Giáo trình Hệ thống động lực – ngành Máy tàu thủy

Chia sẻ: Vo Danh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

668
lượt xem 206
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hệ thống động lực là một hệ thống thiết bị bao gồm thiết bị đẩy tàu, thiết bị động lực phụ bảo đảm năng lực hoạt động của tàu và thiết bị đảm bảo đời sống, sinh hoạt của thuyền viên. Giáo trình Hệ thống động lực – ngành Máy tàu thủy sau đây trình bày nội dung các chương: Khái niệm cơ bản và cơ sở thiết kế, phương thức và thiết bị truyền động giúp người học hiểu rõ hơn về hệ thống trên.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hệ thống động lực – ngành Máy tàu thủy

Giáo trình hệ thống động lực – ngành máy tàu thủy
CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ 1.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hệ thống động lực là một hệ thống thiết bị bao gồm thiết bị đẩy tàu, thiết bị động lực phụ bảo đảm năng lực hoạt động của tàu và thiết bị đảm bảo đời sống, sinh hoạt của thuyền viên. Tổng hợp các thiết bị trên có thể phân chia thành các hệ thống sau: 1.1.1. Hệ thiết bị đẩy tàu Hệ thiết bị đẩy tàu là một hệ thống các thiết bị có nhiệm vụ bảo đảm tốc độ, phương hướng cho tàu hoạt động, bao gồm các bộ phận sau: Động cơ chính: Nhiệm vụ của động cơ chính là tạo nên lực để đẩy tàu. Động cơ chính có thể là động cơ hơi nước, tua bin hơi, tua bin khí, diesel, động cơ piston tự do, máy phát điện và động cơ điện. Thiết bị đẩy: Thường dùng các loại thiết bị đẩy như guồng quay, chong chóng, chân vịt, thiết bị đẩy kiểu phụt... Trong các loại thiết bị đẩy, chong chóng là loại thiết bị đẩy được dùng phổ biến nhất. Thiết bị truyền động: Thiết bị truyền động có nhiệm vụ tiếp nhận công suất từ động cơ chính truyền cho thiết bị đẩy để tạo nên lực đẩy tàu. Thiết bị truyền động thường bao gồm: hệ trục tàu thủy, bộ giảm tốc, các thiết bị nối trục, các thiết bị chuyên môn truyền dẫn điện và các thiết bị phục vụ cho thiết bị truyền động. Nồi hơi chính: Nồi hơi chính có nhiệm vụ cung cấp hơi nước làm công chất cho máy hơi, tua bin hơi và các máy móc phụ. Thiết bị tải công chất: Nhiệm vụ của thiết bị tải công chất là tải hơi nước, khí cháy đến động cơ chính, động cơ phụ, bao gồm các hệ thống ống hơi, ống khí cháy... 1.1.2. Thiết bị phụ Thiết bị phụ có nhiệm vụ cung cấp công chất cho tàu lúc hành trình, tác nghiệp, sinh hoạt và dự trữ, bao gồm các bộ phận sau: Tổ máy phát điện: Có nhiệm vụ cung cấp điện cho toàn tàu, nếu hệ động lực của tàu là điện truyền động thì phải có hệ thống máy phát và động cơ điện riêng. Hệ thống khí cao áp: Nhiệm vụ của hệ thống khí cao áp là cung cấp không khí cao áp cho tàu dùng để khởi động động cơ, dùng trong công tác sửa chữa, tự động hoá…Hệ thống bao gồm máy nén khí, bình chứa không khí cao áp, đường ống dẫn không khí và các loại van giảm áp… Hệ thống nước cao áp: Dùng trong sinh hoạt, vệ sinh (và bao gồm cả hệ thống chữa cháy bằng nước cao áp). http://www.ebook.edu.vn Trang:1
Nồi hơi phụ: Nồi hơi phụ có nhiệm vụ cung cấp hơi nước có áp suất thích hợp cho các hệ thống hâm, sấy, sưởi ấm, nước dùng trong sinh hoạt hàng ngày. Hơi nước của nồi hơi phụ không dùng làm công chất cho động cơ chính. 1.1.3. Thiết bị đảm bảo an toàn trên tàu Thiết bị đảm bảo an toàn có nhiệm vụ phòng chống những sự cố xảy ra trên tàu, đảm bảo cho tàu hoạt động được an toàn. Bao gồm những hệ thống thiết bị sau: – Hệ thống rút nước, xả nước bẩn, hệ thống dằn tàu và cân bằng tàu. – Phòng cháy và các sự cố khác, bao gồm: hệ thống không khí lạnh; hệ thống hơi xả; hệ thống phun sương; hệ thống nước phòng cháy; hơi phòng cháy; phòng cháy bằng hóa học, hệ thống khí trơ… – Thiết bị phòng ngộ độc cá nhân và tập thể. – Thiết bị sửa chữa đột xuất gồm sửa chữa trên tàu, phần dưới nước các phụ tùng và vật liệu thay thế. 1.1.4. Thiết bị sinh hoạt Là những thiết bị đảm bảo đời sống cho thuyền viên và hành khách trên tàu, bao gồm: hệ thống thông gió, sưởi ấm, vệ sinh, làm mát, làm lạnh và điều hòa không khí… 1.1.5. Thiết bị tàu Thiết bị tàu bè bao gồm thiết bị neo, lái, thiết bị chằng buộc bốc dỡ hàng, thiết bị cứu sinh và các thiết bị quân dụng đặc biệt. Nếu xét về tính chất và nhiệm vụ của các thiết bị thì thiết bị cơ giới trên tàu thủy được phân chia thành bảy loại lớn sau: – Cơ giới động lực ( cung cấp công cho tàu) bao gồm động cơ chính, động cơ phụ, nồi hơi máy phát điện, động cơ điện. – Cơ giới công tác bao gồm thiết bị đẩy tàu, bơm, máy nén. – Thiết bị truyền động giữa cơ giới động lực và cơ giới công tác bao gồm hệ trục, hộp số, các khớp nối, các loại dây điện, đường ống… – Thiết bị dự trữ dầu nhờn, dầu nhiên liệu, không khí và nước bao gồm các bầu lọc, bộ phận phân ly và các thiết bị lắng, lọc khác. – Thiết bị tải công chất bao gồm đường ống và các loại van. – Thiết bị trao đổi nhiệt bao gồm các bộ phận hâm nóng, làm mát… http://www.ebook.edu.vn Trang:2
1.2. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ HỆ ĐỘNG LỰC 1.2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật 1– Chỉ tiêu công suất Đây là một trong những chỉ tiêu cơ bản và quan trọng của hệ động lực, tính theo công suất định mức của động cơ chính. Chỉ tiêu công suất bao gồm: 1–1 Chỉ tiêu công suất tuyệt đối Được biểu thị bằng công suất của động cơ chính Ne, [hp hoặc kW]. 1–2 Chỉ tiêu công suất tương đối Được biểu thị bằng độ bão hòa công suất Ne αa = (1–1) , [hp / ton] D Trong đó: Ne – công suất định mức của động cơ chính, [hp]; D – lượng chiếm nước của tàu, [tons]. Chỉ tiêu tương đối biểu thị công suất cần thiết cho một tấn lượng chiếm nước của tàu. Ngoài hai loại chỉ tiêu trên, đôi khi chỉ tiêu công suất còn được đánh giá bằng nghịch đảo của hệ số hải quân: 1 Ne =2 (1–2) C D 3 .v 3 Hoặc là: ∑ Ne αM = (1–3) D Trong đó: ΣNe – tổng công suất của các máy chính, [hp hoặc kW]. Bảng dưới đây thống kê một trị số của các chỉ tiêu công suất trên như sau: Bảng 1–1: Bảng thống kê các chỉ tiêu công suất αM Dạng tàu 1/C 0,1 ÷ 0,4 1/270 ÷ 1/370 Tàu dầu, tàu hàng 0,3 ÷ 0,9 1/180 ÷ 1/300 Tàu hàng tổng hợp 1,0 ÷ 1,5 1/220 ÷ 1/320 Tàu container tốc độ cao 0,8 ÷ 1,5 1/180 ÷ 1/260 Tàu khách biển lớn 20 ÷ 60 Tàu cánh ngầm http://www.ebook.edu.vn Trang:3
2– Chỉ tiêu kích thước 2–1 Chỉ tiêu kích thước tuyệt đối Biểu thị các kích thước của buồng máy: chiều dài buồng máy LER, [m]; diện tich mặt sàn buồng máy FER, [m2]; thể tích buồng máy VER, [m3]. 2–2 Chỉ tiêu kích thước tương đối Biểu thị thông qua đại lượng độ bão hòa kích thước buồng máy LER eM = (1–4) , [ m / m] L Trong đó: L – khoảng cách giữa 2 đường vuông góc lái và mũi của tàu, [m]. Ngoài ra, chỉ tiêu tương đối còn được thể hiện thông qua các độ bão hòa sau: Ne KL = (1–5.1) , [hp / m] LER Ne KF = , [ hp / m 2 ] (1–5.2) FER Ne KV = , [hp / m3 ] (1–5.3) VER Các đại lượng độ bão hòa kể trên thể hiện khả năng tận dụng không gian buồng máy trong bố trí thiết bị và khả năng tạo công suất của hệ động lực. 3– Chỉ tiêu trọng lượng Trên tàu, trọng lượng của những phần bắt buộc phải lắp đặt càng nhỏ càng tốt, đặc biệt là trọng lượng của trang trí động lực. Để đánh giá, người ta đưa ra các chỉ tiêu như sau: 3–1 Chỉ tiêu trọng lượng tuyệt đối – GHT – Trọng lượng toàn bộ của hệ động lực khi chưa kể đến lượng dầu, nước trong máy chính và lượng dự trữ (còn gọi là trọng lượng khô của hệ động lực). – G'HT – Trọng lượng của hệ động lực khi chuẩn bị khởi động, GHT = GHT + M ' (1–6) Trong đó: M – trọng lượng công chất dùng cho việc khởi động. Với hệ động lực tuabin hơi: GHT = (1,15 ÷ 1,25)GHT ' (1–7) Với hệ động lực diesel: GHT = (1,08 ÷ 1,10 )GHT ' (1–8) http://www.ebook.edu.vn Trang:4
– G"HT – Trọng lượng hệ động lực trước khi khởi động, có kể đến trọng lượng dự trữ: GHT = GHT + M dt '' ' (1–9) 3–2 Chỉ tiêu trọng lượng tương đối G"HT g ht = (1–10) , [%] D G"HT g CV = , [hp / ton] (1–11) Ne GHT gM = (1–12) , [hp / ton] Ne Trong đó: Ne – công suất định mức của động cơ chính, [hp]; D – lượng chiếm nước của tàu, [tons]. 1.2.2. Chỉ tiêu kinh tế 1– Chỉ tiêu tuyệt đối Chỉ tiêu kinh tế tuyệt đối được đánh giá bằng các đại lượng dưới đây: – Tổng chi phí nhiệt cho hệ thống: QHT [kCal/h] – Tổng chi phí nhiên liệu cho hệ thống: BHT [tons/h] 2– Chỉ tiêu tương đối – Chi phí nhiệt tương đối: QHT qe = (1–13) , [kCal / hp.h] Ne – Chi phí nhiên liệu tương đối: BHT ge = (1–14) , [kg / hp.h] Ne Đôi khi chỉ tiêu kinh tế được đánh giá theo công suất của thiết bị đẩy NP, khi đó có các chỉ tiêu sau: QHT qp = (1–15) , [kCal / hp.h] Np BHT gp = (1–16 ) , [ kg / hp.h] Np http://www.ebook.edu.vn Trang:5
1.3. PHÂN LOẠI TRANG TRÍ ĐỘNG LỰC. YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC TÀU THỦY 1.3.1. Phân loại trang trí động lực Việc phân loại trang trí động lực tàu thủy thường căn cứ vào động cơ chính và phương thức truyền động. Trang trí động lực tàu thủy trải qua quá trình phát triển cho tới hiện nay gồm các loại hình: – Trang trí động lực tua–bin hơi truyền động hộp số; – Trang trí động lực tua–bin hơi truyền động điện; – Trang trí động lực máy hơi nước trực tiếp truyền động; – Trang trí động lực diesel trực tiếp truyền động; – Trang trí động lực diesel truyền động hộp số; – Trang trí động lực diesel truyền động điện; – Trang trí động lực hỗn hợp (máy hơi và tua–bin hơi hỗn hợp, máy hơi và diesel hỗn hợp, tua–bin khí hỗn hợp); – Trang trí động lực tua–bin hơi cao áp truyền động hộp số; – Trang trí động lực tua–bin khí truyền động hộp số; – Trang trí động lực piston tự do – tua–bin khí; – Trang trí động lực nguyên tử. 1.3.2. Yêu cầu đối với trang trí động lực tàu thủy Trang trí động lực là một trong những bộ phận quan trọng cấu thành hệ thống năng lượng của tàu thủy, đặc điểm và yêu cầu của trang trí động lực quyết định đặc trưng của toàn bộ con tàu. Các yêu cầu đối với trang trí động lực tàu thủy hiện đại: – Sự chuyển hóa giữa các dạng năng lượng (nhiệt năng, cơ năng, hóa năng) phải đạt được tính kinh tế cao; – Thiết bị đơn giản; – Làm việc tin cậy; – Kích thước và trọng lượng nhỏ; – Giá thành rẻ, chi phí khấu hao thấp; – Chí phí vận chuyển thấp; – Tuổi thọ hù hợp (thời gian làm việc liên tục giữa 2 lần sửa chữa lớn) Thông thường để đạt được toàn bộ các yêu cầu trên là rất khó và không thực hiện được, bởi vì một số các yêu cầu trên là mâu thuẫn lẫn nhau. Do vậy, tùy thuộc vào mục đích thiết kế mà đạt được một số yêu cầu nhất định. Những yêu cầu trên thường được xem xét dựa trên các căn cứ dưới đây. http://www.ebook.edu.vn Trang:6
1– Căn cứ theo đặc tính chong chóng và vỏ tàu 1–1 Yêu cầu về công suất Để xác định công suất của trang trí động lực hay công suất của động cơ chính, trước tiên phải xem xét đến sức cản của toàn tàu. Tàu hành trình trên biển, sức cản của tàu có quan hệ với hình dáng vỏ tàu, độ nhám bề mặt của vỏ, các phần nhô và phần ngâm nước của tàu, tốc độ tương đối của tàu so với dòng nước, tình hình ổn định của tàu, tình hình sóng gió trên mặt biển... Như vậy, khi xác định được giá trị của sức cản R (kG) và tốc độ tương đối của tàu v (m/s) thì công suất kéo có ích của trang trí động lực sẽ được tính như sau: R.v NR = (1–17) , [ hp ] 75 Chú ý: Công thức (1–17) chỉ đúng trong trường hợp nước tĩnh và gió không quá cấp 3. Công suất cần thiết cung cấp cho chong chóng được xác định: NR Np = (1–18) , [hp ] η Trong đó: η – hiệu suất của chong chóng. Cũng có thể xác định công suất của chong chóng theo công thức Hải quân: 2 v 3 .D 3 Np = (1–19) , [hp ] Cw Trong đó: D – lượng chiếm nước của tàu, [tons]; Cw – hệ số Hải quân được xác định theo tàu mẫu. Công suất cần thiết (lý thuyết) của động cơ chính được xác định: Np N ep = (1–20) , [hp ] η sp Trong đó: ηsp – hiệu suất của đường trục. Công suất dùng cho lựa chọn động cơ chính được xác định: Np N e = kN ep = k (1–21) , [hp ] η sp Đối với tàu thủy, công suất và tốc độ thường có quan hệ như sau: N p = A.v n http://www.ebook.edu.vn Trang:7
N ep = B.v n (1–22) Khi tốc độ của tàu ổn định, lực đẩy của chong chóng sinh ra sẽ cân bằng với sức cản của tàu; thông thường n = 3. Nếu tốc độ tàu thấp thì n < 3, và ngược lại nếu tốc độ tàu lớn thì n > 3. Còn A, B là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các thông số của chong chóng, tốc độ và phần ngâm nước của tàu,... Trong thực tế, mỗi động cơ và mỗi chong chóng đều có các đường biểu diễn mối quan hệ giữa công suất và vòng quay riêng (còn gọi là các đường đặc tính). Khi thiết kế phải căn cứ vào điểm phối hợp giữa chong chóng và động cơ mà tại đó động cơ đạt được hiệu suất cao nhất. Ngoài điểm đó ra động cơ đều làm việc ở chế độ không đủ tải, mômen xoắn và áp suất có ích trung bình của động cơ không đạt trị số cao nhất. Động cơ có thể quá tải trong quá trình khai thác, mức độ quá tải của động cơ thường đạt trị số 110%Ne. Nếu trị số quá tải lớn hơn nữa, vòng quay của động cơ sẽ tăng lên (khoảng 5%), mômen xoắn trên trục sẽ tăng lên khá rõ rệt. Do đó, nếu tăng vòng quay của động cơ sẽ làm cho mômen xoắn của động cơ vượt quá xa trị số cho phép, ứng suất nhiệt và nhất là ứng suất cơ giới tăng lên rất lớn. Công suất của động cơ chính được lựa chọn phụ thuộc vào loại tàu, công dụng và lượng chiếm nước của tàu. Đặc trưng cho vấn đề này thường dùng công suất tương đối để biểu thị. Gọi α là công suất tương đối: Ne α= (1–23) , [ hp / t disp ] D Trong đó: D – Lượng chiếm nước của tàu, [tons] 1–2 Yêu cầu về chỉ tiêu kinh tế của tàu Công dụng của tàu khác nhau thì yêu cầu về trang trí động lực cũng khác nhau. Có loại tàu chỉ yêu cầu trang trí động lực ổn định ở một phụ tải nhất định, nhưng cũng có loại tàu đòi hỏi trang trí động lực phải thay đổi ở các chế độ phụ tải khác nhau. Điều này phản ánh đó là yêu cầu về chỉ tiêu kinh tế các loại trang trí động lực có khác nhau. Trong thiết kế trang trí động lực đòi hỏi phải đạt được chỉ tiêu kinh tế ở chế độ thiết kế, ngoài ra ở các chế độ tải khác chỉ tiêu kinh tế cũng đòi hỏi đạt được một cách tương đối. Đặc trưng cho các chỉ tiêu kinh tế của trang trí động lực chính là suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ chính và suất tiêu hao nhiệt lượng cho toàn bộ hệ thống năng lượng. Với những hệ động lực chỉ có một động cơ chính, đặc tính hiệu suất của động cơ quyết định đặc tính kinh tế của trang trí động lực. Yêu cầu một động cơ mà hiệu suất không biến đổi theo phụ tải là không thể có, đặc biệt là khi phụ tải thấp hiệu suất giảm xuống rất nhanh. Để khắc phục điều này, thông thường trong thiết kế phải sử dụng các phương án sau: – Dùng nhiều động cơ để quay một chong chóng. – Dùng nhiều động cơ quay nhiều chong chóng. – Dùng chong chóng biến bước hoặc phương thức truyền động điện. http://www.ebook.edu.vn Trang:8
2– Căn cứ vào năng lực làm việc độc lập (hoặc căn cứ vào trọng lượng và kích thước tàu) Năng lực làm việc độc lập của tàu hay khả năng hoàn thành nhiệm vụ công tác của tàu được thể hiện ở tính kinh tế, trọng lượng và kích thước của tàu. Mỗi loại tàu khác nhau đều có nhiệm vụ và tính năng riêng. Tuy nhiên, các tính năng của tàu phải được dựa trên lượng chiếm nước nhất định của nó. 2–1 Yêu cầu đối với trọng lượng Lượng chiếm nước của tàu có thể chia ra làm 4 thành phần chính: trọng lượng vỏ tàu, trọng lượng trang trí động lực, trọng lượng của các thành phần dự trữ và trọng lượng của hàng hóa, hành khách. Khi đó với một lượng chiếm nước nhất định, một trọng lượng thành phần nào đó tăng lên thì các thành phần khác bắt buộc phải giảm xuống. Do vậy, trọng lượng của trang trí động lực có ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng nhiệm vụ của tàu. Tàu có lượng chiếm nước như nhau, nhưng tốc độ hành trình khác nhau, công suất khác nhau thì trọng lượng của trang trí động lực sẽ khác nhau. Để đặc trưng cho trọng lượng của trang trí động lực người ta đưa ra khái niệm trọng lượng tương đối K1. Đây chính là tỷ số giữa trọng lượng trang trí động lực với lượng chiếm nước của tàu. W K1 = (1–24) D Trong đó: W – trọng lượng của trang trí động lực, [tons]; D – lượng chiếm nước của tàu, [tons]. W = g1 N e 10 −3 , [tons ] (1–25) Trong đó: g1 – trọng lượng riêng của trang trí động lực, [kg/hp]. Có thể xác định: N e .g1 .10 −3 = α .g1 .10 −3 K1 = (1–26) D Biểu diễn dưới dạng tính theo %: α .g1.100 = 0,1.α .g1 , [%] K1 = (1–27) 1000 Qua thống kê cho thấy tàu có công suất tương đối α lớn thì trọng lượng tương đối của trang trí động lực K1 cũng lớn, khi đó trọng lượng hàng và dự trữ sẽ giảm xuống. 2–2 Yêu cầu đối với kích thước của buồng máy http://www.ebook.edu.vn Trang:9
Phần lớn máy móc trên tàu được tập trung trong buồng máy. Vì vậy kích thước buồng máy phải thích hợp cho việc lắp đặt các thiết bị đó và thuận tiện cho việc bảo dưỡng, sử dụng và sửa chữa ngay tại buồng máy; đồng thời còn phải xét đến điều kiện lao động và đảm bảo an toàn cho thợ máy khi làm việc. Nếu chỉ dựa trên những yêu cầu đó thì kích thước buồng máy càng rộng càng tốt. Nhưng khi đó thì kích thước khoang hàng sẽ giảm xuống, không gian dùng vào việc bố trí các chức năng khác sẽ nhỏ đi, và tính năng làm việc của tàu có thể bị ảnh hưởng. Để biểu thị vấn đề này người ta dùng đại lượng độ bão hòa buồng máy. Có hai loại độ bão hòa: độ bão hòa thể tích và độ bão hòa diện tích. – Độ bão hòa thể tích là công suất của trang trí động lực trên một đơn vị thể tích buồng máy. – Độ bão hòa diện tích là công suất của trang trí động lực trên một đơn vị diện tích buồng máy. Độ bão hòa buồng máy (mật độ bố trí thiết bị, máy móc) càng cao thì điều kiện làm việc, sửa chữa càng không có lợi. 2–3 Yêu cầu đối với lượng dự trữ Lượng dự trữ của tàu là do bản thân tàu mang đi để tiếp tục hành trình trong một thời gian nhất định, đây chính là năng lực hoạt động độc lập của tàu. Đối với trang trí động lực, lượng dự trữ chính là nhiên liệu, dầu bôi trơn, nước ngọt làm mát. Nhiên liệu dự trữ càng nhiều thì năng lực hoạt động độc lập càng lớn. Nhưng trọng lượng nhiên liệu lại là một trong những thành phần trọng lượng của tàu, và do vậy lượng nhiên liệu tăng thì các thành phần trọng lượng khác sẽ giảm xuống. Lượng nhiên liệu dự trữ của tàu được xác định sơ bộ như sau: G = N e g eτ , [ kg ] (1–28) Trong đó: G – lượng nhiên liệu dữ trữ, [kg]; Ne – công suất của trang trí động lực, [hp]; ge – suất tiêu hao nhiên liệu của trang trí động lực, [kg/hp.h]; τ – thời gian thực hiện hành trình độc lập của tàu, [h]. Nếu dùng số phần trăm của lượng chiếm nước để biểu thị lượng dự trữ nhiên liệu, có: N .g .τ G / 1000 .100 = 0,1. e e = 0,1.α .g e .τ K2 = (1–29) D D Từ (1–29) nhận thấy muốn tốc độ hành trình không thay đổi (α), năng lực độc lập của tàu không thay đổi (τ) mà giảm bớt được lượng dự trữ nhiên liệu (G) thì chỉ có cách là giảm suất tiêu hao nhiên liệu của trang trí động lực. Hoặc là để dự trữ được một lượng nhiên liệu nhất định, tốc độ hành trình không đổi và nâng cao năng lực hành trình thì cũng chỉ có cách là giảm bớt suất tiêu hao nhiên liệu (ge). http://www.ebook.edu.vn Trang:10
3– Căn cứ theo tình hình mặt biển Do tính chất an toàn của tàu, khi tàu hành trình phải chú ý đến những yêu cầu sau: – Ở trạng thái tàu lắc dọc, lắc ngang các thiết bị vẫn phải làm việc được bình thường, do đó yêu cầu các thiết bị này phải được lắp ghép thật chặt với vỏ tàu. – Hệ thống bôi trơn phải được thiết kế sao cho khi tàu lắc vẫn đảm bảo đưa được dầu đến bôi trơn những nơi cần thiết. – Các két dầu nhờn và nhiên liệu phải được bố trí và thiết kế sao cho vẫn đảm bảo làm việc được bình thường trong khi tàu nghiêng, lắc. – Tất cả các thiết bị phải hoạt động và điều chỉnh được dễ dàng ở mọi trạng thái của tàu. – Động cơ chính phải có thiết bị an toàn (bộ điều tốc giới hạn vòng quay lớn nhất) trong trường hợp quá tải về vòng quay. – Các thiết bị có số vòng quay cao phải được lắp theo phương dọc tàu đề phòng mômen quay lớn. – Động cơ chính phải được lựa chọn sao cho có đủ công suất dự trữ để khắc phục sức cản trong lúc cần thiết. Ngoài ra còn một số yêu cầu khác cho các trang trí động lực riêng biệt. 4– Căn cứ vào yêu cầu sử dụng Trang trí động lực tàu có một số yêu cầu về sử dụng như sau: – Thời gian khởi động ngắn và nhanh. – Phải phát huy được toàn bộ công suất trong một thời gian ngắn. – Các thiết bị cơ giới phải làm việc an toàn trong bất cứ điều kiện nào được đưa ra trong điều kiện thiết kế. – Các thiết bị phải có tính cơ động cao, thao tác thuận tiện, đạt được tính tin cậy cần thiết. – Đối với động cơ chính, sau khi đảo chiều quay phải phát huy được đủ công suất trong thời gian ngắn và làm việc ổn định. – Trang trí động lực phải ít gây tiếng ồn và chấn động đối với vỏ tảu và đảm bảo được chức năng làm việc của tàu. 5– Căn cứ vào yêu cầu của Quy phạm và Công ước Thiết kế trang trí động lực phải được cơ quan có thẩm quyền xét duyệt (Đăng kiểm) trên cơ sở các điều luật quy định đối với thiết kế, đóng mới tàu thủy và phương tiện nổi. Do đó tất cả các vấn đề thiết kế trang trí động lực đều phải thỏa mãn các điều luật trong các quy phạm về Thiết kế và Giám sát đóng mới, công ước về An toàn sinh mạng và trang thiết bị trên biển, công ước về Phòng ngừa ô nhiễm môi trường biển. http://www.ebook.edu.vn Trang:11
1.4. LỰA CHỌN TRANG TRÍ ĐỘNG LỰC VÀ ĐỘNG CƠ CHÍNH 1.4.1. Loại hình trang trí động lực Thiết kế tàu dân dụng hay quân dụng, việc chọn trang trí động lực là một vấn đề phức tạp và quan trọng. Khi lựa chọn hình thức trang trí động lực phải đồng thời giải quyết hai vấn đề, đó là: quyết định kiểu loại máy chính và phương thức truyền động. Việc quyết định số lượng chong chóng có liên quan mật thiết đến các vấn đề trên, điều này ảnh hưởng đến thực chất và hình thức trang trí động lực tàu thủy (ở đây phải xét đến đặc tính kỹ thuật của động cơ và phương thức truyền động). Việc lựa chọn trang trí động lực phải căn cứ vào nhiệm vụ thư thiết kế (những yêu cầu thiết kế chủ yếu). Căn cứ vào nhiệm vụ thư, tiến hành xét các điều kiện cụ thể như: công dụng, nhiệm vụ của tàu (đối với tàu dân dụng) hay khả năng tác chiến (đối với tàu quân dụng); vùng hoạt động; tính năng và tốc độ; công suất hệ động lực; phân khoang và kích thước buồng máy; độ tin cậy; tính kinh tế; các chỉ tiêu đánh giá và thiết kế; luật áp dụng và các yêu cầu khác. 1.4.2. Động cơ chính Một trong những điều kiện quan trọng nhất và cũng là điều kiện có tính chất quyết định là vấn đề nhiên liệu và khả năng cung cấp động cơ (hay khả năng đặt mua động cơ). Trong phát triển trang trí động lực, động cơ diesel đang được sử dụng rộng rãi, chủ yếu là vì các lý do sau: – Thứ nhất, động cơ diesel tăng áp và bộ giảm tốc được dùng một cách rộng rãi, thích hợp cho việc sử dụng động cơ có công suất lớn với kích thước và trọng lượng nhỏ; mức độ tự động hóa cao; dễ dàng cho phối hợp và lắp đặt. – Thứ hai, diesel sử dụng nhiên liệu nặng một cách có hiệu quả, đảm bảo cho chi phí vận tải giảm xuống một cách thích đáng. – Thứ ba, do tiến bộ của khoa học và công nghệ, động cơ diesel ngày càng được cải tiến và hiện đại, giảm đáng kể suất tiêu hao nhiên liệu kết quả đã nâng cao được hiệu suất của hệ thống động lực. Điều đó làm cho động cơ diesel phù hợp hơn với trang trí động lực của các tàu hiện tại. Về kỹ thuật và công nghệ chế tạo máy hơi nước, các kiểu máy hơi cũ được thay thế dần bằng kiểu máy hơi có thông số hơi nước cao, nâng cao tính kinh tế. Tuy nhiên, việc sử dụng các loại hình trang trí động lực hơi nước là rất hạn chế chủ yếu là do hiệu suất thấp, mức độ tự động hóa và hiện đại hóa, khả năng đáp ứng đối với hệ thống động lực hiện đại... Chính vì vậy, loại hình hệ thống động lực hơi nước chỉ áp dụng trong những trường hợp đặc biệt. Ngoài ra việc sử dụng động cơ phản lực, tuabin khí trong trang trí động lực đã tăng một cách đáng kể, song phạm vi áp dụng chưa được rộng rãi. Tóm lại, khi thiết kế trang trí động lực, tốt nhất là tiến hành so sánh các phương án, tìm ưu khuyết điểm của từng phương án, sau đó chọn lấy phương án tối ưu nhất, phù hợp với điều kiện thực tế sử dụng. http://www.ebook.edu.vn Trang:12
http://www.ebook.edu.vn Trang:13
1.5. HỆ THIẾT BỊ ĐẨY. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT VÀ TỐC ĐỘ 1.5.1. Đặc điểm của hệ thiết bị đẩy tàu Hệ thiết bị đẩy tàu là một hệ thống các thiết bị có nhiệm vụ bảo đảm tốc độ, phương hướng cho tàu hoạt động, bao gồm các bộ phận sau: – Động cơ chính: Nhiệm vụ của động cơ chính là tạo nên lực đẩy tàu. Thông thường dùng động cơ hơi nước, tuabin khí, diesel, động cơ piston tự do, máy phát điện và động cơ điện để làm động cơ chính. – Thiết bị đẩy: Bao gồm các loại thiết bị đẩy như guồng quay, chân vịt, chong chóng, thiết bị phụt...; trong đó chong chóng là thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất. – Thiết bị truyền động: Nhiệm vụ là tiếp nhận công suất từ động cơ chính truyền cho thiết bị đẩy để tạo nên lực đẩy tàu. Thiết bị truyền động bao gồm hệ trục tàu thủy, bộ giảm tốc, các thiết bị nối trục, các thiết bị chuyên môn truyền dẫn điện và các thiết bị phục vụ cho thiết bị truyền động. – Nồi hơi chính: Nhiệm vụ của nồi hơi chính là cung cấp hơi nước làm công chất cho máy hơi, tuabin hơi và các máy móc khác. – Thiết bị tải công chất: Nhiệm vụ là tải hơi nước, khí cháy đến động cơ chính, động cơ phụ. Thiết bị này bao gồm các hệ thống ống hơi, ống khí cháy... 1.5.2. Sức cản và công suất đẩy 1– Sức cản của tàu và các thành phần sức cản Khi tàu chuyển động, sức cản của tàu có thể được phân tích theo công thức sau: R = RW + R p + R f + Rd (1–30) Trong đó: R – sức cản toàn bộ của tàu; RW – thành phần sức cản sóng; Rp – thành phần sức cản hình dáng; Rf – thành phần sức cản ma sát; Rd – thành phần sức cản phụ. Sức cản sóng RW, được xác định theo công thức: ρv 2 Rw = ξ w . Ω , [ kG ] (1–31) 2 Trong đó: ξW – hệ số sức cản sóng; ρ – mật độ chất lỏng, [kg/m3]; v – vận tốc tàu, [m/s]; http://www.ebook.edu.vn Trang:14
Ω – diện tích mặt ướt của tàu, [m3]. Hệ số sức cản sóng ξW được tra theo đồ thị, phụ thuộc vào trị số Frut của từng loại tàu. Trong đồ thị, những vùng lồi lõm là kết quả của sự trùng hợp bất lợi và có lợi của hai hệ sóng mũi và sóng lái. Khi thiết kế nên tránh những vùng lồi của đồ thị vì khi nằm trong vùng này, sức cản sóng sẽ tăng rất nhanh. Sức cản hình dáng Rp, được xác định theo công thức: ρv 2 Rp = ξ p . Ω (1–32) 2 Trong đó: ξp – hệ số sức cản hình dáng. ξp có thể tính theo công thức: S S ξ p = 0,09. (1–33) Ω 2 LR Với: S – diện tích sườn giữa, [m2]; LR – chiều dài vuốt nhọn phần đuôi, [m]. Sức cản ma sát Rf, được xác định theo công thức: ρv 2 Rf = ξ f . Ω (1–34) 2 Trong đó: ξf – hệ số sức cản hình dáng. ξf có thể tính theo công thức gần đúng hoặc tính theo bảng. – Theo Schocnherr, ξf được tính: 0,242.ξ f2 = lg(Re .ξ f ) (1–35) Trong (1–35): Re – hệ số Reynolds. – Theo Prandtl – Schlichting: ξ f = 0,455.lg(Re) (1–36) Thực tế ảnh hưởng của hình dáng vỏ tàu đến sức cản ma sát được tính bằng hệ số điều chỉnh af như sau: ρv 2 R f = a f .ξ f . Ω (1–37) 2 L = 8,2 ÷ 5,6 thì af nằm trong khoảng 1,04 ÷ 1,08 (L – chiều dài tàu, B – chiều Với B rộng tàu). http://www.ebook.edu.vn Trang:15
Ngoài ra, cần phải kể đến ảnh hưởng của độ nhám của vỏ (độ lồi lõm do công nghệ, độ lượn sóng của tôn bao, rong rêu, hà, rỉ bám vào vỏ) đến sức cản ma sát của tàu. Tất cả ảnh hưởng này được đặc trưng bằng hệ số điều chỉnh af. Sức cản phụ Rd, được xác định theo công thức: ρv 2 Rd = ξ d . Ω (1–38) 2 Trong đó: ξd – hệ số sức cản phụ. Sức cản phụ bao gồm các thành phần sức cản sau: – Sức cản không khí Ra. Nếu tính một cách chính xác, Ra được tính theo công thức: ρ a .va 2 Ra = ξ a . (1–39) .Fa 2 Trong đó: ξa – hệ số sức cản không khí, là kết quả nghiên cứu mô hình trong ống dòng; ρa – khối lượng riêng của không khí, ρa = 0,125 [kg.s2/m4]; Fa – diện tích hình chiếu phần trên mặt nước của tàu lên diện tích sườn giữa, 2 [m ]; va – vận tốc tương đối của gió, được tính theo công thức: vs2 + w 2 + 2.vs .w, cos α a va = (1–40) Với: vs – vận tốc của tàu, [m/s]; w – vận tốc của gió, [m/s]; αa – góc tác dụng của gió so với trục giữa của tàu, (αa=0 nếu gió thổi ngược). – Sức cản của những phần lồi, những phần lồi của tàu như: ki hông, ki đứng, các giá đỡ trục chong chóng, phần lồi trục chong chóng..., có ảnh hưởng tới sức cản của tàu. Nếu so với sức cản toàn bộ tàu, sức cản của các phần lồi thường nằm trong khoảng: Δξ = (0,2 ÷ 0,3).10 −3 R (1–41) và cao nhất Δξ = 0,5.10 −3 R (1–42) – Sức cản khác, khi tính sức cản còn phải kể đến các điều kiện khai thác của tàu ảnh hưởng tới sức cản của tàu: chiều sâu luồng lạch, điều kiện sóng gió thiên nhiên,... Như vậy có thể xác định sức cản toàn bộ của tàu theo công thức: http://www.ebook.edu.vn Trang:16
ρ .v 2 R = (ξ w + ξ p + ξ f + ξ d ). .Ω (1–43) 2 2– Tính sức cản của tàu bằng phương pháp Papmiel Có nhiều phương pháp tính sức cản tàu, mỗi phương pháp đều có điều kiện áp dụng riêng phù hợp với loại tàu nhất định. Dưới đây nêu ra phương pháp tính sức cản thông dụng và đơn giản nhất, đó là tính theo phương pháp Papmiel. Phạm vi sử dụng của phương pháp: δ = 0,35 ÷ 0,8 B L = 4 ÷ 11 ; = 1,5 ÷ 3,5 ; Fr < 0,9 B T (δ – hệ số béo thể tích; L – chiều dài tàu; B – chiều rộng tàu; T – chiều chìm tàu) Papmiel đã dựa trên cơ sở thí nghiệm mô hình và thử các loại tàu thực, đề ra phương pháp tính công suất kéo của tàu: ⎛ v3 ⎞ v3 Vx . . φ. s = f ⎜ s ⎟ N0 = (1–44) ⎜C ⎟ Lλ Cp ⎝ p⎠ Trong đó: V – thể tích chiếm nước, [m3]; L – chiều dài tàu ở đường nước thiết kế, [m]; vs – vận tốc tàu, [knots]; λ – hệ số tính toán được xác định theo công thức: L λ = 0,7 ÷ 0,3 (1–45) 100 L ≥ 100 m, thì λ = 10 x – hệ số phụ thuộc vào số lượng đường trục chong chóng, cho trong bảng 1–2. Bảng 1–2: Hệ số xét đến số lượng đường trục Số lượng đường trục chong chóng Z Hệ số x Z=1 x = 1,000 Z=2 x = 1,050 Z=3 x = 1,067 Z=4 x = 1,100 Φ – hệ số thon của tàu, được xác định: http://www.ebook.edu.vn Trang:17
B φ = 10 δ (1–46) L B – chiều rộng tàu; δ – hệ số béo thể tích . Cp – hệ số Papmiel Hệ số Cp được xác định theo đồ thị Papmiel, phụ thuộc vào thông số vs', được tính như sau: φ v's = vs (1–47) L Sau khi xác định được N0, sức cản tàu được tính theo công thức: N0 R = 75 (1–48) , [kG ] v Trong đó: v – vận tốc tàu, [m/s] 3– Công thức Hải quân Trong tính toán sơ bộ, người ta thường áp dụng công thức Hải quân để tính công suất kéo (hoặc công suất có ích) của tàu. Công thức Hải quân có dạng: 2 3 v .D 3 N0 = (1–49) s C0 hoặc: 2 3 v .D 3 N0 = (1–50) s Ce Trong đó: C0 – hệ số Hải quân cho công suất kéo; Ce – hệ số Hải quân cho công suất có ích; vs – vận tốc tàu, [knots]. Công thức (1–49) và (1–50) có thể cho kết quả chính xác nếu chọn tàu mẫu có hình dạng giống nhau và cùng trị số Fr, nhưng thực tế khó đạt được yêu cầu trên. 1.5.3. Tốc độ tàu Từ mục 1.5.2. cho thấy sức cản là hàm của tốc độ tàu, R = f(vs). Trên cơ sở tính toán, tiến hành xây dựng đồ thị sức cản cho tàu với từng tốc độ tàu khác nhau. Với động cơ chính đã cho, dựa trên công suất định mức của động cơ chính, xác định công suất truyền đến chong chóng (hay công suất sử dụng). Công suất truyền đến chong chóng http://www.ebook.edu.vn Trang:18
luôn nhỏ hơn công suất của động cơ vì có sự tổn hao công suất trên đường trục; đại lượng này được xác định như sau: N p = k .η sp .Ne (1–51) với: η sp = η sp1.η sp 2 .η sp 3 (1–52) Trong đó: k – hệ số dự trữ công suất của động cơ chính1; ηsp – hiệu suất của đường trục; ηsp1 – hiệu suất của gối trục; ηsp2 – hiệu suất của hộp số, hộp giảm tốc; ηsp3 – hiệu suất của thiết bị nối trục, khớp nối. – Đối với gối trục lực đẩy, hiệu suất vào khoảng ηsp1 = 0,97. – Đối với hộp số, hiệu suất vào khoảng ηsp2 = 0,96 – 0,98. – Đối với khớp nối trục thủy lực hay điện từ, hiệu suất vào khoảng ηsp3 = 0,94 – 0,95. Công suất truyền đến chong chóng cũng có thể xác định bằng công thức: M p .n p Np = (1–53) 716,2 Trong đó: Mp – mômen xoắn truyền đến chong chóng, [kG.m]; np – số vòng quay của chong chóng, [v/p]. Đối với truyền động điện thì công suất truyền đến chong chóng được tính: N p = Ne.η e1 .η sp1 (1–54) Trong đó: ηe1 – hiệu suất chung đối với truyền động điện – Khi dòng điện thay đổi: ηe1 = 0,86 ÷ 0,90. 1 Dự trữ công suất của động cơ chính Thứ nhất, việc sử dụng không hết công suất trung bình lúc khai thác hoặc phải để một lượng công suất dành cho dự trữ là đó là vì phải đảm bảo tốc độ tàu trong trường hợp vở tàu biến dạng, bị hà bám và han rỉ làm sức cản tăng lên. Thứ hai, việc quy chuẩn trong quy trình khai thác công suất động cơ là khuynh hướng bảo đảm an toàn sự làm việc của động cơ diesel tàu thủy trong thời gian có thể lớn hơn hạn định sửa chữa. Thứ ba, công suất dự trữ là cần thiết cho động cơ và an toàn của phương tiện trong trường hợp sóng gió lớn, gặp bão hoặc tàu chạy toàn tốc lúc ngược sóng,... http://www.ebook.edu.vn Trang:19