TÍNH NỔI VÀ TÍNH ỔN ĐỊNH TÀU
Chương 4 Chương 4 THIẾT KẾ CHÂN VỊT TÀU THỦY
4.3 ĐẶC TÍNH THỦY ĐỘNG LỰC
Hình 4.7 Tam giác bước và tam giác tốc độ.
Quãng đường h là bước tiến thật của chân vịt tàu. Tốc độ tịnh tiến thật sẽ là:
Vp = h.n. (4.5)
Tỉ số giữa lượng trượt hình học H-h và bước xoắn là hệ số trượt:
v
1 p H h Hn hn
s H Hn
− −
= = = −
Hn (4.6)
Tỉ lệ giữa bước tiến thật và đường kính chân vịt là hệ số tiến, ký hiệu J.
v . h p
J = D n D= (); v
1 1
/
p J
s= − Hn= − H D (4.7) hoặc dưới dạng: J H.(1 )
= D −s (4.8)
Máy đẩy tàu dạng các cánh quạt sử dụng momen quay từ máy chính của tàu, quay trong nước, tác động trực tiếp đến nước chảy qua mặt đĩa công tác của máy đẩy. Hình ảnh dòng chảy trước và sau mặt công tác của máy đẩy thông dụng được minh họa trên hình 5.8
Hình 4.8 Đường dòng qua chân vịt.
Các thành phần tốc độ trên cánh
Tại mặt cắt cánh theo mặt trụ bán kính r tốc độ dọc trục của dòng nước đến chân vịt là Vp, còn tốc độ vòng là 2πrn. Các thành phần nảy sinh trong khi chân vịt làm việc gồm vα1 trùng với hướng của Vp, tốc độ vòng vt1 trùng với chiều quay chân vịt, và do vậy ngược với tốc độ vòng dòng chảy bao chân vịt. Tổng các thành phần gọi là tốc độ tương đối của nước đến phần tử cánh vi. Độ lớn tốc độ này phụ thuộc vào hình dáng profil cánh và là hàm của góc tấn α.
Hình 4.9 Các thành phần tốc độ và thành phần lực trên cánh.
Cánh dùng trong chân vịt tàu được NACA nghiên cứu từ những năm ba mươi. Những đại lượng hình học đặc trưng cho cánh gồm:
Chiều rộng sải c kéo từ điểm LE đến TE của phần tử, trong đó LE - mép dẫn, TE - mép thoát. Chiều dầy t đo từ mặt mặt hút đến mặt đạp tại vị trí dầy nhất ký hiệu tmax. Chiều dầy t = t1+ t2. Chiều dầy trung bình ttb = (t1+t2)/2. Tỉ lệ đặc trưng của cánh là t/c, được dùng làm ký hiệu cho các mô hình cánh. Cánh áp dụng vào chân vịt tàu có tỷ lệ t/c nằm trong phạm vi 0,02 đến 0,06.
Đặc trưng động lực học của cánh được xác định bằng các hệ số:
- Hệ số lực nâng: CL = 2 . 2i .
L V A ρ
(4.9)
- Hệ số lực cản: CD = 2 . 2i .
D V A ρ
(4.10)
- Tỉ lệ giữa lực cản D vàlực nâng L: ε = D
L
C D
L C= (4.11)
trong đó L - lực nâng trên cánh, D - lực cản.
Các hệ số lực nâng và lực cản của một dạng cánh là hàm của góc tấn. Góc tấn mà tại đó CL = 0 được gọi là góc của lực nâng 0, ký hiệu bằng α0. Trong tính toán, sử dụng góc tấn αi tính từ hướng tác động của dòng chảy với vận tốc vi đến đường lực nâng L = 0, theo công thức:
αi = α + α0. (4.12)
Hệ số lực đẩy KT = 2 4 .
T n D
ρ (4.13)
Hệ số tiến J vp
= nD (4.14)
Số Reynolds Rn ρ.nD2
= (4.15)
Số sủi bọt 0 1 0 2 2
2 . p e
n D σ = −
ρ (4.16)
Hệ số momen quay KQ = 2 5 .
Q n D
ρ (4.17)
Công suất cần thiết, tính bằng metric HP, để quay chân vịt:
P =
2 52 2 3 5
75 75 75
. .
. KQ n D n . Q .
Qω= ρ π = π K ρn D . (4.18)
Hiệu suất làm việc của chân vịt: ηp =
2 ..
T Q
K J
K π (4.20)
Hình 4.10
Các hệ số KT, KQ, ηp biểu diễn dưới dạng các đường cong phụ thuộc vào hệ số tiến J.
Hình 4.11 Hệ số lực đẩy, momen quay của chân vịt.
Trong điều kiện thử tàu tại bến, vận tốc tiến của tàu và chân vịt đều bằng 0, và Vp 0 J = nD=
Trường hợp thứ nhất giá trị KT, KQ đạt lớn nhất tại thời điểm này. Khi tăng vận tốc tương đối J, góc βi tăng và hậu quả là làm cho αi giảm, dẫn đến giảm hệ số lực nâng CL, từ đó giảm các hệ số KT, KQ. Đến một giới hạn nhất định của J = J1 sẽ xẩy ra hiện tượng KT = 0 trong khi KQ ≠ 0, dẫn đến hiệu suất bằng 0 và lực đẩy không còn, khi đó momen quay còn lớn hơn 0.
Trường hợp thứ hai có thể xuất hiện là, khi αi = 0, tại phần tử cánh không xuất hiện lực nâng dL.
Chân vịt trong trường hợp này làm việc ở chế độ không tạo lực nâng.
Trường hợp thứ ba có thể xẩy ra khi J đạt giá trị J2 nhất định, hệ số KQ = 0 còn KT < 0. Góc αi < 0 làm cho lực nâng dL < 0. Qua khỏi giới hạn J2 hệ số KQ < 0 và do vậy giá trị của dQ < 0.
Trong phạm vi 0 < J < J1 chân vịt tàu làm nhiệm vụ của máy đẩy tàu, tạo lực đẩy lớn hơn 0, đưa tàu lên phía trước. Khi vượt qua J2 chân vịt tàu sẽ làm việc như tua bin tạo momen quay. Còn trong phạm vi J1 < J < J2 chân vịt không đóng vai trò máy đẩy và cũng không phải tua bin.