tập 1

3.2.2.3 Tính lực và mômen thủy động trên hệ đạo lưu - cánh giữ

hướng

=> 𝑃 𝑚𝑎𝑥 = 18802 (kG)

𝑀𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 5454 (kG.m)

❖ TÍNH THEO QUY CHUẨN

(Áp dụng quy chuẩn Phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép - Phần 2B Kết cấu

thân tàu và trang thiết bị )

3.3 TÍNH CHO TÀU CHẠY TIẾN

3.3.1 Khi tàu chạy tiến

3.3.1.1 Lực tác dụng lên đạo lưu và cánh giữ hướng

Lực 𝐹𝑅 tác dụng lên đạo lưu và cánh giữ hướng khi tàu chạy tiến và lùi được dùng để xác định kích thước của đạo lưu và cánh giữ hướng và

được tính theo công thức sau:

Góc bẻ lái (độ) Đại lương tính

Λ = ℎ

2

𝐴𝑡 = 2 Với: + h = 1,725 (m) - Chiều cao của cánh giữ hướng + 𝐴𝑡 = 1,35 (m²) - Tổng diện tích của cánh giữ hướng + 2 = 1,1 - Hệ số phụ thuộc kiểu profin cánh giữ hướng (NACA

00 profin lồi) + = 1,15 - Hệ số phụ thuộc vị trí của cánh giữ hướng

Lực tác dụng lên đạo lưu

𝐹𝑅𝐻 = 1 2 32 𝐴 𝑣2 = 67 (𝑁) = 66 (𝑘𝐺) Trong đó:

+ A = 6,3 (m²) - Diện tích đạo lưu + v = 10 (HL/h) - Tốc độ tàu + 1 - Hệ số phụ thuộc hệ số hình dạng Λ của cánh giữ hướng

1 = (Λ 2)

3 = 0, + Λ - Được tính theo công thức sau, nhưng Λ không cần lớn hơn 2

Λ = ℎ

2

𝐴𝑡 = 0,6 Với + h = 1810 (mm) = 1,810 (m) - Đường kính trung bình của đạo lưu

+ 𝐴𝑡 = 4,72 (m²) + 2 = 1,1 - Hệ số phụ thuộc kiểu profin của đạo lưu (profin phẳng)