Đạo lưu định hướng xoay

Tài liệu về khái niệm, tính toán thiết kế đạo lưu định hướng xoay dùng cho tàu thủy. Các công thức trong file giúp chúng ta lựa chọn và tính toán để thiết kế đạo lưu định hương xoay chính xác, có công suất hoạt động tốt nhất

Đạo lu là một vật thể thoát nớc hình trụ, có hình dạng tiết diện theochiều dọc là prôfin khí động (thoát nớc, lu tuyến) quay mặt lồi về phíachong chóng Mép trớc của đạo lu (cửa vào) đợc lợn tròn để làm tăng thêmdiện tích tiết diện cửa vào của đạo lu, diện tích cửa vào của đạo lu th-ờng lấy lớn hơn một chút so với diện tích tiết diện ngang tại vị trí nhỏnhất của nó là mặt phẳng đĩa chong chóng.

Đạo lu định hớng xoay không những là thiết bị lái mà còn là một bộphận tham gia vào thiết bị đẩy, vì do đạo lu bao quanh chong chóng vớikhe hở ∆ nhỏ nhất, nên nó ngăn chặn đợc đáng kể dòng chảy vòng từmặt đạp sang mặt hút ở mút chong chóng, do đó nó làm giảm tổn thất ởmút cánh chong chóng và nâng cao hiệu suất chong chóng Tác dụng đặcbiệt của đạo lu so với bánh lái là việc tạo ra mô men và lực thuỷ động luônluôn có tác dụng chống lại sự bẻ lái (tức khi Mσ<0) Để loại bỏ giá trị mô mennày, trong mặt phẳng đối xứng, ở phần đuôi của đạo lu, sau chongchóng ngời ta đặt thêm cánh giữ hớng - là vật thể dạng cánh, thẳng

đứng, có prôfin khí động đối xứng và có chiều cao bằng đờng kính cửa

ra của đạo lu Ngoài ra cánh giữ hớng có tác dụng rất lớn đến tính ổn

định hớng đi của tàu

Đạo lu định hớng xoay ngoài tác dụng làm tăng lực đẩy còn có nhiệm

vụ bảo vệ cho chong chóng tránh bị va chạm những vật thể ở trong nớc,làm tốt hơn sự làm việc của chong chóng (khi tàu chòng chành dọc, hoặckhi tàu trên sóng- nhất là khi tàu ở trên đỉnh sóng, thì đạo lu làm chongchóng ít nhô ra khỏi mặt nớc hơn, từ đó nó làm giảm số dao động vòngquay của chong chóng, tức là làm giảm chấn động vùng đuôi, đồng thờilàm tăng hiệu suất làm việc chong chóng, giảm hiện tợng xâm thực, tróc

rỗ bề mặt)

Hiệu suất làm việc của đạo lu phụ thuộc khá lớn vào sự làm việc củachong chóng, kinh nghiệm khai thác và số liệu thử nghiệm so sánh giữacác tàu đồng dạng đợc trang bị đạo lu định hớng xoay và bánh lái chothấy: u thế hơn hẳn của đạo lu xoay là có thể làm gia tăng hiệu suất đẩy

của chong chóng lên tới 50% ở chế độ buộc bến và (20 - 30)% ở chế độkhai thác.

Nhợc điểm: do bản thân đạo lu cũng có thành phần sức cản (vì pôfin

đạo lu có dạng lồi vào trong, xuất hiện lực cản dạt), nên không thể áp dụngcho những tàu có hệ số tải của chong chóng nhỏ và những tàu chạynhanh, bởi khi đó hiện tợng xâm thực dễ bị hơn, đặc biệt là khi chongchóng làm việc ở chế độ đảo chiều và đôi khi bản thân đạo lu cũng bịxâm thực

1.12.1.2 Phân loại đạo lu

Có nhiều cách phân loại đạo lu khác nhau:

1 Phân loại theo số lợng đạo lu:

Tàu có một đạo lu, tàu có hai đạo lu

Hình 1.51 Đạo lu có gót ky và đạo lu treo

2 Phân loại theo đặc điểm kết cấu:

Đạo lu không có cánh giữ hóng

Đạo lu có cánh giữ hớng cố định

Đạo lu có cánh giữ hớng điều khiển đợc

3 Phân loại theo số gối đỡ:

Đạo lu có gối đỡ ở sống đuôi, ky đuôi

Đạo lu treo

1.11.2 Các kích thớc cơ bản của đạo lu

Dạng đạo lu và prôfin của nó (xem STTBTT-T1) phụ thuộc loại tàu vàcông dụng của nó

Hình 1.52 Sơ đồ bố trí hệ đạo lu - cánh giữ hớng.

1 - ống (thành) đạo lu; 2 - chong chóng; 3 - cánh giữ hớng;

4 - bắp chuối thoát nớc (khối rẽ dòng)

Số lợng chong chóng tơng ứng với số lợng đạo lu: z.

Đờng kính chong chóng trong đạo lu: DB đợc tính sơ bộ theo tích số

tối u giữa đờng kính chong chóng với vòng quay của của nó, m.

Đờng kính trong nhỏ nhất của đạo lu: DH, m.

Đờng kính cửa vào của đạo lu: D’H, m.

Đờng kính cửa thoát của đạo lu: D”H, m.

Hệ số loe cửa vào của đạo lu αH, là tỷ số giữa diện tích cửa vào đạo

l-u và diện tích trong nhỏ nhất của đạo ll-u, là đại lợng không thứ ngl-uyên:

=π

π

=

=α

4D.4D.F

F

2 H

2 ' H

H

2 ' H H

Hệ số loe cửa thoát của đạo lu βH, là tỷ số giữa diện tích cửa ra của

đạo lu và diện tích trong nhỏ nhất của nó, là đại lợng không thứ nguyên:

=π

π

=

=β

4D.4D.F

F

2 H

2 '' H 2

H

2 '' H H

đạo lu, m.

Chiều dài tơng đối của đạo lu lHlà tỉ số giữa chiều dài đạo lu và ờng kính trong nhỏ nhất của đạo lu, là đại lợng không thứ nguyên:

bề mặt phía trong nhỏ nhất đó và đờng kính của chong chóng, là đại ợng không thứ nguyên:

hệ làm việc hiệu quả nhất

1 Đờng kính trong nhỏ nhất của đạo lu D H

DH đợc chọn trên cơ sở đảm bảo khe hở nhỏ nhất giữa bề mặt trongcủa đạo lu với mút cánh chong chóng, mục đích để giảm dòng chảy vòng.Thờng chọn: ∆ = ( 0,005 ữ 0,01).DB, nhng ở mọi trờng hợp: ∆ ≤ 15 mm.Khi đó đờng kính trong nhỏ nhất của đạo lu sẽ bằng:

DH = DB + 2∆ hoặc DH ≤ 1,02.DB và kiểm tra cho ∆ ≤ 15mm.(1.323)

Diện tích: FH = π.D2

H/4 - gọi là diện tích thủy lực của đạo lu, m 2

2 Hệ số loe cửa thoát đạo lu βH

Chọn βH sao cho để giảm tốc độ kích thích chiều trục, nếu mởnhiều quá thì sẽ có vùng dòng nớc sẽ tách khỏi bề mặt trong đạo lu và tạothành vùng chân không trong đạo lu

Với:lH= 0,8 thì chọn βH = ( 1,1 - 1,15), vì với lH= 0,8 thì βH = 1,15) sẽ làm cho dòng chảy đều đặn hơn, cụ thể là: tàu kéo đẩy - βH

(1,1-=(1,1 -1,12); tàu hàng khách thì βH = (1,12-1,15)

Tuy nhiên do bề mặt phía trong đạo lu có độ nhám tơng đối gây pháhủy dòng bao, nên trên mọi loại tàu ngời ta thờng lấy βH =1,12

3 Hệ số loe cửa vào đạo lu αH

αH xác định phụ thuộc vào hệ số tải của chong chóng sao cho lực

đẩy của nó là lớn nhất:

H B H

/213

/211.2

βσ++

βσ++β

trong đó: σB - hệ số tải của chong chóng trong đạo lu ứng vớilực đẩy lớn nhất, tức:

σB = B

2 P

max B

F.v 5,0

P

ρ

.Chọn αH sao cho ở tốc độ thiết kế luồng nớc phải chảy êm tới đạo lu,thông thờng αH = (1,25 ữ 1,35) và ngời ta thờng dùng αH = 1,3 Không nênchọn αH quá lớn, vì nếu không nó làm giảm chất lợng lái của tàu khi chạy lùi

4 Chiều dài tơng đối của đạo lu lH

Giá trị này ảnh hỏng lớn đến khả năng quay vòng của tàu nh: tốc độ

quay, bán kính quay Chất lợng hàng hải tốt nhất là: lH = 0,7 ữ 0,9

Để nâng cao tính ăn lái, bằng việc tiến hành thử hàng loạt đạo lu cóH

l

= 0,55 ữ 0,95, ngời ta chọn lH = 0,8

5 Vị trí đờng tâm trục đạo lu

Trục đạo lu hay trục lái đợc đặt trong mặt phẳng đĩa của chongchóng, đợc xác định bằng khoảng cách từ đờng tâm trục đến mép trớc

đạo lu: xδ( phần này gọi là phần vào nớc, phần còn lại gọi là phần thoát ớc)

6 Chiều dày tơng đối của prôfin đạo lu

Chiều dày tơng đối của prôfin đạo lu là tỷ số giữa chiều dày lớn nhấtcủa prôfin và chiều rộng ngoài của nó, ký hiệu:

thay đổi trong giới hạn rộng, để đảm bảo chất lợng thuỷ động của

đạo lu và độ bền của nó, ngời ta lấy: δH= 0,12 ữ 0,13

7 Kích thớc cánh giữ hớng

Tác dụng của cánh giữ hớng là tạo ra lực dạt từ đó tạo ra mô men thuỷ

động ngợc chiều với mô men thuỷ động trên đạo lu khi tàu tiến, cùng chiềukhi tàu lùi

Cánh không ảnh hởng nhiều đến sự quay vòng mà nó làm tăng tính

ổn định hớng đi của tàu, tạo ra mô men thủy động lớn khi tàu chạy lùi, do

đó làm tăng công suất của máy lái Kích thớc cánh giữ hớng đợc xác định

nh sau:

Prôfin cánh giữ hớng có chiều dày tơng đối tC= 0,12

Chiều rộng b C của cánh xác định qua chiều rộng tơng đối của nó:H

= (0,55 ữ 0,65) và ngời ta thờng dùng nhiều nhất là: bC= 0,6

Chiều cao h C của cánh thờng lấy bằng đờng kính cửa ra của đạo lu:

hC = DH’’

8 Khoảng cách từ mép trớc cánh giữ hớng đến trục quay đạo lu

Khoảng cách này ký hiệu là aC còn khoảng cách tơng đối của nó vớichiều dài đạo lu lH là: aC= aC /lH

C

a

- đợc chọn xuất phát từ điều kiện để cố định một cách chắcchắn cánh giữ hớng vào đạo lu và đảm bảo khe hở nhỏ nhất giữa mút mũthoát nớc của củ chong chóng và đầu bắp chuối thoát nớc của cánh giữ h-ớng Thông thờng e = (50 ữ 60) mm

Trên cánh giữ hớng, dọc theo đờng tâm chong chóng ngời ta đặt bắpchuối thoát nớc - là một vật thể tròn xoay dạng thoát nớc để làm tốt tínhnăng thủy động của hệ chong chóng đạo lu Vì bắp chuối thoát nớc làmgiảm hiện tợng bóp dòng, làm cho dòng chảy đều đặn hơn

Chiều dày lớn nhất của bắp chuối thoát nớc: δmax = (1,2 ữ1,4).d0, với: d0

-đờng kính trung bình của củ chong chóng

Chú ý: khi lựa chọn kích thớc của đạo lu, cánh giữ hớng, bắp chuối

thoát nớc sao cho chúng phải cùng với phía đuôi của đờng nớc thiết kế, khung giá lái tạo thành một hệ thống thoát nớc, đồng thời để giảm lực cản xoáy ở vùng đuôi và tăng hiệu suất làm việc của chong chóng.

1.12.3 Tính lực thuỷ động hệ đạo lu – cánh giữ hớng và mô men thuỷ động trên trục đạo lu

1.12.3.1 Xác định hệ số tải của chong chóng σB và hệ số tốc độ kích thích chiều trục của chong chóng trong đạo lu wA

1 Tốc độ dòng nớc chảy vào chong chóng (cả đạo lu) v e

Tốc độ dòng chảy vào chong chóng đợc tính nh sau:

Khi tàu chạy tiến: vE = 0,515.vS.(1- ω), m/s.

(1.325)

Khi tàu chạy lùi: vEL = 0,515.ξ.vSL, m/s.

(1.326)

trong đó: ξ = (1,05 ữ 1,10) - hệ số kể đến ảnh hởng củathân tàu đến hệ đạo lu - chong chóng

vS - tốc độ chạy tiến của tàu, hl/g.

vSL - tốc độ khi chạy lùi của tàu, thờng lấy vSL= (0,7 ữ 0,75)vS , hl/g.

ω - hệ số dòng theo trung bình tại vị trí đặt chong chóng có

kể đến ảnh hởng của đạo lu, đợc tính bằng: ω = c.ω0, với: c = 0,8

- hệ số kể đến sự giảm của dòng theo do sự có mặt của đạo lu

ω0 - hệ số dòng theo tại vị trí đặt chong chóng không kể

đến ảnh hởng của đạo lu (tính theo Papmiel: ω0 =

ω

∆

−δ

B

3 z

D

V

165,0

D

V 13,

(1.327.1)Tàu đẩy có đoàn sà lan ở phía trớc: ωđđ = ϖ0 = [1- (1- ωđ)(1- ωt)].(1.327.2)

trong đó: ωt - hệ số dòng theo ma sát tại vùng đặt thiết bị đẩy, tính theocông thức:

ωt =

M 0 0

S

T.L.'21

'

ω+ω

(1.327.3)

SM - tổng diện tích sờn giữa ngâm nớc lớn nhất của sà lan phía trớc,

m 2

ω’0 - giá trị trung bình của hệ số dòng theo ma sát tại vùng phía mũi

tàu đẩy, tính theo công thức sau: ω’0 = B.T

V

3 ∆

.(1.327.4)

với: ∆V - lợng chiếm nớc thể tích của đoàn sà lan phía trớc, m3

L, B, T - chiều dài, chiều rộng và chiều chìm của tàu đẩy, m.

2 Hệ số tải của hệ chong chóng đạo lu

Ta có khái niệm hệ số tải của chong chóng trong đạo lu là:

2 E

B B

F.v 21

K K

F.v 21

P

ρ

=σ

(1.376)trong đó: FB = π.DB2/4 - diện tích thuỷ lực thiết bị đẩy, m 2

FK = π.DH2/4 - diện tích thủy lực của đạo lu, m 2 và lấy: FK ≈ FB

−

+

- đối với tàu kéo đoàn sà lan

với: R, Z - tơng ứng là sức cản của tàu kéo và của đoàn sà lan,

kG.

z - số chong chóng bằng số đạo lu

t hệ số hút của thân tàu tại vị trí đặt hệ chong chóng

−

=

.(1.378)

.(1.379)

tH - gọi là hệ số hút của đạo lu, giá trị của nó phụ thuộc vào hệ số tải

σK và hệ số loe cửa vào của đạo lu αH và đợc tìm thấy bằng cách tra đồthị: tH = f(σK, αH)

3 Hệ số tốc độ kích thích chiều trục của hệ chong chóng

-đạo lu

Hệ số tốc độ kích thích chiều trục của hệ chong chóng - đạo lu là tỷ

số giữa tốc độ kích thích chiều trục và tốc độ tàu Ký hiệu: v

wa

.(

2

1a

wA = = +σB −

(1.380)

1.12.3.2 Xác định lực thuỷ động trên đạo lu, cánh giữ ớng và mô men thuỷ lực trên trục đạo lu.

h-1 Xây dựng tuyến hình prôfin đạo lu

Prôfin đạo lu - cũng nh prôfin bánh lái, đã đợc thử nghiệm bởi các cơquan nghiên cứu, đợc mã hóa bằng số và đa ra dới dạng bảng hoặc đồ thị.Phổ biến là sử dụng prôfin đạo lu mang các số hiệu No5, No19a, v.v.chúng cho đặc tính ăn lái tốt khi:lH = 0,5; 0,6 và 0,8

Bảng 1.18 Giá trị tung độ của prôfin đạo lu.

quả.

1 Khoảng cách tiết diện tính từ mép trớc đạo lu, tính

bằng %lH

2 Chiều dày prôfin, tính bằng %lH

3 Đờng kính trong đạo lu, tính bằng %DH

4 Đờng kính ngoài đạo lu, tính bằng %DH

2 Tính lực thuỷ động trên đạo lu, cánh giữ hớng và mô men thuỷ động trên trục quay của đạo lu

Đặt vấn đề: Lực và mô men thuỷ động của hệ đạo lu - cánh giữ hớng

đợc tính nh các thành phần độc lập với nhau gồm lực và mô men thuỷ

động trên đạo lu, lực và mô men thuỷ động trên cánh giữ hớng Lực và mômen thuỷ động của cả hệ là tổng hợp của hai thành phần nói trên

Hình 1.52 Prôfin lý thuyết của đạo lu.

2.a Khi tàu chạy tiến

2.a.1 Tính lực và mô men thuỷ động trên đạo lu khi không có cánh giữ hớng

Việc xác định lực và mô men thuỷ động phát sinh trên đạo lu khi bẻlái góc αP thông qua hệ số lực cản, hệ số lực dạt, hệ số mô men Đó là các

hệ số không thứ nguyên, đặc trng cho thủy động lực học của đạo lu:

XH.v SC

2

YH.v SC

2

NH.v SC

2

1ρ

, kG

H H

2 E

MH.v S l

C 2

kS = 0,85 ữ 0,9 - hệ số điều chỉnh, biểu thị quan hệ giữadiện tích bề mặt sử dụng thực tế của đạo lu với diện tích bềmặt thực của nó.

DCP = 4

"

DD.2'

- đờng kính tính toán trung bình của đạo lu, m

Việc tính toán các thành phần của lực và mô men thực hiện dạng bảng1.29

Bảng 1.29 Xác định lực và mô men thuỷ động tác dụng lên đạo lu

T

.T Các đại lợng cần tính toán ơn Đ

v ị

Kết quả tính đợc theo góc bẻ lái αP, độ.

Hình 1.53 Đồ thị xác định các hệ số lực và mô men của đạo lu.

Chú ý: nếu hệ số a có giá trị trung gian, các hệ số lực và mô men đợc

lấy bằng phép nội suy bậc nhất (tuyến tính).

2.a.2 Tính lực và mô men thuỷ động trên cánh giữ hớng

Khi đạo lu xoay thì cánh giữ hớng nằm dới một góc nào đó với phơngcủa dòng chảy ra từ đạo lu Giả sử khi đạo lu bẻ lái ở góc αP bất kỳ thì ph-

ơng của dòng nớc chảy tới cánh giữ hớng tạo nên một góc thực tế với mặtphẳng đối xứng của cánh giữ hớng một góc: ∆α < αp, và đợc tính bởi côngthức:

∆α = αp - αc , độ.

(1.383)trong đó: ∆α - gọi là góc tấn của dòng nớc bao quanh cánh giữ hớng, độ

αC - góc nghiêng của dòng chảy sau đạo lu, tính bởi công thức N.A.Petrov:

αC = 57o3 CYH

2 S H

2 H

H CP

v D

σ+2 11

H B

- khi tàu chạy tiến

σ+2 1

H BL

- khi tàu chạy lùi

trong đó: β'H - hệ số loe khi tàu chạy lùi: β'H = 1 + 0,6.(αH - 1)

α

p

∆α

v a c

v

e

v'

Từ các thông số tính toán ở trên, ta tìm đợc các hệ số lực và mô menthủy động không thứ nguyên, bằng cách tra đồ thị: CXC, CYC, CMC, CDC, v.v.phụ thuộc vào (∆α, tC, và độ dang cánh giữ hớng λC): CXC, CYC, CMC, CDC =

trong đó: FC - diện tích cánh giữ hớng, m 2

vC = vE.vS- tốc độ dòng nớc chảy đến cánh giữ hớng, khi tàu chạy tiến,

m/s.

vCL = vEL.vSL.k - tốc độ dòng nớc chảy đến cánh giữ hớng, khi tàu chạy

lùi, m/s.

k = 0,95 - hệ số; vEL = 0,515.ξl.vS , m/s, với: ξl = (0,7 ữ 0,75) - hệ số; vS

- tốc độ chạy tiến của tàu, hl/g

Việc tính toán lực và mô men thuỷ động trên cánh giữ hớng đợc thựchiện dới dạng bảng 1.30

Bảng 1.30 Tính lực và mô men thuỷ động tác dụng lên cánh giữ hớng

2 H

H CP

v D

Việc tính toán cụ thể thực hiện trong bảng 1.31.

Bảng 1.31 Xác định lực và mô men thuỷ động trên hệ đạo lu - cánh giữ

đầu

Dấu (-) - ứng với tàu chạy tiến

Dấu (+) - ứng với tàu chạy lùi

Lu ý: nếu a C và e quá lớn thì mô men Mσ lớn, do đó cần phải kéo dài

đạo lu ra Nếu a C và e quá nhỏ thì mép sau củ chong chóng chạm vào mép trớc cánh giữ hớng hay mút trớc bắp chuối thoát n-

ớc, có thể gây kẹt khi bẻ lái.

2.b Tính lực và mô men thuỷ động trên hệ đạo lu - cánh giữ hớng khi tàu chạy lùi.

Việc tính toán, tiến hành tơng tự nh tàu chạy tiến, chỉ lu ý một số

điểm đặc biệt nh sau:

Tốc độ khi tàu chạy lùi: vSL = k.vS, hl/g.

(1.385)

trong đó: k = (0,7 ữ 0,75) - hệ số

vS - tốc độ chạy tiến của tàu, hl/g.

σBL - hệ số tải của chong chóng khi lùi.

Các hệ số về lực và mô men thủy động không thứ nguyên, nh đã giớithiệu ở trên, đợc tính cho trờng hợp tàu chạy lùi

Chú ý: Cánh giữ hớng sinh ra mô men ngợc chiều với mô men xoắn của

đạo lu khi chạy tiến: Mσ' = MσC - MσH Vì vậy phải lựa chọn kích thớc cánh giữ hớng sao cho MσT ≈ MσL , vì khi tàu chạy lùi hai mô men MσCL , MσHL cùng chiều nên MσL lớn gấp (3 ữ 4) lần MσT khi chạy tiến, từ đó làm tăng công suất máy lái.

1.12.4 Kết cấu của đạo lu

Đạo lu định hớng xoay là một vật thể hình trụ tròn, có prôfin dọc trụccủa nó là dạng thoát nớc, có thể đợc xếp vào các loại thiết bị lái cân bằng

Đạo lu thờng có kết cấu hàn hoặc đúc Kết cấu đúc khi đờng kính DHnhỏ

Vật liệu chế tạo đạo lu, thông thờng là thép hoặc hợp kim mầu

Các đạo lu hàn có dạng thân rỗng bên trong đợc làm cứng nhờ các

x-ơng gia cờng đứng hoạc ngang, các xx-ơng này có khoét lỗ để thoát vàthông nớc khi thử áp lực, đồng thời làm giảm trọng lợng đạo lu Kích thớccủa lỗ khoét lấy nh kích thớc lỗ khoét trên bánh lái

Các xơng ngang (tròn) gián đoạn tại các xơng dọc

Tôn bao mặt ngoài của đạo lu liên kết (hàn) với các xơng gia cờngthông qua tấm nối trung gian - lập là Kích thớc của lập là lấy nh lập là củabánh lái

Mép mũi và mép đuôi của đạo lu thờng đợc gắn dải thép tròn hoặcthép thỏi, để đơn giản hoá quá trình công nghệ ngời ta gắn dải théptròn ở mép mũi và thép thỏi ở mép đuôi

Quá trình lắp ráp đạo lu đợc thực hiện theo những bớc sau:

Trớc hết phải gia công khung dàn lắp ráp có dạng nh prôfin mặt trong

đạo lu, nó đợc đặt lên giá có trục quay

Dải tôn vùng làm việc của đĩa thiết bị đẩy lắp trớc, từ đó lắp tiếpcác dải tôn về hai bên

Tiếp đó là gắn xơng gia cờng ngang và dọc rồi hàn chúng với tôn baomặt trong và hàn lại với nhau, sau đó lắp và hàn tôn bao mặt ngoài với x-

ơng gia cờng thông qua tấm nối trung gian - lập là