ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ - PHẦN 2 THIẾT BỊ ĐẨY TÀU THỦY - CHƯƠNG 14

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

89
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các đặc tính động học của chong chóng 14.1. Các đặc tính động học của chong chóng Sự làm việc của chong chóng trong chất lỏng được xác định bằng hai dạng chuyển động đồng thời và độc lập: chuyển động tịnh tiến dọc trục với tốc độ v A và chuyển động quay quanh trục đó với tốc độ W = 2pn, trong đó: n - vòng quay của chong chóng. Nếu như chong chóng quay trong môi trường rắn, tựa như bulông trong đai ốc, thì sau một vòng quay nó dịch theo hướng trục một đoạn bằng...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ - PHẦN 2 THIẾT BỊ ĐẨY TÀU THỦY - CHƯƠNG 14

Ch¬ng 14 C¸c ®Æc tÝnh ®éng häc cña chong chãng 14.1. C¸c ®Æc tÝnh ®éng häc cña chong chãng Sù lµm viÖc cña chong chãng trong chÊt láng ®îc x¸c ®Þnh b»ng hai d¹ng chuyÓn ®éng ®ång thêi vµ ®éc lËp: chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn däc trôc víi tèc ®é v A vµ chuyÓn ®éng quay quanh trôc ®ã víi tèc ®é W = 2pn, trong ®ã: n - vßng quay cña chong chãng. NÕu nh chong chãng quay trong m«i trêng r¾n, tùa nh bul«ng trong ®ai èc, th× sau mét vßng quay nã dÞch theo híng trôc mét ®o¹n b»ng bíc P cña chong chãng. Tuy nhiªn trong thùc tÕ khi lµm viÖc trong chÊt láng sau mét vßng quay nã dÞch theo híng trôc mét ®o¹n nhá h¬n P. Nh vËy chÊt láng ®· nhËn vÒ m×nh mét lîng tèc ®é nµo ®ã, ®îc gäi lµ tèc ®é c¶m øng. Tèc ®é nµy lµm t¨ng tèc dßng níc sau chong chãng, xo¾n dßng vµ lµm gi¶m mÆt c¾t ngang cña dßng. Chóng cã thÓ ®îc m« t¶ b»ng ba thµnh phÇn tèc ®é c¶m øng: híng trôc wx, híng tiÕp tuyÕn wq, híng b¸n kÝnh wr. Kho¶ng c¸ch híng trôc mµ chong chãng ®· thùc hiÖn sau mét vßng quay gäi lµ bíc tiÕn tuyÖt ®èi hP cña chong chãng. Bíc tiÕn nµy cã liªn quan víi thêi gian T = 1/n vµ tèc ®é v A theo c«ng thøc hP = v AT = v A/n. Khi sö dông kh¸i niÖm bíc tiÕn t¬ng ®èi cña chong chãng J, lµ tû sè gi÷a bíc tiÕn tuyÖt ®èi víi ®êng kÝnh cña chong chãng, ta cã: J = hP/D = v A/(nD) §¹i lîng nµy lµ ®Æc tÝnh ®éng häc kh«ng thø nguyªn c¬ b¶n cña chong chãng, nã nªu lªn c¸c chÕ ®é lµm viÖc cña chong chãng trong chÊt láng. Híng cña tæng tèc ®é dßng ch¶y bao c¸c phÇn tö cña c¸nh chong chãng kh«ng bÞ c¶m øng v -∞ ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: tgb = v A /(Wr ) = I /(p r ) (14.1.1) trong ®ã: r = r/R. C«ng thøc (14.1.1) ®îc m« t¶ b»ng s¬ ®å tèc ®é cña c¸c phÇn tö c¸nh h×nh 3.1, trªn ®ã ngoµi tèc ®é dßng kh«ng bÞ c¶m øng, cßn tr×nh bµy c¶ c¸c tèc ®é c¶m øng wx vµ wq. HiÖu P - hP gäi lµ ®é trît cña chong chãng. Nã chøng tá mét ®iÒu lµ khi dÞch chuyÓn trong chÊt láng chong chãng bÞ tôt l¹i mét Ýt so víi bul«ng dÞch chuyÓn trong m«i trêng r¾n. §é trît ®ã ®îc biÓu thÞ b»ng c¸c ®Æc trng cña bíc: s = (P - hP)/P = 1- (hP/P) (14.1.2) vµ gäi lµ ®é trît t¬ng ®èi. C¸c trÞ sè cña s vµ J cã liªn quan víi nhau qua hÖ thøc: hP P J P s = 1- = 1- vµ J = (1 - s) (14.1.3) PD PD D Cã thÓ nãi r»ng ë chÕ ®é buéc khi v A = 0, bíc tiÕn t¬ng ®èi J = 0 vµ ®é trît t¬ng ®èi s = 1. 101
14.2. C¸c ®Æc tÝnh ®éng lùc cña chong chãng C¸c lùc t¸c dông lªn chong chãng, trong ®ã cã lùc ®Èy vµ m«men xo¾n, cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng c¸ch céng tÊt c¶ c¸c lùc t¸c dông lªn tõng phÇn tö, mµ c¸c phÇn tö lµ c¸c mÆt c¾t cña c¸nh b»ng c¸c h×nh trô ®ång trôc víi chong chãng. Ph¬ng ph¸p tÝnh dùa vµo nguyªn lý trªn cã tªn lµ lý thuyÕt c¸nh cña chong chãng. Ta trë l¹i s¬ ®å tèc ®é cña phÇn tö c¸nh (Xem H14.1). Ta cho phÇn tö c¸nh cè ®Þnh vµ chÊt láng tõ xa ch¶y bao nã víi tèc ®é v-¥ Híng cña tèc ®é c¶m øng híng trôc wx trïng víi tèc ®é v A, cßn tèc ®é c¶m øng híng tiÕp tuyÕn wq ngîc chiÒu víi thµnh phÇn tiÕp tuyÕn cña dßng ch¶y Wr. Thµnh phÇn tèc ®é c¶m øng híng b¸n kÝnh wr kh«ng xÐt ®Õn trong lý thuyÕt c¸nh. a H ín g chuyÓn ®én g wq1 PC bI Wx1 w1 HH a0 aI V R dTY dY V -¥ V b bI dR X A j Wr =2prn dR Y dTX dX H×nh 14.1. S¬ ®å tèc ®é vµ lùc t¸c dông lªn phÇn tö c¸nh chong chãng. V× wx vµ wq ®Òu thay ®æi däc theo trôc chong chãng, nªn t¹i mÆt ®Üa ta kÝ hiÖu c¸c tèc ®é ®ã lµ wx1 vµ wq1. Ta gi¶ thiÕt r»ng tæng h×nh häc v R cña tèc ®é híng trôc vµ quay (cã xÐt c¶ wx1 vµ wq1) lµ tèc ®é nªu lªn mèi quan hÖ gi÷a dßng ch¶y víi phÇn tö c¸nh. Lóc bÊy giê híng cña tèc ®é ®ã ®îc x¸c ®Þnh qua gãc bI, cã tang ®îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: tgbI = ( v A + wx1) + (Wr - wq1) (14.2.1) Ta gäi ®¹i lîng pr tgb I = l I - bíc tiÕn c¶m øng cña chong chãng, cßn bI - gãc tiÕn c¶m øng. Ta gi¶ thiÕt r»ng: lùc t¸c dông lªn phÇn tö c¸nh ®ang xÐt víi ®é dang lín vµ h÷u h¹n ë nh÷ng gãc tíi nh nhau th× h×nh d¸ng pr«phin hoµn toµn gièng nhau. C¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng lùc cña phÇn tö c¸nh ®îc x¸c dÞnh b»ng hÖ sè kh«ng thø nguyªn cña lùc n©ng vµ lùc c¶n: CY = 2.dY/(r. v R2.b.dr) ; CX = 2.dX/(r. v R2.b.dr) (14.2.2) trong ®ã: bdr vµ v R - t¬ng øng lµ diÖn tÝch phÇn tö c¸nh vµ tèc ®é dßng bao nã. dY vµ dX - lùc n©ng vµ lùc c¶n h×nh d¸ng. C¸c hÖ sè kh«ng thø nguyªn CY vµ Cx lµ hµm cña gãc tíi. Híng cña dßng ch¶y mµ theo nã hÖ sè CY b»ng kh«ng gäi lµ híng kh«ng lùc n©ng. Gãc lùc n©ng kh«ng a0, lµ gãc t¹o bëi gi÷a híng cña kh«ng lùc n©ng vµ d©y cung cña pr«phin tiÕt diÖn. §Ó thuËn tiÖn gãc tíi ph¶i tÝnh tõ híng kh«ng lùc n©ng. Trong trêng hîp nµy gãc gi÷a vÐct¬ tèc ®é dßng bao vµ híng kh«ng lùc n©ng gäi lµ gãc tíi thuû ®éng lùc aI. 102
§«i khi ngêi ta dïng gãc tíi cu¶ pr«phin tiÕt diÖn c¸nh a gi÷a híng tèc ®é v R vµ d©y cung lµm gãc tíi thuû ®éng lùc aI. Mèi quan hÖ gi÷a gãc tíi thuû ®éng lùc vµ gãc tíi cña pr«phin tiÕt diÖn c¸nh ®îc thÓ hiÖn qua c«ng thøc: aI = a + a0 Sù phô thuéc gi÷a c¸c hÖ sè thuû ®éng lùc vµo gãc aI ®îc m« t¶ trªn h×nh 14.2. Trªn h×nh nµy còng thÓ hiÖn hÖ sè chÊt lîng ngîc cña phÇn tö c¸nh e = dX/dY = CX/CY.Trªn h×nh 14.2 ta thÊy ®êng cong CY = f(aI) lµ mét ®êng th¼ng trong giíi h¹n réng cña gãc tíi vµ chØ ë nh÷ng gãc tíi lín aI - ®îc gäi lµ gãc tíi tíi h¹n CY = (aI) míi chuyÓn sang ®êng cong. CX e = CY CY; 20C X 1,2 0,06 1 e Cy 0,8 0,04 0,6 Cx 0,4 0,02 0,2 emi n aopt 0 a, ®é 0 4 8 12 H×nh 14.2. C¸c ®Æc tÝnh ®éng lùc cña pr«phin c¸nh. Th«ng thêng c¸c phÇn tö c¸nh chong chãng ®Òu lµm viÖc ë nh÷ng gãc tíi nhá h¬n gãc tíi tíi h¹n. Trong trêng hîp nµy nghiÖm cña bµi to¸n vÒ pr«phin máng trong chÊt láng lý tëng lµ: CYI = (dCY / da )I a I » 2pa I (14.2.3) Khi dßng bao pr«phin cã chiÒu dµy bÊt kú b»ng chÊt láng nhít: dCY æ dCY ö
a = 0 ; dC = 0,05515CY (14.2.7) ®èi víi pr«phin cã sù ph©n bè ®Òu t¶i träng theo d©y cung (kiÓu NACA, a = 1) hoÆc a = 0,0269CY ; dC = 0,05515CY (14.2.8) ®èi víi pr«phin cã sù ph©n bè ®Òu t¶i träng ë 80% d©y cung (kiÓu NACA, a = 0,8). Do tÇm quan träng cña chÕ ®é kh«ng vÊp nãi trªn c¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng lùc cña pr«phin kiÓu nµy ®îc nghiªn cøu kh¸ tû mû. §Æc biÖt ®èi víi pr«phin cã sù ph©n bè t¶i träng kiÓu NACA, a = 0,8 vµ sù ph©n bè chiÒu dµy kiÓu NACA - 66 dùa theo tÝnh to¸n cã hÖ thèng cña B. G. MiskªvÝch ®· nhËn ®îc c¸c c«ng thøc sau ®©y: ü [ ] m = (1 - 0,87d ) 1 - exp(- 0,0691 + 12,46d - 0,1855 ln ReS ) ;ï ï ï d (d - 0,05) é ù ï n = 1,015ê1 + ú; (14.2.9) ý ê (0,04664 ln ReS - 0,4378) ú 2 ï ë û ï 0,05808(1 + 2,3d ) ï e= ï 0 ,1458 CY ReS þ trong ®ã: Rl = v R b /n - sè Reynolds. S C¸c c«ng thøc trªn kh«ng nh÷ng ®óng cho chÕ ®é gãc tíi kh«ng vÊp mµ c¶ trong giíi h¹n cña c¸c gãc tíi gÇn víi chÕ ®é ®ã khi R l S ³ 105 ; 0 £ δ £ 1,0; 0 £ δC £ 0,03; 0,1 £ C Y £ 0,3. B©y giê ta tiÕp tôc xÐt phÇn tö c¸nh ®é dµi dr gièng nh phÇn tö c¸nh m¸y bay, trong ®ã ta lÊy d©y cung b b»ng chiÒu réng duçi ph¼ng cña phÇn tö t¹i b¸n kÝnh ®ang xÐt. Tæng tèc ®é v R ®îc x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc (xem h×nh 14.1). (v A + w x1 )2 + (Wr - wq 1 )2 vR = (14.2.10) t¹o víi híng kh«ng lùc n©ng gãc tíi thuû ®éng lùc: aI = j + a0 - bI (14.2.11) Trªn phÇn tö nµy xuÊt hiÖn lùc n©ng dY vµ lùc c¶n h×nh d¸ng dX. ChiÕu c¸c lùc nµy lªn ph¬ng trôc chong chãng ta nhËn ®îc lùc ®Èy do phÇn tö c¸nh t¹o nªn: dT = dTY - dTX = dY cosbI - dX sinbI = dY cosbI (1 - etgbI) (14.2.12) ChiÕu dY vµ dX lªn ph¬ng tiÕp tuyÕn vµ nh©n víi b¸n kÝnh ta nhËn ®îc m«men cña lùc tiÕp tuyÕn ®èi víi trôc quay chong chãng mµ ®éng c¬ ph¶i th¾ng l¹i: dQ = r(dRY + dRX) = r(dYsinbI + dXcos = rdYsinbI (1 + ecotgbI) (14.2.13) Tõ c¸c c«ng thøc trªn ta thÊy r»ng: lùc ®Èy cña phÇn tö c¸nh ®îc t¹o nªn bëi lùc n©ng vµ lùc c¶n h×nh d¸ng. Lùc c¶n h×nh d¸ng lµm gi¶m lùc ®Èy vµ lµm t¨ng m«men c¶n quay cña chong chãng. BiÓu diÔn lùc ®Èy vµ m«men cña phÇn tö c¸nh b»ng c¸c hÖ sè lùc ta cã: dT = 0,5r CY b vR2 cosbI (1 - etgbI) dr (14.2.14) dQ = 0,5r CY b vR sinbI (1 + ecotgbI) dr 2 (14.2.15) §Ó tÝnh lùc ®Èy vµ m«men cña c¶ chong chãng cÇn ph¶i tÝch ph©n biÓu thøc (14.2.14) vµ (14.2.15) trong giíi h¹n chiÒu dµi c¸nh theo híng b¸n kÝnh vµ nh©n víi sè lîng c¸nh: R T = Z ò 0,5 ρCY bv R cos β I (1 - εtgβ I )dr 2 (14.2.16) rH 104
R Q = Z ò 0 ,5 ρCY bv R sin β I (1 + ε cot gβ I )dr 2 (14.2.17) rH NÕu chuyÓn c¸c biÓu thøc tõ d¹ng tÝch ph©n sang d¹ng kh«ng thø nguyªn, ta cã: 2 1 æ b öæ v ö T Z = ò CY ç ÷ç R ÷ cos βI (1 - εtgβI )dr KT = (14.2.18) rn 2 D4 4r è D øè nD ø H 2 1 æ b öæ v ö Q Z = ò CY ç ÷ç R ÷ sin β I (1 + ε cot gβ I )r dr KQ = (14.2.19) rn 2 D 5 8 r è D øè nD ø H C¸c ®¹i lîng KT vµ KQ - gäi lµ hÖ sè lùc ®Èy vµ hÖ sè m«men cña chong chãng. C«ng suÊt PD cÇn ®Ó quay chong chãng cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc sau: PD = QW = 2pKQrn3D5 (14.2.20) HiÖu suÊt lµm viÖc cña chong chãng trong níc tù do lµ tû sè gi÷a c«ng suÊt cã Ých T. v A víi c«ng suÊt ph¶i bá ra PD ®Ó quay nã ®îc x¸c ®Þnh theo (14.2.18), (14.2.19) vµ (14.2.20): Tv A KT J h0 = = (14.2.21) . K Q 2p PD KT; 10KQ; h 0 0,8 h0 J 1 = P1/D 0,6 J 2 = P2/D 0,4 10KQ KT 0,2 0 0,2 1 J 1,2 0,6 0,8 0,4 H×nh 14.3. §êng lµm viÖc cña chong chãng. C¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng lùc kh«ng thø nguyªn KT, KQ vµ h0 ®îc biÓu diÔn theo bíc tiÕn t¬ng ®èi J - gäi lµ ®êng cong lµm viÖc cña chong chãng (h×nh 3.3). Nhê c¸c ®êng cong nµy ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc lùc ®Èy vµ m«men cña chong chãng ë c¸c chÕ ®é lµm viÖc kh¸c nhau. Khi chong chãng lµm viÖc sÏ xÈy ra mét lo¹t c¸c chÕ ®é lµm viÖc kh¸c nhau. Khi kh«ng chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn (chÕ ®é buéc) bíc tiÕn t¬ng ®èi J = 0 vµ c¸c hÖ sè KT, KQ cã trÞ sè lín nhÊt do c¸c gãc tíi cã trÞ sè lín nhÊt (Xem H14.4). Nh vËy hiÖu suÊt lµm viÖc b»ng kh«ng v× kh«ng chuyÓn ®éng däc trôc nªn chong chãng kh«ng s¶n ra c«ng cã Ých. Cµng t¨ng J th× c¸c gãc tiÕn c¶m øng bI cµng t¨ng, dÉn ®Õn gi¶m c¸c gãc tíi cña c¸c phÇn tö c¸nh, vµ ®¬ng nhiªn lµm gi¶m c¶ c¸c lùc t¸c dông lªn c¸c phÇn tö ®ã. C¸c hÖ sè KT vµ KQ gi¶m xuèng vµ ë mét trÞ sè J1 nµo ®ã KT sÏ b»ng kh«ng (Xem H14.3). ChÕ ®é øng víi nã gäi lµ chÕ ®é kh«ng lùc ®Èy cßn hÖ sè KQ vÉn gi÷ nguyªn gi¸ trÞ d¬ng, nghÜa lµ T = 0, Q ¹ 0, hiÖu suÊt lµm viÖc ë chÕ ®é nµy còng b»ng kh«ng. 105
a C P a) dRY dTY HH dY H×nh 14.4. C¸c chÕ ®é wq1 aI V lµm viÖc cña phÇn tö R wx 1 w1 dR c¸nh bI Wr dTX a. chÕ ®é buéc dX dRX b. chÕ ®é kh«ng lùc ®Èy C c. chÕ ®é kh«ng m«men c) C P P HH V HH R aI aI b) V R dY V A bI bI V a A dR Wr Wr dX dY dX -dT ChÕ ®é kh«ng lùc ®Èy dµnh cho phÇn tö c¸nh tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: dT = dY cosbI - dX sinbI = 0 ; tgbI = 1/e (14.2.22) nh vËy, ë chÕ ®é nµy sau mét vßng quay, chong chãng sÏ thùc hiÖn mét bíc P1 - gäi lµ bíc kh«ng lùc ®Èy. TrÞ sè J1 = P1/D -bíc tiÕn t¬ng ®èi kh«ng lùc ®Èy hoÆc tû sè bíc thuû ®éng lùc. VÒ nguyªn t¾c P1/D > P/D. Khi tiÕp tôc t¨ng bíc tiÕn t¬ng ®èi (J > J1) sÏ xÈy ra chÕ ®é, khi gãc tíi cña phÇn tö c¸nh t¹i b¸n kÝnh ®ang xÐt aI = 0 vµ lùc n©ng trªn phÇn tö nµy kh«ng xuÊt hiÖn. Bíc tiÕn t¬ng ®èi J0 vµ tû sè bíc P0/D øng víi chÕ ®é nµy ®îc gäi lµ bíc tiÕn t¬ng ®èi vµ tû sè bíc kh«ng lùc n©ng. TiÕp tôc t¨ng J tíi J2 t¬ng øng víi hÖ sè m«men KQ = 0. Lóc nµy hÖ sè lùc ®Èy KT vµ gãc tíi aI cã gi¸ trÞ ©m (Xem H14.3). Chong chãng lµm viÖc ë chÕ ®é kh«ng m«men. ChÕ ®é kh«ng m«men dµnh cho phÇn tö c¸nh tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: 0 = dY sinbI - dX cosbI = 0 ; tgbI = e (14.2.23) Tû sè P2/D øng víi chÕ ®é kh«ng m«men gäi lµ tû sè bíc kh«ng m«men, P2/D > P1/D > P/D. Cµng t¨ng bíc tiÕn t¬ng ®èi (J > J2) hÖ sè KQ sÏ ©m, nghÜa lµ chong chãng quay theo t¸c dông cña dßng ch¶y, t¹o ra m«men híng vÒ phÝa chiÒu quay cña chong chãng. Ph©n tÝch ®êng cong lµm viÖc cña chong chãng ta cã thÓ kh¼ng ®Þnh r»ng: trong giíi h¹n cña bíc tiÕn t¬ng ®èi 0 £ J £ J1 chong chãng t¹o ra lùc ®Èy d¬ng vµ lµm viÖc mang tÝnh chÊt cña thiÕt bÞ ®Èy tµu. Hay nãi c¸ch kh¸c chong chãng tµu thuû ®îc thiÕt kÕ ë chÕ ®é lµm viÖc 0 £ J £ J1 . Khi J > J2 - chong chãng t¹o ra m«men quay vµ lµm viÖc nh tuècbin. Trong giíi h¹n J1 < J < J2 chong chãng kh«ng thÓ dïng lµm thiÕt bÞ ®Èy còng nh lµm tuècbin. §é dµi cña giíi h¹n nµy phô thuéc vµo chÊt lîng ngîc e vµ cµng kÐo dµi khi t¨ng e. Khi kh«ng cã tæn thÊt nhít c¸c ®iÓm dY = 0, dT = 0, dQ = 0 ®Òu trïng nhau cho tõng mÆt c¾t. 106