ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ - PHẦN 2 THIẾT BỊ ĐẨY TÀU THỦY - CHƯƠNG 20

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

192
lượt xem 32
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thiết kế chong chóng 20.1. Các nguyên tắc chung Việc thiết kế chong chóng cho một con tàu cụ thể - một quá trình quan trọng, mà trong đó phải xác định các đặc tính hình học cơ bản của chong chóng và lập bản vẽ lý thuyết. Chong chóng được thiết kế phải đạt hiệu suất đẩy cao và độ tin cậy cao trong khai thác. Độ tin cậy cao của hệ thống chong chóng - đường trục - thân tàu trong các điều kiện khai thác thực tế bằng cách đảm bảo độ bền của cánh, giảm chấn động...

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 20

Ch¬ng 20 ThiÕt kÕ chong chãng 20.1. C¸c nguyªn t¾c chung ViÖc thiÕt kÕ chong chãng cho mét con tµu cô thÓ - mét qu¸ tr×nh quan träng, mµ trong ®ã ph¶i x¸c ®Þnh c¸c ®Æc tÝnh h×nh häc c¬ b¶n cña chong chãng vµ lËp b¶n vÏ lý thuyÕt. Chong chãng ®îc thiÕt kÕ ph¶i ®¹t hiÖu suÊt ®Èy cao vµ ®é tin cËy cao trong khai th¸c. §é tin cËy cao cña hÖ thèng chong chãng - ®êng trôc - th©n tµu trong c¸c ®iÒu kiÖn khai th¸c thùc tÕ b»ng c¸ch ®¶m b¶o ®é bÒn cña c¸nh, gi¶m chÊn ®éng th©n tµu, ®¶m b¶o kÝn níc do lç luån trôc, còng nh lo¹i bá ®îc hiÖn tîng x©m thùc ph¸t sinh vµ ph¸t triÓn ë mäi chÕ ®é khai th¸c. V× c¸c yªu cÇu nµy lu«n lu«n m©u thuÉn nhau nªn khi thiÕt kÕ chong chãng cÇn ph¶i sö dông c¸c ph¬ng ph¸p ®óng dÇn vµ ph¶i híng vµo c¸ch gi¶i quyÕt phèi hîp. Qu¸ tr×nh thiÕt kÕ chong chãng thêng gåm vµi giai ®o¹n (Xem H20.1). Trong giai ®o¹n thø nhÊt chän tèi u c¸c ®Æc tÝnh h×nh häc c¬ b¶n cña chong chãng - ®êng kÝnh tèi u, bíc trung b×nh, sè c¸nh, tû sè ®Üa vµ c¸c th«ng sè kh¸c theo c¸c tÝnh to¸n kh¶ n¨ng di ®éng cña tµu, kÌm theo viÖc sö dông c¸c sè liÖu vÒ lùc c¶n cña tµu, sù t¬ng t¸c gi÷a chong chãng víi th©n tµu, vµ c¸c ®å thÞ thÝ nghiÖm hµng lo¹t m« h×nh chong chãng. ViÖc tÝnh to¸n xuÊt ph¸t tõ c¸c ®iÒu kiÖn ®¹t ®îc tèc ®é ®· cho khi c«ng suÊt cña thiÕt bÞ n¨ng lîng chÝnh lµ nhá nhÊt. §Ó tho¶ m·n ®Çy ®ñ c¸c yªu cÇu ®· ®Æt ra cho chong chãng, do vËy giai ®o¹n hai ph¶i thiÕt kÕ b»ng tÝnh to¸n theo lý thuyÕt xo¸y ®Ó phï hîp víi dßng theo kh«ng ®Òu, víi ®iÒu kiÖn tho¶ m·n ®é bÒn vµ tr¸nh x©m thùc. C¸c tÝnh to¸n kiÓm tra bao gåm viÖc ph©n tÝch søc bÒn tÜnh vµ chu kú cña c¸nh, tÝnh c¸c ®Æc ®iÓm x©m thùc, tÝnh chÊn ®éng cña chong chãng. Khi kh«ng tho¶ m·n c¸c yªu cÇu ®Æt ra cÇn ph¶i tÝnh l¹i b»ng c¸ch thay ®æi c¸c th«ng sè cña chong chãng, vÝ dô sè lîng c¸nh. Sau c¸c lÇn tÝnh c¸c sè liÖu cÇn thiÕt ngêi ta ph¶i chÕ t¹o c¸c m« h×nh chong chãng ®Ó thö trong èng x©m thùc vµ thö m« h×nh tµu tù ch¹y cã l¾p chong chãng. ë giai ®o¹n cuèi ph¶i tÝnh ®Æc tÝnh vËn hµnh ®Ó cïng víi c¸c ®Æc tÝnh ®· thiÕt kÕ cña chong chãng cã thÓ dù b¸o ®îc c¸c ®Æc tÝnh vËn hµnh cña tµu thùc vµ chuÈn bÞ kÕt cÊu c«ng nghÖ ®Ó chÕ t¹o chong chãng. ViÖc kiÓm tra cuèi cïng sù tho¶ m·n c¸c tÝnh to¸n thiÕt kÕ víi c¸c sè liÖu thùc tÕ ®îc thùc hiÖn khi thö tèc ®é tµu. Khi thiÕt kÕ chong chãng ngêi ta sö dông réng r·i m¸y vi tÝnh. Trong tÊt c¶ c¸c giai ®o¹n ngêi ta tËp hîp c¸c tÝnh to¸n vµo mét hÖ thèng tù ®éng thiÕt kÕ duy nhÊt cña chong chãng, mµ nã lµ mét bé phËn cÊu thµnh cña hÖ thèng tù ®éng thiÕt kÕ tµu. 147
© C¸c sè liÖu cña h Ö n ¨ng §o tr êng tè c ® é ë ®Üa C¸c ®Æc tÝnh t¬ ng t¸c Th ö kÐo m« h ×nh tµu. Thö m« h ×nh tro ng l îng ; c¬ k hÝ è ng x©m th ùc ch ong ch ãn g vµ ( hoÆc) m« h×nh cñ a n ã X ¸c ®Þnh c¸c ® Æc tÝnh c¬ b ¶n cña cho ng C huÈn bÞ k Õt cÊu c« ng n ghÖ ®Ó ch Õ t¹o Dù ®o ¸n c¸c ® Æc tÝn h vËn hµn h cña tµu TÝnh to¸n th iÕt kÕ theo lý th uyÕt xo ¸y TÝnh to¸n k iÓm tr a ch ong chãn g chã ng . TÝnh s ¬ bé k h¶ n¨n g di ®én g Thö lù c ® Èy m« h×n h cña tµu Bµi to¸n k ü thuËt ®Ó thiÕt kÕ © C¸c ®å th Þ thÝ n ghiÖm h µng ch ong chãn g lo¹t m« h ×nh H×nh 20.1. C¸c giai ®o¹n thiÕt kÕ chong chãng. © 20.2. Chän s¬ bé c¸c phÇn tö chÝnh cña chong chãng vµ ®¸nh gi¸ c«ng suÊt tiªu thô §Ó ®¸nh gi¸ c«ng suÊt tiÖu thô cña tµu khi chuyÓn ®éng víi tèc ®é ®· cho vµ tiÕp ®Õn chän m¸y chÝnh cÇn ph¶i thùc hiÖn phÐp tÝnh s¬ bé chong chãng theo lùc ®Èy ®· biÕt. B×nh thêng ngêi ta sö dông ®å thÞ kiÓu ®Æc biÖt hoÆc c¸c c«ng thøc gÇn ®óng, ®Ó nhê chóng ®¸nh gi¸ ®îc c«ng suÊt tiªu thô, chän ®îc m¸y chÝnh víi c«ng suÊt gÇn c«ng suÊt tiªu thô vµ vßng quay t¬ng øng, ®ång thêi gi¶i ®îc bµi to¸n vÒ viÖc l¾p ®Æt bé ®iÒu tèc vµ chän tû sè truyÒn. B©y giê ta tr×nh bµy ph¬ng ph¸p gÇn ®óng ®Ó tÝnh to¸n c¸c ®Æc tÝnh h×nh häc c¬ b¶n vµ ®Æc tÝnh ®Èy cña chong chãng, còng nh vßng quay tèi u khi tÝnh chong chãng theo lùc ®Èy ®· biÕt dùa vµo c¸c ®å thÞ thiÕt kÕ ®· tr×nh bµy. Tríc hÕt cÇn biÕt lùc ®Èy 148
cña chong chãng T, tèc ®é tÝnh to¸n v A vµ c¸c ®Æc tÝnh t¬ng t¸c ®· biÕt. §èi víi c¸c chong chãng bèn vµ n¨m c¸nh thêng dïng c«ng thøc díi ®©y: D nm = 11,84 T (20.2.1) trong ®ã: nm - sè vßng quay trong mét phót, T - b»ng KN. §èi víi lùc ®Èy ®· cho th× c«ng thøc nµy cho phÐp tÝnh ®îc ®êng kÝnh tèi u cña chong chãng khi biÕt vßng quay hoÆc gi¶ thiÕt ®êng kÝnh tÝnh vßng quay. §èi víi chong chãng cã ®êng kÝnh ®· biÕt th× vßng quay kh«ng thÓ chän mét c¸ch tuú tiÖn. Khi thiÕt kÕ chong chãng cÇn ph¶i ®¶m b¶o tÝch sè D nm øng víi lùc ®Èy ®· cho. Chó ý ®Õn mèi quan hÖ gi÷a lùc ®Èy vµ c«ng suÊt: 0,5144(1 - t )TvS Rv PS = = (20.2.2) hDhS hDhS vµ c¸c trÞ sè thèng kª trung b×nh t =0,18; hD = 0,66; hS = 0,98 thay cho (20.1) ta cã: PS D nm = 134 (20.2.3) vS trong ®ã: PS - c«ng suÊt trªn bÝch ®éng c¬, KW Trªn h×nh (20.2.2) th× D nm lµ hµm cña c¸c trÞ sè t¬ng øng PS / v S . C«ng thøc (20.2.1) cã thÓ gäi lµ c«ng thøc thuéc th©n tµu, bëi v× ®Ó tÝnh D nm tèi u cÇn ph¶i biÕt lùc ®Èy, mµ nã cã liªn quan tíi lùc c¶n cña tµu. ChÝnh ngay c«ng thøc (20.2.3) ®Ó xö dông nã còng ph¶i gi¶ thiÕt c«ng suÊt cña hÖ ®éng lùc, nªn ®îc gäi lµ c«ng thøc thuéc vÒ m¸y. D nm a 90 80 70 D nm = 134 PS vS H×nh 20.2. TÝch sè D nm phô thuéc 60 vµo tØ sè PS/vS 50 40 100 200 300 500 1000 2000 P / vS S a §Ó ®¸nh gi¸ hiÖu suÊt lµm viÖc cña chong chãng tèi u cã thÓ sö dông c«ng thøc (16.3.12) : h0 = 1,876 - 1,235 CTA1 . 0, ViÖc ®¸nh gi¸ tû sè bíc kÕt cÊu trung b×nh cho chÝnh c¸c ph¬ng ¸n ®ã cã thÓ thùc hiÖn theo c«ng thøc: P a = 1 2 + b + 0,4t ; C E = (1 - t )CTA (20.2.4) D CE c¸c hÖ sè a vµ b trong b¶ng (20.1) ®Òu phô thuéc vµo sè c¸nh. 149
B¶ng 20.1. C¸c hÖ sè a, b trong (20.2.4) Z AE / A0 a b 3 0,50 0,564 0,203 4 0,55 0,545 0,304 5 0,60 0,581 0,329 6 0,80 0,608 0,387 Nh vËy cã thÓ thùc hiÖn tr×nh tù tÝnh to¸n sau ®©y: Gi¶ thiÕt vßng quay cña chong chãng theo (20.2.1) tÝnh c¸c ®êng kÝnh tèi u øng víi vßng quay ®ã, tiÕp theo tÝnh hÖ sè t¶i träng, hiÖu suÊt lµm viÖc cña chong chãng trong níc tù do, hiÖu suÊt ®Èy. 1 1- t hD = h0 (20.2.5) iQ 1 - wt Vµ c«ng suÊt tiªu thô: PS = R v / hD hS (20.2.6) ViÖc ®¸nh gi¸ bíc trung b×nh cÇn thiÕt cã thÓ thùc hiÖn theo (20.2.4) lµ hµm cña sè lîng c¸nh. Mµ ë giai ®o¹n nµy sè c¸nh cã thÓ x¸c ®Þnh s¬ bé b»ng thÝ nghiÖm. ViÖc ®¸nh gi¸ tû sè ®Üa cÇn thiÕt ®Ó ®¶m b¶o kh«ng bÞ x©m thùc ph¸t triÓn cã thÓ x¸c ®Þnh theo khuyÕn nghÞ cña c«ng thøc (18.5.2). C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n nªn biÓu diÔn theo d¹ng ®å thÞ phô thuéc vµo vßng quay. Mèi quan hÖ gi÷a c«ng suÊt cña hÖ ®éng lùc víi vßng quay cña chong chãng ®îc thÓ hiÖn qua b¶ng 20.2. B¶ng 20.2. Giíi h¹n thay ®«Ø vßng hîp lý cña chong chãng C«ng suÊt PS, kw 1000 2500 5000 10000 Vßng quay cña chong chãng nm, 250-300 180-210 130-160 115-130 v/p C«ng suÊt PS, kw 20000 30000 40000 Vßng quay cña chong chãng 100-120 90-110 85-100 nm, v/p 20.3. Sù phï hîp gi÷a chong chãng víi hÖ ®éng lùc vµ lùa chän chÕ ®é tÝnh to¸n Chong chãng lµ thiÕt bÞ ®Èy tiªu thô c«ng suÊt cña ®éng c¬. Khi c«ng suÊt ®îc truyÒn trùc tiÕp vµo trôc chong chãng th× sù phèi hîp lµm viÖc gi÷a chong chãng víi ®éng c¬ ®îc x¸c ®Þnh bëi sù b»ng nhau cña c¸c vßng quay cña trôc vµ chong chãng, còng nh sù b»ng nhau gi÷a m« men xo¾n cña ®éng c¬ vµ m« men c¶n quay cña chong chãng (m«men cña chong chãng) cã lu ý ®Õn lîng tæn thÊt do ma s¸t trªn ®êng trôc. M« men cña chong chãng t×m theo c«ng thøc: QB = KQ r n2 D5 (20.3.1) 150
trong ®ã: KQ - hµm cña bíc tiÕn t¬ng ®èi vµ tû sè bíc kÕt cÊu. KQ = KQ(J, P/D) (20.3.2) §èi víi tµu vËn t¶i biÓn, tèc ®é tµu ë chÕ ®é khai th¸c hÇu nh phô thuéc tuyÕn tÝnh vµo vßng quay cña chong chãng v = const n (20.3.3) C«ng suÊt do chong chãng tiªu thô tû lÖ bËc ba víi vßng quay. PD = 2p n QB = 2p KQ r D5 n3 = c n3 (20.3.4) Mèi quan hÖ gi÷a c«ng suÊt do chong chãng tiªu thô víi vßng quay cña nã gäi lµ ®Æc tÝnh cña chong chãng. T¬ng tù (20.3.1), m« men xo¾n cña ®éng c¬ cã thÓ viÕt: Q® = K’Q r n2 D5 (20.3.5) Trong trêng hîp nµy khi Q® = const th× hÖ sè K’Q chØ lµ hµm cña vßng quay: KQ’ = KQ’(n) (20.3.6) §iÒu kiÖn Q B = Q® dÉn ®Õn KQ = K’Q Nhng ®èi víi chong chãng ®· cho KQ = KQ(J) cßn K’Q = K’Q(n) nªn khi lùc c¶n cña tµu thay ®æi cßn vßng quay cña ®éng c¬ kh«ng ®æi th× ®iÒu kiÖn c©n b»ng c¸c hÖ sè bÞ vi ph¹m, sù phèi hîp lµm viÖc gi÷a chong chãng vµ ®éng c¬ sÏ kh«ng nhÞp nhµng. §Ó ph©n tÝch toµn diÖn h¬n vÒ sù phèi hîp lµm viÖc ta xÐt c¸c ®Æc tÝnh vËn hµnh cña c¸c ®éng c¬ ®èt trong ®îc dïng phæ biÕn nhÊt trªn c¸c tµu. H×nh 20.3 tr×nh bµy c¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña ®éng c¬ ®Ó nãi lªn vïng lµm viÖc æn ®Þnh cña nã: a P S/PS HOM A H×nh 20.3. Vïng lµm 1 viÖc cña ®éng c¬ ®èt 1 B trong vµ sù phï hîp 4 IC 2 lµm viÖc gi÷a chong chãng víi ®éng c¬. III II 3 5 0 1 n/n HOM a §Æc tÝnh ®Þnh møc ngoµi, nghÜa lµ sù phô thuéc gi÷a c«ng suÊt víi vßng quay khi lîng nhiªn liÖu cÊp cho ®éng c¬ lµ lín nhÊt 1; §Æc tÝnh h¹n chÕ theo t×nh tr¹ng øng suÊt c¬ häc 2, øng víi ®iÒu kiÖn Q® = const vµ PS = 2pnQ®; §êng cong c¸c vßng quay æn ®Þnh nhá nhÊt 3; - §Æc tÝnh ®iÒu khiÓn h¹n chÕ 4, mµ khi vît qu¸ ®Æc tÝnh nµy do gi¶m ®ét ngét t¶i träng trªn chong chãng, bé ®iÒu khiÓn ®iÒu phèi vßng quay ®Ó ®éng c¬ kh«ng ®îc phÐp lµm viÖc khi n > 1,03nm; - §Æc tÝnh h¹n chÕ thÊp, hoÆc ®Æc tÝnh kh«ng t¶i 5; §iÓm A cña ®å thÞ x¸c ®Þnh c«ng suÊt ®Þnh møc l©u dµi cña ®éng c¬ víi vßng quay ®Þnh møc khi lµm viÖc kh«ng qu¸ t¶i. Khi ®éng c¬ khai th¸c b×nh thêng nã kh«ng ®îc phÐp lµm viÖc cao h¬n c¸c ®Æc tÝnh h¹n chÕ vÒ øng suÊt nhiÖt hoÆc c¬ (®êng 1 hoÆc 2). 151
Trªn ®å thÞ nµy tr×nh bµy c¸c ®Æc tÝnh cña chong chãng - ®êng I, II, III. §Æc ®iÓm tÝnh to¸n cña chong chãng (®êng I) ®i qua ®iÓm A vµ t¹i ®ã tho¶ m·n ®¼ng thøc KQ=K’Q. Khi vît ra ngoµi ®Æc tÝnh ngoµi cña ®éng c¬ chong chãng ph¸t huy vßng quay ®Þnh møc th× chong chãng ®ã gäi lµ chong chãng nÆng t¶i thuû ®éng (®iÓm B), ®èi víi trêng hîp nµy KQ>K’Q. Chong chãng nhÑ t¶i thuû ®éng lµ chong chãng mµ khi ®¹t ®Õn vßng quay ®Þnh møc (®iÓm C) nã kh«ng tËn dông hÕt c«ng suÊt ®Þnh møc, ®èi víi trêng hîp nµy KQ < K’Q. §éng c¬ vµ chong chãng kh«ng phï hîp nhau ®Òu ®îc ph¸t hiÖn trong trong qu¸ tr×nh thö vµ khai th¸c tµu. Nh ®· thÊy tõ h×nh 20.3 ®èi víi chong chãng nÆng t¶i còng nh nhÑ t¶i tæng c«ng suÊt kh«ng ®îc tËn dông hÕt nªn ®· mang l¹i tèc ®é khai th¸c cña tµu nhá h¬n tèc ®é tÝnh to¸n vµ ®éng c¬ lµm viÖc kh«ng kinh tÕ. Do ®ã vÊn ®Ò hÕt søc quan träng lµ viÖc lùa chän ®óng chÕ ®é tÝnh to¸n ®Ó thiÕt kÕ chong chãng. Trong qu¸ tr×nh khai th¸c lùc c¶n cña tµu kh«ng ngõng t¨ng lªn, chong chãng sÏ nÆng t¶i, vßng quay tôt xuèng, cßn tèc ®é tµu lu«n lu«n thÊp h¬n tèc ®é tÝnh to¸n vµ gi¶m dÇn theo thêi gian. ViÖc t¨ng t¶i cña chong chãng dÉn ®Õn viÖc mµi mßn cña ®éng c¬, tiªu hao thªm chÊt ®èt vµ ¶nh hëng xÊu tíi chØ tiªu khai th¸c kinh tÕ vµ th¬ng m¹i cña tµu. ViÖc bï trõ lîng t¨ng t¶i cña chong chãng do t¨ng lùc c¶n cña tµu lµ c¸ch thiÕt kÕ víi lîng gi¶m bíc sao cho trong c¸c ®iÒu kiÖn khi ch¹y bµn giao chong chãng ph¶i nhÑ t¶i thuû ®éng. Trong qu¸ tr×nh khai th¸c tµu, chong chãng sÏ dÇn dÇn bÞ nÆng t¶i vµ gÇn vµo gi÷a thêi kú gi÷a c¸c lÇn lªn ®µ nã t¬ng øng víi th©n tµu vµ ®éng c¬ ë chÕ ®é tÝnh to¸n. Vµo cuèi thêi kú gi÷a c¸c lÇn lªn ®µ nã còng lµm cho ®éng c¬ qu¸ t¶i, nhng ë giíi h¹n thÊp h¬n. C¨n cø vµo ®iÒu kiÖn trªn th× c«ng suÊt ®Þnh møc cña ®éng c¬ vµ vßng quay x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: ntt = K nHOM ; K > 1,0 (20.3.7) trong ®ã: K - hÖ sè phô thuéc kiÓu kÕt cÊu th©n tµu, vïng khai th¸c cña nã, kiÓu ®éng c¬ vµ c¸c tÝnh chÊt kÕt cÊu cña ®éng c¬ còng nh chu kú lªn ®µ cña tµu. Trung b×nh hÖ sè K =1,03 ¸1,05 ®Ó nã t¬ng ®¬ng víi l¬ng dù tr÷ c«ng suÊt ë gi÷a chu kú gi÷a c¸c lÇn lªn ®µ, kho¶ng b»ng 10 ¸ 15%. ViÖc l¾p ®Æt c¸c tæ tuèc bin r¨ng khÝa cã c¸c ®Æc tÝnh cao h¬n, hÕt søc thuËn lîi cho chong chãng nÆng t¶i còng nh nhÑ t¶i v× chóng cho phÐp ®iÒu chØnh ®îc c«ng suÊt vµ vßng quay. VÝ dô, víi chong chãng nÆng t¶i trong c¸c ®iÒu kiÖn khai th¸c vÉn cã thÓ t¨ng thªm ®îc c«ng suÊt do t¨ng lîng h¬i níc khi vßng quay chong chãng gi¶m kh«ng ®¸ng kÓ. Nh vËy, t×nh tr¹ng øng suÊt nhiÖt cña tæ tuèc bin r¨ng khÝa kh«ng thay ®æi mµ chØ t¨ng chót Ýt t¶i träng lªn bé gi¶m tèc thêng cã lîng dù tr÷ søc bÒn ®¶m b¶o. Tõ ®ã thÊy r»ng: chong chãng cña tµu l¾p tuèc bin kh«ng cÇn ph¶i gi¶m bíc khi thiÕt kÕ. Bíc trung b×nh cña chong chãng nªn chän theo ®iÒu kiÖn thö bµn giao víi c«ng suÊt ®Þnh møc vµ vßng quay ®Þnh møc. 20.4. Lùa chän chÝnh x¸c c¸c yÕu tè h×nh häc c¬ b¶n cña chong chãng Sau khi chän ®îc kiÓu vµ c«ng suÊt cña ®éng c¬, ®Þnh ®îc vßng quay cña chong chãng vµ x¸c ®Þnh ®îc chÕ ®é tÝnh to¸n cho nã, cÇn ph¶i x¸c ®Þnh chÝnh x¸c c¸c yÕu tè h×nh häc vµ kÕt cÊu chong chãng mµ chóng ph¶i t¹o ®îc hiÖu qu¶ cao nhÊt khi sö 152
dông hÕt c«ng suÊt cña ®éng c¬, ®ång thêi ph¶i tho¶ m·n mét lo¹t c¸c yªu cÇu vÒ chÊn ®éng thÊp, kh«ng cã x©m thùc ph¸t triÓn. v.v. . . ë ®©y, ta chØ tr×nh bµy c¸c khuyÕn nghÞ chung vÒ c¸ch lùa chän c¸c phÇn tö kÕt cÊu cña chong chãng, mµ chñ yÕu chóng ®îc x¸c ®Þnh tõ c¸c yªu cÇu vÒ ®é bÒn vµ chÊn ®éng còng nh nh÷ng nguyªn nh©n kh¸c. Ph¬ng ph¸p lùa chän cuèi cïng ®êng kÝnh tèi u cña chong chãng vµ tû sè bíc kÕt cÊu cña nã ®îc tr×nh bµy ë §35. - Chän sè c¸nh trªn c¸c tµu vËn t¶i biÓn ngêi ta sö dông c¸c chong chãng víi sè c¸nh 3 ¸ 7. Sè c¸nh lµ th«ng sè quan träng nhÊt v× tÇn sè vµ biªn ®é cña c¸c lùc còng nh m«men chu kú sinh ra trªn c¸c c¸nh vµ g©y nªn chÊn ®éng hÖ trôc còng nh th©n tµu ®Òu phô thuéc vµo nã. V× vËy, tríc lóc x¸c ®Þnh lÇn cuèi sè c¸nh cÇn ph¶i tÝnh c¸c tÇn sè giao ®éng b¶n th©n cña th©n tµu vµ c¸c kÕt cÊu riªng lÎ cña nã, cña hÖ trôc vµ hÖ n¨ng lîng ë chÕ ®é khai th¸c chÝnh cña tµu. Sè lîng c¸nh cÇn ph¶i lÊy sao cho tÇn sè cña c¸nh n = nZ vµ trÞ sè gÊp ®«i cña nã n = 2nZ kh«ng trïng víi c¸c tÇn sè b¶n th©n cña ba nhÞp ®Çu tiªn cña giao ®éng th©n tµu, kÕt cÊu chÝnh, hÖ trôc vµ hÖ n¨ng lîng. Khi x¸c ®Þnh sè lîng c¸nh cÇn ph¶i chó ý r»ng cµng t¨ng sè lîng c¸nh, tû sè ®Üa sÏ t¨ng lªn chót Ýt ®ång thêi gi¶m chót Ýt ®êng kÝnh tèi u, nh vËy, hiÖu suÊt lµm viÖc còng h¬i gi¶m xuèng, ®iÒu ®ã cã liªn quan ®Õn viÖc t¨ng chiÒu dµy t¬ng ®èi cña c¸nh. VÝ dô khi t¨ng Z tõ 4 tíi 6 th× hiÖu suÊt gi¶m mét lîng 2 ¸ 3 %. Sè c¸nh Z cã thÓ chän theo ®iÒu kiÖn sau: §èi víi chong chãng cña c¸c can« cao tèc, chän Z = 3 khi: r vA 4 r ³ 1,0 hoÆc: KDT= vAD ³1,5 KNT= nT T nÕu c¸c hÖ sè KNT vµ KDT nhá h¬n trÞ sè trªn th× chän Z = 4. §èi víi chong chãng cña c¸c tµu vËn t¶i, chän Z = 3, khi: r vA 4 r ³ 1,0 hoÆc: KDT= vAD ³2,0 KNT= nT T nÕu c¸c hÖ sè KNT vµ KDT nhá h¬n trÞ sè trªn th× chän Z = 4. - §é nghiªng cña c¸nh - ®iÒu nµy ®¶m b¶o c¸c khe hë cÇn thiÕt gi÷a c¸c c¸nh vµ th©n tµu mµ kh«ng cÇn ph¶i kÐo dµi hÖ trôc. Do c¸nh cã ®é nghiªng nªn gi¶m bít lùc hót vµ biªn ®é cña c¸c ¸p suÊt kÝch thÝch trªn th©n tµu, tõ ®ã gi¶m ®îc chÊn ®éng th©n tµu. C¸c thÝ nghiÖm cho biÕt r»ng víi ®é nghiªng cña c¸nh díi 100 th× c¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng vµ hiÖu suÊt cña chong chãng hÇu nh kh«ng ®æi. Gãc nghiªng cña c¸nh chong chãng ¸p dông cho c¸c lo¹i tµu thêng trong giíi h¹n tõ 0 ¸ 150. - Chän h×nh d¹ng ®êng bao c¸nh. D¹ng ®êng bao cña c¸nh chong chãng ®îc biÓu thÞ b»ng sù ph©n bè chiÒu réng däc theo b¸n kÝnh vµ vÞ trÝ cña mÆt c¾t h×nh trô ®èi víi ®êng t©m c¸nh. Sù ph©n bè chiÒu réng däc theo b¸n kÝnh vÒ mÆt kÕt cÊu ph¶i lÊy theo kÝch thíc cña cñ vµ kiÓu chong chãng (víi nh÷ng mÆt c¾t gÇn cñ), cßn ë nh÷ng mÆt c¾t (r/R > 0.6) chÞu t¶i lín nhÊt víi ®iÒu kiÖn ph¶i tho¶ m·n ®ång thêi søc bÒn vµ x©m thùc. ViÖc ¸p dông ®êng bao d¹ng lìi dao kh«ng ®èi xøng qua ®êng t©m c¸nh cã thÓ gi¶m bít t¶i träng chu kú sinh ra trªn chong chãng khi lµm viÖc trong trêng tèc ®é kh«ng ®ång ®Òu. C¸c chong chãng thuéc lo¹t ‘’B‘’ cña Hµ Lan ®îc chÕ t¹o ®óng víi d¹ng nµy vµ cã d¹ng lìi dao Ýt qu¾m h¬n. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ngêi ta dïng c¸nh d¹ng lìi dao qu¾m nhiÒu h¬n (Xem H20.4), nã cho phÐp g¶m ®îc giao ®éng cña c¸c t¶i träng chu kú xuèng 2 ®Õn 3 lÇn vµ cã thÓ cßn lín h¬n nhiÒu so víi chong chãng c¸nh b×nh thêng. 153
a a) b) a H×nh 20.4. C¸c chong chãng cã ®êng bao h×nh lìi dao a. Qu¾m Ýt b. Qu¾m nhiÒu - Chän tû sè ®Üa cña chong chãng. Tû sè ®Üa cã ¶nh hëng lín tíi hiÖn tîng x©m thùc cña chong chãng còng nh søc bÒn vµ hiÖu suÊt lµm viÖc cña nã. C¸c ®ît thÝ nghiÖm cho thÊy r»ng víi c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c gièng nhau th× khi t¨ng AE/A0 sÏ t¨ng c¸c hÖ sè lùc ®Èy vµ m«men, ®Æc biÖt lµ ë nh÷ng bíc tiÕn t¬ng ®èi cã gi¸ trÞ nhá, do t¨ng diÖn tÝch cña c¸nh, n¬i sinh ra c¸c lùc ¸p suÊt (Xem H20.5). Nhng hÖ sè m«men t¨ng nhanh do t¨ng c¸c läng tæn thÊt pr«phin, khiÕn gi¶m bít hiÖu suÊt lµm viÖc. T¨ng AE/A0 lªn 0,1 th× hiÖu suÊt gi¶m kho¶ng 1,5 ¸ 2%. ViÖc lùa chän lÇn cuèi tû sè ®Üa cÇn thiÕt nhá nhÊt ®îc tiÕn hµnh ë giai ®o¹n hai cña qu¸ tr×nh tÝnh to¸n thiÕt kÕ chong chãng khi ®· tho¶ m·n ®Çy ®ñ vµ ®ång thêi c¸c yªu cÇu vÒ søc bÒn vµ kh«ng x©m thùc. §Ó tÝnh chong chãng theo ®å thÞ, tû sè ®Üa cÇn thiÕt nhá nhÊt mµ kh«ng x¶y ra x©m thùc x¸c ®Þnh theo sè liÖu ch¬ng VII. a K T; 10K Q; h 0 0,8 10K Q h0 H×nh 9.5. ¶nh hëng cña 0,6 tØ sè ®Üa ®èi víi c¸c ®êng cong lµm viÖc cña chong 0,4 chãng (Z = 3; P/D = 1,0) _______ AE/A0 = 0,35 0,2 K T - - - - AE/A0 = 0,65 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2J a §Ó x¸c ®Þnh tû sè ®Üa cña can« cao tèc cã thÓ sö dông ®å thÞ hoÆc c«ng thøc sau: AE T ³ A0 50 D 2 trong ®ã: T - lùc ®Èy cña chong chãng, KN; D - ®êng kÝnh chong chãng, m. 154
§èi víi tµu vËn t¶i biÓn tû sè ®Üa cã thÓ x¸c ®Þnh theo ®å thÞ: æ AE ö ç ÷ = f (T , h0 ) çA ÷ è0 øK §Ó kh¾c phôc sù ph¸t sinh giai ®o¹n thø nhÊt cña x©m thùc, ta chän (AE/A0) = 1,2(AE/A0)K, ®Ó tr¸nh giai ®o¹n thø hai cña x©m thùc, ta chän AE/A0 @ (1,5 ¸ 1,7) (AE/A0)K. - Chän d¹ng pr«phin - D¹ng pr«phin cña c¸nh m« t¶ ®é cong t¬ng ®èi cña ®êng gi÷a, gãc lùc n©ng kh«ng, còng nh sù ph©n bè ¸p suÊt trªn pr«phin, mµ nã ¶nh hëng rÊt lín tíi hiÖu suÊt lµm viÖc cña chong chãng. eC §èi víi nh÷ng chong chãng kh«ng x©m thùc 12 thuéc tµu vËn t¶i biÓn, ngêi ta ¸p dông réng r·i pr«phin khÝ ®éng kiÓu NACA hoÆc cã c¶i biªn. H×nh 20.6 m« t¶ mét trong c¸c pr«phin víi chiÒu dµy t¬ng b ®èi d = 0,12 do Liªn x« (cò) chÕ t¹o. Nhê sù ph©n bè ®ång ®Òu ¸p suÊt trªn phÇn lín phÝa hót nªn c¸c H×nh 20.6. Pr«phin khÝ ®éng pr«phin kiÓu nµy vÉn ®¶m b¶o chÕ ®é ch¶y tÇng trong cña chong chãng (d = 0,12; dC líp biªn, khiÕn t¨ng thªm ®îc chÊt lîng cña chóng. = eC/b = 0,0176) ViÖc ¸p dông chóng cho phÐp n©ng cao hiÖu suÊt lµm 1- ®êng gi÷a; 2- d©y cung viÖc cña chong chãng lªn 5 ¸ 6% ¶nh hëng lín nhÊt tíi c¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng lùc cña chong chãng lµ ®é cong cña ®êng gi÷a dc = ec / b, mµ khi t¨ng nã th× hÖ sè CY cña c¸c phÇn tö c¸nh sÏ t¨ng lªn, vµ ®¬ng nhiªn hÖ sè lùc ®Èy vµ m«men còng t¨ng theo. Sù ph©n bè ®é cong ®êng gi÷a theo b¸n kÝnh ®îc x¸c ®Þnh b»ng tÝnh to¸n theo lý thuyÕt xo¸y, xuÊt ph¸t tõ ®iÒu kiÖn hÖ sè chÊt lîng ngîc cña phÇn tö c¸nh e = dx/dy lín nhÊt. Trong vµi trêng hîp ®Æc biÖt ®èi víi chong chãng lo¹t “B” cña Hµ lan, trªn c¸c mÆt c¾t s¸t ®Ønh c¸nh ngêi ta dïng pr«phin m¶nh trßn ®èi xøng víi chiÒu dµy lín nhÊt n»m ë t©m d©y cung. §èi víi c¸c chong chãng cña tµu ph¸ b¨ng vµ tµu ch¹y trong vïng cã b¨ng cÇn ¸p dông c¸nh cã d¹ng pr«phin ®Æc biÖt, víi chiÒu dµy cña pr«phin tiÕt diÖn c¸nh lµ lín ®Ó ®¹t hiÖu qu¶ lµm viÖc cao ë c¸c chÕ ®é gÇn víi chÕ ®é buéc vµ chÕ ®é lïi. - Chän chiÒu dµy cña c¸nh - chiÒu dµy cña c¸nh ë mçi b¸n kÝnh ®îc x¸c ®Þnh theo c¸c ®iÒu kiÖn ®ång thêi ®¶m b¶o søc bÒn cao vµ ¸p suÊt nhá nhÊt ®Ó kh«ng xuÊt hiÖn x©m thùc. C¸c yªu cÇu nµy ®Òu m©u thuÉn nhau. C¸c ®ît thÝ nghiÖm cho biÕt r»ng lîng t¨ng chiÒu dµy t¬ng ®èi khi gi÷ nguyªn phÝa ®¹p cña pr«phin sÏ lµm t¨ng ®é cong cña ®êng gi÷a, vµ ®¬ng nhiªn t¨ng c¶ hÖ sè lùc ®Èy vµ m«men, nhng l¹i gi¶m hiÖu suÊt lµm viÖc do t¨ng lîng tæn thÊt pr«phin; x©m thùc xuÊt hiÖn sím h¬n, chÝnh v× thÕ cÇn ph¶i x¸c ®Þnh chiÒu dµy nhá nhÊt cña c¸nh. ViÖc ph©n bè chiÒu dµy däc theo b¸n kÝnh ®îc ®Æc trng b»ng chiÒu dµy quy íc cña mÆt c¾t e0 t¹i trôc chong chãng, chiÒu dµy ®Ønh c¸nh thêng chän theo lý do kÕt cÊu hoÆc ®å thÞ chiÒu dµy lín nhÊt, quy luËt biÕn ®æi chiÒu dµy gÇn víi tuyÕn tÝnh. §èi víi c¸c chong chãng thuéc tµu vËn t¶i e0 thêng b»ng 4 ¸ 5% ®êng kÝnh chong chãng. ChiÒu dµy t¬ng ®èi cña pr«phin tiÕt diÖn c¸nh ë ch©n c¸nh d = ek/b kh«ng ®îc vît qu¸ 0,22. - Tû sè bíc kÕt cÊu - tû sè nµy lµ th«ng sè h×nh häc quan träng nhÊt mµ c¸c hÖ sè thuû ®éng lùc phô thuéc vµo nã. Nh ®· thÊy ë h×nh 5.3, khi t¨ng P/D c¸c hÖ sè lùc ®Èy vµ m«men t¨ng lªn trong suèt giíi h¹n biÕn thiªn cña bíc tiÕn t¬ng ®èi. §iÒu nµy ®îc gi¶i thÝch lµ khi t¨ng bíc dÉn ®Õn viÖc t¨ng gãc bíc j vµ gãc tíi t¬ng øng 155
cña phÇn tö c¸nh, ®ång thêi t¨ng lùc n©ng vµ lùc c¶n h×nh d¸ng nªn lùc ®Èy vµ m«men t¨ng, ®ång thêi hiÖu suÊt thay ®æi theo kiÓu phøc t¹p. Trong vïng bíc tiÕn t¬ng ®èi bÐ, do lùc ®Èy t¨ng nªn hÖ sè t¶i träng CTA t¨ng, khiÕn hiÖu suÊt c¶m øng gi¶m xuèng. §ång thêi do gi¶m chÊt lîng thuû ®éng nªn hiÖu suÊt kÕt cÊu còng gi¶m, khiÕn tæng hiÖu suÊt lµm viÖc cña chong chãng gi¶m xuèng. Víi nh÷ng bíc tiÕn t¬ng ®èi cña chong chãng lµ lín, c¸c phÇn tö c¸nh lµm viÖc ë nh÷ng gãc tíi rÊt bÐ, kh«ng tèi u, nªn viÖc t¨ng tû sè bíc sÏ n©ng cao chÊt lîng thuû ®éng cña c¸c phÇn tö c¸nh chong chãng vµ t¨ng hiÖu suÊt lµm viÖc cña chong chãng nãi chung do t¨ng gãc tíi. ViÖc lùa chän hîp lý tû sè bíc kÕt cÊu trung b×nh ®îc thùc hiÖn b»ng c¸c ®å thÞ thiÕt kÕ cô thÓ. ViÖc lùa chän nµy ph¶i ®¶m b¶o ®îc c¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng ®· cho còng nh sù phï hîp lµm viÖc gi÷a chong chãng vµ ®éng c¬. - ViÖc bè trÝ chong chãng sau th©n tµu. Nh ®· tr×nh bµy ë ch¬ng VI vµ VII, c¸ch bè trÝ chong chãng còng nh c¸c chi tiÕt cña hÖ thiÕt bÞ ®Èy - b¸nh l¸i (b¸nh l¸i, mò tho¸t níc, æ ®ì, ®¹o lu, sèng ®u«i) cã ¶nh hëng lín ®Õn kh¶ n¨ng di ®éng cña tµu, chÊn ®éng th©n tµu vµ cêng ®é x©m thùc. Khi l¾p ghÐp hÖ thiÕt bÞ ®Èy - l¸i cÇn ph¶i tËn dông hÖ sè ¶nh hëng cao nhÊt cña th©n tµu vµ møc ®é kh«ng ®ång ®Òu nhá nhÊt cña dßng níc ch¶y vµo ®Üa thiÕt bÞ ®Èy víi ®iÒu kiÖn ®¶m b¶o mét lo¹t c¸c yªu cÇu khai th¸c. VÝ dô tr¸nh kh«ng cho kh«ng khÝ tù do lät vµo chong chãng, tr¸nh h háng hÖ thèng khi bÊt ngê ch¹m ®Êt, v.v. . . Dùa vµo kinh nghiÖm do tÝch luü ®îc, cho tíi nay ngêi ta ®· tr×nh bµy c¸c sè liÖu cho viÖc bè trÝ chong chãng sau th©n tµu (h×nh 9.7), tho¶ m·n c¸c yªu cÇu vÒ kh¶ n¨ng di ®éng vµ dung hoµ chÊn ®éng cña chong chãng. Kho¶ng c¸ch gi÷a chong chãng vµ sèng ®u«i hoÆc æ ®ì trªn tµu hai chong chãng nªn lÊy theo ®iÒu kiÖn b/D ³ 0,45. Khe hë l gi÷a chong chãng vµ th©n tµu ph¶i chän sao cho tr¸nh chÊn ®éng cho phÇn ®u«i tµu ë møc ®é cao. §èi víi tµu mét chong chãng nªn lÊy: l/D ³ 0,15 + 1,1.10- (n - 60); ®èi víi tµu hai chong chãng l/D ³ 0,26; trong ®ã n (Xem H20.7) ®o b»ng ®é. 3 Khe hë gi÷a ky l¸i vµ chong chãng ph¶i lµ m/D ³ 0,05. Kho¶ng c¸ch nhá nhÊt gi÷a chong chãng vµ b¸nh l¸i ph¶i tho¶ m·n tû sè a/D ³ 0,2 + 1,5(eM/D - 0,15), chiÒu dµy tíi h¹n cho phÐp cña b¸nh l¸i ë mÆt c¾t r = 0,7 ph¶i lÊy theo tû sè eM/D£0,22 + 0,3(a/D - 0,2) nhng kh«ng lín h¬n 0,25. §NTK n l a b 0,7R T h D M m Z0 H×nh 9.7. C¸ch bè trÝ chong chãng sau th©n tµu. 156
20.5. ThiÕt kÕ chong chãng theo ®å thÞ C¸c ®å thÞ dïng ®Ó thiÕt kÕ chong chãng ®îc sö dông ë giai ®o¹n ®Çu thiÕt kÕ nh»m lÊy chÝnh x¸c vµ lùa chän lÇn cuèi ®êng kÝnh tèi u cña chong chãng vµ tû sè bíc kÕt cÊu trung b×nh cña nã. §Ó gi¶i bµi to¸n nµy ph¶i biÕt kiÓu, c«ng suÊt, vßng quay cña m¸y, còng nh c¸c ®Æc tÝnh h¹n chÕ cña nã. CÇn ph¶i biÕt ®êng cong lùc c¶n cña tµu theo tèc ®é R = R ( v s) ®ång thêi x¸c ®Þnh chÕ ®é tÝnh to¸n cho chong chãng. Trong thùc tÕ ngêi ta ¸p dông réng r·i ph¬ng ph¸p tÝnh chong chãng ®êng kÝnh tèi u ®Ó tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: D0pt £ Dmax vµ ®¶m b¶o tèc ®é lín nhÊt cña tµu khi sö dông hÕt c«ng suÊt cña hÖ thèng n¨ng lîng vµ vßng quay ®· cho. B©y giê ta tr×nh bµy s¬ ®å tÝnh chong chãng cho trêng hîp nµy. ViÖc tÝnh to¸n cÇn tr×nh bµy theo d¹ng b¶ng (Xem b¶ng 20.3 ). ViÖc tÝnh to¸n ph¶i thùc hiÖn cho bèn, n¨m trÞ sè tèc ®é gÇn víi tèc ®é mong muèn víi kho¶ng c¸ch kh«ng lín h¬n 0,5 h¶i lý. C¸c hÖ sè t¬ng t¸c ®îc x¸c ®Þnh theo sè liÖu thÝ nghiÖm m« h×nh phô thuéc vµo hÖ sè t¶i träng cña chong chãng theo KDE hoÆc theo c«ng thøc gÇn ®óng trong ch¬ng VI dµnh cho kiÓu tµu t¬ng øng. Bíc tiÕn t¬ng ®èi cña chong chãng J0 x¸c ®Þnh trªn ®å thÞ theo ®êng cong ®êng kÝnh tèi u lµ hµm cña hÖ sè KNT. ¶nh hëng cña dßng kh«ng ®ång ®Òu ®îc lång xÐt b»ng lîng hiÖu chØnh DD, nã phô thuéc vµo hÖ sè dßng theo trung b×nh vµ vÞ trÝ cña chong chãng (Xem H20.8). HÖ sè a ë dßng 12 cña b¶ng ®îc lÊy: a = 1- 0,01DD (wT). GÇn ®óng cã thÓ lÊy cho chong chãng ë mÆt ph¼ng ®èi xøng a = 0,97 vµ chong chãng ë m¹n a = 0,99; sao cho nã t¬ng øng víi trÞ sè trung b×nh wT = 0,30. wT WT 0,5 H×nh 20.8. HiÖu chØnh ®êng 2 4 1 kÝnh tèi u cña chong chãng 0,4 do ¶nh hëng cña dßng theo 3 1- ®êng cong trung b×nh cho 0,3 tµu mét trôc; 2- th©n tµu d¹ng ch÷ V; 3- d¹ng ch÷ U vµ mòi 0,2 qu¶ lª; 4- tµu hai trôc 0,1 0 -2 -4 -6 DD, % a NÕu ®êng kÝnh tèi u lín h¬n ®êng kÝnh lín nhÊt th× cÇn ph¶i lÊy D = Dmax, tÝnh: J = v A / nDmax vµ KT = T/rn2 Dmax (20.5.1) 4 Vµ tiÕp ®Õn tÝnh cho dßng 15 ¸ 18 cña b¶ng. KÕt qu¶ tÝnh ®îc tr×nh bµy theo d¹ng ®å thÞ m« t¶ mèi quan hÖ cña c¸c th«ng sè Ps, Dopt, P/D, h0 vµ hD víi tèc ®é, giao ®iÓm cña c¸c ®êng c«ng suÊt tiªu thô ®· tÝnh ®îc víi ®êng gi¶ thiÕt c«ng suÊt cho tèc ®é lín nhÊt cña tµu vµ c¸c th«ng sè t¬ng øng cña chong chãng. 157
B¶ng 20.3. TÝnh ®êng kÝnh tèi u vµ tû sè bíc kÕt cÊu cña chong chãng ®Ó ®¶m b¶o tèc ®é lín nhÊt cña tµu L = . . . m; B = . . . m; T = . . . m; d = . . . ; PS = . . . kw; Nm = . . . v/ph; n = nm/60 = . . . m; Z = . . . ; AE/A0 = . . .; ZP = . . . ; hS = . . . ; r = . . . kg/m3; a = . . . ; Dmax = . . . m Tèc ®é vS , h¶i lý (gi¶ STT Ký hiÖu thiÕt) vS1 vS2 . . . vSn R =R(nS), N 1 2 TE = R/ZP , N n = 0,5144 nS , m/s 3 KDE = n D r / TE 4 5 wT = f(KDE) 6 T = f(KDE) 7 IQ = f(KDE) nA = n (1- wT), m/s 8 9 T = TE(1-t), N r vA 10 K NT = 4 T n 11 Jo = f(KNT) theo ®å thÞ Dopt = nAa/(J0n) 12 KT =T/(rn2D4opt) 13 J = nA/ (Doptn) 14 15 P/D = f(J,KT) theo ®å thÞ hD = f(J,KT) theo ®å thÞ 16 1 1- t hD= .h0 17 iQ 1 - wT TE .v - 3 PS = 10 kw 18 hDhS 20.6. §å thÞ vËn hµnh cña tµu, c¸ch tÝnh to¸n vµ x©y dùng Trong qu¸ tr×nh khai th¸c cña tµu lùc c¶n cña nã bÞ thay ®æi do rong rªu, hµ b¸m, sãng vµ biÕn ®æi chiÒu ch×m, nªn c¸c ®iÒu kiÖn phèi hîp lµm viÖc gi÷a chong chãng víi ®éng c¬ kh«ng æn ®Þnh, khiÕn vßng quay cña chong chãng, c«ng suÊt tiªu thô vµ tèc ®é chuyÓn ®éng cña tµu thay ®æi. §Ó x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh ch¹y tµu trong c¸c chÕ ®é chuyÓn ®éng kh¸c nhau cña nã, cÇn ph¶i tÝnh vµ x©y dùng ®å thÞ vËn hµnh hoÆc c¸c ®Æc tÝnh ch¹y tµu, ®Ó víi thêi gian ng¾n nhÊt chóng cho phÐp x¸c ®Þnh ®îc tèc ®é cña tµu, chÕ ®é lµm viÖc cña chong chãng vµ ®éng c¬ trong c¸c ®iÒu kiÖn khai th¸c cô thÓ. §å thÞ vËn hµnh lµ mét tËp hîp 158
c¸c ®Æc tÝnh phèi hîp nhuÇn nhuyÔn víi nhau cña th©n tµu, chong chãng vµ ®éng c¬ ®îc x©y dùng theo tèc ®é cña tµu. Th«ng thêng ®å thÞ vËn hµnh gåm cã hai nhãm ®êng cong cïng chung trôc hoµnh, trªn ®ã ngêi ta ®Þnh tèc ®é cña tµu (Xem H20.9). Trªn trôc tung phÝa trªn ®Æt c¸c lùc (lùc ®Èy cña chong chãng vµ lùc c¶n), phÝa díi lµ c«ng suÊt. n TE 1 n 2 1= n 3 n H OM R n5 n4 A H×nh 20.9. §å thÞ 2 3 vËn hµnh cña tµu v 0 S 1' n5 A' n4 2' n 3 n H OM 3' n2 = n1 PS a §å thÞ vËn hµnh ®îc tÝnh to¸n theo tr×nh tù sau ®©y. Tríc hÕt ph¶i x¸c ®Þnh ®îc lùc kÐo cã Ých cña chong chãng, c«ng suÊt do nã tiªu thô cho mét lo¹t vßng quay kh«ng ®æi, bao gåm vßng quay ®Þnh møc vµ vßng quay h¹n chÕ phô thuéc vµo chÕ ®é chuyÓn ®éng cña tµu theo c«ng thøc: TE = ZP KE r n2 D4= ZP (1-t) KT r n2 D4 (20.6.1) PS = ZP iQ 2p KQ r n D /hS 35 (20.6.2) §Ó x¸c ®Þnh KT vµ KQ ta gi¶ thiÕt mét lo¹t trÞ sè bíc tiÕn t¬ng ®èi giíi h¹n tõ chÕ ®é buéc tíi chÕ ®é, øng víi tèc ®é cao h¬n tèc ®é cña tµu kho¶ng 2 ¸ 3 h¶i lý. Tèc ®é cña tµu ®îc tÝnh theo c«ng thøc: DnJ vS = (20.6.3) 0,5144(1 - wT ) X¸c ®Þnh ¶nh hëng cña t¶i träng chong chãng ®èi víi c¸c hÖ sè t¬ng t¸c, c¸c hÖ sè nµy lµ hµm cña KDE. NÕu thiÕu c¸c sè liÖu t, wT phô thuéc vµo KDE th× cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng ph¬ng ph¸p gÇn ®óng cña E.E Papmeil. §Æt c¸c trÞ sè ®· tÝnh ®îc TE=TE( v S, n = const) vµ PS = PS( v S, n = const) lªn ®å thÞ (c¸c ®êng cong 1 vµ 1’). TiÕp ®Õn ë phÇn díi cña ®å thÞ ®Æt c¸c ®Æc tÝnh h¹n chÕ ngoµi ®· biÕt cña ®éng c¬ PS = PS(n) (®êng 2’), nã m« t¶ mèi quan hÖ gi÷a c«ng suÊt ®· chän víi vßng quay (tèc ®é tµu). Tõ c¸c ®iÓm giao nhau cña ®êng cong nµy víi ®êng cong c«ng suÊt cÇn thiÕt (1’) kÎ c¸c ®êng vu«ng gãc cho tíi khi c¾t c¸c ®êng lùc kÐo cã Ých cña chong chãng khi n = const (1) vµ qua c¸c ®iÓm ®ã kÎ ®êng cong lîn ®Òu (2), nã lµ ®êng cong lùc kÐo giíi h¹n cña chong chãng theo ®Æc tÝnh h¹n chÕ t¬ng øng cña ®éng c¬. §Æt ®êng cong lùc c¶n tÝnh to¸n cña tµu (3) lªn ®å thÞ vµ x¸c ®Þnh c«ng suÊt tiªu thô (®êng 3’) b»ng c¸ch h¹ c¸c ®êng vu«ng gãc tõ c¸c ®iÓm giao nhau cña ®êng cong lùc c¶n víi ®êng lùc kÐo cã Ých xuèng phÇn díi cña ®å thÞ tíi c¸c ®êng cong t¬ng øng cña c«ng suÊt tiªu thô khi n= const. Giao ®iÓm cña ®êng cong lùc c¶n víi ®êng cong lùc kÐo cã Ých tíi h¹n vµ ®êng cong lùc kÐo gi¶ ®Þnh theo vßng quay ®Þnh møc (®iÓm A trªn ®å thÞ) x¸c ®Þnh ®îc tèc ®é tÝnh to¸n cña tµu (®iÒu kiÖn TE = R). ChÝnh tèc ®é nµy còng ®îc x¸c ®Þnh b»ng sù giao nhau cña ba ®êng cong c«ng suÊt: c«ng suÊt cÇn thiÕt, c«ng suÊt theo ®Æc tÝnh ngoµi cña ®éng c¬, c«ng suÊt tiªu thô khi n=nHOM (®iÓm A’). 159
§å thÞ vËn hµnh cho phÐp gi¶i quyÕt nhiÒu bµi to¸n ch¹y tµu kh¸c nhau. VÝ dô ®Ó t×m tèc ®é cña tµu vµ chÕ ®é lµm viÖc cña ®éng c¬. Khi t¨ng lùc c¶n th©n tµu cÇn ph¶i ®a ®êng cong lùc c¶n tÝnh to¸n lªn ®å thÞ. Giao ®iÓm cña ®êng cong nµy víi ®êng cong lùc kÐo tíi h¹n sÏ x¸c ®Þnh ®îc tèc ®é lín nhÊt trong c¸c ®iÒu kiÖn ®· cho. Theo vÞ trÝ cña ®iÓm nµy ta cã thÓ t×m ®îc vßng quay cña chong chãng vµ c«ng suÊt cÇn thiÕt. 20.7. Søc bÒn cña chong chãng Khi thiÕt kÕ chong chãng cÇn ph¶i x¸c ®Þnh mét tËp hîp c¸c yÕu tè h×nh häc, mµ song song víi viÖc ®¶m b¶o c¸c tÝnh chÊt ®Èy cao nhÊt nã cßn ph¶i tho¶ m·n c¸c yªu cÇu khai th¸c, mµ ®Æc biÖt lµ ®¹t ®îc søc bÒn cÇn thiÕt cña c¸nh. C¸nh chong chãng lµ mét b¶n máng h×nh xo¾n víi chiÒu dµy vµ ®é cong biÕn ®æi. BÞ ngµm cøng vµo cñ vµ chÞu t¸c dông cña nhiÒu ngo¹i lùc. Trong sè c¸c ngo¹i lùc thêng gåm cã lùc thuû ®éng vµ lùc qu¸n tÝnh, vµ ®èi víi vµi lo¹i tµu cßn cã c¸c lùc t¬ng t¸c víi b¨ng. Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc sau th©n tµu c¸c lùc t¸c dông lªn c¸nh thay ®æi trong suèt vßng quay cña chong chãng vµ c¸c biªn ®é tøc thêi cã thÓ vù¬t ®¸ng kÓ c¸c trÞ sè trung b×nh cña t¶i träng. Trong qu¸ tr×nh ®¶o chiÒu lùc vµ m«men t¸c dông lªn c¸nh còng cã thÓ vît ®¸ng kÓ c¸c trÞ sè t¬ng øng ë c¸c chÕ ®é chuyÓn ®éng æn ®Þnh. Nh vËy, c¸c t¶i träng trªn c¸nh cã ®Æc tÝnh ®éng lùc häc, møc ®é ®éng lùc ®Æc biÖt cao khi lµm viÖc trong b¨ng. Díi t¸c dông cña hÖ c¸c ngo¹i lùc trong M a y MQ c¸nh sÏ xuÊt hiÖn t×nh tr¹ng øng suÊt phøc t¹p vµ n A biÕn ®æi theo thêi gian, t×nh tr¹ng ®ã ®îc x¸c x a ®Þnh b»ng øng suÊt uèn, xo¾n vµ kÐo. MX My A C Nãi chung phÇn lín c¸c ph¬ng ph¸p tÝnh j D MT to¸n thùc tÕ søc bÒn c¸nh chong chãng ®· coi xB c¸nh chong chãng lµ mét dÇm ngµm cøng chÞu uèn díi t¸c dông cña c¸c lùc thuû ®éng vµ chÞu y H×nh 20.10. M«men uèn kÐo còng nh uèn díi t¸c dông cña c¸c lùc qu¸n tÝnh. XuÊt ph¸t tõ nh÷ng gi¶ thiÕt ®ã m«men uèn c¸nh chong chãng sinh ra bëi c¸c lùc ®Èy vµ c¸c m«men trªn trôc chong chãng ë mÆt c¾t n»m t¹i b¸n kÝnh r1 cña c¸nh cã thÓ viÕt díi d¹ng: R dT MT = ò (r - r1 )dr (20.7.1) dr r1 R dQ MQ = ò (r - r1 )dr (20.7.2) rdr r1 C¸c ®¹i lîng dT/dr vµ dQ/dr n»m trong biÓu thøc díi tÝch ph©n cã thÓ biÓu diÔn b»ng hÖ sè kh«ng thø nguyªn t¬ng øng ®· t×m ®îc khi tÝnh to¸n kiÓm tra. B©y giê ta xÐt mÆt c¾t cña c¸nh chong chãng (Xem H20.10) víi gi¶ thiÕt r»ng: trôc qu¸n tÝnh chÝnh xx song song víi d©y cung cña mÆt c¾t vµ trôc yy vu«ng gãc víi nã, chiÕu tæng m«men: M= M T2 + M Q (20.7.3) 2 lªn trôc xx ta cã: Mx = MT cosj + MQ sinj (20.7.4) 160
trong ®ã: j - gãc bíc. Ta còng chiÕu m«men ®ã lªn trôc yy, sÏ nhËn ®îc: My = MT sinj - MQ cosj (20.7.5) Gi¶ sö trôc trung hoµ cña mÆt c¾t lµ ®êng th¼ng ta t×m ®îc øng suÊt kÐo lín nhÊt díi t¸c dông cña c¸c m«men ®ã t¹i ®iÓm A: My Mx sA = + (20.7.6) W x ( A) W y ( A) trong ®ã: ë mÉu lµ m«men chèng uèn cho ®iÓm A ®èi víi trôc xx, yy t¬ng øng. øng suÊt kÐo t¹i ®iÓm D vµ nÐn t¹i ®iÓm C x¸c ®Þnh b»ng c¸c ®¹i lîng: Mx Mx sD = sC = (20.7.7) W x( D ) W x(C ) trong c¸nh còng xuÊt hiÖn øng suÊt kÐo do lùc ly t©m ®îc t¹o nªn bëi phÇn c¸nh n»m ngoµi mÆt c¾t ®ang xÐt. Lùc ®ã x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc: Fu = m [(W ruT)2 / ruT] = m 4p2 n2 ruT (20.7.8) trong ®ã: m - khèi lîng phÇn c¸nh n»m ngoµi mÆt c¾t ®ang xÐt; W - tèc ®é gãc quay cña chong chãng; ruT - b¸n kÝnh träng t©m cña phÇn c¸nh n»m ngoµi mÆt c¾t ®ang xÐt. B¸n kÝnh ®ã cã thÓ x¸c ®Þnh gÇn ®óng nh sau: ruT = r1 + 0,3(R - r1) (20.7.9) øng suÊt lín nhÊt do lùc ly t©m: su =Fu/S. Trong ®ã: S - diÖn tÝch mÆt c¾t ®ang xÐt, ®èi víi pr«phin b×nh thêng nã cã thÓ lÊy b»ng 0,7be. NÕu ®êng sinh cña c¸nh cã ®é nghiªng th× lùc ly t©m sÏ sinh thªm m«men uèn bæ xung tÝnh theo c«ng thøc: MFu = 0,7 a Fu (20.7.10) trong ®ã: a - chuyÓn vÞ däc cña träng t©m c¸nh so víi träng t©m mÆt c¾t. Dùa vµo ph¬ng ph¸p nãi trªn, b»ng c¸ch dïng thªm vµi gi¶ thiÕt bæ xung ngêi ta ®· ®a ra nhiÒu ph¬ng ph¸p tÝnh søc bÒn kh¸c cho chong chãng, trong ®ã phæ biÕn nhÊt lµ ph¬ng ph¸p Taylo vµ R«mx¬n. TÊt c¶ c¸c ph¬ng ph¸p nµy ®Òu dùa vµo viÖc ®¸nh gi¸ søc bÒn tÜnh cña c¸nh theo øng suÊt lín nhÊt, trong ®ã ngêi ta lÊy t¶i träng trung b×nh sau mét vßng quay t¸c dông lªn chong chãng khi tµu chuyÓn ®éng lµm t¶i träng tÝnh to¸n. HiÖn nay song song víi c¸c øng suÊt trung b×nh cßn cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc c¸c trÞ sè biªn ®é cña chóng sinh ra bëi ¶nh hëng cña trêng tèc ®é kh«ng ®Òu tíi lùc ®Èy cña chong chãng. Ph¬ng ph¸p nµy cho phÐp ®¸nh gi¸ kh«ng chØ søc bÒn tÜnh cña c¸nh mµ cßn vÒ ®é mái, v× c¸c øng suÊt mái lµ mèi nguy hiÓm chÝnh ®èi víi søc bÒn cña chong chãng. Theo ph¬ng ph¸p nµy sù ph©n bè hÖ sè lùc ®Èy theo b¸n kÝnh cña c¸nh ph¶i t×m theo c«ng thøc gÇn ®óng: (1 Z )(dKT dr ) = cr 2 (1 - r ) 12 (20.7.11) trong ®ã: C - h»ng sè, cßn thµnh phÇn tiÕp tuyÕn ®îc tÝnh b»ng c«ng thøc: 1 dK Q J dKT = (20.7.12) 2ph0 dr Z dr sau khi thay c¸c c«ng thøc (20.7.12), (20.7.11) vµo (20.7.1) vµ (20.7.2) vµ tÝnh c¸c tÝch ph©n ta ®îc: K T rn 2 D 5 MT = (20.7.13) GT (rH , r1 ) 2Z K rn 2 D 5 MQ = Q (20.7.14) GQ ( rH , r1 ) 2Z trong ®ã: GT vµ GQ (Xem H20.11). 161
GT; GQ H=0,2 0,3 0,5 H×nh 20.11. §å thÞ cña hµm sè GT, GQ 0,4 H=0,2 GQ 0,3 0,4 GT 0 0,5 1,0 r1 a Trong trêng hîp khi chØ h¹n chÕ viÖc ®¸nh gi¸ øng suÊt mÆt c¾t ë ch©n th× c«ng thøc hoµn toµn ®¬n gi¶n vµ chuyÓn sang d¹ng: MT = (1/Z) 0,238 KT r n2 D5 (20.7.15) MQ = (1/Z) 0,670 KQ r n D 25 (20.7.16) C¸c c«ng thøc nµy cho phÐp t×m ®îc c¸c trÞ sè trung b×nh cña m«men uèn sau mét vßng quay. §Ó tÝnh thµnh phÇn biÕn ®æi cÇn ph¶i tÝnh vµ x©y dùng c¸c ®êng cong biÕn thiªn lùc ®Èy vµ m«men trong mét vßng quay cña chong chãng. Dùa vµo c¸c ®êng ®ã cã thÓ tÝnh c¸c trÞ sè biªn ®é dao ®éng cña c¸c hÖ sè lùc ®Èy vµ m«men cña chong chãng sau mét vßng quay: DKT = (1/2) (KTmax - KTmin) (20.7.17) DKQ = (1/2) (KQmax - KQmin) (20.7.18) C¸c m«men uèn cña c¸c thµnh phÇn lùc biÕn ®æi khi chó ý ®Õn (20.7.15) vµ (20.7.16) ta cã: DKT rn 2 D 5 DM T = (20.7.19) GT (rH , r1 ) 2Z DK Q rn 2 D 5 DM Q = (20.7.20) GQ (rH , r1 ) 2Z Gi¶ thiÕt r»ng: c¸c øng suÊt sinh ra trong c¸nh khi cã t¸c dông cña c¸c t¶i träng biÕn ®æi th× cã thÓ biÓu diÔn c¸c øng suÊt sinh ra trong c¸nh thay ®æi theo chu tr×nh kh«ng ®èi xøng nµo ®ã lµ tæng øng suÊt trung b×nh cña chu tr×nh sm vµ øng suÊt biÕn ®æi chu kú víi biªn ®é sa Chó ý tíi c«ng thøc (20.7.4) th× c¸c øng suÊt ®ã lµ: M T cos j + M Q sin j Fu sm = + (20.7.21) Wx S DM T cos j + DM Q sin j sa = (20.7.22) Wx Lóc bÊy giê ®iÒu kiÖn vÒ søc bÒn tÜnh ®Ó ®¶m b¶o kh«ng cã biÕn d¹ng d cña vËt liÖu c¸nh cã thÓ viÕt theo d¹ng: ss / nT ³ sm + sa (20.7.23) trong ®ã: ss - giíi h¹n ch¶y cña vËt liÖu, nT - hÖ sè dù tr÷ bÒn, trÞ sè cña nã phô thuéc vµo vËt liÖu cña c¸nh vµ thay ®æi trong kho¶ng 3,1 ¸ 5,5. §iÒu kiÖn cña søc bÒn chu tr×nh cã chó ý ®Õn tÝnh kh«ng ®èi xøng cña chu tr×nh viÕt theo d¹ng: 162
s -1 nT ³ s a + s as m (20.7.24) 2 trong ®ã: s-1 - giíi h¹n dÎo cña vËt liÖu, n - hÖ sè dù tr÷ søc bÒn chu tr×nh, nã phô thuéc lo¹i vËt liÖu cña c¸nh vµ thay ®æi trong kho¶ng 3 ¸ 3,6. Nh ®· nãi, ph¬ng ph¸p nµy chØ ®¶m b¶o kÕt qña ®¸ng tin cËy cho c¸c chong chãng c¸nh hÑp, kÕt cÊu th«ng thêng. §èi víi c¸c chong chãng c¸nh réng trªn c¸c tµu cao tèc th× c¸ch tÝnh to¸n theo lý thuyÕt dÇm sÏ ®em l¹i nhiÒu sai lÇm kh¸ lín. VÝ dô, øng suÊt lín nhÊt kh«ng sinh ra ë mÆt c¾t ch©n c¸nh, nh ®· rót ra ®îc tõ lý thuyÕt dÇm mµ ë khu vùc cña c¸c mÐp ®¹p cña c¸nh, ë b¸n kÝnh t¬ng ®èi r = 0,4 ¸ 0,8. §iÒu ®ã ®îc gi¶i thÝch nh sau: lý thuyÕt dÇm kh«ng xÐt tíi søc bÒn côc bé cña c¸nh chong chãng. §ã lµ c¸i cí ®Ó x©y dùng c¸c ph¬ng ph¸p chÝnh x¸c khi dùa vµo viÖc ¸p dông lý thuyÕt vá máng hoÆc ph¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n. Trong c¶ hai trêng hîp khi x¸c ®Þnh ngo¹i lùc cÇn ph¶i gi¶ thiÕt sù ph©n bè c¸c t¶i träng kh«ng nh÷ng theo b¸n kÝnh cña c¸nh chong chãng, mµ cßn ph¶i theo d©y cung, nghÜa lµ ®Ó tÝnh thuû ®éng lùc cÇn ph¶i lîi dông lý thuyÕt mÆt n©ng. HiÖn nay, ngêi ta ¸p dông kh¸ réng r·i ph¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n. Ph¬ng ph¸p nµy cho phÐp t¹o ra d¹ng h×nh häc cña c¸nh kh¸ tØ mû vµ dÔ thùc hiÖn trªn m¸y vi tÝnh. Dùa vµo nã ngêi ta x©y dùng ®îc mét lo¹t c¸c ph¬ng ph¸p tÝnh, ®îc ph©n biÖt víi nhau chñ yÕu b»ng d¹ng cña c¸c phÇn tö h÷u h¹n. Trong thùc tÕ phÇn tö h÷u h¹n kiÓu tam gi¸c ®îc sö dông réng r·i h¬n c¶. §Ó tÝnh søc bÒn tÜnh cña c¸nh chong chãng nªn sö dông c¸c c«ng thøc gÇn ®óng cña V.M Lavrentiªp ®Ò xíng, nã dùa vµo viÖc kiÓm tra søc bÒn tÜnh cña c¸nh chong chãng theo gi¶ thiÕt t¶i träng chØ ph©n bè theo b¸n kÝnh cña c¸nh. Theo V.M Lavrentiªp søc bÒn tÜnh cña c¸nh ®îc ®Æc trng b»ng bÊt ®¼ng thøc sau: b A ³2 D d3 trong ®ã: A - ®Æc trng cña c¸c kÝch thíc bÒn vµ b»ng trÞ sè lín nhÊt trong c¸c trÞ sè sau: AP = 0,013 k p mT ZD 2s p (20.7.25) Ad = 0,013 kd mT ZD 2s d (20.7.26) trong ®ã: sp, sd - t¬ng øng lµ øng suÊt kÐo vµ nÐn. d - chiÒu dµy t¬ng ®èi cña mÆt c¾t c¸nh. m - hÖ sè phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn khai th¸c vµ giao ®éng trong kho¶ng 1,15 ¸ 2,0. TrÞ sè nhá cho tµu biÓn b×nh thêng, trÞ sè lín cho tµu ho¹t ®éng trong vïng cã b¨ng. C¸c hÖ sè kP, kd lÊy theo sè liÖu trong b¶ng 20.4 B¶ng 20.4. C¸c hÖ sè kP, kd dïng ®Ó tÝnh søc bÒn c¸nh chong chãng 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 r kP 244 211 169 122 80 46 20,5 kd 320 274 225 164 111 65 29,5 163
B¶ng 9.5. C¬ tÝnh vËt liÖu ®Ó chÕ t¹o chong chãng Giíi h¹n Giíi h¹n Giíi h¹n VËt liÖu bÒn, ch¶y, mái, N/mm2 N/mm2 N/mm2 78 - 39 ThÐp cacbon 438 224 175 - 88 ThÐp kh«ng gØ 585 438 Hîp kim §ång - Mangan thÐp 107 - 83 438 195 55 - 3 - 1 Hîp kim §ång - Mangan thÐp 147 - 130 605 242 67 - 5 - 2 - 2 §ång thanh Niken - Nh«m 605 215 175 Mangan - Nh«m: 175 - 165 605 272 Heba - 60 685 292 175 - 165 Heba - 70 164