Ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến hiệu quả khai thác liên hợp máy - vỏ - chân vịt tàu thủy

Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU<br /> <br /> ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ SỬ DỤNG ĐẾN HIỆU QUẢ KHAI THÁC<br /> LIÊN HỢP MÁY - VỎ - CHÂN VỊT TÀU THỦY<br /> TS. Trần Gia Thái<br /> Khoa Cơ khí - Trường ĐH Nha Trang<br /> Tiếp theo các bài báo trước, b ài báo này trình bày phương pháp nghiên cứu mới của tác giả, cho phép<br /> xác định đồ thị vận hành tàu trong điều kiện khai thác, cơ sở để giải quyết nhiều bài toán trong thực tế sử dụng<br /> tàu như xác định chế độ chạy tàu hợp lý, xác định công suất động cơ, xác định sức cản tàu trong điều kiện khai<br /> thác thực tế v..v...<br /> <br /> 1. TỔNG QUAN<br /> Như chúng ta đã biết, tàu thuỷ là một công<br /> trình kỹ thuật làm việc trong điều kiện rất phức<br /> tạp, bao gồm ba bộ phận chính là động cơ<br /> chính, vỏ tàu và chân vịt, được gọi chung là liên<br /> hợp tàu thuỷ. Đối với hầu hết các liên hợp tàu<br /> hiện nay, động cơ chính lắp trên tàu thường là<br /> động cơ Diesel thủy, với chân vịt thường là<br /> thuộc loại chân vịt có bước xoắn cố định hoặc<br /> chân vịt có bước xoắn thay đổi. Về lý thuyết,<br /> quá trình làm việc và sự phối hợp hoạt động<br /> giữa các bộ phận trong liên hợp tàu được đặc<br /> trưng bởi tập hợp các thông số kinh tế - kỹ<br /> thuật và các đường đặc tính thể hiện mối quan<br /> hệ giữa các thông số nói trên với nhau, cụ thể<br /> như sau :<br /> -<br /> <br /> Chế độ làm việc của động cơ Diesel trong<br /> liên hợp được đặc trưng bởi các thông số<br /> kỹ thuật chính như công suất N, tốc độ<br /> quay n, suất tiêu hao nhiên liệu v..v…và<br /> các đường đặc tính động cơ thể hiện mối<br /> quan hệ giữa các thông số nói trên<br /> <br /> -<br /> <br /> Chế độ làm việc của chân vịt trong liên<br /> hợp tàu được đặc trưng bởi các thông số<br /> kỹ thuật chính như lực đẩy P, mômen quay<br /> M, công suất yêu cầu của chân vịt Np và<br /> đường đặc tính thể hiện mối quan hệ giữa<br /> công suất Np và tốc độ quay của chân vịt n<br /> <br /> 42<br /> <br /> -<br /> <br /> Quá trình làm việc của vỏ tàu trong liên<br /> hợp được đặc trưng bởi các thông số kỹ<br /> thuật chính như sức cản R, tốc độ chạy<br /> tàu V và đường đặc tính vỏ tàu R = f(V)<br /> thể hiện mối quan hệ giữa sức cản vỏ tàu<br /> R và tốc độ chạy tàu V.<br /> <br /> Vấn đề đặt ra là các thông số và đường<br /> đặc tính của các bộ phận liên hợp chỉ được xác<br /> định ở điều kiện sử dụng tiêu chuẩn, tương<br /> ứng với chế độ làm việc định mức của liên hợp<br /> tàu khi thiết kế. Tuy nhiên, trong điều kiện khai<br /> thác thực tế khác với tiêu chuẩn, các thông số<br /> và đường đặc tính của các bộ phận liên hợp ở<br /> chế độ làm việc đang xét sẽ bị thay đổi so với<br /> khi thiết kế nên gây ảnh hưởng rất lớn đến an<br /> toàn và hiệu quả khai thác của các bộ phận nói<br /> riêng và của cả liên hợp tàu nói chung, làm<br /> thay đổi vùng làm việc cho phép và phá vỡ sự<br /> làm việc phù hợp của các bộ phận trong liên<br /> hợp. Do đó vấn đề xác định ảnh hưởng của các<br /> yếu tố trong sử dụng đến quá trình làm việc liên<br /> hợp tàu, tức là xác định sự thay đổi đường đặc<br /> tính của các bộ phận liên hợp là bài toán có ý<br /> nghĩa quan trọng Các công trình nghiên cứu về<br /> vấn đề này thường tách rời hoạt động của các<br /> bô phận trong liên hợp để tổ chức khảo nghiệm<br /> ảnh hưởng của từng yếu tố sử dụng đến quá<br /> trình làm việc của các bộ phận, trong đó với<br /> động cơ là điều kiện môi trường và sự thay đổi<br /> <br /> Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007<br /> tình trạng kỹ thuật theo thời gian sử dụng, còn<br /> đối với vỏ tàu và chân vịt là sự ăn mòn và bám<br /> bẩn trên bề mặt vỏ tàu và bề mặt cánh chân vịt.<br /> Cách thức tiếp cận và giải quyết vấn đề như<br /> thế, mặc dù có ưu điểm trong nghiên cứu hoặc<br /> tìm kiếm cơ chế và quy luật ảnh hưởng của<br /> từng yếu tố sử dụng nhưng không đưa ra được<br /> phương pháp tính ảnh hưởng của tất cả yếu tố<br /> sử dụng đến hoạt động và hiệu quả khai thác<br /> của các bộ phận liên hợp. Mặt khác, cách giải<br /> quyết vấn đề theo phương hướng tổ chức thực<br /> nghiệm như thế vừa rất phức tạp, lại vừa không<br /> tránh được những nhược điểm rất lớn về mặt<br /> phương pháp vì hầu hết ảnh hưởng của các<br /> yếu tố sử dụng nói ở đây đều mang tính chất<br /> ngẫu nhiên nên không có tính hệ thống và quy<br /> luật. Có lẽ vì thế mà các kết quả nghiên cứu<br /> theo phương hướng thực nghiệm như đã trình<br /> bày ở trên thường chưa được áp dụng rộng rãi<br /> như mong muốn, chủ yếu chỉ được công bố<br /> dưới dạng số liệu thống kê thực nghiệm cho<br /> tàu khảo sát mà chưa có phương pháp tính cụ<br /> thể với độ tin cậy chấp nhận Do đó cần phải có<br /> phương pháp nghiên cứu mới, có tính khả thi<br /> và đảm bảo độ tin cậy cao hơn.<br /> 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Phương pháp nghiên cứu đề xuất được<br /> xây dựng dựa trên cơ sở đưa tất cả yếu tố sử<br /> dụng vào trong một hộp kín, tạm gọi là hộp đen,<br /> và tìm cách xác định ảnh hưởng tổng hợp của<br /> tất cả yếu tố sử dụng trong hộp đen đến hiệu<br /> quả khai thác liên hợp qua kết quả nhận được<br /> ở đầu ra của hộp đen, với hiệu quả khai thác<br /> của liên hợp sẽ được xác định từ sự phối hợp<br /> hoạt động giữa các bộ phận trong liên hợp sau<br /> khi chịu tác động tổng hợp của tất cả yếu tố sử<br /> dụng nằm ẩn bên trong hộp đen. Trên cơ sở<br /> phân tích mối quan hệ năng lượng giữa các bộ<br /> phận liên hợp, với chân vịt là bộ phận trung<br /> gian tiếp nhận công suất động cơ ở tốc độ quay<br /> n để tạo ra lực đẩy nhằm đẩy tàu chuyển động<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> với tốc độ V có thể nhận thấy, kết quả tại đầu<br /> ra hộp đen nói trên sẽ được thể hiện một cách<br /> đầy đủ và chính xác nhất thông qua các thông<br /> tin nhận được từ liên hợp trong điều kiện khai<br /> thác thực tế chính là cặp giá trị tốc độ tàu V và<br /> tốc độ quay chân vịt n trong điều kiện khai thác<br /> thực tế đang xét. Đây là phát hiện quan trọng vì<br /> tốc độ quay chân vịt sẽ bị quyết định bởi tình<br /> trạng thực của bộ phận chân vịt và động cơ,<br /> còn tốc độ V là sự chỉ định chính xác công suất<br /> nhận được để tàu chuyển động. Chính sự cân<br /> bằng năng lượng này, thể hiện ở cặp giá trị tốc<br /> độ tàu V và tốc độ quay chân vịt n đã phản ánh<br /> đầy đủ và chính xác quá trình làm việc và sự<br /> phối hợp hoạt động của các bộ phận liên hợp.<br /> Vấn đề cuối cùng là từ các thông tin nhận được<br /> này, cần phải xây dựng được phương tiện thể<br /> hiện mối quan hệ năng lượng giữa các bộ phận<br /> trong liên hợp để xác định hiệu quả khai thác<br /> của liên hợp. Rõ ràng, công cụ có thể đáp ứng<br /> được hết các yêu cầu đặt ra trên đây chính là<br /> đồ thị vận hành tàu – đồ thị tổng hợp đường<br /> đặc tính của các bộ phận liên hợp ở điều kiện<br /> định mức và điều kiện thực tế. Nói cách khác,<br /> từ thông tin tại đầu ra của hộp đen là cặp giá trị<br /> tốc độ tàu V và tốc độ quay chân vịt n, cần xây<br /> dựng được đồ thị vận hành tàu, không chỉ ở<br /> điều kiện định mức mà ở điều kiện thực đang<br /> xét và sử dụng đồ thị này làm công cụ để xác<br /> định ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến<br /> liên hợp tàu. Vấn đề phương pháp xây dựng<br /> đồ thị vận hành tàu từ cặp giá trị tốc độ tàu V<br /> và tốc độ quay chân vịt đã được trình bày ở<br /> bài báo trước, bài báo này chỉ đề cập đến<br /> việc sử dụng đồ thị vận hành tàu để xác định<br /> ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến hiệu<br /> quả khai thác của liên hợp như đã đặt vấn<br /> đề, trên cơ sở xây dựng và so sánh đồ thị<br /> vận hành ở chế độ định mức và ở điều kiện<br /> khai thác thực tế.<br /> <br /> 43<br /> <br /> Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> vịt của động cơ thay đổi từ vị trí OA đến vị trí<br /> OB và đường đặc tính công suất động cơ thay<br /> đổi từ vị trí 3 đến vị trí 4, với đường đặc tính<br /> chân vịt của động cơ OB và đường đặc tính<br /> công suất động cơ 4 được xây dựng nhờ cặp<br /> giá trị tốc độ tàu Vt và tốc độ quay chân vịt nt<br /> xác định ở chế độ làm việc thực tế tương ứng.<br /> Khi đó, kết quả ảnh hưởng của tất cả các yếu<br /> tố sử dụng đến quá trình làm việc và hiệu quả<br /> khai thác của các bộ phận trong liên hợp sẽ<br /> được xác định bằng cách so sánh đồ thị vận<br /> hành của liên hợp tàu đã được xây dựng ở chế<br /> độ làm việc định mức và ở chế độ làm việc<br /> đang xét như đã được trình bày, thông qua việc<br /> xác định sự thay đổi các thông số công tác chủ<br /> yếu của liên hợp, cụ thể như sau :<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU<br /> Bằng phương pháp xây dựng đồ thị vận<br /> hành tàu đã trình bày trong các bài báo trước,<br /> có thể xây dựng đồ thị vận hành từ cặp các giá<br /> trị tốc độ tàu V và tốc độ quay chân vịt n như ở<br /> hình 1. Cụ thể như sau: Giả sử ban đầu, tàu<br /> làm việc ở chế độ định mức, với điểm làm việc<br /> A trên đồ thị vận hành xác định tại giao điểm A<br /> của đường đặc tính chân vịt của động cơ OA<br /> và đường đặc tính công suất động cơ 3, tương<br /> ứng với công suất động cơ phát ra NH, tốc độ<br /> quay chân vịt nH và vận tốc tàu VH khi thiết kế.<br /> Sau thời gian làm việc, do tình trạng kỹ thuật<br /> của động cơ ngày càng xấu, cùng với tình trạng<br /> bề mặt vỏ tàu và chân vịt bị ăn mòn và bám<br /> bẩn ngày càng nhiều nên đường đặc tính chân<br /> - Độ thay đổi công suất phát ra của động cơ :<br /> <br /> ΔN<br /> <br /> = NH<br /> <br /> -<br /> <br /> Nt<br /> <br /> - Độ thay đổi sức cản vỏ tàu<br /> <br /> ΔR<br /> <br /> = RH<br /> <br /> -<br /> <br /> Rt<br /> <br /> :<br /> <br /> Từ đó có thể xác định ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến hiệu quả khai thác của liên hợp<br /> thông qua sự thay đổi của hiệu suất tổng hợp của liên hợp tàu như sau :<br /> Δη<br /> <br /> =<br /> <br /> ηH<br /> <br /> -<br /> <br /> ηt<br /> <br /> =<br /> <br /> RH VH<br /> NH<br /> <br /> -<br /> <br /> R t Vt<br /> Nt<br /> <br /> NH, RH, ηH<br /> <br /> - công suất, sức cản và hiệu suất của liên hợp ở chế độ làm việc định mức<br /> <br /> Nt, Rt, ηt<br /> <br /> - công suất, sức cản và hiệu suất của liên hợp ở chế độ làm việc thực tế<br /> <br /> Trong công trình nghiên cứu của mình,<br /> chúng tôi đã áp dụng phương pháp nói trên để<br /> tính cho tàu CR – 02 do chúng tôi thiết kế, theo<br /> <br /> dõi chế tạo và chạy thử tàu dưới sự kiểm soát<br /> của Đăng kiểm. Kết quả tính toán được thể<br /> hiện trên bảng 1 như sau [4] :<br /> <br /> Bảng 1 : Bảng tính các đại lượng cần thiết<br /> STT<br /> <br /> Chế độ chạy tàu<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> <br /> Biển bình thường<br /> Chạy ngược sóng cấp 6<br /> <br /> n<br /> (v/ph)<br /> 257<br /> 240<br /> <br /> V<br /> (hl/h)<br /> 12<br /> 9<br /> <br /> KT<br /> <br /> KQ<br /> <br /> 0,20<br /> 0,28<br /> <br /> 0,031<br /> 0,038<br /> <br /> Np<br /> (ml)<br /> 404<br /> 360<br /> <br /> R<br /> (KG)<br /> 3019<br /> 3250<br /> <br /> ηp<br /> <br /> η<br /> <br /> 0,62<br /> 0,58<br /> <br /> 0,46<br /> 0,42<br /> <br /> Khi đó, ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng đến hoạt động của các bộ phận xác định như sau<br /> <br /> 44<br /> <br /> - Độ giảm công suất động cơ<br /> <br /> : ΔNe = 10,9 %<br /> <br /> - Độ tăng sức cản vỏ tàu<br /> <br /> : ΔR =<br /> <br /> 7,1 %<br /> <br /> Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> - Độ giảm hiệu suất chân vịt<br /> <br /> : Δηp =<br /> <br /> 6,4 %<br /> <br /> - Độ giảm hiệu suất tổng hợp<br /> N (ml)<br /> <br /> : Δη<br /> <br /> 8,7 %<br /> <br /> =<br /> <br /> 2.EPS = f(V)<br /> 1.n = const<br /> b<br /> <br /> a<br /> A<br /> <br /> 3<br /> <br /> NH<br /> <br /> 4<br /> n = nH<br /> <br /> Nt<br /> <br /> B<br /> n = nt<br /> <br /> V1<br /> <br /> O<br /> <br /> V2<br /> <br /> V (hl/h)<br /> <br /> n = nt<br /> B’<br /> <br /> Rt<br /> <br /> n = nH<br /> 4’<br /> <br /> RH<br /> <br /> 3’<br /> <br /> A’<br /> b’<br /> <br /> P (kG) 1’.n = const<br /> <br /> a’<br /> <br /> 2’.R = f(V)<br /> <br /> Hình 1 : Xác định ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng<br /> đến quá trình làm việc của liên hợp bằng đồ thị vận hành<br /> <br /> 45<br /> <br /> Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> 1, 1’ - Đường đặc tính chân vịt và lực đẩy theo tốc độ quay không đổi<br /> 2 - Đường công suất kéo có ích EPS = f(V) ở chế độ làm việc định mức (đường a) và ở điều kiện<br /> khai thác thực tế (đường b)<br /> 2’ - Đường cong sức cản vỏ tàu R = f(V) ở chế độ làm việc định mức (đường a’) và ở điều kiện<br /> khai thác thực tế (đường b’)<br /> 3, 4<br /> <br /> - Đường đặc tính công suất động cơ ở chế độ làm việc định mức và ở chế độ làm việc thực tế<br /> <br /> 3’, 4’ - Đường lực kéo động cơ ở chế độ làm việc định mức và ở chế độ làm việc thực tế<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> <br /> Phương pháp xác định ảnh hưởng của<br /> các yếu tố sử dụng đến hiệu quả khai thác liên<br /> hợp tàu dựa trên cơ sở xây dựng và so sánh<br /> đồ thị vận hành như đã trình bày có vai trò và ý<br /> nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo cho các<br /> bộ phận trong liên hợp có thể làm việc ổn định<br /> trong phạm vi cho phép, cơ sở để đảm bảo liên<br /> hợp tàu làm việc an toàn và nâng cao hiệu quả<br /> khai thác của các liên hợp tàu. Mặt khác,<br /> <br /> phương pháp không chỉ cho phép xác định ảnh<br /> hưởng tổng hợp của tất cả yếu tố sử dụng mà<br /> còn cho phép đánh giá ảnh hưởng của riêng<br /> từng yếu tố sử dụng đến hiệu quả khai thác liên<br /> hợp bằng cách chủ động thay đổi từng yếu tố<br /> sử dụng cần nghiên cứu để đánh giá ảnh<br /> hưởng của nó. Rõ ràng là đồ thị vận hành tàu<br /> được xác định trong trường hợp này sẽ phản<br /> ánh riêng ảnh hưởng của từng yếu tố sử dụng<br /> cần phải khảo sát đến quá trình làm việc của<br /> từng bộ phận có trong liên hợp tàu.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> 1. Edward V. Lewis, Principles of Naval Architecture, Volume I, Published by The Society of Naval<br /> Architects and Marine Engineers, Jersey City, NJ, 1988<br /> 2. Дорогостaйский Д.В [и др. ], Теория и устройство судна, Издательство судостроение,<br /> Ленинград, 1964<br /> 3. Trần Gia Thái, Ảnh hưởng của một số yếu tố sử dụng đối với hiệu quả khai thác liên hợp máy - vỏ<br /> tàu – chân vịt tàu cá, Luận án tiến sĩ - Trường Đại học Thuỷ sản, 2001<br /> 4. Hồ sơ thiết kế kỹ thuật và thử chạy tàu CR – 02, Đăng kiểm 5, Cục Đăng kiểm Việt nam<br /> <br /> ABSTRACT<br /> <br /> This article presents the new approach of author for determining ship pastport diagram in the<br /> practical using conditions, which bases on resolving many problems in the practical using of ship such<br /> as determine optimal working regulation, determine practical power of marine, determine practical<br /> resistance of ship etc.<br /> <br /> 46<br /> <br />