Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc của tàu đánh cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN CHÍ CÔNG

NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN CHÍ CÔNG

NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã số:9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. Lương Ngọc Lợi

2. PGS. TS. Ngô Văn Hệ

Hà Nội - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án tiến sỹ “Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc của tàu đánh cá” đều do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn chính của PGS.TS Lương Ngọc Lợi và PGS. TS Ngô Văn Hệ. Các kết quả tính toán, số liệu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố.

Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2021

Tập thể giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh

CBHD1: PGS. TS Lương Ngọc Lợi

Nguyễn Chí Công CBHD2: PGS. TS Ngô Văn Hệ

i

LỜI CÁM ƠN

Luận án tiến sỹ của tôi – Nguyễn Chí Công, chuyên ngành Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực ‘Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc của tàu đánh cá’ đã hoàn thành trong thời gian quy định bốn năm và đạt được các kết quả đề ra. Nội dung thực hiện luận án đã giúp tôi nâng cao khả năng tự nghiên cứu trong quá trình ứng dụng và phát triển khoa học kỹ thuật.

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lương Ngọc Lợi và PGS.TS. Ngô Văn Hệ, người hướng dẫn trực tiếp cho tôi hoàn thành các nội dung của luận án. Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích của các Thầy đã định hướng và giúp tôi tiếp cận tốt hơn với lĩnh vực tàu thuỷ quan trọng này.

Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô Viện Cơ Khí Động Lực, các bộ môn thuộc Viện Cơ Khí Động Lực, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, các Thầy, Cô Viện Cơ Khí Trường đại học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện về thời gian và đóng góp ý kiến cho tôi hoàn thành tốt luận án của mình. Tôi xin cảm ơn bố mẹ, người vợ và các con thân yêu đã luôn luôn động viên giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này.

Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2021

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Chí Công

ii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vi

DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. ix

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ.............................................................................x

MỞ ĐẦU ............................................................................................................. xiii

1. Tính cấp thiết của luận án ................................................................................ xiii

2. Mục tiêu của luận án .........................................................................................xiv

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................xiv

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ........................................................xiv

5. Những đóng góp của luận án .............................................................................. xv

6. Phương pháp nghiên cứu của luận án ................................................................. xv

7. Bố cục của luận án ............................................................................................xvi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC VÀ CHÂN VỊT TÀU CÁ ...........................................................................................................................1

1.1. Tổng quan về hệ thống động lực và chân vịt tàu cá ...........................................1

1.1.1. Giới thiệu chung về đội tàu cá đánh bắt xa bờ tại Việt Nam ...........................1

1.1.2. Đặc điểm hệ thống động lực ...........................................................................2

1.1.3. Đặc điểm hoạt động .......................................................................................4

1.2. Đặc điểm hệ thống đẩy tàu cá............................................................................5

1.3. Tình hình nghiên cứu và một số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt trong và ngoài nước ...............................................................................................................7

1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ...................................................................7

1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................9

1.3.3. Một số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt ............................................... 10

1.4. Đề xuất giải pháp chân vịt hai bước ................................................................ 17 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 20

2.1. Cơ sở lý thuyết dòng chảy bao quanh profile cánh .......................................... 20

2.2. Mối quan hệ giữa tỷ số bước và hiệu suất chân vịt ......................................... 21

2.3. Quan hệ máy chính, vỏ tàu, chân vịt................................................................ 23

2.4. Nghiên cứu phương pháp tính, và kiểm tra độ chính xác phương pháp mô phỏng số chân vịt tàu thủy ..................................................................................... 25

iii

2.4.1. Các phương trình cơ bản trong tính toán mô phỏng dòng chảy không nén được ...................................................................................................................... 25

2.4.2. Phương trình Navier-Stokes viết dưới dạng trung bình Renolds cho dòng chảy một pha .................................................................................................................. 26

2.4.3. Mô hình rối RNG k - ε ................................................................................. 27

2.4.4. Kiểm chứng phương pháp tính toán mô phỏng ............................................. 28

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SỐ ............................... 35

3.1. Lựa chọn phương pháp tính toán thiết kế cánh chân vịt ................................... 35

3.1.1. Phương pháp tính toán thiết kế mới dựa trên lý thuyết xoáy ......................... 35

3.1.2. Phương pháp tính toán thiết kế theo seri mẫu ............................................... 35

3.2. Tính toán thiết kế chân vịt ............................................................................... 35

3.2.1. Các thông số của tàu khảo sát ....................................................................... 36

3.2.2. Tính toán thiết kế cánh chân vịt .................................................................... 36

3.2.3. Tính toán thiết kế bầu ................................................................................... 38

3.2.4. Xác định tỷ số bước H/D cho chế độ hoạt động thứ hai ................................ 39

3.3. Tính toán mô phỏng số .................................................................................... 40

3.3.1. Các trường hợp tính toán mô phỏng ............................................................. 40

3.3.2. Xây dựng mô hình và miền không gian tính toán ......................................... 41

3.3.3. Chia lưới, và điều kiện biên.......................................................................... 42

3.4. Kết quả và phân tích kết quả ........................................................................... 45

3.4.1. Kết quả tính toán mô phỏng ......................................................................... 45

3.4.2. Ảnh hưởng của tỷ số bước............................................................................ 48

3.4.3. Tỷ số bước phù hợp ở chế độ chạy tự do của chân vịt hai bước .................... 52

3.4.4. Đặc tính thuỷ động lực học chân vịt ............................................................. 53

3.4.5. Lực tác động lên cánh chân vịt ..................................................................... 57

3.4.6. Tương tác chân vịt hai bước - bánh lái ......................................................... 60

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHÂN VỊT HAI BƯỚC ............. 69

4.1. Giới thiệu chung về thực nghiệm chân vịt ....................................................... 69

4.1.1. Thực nghiệm mặt thoáng .............................................................................. 69

4.1.2. Thực nghiệm thiết bị đẩy.............................................................................. 70

4.1.3. Thực nghiệm xâm thực ................................................................................ 73

iv

4.2. Phương án thực nghiệm chân vịt hai bước ....................................................... 75

4.2.1. Phương án và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm ........................................... 75

4.2.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm .............................................................. 77

4.3. Chế tạo hệ thống chân vịt ................................................................................ 78

4.4. Các bước và thiết bị nghiên cứu thực nghiệm .................................................. 81

4.4.1. Các bước nghiên cứu thực nghiệm ............................................................... 81

4.4.2. Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm .................................................................. 81

4.5. Kết quả và phân tích kết quả nghiên cứu thực nghiệm ..................................... 83

4.5.1. Kết quả đo thực nghiệm ............................................................................... 83

4.5.2. Phân tích và xử lý kết quả đo ....................................................................... 84

4.5.3. Tính toán và so sánh các thông số đặc tính ................................................... 84

4.5.4. So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán mô phỏng số .............................. 88 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 91

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ....... 92

TÀI LIỆU THAMKHẢO ...................................................................................... 94

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu viết tắt bằng chữ La tinh

Stt Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

1 N A Lực thuỷ động tác dụng lên profile cánh theo phương dây cung profile

2 Tỷ số mặt đĩa của chân vịt Ae

3 bmax mm Chiều rộng lớn nhất của cánh chân vịt

4 mm Chiều dài dây cung profile cánh c

5 Hệ số lực nâng của profile cl

6 Hệ số lực cản của profile cD

7 Đơn vị công suất tính bằng sức ngựa CV

8 D m, N Đường kính ngoài chân vịt, lực cản tác động lên profile cánh

9 Dotp m Đường kính chân vịt tối ưu

10 Tỷ số bầu chân vịt db

11 m Đường kính bầu chân vịt Db

12 Ddx mm Đường kính đĩa xoay cánh chân vịt

13 DNS Phương pháp tính toán, mô phỏng số trực tiếp

14 mm Chiều dày tại đỉnh cánh chân vịt eR

15 mm Chiều dày giả định tại đường tâm trục chân vịt e0

16 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Ge

17 m/s2 Gia tốc trọng trường g

18 m Bước chân vịt H

19 H/D Tỷ số bước của chân vịt

20 Tỷ số truyền từ trục động cơ đến trục chân vịt i

21 Hệ số tiến J

vi

22 Hệ số lực đẩy của chân vịt

23 Hệ số mô men của chân vịt

24 Là năng lượng rối động năng k

25 N Lực nâng của profile cánh L

26 mm Chiều dài bầu chân vịt Lh

27 N Lực nâng tác dụng lên profile cánh L

28 v/ph Số vòng quay của chân vịt, số vòng quay của trục động cơ n

29 N N Lực thuỷ động tác dụng lên profile cánh theo phương vuông góc với dây cung profile

30 Công suất cần thiết để đẩy tàu W PE

31 Công suất đẩy do chân vịt tạo ra W Pp

32 Công suất trên trục động cơ W Pdc

33 Công suất cần thiết để quay chân vịt W PQ

34 Công suất do động cơ truyền tới trục chân vịt W Pdcp

35 Áp suất tĩnh của chất lỏng Pa p

36 Dao động của vecto áp suất p’

37 N.m Mô men xoắn trên trục chân vịt Q

38 m Bán kính chân vịt R

39 RANS Phương trình Navier–Stokes viết dưới dạng số Reynolds trung bình

40 Số Reynolds Re

41 Ten sơ ứng suất áp suất Rij

42 mm Bán kính cong mũ bầu rm

43 Hệ số bán kính không thứ nguyên

44 Tổn thất động lượng Sm

45 Ten sơ ứng suất trung bình Sij

46 N Lực đẩy chân vịt T

vii

47 Ten sơ vận chuyển áp suất

48 Ten sơ rối đối lưu

49 Ten sơ nhớt khuếch tán

51

50 Hệ số dòng hút t

52

Dao động của vecto vận tốc u’

53

Knot Vận tốc tiến của tàu V

54

m/s Vận tốc tiến của chân vịt VA

55

Hệ số dòng theo w

Số cánh chân vịt Z

Các ký hiệu viết tắt chữ Hy Lạp

Stt Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

1 kg/m3 Khối lượng riêng của chất lỏng

2 N/m3 Trọng lượng riêng của chất lỏng

3 độ Góc đặt cánh

4 Hiệu suất của chân vịt, hiệu suất của hệ thống

5 Pa.s Hệ số nhớt động lực học của chất lỏng

6 m2/s Hệ số nhớt động học của chất lỏng

8

7 Ten sơ biến thiên vận tốc, áp suất

Ten sơ tiêu tán

viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Thời gian các chế độ khai thác của tàu trong một chuyến đi ........................... 5

Bảng 1.2. Phần trăm chân vịt biến bước được sử dụng trên một số loại tàu có công suất 20000 BHP ............................................................................................................. 16

Bảng 2.1. Thông số cơ bản của chân vịt E779A ............................................................. 30

Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của tàu cá khảo sát. ........................................................ 36

Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của chân vịt cũ của tàu cá .............................................. 36

Bảng 3.3. Các thông số cơ bản của chân vịt hai bước. .................................................... 37

Bảng 3.4. Các thông số cơ bản của biên dạng cánh chân vịt. .......................................... 37

Bảng 3.5. Các kích thước chính của bầu chân vịt hai bước ............................................. 39

Bảng 3.6. Thông số lưới hệ thống chân vịt có bước cố định ........................................... 44

Bảng 3.7. Thông số lưới hệ thống chân vịt hai bước ...................................................... 44

Bảng 3.8. Lưới hệ thống chân vịt chân vịt hai bước - bánh lái với H/D = 0,5. ................ 44

Bảng 3.9. Lưới hệ thống chân vịt chân vịt hai bước - bánh lái với H/D = 0,6. ................ 44

Bảng 3.10. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt có bước cố định . .......................... 45

Bảng 3.11. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt hai bước với H/D = 0,5 ................. 46

Bảng 3.12. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt hai bước với H/D = 0,6 ................. 46

Bảng 3.13. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt hai bước có xét đến ảnh hưởng của bánh lái với H/D = 0,5 ............................................................................................. 46

Bảng 3.14. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt hai bước có xét đến ảnh hưởng của bánh lái với H/D = 0,6 ............................................................................................. 47

Bảng 3.15. Các thông số thuỷ động lực học hệ thống chân vịt hai bước - bánh với H/D = 0,5 ....................................................................................................................... 47

Bảng 3.16. Các thông số thuỷ động lực học hệ thống chân vịt hai bước - bánh lái với H/D = 0,6 ................................................................................................................ 47

Bảng 4.1. Điều kiện thời tiết khi thực nghiệm hệ thống chân vịt có bước cố định .......... 76

Bảng 4.2. Điều kiện thời tiết khi thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước ...................... 77

Bảng 4.3. Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một chuyến đi biển đối với chân vịt có bước cố định. ................................................................................................................. 87

Bảng 4.4. Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một chuyến đi biển đối với chân vịt hai bước. ............................................................................................................................. 88

ix

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Biểu đồ số lượng tàu cá công suất lớn hơn 90 CV giai đoạn 2013 - 2018 ....... 1

Hình 1.2. Sơ đồ bố trí chung hệ thống động lực tàu cá. .................................................. 3

Hình 1.3. Cấu tạo của hệ trục chân vịt tàu cá.................................................................. 3

Hình 1.4. Chân vịt trang bị trên tàu cá hoạt động xa bờ tại Việt Nam. ............................ 4

Hình 1.5. Đường đặc tính của chân vịt có bước cố định ................................................. 6

Hình 1.6. Nâng cao hiệu suất chân vịt hệ thống chân vịt PBCF ...................................... 11

Hình 1.7. Hệ thống chân vịt CRP-Azipod propeller ....................................................... 11

Hình 1.8. Hệ thống chân vịt Contra-Rotating propellers ................................................ 12

Hình 1.9. Hệ thống cánh hướng lắp trên đuôi tàu ........................................................... 13

Hình 1.10. Chân vịt trong ống đạo lưu ........................................................................... 13

Hình 1.11. Hệ thống chân vịt - bánh lái dạng đuôi cá ..................................................... 14

Hình 1.12. Hệ thống chân vịt và ống Becker Mewis ...................................................... 15

Hình 1.13. Biểu đồ số lượng chân vịt biến bước được sử dụng qua các thời kỳ % .......... 16

Hình 1.14. Chân vịt biến bước ....................................................................................... 16

Hình 1.15. Ý tưởng thiết kế hệ thống chân vịt hai bước ................................................. 17

Hình 1.16. Hệ thống điều khiển bước cánh chân vịt hai bước......................................... 18

Hình 2.1. Các lực thuỷ động lực học tác động lên profile cánh....................................... 20

Hình 2.2. Đặc tính thuỷ động lực học của profile cánh và góc đặt α. .............................. 21

Hình 2.3. Tam giác vận tốc và các lực tác động lên một phần tử cánh chân vịt .............. 21

Hình 2.4. Mối quan hệ giữa tỷ số bước với hệ số lực đẩy, hệ số mô men và hiệu suất chân vịt theo hệ số tiến J ................................................................................................ 22

Hình 2.5. Quan hệ công suất động cơ, công suất quay chân vịt, và vận tốc tàu ............... 24

Hình 2.6. Mô hình và miền không gian tính toán chân vịt E779A .................................. 29

Hình 2.7. Mô hình chân vịt E779A, và miền không gian sau khi chia lưới ..................... 29

Hình 2.8. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt E779A tại J = 0,1- 0,4 ............. 31

Hình 2.9. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt E779A tại J = 0,6- 0,9 ............. 31

Hình 2.10. Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc trục, mặt cắt Z = 0 ....................................... 32

Hình 2.11. Phân bố vận tốc tại mặt cắt dọc trục, mặt cắt Z = 0 ....................................... 32

Hình 2.12. Hình ảnh đường dòng bao quanh chân vịt tại J = 0,2 .................................... 33

x

Hình 2.13. Kết quả tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm chân vịt E779A ..... 33

Hình 3.1. Cánh chân vịt hai bước sau khi chỉnh trơn ...................................................... 38

Hình 3.2. Bầu chân vịt hai bước sản phẩm của luận án .................................................. 39

Hình 3.3. Chân vịt bước cố định, chân vịt hai bước, bánh lái ......................................... 41

Hình 3.4. Mô hình bài toán mô phỏng số chân vịt. ......................................................... 42

Hình 3.5. Một số loại phần tử lưới thường dùng trong tính toán mô phỏng số. ............... 43

Hình 3.6. Chân vịt và miền không gian khảo sát sau khi chia lưới. ................................. 43

Hình 3.7. Sự phụ thuộc của kết quả tính toán vào số lượng lưới tại tỷ số J = 0.3. ........... 45

Hình 3.8. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh với H/D = 0,5 - 0,55 tại J = 0,1. ............ 49

Hình 3.9. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh với H/D = 0,57 - 0,6 tại J = 0,1. ............ 49

Hình 3.10. Biến thiên hệ số lực đẩy tại theo hệ số tiến J với H/D khác nhau. ................. 50

Hình 3.11. Biến thiên hệ số lực đẩy theo góc xoay của cánh. ......................................... 50

Hình 3.12. Biến thiên hệ số mô men theo góc xoay cánh ............................................... 51

Hình 3.13. Biến thiên hiệu suất chân vịt theo tỷ số bước cánh H/D ................................ 51

Hình 3.14. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của chân vịt tại J = 0,1; 0,2. ................ 53

Hình 3.15. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của chân vịt tại J = 0,3;0,4. ................. 54

Hình 3.16. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của chân vịt tại J = 0,45;0,5. ............... 54

Hình 3.17. Đường đặc tính của chân vịt có bước cố định. .............................................. 55

Hình 3.18. Đường đặc tính của chân vịt hai bước ........................................................... 55

Hình 3.19. Đường đặc tính của chân vịt bước cố định và chân vịt hai bước tại tỷ số bước tính toán thiết kế H/D =0,5. ................................................................................... 56

Hình 3.20. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của hai chân vịt tại J = 0,15;0,25. ....... 58

Hình 3.21. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của hai chân vịt tại J = 0,35;0,45. ....... 58

Hình 3.22. Phân bố lực tác động theo trục Z trên cánh chân vịt tại J = 0,1; 0,2. ............. 59

Hình 3.23. Phân bố lực tác động theo trục z trên cánh chân vịt tại J = 0,25; 0,3; ........... 59

Hình 3.24. Lực tác động lên cánh chân vịt có bước cố định và chân vịt hai bước. .......... 60

Hình 3.25. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,5; J = 0,1; 0,2. ...................... 61

Hình 3.26. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,5; J = 0,3; 0,4. ...................... 62

Hình 3.27. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,6; J = 0,1; 0,2. ...................... 62

Hình 3.28. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,6; J = 0,1; 0,2. ...................... 63

xi

Hình 3.29. Đặc tính thuỷ động lực học chân vịt tự do, và chân vịt trong hệ thống chân vịt bánh lái với tỷ số bước H/D = 0,5 ..................................................................... 63

Hình 3.30. Đặc tính thuỷ động lực học chân vịt tự do, và chân vịt trong hệ thống chân vịt bánh lái với tỷ số bước H/D = 0,6 ..................................................................... 64

Hình 3.31. Đặc tính thuỷ động lực học hệ thống chân vịt - bánh lái và chân vịt tự do .... 65

Hình 3.32. Đặc tính thuỷ động lực học hệ thống chân vịt - bánh lái và chân vịt tự do với tỷ số bước H/D = 0,6 ............................................................................................... 65

Hình 3.33. Trường dòng bao quanh bánh lái .................................................................. 66

Hình 3.34. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái tại H/D = 0,5 ..................................... 67

Hình 3.35. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái tại H/D = 0,6 ...................................... 67

Hình 3.36. Lực cản tác động lên bánh lái với tỷ số bước H/D = 0,5 ............................... 67

Hình 4.1. Sơ đồ thực nghiệm chân vịt có mặt thoáng ..................................................... 69

Hình 4.2. Sơ đồ thực nghiệm thiết bị đẩy ....................................................................... 71

Hình 4.3. Đường đặc tính vận hành chân vịt trong thực nghiệm thiết bị đẩy .................. 72

Hình 4.4. Cấu tạo ống thử xâm thực ............................................................................... 74

Hình 4.5. Một số loại xâm thực chân vịt ........................................................................ 74

Hình 4.6. Khảo sát hệ trục tàu cá nghiên cứu thực nghiệm ............................................. 78

Hình 4.7. Khảo sát kết cấu lắp ghép trục chân vịt và trục động cơ tàu ............................ 78

Hình 4.8. Quá trình gia công trên máy CNC và cánh chân vịt sau khi hoàn thiện .......... 79

Hình 4.9. Quá trình gá lắp và gia công thân bầu chân vịt trên máy CNC ........................ 79

Hình 4.10. Hệ thống chân vịt hai bước sau khi hoàn thiện.............................................. 80

Hình 4.11. Cấu tạo của hệ thống đo ‘Datum electronics’. ............................................... 82

Hình 4.12. Cấu tạo thiết bị đo nhiên liệu VSC68 ............................................................ 83

xii

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của luận án

Nói đến chân vịt trang bị cho tàu thủy nói chung và đội tàu cá đánh bắt xa bờ nói riêng của Việt Nam cũng như trên toàn thế giới thường sử dụng hai loại là: chân vịt có bước cố định và chân vịt biến bước, hai loại chân vịt này có một số nét nổi bật như sau:

 Chân vịt cố định có cấu tạo gồm có các cánh gắn cứng trên bầu, trong quá trình hoạt động không thay đổi được bước cánh, giá thành, quy trình bảo dưỡng vận hành phù hợp và chủ động chế tạo trong nước;

 Chân vịt biến bước có cấu tạo gồm các cánh được chế tạo rời liên kết với bầu chân vịt thông qua đĩa xoay gắn liền với đế cánh và bầu chân vịt. Trong quá trình hoạt động chân vịt có thể thay đổi được bước cánh để phù hợp với tải của chế độ khai thác, tiết kiệm nhiên liệu, cải thiện hiệu suất ở các chế độ khai thác không phải là chế độ khai thác tối ưu. Tuy nhiên chi phí đầu tư lớn, quy trình bảo dưỡng, vận hành phức tạp, đòi hỏi đội ngũ chuyên môn cao, chưa chủ động chế tạo trong nước.

Trên thế giới, với điều kiện cơ sở vật chất và kỹ thuật công nghệ tiên tiến, đội tàu đánh bắt xa bờ của họ chủ yếu được trang bị loại chân vịt biến bước có hiệu quả khai thác cao hơn nhiều so với chân vịt có bước cố định trang bị trên đội tàu cá đánh bắt xa bờ của nước ta hiện nay.

Mặt khác, xuất phát từ điều kiện tài chính của hộ dân, các doanh nghiệp vừa và nhỏ trong nước, với giá thành của một chân vịt biến bước rất cao và khó khăn hơn nữa là đội ngũ kỹ thuật có đủ trình độ chuyên môn đảm bảo duy trì chế độ bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên. Vì vậy, trong tương lai gần, việc trang bị chân vịt biến bước cho tàu cá đánh bắt xa bờ ở nước ta là chưa khả thi.

Xuất phát từ thực tiễn trên, NCS và tập thể Thầy hướng dẫn đề xuất ý tưởng mẫu ‘Chân vịt hai bước’ có thể thay đổi bước hay góc đặt cánh ở hai chế độ hoạt động chính của tàu cá đánh bắt xa bờ với đặc tính hoạt động tại hai chế độ như sau:

 Chế độ hoạt động thứ nhất: Chạy không tải ra khơi, chạy tìm luồng cá hay khu

vực khai thác và chạy đầy hàng lúc về cảng;

 Chế độ hoạt động thứ hai: Vừa chạy vừa khai thác hải sản.

Do chân vịt có bước cố định trang bị cho tàu cá đánh bắt xa bờ chỉ đạt hiệu suất cao tại một chế độ khai thác đã được tính toán thiết kế ban đầu là chế độ kéo lưới với vận tốc khai thác nhỏ, tải trọng lớn, còn chế độ chạy tự do với vận tốc lớn thì hiệu suất rất thấp. Vì vậy với giải pháp chân vịt hai bước sẽ khắc phục được hiện tượng hiệu suất thấp tại chế độ chạy tự do nghĩa là giải pháp chân vịt hai bước sẽ cho phép tối ưu hiệu suất cho cả hai chế độ khai thác là chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do. Với hiệu suất tối ưu cho cả hai chế độ hoạt động giải pháp chân vịt hai

xiii

bước sẽ giúp tiết kiệm được nhiên liệu cho mỗi chuyến đi biển, giảm được lượng phát thải gây ô nhiễm môi trường.

Sản phẩm “chân vịt hai bước” hoàn toàn có thể mở rộng cho nhiều loại tàu khác nhau có đặc điểm về chế độ khai thác tương đồng, điển hình là tàu dịch vụ có chế độ khai thác là di chuyển không tải tiếp cận mục tiêu và chạy toàn tải khi thực hiện nhiệm vụ như tàu kéo, tàu lai dắt;

Một lợi ích nổi bật khác khi sử dụng chân vịt hai bước là tính cơ động cao hơn trong quá trình điều động cụ thể như sau: Tăng tốc tránh vùng nguy cơ bão lớn; nhanh chóng tiếp cận nguồn cá khi có tín hiệu; về cảng kịp thời gian giao hàng hay đảm bảo chất lượng hải sản…

Điều này khẳng định: Đối với mỗi tàu cá đánh bắt xa bờ được trang bị chân vịt hai bước sẽ giảm lượng tiêu hao nhiên liệu đáng kể cho mỗi chuyến ra khơi (dự kiến tiết kiệm được tối thiểu là 5% tổng lượng nhiên liệu tiêu hao cho mỗi chuyến đi biển), cơ động hơn trong điều động và giảm phát thải ô nhiễm môi trường. Với số lượng đội tàu cá đánh bắt xa bờ nhiều và càng ngày càng tăng như hiện nay thì hiệu quả kinh tế mang lại rất lớn, theo Nghị quyết số 06-NQ/TU ngày 07/06/2018 thì trung bình hàng năm năng lực khai thác hải sản xa bờ tăng lên thông qua số lượng tàu có công suất lớn hơn 90CV tăng 4,86%/năm. Vì vậy, sản phẩm chân vịt hai bước sẽ mang lại hiệu quả đáng kể cho xã hội và có tiềm năng phát triển sản phẩm rộng rãi trên thị trường Việt Nam. 2. Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để đưa ra được giải pháp nâng cao hiệu suất, cải thiện khả năng điều động, và tiết kiệm nhiên liệu cho tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo có công suất máy 155CV. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống đẩy dạng chân vịt được trang bị trên đội tàu cá sử dụng lưới kéo đánh bắt xa bờ của Việt Nam công suất máy 155CV. 3.2 Phạm vi nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu tính toán hiệu suất của hai hệ thống chân vịt là ‘Chân vịt có bước cố định’ và ‘Chân vịt hai bước’ cho hai chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do trang bị trên tàu cá có công suất máy 155CV. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học

Tổng hợp cơ sở lý luận về giải pháp nâng cao hiệu suất hệ thống đẩy và khả năng vận hành đội tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo. Ứng dụng CFD mô

xiv

phỏng hình ảnh dòng chảy bao quanh chân vịt, xây dựng các đường thuỷ động lực học của chân vịt có sự kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn

 Đưa ra hệ thống đẩy chân vịt hai bước hoạt động hiệu quả, trang bị cho tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo, có thể mở rộng trang bị cho tàu dịch vụ có chế độ tải tương đồng;

 Làm chủ quy trình thiết kế, công nghệ chế tạo hệ thống đẩy chân vịt hai bước, ứng dụng cho tàu cá đánh bắt xa bờ của Việt Nam, góp phần nâng cao, nội địa hoá sản phẩm trong nước. 5. Những đóng góp của luận án

Với mục tiêu đã đề ra, luận án có những đóng góp cụ thể như sau :

 Luận án đã phân tích mối quan hệ vỏ tàu, máy chính, chân vịt để làm sáng tỏ khía cạnh tiết kiệm nhiên liệu, tăng khả năng điều động của hệ thống chân vịt biến bước. Đồng thời cũng phân tích, làm rõ mối quan hệ vận tốc khai thác của tàu, tỷ số bước cánh với hiệu suất chân vịt từ đó đề xuất giải pháp chân vịt hai bước nhằm nâng cao hiệu suất, cải thiện khả năng điều động, và tiết kiệm nhiên liệu cho đội tàu cá đánh bắt xa bờ;

 Đưa ra quy trình tính toán thiết kế và chế tạo chân vịt hai bước, kết hợp mô phỏng số xây dựng đường đặc tính thuỷ động lực học hệ thống chân vịt vừa tính toán thiết kế ;

 Đã tính toán thiết kế và chế tạo thành công 01 bộ chân vịt hai bước lắp cho tàu

cá cụ thể. 6. Phương pháp nghiên cứu của luận án

Để giải quyết được mục tiêu đề ra luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý

thuyết kết hợp với thực nghiệm trong đó:

 Nghiên cứu lý thuyết

Đã sử dụng những định luật về máy cánh dẫn và kinh nghiệm của các nghiên cứu trong và ngoài nước để tính toán thiết kế chân vịt tàu cá công suất 155CV đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo và áp dụng phương pháp mô phỏng số để đảm bảo loại chân vịt mới có kết cấu hợp lý, hiệu suất cao.

 Nghiên cứu thực nghiệm

 Chế tạo 01 bộ chân vịt hai bước có các thông số kỹ thuật được tính toán, thiết kế phù hợp để thực nghiệm trên tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo công suất 155CV mang biển kiểm soát HP-90577-TS;

xv

 Thực nghiệm đo các hệ số thuỷ động lực học đặc trưng trên trục của hai hệ thống chân vịt ở hai chế độ hoạt động chính là chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do. So sánh kết quả nghiên cứu thực nghiệm với kết quả tính toán mô phỏng số ;

 Vận hành thử nghiệm tính năng, xác định các hệ số lực đẩy KT, hệ số mômen KQ , hiệu suất η, và suất tiêu hao nhiên liệu của hệ thống chân vịt hai bước với các chế độ tải trọng và thời gian tương đồng với một chuyến đi biển. 7. Bố cục của luận án

Bố cục của luận án gồm có phần mở đầu, nội dung, kết luận và phụ lục trong

đó phần nội dung chính của luận án gồm có:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống động lực và chân vịt tàu cá

 Tìm hiểu về số lượng, đặc điểm hệ thống động lực, đặc điểm chế độ hoạt động

và những hạn chế của hệ thống chân vịt của đội tàu cá đang khai thác;

 Phân tích ưu nhược điểm các giải pháp nâng cao hiệu suất hệ thống chân vịt đã

và đang được các nước trên thế giới, Việt Nam ứng dụng;

 Đề xuất ý tưởng mẫu chân vịt hai bước phù hợp với hai chế độ hoạt động ứng

dụng cho đội tàu cá đánh bắt xa bờ.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 Trình bày cơ sở lý thuyết dòng chảy bao quanh profile cánh

 Nêu được mối quan hệ giữa tỷ số bước và hiệu suất chân vịt;

 Trình bày mối quan hệ máy chính, vỏ tàu, và chân vịt;

 Trình bày một số phương trình cơ bản trong tính toán mô phỏng số;

 Nghiên cứu phương pháp tính toán mô phỏng số cho chân vịt tàu thuỷ để chọn được mô hình rối, điều kiện biên, và thuật giải phù hợp với bài toán mô phỏng số chân vịt hai bước. Kiểm chứng trên mẫu chân vịt đã thực nghiệm là E779A.

Chương 3: Tính toán thiết kế và mô phỏng số

 Tính toán thiết kế kỹ thuật chân vịt hai bước phù hợp với hai chế độ hoạt động

của tàu cá là chế độ kéo lưới, và chế độ chạy tự do;

 Tính toán mô phỏng chân vịt có bước cố định, chân vịt hai bước ở các tỷ số bước cánh H/D lần lượt là 0,5; 0,52; 0,53; 0,55; 0,57; 0,59 và 0,6 để xác định được tỷ số bước cánh phù hjơp ở chế độ chạy tự do và chứng minh hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu của hệ thống chân vịt hai bước so với chân vịt có bước cố định;

 Tính toán mô phỏng số chân vịt hai bước, và hệ thống chân vịt hai bước - bánh lái ở hai tỷ số bước H/D là 0,5; 0,6 để khảo sát sự tương tác thuỷ động lực học của chân vịt và bánh lái trong quá trình hoạt động.

xvi

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước

 Giới thiệu chung về thực nghiệm chân vịt;

 Lựa chọn phương án thực nghiệm cho hệ thống chân vịt hai bước;

 Thực nghiệm đánh giá hiệu suất, tính năng, và suất tiêu hao nhiên liệu hệ thống chân vịt hai bước trên tàu thực. Từ kết quả thực nghiệm thu được chứng minh hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu của hệ thống chân vịt hai bước so với chân vịt có bước cố định.

xvii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC VÀ CHÂN VỊT TÀU CÁ

1.1. Tổng quan về hệ thống động lực và chân vịt tàu cá

1.1.1. Giới thiệu chung về đội tàu cá đánh bắt xa bờ tại Việt Nam

Theo số liệu thống kê của trang Thông tin điện tử Tổng cục Thống kê, Kinh tế đô thị. Số lượng tàu đánh bắt, khai thác thuỷ hải sản của nước ta tăng liên tục trong giai đoạn từ năm 1990 đến năm 2017 với tốc độ bình quân 2929 chiếc/năm. Cùng với sự gia tăng số lượng tàu thuyền khai thác, tổng công suất máy tàu cũng không ngừng tăng lên với mức tăng trung bình khoảng 164579 CV/năm. Tính đến năm 2017, tổng số tàu cá trên toàn quốc là 110.950 tàu, trong đó tàu khai thác có 108.619 chiếc chiếm 97,89%, tàu dịch vụ hậu cần 2.331 chiếm 2,11%. Số lượng tàu cá khai thác xa bờ công suất lớn hơn 90 CV từ 21.000 chiếc năm 2011 đã tăng lên 34.563 chiếc năm 2018, trong đó có 14.625 tàu cá có công suất lớn hơn 400CV. Đặc biệt là các tàu vỏ thép có công suất trên 800CV đã được ngư dân đầu tư đóng mới, trang bị đầy đủ về các thiết bị an toàn và từng bước hiện đại hóa các trang thiết bị khai thác. Số lượng tàu cá đánh bắt xa bờ có công suất lớn hơn 90 CV của Việt Nam giai đoạn 2013 - 2018 đồ thị Hình 1.1[1, 2].

Hình 1.1. Biểu đồ số lượng tàu cá công suất lớn hơn 90 CV giai đoạn 2013 - 2018

1

Mặc dù tổng sản lượng hải sản khai thác tăng liên tục từ 419470 tấn năm 1981 lên 7.768500 tấn năm 2018 với tốc độ trung bình 46431 tấn/năm, nhưng năng suất trung bình, tấn/CV/năm, lại giảm và đặc biệt là giảm liên tục từ năm 1985 đến nay. Nếu năng suất đánh bắt năm 1985 là 1,11 tấn/CV/năm thì đến năm 2003 giá trị này chỉ còn khoảng 0,35 tấn/CV/năm với tốc độ giảm trung bình 0,04 tấn/CV/năm. Sự giảm năng suất đánh bắt liên tục trong một thời gian dài do nhiều nguyên nhân mà nguyên nhân cơ bản nhất là phương tiện khai thác còn lạc hậu hiệu suất khai thác thấp, ít có khả năng tiếp cận được với ngư trường xa bờ và chưa khống chế được số lượng tàu thuyền khai thác. Do đó hiện đại hoá, đội tàu cá đánh bắt xa bờ để tăng khả năng khai thác các ngư trường xa bờ, cải thiện kỹ thuật khai thác và quản lý nghề cá trở thành vấn đề mang tính thời sự đối với sự phát triển của ngành khai thác và chế biến thuỷ sản ở nước ta [3].

1.1.2. Đặc điểm hệ thống động lực

Hệ thống động lực của tàu cá đánh bắt xa bờ của Việt Nam khá phong phú về chủng loại công suất dưới đây là một số đặc điểm nổi bật của hệ thống động lực tàu cá đánh bắt xa bờ của nước ta [4-7].

1.1.2.1. Đặc điểm động cơ chính

Động cơ chính trang bị trên tàu cá hoạt động trên vùng biển Việt Nam nói chung có công suất nhỏ, dưới 800 mã lực, số vòng quay lớn và do nước ngoài chế tạo. Các động cơ này có cấu tạo nhỏ gọn và đơn giản hơn so với động cơ có công suất lớn và có một số đặc điểm chính như sau [4, 5]:

 Là động cơ 4 kỳ tác động đơn, có thể trang bị hệ thống tăng áp hoặc không

tăng áp;

 Số xy lanh từ 1 - 6 xylanh và công suất mỗi xy lanh từ 8 - 80 CV;

 Số vòng quay định mức nằm trong khoảng 900 - 3600 v/ph;

 Phần lớn là những động cơ cao tốc sử dụng hộp số thuỷ lực 2 cấp có một cấp

tiến và một cấp lùi, ly hợp ma sát là đĩa đơn hoặc kép.

1.1.2.2. Đặc điểm hệ trục chân vịt

Hệ trục chân vịt sử dụng trên tàu cá ở nước ta rất đơn giản, do buồng máy được bố trí ở phía đuôi tàu nên nếu hệ trục ngắn thì chỉ gồm hệ trục chân vịt và khớp nối, nếu hệ trục dài thì có thêm một số đoạn trục trung gian. Theo kết quả khảo sát cho thấy hầu hết các động cơ trang bị cho tàu cá được nhập từ nước ngoài phần lớn là các động cơ của Nhật bản do hãng YANMAR sản xuất, chúng thường có hệ trục kèm theo. Cấu tạo của hệ trục chân vịt trên các loại tàu này Hình 1.2 thông thường gồm [8]:

 Chân vịt, trục chân vịt;

 Bích nối, bạc trục;

2

Hình 1.2. Sơ đồ bố trí chung hệ thống động lực tàu cá.

 Gối đỡ, trục trung gian;

 Hộp số, và máy chính.

Đối với những tàu có chiều dài nhỏ, hệ trục chân vịt ngắn thông thường không có trục trung gian. Khớp nối dùng để nối trục chân vịt với trục ra của hộp số động cơ thường là khớp các đăng. Trên tàu ngoài động cơ chính có thể trang bị thêm máy phát điện, bơm thủy lực phục vụ máy khai thác. Bố trí chung buồng máy trên tàu cá cỡ nhỏ ở nước ta rất đơn giản. Kết cấu của hệ trục chân vịt và vị trí bố trí buồng máy trên tàu cá hoạt động ở vùng biển Việt Nam gồm các phần tử chính bắt đầu từ mặt bích hộp số Hình 1.3.

 Bích nối vào hộp số: Có nhiệm vụ kết nối trục chân vịt vào hộp số, truyền lực

từ hộp số đến hệ trục chân vịt;

 Trục trung gian: Đối với tàu có chiều dài lớn, máy chính nằm cách xa đuôi tàu, hệ trục chân vịt phải có thêm trục trung gian để kết nối trục của động cơ và trục chân vịt. Tùy chiều dài của trục trung gian mà trên trục có thể có thêm gối đỡ trục;

Hình 1.3. Cấu tạo của hệ trục chân vịt tàu cá

3

 Trục chân vịt: Là trục nối với chân vịt phía đuôi tàu;

 Bạc trục chân vịt: Là phần tử quan trọng trong hệ trục nó nằm trên vỏ tàu, làm nhiệm vụ giảm ma sát cho trục chân vịt đồng thời ngăn cản nước biển rò lọt vào tàu;

 Chân vịt: Là thiết bị biến đổi mô men quay của máy truyền dẫn qua hệ trục thành lực đẩy giúp tàu di chuyển về phía trước. Các thông số quan trọng nhất của chân vịt là số cánh, bước cánh, góc nghiêng của cánh, góc xoắn cánh và đường kính cánh.

1.1.2.3. Đặc điểm thiết bị đẩy

Thiết bị đẩy chủ yếu trên các tàu hoạt động tại vùng biển nước ta hiện nay hầu hết là chân vịt có bước cố định Hình 1.4 có một số đặc điểm nổi bật sau đây [9, 10]:

Hình 1.4. Chân vịt trang bị trên tàu cá hoạt động xa bờ tại Việt Nam.

 Là chân vịt có bước cố định;

 Làm bằng hợp kim đồng;

 Số cánh từ 3 - 4 cánh;

 Đường kính chân vịt có thể đạt đến 1,2 m.

Hầu hết các tàu cá hoạt động trên vùng biển của nước ta chủ yếu trang bị một

chân vịt, chiều quay có thể là chiều quay trái hoặc chiều quay phải.

1.1.3. Đặc điểm hoạt động

Không giống với các loại tàu chở hàng khác, tàu cá đánh bắt xa bờ có nhiều

chế độ hoạt động phức tạp như sau [10, 11]:

 Chế độ chạy tự do không tải chạy từ cảng cá đến ngư trường đánh bắt, tìm luồng cá đặc điểm của chế độ này là vận tốc lớn khoảng 7-12 hảilý/h. Sức cản trong giai đoạn này chủ yếu là sức cản do dòng chảy tác động lên vỏ tàu;

 Chế độ chạy có tải từ ngư trường về cảng, ở chế độ này vận tốc khai thác của tàu vào khoảng 7-12 hảilý/h. Tàu chạy với vận tốc khai thác lớn về cảng để đảm bảo chất lượng hải sản tốt nhất, trong chế độ này sức cản chủ yếu là sức cản do dòng

4

chảy tác động lên vỏ tàu. So với chế độ chạy tự do từ cảng ra ngư trường đánh bắt sức cản trong trường hợp này lớn hơn một chút do mớn nước của tàu trong chế độ khai thác này lớn hơn dẫn đến diện tích tiếp xúc của vỏ tàu với chất lỏng lớn hơn làm tăng sức cản do dòng chảy gây ra phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của tàu đã được đồ thị hoá trong tài liệu [10].

 Chế độ kéo lưới đánh bắt hải sản, ở chế độ này vận tốc khai thác của tàu nhỏ khoảng 3 - 6 hải lý/h, sức cản tác động lên tàu lúc này gồm có sức cản do dòng chảy tác động lên vỏ tàu và sức cản lưới kéo. Sức cản do lưới kéo ở chế độ khai thác này lơn hơn nhiều so với sức cản do dòng chảy tác động lên vỏ tàu, đường cong sức cản lưới là hàm bậc hai của vận tốc kéo lưới, và các thông số của lưới kéo như đường kính sợi lưới, chiều dài, chiều cao của lưới đồ thị sức cản lưới cũng đã được đồ thị hoá trong tài liệu [10]. Đường cong sức cản tàu trong trường hợp này là tổng hợp của hai đường cong trên và cũng được biểu diễn dưới dạng đồ thị để tiện tra cứu và tính toán [10].

 Chế độ cuối cùng là chế độ chạy tránh trú bão, ở chế độ hoạt động này vận tốc khai thác yêu cầu lớn nhất có thể để có thể cập vào điểm tránh trú bão an toàn. Sức cản tác động lên tàu trong trường hợp này khá phức tạp bao gồm sức cản do dòng chảy tác động lên vỏ tàu, sức cản do gió tác động lên phần thượng tầng, sức cản do sóng tác động.

Bảng 1.1. Thời gian các chế độ khai thác của tàu trong một chuyến đi

Stt Chế độ chạy % Tỷ lệ chuyến đi Thời gian (h) 1 Kéo lưới 2 Tự do 3 Chế độ khác 4 Dừng máy 5 Tổng thời gian 48% 40% 2% 10% 100% 173 144 7 36 360

Theo thống kê thời gian của một chuyến đi biển khai thác hải sản với tàu lưới kéo có công suất máy trong dải 150 - 300 CV vào khoảng 15 ngày tương đương với 360 giờ với hai chế độ khai thác chủ yếu là chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do, thời gian hoạt động cho từng chế độ khai thác thống kê cho một chuyến đi của tàu Bảng 1.1. Từ bảng trên ta thấy rằng hai chế độ khai thác chủ yếu của tàu cá là chế độ chạy tự do ra ngư trường và chế độ kéo lưới khai thác hải sản hai chế độ này chiếm 88% thời gian mỗi chuyến đi các chế độ còn lại 12% thời gian là các chế độ khác. Như vậy để nâng cao hiệu suất hệ thống đẩy cho tàu cá đánh bắt xa bờ thì phải tập trung cải thiện hiệu suất của hệ thống ở hai chế độ là chế độ chạy tự do và chế độ kéo lưới.

1.2. Đặc điểm hệ thống đẩy tàu cá

Hệ thống đẩy dùng trên tàu cá đánh bắt xa bờ của Việt Nam là hệ thống chân vịt có bước cố định được tính toán, thiết kế ở một chế độ khai thác nhất định hoặc

5

dùng mẫu đúc có sẵn tại các cơ sở đúc chân vịt. Đối với trường hợp sử dụng mẫu đúc có sẵn thì biên dạng cánh chân vịt không phù hợp với công suất của máy chính, không phù hợp với biên dạng thân tàu và không xác định được chế độ khai thác tối ưu của chân vịt, hiệu suất khai thác của chân vịt trong trường hợp này rất thấp, lượng nhiên liệu tiêu thụ cho một chuyến đi rất lớn. Theo khảo sát thực tế thấy rằng hệ thống đẩy của tàu cá đánh bắt xa bờ của Việt Nam có một số nhược điểm cơ bản như sau:

 Hầu hết chân vịt trang bị trên tàu cá đánh bắt xa bờ hoạt động tại Việt Nam được thiết kế ở chế độ kéo lưới có tải trọng lớn, thời gian khai thác dài do đó tỷ số bước H/D của chân vịt loại này tương đối nhỏ khoảng 0,5. Do đó chân vịt tàu cá đạt hiệu cao tại chế độ kéo lưới còn các chế độ còn lại đạt hiệu suất rất thấp. Đường đặc tính của chân vịt có bước cố định trang bị trên tàu cá Hình 1.5.

 Do số vòng quay của động cơ chính gần như không đổi bước H của chân vịt là hằng số, nên tàu không thể tăng được vận tốc khi khai thác ở chế độ khác không phải là chế độ kéo lưới mặc dù vẫn còn thừa công suất máy đặc biệt khi chạy từ ngư trường về cảng cần vận tốc khai thác lớn để đảm bảo cho chất lượng hải sản được tươi sống. Do đó làm giảm chất lượng hải sản, tiêu tốn nhiên liệu, tăng chi phí đánh bắt cho một chuyến đi;

 Trong quá trình hoạt động do bước của chân vịt không đổi do đó không cơ động trong quá trình khai thác đặc biệt là trong trường hợp tránh trú bão. Lúc đó tàu cần tăng vận tốc để có thể sớm đến nơi trú đậu tuy nhiên điều đó không thực hiện được điều này do bước H chân vịt không đổi trong khi vẫn còn dư công suất của máy chính [9, 12-14].

Hình 1.5. Đường đặc tính của chân vịt có bước cố định

6

1.3. Tình hình nghiên cứu và một số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt trong và ngoài nước

1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Chân vịt là một máy thuỷ lực cánh dẫn hướng trục có nhiệm vụ biến đổi năng lượng của động cơ thành lực đẩy giúp tàu chuyển động theo hành trình cho trước. Chân vịt đầu tiên trên thế giới được Josef Ressel of Thieste thử nghiệm thành công lần đầu tiên vào năm 1828 trên tàu có trang bị động cơ hơi nước có chiều dài thân tàu là 18m, sau đó 8 năm lần đầu tiên nó được hai kỹ sư Ericsson và Petit Smith sử dụng làm thiết bị đẩy trên tàu dịch vụ. Trải qua một thời gian dài phát triển từ đó đến nay lý thuyết tính toán thiết kế chân vịt ngày càng được hoàn thiện, chân vịt cũng như các biến thể của nó ngày càng được sử dụng rộng rãi chiếm đến 99% trang thiết bị đẩy trang bị trên tàu dịch vụ. Nếu như đầu thế kỷ 20 các nghiên cứu trên thế giới chỉ tập trung vào việc hoàn thiện cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế và chế tạo chân vịt thì những năm cuối thế 20 và đầu thế kỷ 21 với sự phát triển của công nghệ ảnh, công nghệ thông tin các nghiên cứu về chân vịt đã tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm và tính toán mô phỏng số các đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt cũng như sự tương tác của nó với thân tàu, bánh lái.

Với sự phát triển của khoa học máy tính, phương pháp số được ứng dụng khá rộng rãi để khảo sát các đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của nó. Số lượng nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của chân vịt chiếm phần lớn các nghiên cứu trong nửa thập kỷ trở lại đây. Năm 2015, Abbas, N. cùng với các đồng nghiệp của mình đã sử dụng kết hợp phương pháp mô phỏng rối lớn LES và phương pháp mô phỏng RANS để nghiên cứu sự bất ổn định của lực thuỷ động trên cánh chân vịt gây ra bởi vùng thấp của dòng chảy sau khi tương tác với thân tàu, chân vịt, bằng sự kết hợp giữa hai phương pháp bài báo đã xác định giá trị lớn nhất của lực thuỷ động tác động lên cánh chân vịt trong quá trình hoạt động [15]. Trong năm đó, tại hội nghị International Conference on Fluid Mechanics lần thứ bẩy, Liu, Dengcheng đã trình bày một mô hình xâm thực mới để mô phỏng số hiện tượng xâm thực trên cánh chân vịt tàu thuỷ sau đó mô hình này được kiểm chứng trên profile NaCa 66 thường dùng trong thiết kế chân vịt, kết quả mô phỏng cho thấy rằng mô hình mới cho hình ảnh xâm thực phù hợp với hình ảnh nghiên cứu thực nghiệm [16]. Cũng sử dụng mô hình RANS với phần mềm lập trình mã nguồn mở Open FOAM, tác giả Yao, Jianxi đã nghiên cứu đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt trong trường dòng chảy nghiêng so với trục chân vịt một góc bất kỳ [17]. Bài báo đã sử dụng lưới phi cấu trúc tính toán mô phỏng 70 trường hợp với hệ số tiến J và góc nghiêng của dòng chảy khác nhau, kết quả tính toán mô phỏng số phù hợp với kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Với cùng hướng nghiên này, năm 2016, Alimirzazadeh và các đồng nghiệp thuộc Khoa cơ khí, Trường đại học công nghệ Sharif, Iran đã công bố nghiên cứu sự biến thiên đặc tính thuỷ động lực học chân vịt theo thời gian bằng phương pháp RANS [18]. Một

7

số tác giả lại sử dụng phương pháp số để khảo sát sự tương tác thuỷ động lực học của hệ thống chân vịt, bánh lái, thân tàu từ đó tìm ra các biện pháp cải thiện hiệu suất của thiết bị đẩy [19-25], nổi bật nhất là nghiên cứu của tác giả He, Lei và các cộng sự được công bố trên tạp chí ‘International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering’. Bài báo sử dụng phương pháp số để khảo sát sự tương tác chân vịt - bánh lái, sự phát triển của vùng xoáy sau bánh lái theo thời gian, kết quả chính đạt được là ảnh hưởng của biên dạng bánh lái đến đặc tính làm việc và đặc tính xâm thực của chân vịt. Một số công bố lại tập trung vào sử dụng phương pháp số khảo sát hiện tượng xâm thực, ăn mòn do xâm thực và ảnh hưởng của nó đến đặc tính làm việc của chân vịt [26-34], trong đó nổi bật là nghiên cứu của nhóm tác giả Yilmaz, Naz, Atlar, Mehmet và Khorasanchi, Mahdi sử dụng mô hình lưới động để khảo sát hiện tượng xâm thực xảy ra trên chân vịt tàu thuỷ, đặc biệt là mô phỏng sự phát triển của hiện tượng xâm thực xảy ra ở đỉnh cánh của chân vịt. Một số nghiên cứu khác lại tập trung vào khảo sát đặc tính thuỷ động lực học của hệ thống chân vịt - đạo lưu [35-44], kết quả chính của các nghiên cứu này là nghiên cứu đặc tính của hệ thống chân vịt - đạo lưu, ảnh hưởng của biên dạng đạo lưu, khe hở đỉnh cánh đến đặc tính thuỷ động lực học chân vịt. Một số công trình sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng số để nghiên cứu tải trọng tác động lên các ổ đỡ, trục chân vịt trong quá trình hoạt động [45, 46].

Ở khía cạnh nghiên cứu lý thuyết cũng có một số công trình nổi bật tập trung vào tính toán tối ưu biên dạng cánh chân vịt, phát triển mô hình mới để tính toán mô phỏng các hiện tượng thuỷ động lực học xảy ra khi chân vịt hoạt động [47-56]. Năm 2015, Lewis, Andrew và các đồng nghiệp phát triển thuật toán tối ưu các tham số thiết kế biên dạng hình học chân vịt, công trình này được công bố tại hội thảo ‘International Conference On Computational Science’ [49]. Năm 2016, nhóm tác giả Gaggero, Stefano, Gonzalez-Adalid, Juan Sobrino và Mariano Perez thuộc trường đại học Genoa, Italy và trường SISTEMAR S.A., Madrid, Tây Ban Nha công bố nghiên cứu về tính toán thiết kế một loại chân vịt có tên là ‘Contracted Tip Load Propeller’ hay còn gọi là chân vịt CLT có biên dạng đỉnh cánh gập lại về phía mặt đẩy, loại chân vịt này có hiệu suất cao hơn, và khả năng chống xâm thực tốt hơn chân vịt thông thường kết quả của bài báo được công bố trên tạp chí Applied Ocean Research [51]. Cũng trong năm đó, trên tạp chí Ocean Engineering, nhóm tác giả Helma, Stephan đã công bố quy trình đồng dạng trong thiết kế chân vịt tàu thuỷ, quy trình này được áp dụng hiệu quả với tiêu chuẩn bể thử ITTC 1978 và số Re lớn hơn 2.105 . Ngoài ra còn có một số công trình sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết để tính toán, thiết kế tối ưu hệ thống chân vịt đạo lưu, tối ưu hoá thiết kế chân vịt theo hướng giảm rung động [40, 53, 57-60].

Nghiên cứu thực nghiệm cũng đóng góp một số lượng nghiên cứu đáng kể, các nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu sử dụng hệ thống bể thử, ống thử xâm thực để nghiên cứu một số ảnh hưởng đến đặc tính thuỷ động lực học chân vịt cũng như trường dòng phía sau chân vịt. Năm 2012, Korkut Emin và Atlar Mehmet sử dụng

8

phương pháp nghiên cứu thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của lớp sơn phủ tới đặc tính xâm thực, khả năng phát sinh tiếng ồn của chân vịt, kết quả của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Ocean Engineering [61]. Năm 2016, Kowalczyk cùng các đồng nghiệp thuộc trung tâm nghiên cứu và thiết kế tàu của Hà Lan đã sử dụng phương pháp số, và nghiên cứu thực nghiệm để nghiên cứu tiếng ồn sinh ra khi chân vịt làm việc. Năm 2019, Ortolani và các cộng sự đã sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu tải trọng trên cánh chân vịt và của toàn bộ chân vịt trong chế độ chạy tự do ổn định và chế độ khi tàu chuyển hướng, bài báo chỉ rằng sự biến thiên tuần hoàn của dòng chảy khi tương tác với cánh chân vịt gây ra sự biến thiên về tải trọng trên các cánh cũng như toàn bộ chân vịt [62, 63]. Ngoài ra còn có một số công trình khác sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm khảo sát đặc tính xâm thực, nghiên cứu ảnh hưởng của mặt thoáng, ảnh hưởng của trục và một số yếu tố khác đến đặc tính xâm thực của chân vịt [64-67].

Nói chung các nghiên cứu ngoài nước về vấn đề chân vịt chủ yếu tập trung vào một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của chân vịt chưa có nghiên cứu nào tập trung vào hệ thống chân vịt tàu cá có công suất máy chính nằm trong dải 90 - 300 CV. Do đó việc nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu suất chân vịt, tăng khả năng điều động của tàu cá khai thác xa bờ có công suất máy từ 90 đến 300 CV còn nguyên tính thời sự.

1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

Chân vịt tàu thuỷ lần đầu tiên được đề cập tới ở Việt Nam vào những năm 1970 trong cuốn sách sổ tay kỹ thuật đóng tàu thuỷ tập 1, giáo trình hướng dẫn thiết kế chân vịt tàu thuỷ của tác giả Võ Duy Bông năm 1983. Tuy nhiên phải mất 16 năm sau đó một số nghiên cứu đầu tiên về chân vịt tàu thuỷ mới được đề cập đến, năm 2009, PGS.TS Trần Gia Thái thuộc bộ môn Kỹ thuật tàu thủy, khoa Kỹ thuật giao thông Trường đại học Nha Trang sử dụng thông số thiết kế trong các chương trình CAD/CAM để tự động hóa vẽ và xây dựng mô hình chân vịt tàu [68]. Trong bài báo tác giả sử dụng thuât toán khai triển elip để viết chương trình tự động xây dựng mô hình 3D chân vịt sau khi đã có các thông số cơ bản của chân vịt sau đó mô hình này được xuất sang phần mềm MasterCam để gia công trên máy CNC. Tuy nhiên sai số của phần mềm này so với cách xây dựng mô hình chân vịt thông thường là 0,6%, phần mềm chỉ giúp xây dựng mô hình 3D cánh chân vịt sau khi đã có thông số kỹ thuật cụ thể về đường kính, tỷ số bầu, bước và profile tại các tiết diện. Cũng trong năm đó tác giả cũng công bố một nghiên cứu về quy trình sửa chữa phục hồi chân vịt tàu thuỷ trên máy phay CNC [69]. Nội dung chính của bài báo tập trung vào khía cạnh công nghệ đưa ra quy trình sửa chữa, khắc phục sai số của chân vịt tàu thuỷ sau khi đúc do biến dạng nhiệt. Năm 2012, tác giả Vũ Văn Duy thuộc bộ môn Cơ học, viện Khoa học cơ sở Trường đại học Hàng Hải Việt Nam sử dụng phương pháp số nghiên cứu hiện tượng xoáy đỉnh cánh xảy ra trên chân vịt tàu thuỷ, bài báo đã đưa ra một số hình ảnh về hiện tượng xoáy đỉnh cánh

9

và ảnh hưởng của nó đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt [70]. Sau đó một năm tác giả Lê Thị Thái thuộc bộ môn Kỹ thuật Thuỷ khí và Tàu thuỷ, Viện cơ khí động lực, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Quang và PGS. TS Lê Thanh Tùng đã công bố luận án ‘Nghiên cứu hiện tượng xâm thực bao quanh chân vịt tàu thuỷ’. Trong luận án của mình tác giả trình bày về bản chất của hiện tượng xâm thực, một số phương pháp tính toán, mô phỏng hiện tượng này, sau đó tác giả tính toán mô phỏng, nghiên cứu thực nghiệm hiện tượng xâm thực xảy ra trên hệ thống chân vịt tàu container 500 TEU. Năm 2018, trên tạp chí Khoa học công nghệ PGS. TS Ngô Văn Hệ thuộc bộ môn Kỹ thuật thuỷ khí và tàu thuỷ, Viện cơ khí động lực Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã công bố nghiên cứu về việc ứng dụng phương pháp số cải thiện đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt, trong bài báo tác giả đã sử dụng phương pháp số tính toán mô phỏng hệ thống chân vịt ‘Azipod propeller’ và một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt [71]. Tuy nhiên các công trình công bố trong nước chủ yếu sử dụng phương pháp số nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt chưa có nghiên cứu nào đề cập tới giải pháp cải thiện hiệu suất chân vịt cũng như khả năng điều động của tàu cá đánh bắt xa bờ của Việt Nam.

1.3.3. Một số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt

Như chúng ta đã biết chân vịt tàu thuỷ là thiết bị đẩy thông dụng chiếm đến 90% thiết bị đẩy trang bị trên tàu dịch vụ, nó hoạt động theo nguyên lý máy cánh dẫn hướng trục biến đổi năng lượng của động cơ thành động năng của dòng chất lỏng và sự chênh lệch áp suất giữa mặt hút và mặt đẩy của chân vịt. Công suất động cơ dùng để dẫn động chân vịt rất phong phú từ vài kW cho đến hàng nghìn kW, do đó đối với các tàu lớn chỉ cần nâng cao hiệu suất của chân vịt 1% chúng ta cũng tiết kiệm được khá lớn lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một chuyến đi. Như vậy nâng cao hiệu suất hệ thống đẩy nói chung và chân vịt tàu thuỷ nói riêng trở thành vấn đề mang tính thời sự. Các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu suất chân vịt chủ yếu tập trung vào các hướng như sau.

1.3.3.1. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng hệ thống cánh cứng trên bầu

Chân vịt loại này cải thiện được khoảng 4-5% hiệu suất so với chân vịt thông thường do chúng có khả năng hấp thụ năng lượng của dòng xoáy sau chân vịt và loại bỏ vùng áp suất thấp phía sau bầu của chân vịt. Lực đẩy của chân vịt loại này tăng lên do sự biến mất của vùng áp suất thấp phía sau bầu chân vịt, momen tổng tác dụng lên trục giảm do momen tác động lên các cánh phụ ngược chiều với mô men tạo ra trên cánh chân vịt. Kết cấu của chân vịt loại này khá đơn giản gồm có một số tấm phẳng lắp trên bầu của chân vịt có bước cố định và quay cùng với chân vịt Hình 1.6. Tuy nhiên hệ thống chân vịt loại này lại không cơ động trong quá trình vận hành do bước của chân vịt không đổi, không phù hợp với tàu có nhiều chế độ khai thác như tàu lai dắt, tàu cá, tàu kéo [72-74].

10

Hình 1.6. Nâng cao hiệu suất chân vịt hệ thống chân vịt PBCF

1.3.3.2. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng hệ thống chân vịt ‘Podded CRP- Azipod propeller’

Hệ thống chân vịt CRP-Azipod propeller là hệ thống đẩy bao gồm hai chân vịt được lắp đồng trục, không có liên kết với nhau về mặt vật lý Hình 1.7. Nguyên lý làm việc của chân vịt loại này tương tự như hệ thống chân vịt ‘Contrarotating propeller’. Trong hệ thống này 75% công suất nằm trên chân vịt chính còn 25% công suất nằm trên chân vịt phụ ‘Pod propeller’, những tàu có công suất lớn dùng hệ thống chân vịt loại này có thể nâng cao hiệu suất tới 10% so với tàu dùng 1 hệ thống một chân vịt và bánh lái. Ngoài ra hệ thống chân vịt loại này còn có ưu điểm là tăng khả năng quay trở của tàu, đối với hệ thống chân vịt này tàu không cần trang bị thêm bánh lái. Động cơ chính của tàu sử dụng loại chân vịt này nhỏ hơn động cơ trang bị cho tàu có lắp chân vịt thông thường. Nhược điểm của hệ thống này là chi phí đầu tư ban đầu lớn, quy trình tính toán thiết kế phức tạp hơn so với chân vịt có bước cố định và chỉ phù hợp với tàu có công suất lớn [13, 75]

Hình 1.7. Hệ thống chân vịt CRP-Azipod propeller

11

1.3.3.3. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng cách sử dụng hệ thống chân vịt ‘Contrarotating propeller’

Hình 1.8. Hệ thống chân vịt Contra-Rotating propellers

Contra-Rotating propellers là hệ thống chân vịt gồm hai chân vịt lắp ngược chiều nhau trên cùng một trục Hình 1.8. Chiều quay của hai chân vịt cũng ngược nhau, bước của chân vịt và tải trọng tác động lên chân vịt được thiết kế sao cho các xoáy tạo ra do vùng áp suất thấp phía sau chân vịt bằng 0. Đường kính của chân vịt phía trước thường lớn hơn một chút so với chân vịt phía sau, để triệt tiêu vùng áp suất thấp do chân vịt phía trước gây nên và tránh tương tác với xoáy đỉnh cánh của chân vịt trước, chân vịt trong hệ thống này có thể là chân vịt có bước cố định hoặc chân vịt biến bước, chúng có thể dùng với bánh lái có thiết kế đặc biệt Hình 1.8 để nâng cao hiệu suất của hệ thống đẩy. Hệ thống chân vịt loại này có nhược điểm là kết cấu trục, chương trình điều khiển phức tạp, chi phí chế tạo cao và khó bảo trì bảo dưỡng, và chỉ phù hợp với các tàu hiện đại có công suất lớn [13, 76-79].

Tuy nhiên hệ thống chân vịt loại này có ưu điểm nổi bật là có khả năng loại bỏ sự mất cân bằng mô men tác động lên hệ thống đẩy của tàu giúp tàu chuyển động êm hơn khi vận hành điều này đặc biệt có ý nghĩa với các thiết bị như tàu ngầm, ngư lôi. Ngoài ra hiệu suất của thiết bị đẩy này cao hơn hệ thống chân vịt có bước cố định có cùng công suất 6- 16% [12, 13, 57, 80].

1.3.3.4. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng cách lắp thêm cánh hướng trên đuôi tàu trước chân vịt

Hệ thống chân vịt loại này gồm có hệ thống cánh hướng có dạng profile khí động được lắp trên đuôi tàu phía trước chân vịt với mục đích làm suôn dòng chảy sau khi tương tác với thân tàu trước khi vào chân vịt từ đó nâng cao được hiệu suất của chân vịt, cấu tạo của hệ thống chân vịt loại này Hình 1.9. Chân vịt có trang bị hệ thống cánh hướng này sẽ cải thiện được khoảng 5% hiệu suất so với chân vịt có bước cố định. Hệ thống chân vịt loại này có kết cấu tương đối đơn giản, nhưng phức

12

tạp trong tính toán thiết kế biên dạng của cánh hướng, nó phải phù hợp với tuyến hình của tàu và xét đến sự ảnh hưởng của thân tàu đến dòng chảy khi đi vào cánh hướng. Hơn nữa là hệ thống này không cải thiện được khả năng điều động của tàu không có khả năng tăng vận tốc khai thác khi máy chính thừa công suất [81]

Hình 1.9. Hệ thống cánh hướng lắp trên đuôi tàu

1.3.3.5. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng ống đạo lưu

Hình 1.10. Chân vịt trong ống đạo lưu

Chân vịt trong ống đạo lưu là hệ thống đẩy gồm một chân vịt được lắp trong ống đạo lưu hình vành khuyên, cấu tạo của hệ thống chân vịt - đạo lưu Hình 1.10. Mặt cắt dọc của ống đạo lưu có dạng profile khí động chúng có thể dùng để tăng tốc hoặc giảm tốc tuỳ theo đặc tính khí động được thiết kế. Loại ống đạo lưu giảm tốc chủ yếu dùng để hạn chế hiện tượng xâm thực xảy ra trên chân vịt, trong thực tế

13

chúng ít được áp dụng cho các tàu lớn. Ống đạo lưu tăng tốc độ chủ yếu dùng cho chân vịt có hệ số công suất cao phổ biến là tàu chở hàng rời, tàu chở dầu, tàu dịch vụ xa bờ, tàu kéo và tàu chở công nhân. So với chân vịt thông thường chân vịt trong ống đạo lưu có khả năng tiết kiệm nhiên liệu khoảng 5% so với chân vịt có bước cố định [36, 37, 39, 40, 42-44, 82, 83]. Tuy nhiên hệ thống chân vịt - đạo lưu không cải thiện được khả năng vận hành tàu, không nâng cao được vận tốc khai thác nếu công suất máy chính còn thừa.

1.3.3.6. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng hệ thống chân vịt và bánh lái dạng đuôi cá ‘Fish tail rudder -propeller system’

Cấu tạo của hệ thống này gồm có một chân vịt kết hợp với bánh lái có biên dạng khí động dạng đuôi cá Hình 1.11. Hệ thống đẩy loại này có ưu điểm cải thiện khả năng quay trở của tàu do lực bẻ lái trên bánh lái loại này lớn hơn lực bẻ lái trên bánh lái thông thường có cùng kích thước. Ngoài ra bánh lái dạng đuôi cá tăng khả năng trao đổi năng lượng của bánh lái với chân vịt và thân tàu từ đó làm tăng hiệu suất của chân vịt. Hiệu suất của chân vịt trong hệ thống ‘Fish tail rudder -propeller system’ được cải thiện khoảng 1% so với hệ thống chân vịt thông thường. Hiện nay hệ thống chân vịt loại này càng được sử dụng rộng rãi trên các tàu dịch vụ, tàu có tải trọng lớn nhất có trang bị hệ thống Fish tail rudder -propeller system là 145.000 m3, tàu nhỏ nhất có trang bị hệ thống đẩy loại này là khoảng 55 m3 [84, 85] . Tuy nhiên hệ thống này chỉ cải thiện khả năng chuyển hướng của tàu chứ không tận dụng được công suất còn dư của máy chính biến công suất còn dư ấy thành vận tốc khai thác.

Hình 1.11. Hệ thống chân vịt - bánh lái dạng đuôi cá

14

1.3.3.7. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng ống Becker Mewis Duct

Hình 1.12. Hệ thống chân vịt và ống Becker Mewis

Hệ thống đẩy loại này gồm có 1 ống Becker Mewis Duct trong đó có gắn các cánh hướng cố định đặt ở phía đuôi tàu trước chân vịt Hình 1.12. Hệ thống này có nhiệm vụ làm đều trường dòng chảy trước khi vào chân vịt, làm giảm tổn thất năng lượng do hiện tượng trượt dòng từ đó tăng được lực đẩy do chân vịt tạo ra. Với hệ thống này hiệu suất của chân vịt được cải thiện từ 3 - 8 % phụ thuộc vào sự tương tác của dòng chảy với thân tàu [86-88]. Hệ thống này có một số ưu điểm như sau.

 Tiết kiệm nhiên liệu tối đa khoảng 8%;

 Giảm lượng phát thải SO2 và CO2;

 Ống Mewis duct có kết cấu đơn giản.

Tuy nhiên việc tính toán, thiết kế biên dạng ống và hệ thống cánh hướng khá phức tạp, yêu cầu quá trình thực nghiệm tỷ mỉ để tìm ra biên dạng phù hợp với từng tuyến hình tàu cụ thể. Về khía cạnh cải thiện khả năng điều động tàu trong quá trình khai thác, hệ thống này có khá nhiều hạn chế không tận dụng hết công suất còn dư của động cơ khi tàu khai thác ở chế độ tải trọng nhẹ.

1.3.3.8. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng chân vịt biến bước

Chân vịt biến bước là chân vịt có cánh xoay được quanh trục vuông góc với trục chân vịt từ đó thay đổi bước của chân vịt, cấu tạo của chân vịt biến bước gồm ba phần cánh chân vịt, bầu, và hệ thống điều khiển bước chân vịt Hình 1.14 [12, 13]. Nhờ khả năng thay đổi bước trong quá trình hoạt động chân vịt biến bước có những ưu điểm đáng chú ý như sau:

 Hiệu suất đẩy cao hơn chân vịt có bước cố định, tối ưu tốc độ của tàu trong quá

trình hoạt động;

 Tàu có trang bị chân vịt biến bước có khả năng điều khiển tốt hơn chuyển từ trạng thái tiến sang trạng thái lùi êm không có thời gian chết bằng cách đảo ngược bước chân vịt, giảm tối đa thời gian dừng tàu;

15

 Hấp thụ hoàn toàn công suất động cơ trong các chế độ hoạt động của tàu, như chế độ chạy tự do, kéo lưới, tuần tra.... Cho phép động cơ luôn hoạt động tại số vòng quay thiết kế do đó giảm đáng kể nhiên liệu tiêu thụ và tăng tuổi thọ động cơ;

Bảng 1.2. Phần trăm chân vịt biến bước được sử dụng trên một số loại tàu có công suất 20000 BHP

Loại tàu

1975- 1979 14 5 3 29 1995- I999 13 12 13 43

1960- 1964 Tàu chở dầu 1 Tàu chở hàng chuyên dụng 1 0 Tàu container 2 Tàu chở hàng khô 24 Tàu và phà chở khách 29 Tàu đẩy, tàu lai dắt 48 Tàu đánh cá 1965- 1969 7 9 13 12 64 50 54 1990- 1990- 1970- 1994 1994 1974 21 23 15 0 5 10 18 1 24 20 45 42 82 100 94 100 88 85 100 77 44 93 87 1995- 1999 17 1 10 55 78 73 92 100 90 76 90 2000- 2004 10 1 9 80 63 78 89

Hình 1.13. Biểu đồ số lượng chân vịt biến bước được sử dụng qua các thời kỳ %

Hình 1.14. Chân vịt biến bước

16

Nhờ khả năng tiết kiệm nhiên liệu, tối ưu trong quá trình điều khiển chân vịt biến bước ngày càng được sử dụng rộng rãi đặc biệt với các tàu hoạt động ở nhiều chế độ, yêu cầu tính năng điều khiển cao. Năm 1960 số lượng chân vịt biến bước chỉ chiếm 5% tổng số lượng chân vịt được sử dụng tuy nhiên chỉ sau khoảng 10 năm sau số lượng chân vịt biến bước đã tăng lên đáng kể vào khoảng 20% năm 1964 - 1969. Vào giai đoạn 2000 - 2004 số lượng chân vịt biến bước đã chiếm 35% tổng số lượng chân vịt được sử dụng. Số lượng chân vịt biến bước được sử dụng trong giai đoạn 1960 - 2004 Hình 1.13, Bảng 1.2 [12, 13].

Đặc biệt với một số loại tàu đặc biệt có công suất lớn hơn 2000 BHP số lượng chân vịt biến bước được sử dụng chiếm tỷ lệ khá lớn có thể đến 70% ví dụ như tàu đánh cá, tàu khách, tàu kéo, tàu chở hàng .....

1.4. Đề xuất giải pháp chân vịt hai bước

Với hai chế độ khai thác, hai chế độ tải trọng khác nhau rất lớn như của tàu cá đánh bắt xa bờ hoạt động tại vùng biển Việt Nam được phân tích trong mục 1.1.3, cùng với một số biện pháp nâng cao hiệu suất hệ thống đẩy chân vịt như đã trình bày trong mục 1.3.3, với yêu cầu cải thiện khả năng vận hành, kết cấu đơn giản, dễ vận hành bảo dưỡng sửa chữa, chi phí đầu tư nhỏ. Luận án đề xuất hệ thống chân vịt có bước thay đổi phù hợp với hai chế độ khai thác cơ bản của tàu cá là chế độ kéo lưới và chế độ chạy không tải nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu, cơ động trong quá trình vận hành nhất là trong trường hợp tránh trú bão, tiết kiệm thời gian chạy không tải từ cảng ra ngư trường cũng như thời gian chạy từ ngư trường về cảng. Với kích thước ngắn và cấu tạo hệ trục chân vịt đơn giản, đường kính chân vịt lớn nhất là 1,2m, sử dụng kết cấu cơ khí để dẫn động cơ cấu điều khiển bước chân vịt. Hình 1.15 là sơ bộ ý tưởng thiết kế hệ thống chân vịt hai bước.

Hình 1.15. Ý tưởng thiết kế hệ thống chân vịt hai bước

17

Hình 1.16. Hệ thống điều khiển bước cánh chân vịt hai bước

Sơ đồ nguyên lý điều khiển bước cánh chân vịt Hình 1.16, khi ta tác động lực vào cần điều khiển 6, lò xo 7 bị nén lại làm trục 10 quay đồng thời làm cho cần điều khiển 2 chuyển động quay theo, cần điều khiển 2 quay sẽ làm bánh điều khiển 1 chuyển động tịnh tiến theo phương dọc trục. Do được lắp ráp cố định với thanh truyền lực 3 nên khi cần 1 chuyển động tịnh tiến dọc trục kéo thanh truyền lực 3 chuyển động theo. Nhờ chuyển động của thanh truyền lực 3 mà ống trượt 5 chuyển động tịnh tiến được theo phương dọc trục. Chuyển động tịnh tiến của ống trượt 5 được biến thành chuyển động quay của cánh bằng hệ thống đĩa lệch tâm gắn cố định với đế cánh chân vịt. Để cố định bước cánh ở hai chế độ hoạt động sử dụng chốt trụ 8 để cố định cần điều khiển 7 với giá đỡ 8.

Từ ý tưởng thiết kế này đã tiến hành tính toán thiết kế hệ thống chân vịt hai bước. Quá trình tính toán thiết kế và chế tạo sản phẩm được trình bày trong các chương tiếp theo của luận án

Kết luận chương 1:

Từ nội dung chương 1 đã có một số kết luận cơ bản sau:

 Số lượng tàu cá xa bờ đang sử dụng ở nước ta rất lớn và ngày một tăng lên đảm bảo chức năng nhiệm vụ ngày càng cao của ngành đánh bắt và khai thác thuỷ hải sản, nâng cao khả năng bám biển, và bảo vệ chủ quyền biển đảo của đất nước trong thời kỳ mới;

 Hệ thống đẩy trong đó có chân vịt đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo

tính năng điều động, và chất lượng khai thác của tàu cá;

18

 Ngoài nước hệ thống đẩy chân vịt đã được nghiên cứu từ lâu và đạt được nhiều

thành tựu lớn;

 Trong nước do còn hạn chế về công nghệ chế tạo, khả năng vận hành sửa chữa

thiết bị đẩy có chân vịt còn đơn giản, hiệu suất sử dụng thấp.

Từ tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đã lựa chọn phương án nâng cao hiệu suất cho chân vịt tàu cá là thiết kế chế tạo để sử dụng chân vịt hai bước phù hợp điều kiện Việt Nam.

19

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Cơ sở lý thuyết dòng chảy bao quanh profile cánh

Xét một profile cánh có chiều dài dây cung là c, đặt trong dòng chất lỏng chuyển động đều có vận tốc là V, góc hợp bởi véc tơ vận tốc và dây cung của profile là α Hình 2.1. Khi đó dòng chảy sẽ tác động lên profile cánh một mô men M, một lực thuỷ động R, hình chiếu của lực này theo phương dòng chảy, phương vuông góc với vectơ vận tốc dòng chảy, phương dây dung profile cánh, và phương pháp tuyến với profile cánh lần lượt là D, L, A, N. Độ lớn của các lực và một mô men này phụ thuộc vào loại profile, góc đặt của profile và được xác định theo các công thức sau:

Hình 2.1. Các lực thuỷ động lực học tác động lên profile cánh

Lực nâng: (2.1)

Lực cản: (2.2)

Lực theo phương pháp tuyến profile: (2.3)

Lực theo phương dây cung profile cánh : (2.4)

Mô men: (2.5)

Từ đó xác định được các hệ số đặc trưng của profile cánh là hệ số lực nâng cL, hệ số lực cản cD, hệ số lực pháp tuyến cN, hệ số lực dọc theo phương dây cung profile cA, hệ số mô men cM. Các hệ số đặc trưng cho profile cánh phụ thuộc và loại profile và phụ thuộc vào góc hợp bởi phương vận tốc dòng chảy và dây cung của profile cánh. Mối quan hệ này được biểu diễn dưới dạng đồ thị Hình 2.2 [89-92].

20

Hình 2.2. Đặc tính thuỷ động lực học của profile cánh và góc đặt α.

Đồ thị Hình 2.2 cho thấy trong phạm vi góc tạo bởi phương vận tốc dòng chảy và đường nhân của profile cánh nằm trong khoảng 0 - 180 thì hệ số lực nâng cL, hệ số lực cản cD , và hệ số mô men cM biến thiên gần như tuyến tính với góc đặt của profile, như vậy ta thấy rằng góc đặt cánh  là yếu tố quyết định nhất đến các đặc tính thủy động lực học của cánh. Đây là cơ sở lý thuyết quan trọng để tính toán cánh có góc đặt thay đổi trong quá trình hoạt động [93, 94].

2.2. Mối quan hệ giữa tỷ số bước và hiệu suất chân vịt

Hình 2.3. Tam giác vận tốc và các lực tác động lên một phần tử cánh chân vịt

Cánh chân vịt tàu thuỷ là một bề mặt cong không gian phức tạp có nhiệm vụ biến đổi mô men quay trên trục thành lực đẩy giúp tàu chuyển động theo quỹ đạo mong muốn. Theo lý thuyết cánh cánh chân vịt là cánh 3D, được coi là tập hợp vô số các profile cánh có chiều dày vô cùng nhỏ. Đặc tính thuỷ động lực học của các profile này sẽ quyết định đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt. Xét chân vịt có số cánh Z, đường kính D, và tỷ số bước là H/D, vận tốc dòng chảy dọc trục tới chân vịt là V, vận tốc quay của chân vịt là n. Phần tử cánh được cắt bởi hai mặt trụ

21

đồng tâm có bán kính r và r + dr khi được trải phẳng trên mặt phẳng là một profile cánh có các thành phần vận tốc theo phương dọc trục và thành phần vận tốc theo phương tiếp tuyến lần lượt là V và 2πrn, vận tốc của dòng tổng hợp đi qua profile cánh là W tương ứng với góc đặt cánh của profile là α Hình 2.3 [12-14].

Lực đẩy, mô men, và hiệu suất do chân vịt sinh ra trong quá trình hoạt động

được tính theo công thức (2.6) - (2.8).

(2.6)

(2.7)

(2.8)

Từ đó ta xác định được các hệ số thuỷ động lực học đặc trưng cho chân vịt

theo các biểu thức (2.9) - (2.12):

Hình 2.4. Mối quan hệ giữa tỷ số bước với hệ số lực đẩy, hệ số mô men và hiệu suất chân vịt theo hệ số tiến J

 Hệ số tiến

(2.9)

 Hệ số lực đẩy của chân vịt

(2.10)

22

 Hệ số mô men của chân vịt

(2.11)

 Hiệu suất của chân vịt

(2.12)

Trong đó n là vận tốc góc của chân vịt, ρ là khối lượng riêng của chất lỏng, D

là đường kính của chân vịt, J là hệ số tiến của chân vịt.

Mối quan hệ giữa tỷ số H/D với hệ số lực đẩy, hệ số mô men, và hiệu suất chân vịt dưới dạng đồ thị Hình 2.4. Từ các biểu thức và đồ thị trên ta thấy được mối quan hệ của góc đặt cánh của cánh chân vịt hay tỷ số bước cánh với các đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt. Đó cũng là cơ sở lý thuyết quan trọng để tính toán thiết kế hệ thống chân vịt hai bước trong luận án này.

2.3. Quan hệ máy chính, vỏ tàu, chân vịt

Theo lý thuyết tàu, công suất đẩy cần thiết để tàu chuyển động với vận tốc V

là bậc ba được xác định theo công thức (2.13).

(2.13)

Nếu gọi w là hệ số dòng theo, n là số vòng quay của trục chân vịt, J là hệ số

tiến, VA là vận tốc tiến của chân vịt khi đó ta có:

(2.14)

Thay biểu thức (2.14) vào phương trình (2.13) ta có công suất đẩy cần thiết để tàu chuyển động với vận tốc V là hàm bậc 3 với số vòng quay của trục chân vịt như sau:

(2.15)

Mặt khác lực đẩy của chân vịt phụ thuộc và tỷ số bước cánh H/D, hệ số tiến J, biên dạng cánh, loại profile cánh ... được biểu diễn thông qua hệ số lực đẩy KT của chân vịt theo công thức.

(2.16)

Vậy công suất đẩy do chân vịt tạo ra bằng tích của lực đẩy với vận tốc tiến VA

được biểu diễn thông qua hệ số tiến J, số vòng quay của trục chân vịt như sau.

(2.17)

Mô men xoắn trên trục chân vịt cũng được biểu diễn thông qua hệ số mô men KQ , nó cũng là hàm số của tỷ số bước cánh, hệ số tiến J, biên dạng cánh, loại profile cánh ... được xác định theo công thức (2.18).

23

(2.18)

Công suất cần thiết để chân vịt quay với được với vận tốc góc n trong quá trình hoạt động được tính bằng tích của mô men xoắn với vận tốc góc được xác định bằng biểu thức như sau:

(2.19)

Hình 2.5. Quan hệ công suất động cơ, công suất quay chân vịt, và vận tốc tàu

Mặt khác ta biết rằng công suất do động cơ Diesel tạo ra trong quá trình hoạt động là tích của mô men xoắn trên trục động cơ với vận tốc góc trên trục của nó, mô men xoắn này chỉ phụ thuộc vào áp suất trong buồng đốt của động cơ mà không phụ thuộc vào số vòng quay của trục động cơ. Nếu gọi M là mô men xoắn trên trục động cơ, i là tỷ số truyền giữa vận tốc góc của trục động cơ với vận tốc góc của chân vịt thì công suất trên trục động cơ là bậc nhất của số vòng quay trục chân vịt được tính theo công thức (2.20).

(2.20)

Nếu gọi hiệu suất của toàn bộ hệ thống đẩy là η thì công suất mà động truyền

tới chân vịt thông qua thiết bị giảm tốc, khớp nối và các trục trung gian như sau:

(2.21)

Mối quan hệ tương tác giữa máy chính - vỏ tàu - chân vịt thoả mãn khi công suất đẩy do chân vịt tạo ra bằng với công suất đẩy cần thiết, công suất do động cơ truyền đến trục chân vịt bằng với công suất cần thiết để chân vịt hoạt động, do đó ta

24

có hệ phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa máy chính, vỏ tàu, và chân vịt như sau:

(2.22)

Để thấy được ưu điểm tiết kiệm nhiên liệu của hệ thống chân vịt có bước thay đổi ta biểu diễn công suất cần thiết để quay chân vịt, công suất động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu, vận tốc tiến của tàu lên hệ trục toạ độ có trục hoành là số vòng quay Hình 2.5 [95]. Ta biết rằng mỗi chân vịt đều được thiết kế tối ưu tại một bước cánh H tương ứng với một chế độ khai thác nhất định tương ứng với một vận tốc nào đó. Giả sử chân vịt được thiết kế tối ưu ở bước H2 tương ứng với vận tốc quay của trục là n3 tại điểm thiết kế tối ưu A công suất cần thiết do của động cơ để tàu chuyển động với vận tốc V4 là PA. Đối với chân vịt có bước cố định, khi tàu cần giảm tốc độ xuống vận tốc khai thác V3 ta chỉ có thể giảm số vòng quay của trục xuống n2 tương ứng với điểm hoạt động là B, còn với chân vịt có thể thay đổi bước ta giữ nguyên số vòng quay của trục động cơ và thay đổi bước chân vịt từ bước H2 xuống bước H3 tương ứng với điểm hoạt động là C với lượng tiêu hao nhiên liệu nhỏ hơn so với điểm B. Trong trường hợp động cơ chính còn dư công suất ta muốn tăng vận tốc khai thác thì đối với chân vịt có bước cố định ta phải tăng số vòng quay của động cơ tuy nhiên việc tăng số vòng quay của động cơ trong trường hợp vận tốc khai thác lớn là không thể thực hiện được do số vòng quay của động cơ chỉ thay đổi được trong phạm vi nhỏ, còn đối với chân vịt thay đổi bước ta chỉ việc thay đổi bước H của chân vịt. Như vậy từ mối quan hệ máy chính, vỏ tàu, và chân vịt ta thấy được ưu điểm vượt trội của chân vịt có bước thay đổi so với chân vịt có bước cố định không chỉ ở khía cạnh tiết kiệm nhiên liệu mà còn cả ở khả năng điều động trong quá trình khai thác [12, 13].

2.4. Nghiên cứu phương pháp tính, và kiểm tra độ chính xác phương pháp mô phỏng số chân vịt tàu thủy

2.4.1. Các phương trình cơ bản trong tính toán mô phỏng dòng chảy không nén được

Các đặc tính của dòng chảy trong cơ học chất lỏng được mô tả bằng phương trình Navier - Stokes. Đối với dòng chất lỏng không nén được, chuyển động không dừng, các phương trình cơ bản là phương trình liên tục, phương trình động lượng được viết như sau [96-99]:

(2.23)

(2.24)

25

Trong đó ρ là khối lượng riêng của chất lỏng, p là áp suất tĩnh của chất lỏng, u

là vận tốc của dòng chất lỏng, g là gia tốc trọng trường.

Đối với dòng chảy bao quanh chân vịt, chúng ta coi gần đúng là nhiệt độ của chất lỏng không đổi theo thời gian, do đó độ nhớt động lực học của chất lỏng được coi là hằng số . Trường dòng chảy bao quanh chân vịt là tương đối phức tạp không thể tính toán phân tích bằng các phương pháp tính toán lý thuyết, do đó trong luận án này phương pháp số được sử dụng để phân tích đặc tính của trường dòng chảy bao quanh chân vịt. Chúng ta có thể tính toán mô phỏng số trực tiếp trường dòng ‘Direct numerical simulation (DNS)’ bằng cách giải này các đặc trưng chi tiết nhất của trường dòng sẽ được tính toán và kết quả thu được có độ tin cậy cao. Tuy nhiên trong nghiên cứu, phương pháp mô phỏng trực tiếp không có tính khả thi do thời gian tính toán và chi phí đầu tư rất lớn. Do đó trong tính toán mô phỏng số trường dòng chảy bao quanh máy cánh dẫn nói chung và chân vịt tàu thuỷ nói riêng chúng ta đi tìm lời giải cho phương trình Navier-Stokes viết dưới dạng số Reynolds trung bình RANS. Chi tiết của phương trình Navier-Stokes viết dưới dạng số Reynolds trung bình được trình bày trong mục 2.4.2 dưới đây.

2.4.2. Phương trình Navier-Stokes viết dưới dạng trung bình Renolds cho dòng chảy một pha

Trong 2.4.2. Phương trình Navier-Stokes viết dưới dạng trung bình Renolds cho dòng chảy một pha RANS đối với chất lỏng không nén được, vận tốc và áp suất của dòng chất lỏng tại thời điểm t bất kỳ được biểu diễn như sau [96-99].

(2.25)

Trong đó lần lượt là vector vận tốc và áp suất trung bình lần lượt

là độ dao động của vectơ vận tốc và vectơ áp suất so với giá trị trung bình.

Thế vào phương trình (2.24) ta có phương trình Navier Stock viết dưới dạng

số Re trung bình như sau.

(2.26)

(2.27)

Trong phương trình này gọi là ứng suất trung bình Reynolds. Trong

trường hợp dòng chảy đi qua những vùng có biên dạng hình học phức tạp, hoặc các kết cấu có kích thước nhỏ ‘Fine scale solid structure’ ví dụ như dòng chảy qua các kết cấu màng, hoặc qua các kết cấu giống như tổ ong, nó được tính gần đúng như dòng chảy đi qua các vùng xốp ‘Porous domain’. Trong các vùng có biên dạng phức tạp như vậy, phương trình Navier-stock cho dòng chảy một pha được viết lại như sau.

26

(2.28)

(2.29)

Trong đó

đặc trưng cho vùng xốp mà dòng chảy đi qua

đặc trưng cho vecto tổn thất động lượng của dòng chảy đặc trưng cho sự mất quán tính của các phần tử lỏng nó phụ thuộc vào áp suất động và vận tốc của dòng chất lỏng và được tính theo công thức (2.30).

(2.30)

Trong đó là ten sơ của các hệ số tổn thất.

2.4.3. Mô hình rối RNG k - ε

Để tìm được quy luật phân bố vận tốc, áp suất và các đại lượng động lực học khác trong lòng chất lỏng chính là chúng ta giải phương trình Navier-Stock theo thời gian. Tuy nhiên, phương trình này rất phức tạp có số ẩn lớn hơn rất nhiều số phương trình do đó để giải được phương trình này chúng ta cần bổ sung thêm các mô hình rối để khép kín phương trình. Trong phần này trình bày cơ sở lý thuyết của mô hình RNG k-ε, trong đó các phương trình thêm vào được xây dựng như sau:

Theo giả thiết về độ nhớt rối của Boussinesq, ta có:

(2.31)

Phương trình trên thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất Reynolds với

biến thiên vận tốc trung bình. Để giải phương trình này, người ta khép kín nó với các phương trình có liên quan tới k (năng lượng rối động học) và hệ số tổn thất ε như sau:

(2.32)

(2.33)

Trong đó Gk là hằng số thể hiện sự phụ thuộc của sự hình thành năng lượng

rối động học (k) vào sự biến thiên của vận tốc trung bình như sau:

(2.34)

27

Gb xác định như sau:

(2.35)

Trong đó Prt: Hằng số Prantl, gi thành phần gia tốc trọng trường theo phương hệ số giãn nở nhiệt của môi trường.YM hệ số thể hiện sự biến thiên của quá

i, trình giãn nở so với giá trị trung bình:

(2.36)

Mt số Mach được xác định theo công thức

(2.37)

Với a là vận tốc âm thanh.

là số nhớt rối .

Các hệ số còn lại là các hằng số, có giá trị mặc định như sau:

.

Kết hợp các phương trình trên, với hai phương trình cơ bản là phương trình liên tục và phương trình động lượng, ta sẽ được một hệ phương trình khép kín đủ để giải ra trường phân bố vận tốc.

Mô hình RNG k - ε là mô hình đơn giản có thể áp dụng với hầu hết các bài toán thông thường với độ chính xác tương đối cao. Tuy nhiên, trong các trường hợp đặc biệt, khi tính chất dòng bị thay đổi mạnh như xuất hiện sóng va, trong buồng cháy… việc áp dụng mô hình này cho kết quả không tốt.

2.4.4. Kiểm chứng phương pháp tính toán mô phỏng

Nghiên cứu dòng chảy bao quanh chân vịt bằng phương pháp số chính là giải phương trình Navier Stock viết dưới dạng số Reynolds trung bình, phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình bảo toàn năng lượng. Giải các phương trình này sẽ xác định được phân bố áp suất, vận tốc, lực, mô men và một số yếu tố thuỷ động lực học khác từ đó xác định được đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt. Tuy nhiên hệ các phương trình này có số ẩn nhiều hơn số phương trình do đó muốn giải được hệ phương trình này cần bổ sung các mô hình rối phù hợp để đóng kín hệ phương trình đó. Trong tính toán, mô phỏng số chân vịt có ba mô hình rối thường được sử dụng để đóng kín hệ phương trình trên đó là mô hình RNG k - ε, SST k - ω, và ‘The transion SST k - ω’ [44, 96, 98, 100-103].

28

Hình 2.6. Mô hình và miền không gian tính toán chân vịt E779A

Hình 2.7. Mô hình chân vịt E779A, và miền không gian sau khi chia lưới

Để kiểm chứng cho việc chọn mô hình rối phù hợp, luận án đã tham khảo một số bài báo uy tín [15, 16, 18, 19, 35, 104, 105] và sử dụng mô hình RNG k - ε thực hiện tính toán mô phỏng cho mẫu chân vịt có bước cố định E779A sau đó so sánh

29

với kết quả tính toán mô phỏng, và kết quả nghiên cứu thực nghiệm được công bố trên hai bài báo uy tín trên trang web Sciencedirect [29, 30]. Các thông số kỹ thuật cơ bản của mẫu chân vịt E779A Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Thông số cơ bản của chân vịt E779A

Giá trị Đơn vị Stt Tên 0,227 1 Đường kính 1,1 2 Tỷ số bước H/D 4 3 Số cánh 0,2 4 Tỷ số bầu 40 48’ 5 Góc xoắn 6 Góc nghiêng của cánh 40 35’ 0,689 7 Tỷ số mặt đĩa 68,3 8 Chiều dài bầu 36 9 Số vòng quay m độ độ mm vòng / s

Miền không gian tính toán mô phỏng số chân vịt E779A được chọn theo hai bài báo đã được công bố [29, 30], với kích thước đường kính bằng 10 lần chân vịt, khoảng cách từ đầu vào đến vị trí đặt chân vịt bằng 3 lần đường kính chân vịt, khoảng cách từ chân vịt đến đầu ra bằng 7 lần đường kính chân vịt Hình 2.6. Miền không gian tính toán mô hình hoá bằng lưới đa diện với 3491176 nút lưới và 695677 phần tử Hình 2.7. Chi tiết các thông số của lưới dùng tính toán mô phỏng mẫu chân vịt E779A phụ lục 2 của luận án.

Thuật toán PISO dùng để nội suy mối quan hệ giữa áp suất và vận tốc của các phần tử chất lỏng trong không gian tính toán, điều kiện hội tụ của các biến được chọn là 10-5. Các điều kiện biên bài toán gồm có ‘Đầu vào’ được đặt là vận tốc đầu vào ‘Velocity-inlet’ với giả thiết là trường vận tốc phân bố đều theo phương dọc trục, ‘Đầu ra được đặt là áp suất đầu ra ‘Pressure-outlet’ với giả thiết trường áp suất phân bố đều với giá trị áp suất dư bằng 0, cánh, bầu chân vịt được đặt là ‘Moving wall’ chuyển động cùng với khối động, khối động ‘Dynamic domain’ được đặt là ‘Moving zone’ chuyển động quay quanh trục chân vịt với vận tốc quay bằng với vận tốc quay của chân vịt. Một số hình ảnh tính toán mô phỏng số chân vịt E779A Hình 2.8 - Hình 2.12.

Sau khi tính toán mô phỏng thu đuợc lực đẩy, mô men xoắn của chân vịt, từ kết quả này xây dựng đường đặc tính của chân vịt và tiến hành so sánh với các kết quả đã được tính toán, thực nghiệm công bố trên hai bài báo [29, 30]. Theo kết quả tính toán mô phỏng hiệu suất chân vịt đạt giá trị lớn nhất là 0,619 tại hệ số tiến J = 0,9, khi đó hệ số lực đẩy KT và hệ số mô men KQ lần lượt là 0,103 và 0,021. Sự sai lệch về kết quả tính toán mô phỏng số với kết quả nghiên cứu thực nghiệm chân vịt E779A được trình bày trên đồ thị Hình 2.13.

30

Hình 2.8. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt E779A tại J = 0,1- 0,4

Hình 2.9. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt E779A tại J = 0,6- 0,9

31

Hình 2.10. Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc trục, mặt cắt Z = 0

Hình 2.11. Phân bố vận tốc tại mặt cắt dọc trục, mặt cắt Z = 0

32

Hình 2.12. Hình ảnh đường dòng bao quanh chân vịt tại J = 0,2

Hình 2.13. Kết quả tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm chân vịt E779A

33

Từ đồ thị ta thấy rằng kết quả tính toán mô phỏng số với mô hình rối RNG k - ε cùng với các điều kiện biên, thuật giải nêu trên và kết quả nghiên cứu thực nghiệm chân vịt E779A sai khác nhau khoảng 3%. Vậy việc tìm ra mô hình rối, điều kiện biên và thuật giải phù hợp với bài toán mô phỏng chân vịt đảm bảo độ chính xác có thể thay thế một phần cho nghiên cứu thực nghiệm.

Kết luận chương 2:

Trong chương này đã trình bày một số vấn đề quan trọng như sau:

 Cơ sở lý thuyết dòng chảy bao quanh cánh nói chung, và dòng bao quanh chân vịt, đưa ra các thông số cơ bản và đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt, trong đó ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt là tỷ số bước H/D hay góc đặt cánh ;

 Khảo sát mối quan hệ máy chính, vỏ tàu và chân vịt thấy được việc thay đổi tỷ

số bước H/D làm thay đổi mức tiêu hao nhiên liệu động cơ;

 Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán mô phỏng số cho dòng chảy bao quanh chân vịt. Tính toán, mô phỏng kiểm chứng cho chân vịt E 779A đã được nghiên cứu thực nghiệm để so sánh, với độ chính xác cho phép nhỏ hơn 3%.

34

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SỐ

3.1. Lựa chọn phương pháp tính toán thiết kế cánh chân vịt

Hiện nay có hai phương pháp phổ biến thường được sử dụng trong tính toán

thiết kế cánh chân vịt tàu thuỷ là:

 Phương pháp tính toán thiết kế mới dựa trên lý thuyết xoáy;

 Phương pháp tính toán thiết kế theo seri mẫu.

3.1.1. Phương pháp tính toán thiết kế mới dựa trên lý thuyết xoáy

Phương pháp tính toán thiết kế mới dựa trên lý thuyết xoáy thường được sử dụng để thiết kế chân vịt làm việc trong điều kiện có nguy cơ xảy ra xâm thực và trong trường dòng có sự phân bố rất không đồng đều về vận tốc. Trong phương pháp này chân vịt được tính toán thiết kế một cách chi tiết để đạt được phân bố một cách chính xác về tải trọng dọc theo các bán kính của chân vịt, sự phân bố bước chân vịt phù hợp với lưu số vận tốc trung bình tại mỗi bán kính, biên dạng profile cánh tại mỗi tiết diện thoả mãn điều kiện xâm thực và yêu cầu về độ bền. Chân vịt thiết kế theo phương pháp này có ưu điểm có hiệu suất cao hơn, ít bị xâm thực hơn so với chân vịt thiết kế theo seri mẫu. Tuy nhiên phương pháp này yêu cầu nhiều thông số đầu vào liên quan đến thực nghiệm tàu mô hình như quy luật phân bố vùng nhiễu của dòng chảy sau đuôi tàu ‘Wake’, quy luật phân bố vận tốc của dòng chảy trước khi vào chân vịt...Phương pháp tính toán thiết kế này thường được sử dụng để nghiên cứu tính toán thiết kế mới một seri chân vịt phù hợp với một seri vỏ tàu cụ thể có giá trị kinh tế lớn. Chi tiết phương pháp tính toán thiết kế chân vịt sử dụng lý thuyết xoáy tham khảo tài liệu [12-14].

3.1.2. Phương pháp tính toán thiết kế theo seri mẫu

Phương pháp tính toán thiết kế theo mẫu là phương pháp thiết kế chân vịt dựa trên các seri mẫu đã được các trung tâm thử nghiệm lớn công bố. Các seri có đặc tính thuỷ động lực học tốt, hiệu suất cao thường được sử dụng làm mẫu trong tính toán thiết kế, chân vịt Seri B thường được sử dụng để tính toán thiết kế theo phương pháp này. Phương pháp thiết kế này có ưu điểm là tính toán thiết kế đơn giản không cần dữ liệu thực nghiệm sức cản, và đo vùng nhiễu sau đuôi tàu, chân vịt thiết kế theo phương pháp này có hiệu suất tương đối cao so với chân vịt được thiết kế theo phương pháp xoáy. Do đó đề tài sử dụng phương pháp tính toán thiết kế theo mẫu để tính toán thiết kế biên dạng cánh chân vịt hai bước. Chi tiết phương pháp tính toán thiết kế chân vịt theo seri mẫu tham khảo tài liệu [9, 10, 12, 13].

3.2. Tính toán thiết kế chân vịt

Hệ thống chân vịt hai bước là tổ hợp lắp ghép của 73 chi tiết khác nhau. Các chi tiết này được tính toán, thiết kế một cách chi tiết để đảm bảo độ bền và các yêu cầu công nghệ trong quá trình gia công, lắp ráp. Trong phần này của luận án chỉ

35

giới thiệu phần tính toán, thiết kế cánh và bầu chân vịt của hệ thống chân vịt hai bước, chi tiết việc tính toán thiết kế cánh, bầu chân vịt và một số chi tiết khác của hệ thống chân vịt hai bước xem phụ lục 1 của luận án.

3.2.1. Các thông số của tàu khảo sát

Tàu cá khảo sát trong luận án này là tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo hoạt động tại ngư trường Hải Phòng - Quảng Ninh mang biển kiểm soát HP-90577- TS do chủ tàu Bùi Văn Giang trú tại Lập Lễ, Thuỷ Nguyên điều khiển có công suất máy là 155CV, tốc độ quay của trục chính là 2200 vòng/phút trang bị hộp số cơ khí với tỷ số truyền là 3,5:1, số vòng quay trục chân vịt là 629 vòng/phút. Các thông số cơ bản của tàu cá, chân vịt trang bị trên tàu được trình bày trong Bảng 3.1, Bảng 3.2. Bánh lái sử dụng trên tàu cá khảo sát có tiết diện vuông góc với trục là profile khí động Naca 0012, chiều cao bánh lái là 1,2m, chiều dài dây cung profile đỉnh là 0,6m, chiều cao dây cung profile đáy là 0,4m.

Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của tàu cá khảo sát.

Giá trị Đơn vị Tên gọi

Stt 15 1 Chiều dài toàn bộ 5,03 2 Chiều rộng mép boong 4,85 3 Chiều rộng thiết kế 1,84 5 Chiều chìm trung bình 0,684 6 Hệ số béo thể tích 112,81 7 Lượng chiếm nước 155 8 Công suất máy chính 2200 9 Số vòng quay trục máy chính 3,5:1 10 Tỷ số truyền 11 Tốc độ kéo lưới 4 - 6 12 Số vòng quay của trục chân vịt 629 m m m m Tấn CV v/ph Knot v/ph

Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của chân vịt cũ của tàu cá

Giá trị Đơn vị

Stt Tên 1 Đường kính 2 Bước chân vịt H 3 Số vòng quay 4 Tỷ số bước chân vịt 5 Số cánh 6 Tỷ số bầu 7 Loại chân vịt Seri B 1 0,5 629 0,5 3 0,18 m m v/ph

3.2.2. Tính toán thiết kế cánh chân vịt

Chân vịt hai bước là chân vịt có bước cánh có thể thay đổi được để phù hợp với hai chế độ hoạt động chính của tàu là chế độ chạy tự do và chế độ kéo lưới do đó chân vịt này cũng được coi là chân vịt biến bước. Trước khi tính toán thiết kế

36

biên dạng cánh chân vịt ta phải xác định đường kính tối ưu của chân vịt để khi hoạt động ở các tỷ số bước khác nhau chân vịt đều có hiệu suất cao. Thông thường đường kính tối ưu của chân vịt bằng với đường kính của chân vịt có bước cố định được tính toán ở cùng một chế độ khai thác. Bầu của chân vịt hai bước có kích thước lớn hơn so với bầu chân vịt có bước cố định từ 1,5 - 2 lần do phải có đủ không gian chứa cơ cấu điều khiển bước cánh. Do đó để đảm bảo diện tích mặt cánh cần thiết thì cánh chân vịt hai bước có chiều rộng cánh lớn hơn chân vịt có bước cố định. Biên dạng cánh chân vịt hai bước cũng khác với biên dạng cánh chân cố định do phải đảm bảo sự biến đổi suôn đều của tiết diện chân cánh khi liên kết với biên dạng bầu của chân vịt, thông thường tiết diện chân cánh của chân vịt biến bước có chiều dài dây cung gần bằng với đường kính đĩa xoay điều khiển bước cánh.

Bảng 3.3. Các thông số cơ bản của chân vịt hai bước.

Tên Giá trị Đơn vị

Stt 1 Đường kính 1 m

2 Tỷ số bước ở chế độ chạy kéo lưới 0,5

3 Bước ở chế độ chạy kéo lưới 4 Số vòng quay 5 Số cánh 6 Tỷ số bầu 7 Góc nghiêng của cánh 8 Góc xoắn của cánh 0,5 629 3 0,3 0 0 m v/ph độ độ

Bảng 3.4. Các thông số cơ bản của biên dạng cánh chân vịt.

Stt Tỷ số r/R 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bán kính r (mm) 100 150 200 250 300 350 400 450 475 500 Chiều rộng cánh (mm) 68,65 208,75 348,80 426,80 460,50 461,20 421,75 334,00 251,30 3,00 Độ dày lớn nhất (mm) 40,60 35,90 31,20 26,50 21,80 17,10 12,40 7,70 5,40 1,50 Góc bước (Độ) 46,41 35,00 27,71 22,79 19,30 16,71 14,71 13,14 12,47 11,86

Độ nghiêng và góc xoắn của cánh chân vịt biến bước thường nhỏ nằm trong khoảng 00 - 50 để giảm tải trọng tác động lên hệ thống điều khiển bước, đảm bảo độ bền cũng như giảm lực điều khiển bước cánh chân vịt [9, 10, 12, 13]. Sử dụng phương pháp tính toán thiết kế chân vịt theo mẫu luận án đã tính toán, thiết kế được

37

cánh chân vịt hai bước thoả mãn hai chế độ khai thác chính là chế độ kéo lưới với tốc độ khai thác là 4 Hải lý/h và chế độ chạy tự do với vận tốc khai thác là 11 hải lý/h. Chi tiết các bước tính toán thiết kế cánh chân vịt hai bước tham khảo phụ lục 1 của luận án. Các thông số cơ bản, cánh của chân vịt hai bước sau khi thiết kế và chỉnh trơn Bảng 3.3, Bảng 3.4, Hình 3.1.

Hình 3.1. Cánh chân vịt hai bước sau khi chỉnh trơn

3.2.3. Tính toán thiết kế bầu

Bầu chân vịt hai bước chứa cơ cấu điều khiển bước cánh có nhiệm vụ cố định cánh chân vịt trong quá trình hoạt động, tiếp nhận lực đẩy, mô men xoắn từ cánh và truyền đến hệ trục. Bầu chân vịt hai bước phải có kích thước và biên dạng phù hợp để bố trí hệ thống điều khiển bước cánh, đảm bảo độ bền trong quá trình hoạt động và thuận tiện trong quá trình gia công và lắp ráp tuy nhiên kích thước bầu không được quá lớn vì làm giảm hiệu suất của chân vịt. Đối với chân vịt biến bước nói chung và chân vịt hai bước nói riêng tỷ số bầu Db/D thường nằm trong khoảng 0,25 ÷ 0,32.

Đường kính chân vịt càng nhỏ thì tỷ số bầu càng lớn để đảm bảo không gian cho hệ thống điều khiển và không gian khi gia công lắp ráp. Bầu chân vịt loại này thường gồm ba phân chính là thân bầu, mũ kín nước và mặt bích phía đầu bầu để kết nối bầu với trục chân vịt, chiều dày thân bầu phải được thoả mãn được độ bền và không gian bên trong lõi bầu. Bích đầu bầu thường kết nối với trục chân vịt bằng khớp nối do đó các kích thước của bích nối phải được chọn theo tiêu chuẩn để dễ gia công, lắp ráp, thay thế và sửa chữa [10, 12, 13]. Trong luận án này các kích thước và biên dạng của bầu chân vịt được chọn theo mẫu được trình bày trong tài liệu [10], các thông số khác của bầu chân vịt như chiều dài bầu, chiều dày thân bầu, chiều dày bích bầu... được tính theo quy phạm đóng tàu vỏ thép của Việt Nam. Bầu

38

chân vịt sau khi được tính toán thiết kế có biên dạng và các kích thước được trình bày trong Hình 3.2 và Bảng 3.5.

Bảng 3.5. Các kích thước chính của bầu chân vịt hai bước

Tên

Stt 1 Đường kính bầu 2 Chiều dài bầu 3 Chiều dày thân bầu 4 Đường kính lắp đĩa xoay 5 Chiều dài mũ thoát nước 6 Bán kính mũ thoát nước Ký hiệu Giá trị Đơn vị 300 275 5mm 220 228 mm mm mm mm mm mm Db lb tb Ddx ltn rtn

Hình 3.2. Bản vẽ kỹ thuật chân vịt hai bước

3.2.4. Xác định tỷ số bước H/D cho chế độ hoạt động thứ hai

Cánh chân vịt hai bước được tính toán, thiết kế ở chế độ kéo lưới là chế độ tải trọng nặng và có thời gian khai thác dài chiếm 48% tổng thời gian của một chuyến đi với vận tốc khai thác nằm trong khoảng 4 - 5 hải lý/h ở chế độ này chân vịt sử dụng tối đa công suất của máy chính, tải trọng trong chế độ khai thác này chủ yếu là sức cản của lưới kéo. Ở chế độ chạy tự do tải trọng chủ yếu là sức cản tác động lên vỏ tàu, do đó để sử dụng hết công suất của máy chính thì tàu phải hoạt động ở vận tốc khai thác lớn hơn. Tuy nhiên do số vòng quay của động cơ chính gần như không đổi trong quá trình làm việc nên để tăng được vận tốc khai thác của tàu thì phải tăng tỷ số bước của chân vịt H/D. Trong phần này của luận án trình bày cách xác định sơ bộ tỷ số bước H/D của chân vịt hai bước ở chế độ hoạt động thứ hai để chân vịt làm việc với hiệu suất cao nhất và sử dụng tối đa công suất của động cơ. Để xác định tỷ

39

số bước chân vịt phù hợp cho chế độ chạy tự do tương ứng với biên dạng cánh đã thiết kế ta sử dụng phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp với mô phỏng số. Xác định tỷ số bước phù hợp cho chân vịt hai bước hoạt động ở chế độ chạy tự do sử

dụng đồ thị gồm hai bước như sau [10, 12, 13]:

 Bước 1: Dựa vào đồ thị xác định sơ bộ được tỷ số bước hay góc xoay

của cánh chân vịt ở chế độ chạy tự do;

 Bước 2: Sau khi xác định được phạm vi góc xoay của cánh chân vịt, sử dụng phương pháp số tính toán mô phỏng cho các trường hợp để tìm ra được tỷ số bước phù hợp H/D cho cánh chân vịt ở chế độ chạy tự do.

Dựa vào vận tốc khai thác ở chế độ chạy tự do và đồ thị Bp - δ xác định được sơ bộ được tỷ số bước cánh chân vịt cho chế độ chạy tự do là H/D = 0,6 tương ứng với góc xoay của cánh so với vị trí thiết kế ban đầu cho chế độ kéo lưới là 60. Trên nguyên tắc cân bằng lực đẩy chân vịt với lực cản tàu, trong phần tiếp theo sử dụng phương pháp số để tính toán mô phỏng đặc tính của chân vịt tại một số tỷ số bước khác nhau để tìm ra tỷ số bước phù hợp cho chế độ chạy tự do của tàu cá. Để xác định tỷ số bước cánh phù hợp của chân vịt hay là góc xoay phù hợp của cánh thực hiện tính toán mô phỏng cho 7 trường hợp tương ứng với góc xoay của cánh nằm trong khoảng 1- 60. Chi tiết phần tính toán mô phỏng số để xác định tỷ số bước H/D ở chế độ chạy tự do xem mục 3.3 của luận án.

3.3. Tính toán mô phỏng số

3.3.1. Các trường hợp tính toán mô phỏng

Trong phần này của luận án phương pháp số được sử dụng để xác định tỷ số bước phù hợp của chân vịt hai bước ở chế độ chạy tự do, chứng minh hiệu quả của hệ thống chân vịt hai bước so với chân vịt có bước cố định, nghiên cứu sự tương tác của chân vịt - bánh lái và ảnh hưởng của tỷ số bước đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt. Các trường hợp tính toán mô phỏng gồm có:

 Hệ thống chân vịt có bước cố định ở các chế độ làm việc khác nhau tương ứng

với hệ số tiến J từ 0,1 - 0,55;

 Hệ thống chân vịt hai bước ở các chế độ làm việc khác nhau tương ứng với hệ số tiến J từ 0,1 - 0,7 với tỷ số bước cánh H/D lần lượt là 0,5; 0,52; 0,53; 0,55; 0,57; 0,59 và 0,6;

 Hệ thống chân vịt hai bước, bánh lái ở các chế độ làm việc khác nhau tương

ứng với hệ số tiến J từ 0,1 - 0,7 ở hai tỷ số bước 0,5 và 0,6.

Thông số kỹ thuật của chân vịt có bước cố định, chân vịt hai bước, và bánh lái

tính toán mô phỏng được trình bày trong Bảng 3.2, Bảng 3.3.

40

3.3.2. Xây dựng mô hình và miền không gian tính toán

Bước đầu tiên trong quá trình mô phỏng số là xây dựng mô hình bài toán và miền không gian tính toán, miền không gian tính toán là khối chất lỏng bao quanh chân vịt. Miền không gian tính toán có ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán và mô phỏng số, kích thước miền không gian tính toán phải có kích thước phù hợp không quá lớn để đảm bảo khả năng tính toán của máy tính, cũng không được quá nhỏ để tránh ảnh hưởng của vùng lớp biên gần thành rắn đến dòng chảy bao quanh chân vịt. Để xác kích thước miền không gian tính toán luận án đã tham khảo một số công trình có uy tín đã được công bố trên trang web khoa học ScienceDirect [21, 22, 30, 31, 33, 77]. Miền không gian khảo sát trong luận án là hình trụ có đường kính bằng 10 lần đường kính chân vịt và có chiều dài bằng 13 lần đường kính chân vịt. Khoảng cách từ đầu vào đến chân vịt bằng 3 lần đường kính chân vịt, khoảng cách từ chân vịt đến đầu ra bằng 10 lần đường kính chân vịt. Miền không gian khảo sát được chia làm hai khối là khối động ‘The rotating domain’ có chứa chân vịt, khối tĩnh ‘The static domain’ là miền không gian bao quanh khối động và chứa bánh lái. Chân vịt bước cố định, chân vịt hai bước, bánh lái, mô hình bài toán và vùng không gian tính toán sau khi xây dựng Hình 3.3, Hình 3.4.

Hình 3.3. Chân vịt bước cố định, chân vịt hai bước, bánh lái

41

Hình 3.4. Mô hình bài toán mô phỏng số chân vịt.

3.3.3. Chia lưới, và điều kiện biên

Miền không gian tính toán sau khi xây dựng được chia lưới bằng phần mềm ICEM - meshing tool trong gói phần mềm Ansys. Loại lưới, số lượng lưới, kích thước lưới có ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán, có hai loại lưới dùng trong tính toán mô phỏng số là lưới cấu trúc ‘Structure mesh’ và lưới phi cấu trúc ‘Unstructure mesh’. Lưới cấu trúc có ưu điểm là giảm nhẹ được khối lượng tính toán và có độ chính xác tính toán cao hơn so với lưới phi cấu trúc, tuy nhiên việc lưới hoá mô hình bằng lưới cấu trúc mất rất nhiều thời gian, phụ thuộc vào độ phức tạp của biên dạng hình học của bài toán nghiên cứu. Lưới phi cấu trúc có ưu điểm dễ dàng lưới hoá mô hình, tiết kiệm thời gian chia lưới, tuy nhiên đối với lưới phi cấu trúc thời gian tính toán yêu cầu nhiều hơn, độ chính xác của lưới phi cấu trúc thấp hơn so với lưới cấu trúc với cùng số nút lưới và phần tử lưới. Tuy nhiên, ngày nay với sự phát triển của khoa học máy tính, kỹ thuật giải gần đúng các phương trình vi phân, tích phân sự chính xác của các kết quả tính toán mô phỏng khi dùng lưới phi cấu trúc so với lưới cấu trúc đã được giảm xuống đáng kể đặc biệt khi chúng ta sử dụng lưới đa giác đều. Hình 3.5 là một số loại lưới thường dùng trong tính toán mô phỏng số, đối với bài toán hai 2D có lưới tam giác và lưới tứ giác, đối với bài toán 3D có lưới tứ diện, lưới lăng trụ, lưới tứ diện, lưới khối đa diện, lưới lập phương . Miền không gian tính toán trong luận án này được mô hình hoá bằng lưới đa diện đều. Để tiết kiệm thời gian tính toán, khối tĩnh ‘The static domain’ được mô hình hoá bằng lưới

42

có kích thước lớn, khối động ‘The dynamic domain’ được mô hình hoá bằng lưới có kích thước nhỏ hơn.

Hình 3.5. Một số loại phần tử lưới thường dùng trong tính toán mô phỏng số.

Hình 3.6. Chân vịt và miền không gian khảo sát sau khi chia lưới.

Số lượng lưới, kích thước phần tử có ảnh hưởng quyết định đến kết quả tính toán mô phỏng số, do đó đối với mỗi bài toán cần phải xác định số lượng lưới tối thiểu để kết quả tính toán hội tụ nghĩa là khi số lượng lưới lớn hơn giá trị đó thì kết quả tính toán mô phỏng không thay đổi. Thông thường để xác định giá trị này mô

43

hình được chia với các số lượng lưới khác nhau sau đó thực hiện tính toán, mô phỏng với cùng một mô hình và điều kiện biên. Kết quả tính toán mô phỏng với các số lượng lưới khác nhau dưới dạng đồ thị sẽ cho biết số lượng lưới nhỏ nhất dùng để tính toán mô phỏng. Trong luận án này, để xác định số lượng lưới nhỏ nhất để tính toán mô phỏng đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt thực hiện tính toán với 9 trường hợp với số lượng lưới lần lượt là 200000, 250000, 300000, 400000, 500000, 600000, 700000, 800000 phần tử tại hệ số tiến J = 0.3. Sự phụ thuộc của kết quả tính toán vào số lượng lưới được thể hiện trên đồ thị Hình 3.7, từ đồ thị thấy rằng với số lượng lưới lớn hơn 350000 phần tử thì kết quả tính toán mô phỏng không thay đổi. Do đó để khảo sát đánh giá đặc tính động lực học của chân vịt hai bước và chân vịt có bước cố định trang bị cho tàu cá thì số lượng lưới của hai mô hình phải lớn hơn 350000 phần tử. Vậy sử dụng lưới với 380283 phần tử để tính toán cho chân vịt có bước cố định, lưới với 376785 phần tử để tính toán cho chân vịt hai bước, lưới với 738663, 670710 phần tử để tính toán mô phỏng hệ thống chân vịt hai bước - bánh lái tại H/D = 0,5 và 0,6. Chi tiết lưới dùng trong tính toán mô phỏng cho hai trường hợp chân vịt có bước cố định và chân vịt hai bước được trình bày trong Hình 3.6, Bảng 3.6 - Bảng 3.9.

Bảng 3.6. Thông số lưới hệ thống chân vịt có bước cố định

Số nút Số phần tử Tên

Stt 1 Khối động 893545 2 Khối tĩnh 1078232 Toàn bộ 1971777 3 174897 205386 380283

Bảng 3.7. Thông số lưới hệ thống chân vịt hai bước

Số nút Số phần tử Tên

Stt 1 Khối động 874406 2 Khối tĩnh 1078232 Toàn bộ 1952638 3 171399 205386 376785

Bảng 3.8. Lưới hệ thống chân vịt chân vịt hai bước - bánh lái với H/D = 0,5.

Số nút Số phần tử Tên

Stt 1 Khối động 2241958 2 Khối tĩnh 1560166 Toàn bộ 3802124 3 456214 282449 738663

Bảng 3.9. Lưới hệ thống chân vịt chân vịt hai bước - bánh lái với H/D = 0,6.

Số nút Số phần tử Tên

Stt 1 Khối động 2312285 2 Khối tĩnh 1077749 Toàn bộ 3390034 3 469633 201077 670710

44

Hình 3.7. Sự phụ thuộc của kết quả tính toán vào số lượng lưới tại tỷ số J = 0.3.

Mô hình rối, điều kiện biên, và thuật giải có ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán mô phỏng, việc chọn mô hình rối, điều kiện biên, thuật giải có thể dựa vào kết quả của các bài báo uy tín được công bố. Trong luận án này mô hình rối, điều kiện biên và thuật giải được chọn theo mục 2.4.4 của luận án.

3.4. Kết quả và phân tích kết quả

3.4.1. Kết quả tính toán mô phỏng

Các hệ số thuỷ động lực học đặc trưng cho chân vịt gồm có hệ số lực đẩy KT , hệ số mô men 10KQ và hiệu suất chân vịt được tính theo các công thức 2.16 - 2.19. Trường phân bố áp suất, vận tốc của trường chất lỏng bao quanh chân vịt, lực đẩy, mô men xoắn trên trục chân vịt thu được sau khi tính toán mô phỏng là dữ liệu quan trọng xác định được các hệ số thuỷ động lực học đặc trưng trên. Kết quả tính toán mô phỏng số chân vịt có bước cố định, chân vịt hai bước tại các tỷ số bước khác nhau, và hệ thống chân vịt hai bước - bánh lái Bảng 3.10 - Bảng 3.16 và tại phụ lục 2 của luận án.

Bảng 3.10. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt có bước cố định .

η

KT 10KQ J Stt 0,1 0,137 0,121 0,180 1 2 0,15 0,127 0,116 0,262 3 0,2 0,116 0,110 0,336 4 0,25 0,103 0,103 0,401 0,3 0,090 0,094 0,454 5

45

6 0,35 0,075 0,085 0,490 7 0,4 0,059 0,075 0,507 8 0,45 0,042 0,063 0,484 0,5 0,024 0,049 0,383 9 10 0,55 0,005 0,035 0,116

Bảng 3.11. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt hai bước với H/D = 0,5

η

KT 10KQ J Stt 1 0,1 0,136 0,121 0,179 2 0,15 0,125 0,114 0,260 3 0,2 0,111 0,106 0,333 4 0,25 0,097 0,098 0,396 0,3 0,082 0,088 0,446 5 6 0,35 0,066 0,077 0,474 7 0,4 0,049 0,066 0,475 8 0,45 0,031 0,053 0,413 0,5 0,011 0,039 0,230 9

Bảng 3.12. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt hai bước với H/D = 0,6

η

KT 10KQ J Stt 0,1 0,238 0,273 0,139 1 2 0,15 0,223 0,259 0,206 3 0,2 0,208 0,243 0,273 4 0,25 0,192 0,227 0,336 0,3 0,174 0,210 0,397 5 6 0,35 0,157 0,192 0,454 7 0,4 0,138 0,175 0,504 8 0,45 0,120 0,157 0,547 9 0,5 0,101 0,139 0,581 10 0,55 0,082 0,120 0,599 11 0,6 0,062 0,100 0,594 12 0,65 0,042 0,080 0,547 13 0,7 0,021 0,057 0,420

Bảng 3.13. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt hai bước có xét đến ảnh hưởng của bánh lái với H/D = 0,5

η KT 10KQ

J Stt 1 0,1 0,1378 0,1225 0,1790 2 0,15 0,1261 0,1156 0,2604 0,2 0,1129 0,1076 0,3342 3 4 0,25 0,0991 0,0989 0,3986

46

0,3 0,0838 0,0892 0,4490 5 6 0,35 0,0678 0,0787 0,4798 7 0,4 0,0508 0,0672 0,4814 8 0,45 0,0326 0,0546 0,4279 0,5 0,0137 0,0410 0,2664 9

Bảng 3.14. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt hai bước có xét đến ảnh hưởng của bánh lái với H/D = 0,6

η KT 10KQ

Stt J 0,1 0,2405 0,2756 0,1389 1 2 0,15 0,2260 0,2609 0,2068 3 0,2 0,2109 0,2455 0,2734 4 0,25 0,1948 0,2297 0,3376 5 0,3 0,1774 0,2126 0,3986 6 0,35 0,1585 0,1940 0,4551 0,4 0,1417 0,1777 0,5076 7 8 0,45 0,1235 0,1601 0,5522 9 0,5 0,1049 0,1421 0,5876 10 0,55 0,0858 0,1233 0,6093 11 0,6 0,0664 0,1041 0,6090 12 0,65 0,0465 0,0841 0,5720 13 0,7 0,0257 0,0626 0,4568

Bảng 3.15. Các thông số thuỷ động lực học hệ thống chân vịt hai bước - bánh với H/D = 0,5

η

KT 10KQ J Stt 1 0,1 0,138 0,122 0,179 2 0,15 0,126 0,116 0,261 3 0,2 0,113 0,108 0,334 4 0,25 0,099 0,099 0,397 0,3 0,083 0,089 0,445 5 6 0,35 0,067 0,079 0,471 7 0,4 0,050 0,067 0,474 8 0,45 0,031 0,055 0,412 0,5 0,012 0,041 0,239 9

Bảng 3.16. Các thông số thuỷ động lực học hệ thống chân vịt hai bước - bánh lái với H/D = 0,6

η

Stt KT 10KQ J 0,1 0,242 0,276 0,140 1 2 0,15 0,227 0,261 0,208

47

0,2 0,211 0,245 0,274 3 4 0,25 0,195 0,230 0,338 5 0,3 0,177 0,213 0,398 6 0,35 0,158 0,194 0,453 7 0,4 0,141 0,178 0,504 8 0,45 0,122 0,160 0,545 0,5 0,103 0,142 0,577 9 10 0,55 0,084 0,123 0,593 11 0,6 0,064 0,104 0,586 12 0,65 0,044 0,084 0,538 13 0,7 0,023 0,063 0,403

3.4.2. Ảnh hưởng của tỷ số bước

Trong phần này luận án khảo sát ảnh hưởng của tỷ số bước cánh H/D, (hay góc đặt cánh) đến đặc tính thuỷ động lực học chân vịt. Hình 3.8 - Hình 3.9 cho biết phân bố áp suất trên mặt hút, mặt đẩy chân vịt ở các tỷ số bước H/D từ 0,5 - 0,6 tại hệ số tiến J = 0.1. Từ hình ảnh phân bố áp suất ta thấy rằng tỷ số bước H/D có ảnh hưởng quan trọng đến đặc tính làm việc của chân vịt, trong phạm vi tỷ số bước khảo sát tỷ số bước tăng lên thì sự chênh lệch áp suất giữa hai bề mặt cánh tăng lên, áp suất trên bề mặt đẩy cánh tăng lên, áp suất trên bề mặt hút của cánh giảm đi. Tại tỷ số bước H/D = 0, 5 vùng áp suất cao tại mặt đẩy có giá trị khoảng 3.104 Pa chiếm 40% diện tích, còn lại 60% diện tích có giá trị áp suất là 6.103 Pa, còn vùng có giá trị áp suất nhỏ nhất -1,2.105 Pa nằm tại vùng mép vào của cánh chiếm khoảng 5% diện tích mặt hút, 70% diện tích có giá trị áp suất là khoảng -3.6.104 Pa, còn lại 25% diện tích mặt hút tại vùng mép thoát của cánh có giá trị 6.103 Pa. Tại tỷ số bước H/D = 0,55, tại mặt đẩy của cánh có khoảng 5% diện tích đạt giá trị áp suất lớn nhất khoảng 9.104 Pa, 60% diện tích bề mặt cánh đạt giá trị áp suất 4,8.104 Pa, còn lại 35% là vùng có giá trị áp suất là 6.103 Pa. Ở mặt hút tại vùng mép vào của cánh có giá trị áp suất nhỏ nhất -1.2.105 nó chiếm khoảng 7% diện tích, khoảng 33% diện tích mặt hút phía gần mép vào có giá trị áp suất -3.6.104 Pa, phần diện tích còn lại của cánh có giá trị áp suất khoảng 4.103 Pa. Tại H/D = 0,6, có sự khác biệt lớn của phân bố áp suất giữa hai bề mặt cánh so với trường hợp tính toán thiết kế ban đầu H/D = 0,5. Tại mặt đẩy vùng có áp suất lớn nhất chiếm khoảng 20% với giá trị 9.104 Pa, 50% diện tích mặt đẩy có giá trị áp suất 4.8.104 Pa, còn lại 30% diện tích có áp suất 6.103 Pa. Tại mặt hút vùng có áp nhỏ nhất có giá trị -1,2.105 Pa chiếm khoảng 15% diện tích, khoảng 30% có giá trị áp suất 6.103 Pa, còn lại 55% diện tích có giá trị áp suất 6.103 Pa. Vùng có áp suất thấp tại mặt hút tăng lên cả về diện tích và giá trị tuyệt đối điều này làm tăng khả năng xâm thực xảy ra trên cánh chân vịt. Như vậy có thể kết luận rằng, trong phạm phi tỷ số bước H/D khảo sát, khi tỷ số bước tăng lên thì chênh lệch về phân bố áp suất giữa hai bề mặt cánh tăng lên điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết cánh đề cập trong các tài liệu [13, 14, 89, 90].

48

Hình 3.8. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh với H/D = 0,5 - 0,55 tại J = 0,1.

Hình 3.9. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh với H/D = 0,57 - 0,6 tại J = 0,1.

49

Hình 3.10. Biến thiên hệ số lực đẩy tại theo hệ số tiến J với H/D khác nhau.

Hình 3.11. Biến thiên hệ số lực đẩy theo góc xoay của cánh.

50

Hình 3.12. Biến thiên hệ số mô men theo góc xoay cánh

Hình 3.13. Biến thiên hiệu suất chân vịt theo tỷ số bước cánh H/D

Hình 3.10, Hình 3.11 là biến thiên hệ số lực đẩy chân vịt KT theo tỷ số bước cánh H/D và biến thiên hệ số lực đẩy theo góc xoay của cánh. Đồ thị cho thấy, ở cùng một hệ số tiến J khi tỷ số bước H/D tăng trong phạm vi khảo sát thì hệ số lực

51

đẩy tăng, quy luật biến thiên hệ số lực đẩy giảm gần như tuyến tính với hệ số tiến J, và tăng gần như tuyến tính với góc xoay cánh chân vịt. Tại hệ số tiến J = 0,1, giá trị lớn nhất của hệ số lực đẩy KT đạt được là 0,238 tương ứng với tỷ số bước H/D =0,6, giá trị hệ số lực đẩy nhỏ nhất trong trường hợp này là 0,136, ở chế độ chạy tự do với vận tốc khai thác 10 hải lý/h tương ứng với hệ số tiến J = 0,5 thì hệ số lực đẩy của chân vịt đạt được là 0,07 . Ở chế độ kéo lưới tàu khai thác với vận tốc khoảng 5 hải lý/h tương ứng với hệ số tiến J = 0,25 thì hệ số lực đẩy KT tương ứng lúc này là 0,103.

Hình 3.12 là biến thiên hệ số mô men KQ theo góc xoay cánh chân vịt. Từ đồ thị thấy rằng, trong phạm vi tỷ số bước H/D khảo sát thì khi tỷ số bước tăng lên thì hệ số mô men KQ của chân vịt cũng tăng theo. Quy luật biến thiên của hệ số momen giảm gần như tuyến tính với hệ số tiến J, và tăng gần như tuyến tính với góc xoay của cánh chân vịt. Hệ số momen KQ đạt giá trị lớn nhất là 0,021 tương ứng với hệ số tiến J = 0,1, tỷ số bước H/D = 0,6, ở chế độ chạy tự do tàu khai thác với vận tốc khoảng 10 hảilý/h hệ số mô men của chân vịt đạt được là 0,0097, tại chế độ kéo lưới với tỷ số bước H/D = 0,5 giá trị hệ số mô men xoắn 0,0098 tương ứng với hệ số tiến J = 0,25.

Hình 3.13 là biến thiên hiệu suất chân vịt theo tỷ số bước cánh H/D với các hệ số tiến J khác nhau, đồ thị cho thấy rằng tỷ số bước cánh có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất chân vịt. Khi tỷ số bước H/D tăng trong khoảng 0,5 - 0,6 thì điểm đạt hiệu suất lớn nhất của chân vịt dịch chuyển sang phải, nó đạt hiệu suất lớn nhất tại hệ số tiến J lớn hơn. Tại tỷ số bước H/D = 0,5, chân vịt đạt hiệu suất lớn nhất là 0,475 tương ứng với J = 0,35, tại tỷ số bước H/D = 0,55 chân vịt đạt hiệu suất lớn nhất là 0,55 tại hệ số tiến J = 0,45, ở tỷ số bước H/D = 0,6 chân vịt đạt hiệu suất lớn nhất là 0,571 tại hệ số tiến J = 0,5. Đồ thị cũng cho thấy rằng chân vịt có tỷ số bước cánh lớn khi khai thác ở chế độ có vận tốc khai thác nhỏ thì hiệu suất thấp hơn chân vịt có tỷ số bước cánh nhỏ, cụ thể ở chế độ kéo lưới với vận tốc kéo khoảng 5 hải lý/h tương ứng với hệ số tiến J = 0,25, chân vịt có bước H/D = 0,5 đạt giá trị hiệu suất cao nhất là 0,396, sau đó giảm dần tại tỷ số bước cánh H/D = 0,6 thì hiệu suất chân vịt đạt được là 0,363. Giá trị này giảm khoảng 8% so với hiệu suất tại chế độ kéo lưới với tỷ số bước cánh H/D = 0,5.

3.4.3. Tỷ số bước phù hợp ở chế độ chạy tự do của chân vịt hai bước

Tỷ số bước tối ưu của chân vịt ở chế độ chạy tự do là tỷ số bước cánh thoả mãn hiệu suất khai thác ở chế độ này của chân vịt đạt hiệu suất cao nhất, lực đẩy tạo ra thắng được sức cản tổng tác động lên tàu, tận dụng được tối đa công suất máy chính. Ở chế độ chạy tự do tàu khai thác với vận tốc khoảng 11 hải lý/h tương ứng với hệ số tiến J = 0,55, từ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ số bước cánh H/D với đặc tính thuỷ động lực học chân vịt Hình 3.10 - Hình 3.13 ta thấy rằng tỷ số bước cánh phù hợp H/D của chân vịt ở chế độ chạy tự do là 0,6 tương ứng với góc xoay của cánh là 60 so với góc đặt ban đầu được tính toán ở chế độ kéo lưới. Chế độ

52

chạy tự do tương ứng với tỷ số bước này hệ số lực đẩy KT, hệ số mô men KQ, hiệu suất chân vịt η lần lượt là: 0,07; 0,0097; 0,571. Như vậy chân vịt hai bước sau khi xác định được tỷ số bước cánh phù hợp ở chế độ chạy tự do có các thông số kỹ thuật như Bảng 3.3 và có tỷ số bước H/D tại chế độ thứ độ thứ hai là 0,6.

3.4.4. Đặc tính thuỷ động lực học chân vịt

Hình 3.14 - Hình 3.16 là phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của chân vịt hai bước, chân vịt có bước cố định tại các số tiến J = 0,1 - 0,5 tương ứng với tỷ số bước H/D = 0,5. Từ hình trên ta thấy rằng phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt tuân theo quy luật máy thuỷ lực hướng trục, có sự chênh lệch áp suất giữa mặt hút và mặt đẩy của chân vịt, áp suất tại mặt đẩy lớn hơn áp suất tại mặt hút. Tại hệ số tiến J = 0,2 , mặt đẩy có áp suất nằm trong khoảng 6.103 - 9.104 Pa, áp suất lớn nhất trên mặt đẩy chân vịt là 9.104 Pa tại mép vào của cánh, áp suất nhỏ nhất trên mặt đẩy là 6.103 Pa tại mép thoát, vùng gần bầu của cánh. Mặt hút của chân vịt có áp suất nằm trong khoảng -1,5.104 -1,2.105 Pa, áp suất nhỏ nhất tại mặt hút là -1,5.104 Pa tại mép vào của cánh, áp suất lớn nhất là -1,2.105 Pa tại mép thoát của cánh. Tại hệ số tiến J = 0,4, áp suất tại mặt đẩy nằm trong khoảng 6.103 - 4,8.104 Pa, giá trị áp suất lớn nhất tại mặt này là 4.8.104 Pa tại mép vào của cánh, giá trị áp suất nhỏ nhất tại mặt này là 6.103 Pa tại mép thoát của cánh. Giá trị áp suất tại mặt hút nằm trong khoảng -1,5.104 -1,2.105 Pa, phần lớn diện tích mặt hút của cánh chân vịt có áp suất -5.104 Pa, giá trị áp suất lớn nhất tại mặt này là -1,5.104 Pa tại mép vào của cánh, trong khi đó giá trị áp suất nhỏ nhất đạt được tại mặt hút là -1,2.105 Pa tại vùng mép thoát. Cũng từ hình ảnh phân bố áp suất ta thấy rằng sự chênh lệch áp suất giữa hai mặt cánh giảm đi khi hệ số tiến J tăng, do đó hệ số lực đẩy và hệ số mô men của chân vịt cũng giảm theo.

Hình 3.14. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của chân vịt tại J = 0,1; 0,2.

53

Hình 3.15. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của chân vịt tại J = 0,3;0,4.

Hình 3.16. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của chân vịt tại J = 0,45;0,5.

54

Hình 3.17. Đường đặc tính của chân vịt có bước cố định.

Hình 3.18. Đường đặc tính của chân vịt hai bước

55

Hình 3.19. Đường đặc tính của chân vịt bước cố định và chân vịt hai bước tại tỷ số bước tính toán thiết kế H/D =0,5.

Hình 3.17 - Hình 3.18 là đường đặc tính của hệ thống chân vịt có bước cố định và chân vịt hai bước tương ứng với các hệ số tiến J nằm trong khoảng từ 0,1 - 0,65. Ta thấy rằng hệ số lực đẩy và hệ số mô men của chân vịt giảm gần như tuyến tính với tỷ số J điều này phù hợp với quy luật phân bố áp suất trên mặt hút, mặt đẩy chân vịt với hệ số tiến J Hình 3.14 - Hình 3.16. Khi tỷ số J tăng thì hệ số lực đẩy KT và hệ số momen KQ giảm, với chân vịt hai bước giá trị lớn nhất của hệ số lực đẩy và hệ số mô men lần lượt là 0,201 và 0,021 tương ứng với tỷ số H/D = 0,6 và J = 0,1. Trong khi đó với chân vịt có bước cố định các giá trị này lần lượt là 0,137 và 0,0121 tương ứng với tỷ số J = 0,1. Ngược lại, ở chế độ tính toán thiết kế, hiệu suất của hai chân vịt lại tăng gần như tuyến tính khi hệ số tiến J tăng trong khoảng 0,1- 0,3 và giảm nhanh khi hệ số tiến J lớn hơn 0,4. Ở chế độ tính toán này hiệu suất lớn nhất của hai chân vịt đạt được lần lượt là 0,507 và 0,475 tương ứng với J = 0,4 và J = 0,35. Tuy nhiên cả hai chân vịt không đạt tới hiệu suất cao nhất trong quá trình khai thác tại chế độ kéo lưới do vận tốc khai thác tương đối nhỏ khoảng 4-5 hải lý/h, tại chế độ khai thác này hệ số tiến J khoảng 0,25 và hiệu suất lớn nhất của hai chân vịt tại chế độ khai thác này lần lượt là 0,401 và 0,396. Hình 3.19 là đường đặc tính của hệ thống chân vịt có bước cố định và chân vịt hai bước ở tỷ số bước cánh H/D = 0,5, từ đồ thị ta thấy rằng ở chế độ kéo lưới chân vịt có bước cố định có hệ số lực đẩy, hệ số mô men, và hiệu suất cao hơn chân vịt hai bước lần lượt là 5,82%, 4,85% và 1,25 %. Điều này có thể được giải thích là do chân vịt hai bước có tỷ số bầu lớn hơn so với tỷ số bầu của chân vịt có bước cố định mà đường kính cánh của hai chân vịt bằng nhau nên để đảm bảo diện tích công tác của chân vịt thì chiều

56

rộng của cánh chân vịt hai bước lớn hơn với chiều rộng cánh của chân vịt có bước cố định, do đó làm tăng hiện tượng tách dòng sau khi dòng chảy tương tác với cánh chân vịt, điều này dẫn tới giảm hệ số lực đẩy, hệ số mô men và hiệu suất của chân vịt hai bước so với chân vịt có bước cố định ở tỷ số bước cánh thiết kế H/D = 0,5. Ở chế độ chạy tự do, tàu khai thác với vận tốc 11 hải lý/h, chân hai bước lại thể hiện được ưu điểm vượt trội của nó so với chân vịt có bước cố định là nó có hiệu suất cao hơn sử dụng tối đa công suất của máy chính chuyển hết công suất của máy chính thành vận tốc khai thác của tàu. Cụ thể ở chế độ chạy tự do hiệu suất của chân vịt hai bước là 0,571 trong khi đó chân vịt có bước cố định khai thác được ở vận tốc 7 hải lý/h tương ứng với hệ số tiến J = 0,35. Ở chế độ này hiệu suất của chân vịt hai bước lớn hơn hiệu suất của chân vịt có bước cố định là 16,5% quan trọng hơn nữa là chân vịt hai bước còn cho tàu khai thác với vận tốc lớn hơn so với chân vịt có bước cố định khoảng 1,5 lần, sử dụng tối đa công suất của máy chính do tỷ số bước H/D lớn từ đó rút ngắn thời gian chạy từ ngư trường về cảng. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi tàu chạy tránh trú bão, với vận tốc khai thác lớn tàu nhanh chóng thoát ra khỏi vùng biển nguy hiểm. Thời gian chạy tự do chiếm 40% tổng thời gian của một chuyến đi biển do đó đi hiệu suất của hệ thống chân vịt hai bước tính cho cả chuyến đi cao hơn so với hệ thống chân vịt có bước cố định là 7,63%.

3.4.5. Lực tác động lên cánh chân vịt

Phân bố áp suất, phân bố lực theo các trục x, y, z trên hai bề cánh chân vịt có bước cố định, chân vịt hai bước tại hệ số tiến J = 0,1 - 0,45 tại tỷ số bước H/D = 0,5 Hình 3.20 - Hình 3.23. Kết quả tính toán mô phỏng cho thấy rằng biên dạng cánh có ảnh hưởng đáng kể đến phân bố áp suất và phân bố lực theo các trục toạ độ từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt cụ thể lực tác động lên cánh chân vịt theo trục x, z của chân vịt bước cố định lớn hơn của cánh chân vịt hai bước, tại hệ số tiến J = 0,1 lực tác động lên cánh chân vịt có bước cố định theo trục x, z lớn hơn trên cánh chân vịt hai bước lần lượt là 1,2 % và 2,65 %. Khi hệ số tiến J tăng lên lực tác động theo hai trục x, z lên cánh chân vịt có bước cố định càng tăng so với cánh chân vịt hai bước. Tại vận tốc khai thác tương ứng với J = 0,25 lực tác động theo hai trục này của chân vịt có bước cố định lớn hơn cánh chân vịt hai bước lần lượt là 7,9% và 8,9%. Ngược lại lực tác động theo trục y lên cánh chân vịt hai bước lớn hơn lực trên cánh chân vịt có bước cố định tại hệ số tiến J = 0,1 lực tác động theo trục y lên cánh chân vịt hai bước lớn hơn lên lên cánh chân vịt bước cố định là 120%, tại chế độ kéo lưới với J = 0,25 giá trị này là 152%. Hình 3.24 là quy luật biến thiên lực tác động lên cánh chân vịt trong hai trường hợp theo các trục tương ứng với các hệ số tiến J từ 0,1 đến 0,5. Trong cả hai trường hợp quy luật biến thiên của các lực này giảm gần như tuyến tính với hệ số tiến J giá trị lớn nhất của các lực này đạt được tại J = 0,1, điều này phù hợp với quy luật biến thiên phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt theo hệ số tiến J được đề cập trong các tài liệu [12, 13].

57

Hình 3.20. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của hai chân vịt tại J = 0,15;0,25.

Hình 3.21. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của hai chân vịt tại J = 0,35;0,45.

58

Hình 3.22. Phân bố lực tác động theo trục Z trên cánh chân vịt tại J = 0,1; 0,2.

Hình 3.23. Phân bố lực tác động theo trục z trên cánh chân vịt tại J = 0,25; 0,3;

59

Hình 3.24. Lực tác động lên cánh chân vịt có bước cố định và chân vịt hai bước.

3.4.6. Tương tác chân vịt hai bước - bánh lái

Trong mục 3.4.4 của luận án đã khảo sát đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt tự do không xét tới ảnh hưởng của bánh lái với hai trường hợp là chân vịt có bước cố định và chân vịt hai bước. Tuy nhiên kích thước bánh lái, biên dạng bánh lái, và vị trí đặt bánh lái cũng có ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của chân vịt. Trong phần này, dựa vào kết quả tính toán mô phỏng được trình bày trong Bảng 3.12 - Bảng 3.17 khảo sát sự tương tác thuỷ động lực học của tổ hợp chân vịt hai bước - bánh lái.

3.4.6.1. Ảnh hưởng của bánh lái đến đặc tính của chân vịt hai bước

Hình 3.25 - Hình 3.28 là phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt trong hai trường hợp chân vịt tự do và chân vịt có bánh lái tại hai tỷ số bước H/D = 0,5; 0,6 tương ứng với hệ số tiến J từ 0,1 - 0,4. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt cho thấy rằng bánh lái có ảnh hưởng đáng kể đến phân bố áp suất trên mặt hút và mặt đẩy cánh chân vịt. Tại mặt đẩy nó làm diện tích cánh có giá trị áp suất khoảng 4,8.104 Pa tại mép vào của cánh so với trường hợp chân vịt tự do, tại mặt hút vùng diện tích cánh có áp suất thấp từ -7,8.10-4 - 1,2.10-5 Pa tăng lên đáng kể so với trường hợp chân vịt tự do. Tuy nhiên sự giảm áp suất tại mặt đẩy của cánh ít hơn tại mặt hút của cánh, do đó sự chênh lệch áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt trong trường hợp có bánh lái lớn hơn trường hợp chân vịt tự do điều này dẫn đến hệ số lực đẩy chân vịt trong trường hợp có bánh lái lớn hơn hệ số lực đẩy của chân vịt tự do một chút. Khi hệ số tiến J tăng lên thì hệ số lực đẩy của chân vịt trong hệ thống chân vịt - bánh lái càng lớn hơn so với chân vịt tự do, sự khác nhau về hệ số

60

lực đẩy trong hai trường hợp được trình bày trên đồ thị Hình 3.29, Hình 3.30. Tại điểm hiệu suất đạt giá trị lớn nhất, tương ứng với hệ số tiến J = 0,35, tỷ số bước H/D = 0,5 hệ số lực đẩy của chân vịt trong hệ thống chân vịt - bánh lái lớn hơn so với chân vịt tự do là 2,38%. Tại tỷ số bước H/D = 0,6, hệ số tiến J = 0,55 hệ số lực đẩy của chân vịt trong hệ thống chân vịt - bánh lái lớn hơn so với chân vịt tự do là 4,67%. Tương tự do sự thay đổi phân bố áp suất trên cánh chân vịt do bánh lái gây ra nên hệ số mô men KQ của chân vịt trong hệ thống chân vịt hai bước cũng lớn hơn hệ số mô men của chân vịt tự do, sự khác nhau của hệ số mô men trong hai trường hợp tương ứng với tỷ số bước H/D = 0,5; 0,6 được trình bày trên đồ thị Hình 3.29, Hình 3.30. Tại tỷ số bước H/D = 0,5, hệ số tiến J = 0,35 hệ số mô men của chân vịt trong hệ thống chân vịt - bánh lái lớn hơn so với chân vịt tự do là 1,88%. Tại tỷ số bước cánh H/D = 0,6, hệ số tiến J = 0,55 hệ số mô men KQ của chân vịt tự do nhỏ hơn so với chân vịt trong hệ thống chân vịt - bánh lái là 2,96%.

Sự thay đổi của hệ số lực đẩy KT và hệ số mô men KQ của chân vịt trong hệ thống chân vịt - bánh lái so với chân vịt tự do dưới sự tương tác thuỷ động lực học với bánh lái kéo theo sự thay đổi hiệu suất của chân vịt. Hiệu suất chân vịt trong hệ thống chân vịt - bánh lái lớn hơn hiệu suất của chân vịt tự do, hệ số tiến J tăng thì sự khác nhau về hiệu suất của chân vịt trong hai trường hợp càng tăng. Tại tỷ số bước H/D = 0,5, hệ số tiến J = 0,35 hiệu suất của chân vịt trong hệ thống chân vịt - bánh lái lớn hơn so với hiệu suất của chân vịt tự do là 1,2%. Tại hệ số tiến J = 0,55, tỷ số bước cánh H/D = 0,6 hiệu suất của chân vịt tự do thấp hơn so với chân vịt trong hệ thống chân vịt - bánh lái là 1,71%. Quy luật biến thiên hiệu suất chân vịt trong hai trường hợp được trình bày trên đồ thị Hình 3.29 - Hình 3.30.

Hình 3.25. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,5; J = 0,1; 0,2.

61

Hình 3.26. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,5; J = 0,3; 0,4.

Hình 3.27. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,6; J = 0,1; 0,2.

62

Hình 3.28. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,6; J = 0,1; 0,2.

Hình 3.29. Đặc tính thuỷ động lực học chân vịt tự do, và chân vịt trong hệ thống chân vịt bánh lái với tỷ số bước H/D = 0,5

63

Hình 3.30. Đặc tính thuỷ động lực học chân vịt tự do, và chân vịt trong hệ thống chân vịt bánh lái với tỷ số bước H/D = 0,6

3.4.6.2. Đặc tính thuỷ động lực học hệ thống chân vịt - bánh lái

Đặc tính của hệ thống là đặc tính của tổ hợp chân vịt - bánh lái, trong trường hợp này lực đẩy, mô men tạo ra sẽ là tổng hợp do chân vịt và bánh lái. Sau khi xác định được lực, mô men tổng hợp sẽ tính các hệ số thuỷ động lực học đặc trưng cho cả hệ thống, các hệ số thuỷ động lực học đặc trưng là hệ số lực đẩy KT, hệ số mô men 10KQ, và hiệu suất η của cả hệ thống tại hai tỷ số bước cánh H/D = 0,5; 0,6 sau khi tính toán Bảng 3.13 - Bảng 3.14. So với đặc tính của chân vịt tự do đặc tính thuỷ động lực học của hệ thống chân vịt - bánh lái có thay đổi không đáng kể cụ thể như sau:

 Ở tỷ số bước H/D = 0,5, hệ số lực đẩy của hệ thống chân vịt - bánh lái lớn hơn so với chân vịt tự do khoảng 0,5%. Tại hệ số tiến J = 0,35 sự khác nhau về hệ số lực đẩy của hệ thống chân vịt - bánh lái so với chân vịt tự do đạt giá trị lớn nhất là 0,475%. Tương tự hệ số mô men của hệ thống chân vịt - bánh lái cũng lớn hơn hệ số mô men của chân vịt tự do khoảng 1,5%, tại hệ số tiến J = 0,35 sự khác nhau về hệ số mô men trong hai trường hợp là 1,52%.Ở khía cạnh hiệu suất, ở vùng khai thác có hệ số tiến J từ 0,1- 0,25 hiệu suất của hệ thống chân vịt - bánh lái lớn hơn chân vịt tự do khoảng 0,2%, còn ở vùng khai thác có hệ số tiến J từ 0,3 - 0,45 hiệu suất của chân vịt tự do có giá trị lớn hơn khoảng 0,5%. Tại chế độ kéo lưới có vận tốc khai thác khoảng 5 hảilý/h, tương ứng với hệ số tiến J = 0,25, hệ số lực đẩy, hệ số mô men và hiệu suất của hệ thống chân vịt - bánh lái đều lớn hơn của chân vịt tự do lần lượt là 1,46%, 1,3%, và 0,152%. Đặc tính thuỷ động lực học hệ thống chân vịt - bánh lái, chân vịt tự do tại tỷ số bước H/D được trình bày trên đồ thị Hình 3.31.

64

Hình 3.31. Đặc tính thuỷ động lực học hệ thống chân vịt - bánh lái và chân vịt tự do

Hình 3.32. Đặc tính thuỷ động lực học hệ thống chân vịt - bánh lái và chân vịt tự do với tỷ số bước H/D = 0,6

65

 Tại tỷ số bước H/D = 0,6 hệ số lực đẩy và hệ số mô men của hệ thống chân vịt - bánh lái cũng lớn hơn của chân vịt tự do. Ở chế độ chạy tự do với vận tốc khai thác khoảng 11 hảilý/h, tương ứng với tỷ số tiến J = 0,6 hệ số lực đẩy, hệ số mô men của hệ thống chân vịt - bánh lái lớn hớn của chân vịt tự do lần lượt là 1,83% và 2,5%. Hiệu suất của hệ thống chân vịt - bánh lái lớn hơn của chân vịt tự do khi khai thác ở hệ số tiến J từ 0,1 - 0,3 khoảng 0,9%, còn khi khai thác ở dải vận tốc lớn hơn với hệ số tiến J từ 0,35 - 0,7 thì hiệu suất của chân vịt tự do có giá trị lớn hơn. Đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt tự do và hệ thống chân vịt - bánh lái tại tỷ số bước H/D = 0,6 Hình 3.32.

3.4.6.3. Đặc tính thuỷ động lực học của bánh lái trong hệ thống

Bánh lái đặt sau chân vịt, dòng chảy sau khi qua chân vịt sẽ tương tác với bánh lái, do dòng chảy qua chân vịt có trường phân bố vận tốc không đồng đều cả về giá trị và hướng Hình 3.33 nên nó sẽ sinh ra sự phân bố áp suất bất đối xứng trên hai phía của bánh lái, ở cùng hệ số tiến J khi tỷ số bước cánh chân vịt tăng lên thì sự chênh lệch áp suất giữa hai bề mặt của bánh lái tăng lên, phân bố áp suất trên hai mặt của bánh lái tại hai tỷ số bước H/D = 0,5; 0,6 tương ứng với tỷ số J từ 0,1 - 0,4 Hình 3.34, Hình 3.35. Sự bất đối xứng về phân bố áp suất trên hai bề mặt bánh lái làm xuất hiện trên bánh lái một lực thuỷ động vuông góc với mặt phẳng đối xứng của bánh lái, nghĩa là trên bánh lái ngoài lực cản còn xuất hiện lực tác động vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu, lực này làm tàu chuyển động theo quỹ đạo là đường zig zag.

Lực cản tác động lên bánh lái tăng lên khi hệ số tiến J tăng lên, quy luật biến thiên của lực cản gần như tăng tuyến tính với hệ số tiến J, lực cản tác động lên bánh lái ở các tỷ số tiến J khác nhau tương ứng với tỷ số bước cánh chân vịt H/D = 0,5 Hình 3.36. Tại chế độ kéo lưới của tàu, tương ứng với J = 0,25 lực cản tác động lên bánh lái là 44N.

Hình 3.33. Trường dòng bao quanh bánh lái

66

Hình 3.34. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái tại H/D = 0,5

Hình 3.35. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái tại H/D = 0,6

Hình 3.36. Lực cản tác động lên bánh lái với tỷ số bước H/D = 0,5

67

Kết luận chương 3:

Dưới đây là tóm tắt nội dung của chương này:

 Tính toán thiết kế biên dạng cánh chân vịt hai bước trang bị cho tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo có công suất máy 155CV có đường kính phù hợp là 1m, tỷ số bước tại chế độ kéo lưới H/D = 0,5, tỷ số bước ở chế độ chạy tự do là H/D = 0,6, vận tốc khai thác là 11 hải lý/h tương ứng với góc xoay cánh so với chế độ tính toán thiết kế ban đầu 60 đó là cơ sở quan trọng để tính toán hệ thống điều khiển bước cánh;

 Mô phỏng chân vịt hai bước với các tỷ số H/D=0,5 và H/D=0,6 xây dựng

đường đặc tính thủy động lực học cho chân vịt hai bước vừa thiết kế;

 Ở chế độ kéo lưới hệ số lực đẩy, hệ số mô men, hiệu suất của chân vịt có bước cố định cao hơn chân vịt hai bước lần lượt là 5,82%, 4,85% và 1,25 %. Tuy nhiên ở chế độ chạy tự do chân vịt hai bước hoạt động ở tỷ số bước cánh H/D = 0,6 có hiệu suất cao hơn chân vịt có bước cố định là 16,5% hơn nữa nó còn cho phép tàu khai thác ở vận tốc lớn gấp 1,5 lần vận tốc khai thác với chân vịt có bước cố định với cùng công suất máy chính. Tổng hợp cả hai chế độ khai thác hiệu suất của chân vịt hai bước cao hơn so với chân vịt có bước cố định khoảng 7,63%;

 Khi góc quay của bánh lái bằng 00 vẫn có thành phần lực vuông góc với mặt phẳng đối xứng của bánh lái do tương tác thuỷ động lực học của cụm chân vịt bánh lái. Lực này làm tàu chuyển động theo quỹ đạo zigzag trong quá trình vận hành.

68

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHÂN VỊT HAI BƯỚC

4.1. Giới thiệu chung về thực nghiệm chân vịt

Thực nghiệm chân vịt là nghiên cứu đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt trên các hệ thống thực nghiệm có kể tới ảnh hưởng của các yếu tố khác như thân tàu, bánh lái...Các thực nghiệm chân vịt mô hình có thể được chia thành 4 nhóm sau [12-14].

 Thực nghiệm mặt thoáng ‘Open water experiments’;

 Thực nghiệm thiết bị đẩy ‘Self - propulsion experiments’;

 Thực nghiệm xâm thực ‘Cavitation experiments’;

 Các thực nghiệm khác: Nghiên cứu dòng đuôi tàu, thực nghiệm áp suất thân

tàu, đo tiếng ồn…

4.1.1. Thực nghiệm mặt thoáng

Mục đích của thực nghiệm mặt thoáng là xác định đặc tính của chân vịt tự do ‘Open water characteristics of a propeller’ không xét đến ảnh hưởng của dòng chảy sau khi tương tác với thân tàu, và sự tương tác của chân vịt, bánh lái trong quá trình hoạt động. Chân vịt mô hình và chân vịt thực phải thoả mãn các định luật tương tự về động lực học. Nếu chỉ thực nghiệm về đặc tính của chân vịt tự do, ví dụ như xây dựng dữ liệu về một seri chân vịt nào đó thì chân vịt mô hình có thể lớn hơn một chút, kích thước của chân vịt mô hình phụ thuộc vào thiết bị đo lực đẩy ‘Dynamometer’ trong hệ thống thực nghiệm. Trong thực nghiệm chân vịt, kích thước của chân vịt mô hình phải đủ lớn để đảm bảo độ chính xác, và có số Reynol đủ lớn để đảm bảo dòng chảy qua chân vịt là dòng chảy rối. Chú ý rằng, vận tốc dòng chảy để xác định số Reynol của chân vịt mô hình là tổng hợp của vận tốc tiếp tuyến và vận tốc dọc trục chân vịt tính tại bán kính 0,7 R. Và giá trị của số Reynol phải lớn hơn 3,2.105 để đảm bảo dòng chảy bao quanh chân vịt là dòng chảy rối hoàn toàn khi đó ảnh hưởng của số Re là không đáng kể [12-14].

Hình 4.1. Sơ đồ thực nghiệm chân vịt có mặt thoáng

Trong thực nghiệm mặt thoáng chân vịt, chân vịt mô hình được gắn với thiết bị đo lực đẩy và được đặt trên tàu mô hình, sơ đồ thực nghiệm mặt thoáng Hình 4.1.

69

Trục lai chân vịt có chiều dài phù hợp để đảm bảo dòng chảy đến chân vịt không bị ảnh hưởng sau khi tương tác với thân tàu. Khối lượng ‘ballast weight’ được đặt tàu mô hình để đảm bảo cho đường trục chân vịt song song với mặt phẳng nằm ngang và dảm bảo chiều chìm cho phép h > D [12].

Trong quá trình thực nghiệm tàu mô hình và chân vịt được kéo chuyển động đều với vận tốc VA , chân vịt quay với vận tốc n. Vận tốc của tàu mô hình, số vòng quay chân vịt, lực đẩy, mô men của chân vịt được đo trong mỗi lần thực nghiệm. Thông thường, để xây dựng đường đặc tính của chân vịt ta giữ nguyên vận tốc quay của chân vịt và thay đổi vận tốc chuyển động của tàu mô hình. Giá trị vận tốc của tàu mô hình thay đổi từ 0 đến giá trị mà tại đó lực đẩy do chân vịt mô hình tạo ra có giá trị nhỏ hơn 0. Từ dữ liệu thực nghiệm là số vòng quay n, vận tốc tiến của tàu mô hình VA , giá trị lực đẩy T và momen Q xác định các hệ số đặc trưng của chân vịt và xây dựng được đường đặc tính của chân vịt theo các công thức 2.16 - 2.19 [12].

4.1.2. Thực nghiệm thiết bị đẩy

Thực nghiệm thiết bị đẩy được sử dụng để xác định đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt có kể tới tác động của thân tàu, và bánh lái khi được trang bị cùng với nhau. Phân tích các dữ liệu thu được khi thực nghiệm thiết bị đẩy cho phép ta dự đoán được công suất và số vòng quay của chân vịt tàu tại một tốc độ xác định của tàu và hiệu suất quay tương đối của chân vịt. Các dữ liệu sức cản và đặc tính của chân vịt tự do được phân tích từ dữ liệu thực nghiệm thiết bị đẩy, sơ đồ thực nghiệm thiết bị đẩy Hình 4.2. Tàu mô hình và các thiết bị khác phải được bố trí một cách hợp lý để tránh sai số khi đo, nhất là vị trí đặt của chân vịt và bánh lái. Tàu mô hình được gắn vào thiết bị đo sức cản, thiết bị này đo lực cần thiết để tàu mô hình chuyển động đều với vận tốc xác định. Trọng lượng ‘Ballast weights’ được đặt thêm vào tàu mô hình để đảm bảo mớn nước của tàu mô hình trong quá trình thực nghiệm. Trong quá trình thực nghiệm, tàu mô hình chuyển động đều với vận tốc xác định, chân vịt quay với số vòng quay n, lực cản của tàu mô hình, mô men của chân vịt được ghi lại trong mỗi lần thực nghiệm.

Trong thực nghiệm thiết bị đẩy, chân vịt mô hình được gắn vào đuôi tàu mô hình. Kích thước của chân vịt mô hình hay thiết bị đẩy dùng trong thí nghiệm được xác định thông qua các tiêu chuẩn đồng dạng. Có nghĩa là kích thước của chân vịt mô hình hay còn gọi là chân vịt kiểm định cũng cần được xem xét khi lựa chọn tỷ lệ đồng dạng cho tàu mô hình.

Ba phương pháp dùng trong các thực nghiệm thiết bị đẩy hiện nay là:

 Phương pháp tải thay đổi;

 Phương pháp tải không đổi;

 Phương pháp tải kết hợp.

70

Hình 4.2. Sơ đồ thực nghiệm thiết bị đẩy

Trong phương pháp tải thay đổi trước khi bắt đầu mỗi thực ghiệm, tốc độ của mô hình và tải trên chân vịt mong muốn nên được chọn lựa trước, lặp lại quy trình tại cùng tốc độ được tiến hành với tải trọng khác nhau và toàn bộ quy trình sau đó được lặp lại tại mỗi giá trị của tốc độ theo quy trình. Dải tải trọng nên mở rộng từ hệ số tải thấp nhất đến cao nhất mà tại đó việc đánh giá công suất tàu được yêu cầu, với điều kiện là dải này đã bao gồm cả hệ số tải đơn vị.

Với phương pháp tải không đổi, trước khi tiến hành mỗi thí nghiệm, tốc độ của mô hình nên được chọn lựa trước và lực kéo bên ngoài tương ứng với tải trọng đang xét cần được tính toán một cách cẩn thận. Lực hiệu chỉnh ma sát (FD) sau đó được áp dụng cho thân tàu mô hình như một lực kéo hỗ trợ bên ngoài mà sẽ được giữ không đổi trong tất cả các thực nghiệm. Chạy lại quy trình với một vài giá trị tốc độ khác nhau. Dải tốc độ nên mở rộng từ giá trị thấp nhất đến cao nhất mà tại đó lực đẩy được yêu cầu. Việc mở rộng dải tốc độ nên lấy ít nhất là 5% từ giá trị thấp nhất vào cao nhất.

Kết hợp của cả hai phương pháp trên là phương pháp tải hỗn hợp. Ví dụ, thay đổi tốc độ trong khi tải không đổi, hoặc gần như không đổi, cùng với thực nghiệm thay đổi tải tại một tốc độ cho trước.

Lực đẩy, mô men, tốc độ quay và tốc độ thân tàu được đo trong suốt quá trình tiến hành thực nghiệm được dùng để tính các hệ số đẩy. Các giá trị lực cản mô hình tàu bao gồm các phụ kiện và đặc tính mặt thoáng của cùng một chân vịt cũng được yêu cầu cho việc tính toán các hệ số này. Việc phân tích có thể sử dụng hai phương pháp như sau:

 Phân tích theo lực đẩy đơn vị;

 Phân tích theo mô men đơn vị.

Với phương pháp phân tích theo lực đẩy đơn vị, hệ số tiến JP thu được từ thực nghiệm thiết bị đẩy và hệ số lực đẩy tương ứng KTP được tính toán theo biểu thức

71

4.1. Từ đó suy ra đồ thị vận hành tại cùng hệ số lực đẩy KTP tương ứng với J0T, KQT và η0T Hình 4.3.

Hình 4.3. Đường đặc tính vận hành chân vịt trong thực nghiệm thiết bị đẩy

(4.1)

Trong đó, chỉ số P đặc trưng cho giá trị thu được từ thực nghiệm thiết bị đẩy và ‘0’ đặc trưng cho giá trị thu được từ thực nghiệm mặt thoáng. Do đó hệ số lực , hiệu suất quay tương đối theo lực đẩy đơn vị đẩy khấu trừ t, hiệu suất thân tàu

, và hiệu suất đẩy được xác định theo các công thức (4.2) - (4.5).

(4.2)

(4.3)

(4.4)

(4.5)

Theo phương pháp phân tích mô men đơn vị từ hệ số tiến tương đối JP thu được từ thực nghiệm thiết bị đẩy và hệ số mô men tương ứng KQP được tính toán theo biểu thức 4.6. Từ đó suy ra đồ thị vận hành tại cùng hệ số lực đẩy KQP tương ứng với J0Q, KT0Q và η0Q. Các hệ số đẩy được tính tương tự như với trường hợp phân tích theo lực đẩy đơn vị. Hệ số mô men đơn vị, hệ số lực đẩy khấu trừ, hiệu suất thân tàu, hiệu suất quay tương đối theo mô men đơn vị được xác định theo các công thức (4.6) - (4.10).

72

(4.6)

(4.7)

(4.8)

(4.9)

(4.10)

Trong đó, chỉ số P đặc trưng cho giá trị thu được từ thực nghiệm thiết bị đẩy và ‘0’ đặc trưng cho giá trị thu được từ thực nghiệm mặt thoáng. Trong cùng một điều kiện thực nghiệm cho trước cả hai phương pháp phân tích trên cho kết quả tương tự như nhau [12, 13].

4.1.3. Thực nghiệm xâm thực

Thực nghiệm xâm thực với chân vịt được thực hiện để nghiên cứu hiện tượng xâm thực xảy ra trên chân vịt và xác định ảnh hưởng của nó đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt khi hoạt động. Ngoài việc quan sát hiện tượng xâm thực xảy ra như thế nào, nó còn cho phép chúng ta nghiên cứu hiện tượng ăn mòn, gây ồn, rung động do xâm thực gây ra. Mặc dù có thể nghiên cứu xâm thực chân vịt kích thước nguyên mẫu trang bị trên tàu với sự trợ giúp của thiết bị đo hiện đại. Tuy nhiên các thí nghiệm xâm thực thường được tiến hành với các chân vịt mô hình trong ống thực xâm thực. Ngoài ra chúng ta còn có thể nghiên cứu hiện tượng xâm thực tại bể thử MARIN, Hà Lan, đó là cơ sở duy nhất để nghiên cứu xâm thực chân vịt trên bể thử. Cấu tạo cơ bản của ống thử xâm thực chân vịt gồm có 10 bộ phận chính Hình 4.4.

Ống thử xâm thực chân vịt là một kênh dẫn kín chứa nước tuần hoàn và có áp suất tại mặt thoáng có thể thay đổi được, nó được cấu tạo gồm nhiều cụm chi tiết được lắp ghép với nhau. Nước trong hệ thống được tuần hoàn nhờ hệ thống bơm hướng trục, áp suất của mặt thoáng được điều chỉnh bởi máy nén khí. Để đảm bảo dòng chảy tuần hoàn trong ống được suôn đều tại các góc của hệ thống thử nghiệm ta bố trí các cánh hướng dòng. Để giảm dòng xoáy sinh ra khi qua bơm tương tác với chân vịt khảo sát ta bố trí thêm lưới 3. Khi dòng chảy qua phần số 4 của ống thử xâm thực do tiết diện mặt cắt ngang của phần này giảm dần dòng chảy được tăng tốc đến giá trị mong muốn trước khi vào chân vịt. Phần 6 của ống xâm thực có tiết diện loe rộng để giảm khả năng xâm thực sinh ra khi dòng chảy tương tác với bánh công tác của bơm. Ở điểm cao nhất của ống thử xâm thực có chứa thiết bị điều chỉnh áp suất tại mặt thoáng của ống, tuỳ vào từng bài toán khảo sát mà áp suất tại mặt thoáng được điều chỉnh cho phù hợp [12, 13].

73

Hình 4.4. Cấu tạo ống thử xâm thực

Trong thực nghiệm xâm thực chân vịt, chân vịt mô hình được đặt trong buồng quan sát có gắn các thiết bị đo lực đẩy, đo mô men khi chân vịt quay ở số vòng quay xác định. Buồng quan sát được làm bằng chất liệu trong suốt có trang bị các thiết bị đo bằng quang học để ta có thể quan sát được hiện tượng xâm thực xảy ra. Một số loại xâm thực thường xuất hiện trong thực nghiệm xâm thực chân vịt Hình 4.5.

Hình 4.5. Một số loại xâm thực chân vịt

Quy trình thực nghiệm chân vịt trong một hệ thống thử xâm thực được trình

bày như sau:

74

 Dải đo hệ số tiến J nên chứa toàn bộ dải vận hành của chân vịt thực nghiệm, từ 0 đến giá trị hệ số tiến J mong muốn. Giá trị hệ số tiến J được điều chỉnh bởi vận tốc dòng vào chân vịt tức là điều chỉnh số vòng quay của bơm;

 Thể tích nước trong kênh dẫn nên giữ cố định trong quá trình toàn bộ quá trình

thí nghiệm;

 Trong mỗi lần thử, ghi lại vận tốc dòng vào chân vịt, số vòng quay chân vịt,

lực đẩy và mô men sinh ra;

 Nếu quan sát thấy bất kỳ kiểu xâm thực nào xuất hiện trên cánh chân vịt thì ghi

lại hiện tượng đó.

Từ các kết quả thu được như vận tốc dòng vào chân vịt, lực đẩy, mô men ta tính các hệ số đặc trưng ở trên và xây dựng các đường đặc tính của chân vịt [12, 13].

4.2. Phương án thực nghiệm chân vịt hai bước

4.2.1. Phương án và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm

4.2.1.1. Phương án thực nghiệm

Ngày nay, để đánh giá được các đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt sau khi tính toán thiết kế một cách kinh tế nhất thường sử dụng kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm đo đạc trên mô hình đồng dạng. Các mẫu sau khi tính toán thiết kế bằng phương pháp lý thuyết được tính toán mô phỏng số, mẫu nào có đặc tính thuỷ động lực học tốt nhất được giữ lại để chế tạo mô hình đồng dạng để nghiên cứu thực nghiệm. Mô hình chân vịt sau khi chế tạo có thể được thực nghiệm trong bể thử, hoặc trong ống thử xâm thực để đo lực đẩy, mô men từ đó xác định các hệ số thuỷ động lực học của chân vịt như hệ số lực đẩy KT , hệ số momen KQ và hiệu suất η. Thực nghiệm trong bể thử, ống thử xâm thực có ưu điểm là tiết kiệm được chi phí nghiên cứu, rút ngắn thời gian nghiên cứu, điều chỉnh các thông số thực nghiệm một cách dễ dàng và hạn chế được các yếu tố nhiễu gây sai số trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm. Tuy nhiên mô hình sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm là mô hình đồng dạng so với mô hình thực do đó nó chỉ thoả mãn một số tiêu chuẩn đồng dạng hay mô hình thực nghiệm và mô hình thực chỉ đồng dạng từng phần với nhau chứ không phải là đồng dạng toàn phần. Tuỳ thuộc vào hiện tượng nghiên cứu mà có thể sử dụng tiêu chuẩn đồng dạng Reynolds, tiêu chuẩn đồng dạng Froude, tiêu chuẩn đồng dạng Strouhal...Do đó đặc tính thực nghiệm trên mô hình chưa phản ánh đầy đủ các đặc tính của mô hình thực ban đầu, giữa kết quả thực nghiệm của mô hình và đặc tính của mô hình thực có sai số khi sử dụng các tiêu chuẩn đồng dạng. Thực nghiệm trên mô hình thực có ưu điểm là đặc tính thu được là đặc tính thực của sản phẩm, tuy nhiên thực nghiệm trên mô hình thực có nhược điểm là chi phí chế tạo mẫu thử, chi phí thực nghiệm lớn, tốn thời gian, khó điều chỉnh được các thông số trong quá trình nghiên cứu và một nhược điểm cơ bản

75

nữa đó là không hạn chế được các yếu tố nhiễu tác động trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm.

Hệ thống chân vịt hai bước vừa thiết kế có chứa hệ thống điều khiển bước cánh ở trong bầu của chân vịt nên bầu chân vịt không được chọn nhỏ hơn 0,3m, đường kính cánh chân vịt 1m, do đó việc nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình đồng dạng của hệ thống chân vịt hai bước là khó thực hiện. Hiện nay tại Việt Nam chưa có hệ thống thực nghiệm đo đạc nghiên cứu các đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt cũng như của mô hình tàu. Ngày nay với sự phát triển của khoa học máy tính việc khảo sát các đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt bằng phương pháp số cho kết quả đáng tin cậy khi so sánh với kết quả nghiên cứu thực nghiệm như đã trình bày tại mục 2.4.4 của luận án. Chương 3 của luận án đã trình bày đặc tính thủy động lực học của chân vịt hai bước vừa thiết kế. Do đó với điều kiện hạn chế của thực tế của luận án mục đích của thực nghiệm với hai vấn đề chính:

 Đo đạc số vòng quay, công suất, lực đẩy, và mô men xoắn trên trục chân vịt so

sánh hiệu suất của hệ thống chân vịt có bước cố định và chân vịt hai bước;

 Đánh giá hiệu quả về mặt tiết kiệm nhiên liệu, và về mặt nâng cao tính năng điều động trong quá trình vận hành của chân vịt hai bước so với chân vịt bước cố định.

4.2.1.2. Điều kiện và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm

Để hạn chế các yếu tố nhiễu chủ yếu là sóng, gió tác động trong quá trình đo, việc nghiên cứu thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước, hệ thống chân vịt có bước cố định được diễn ra vào tháng ba tại vùng biển thị xã Đồ Sơn, Hải Phòng. Thời tiết tại vùng biển tại thị xã Đồ Sơn thời gian này có gió nhẹ vào khoảng 1 - 2 m/s, chiều cao sóng nằm trong khoảng 0 - 0,2m, nhiệt độ dao động trong giải 14 - 23 0C, độ ẩm không khí dao động trong khoảng 62 - 92%. Đầu tiên thực hiện lắp đặt hệ thống đo mô men trục chân vịt, hệ thống đo nhiên liệu, hệ thống giám sát hành trình cho tàu, sau đó vận hành thử hệ thống và tiến hành đo các thông số mô men xoắn, số vòng quay, vận tốc tiến của tàu, lượng tiêu hao nhiên liệu cho hệ thống chân vịt có bước cố định. Quá trình lắp đặt vận hành thử hệ thống và tiến hành đo thực nghiệm diễn ra trong 8 ngày với các điều kiện thời tiết được trình bày trong Bảng 4.1.

Sau khi thực nghiệm xong hệ thống chân vịt có bước cố định là quá trình cho tàu lên đà thay thế hệ thống chân vịt có bước cố định bằng hệ thống chân vịt hai bước, lắp đặt lại hệ thống đo. Việc lắp ráp thay thế hệ thống chân vịt có bước cố định diễn ra tại cơ sở đóng và sửa chữa tàu của thị xã Đồ Sơn. Sau khi lắp ráp thay thế xong là quá trình hạ thuỷ và vận hành thử và thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước, tổng thời gian lắp đặt thay thế, thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước diễn ra trong 12 ngày của tháng 2. Điều kiện thời tiết khi thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước được trình bày trong Bảng 4.2.

Bảng 4.1. Điều kiện thời tiết khi thực nghiệm hệ thống chân vịt có bước cố định

76

Ngày Nhiệt độ (0C) Độ ẩm (%) Vận tốc gió (m/s) Chiều cao sóng (m)

1 2 3 4 5 6 7 8 17 - 21 14 - 17 14 - 18 16 - 22 18 - 21 19 - 23 15 - 19 16 - 21 89 - 92 70 - 90 80 - 85 74 - 87 62 - 78 78 - 90 68 - 73 75 - 78 1 - 2 1 - 2 1 - 2 2 - 3 1 - 2 1 - 2 1 - 2 1 - 2 0 - 0,2 0 - 0,2 0 - 0,2 0 - 0,25 0 - 0,2 0 - 0,2 0 - 0,2 0 - 0,2

Bảng 4.2. Điều kiện thời tiết khi thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước

Ngày Nhiệt độ (0C) Độ ẩm (%) Vận tốc gió (m/s) Chiều cao sóng (m)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 17 - 22 16 - 19 18 - 22 19 - 23 15 - 18 19 - 23 15 - 20 16 - 21 18 - 23 19 -25 18 - 22 17 - 21 89 - 92 70 - 90 80 - 85 74 - 86 72 - 80 78 - 90 68 - 73 75 - 78 75 - 83 78 - 85 76 - 88 77 - 83 1 - 2 1 - 2 1 - 2 2 - 3 1 - 2 1 - 2 2 - 3 1 - 2 1 - 2 1 - 2 2 - 3 1 - 2 0 - 0,2 0 - 0,2 0 - 0,2 0 - 0,25 0 - 0,2 0 - 0,2 0 - 0,25 0 - 0,2 0 - 0,25 0 - 0,2 0 - 0,25 0 - 0,25

Bảng 4.1, Bảng 4.2 cho biết các điều kiện thời tiết ảnh hưởng đến quá trình thực nghiệm là vận tốc gió, chiều cao sóng tại vùng biển nghiên cứu thay đổi rất nhỏ do đó nó có ảnh hưởng không đáng kể đến kết quả nghiên cứu thực nghiệm.

Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là đánh giá hiệu suất, thử nghiệm tính năng vận hành, mức tiêu hao nhiên liệu của hai hệ thống chân vịt ở hai chế độ khai thác chính là chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do. Thông số đo trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm là số vòng quay trục chân vịt, lực đẩy, mô men xoắn, công suất trên trục chân vịt, và lượng tiêu hao nhiên liệu.

4.2.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm

Như đã trình bày trong phần 4.2.1 để minh chứng hiệu quả của hệ thống chân vịt hai bước so với hệ thống chân vịt có bước cố định, luận án sử dụng phương án thực nghiệm cả hai hệ thống chân vịt trên tàu thực, sử dụng lưới để tạo tải trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm. Tàu thực dùng để nghiên cứu thực nghiệm trong luận án là tàu cá đánh bắt xa bờ có trang bị lưới kéo có số đăng ký HP-90577-TS do chủ tàu Bùi Văn Giang trú tại Lập Lễ, Thuỷ Nguyên điều khiển. Các thông số kỹ thuật cơ bản của tàu Bảng 3.1, Hình 4.6 - Hình 4.8.

77

Hình 4.6. Khảo sát hệ trục tàu cá nghiên cứu thực nghiệm

Hình 4.7. Khảo sát kết cấu lắp ghép trục chân vịt và trục động cơ tàu

4.3. Chế tạo hệ thống chân vịt

Hệ thống chân vịt hai bước là tổ hợp của 73 chi tiết gồm có cánh, bầu, trục và hệ thống điều khiển điều khiển bước. Hệ thống chân vịt sau khi chế tạo phải đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật như sau:

 Đảm bảo về dung sai về kích thước, hình học yêu cầu;

 Cánh chân vịt phải đảm bảo độ chính xác về biên dạng của profile tại các tiết

diện, góc xoắn, góc nghiêng của cánh;

78

 Cụm lắp ghép bầu, cánh, trục chân vịt phải đảm bảo được độ đồng tâm giữa trục chân vịt và bầu chân vịt, trục quay của các cánh phải cách nhau một góc 1200, đồng thời các trục quay này phải đồng quy tại một điểm trên trục chân vịt;

 Cần điều khiển dùng để điều khiển bên cụm ống trượt đĩa xoay phải đảm bảo

độ võng cho phép;

Hình 4.8. Quá trình gia công trên máy CNC và cánh chân vịt sau khi hoàn thiện

Hình 4.9. Quá trình gá lắp và gia công thân bầu chân vịt trên máy CNC

 Hệ thống chân vịt hai bước sau khi lắp ghép phải đảm bảo được độ kín nước để

tránh nước biển rò lọt vào làm hỏng hệ thống điều khiển;

 Hệ thống chân vịt hai bước sau khi lắp ráp phải đảm bảo được độ bền, độ cứng

vững cần thiết để tránh biến dạng khi vận hành;

 Ngoài ra hệ thống điều khiển sau khhi lắp ráp phải đảm bảo được độ chính xác

của góc điều khiển đã thiết kế ban đầu.

Để đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật nói trên các chi tiết quan trọng của hệ thống chân vịt hai bước là cánh, bầu, đĩa xoay, vấu xoay được gia công trên máy

79

CNC 3 trục trang bị tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật Cơ khí của trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, các chi tiết khác được gia công tại công ty Cổ phần đầu tư VINMEX . Mô hình 3D cánh, bầu chân vịt sau chỉnh trơn được thêm vào một lượng dư nhất định để tạo nên mô hình 3D phôi đúc, dựa vào mô hình phôi đúc này gia công được mẫu đúc dùng để đúc phôi cánh và bầu của hệ thống chân vịt hai bước. Sau đó phôi đúc cánh và bầu chân vịt được đưa lên máy CNC để gia công một số hình ảnh gia công cánh và bầu chân vịt Hình 4.8 - Hình 4.9. Hồ sơ thiết kế kỹ thuật, hồ sơ công nghệ của hệ thống chân vịt hai bước sau khi hiệu chỉnh đã được cơ quan đăng kiểm chấp nhận. Quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết chính của hệ thống chân vịt hai bước tham khảo phụ lục 3 của luận án.

Hình 4.10. Hệ thống chân vịt hai bước sau khi hoàn thiện

Sau khi gia công được các chi tiết của hệ thống chân vịt hai bước là quá trình lắp ghép thử nghiệm hệ thống trong phòng thí nghiệm để kiểm tra tính năng của hệ thống trước khi vận hành thử nghiệm. Hệ thống chân vịt hai bước được lắp ráp thử nghiệm tại phòng thí nghiệm Viện Cơ Khí, Trường đại học Hàng Hải Việt Nam. Quy trình lắp ráp hệ thống chân vịt hai bước trong phòng thí nghiệm như sau:

 Lắp ráp cụm bầu, cánh, đĩa xoay;

 Lắp ráp cụm ống trượt và ống dẫn hướng;

 Lắp ráp hệ trục chân vịt với cụm bầu cánh và đĩa xoay;

 Lắp ráp cụm ống trượt vấu xoay với trục phụ của hệ thống điều khiển;

 Lắp ráp vấu trượt với bulong xoay cánh chân vịt;

 Ráp ráp mũ bầu chân vịt.

80

Hệ thống chân vịt hai bước sau khi hoàn thiện Hình 4.10.

4.4. Các bước và thiết bị nghiên cứu thực nghiệm

4.4.1. Các bước nghiên cứu thực nghiệm

Các bước nghiên cứu thực nghiệm làm rõ hiệu quả của hệ thống chân vịt hai bước so với hệ thống chân vịt có bước cố định được tiến hành trên hai hệ thống chân vịt với cùng chế độ hoạt động, thời gian tương đương với 01 chuyến đi biển thực. Các bước tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cho hai hệ thống chân vịt cụ thể như sau:

 Bước 1: Lắp đặt mô hình thực nghiệm là bộ chân vịt hai bước vừa được chế tạo

và các thiết bị đo lường;

 Bước 2: Kiểm tra khả năng sẵn sàng làm việc của hệ thống chân vịt và các thiết

bị đo lường;

 Bước 3: Vận hành, đo số vòng quay, mô men xoắn, công suất trên trục chân vịt, lượng tiêu hao nhiên liệu của hệ thống chân vịt có bước cố định, và vận tốc tiến của tàu;

 Bước 4: Lắp đặt hệ thống chân vịt hai bước, các thiết bị đo lường;

 Bước 5: Vận hành thử các hệ thống đo lường;

 Bước 6: Vận hành chạy thử hệ thống chân vịt hai bước để kiểm tra độ ổn định của hệ thống, kiểm tra hệ thống điều khiển bước, và kiểm tra tính năng điều động của hệ thống chân vịt hai bước;

 Bước 7: Vận hành, đo số vòng quay, lực đẩy, mô men xoắn, công suất, và

lượng tiêu hao nhiên liệu của hệ thống chân vịt hai bước, vận tốc tiến của tàu;

 Bước 8: Lập bảng các số liệu thực nghiệm;

 Bước 9: Xử lý các số liệu thực nghiệm;

 Bước 10: Đánh giá các kết quả đạt được.

4.4.2. Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm

Các thiết bị đo sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước gồm có thiết bị đo số vòng quay, mô men xoắn và công suất trên trục chân vịt, thiết bị đo lượng tiêu hao nhiên liệu theo thời gian VSC68, thiết bị định vị TG102LE để xác định vị trí, quỹ đạo và vận tốc của tàu trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm.

4.4.2.1. Thiết bị đo vận tốc di chuyển tàu

Thiết bị định vị GPS được trang bị tàu với nhiệm vụ giám sát quỹ đạo, vận tốc và xác định vị trí của tàu khi khai thác ngoài biển. Trong trường hợp tàu gặp sự cố thiết bị này có thể phát tín hiệu cấp cứu SOS, thiết bị này được kết nối với điện

81

thoại thông minh hoặc máy tính để giám sát hành trình của tàu. Trong phần nghiên cứu thực nghiệm này thiết bị định vị TG102LE được dùng để xác định vận tốc chuyển động của tàu trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm, thiết bị này có điện áp sử dụng là 5V, dải nhiệt độ hoạt động từ -30 - 60 0 C, và được kết nối với các thiết bị ngoại vi thông qua cáp nối USB.

4.4.2.2. Thiết bị đo lực đẩy, momen xoắn, công suất và số vòng quay trục chân vịt

Thiết bị dùng để xác định số vòng quay, lực đẩy, mô men xoắn và công suất trên trục chân vịt sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm là hệ thống ‘Datum electronics’, đây là thiết bị chuyên dụng dùng để đo lực đẩy, mô men xoắn, số vòng quay, và công suất trên trục cho các hệ thống động lực có công suất lớn như hệ thống trục chân vịt. Độ chính xác của công suất, lực đẩy, mô men xoắn, số vòng quay đo được của thiết bị là 0,5%. Đường kính trục lớn nhất mà hệ thống có thể đo được lên tới 1000mm, dải điện áp sử dụng của thiết bị là 12 - 24V, cấu tạo của hệ thống ‘Datum electronics’ Hình 4.11.

Hình 4.11. Cấu tạo của hệ thống đo ‘Datum electronics’.

4.4.2.3. Thiết bị đo lượng tiêu hao nhiên liệu VSC68

Thiết bị đo lượng tiêu hao nhiên liệu trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm là thiết bị VSC68 chuyên dùng đo mức tiêu hao nhiên liệu cho các phương tiện giao thông ô tô, xà lan, tàu thuỷ... Sai số của thiết bị đo là 0,5%, dải nhiệt độ hoạt động của thiết bị là từ -400 - 850 C, thời gian lấy mẫu là 0,5s cho một lần lấy mẫu, và dải điện áp sử dụng của thiết bị là 10 - 50V. Cấu tạo của thiết bị VSC68 Hình 4.18.

82

Hình 4.12. Cấu tạo thiết bị đo nhiên liệu VSC68

4.5. Kết quả và phân tích kết quả nghiên cứu thực nghiệm

4.5.1. Kết quả đo thực nghiệm

Để xác định các thông số trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm cho hai hệ thống chân vịt là số vòng quay trục chân vịt, lực đẩy, mô men xoắn trên trục, công suất trên trục chân vịt, vận tốc của tàu, và lượng tiêu hao nhiên liệu. Điều kiện về tải trong khi nghiên cứu thực nghiệm hai hệ thống tương đồng với điều kiện tải trọng khi khai thác thực tế, số lần lấy kết quả đo cho mỗi thông số là 20 lần. Dựa vào các dữ liệu đo được tính toán hệ số lực đẩy KT, hệ mô men KQ, hiệu suất η ở hai chế độ khai thác với hai hệ thống chân vịt sau đó so sánh đánh giá sự sai khác về kết quả với phương pháp tính toán mô phỏng số. Từ dữ liệu về lượng tiêu hao nhiên liệu tính toán lượng tiêu hao nhiên liệu trung bình cho một giờ khai thác sau đó tính cho toàn chuyến đi biển với thời gian 360 giờ cho hai hệ thống chân vịt. Két chứa nhiên liệu cho động cơ trang bị trên tàu HP-90577-TS có dung tích chứa là 500 lít được nạp đầy dầu diesel. Trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm vận hành tàu chạy ổn định trước khi đọc mức tiêu hao nhiên liệu cho từng chế độ. Thời gian lấy số liệu lượng tiêu hao nhiên liệu là 5 phút/lần, số liệu đo đạc được trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm cho hai hệ thống chân vịt có bước cố định và chân vịt hai bước tại hai chế độ khai thác chính là số vòng quay, mô men xoắn, công suất của trục chân vịt, vận tốc tàu ở các chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do Bảng 4.1 - Bảng 4.8 phụ lục 4 của luận án.

83

4.5.2. Phân tích và xử lý kết quả đo

Từ kết quả thực nghiệm đo được là số vòng quay, mô men xoắn, công suất trên trục chân vịt, vận tốc của tàu, và lượng tiêu hao nhiên liệu cho hai hệ thống chân vịt tại các chế độ khai thác khác nhau được trình bày trong Bảng 4.5 - Bảng 4.12 trong phần phụ lục 4 của luận án tiến hành phân tích đánh giá cho từng thông số. Trong phần này chỉ trình bày chi tiết đánh giá kết quả đo cho thông số mô men xoắn trên trục chân vịt hai bước tại chế độ kéo lưới cụ thể như sau:

Giá trị trung bình của mô men xoắn trên trục chân vịt được xác định như sau:

Phương sai của mô men xoắn trên trục chân vịt

Độ lệch chuẩn của kết quả đo mô men xoắn trên trục chân vịt hai bước ở chế

độ kéo lưới

Hệ số biến thiên kết quả đo mô men xoắn trên trục chân vịt

Như vậy hệ số biến thiên mô men xoắn trên trục chân vịt hai bước ở chế độ kéo lưới nhỏ hơn 15% do đó kết quả đo được trong nghiên cứu thực nghiệm là thuần nhất. Tương tự cũng xác định được hệ số biến thiên cho các kết quả đo còn cũng nhỏ hơn 15%. Do đó giá trị trung bình của các kết quả đo được dùng để tính toán các thông số đặc trưng của hai hệ thống chân vịt

4.5.3. Tính toán và so sánh các thông số đặc tính

4.5.3.1. Đặc tính thuỷ động lực học của hệ thống chân vịt

Từ số liệu thực nghiệm lực đẩy, mô men xoắn trên trục chân vịt trình bày trong Bảng 4.9 - Bảng 4.12 phụ lục 4 của luận án, xác định được hệ số tiến J, hệ số lực đẩy KT, hệ số mô men KQ , hiệu suất của hai hệ thống chân vịt theo các công thức 2.9 - 2.12. Kết quả tính toán các thông số đặc tính của hai hệ thống chân vịt tương ứng với chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do Bảng 4.9 - Bảng 4.12 phụ lục 4 của luận án. Từ đó ta xác định được hệ số lực đẩy, mô men trung bình của hai hệ thống chân vịt ở chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do như sau:

Hệ số lực đẩy, hệ số mô men, hiệu suất của chân vịt có bước cố định ở chế độ

kéo lưới

84

 Hệ số lực đẩy

 Hệ số mô men

 Hiệu suất chân vịt

Hệ số lực đẩy, hệ số mô men, hiệu suất của chân vịt có bước cố định ở chế độ

chạy tự do

 Hệ số lực đẩy

 Hệ số mô men

 Hiệu suất chân vịt

Hệ số lực đẩy, hệ số mô men, hiệu suất của chân vịt hai bước ở chế độ kéo

lưới

 Hệ số lực đẩy

 Hệ số mô men

 Hiệu suất chân vịt

85

Hệ số lực đẩy, hệ số mô men, hiệu suất của chân vịt hai bước ở chế độ chạy tự

do

 Hệ số lực đẩy

 Hệ số mômen

 Hiệu suất chân vịt

4.5.3.2. So sánh kết quả nghiên cứu thực nghiệm của hai loại chân vịt

Từ kết quả trên tiến hành so sánh hiệu suất của hai hệ thống chân vịt tại hai

chế độ là chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do như sau:

Sự khác nhau về hiệu suất của chân vịt có bước cố định so với chân vịt hai

bước ở chế độ kéo lưới được xác định như sau:

Sự khác nhau về hiệu suất của chân vịt có bước cố định so với chân vịt hai

bước ở chế độ chạy tự do được xác định như sau:

Do chế độ kéo lưới và chế độ chạy tựu do chiếm lần lượt là 48% và 40% thời gian của mỗi chuyến đi nên sự sai khác về hiệu suất của hệ thống chân vịt có bước cố định so với chân vịt hai bước cho toàn bộ chuyến đi ở hai chế độ khai thác là:

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy ở chế độ kéo lưới hiệu suất của chân vịt cố định lớn hơn chân vịt hai bước là 1,3%, còn tại chế độ chạy tự do hiệu suất của chân vịt hai bước lớn hơn chân vịt có bước cố định là 19,5%. Hiệu suất của cả chuyến đi tính cho chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do của hệ thống chân vịt hai bước lớn hơn 7,2% so với chân vịt có bước cố định. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu lý thuyết và tính toán mô phỏng ở chương 2, 3 của luận án. Ngoài ra kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng cho thấy rằng hệ thống chân vịt hai

86

bước cải thiện được đáng kể vận tốc khai thác của tàu ở chế độ chạy tự do. Ở chế độ chạy tự do chân vịt hai bước có thể nâng vận tốc khai thác của tàu từ 7,2 hảilý/h lên đến 11 hảilý/h với cùng một công suất máy chính, điều đó có nghĩa là hệ thống chân vịt hai bước tận dụng tốt hơn công suất của máy chính so với hệ thống chân vịt có bước cố định.

4.5.3.3. Lượng tiêu hao nhiên liệu của hai hệ thống chân vịt

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm lượng tiêu hao nhiên liệu của hai hệ thống chân vịt trong thời gian nghiên cứu thực nghiệm Bảng 4.3 - Bảng 4.4, Bảng 4.7 - 4.8. Từ kết quả này ta xác định được lượng tiêu hao nhiên liệu cho hai hệ thống chân vịt ở các chế độ khai thác khác nhau trong 1 giờ như sau:

Lượng tiêu hao nhiên liệu của chân vịt có bước cố định tại chế độ chạy tự do

trong thời gian 1giờ được là:

Do đó lượng nhiên liệu tiêu thụ trong cả chuyến đi kéo dài 15 ngày với chế độ

chạy tự do của chân vịt có bước cố định là.

Bảng 4.3. Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một chuyến đi biển đối với chân vịt có bước cố định.

Chuyến đi 15 ngày (360 giờ)

Ghi chú

Lượng nhiên liệu tiêu hao (lít) Suất tiêu hao nhiên liệu (lít/giờ) Chế độ chạy Tổng thời gian (giờ) Tỷ lệ thời gian (%)

11 172,8 1900,8 48% Đánh bắt

9 Tự do 144 1296 40%

Bao gồm thời gian đi ra ngư trường, về bến, đi tìm luồng cá.

10% 0 36 Dừng máy

7,2 93,6 13 2% Chế độ khác Bao gồm: tăng tốc, giảm tốc, điều động khác

360 3290,4 100% Tổng cộng

87

Lượng tiêu hao nhiên liệu cho chế độ kéo lưới của chân vịt có bước cố định

được tính như sau:

Vậy lượng tiêu hao nhiên liệu của chân vịt có bước cố định trong cả chuyến đi

với chế độ kéo lưới là

Tương tự ta cũng xác định được tổn lượng tiêu hao nhiên liệu của chân vịt hai bước ở chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do cho một chuyến đi biển lần lượt là 1935,36 lít và 1051,2 lít. Lượng tiêu hao nhiên liệu cho 01 chuyến đi cho hai chân vịt với thời gian 360 giờ Bảng 4.3 - Bảng 4.4.

Bảng 4.4. Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một chuyến đi biển đối với chân vịt hai bước.

Chuyến đi 15 ngày (360 giờ)

Ghi chú Suất tiêu hao nhiên liệu (lít/giờ) Chế độ chạy Lượng nhiên liệu tiêu hao (lít) Tổng thời gian (giờ) Tỷ lệ thời gian (%)

172,8 1935,36 11,2 48% Đánh bắt

Tự do 144 1051,2 7,3 40%

Bao gồm thời gian đi ra ngư trường, về bến, đi tìm luồng cá.

36 0 10% Dừng máy

7,2 12,7 2% 91,44 Chế độ khác Bao gồm: tăng tốc, giảm tốc, điều động khác

360 3078,02 100% Tổng cộng

Tổng nhiên liệu sử dụng cho 02 chuyến đi là: 6362,64 lít. Số nhiên liệu tiêu hao cho phương án sử dụng chân vịt hai bước trong một chuyến đi biển là 3078,02 ít hơn so với phương án sử dụng chân vịt có bước cố định là 6,8%.

4.5.4. So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán mô phỏng số

Từ kết quả tính toán các thông số đặc trưng tại mục 4.5.3 của luận án tiến hành so sánh kết quả nghiên cứu thực nghiệm với kết quả tính toán mô phỏng cho hai hệ thống chân vịt hai bước. Sai khác về hệ số lực đẩy, hệ số mô men, và hiệu suất của

88

hệ thống chân vịt hai bước trong nghiên cứu thực nghiệm với tính toán mô phỏng số như sau:

 Đối với chế độ kéo lưới

Sai khác về hệ số lực đẩy

Sai khác về hệ số mô men

Sai khác về hiệu suất

 Đối với chế độ chạy tự do

Sai khác về hệ số lực đẩy

Sai khác về hệ số mô men

Sai khác về hiệu suất

Sai lệch lớn nhất của kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kết quả tính toán CFD cho hệ thống chân vịt hai bước với hai chế độ khai thác là 5,3%. Kết quả tính toán CFD trong các trường hợp đều có giá trị lớn hơn so với kết quả tính toán mô phỏng số, sự sai khác này là do trong tính toán mô phỏng số đã không xét đến sự tương tác của hệ thống chân vịt với thân tàu và các yếu tố ảnh hưởng bên ngoài như sóng, gió, tuyến luồng ... đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt.

Kết luận chương 4:

Chương 4 đã trình bày các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm khảo sát đặc tính thuỷ động lực học chân vịt. Dựa vào điều kiện thực tế trong nước đề xuất phương án nghiên cứu thực nghiệm phù hợp đánh giá hiệu quả của hệ thống chân vịt hai bước so với hệ thống chân vịt có bước cố định. Một số kết luận chính:

89

 Đã nghiên cứu một số phương pháp thực nghiệm chân vịt: thực nghiệm mặt thoáng, thực nghiệm thiết bị đẩy, thực nghiệm xâm thực để xác định đặc tính thuỷ động lực học chân vịt;

 Với chân vịt hai bước vừa nghiên cứu chế tạo, xây dựng được các đường đặc tính thuỷ động lực bằng phương pháp mô phỏng số ở chương 3, việc nghiên cứu thực nghiệm ở đây đã đo, tính toán được các thông số đặc trưng cho thấy hiệu suất cho toàn bộ chuyến đi của chân vịt hai bước cao hơn chân vịt với bước cố định là 7,2% với hai chế độ khai thác chủ yếu là chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do;

 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước so với kết quả tính

toán CFD có sai khác lớn nhất là 5,3%;

 Đánh giá hiệu quả về mức tiêu hao nhiên liệu của chân vịt hai bước so với chân vịt có bước cố định là giảm lượng tiêu hao nhiên liệu 6,8%, và giảm thời gian chạy không tải khi di chuyển tàu.

90

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

Luận án của đã giải quyết được các nội dung như sau;

 Đã đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất phù hợp cho đội tàu cá sử dụng lưới kéo đánh bắt xa bờ của Việt Nam là giải pháp chân vịt hai bước phù hợp với hai chế độ khai thác chính của đội tàu này là chế độ kéo lưới, và chế độ chạy tự do;

 Tính toán thiết kế, xây dựng hồ sơ thiết kế kỹ thuật, hồ sơ công nghệ, và chế

tạo thử nghiệm thành công 01 bộ chân vịt hai bước.

 Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất của hệ thống chân vịt hai bước cải thiện

7,63% so với chân vịt có bước cố định;

 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy hiệu suất cho toàn bộ chuyến đi của chân vịt hai bước cao hơn chân vịt với bước cố định là 7,2% với hai chế độ khai thác chủ yếu là chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do;

 Đã lắp đặt thay thế và vận hành thử nghiệm tính năng, mức tiêu hao nhiên liệu hệ thống chân vịt hai bước trên tàu cá mang biển kiểm soát HP-90577-TS với thời gian và chế độ khai thác tương đồng với một chuyến đi biển. Kết quả thực nghiệm chứng minh hệ thống chân vịt mới cải thiện đáng kể tính năng điều khiển của tàu và tiết kiệm nhiên liệu khoảng 6,8% so với chân vịt có bước cố định.

KIẾN NGHỊ

 Chân vịt hai bước chỉ là một nghiên cứu ban đầu, chân vịt có số bước lớn hơn hai là loại chân vịt phù hợp với các loại tàu dịch vụ có nhiều chế độ khai thác như tàu kéo, tàu đẩy, tàu lai dắt, tàu tuần tra ... do đó cần có những nghiên cứu tiếp theo để có chân vịt có số bước phù hợp với từng loại tàu.

91

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. Nguyễn Chí Công, Lương Ngọc Lợi, Ngô Văn Hệ. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số chiều dày tương đối đến đặc tính thủy động học biên dạng cánh NACA66 sử dụng trong cánh chân vịt tàu thủy. Hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ 10. 2017. Hà Nội: Nhà xuất bản khoa học tự nhiên và công nghệ.

2. Nguyễn Chí Công, Lương Ngọc Lợi, Ngô Văn Hệ. Sử dụng CFD nghiên cứu ảnh hưởng của phân bố vận tốc đầu vào tới đặc tính thủy động học biên dạng cánh 2D. Hội nghị cơ học thuỷ khí toàn quốc lần thứ 20. 2017. Nha Trang.

3. Nguyễn Chí Công, Lương Ngọc Lợi, Ngô Văn Hệ, A study on Effects of Blade Pitch on the Hydrodynamic Pertormances of a Propeller by Using CFD. Journal of Shipping and Ocean Engineering, 2018. 8.

4. Nguyễn Chí Công, Lương Ngọc Lợi, Ngô Văn Hệ, Vũ Văn Duy, Phạm Kỳ Quang. Using CFD to Investigate Effect of Rudder on Propeller’s Hydrodynamic Characteristics. Hội nghị quốc tế ‘International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems - ICFMAS2018’. 2018. Hà Nội: Bách Khoa.

5. Vũ Văn Duy, Phạm Kỳ Quang, Nguyễn Thành Nhật Lai, Nguyễn Chí Công. Studying Effects of Extending Forces on the Ship Hull in Maneuvering. Hội nghị quốc tế ‘International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems - ICFMAS2018. 2018’. Hà Nội: Bách Khoa.

6. Nguyễn Chí Công, Lương Ngọc Lợi, Ngô Văn Hệ, Vũ Văn Duy, Phạm Kỳ Quang. To Suggest the Two-pitch Propeller Uses for Fishing Ships Operating in VietNam’s Ocean. Hội nghị quốc tế ‘International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems - ICFMAS2018. 2018’. Hà Nội: Bách Khoa.

7. Nguyễn Chí Công, Phạm Thị Thuý, Vũ Văn Duy, Lương Ngọc Lợi, Ngô Văn Hệ, Interaction Effect on Hydro-dynamic Performance of a Rudder -Propeller System. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, 2018. 15(4).

8. Vũ Văn Duy, Cổ Tấn Anh Vũ, Nguyễn Chí Công, Phạm Ngọc Ánh, Thuỷ lực và khí nén ứng dụng. 2018, Hải Phòng: Nhà xuất bản Hàng Hải Việt Nam.

9. Lương Ngọc Lợi, Nguyễn Chí Công, Ngô Văn Hệ, CFD results on hydrodynamic performances of a marine propeller. Tạp chí Khoa học và Công nghệ biển, 2019. 19(3): p. 345-447.

10. Vũ Văn Duy, Nguyễn Chí Công, Cổ Tấn Anh Vũ, Ứng dụng CFD phân tích đặc tính làm việc chân vịt CLT. Khoa học công nghệ giao thông vận tải, 2019. 32.

11. Vũ Văn Duy, Lương Ngọc Lợi, Ngô Văn Hệ, Nguyễn Chí Công. Saving fuel by using two - pitch propellers for fishing vessels in Vietnam’s ocean. Hội nghị quốc tế

92

The 30th International Symposium On Transport Phenomena (ISTP30). 2019. Hạ Long.

12. Nguyễn Chí Công, Lương Ngọc Lợi, Ngô Văn Hệ, Using different turbulent viscous models to investigate hydrodynamic performance of a ducted propeller. TNU Journal of Science and Technology, 2020.

93

TÀI LIỆU THAMKHẢO

1. 2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Cả nước có gần 111.000 tàu đánh cá. 2019: http://kinhtedothi.vn/. Số tàu khai thác thủy sản biển có công suất từ 90 CV trở lên phân theo địa phương. 2019: https://www.gso.gov.vn. Những tồn tại và hạn chế trong việc ứng dụng tiến bộ kỹ thuật vào khai thác hải sản. 2018: https://tongcucthuysan.gov.vn. Phạm Văn Thể, Trang bị động lực Điêzen tàu thuỷ. 2010: Nhà xuất bản Khoa học Kỹ Thuật. Nguyễn Đăng Hộ, Thiết kế trang trí động lực tàu thuỷ. 1985, Hà Nội: Nhà xuất bản Đại học Giao Thông Vận Tải. Lê Thanh Tùng, L.N.L., Lý thuyết tàu thủy. 2009: Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội. Lương Ngọc Lợi, Công nghệ đóng tàu. 2019: Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội. Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thông, Giáo trình môdun vận hành các thiết bị cơ khí tàu cá. 2010, Hà Nội. Trần Công Nghị, Lý thuyết tàu thuỷ tập 3 Thiết kế chân vịt tàu thuỷ. 2004, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh. 10. Nguyễn Đức Ân, N.B., Sổ tay kỹ thuật đóng tàu tập 1. 1983: Nhà xuất

bản Khoa Học Kỹ Thuật.

11. K.J Rawson, E.C.T., Basic ship theory. 5 ed. 373. 12.

J.P. Ghose , R.P.G., Basic ship propulsion. 2004: Department of Ocean Engineering and Naval Architecture Indian Institute of Technology. 584.

13. Carlton, J.S., Marine Propellers and Propulsion, ed. 2. 2007. 556. 14.

John P. Breslin, P.A., Hydrodynamics Of Ship Propellers. 1994: Cambridge university press.

15. Abbas, N., et al., CFD prediction of unsteady forces on marine propellers caused by the wake nonuniformity and nonstationarity. Ocean Engineering, 2015. 104: p. 659-672.

16. Liu, D., The Numerical Simulation of Propeller Sheet Cavitation with a

New Cavitation Model. Procedia Engineering, 2015. 126: p. 310-314.

17. Yao, J., Investigation on hydrodynamic performance of a marine propeller in oblique flow by RANS computations. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2015. 7(1): p. 56-69. 18. Alimirzazadeh, S., S.Z. Roshan, and M.S. Seif, Unsteady RANS simulation of a surface piercing propeller in oblique flow. Applied Ocean Research, 2016. 56: p. 79-91.

19. He, L. and S.A. Kinnas, Numerical simulation of unsteady Journal of Naval

International

interaction.

propeller/rudder Architecture and Ocean Engineering, 2017. 9(6): p. 677-692.

94

20. Kaidi, S., H. Smaoui, and P. Sergent, Numerical estimation of bank- propeller-hull interaction effect on ship manoeuvring using CFD method. Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 2017. 29(1): p. 154-167.

21. Hu, J., et al., Numerical simulation of Vortex–Rudder interactions behind the propeller. Ocean Engineering, 2019. 190: p. 106446. 22. Posa, A., R. Broglia, and E. Balaras, LES study of the wake features of a propeller in presence of an upstream rudder. Computers & Fluids, 2019. 192: p. 104247.

23. Wang, L., et al., Analysis of the wake dynamics of a propeller operating

before a rudder. Ocean Engineering, 2019. 188: p. 106250.

24. Aung, M.Z. and N. Umeda, Manoeuvring simulations in adverse weather conditions with the effects of propeller and rudder emergence taken into account. Ocean Engineering, 2020. 197: p. 106857.

25. Suzuki, R., et al., A study on high-lift rudder performance in adverse weather based on model tests under high propeller load. Ocean Engineering, 2017. 136: p. 152-167.

26. Zhu, Z., Numerical study on characteristic correlation between cavitating flow and skew of ship propellers. Ocean Engineering, 2015. 99: p. 63-71.

27. Aktas, B., et al., Propeller cavitation noise investigations of a research vessel using medium size cavitation tunnel tests and full-scale trials. Ocean Engineering, 2016. 120: p. 122-135.

28. Wittekind, D. and M. Schuster, Propeller cavitation noise and background noise in the sea. Ocean Engineering, 2016. 120: p. 116- 121.

29. Wang, L., et al., Numerical analysis of a propeller during heave motion in cavitating flow. Applied Ocean Research, 2017. 66: p. 131-145. 30. Helal, M.M., et al., Numerical prediction of sheet cavitation on marine propellers using CFD simulation with transition-sensitive turbulence model. Alexandria Engineering Journal, 2018. 57(4): p. 3805-3815. 31. Peters, A., U. Lantermann, and O. el Moctar, Numerical prediction of cavitation erosion on a ship propeller in model- and full-scale. Wear, 2018. 408-409: p. 1-12.

32. Feng, X. and J. Lu, Effects of balanced skew and biased skew on the cavitation characteristics and pressure fluctuations of the marine propeller. Ocean Engineering, 2019. 184: p. 184-192.

33. Long, Y., et al., Numerical simulations of cavitating turbulent flow around a marine propeller behind the hull with analyses of the vorticity distribution and particle tracks. Ocean Engineering, 2019. 189: p. 106310.

95

34. Yilmaz, N., M. Atlar, and M. Khorasanchi, An improved Mesh Adaption and Refinement approach to Cavitation Simulation (MARCS) of propellers. Ocean Engineering, 2019. 171: p. 139-150.

35. Yongle, D., S. Baowei, and W. Peng, Numerical investigation of tip clearance effects on the performance of ducted propeller. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2015. 7(5): p. 795-804.

36. Bhattacharyya, A., V. Krasilnikov, and S. Steen, A CFD-based scaling approach for ducted propellers. Ocean Engineering, 2016. 123: p. 116- 130.

37. Bontempo, R., M. Cardone, and M. Manna, Performance analysis of ducted marine propellers. Part I – Decelerating duct. Applied Ocean Research, 2016. 58: p. 322-330.

38. Go, J.S., H.S. Yoon, and J.H. Jung, Effects of a duct before a propeller

on propulsion performance. Ocean Engineering, 2017. 136: p. 54-66.

39. Martio, J., A. Sánchez-Caja, and T. Siikonen, Open and ducted propeller virtual mass and damping coefficients by URANS-method in straight and oblique flow. Ocean Engineering, 2017. 130: p. 92-102.

40. Gaggero, S., et al., Design of ducted propeller nozzles through a RANSE-based optimization approach. Ocean Engineering, 2017. 145: p. 444-463.

41. Andersson, J., et al., Energy balance analysis of model-scale vessel with open and ducted propeller configuration. Ocean Engineering, 2018. 167: p. 369-379.

42. Bontempo, R. and M. Manna, Performance analysis of ducted marine propellers. Part II – Accelerating duct. Applied Ocean Research, 2018. 75: p. 153-164.

43. Gong, J., et al., A comparative DES study of wake vortex evolution for ducted and non-ducted propellers. Ocean Engineering, 2018. 160: p. 78-93.

44. Zhang, Q. and R.K. Jaiman, Numerical analysis on the wake dynamics of a ducted propeller. Ocean Engineering, 2019. 171: p. 202-224. 45. Dubbioso, G., et al., Analysis of propeller bearing loads by CFD. Part I: Straight ahead and steady turning maneuvers. Ocean Engineering, 2017. 130: p. 241-259.

46. Muscari, R., et al., Analysis of propeller bearing loads by CFD. Part II: Transient maneuvers. Ocean Engineering, 2017. 146: p. 217-233. 47. Kishore, M.L.P. and R.K. Behera, Base Line Study for Determination of Effect of Stacking Sequence on Vibration Characteristics of Composite Propeller Blade. Aquatic Procedia, 2015. 4: p. 458-465.

96

48. Liu, P., N. Bose, and B. Veitch, Evaluation, design and optimization for strength and integrity of polar class propellers. Cold Regions Science and Technology, 2015. 113: p. 31-39.

49. Mirjalili, S., A. Lewis, and S.A.M. Mirjalili, Multi-objective Optimisation of Marine Propellers. Procedia Computer Science, 2015. 51: p. 2247-2256.

50. Gaggero, S., J. Gonzalez-Adalid, and M. Perez Sobrino, Design of contracted and tip loaded propellers by using boundary element methods and optimization algorithms. Applied Ocean Research, 2016. 55: p. 102-129.

51. Gaggero, S., J. Gonzalez-Adalid, and M.P. Sobrino, Design and analysis of a new generation of CLT propellers. Applied Ocean Research, 2016. 59: p. 424-450.

52. Helma, S., A scaling procedure for modern propeller designs. Ocean

Engineering, 2016. 120: p. 165-174.

53. Mizzi, K., et al., Design optimisation of Propeller Boss Cap Fins for enhanced propeller performance. Applied Ocean Research, 2017. 62: p. 210-222.

54. Reviol, T., S. Kluck, and M. Böhle, A new design method for propeller mixers agitating non-Newtonian fluid flow. Chemical Engineering Science, 2018. 190: p. 320-332.

55. Yao, H. and H. Zhang, A simple method for estimating transition locations on blade surface of model propellers to be used for calculating viscous force. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2018. 10(4): p. 477-490.

56. Arapakopoulos, A., et al., Parametric models for marine propellers.

Ocean Engineering, 2019. 192: p. 106595.

57. Nouri, N.M., S. Mohammadi, and M. Zarezadeh, Optimization of a marine contra-rotating propellers set. Ocean Engineering, 2018. 167: p. 397-404.

58. Pérez-Arribas, F. and R. Pérez-Fernández, A B-spline design model for propeller blades. Advances in Engineering Software, 2018. 118: p. 35- 44.

59. Gaggero, S., et al., Propeller modeling approaches for off–design operative conditions. Ocean Engineering, 2019. 178: p. 283-305. 60. Hou, L. and A. Hu, Theoretical investigation about the hydrodynamic performance of propeller in oblique flow. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2019. 11(1): p. 119-130.

61. Korkut, E. and M. Atlar, An experimental investigation of the effect of foul release coating application on performance, noise and cavitation characteristics of marine propellers. Ocean Engineering, 2012. 41: p. 1-12.

97

62. Ortolani, F. and G. Dubbioso, Experimental investigation of blade and propeller loads: Steady turning motion. Applied Ocean Research, 2019. 91: p. 101874.

63. Ortolani, F. and G. Dubbioso, Experimental investigation of single blade and propeller loads by free running model test. Straight ahead sailing. Applied Ocean Research, 2019. 87: p. 111-129.

64. Korkut, E., M. Atlar, and D. Wang, An experimental investigation into cavitation behaviour and pressure characteristics of alternative blade sections for propellers. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2013. 5(1): p. 81-100.

65. Zou, D., et al., The hydroelastic analysis of marine propellers considering the effect of the shaft: Theory and experiment. Ocean Engineering, 2021. 221: p. 108547.

66. Wang, L., et al., Experiments and CFD for the propeller wake of a generic submarine operating near the surface. Ocean Engineering, 2020. 206: p. 107304.

67. Park, J. and W. Seong, Novel scaling law for estimating propeller tip Journal of

from model experiment.

vortex cavitation noise Hydrodynamics, Ser. B, 2017. 29(6): p. 962-971.

68. Thái, T.G., Tự động hóa vẽ và xây dựng mô hình chân vịt tàu từ các thông số thiết kế trong các chương trình CAD/CAM. Tạp chí phát triển KH&CN, 2009. 12(14).

69. Thái, T.G., Nghiên cứu xây dựng quy trình sửa chữa chân vịt tàu thủy trên máy phay CNC. Tạp Chí Khoa Học Công Nghệ Giao Thông Vận Tải, 2009. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thuỷ sản.

70. Duy, V.V., Mô phỏng số cấu trúc xoáy đỉnh cánh trên chân vịt tàu

thủy. Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, 2012. 29.

71. Hệ, N.V., Ứng dụng tính toán mô phỏng số nghiên cứu cải thiện đặc Tính thủy động lực và hiệu suất đẩy chân vịt tàu thủy. Tạp chí Khoa Học và

Công Nghệ, 2018. 181.

72. Kurt Mizzi, Y.K.D., Charlotte Banks, Osman Turan, Panagiotis Kaklis, Mehmet Atlar, Design optimisation of Propeller Boss Cap Fins for enhanced propeller performance. Applied Ocean Research, 2017. 73. Lim, S.-S., et al., Parametric study of propeller boss cap fins for container ships. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2014. 6(2): p. 187-205.

74. Ma, C., et al., The design of propeller and propeller boss cap fins (PBCF) by an integrative method. Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 2014. 26(4): p. 586-593.

75. Hou, L.X. and A.K. Hu, Energy saving performance analysis of contra- rotating azimuth propulsor. Applied Ocean Research, 2018. 72: p. 12- 22.

98

76. Kingan, M.J. and A.B. Parry, Acoustic theory of the many-bladed contra-rotating propeller: the effects of sweep on noise enhancement and reduction. Journal of Sound and Vibration, 2020. 468: p. 115089.

77. Hu, J., et al., Tip vortex prediction for contra-rotating propeller using large eddy simulation. Ocean Engineering, 2019. 194: p. 106410. 78. Capone, A., F. Di Felice, and F. Alves Pereira, On the flow field induced by two counter-rotating propellers at varying load conditions. Ocean Engineering, 2021. 221: p. 108322.

79. Hou, L.X. and A.K. Hu, Numerical design of contra-rotating azimuth propulsor using vortex theory coupled with panel method. Ocean Engineering, 2018. 156: p. 512-522.

80. Huang, Y.-S., et al., Design of wake-adapted contra-rotating propellers for high-speed underwater vehicles. Applied Ocean Research, 2019. 91: p. 101880.

[cited 2019; Available from:

81. ESD – Energy Saving Devices. https://www.sva-potsdam.de.

82. Bhattacharyya, A. and S. Steen, Influence of ducted propeller on seakeeping in waves. Ocean Engineering, 2014. 91: p. 243-251. 83. Bontempo, R., et al., Ducted Propeller Flow Analysis by Means of a Generalized Actuator Disk Model. Energy Procedia, 2014. 45: p. 1107- 1115.

84. Tasif, T.H. and M.M. Karim, Effect of Fish Wedge on

the Hydrodynamic Characteristics of a Marine Rudder. Procedia Engineering, 2017. 194: p. 136-143.

85. Liu, J. and R. Hekkenberg, Sixty years of research on ship rudders: effects of design choices on rudder performance. Ships and Offshore Structures, 2016. 12(4): p. 495-512.

86. Nowruzi, H. and A. Najafi, An experimental and CFD study on the effects of different pre-swirl ducts on propulsion performance of series 60 ship. Ocean Engineering, 2019. 173: p. 491-509.

87. Furcas, F., et al., Design of Wake Equalizing Ducts using RANSE-based

SBDO. Applied Ocean Research, 2020. 97: p. 102087.

88. Furcas, F. and S. Gaggero, Pre-swirl stators design using a coupled BEM-RANSE approach. Ocean Engineering, 2021. 222: p. 108579. John D, A., Jr, Fundamental of aerodynamics. Mc Graw-hill. IRA H. ABBOTT, A.E.V.D., Theory of wing sections. 1959.

89. 90. 91. Алексеевич, Р.А., Гидродинамика винтов регулируемого шага. Издательство 1968: Издательство “Судостроение” Ленинград 92. Федяевский К. К, и.т.Г., Издательство “Судостроение”

Ленинград 1968.

93. Е, И.И., Справочник по гидравлическим сопротивлением. 1975: М.,

машиностроение.

99

94. Войткунский Я. И, Р.А.А.С.п.т.к., Том первый. 1985: Издательство

“Судостроение” Ленинград

95. Dullens, F.P.M., Modeling and Control of a Controllable Pitch Propeller, in DepartmentMechanical Engineering. 2009. p. 133. 96. Peyret, R., Handbook of Computational Fluid Mechanics. 1996:

Publisher: Elsevier Science & Technology Books.

97. MALALASEKERA, H.K.V.a.W., An introduction to computational fluid dynamics The finite volume method. 1995: Longman scientific technical.

98. ANSYS Fluent Theory Guide. 2013. 814. 99. Slot, J.J., Development of a centrifugal in-line separator for oil-water

flows. 2013, University of Twente, Enschede: Netherlands.

100. Wang, C., et al., Numerical simulation of propeller exciting force International Journal of Naval ice.

induced by milling-shape Architecture and Ocean Engineering, 2019. 11(1): p. 294-306.

101. Feng, X.-m., et al., Numerical researches on interaction between propellers in uniform flow. Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 2012. 24(5): p. 675-683.

102. Ji, B., et al., Numerical analysis of cavitation evolution and excited in non-uniform wake.

fluctuation around a propeller

pressure International Journal of Multiphase Flow, 2012. 43: p. 13-21.

103. Gaggero, S., et al., A study on the numerical prediction of propellers cavitating tip vortex. Ocean Engineering, 2014. 92: p. 137-161. 104. Zhang, N. and S.-l. Zhang, Numerical simulation of hull/propeller interaction of submarine in submergence and near surface conditions. Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 2014. 26(1): p. 50-56.

105. Liu, Z.-h., et al., Calculation of tip vortex cavitation flows around three-dimensional hydrofoils and propellers using a nonlinear k-ɛ turbulence model. Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 2016. 28(2): p. 227-237.

100

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN CHÍ CÔNG

NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

PHỤ LỤC 1: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁNH CHÂN VỊT

1.1. Thông số kỹ thuật chân vịt có bước cố định

1.2. Tính toán thiết kế cánh chân vịt hai bước

Hà Nội – 2021

1

1.1. Thông số kỹ thuật của chân vịt có bước cố định

Chân vịt cố định được trang bị trên tàu cá mang biển kiểm soát HP-90577-TS là chân vịt ba cánh có bước cố định thuộc Seri B có tỷ số mặt đĩa là 0,5. Các thông số cơ bản, thông số chi tiết về profile, toạ độ các điểm thuộc mặt hút, mặt đẩy của chân vịt Bảng 0.1 - Bảng 0.4.

Bảng 0.1. Các thông số cơ bản của chân vịt có bước cố định trang bị trên tàu cá

Giá trị Đơn vị

Tên Đường kính Bước Vận tốc góc Tỷ số bước Số cánh Tỷ số bầu

Stt 1 2 3 4 5 6 7 Loại chân vịt Seri B 8 Tỷ số mặt đĩa 1 0,5 629 0,5 3 0,18 0,5 m m rpm

Bảng 0.2. Các thông số cơ bản về profile cánh chân vịt cố định

Bước Góc bước

Tỷ số r/R 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000 0,8000 0,9000 0,9500 0,9750 0,9875 1,0000 Bán kính r 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 475,00 487,50 493,75 500,00 Chiều dài dây cung c (mm) 281,80 319,25 347,43 364,86 370,79 363,37 334,08 268,08 207,27 149,85 107,60 3,00 Độ dày lớn nhất 40,60 35,90 31,20 26,50 21,80 17,10 12,40 7,70 5,35 4,18 3,59 1,50 Góc xoắn 500,00 3,66 500,00 21,95 500,00 40,24 500,00 58,54 500,00 76,83 95,12 500,00 113,41 500,00 131,71 500,00 140,85 500,00 145,43 500,00 147,71 500,00 150,00 500,00 ( Độ ) 38,51 27,95 21,70 17,66 14,86 12,81 11,25 10,03 9,51 9,27 9,16 9,04

Bảng 0.3. Toạ độ profile cánh chân vịt.

LE

2.5

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

95

TE MT

r/R

0,00 7,05 14,09 28,18 56,36 84,54 112,72 140,90 169,08 197,26 225,44 253,62 267,71 281,80 98,63

0,2

14,89 20,79 24,86 30,27 37,05 40,22 40,38 38,70 35,61 31,47 26,25 19,91 16,44 13,63 40,60

0,00 7,05 14,09 28,18 56,36 84,54 112,72 140,90 169,08 197,26 225,44 253,62 267,71 281,80 98,63

14,89 9,72 7,70 4,68 1,35 0,07 0,11 0,84 2,08 3,77 5,79 8,13 9,43 10,63 0,00

0,3

0,00 7,98 15,96 31,93 63,85 95,78 127,70 159,63 191,55 223,48 255,40 287,33 303,29 319,25 111,74

x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút

2

11,12 17,73 21,46 26,60 32,44 35,55 35,72 34,20 31,20 27,28 22,44 16,60 13,42 10,59 35,90

0,00 7,98 15,96 31,93 63,85 95,78 127,70 159,63 191,55 223,48 255,40 287,33 303,29 319,25 111,74

11,12 6,45 4,89 2,77 0,60 0,04 0,01 0,16

0,6

1,52 3,01 5,06 6,26 7,59 0,00

0,4

0,00 8,69 17,37 34,74 69,49 104,23 138,97 173,72 208,46 243,20 277,94 312,69 330,06 347,43 121,60

7,65 13,78 17,25 22,2 27,89 30,80 31,07 29,82 27,16 23,44 18,59 12,90 9,96 7,14 31,20

0,00 8,69 17,37 34,74 69,49 104,23 138,97 173,72 208,46 243,20 277,94 312,69 330,06 347,43 121,60

7,65 3,53 2,45 1,10 0,13 0,00 0,00 0,00 0,10 0,42 177 2,18 3,02 4,14

070

0,5

0,00 9,12 18,24 36,49 72,97 109,46 145,94 182,43 218,92 255,40 291,89 328,37 346,62 364,86 127,70

4,50 10,04 13,20 17,93 23,51 26,15 26,39 25,34 23,14 19,89 15,56 10,15 7,28 4,23 26,50

0,00 9,12 18,24 36,49 72,97 109,46 145,94 182,43 218,92 255,40 291,89 328,37 346,62 364,86 127,70

4,50 1,41 0,83 0,23 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,05 072 0,58 0,87 1,23 0,00

0,6

0,00 9,27 18,54 37,08 74,16 111,24 148,32 185,40 222,47 259,55 296,63 333,71 352,25 370,79 144,24

2,22 6,76 9,35 13,29 18,42 21,04 21,79 21,20 19,58 16,98 13,32 8,61 5,93 3,00 21,8

0,00 9,27 18,54 37,08 74,16 111,24 148,32 185,40 222,47 259,55 296,63 333,71 352,25 370,79 144,24

2,22 0,15 0,09 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0.7

0,00 9,08 18,17 36,34 72,67 109,01 145,35 181,69 218,02 254,36 290,70 327,03 345,20 363,37 160,97

1,50 4,98 6,65 9,40 13,41 15,88 17,00 16,95 15,97 14,10 11,31 7,61 5,42 3,00 17,10

0,00 9,08 18,17 36,34 72,67 109,01 145,35 181,69 218,02 254,36 290,70 327,03 345,20 363,37 160,97

1,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0.8

0,00 8,35 16,70 33,41 66,82 100,22 133,63 167,04 200,45 233,86 267,26 300,67 317,38 334,08 160,02

1,50 4,04 4,97 6,67 9,34 11,19 12,17 12,39 11,89 10,71 8,83 6,26 4,72 3,00 12,40

0,00 8,35 16,70 33,41 66,82 100,22 133,63 167,04 200,45 233,86 267,26 300,67 317,38 334,08 160,02

1,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,9

0,00 6,70 13,40 26,81 53,62 80,42 107,23 134,04 160,85 187,66 214,46 241,27 254,68 268,08 134,04

1,50 3,46 3,89 4,69 6,01 6,95 7,51 7,70 7,51 6,95 6,01 4,69 3,89 3,00 7,70

0,00 6,70 13,40 26,81 53,62 80,42 107,23 134,04 160,85 187,66 214,46 241,27 254,68 268,08 134,04

1,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,95

0,00 5,18 10,36 20,73 41,45 62,18 82,91 103,64 124,36 145,09 165,82 186,54 196,91 207,27 103,63

1,50 3,23 3,45 3,85 4,50 4,97 5,26 5,35 5,26 4,97

4,5

3,85 3,45 3,00 5,35

y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút

3

0,00 5,18 10,36 20,73 41,45 62,18 82,91 103,64 124,36 145,09 165,82 186,54 196,91 207,27 103,63

1,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,975

0,00 3,75 7,49 14,99 29,97 44,96 59,94 74,93 89,91 104,90 119,88 134,87 142,36 149,85 74,92

1,50 3,12 3,23 3,43 3,76 3,99 4,13 4,18 4,13 3,99 3,76 3,43 3,23 3,00 4,18

0,00 3,75 7,49 14,99 29,97 44,96 59,94 74,93 89,91 104,90 119,88 134,87 142,36 149,85 74,92

1,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

1

0,00 0,08 0,15 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80 2,10 2,40 2,70 2,85 3,00 1,19

0,62 0,88 0,99 1,15 1,36 1,47 1,50 1,49 1,47 1,44 1,40 1,33 1,29 1,24 1,50

0,00 0,08 0,15 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80 2,10 2,40 2,70 2,85 3,00 1,19

0,62 0,39 0,29 0,16 0,02 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy

Bảng 0.4. Bảng toạ độ các điểm trên mặt hút cánh chân vịt.

r/R

5

95

80

70

40

20

60

50

30

10

90

2.5

LE

TE MT

0,2 0,3

Mặt hút -83,05 -83,28 -82,08 -77,54 -65,30 -50,23 -32.81 -13,95 6,02 26,80 48,44 70,94 82,43 93,41 -41,76 X 55,60 62,99 69,03 78,70 92,02 98,69 99,82 96,39 89,12 78,66 65,73 51,09 43,27 34,74 99,88 Y -83,12 -77,66 -72,35 -61,70 -39,14 -16,12 5,96 26,63 45,37 61,75 75,36 85,97 90,15 93,77 -4,93 Z X -53,26 -55,36 -54,92 -51,97 -42,17 -29,96 -15,15 1,16 18,77 37,19 56,43 76,55 86,84 96,82 -22,79 Y 107,05 113,91 119,44 128,68 141,74 148,62 149,79 145,84 137,28 124,60 108,37 89,29 78,85 67,72 149,88 -97,59 -90,75 -77,08 -49,09 -20,29 7,93 35,09 60,45 83,52 103,71 120,53 127,60 133,84 -6,09 Z

0,4

- 105,07 X -28,35 -30,83 -30,85 -29,02 -21,46 -11,32 1,27 15,28 30,59 46,90 64,25 82,38 91,53 100,58 -5,27 Y 164,39 170,06 174,79 182,81 193,99 199,38 199,31 194,17 184,32 170,18 152,25 131,03 119,30 106,85 200 Z

47,94 77,62 105,06 129,69 151,10 160,53 169,07

-48,65 -15,77

-9770

- 105,27

-81,12

16,58

0,5

- 113,91 0,50 X -6,73 -9,24 -9,48 -8,46 -2,71 5,84 16,68 28,74 41,91 56,08 71,27 87,48 95,76 104,20 11,04 Y 223,26 227,73 231,54 237,98 246,58 249,93 248,32 241,99 231,20 216,28 197,62 175,65 163,53 150,74 249,73 -94,28 -76,60 -41,20 -5,82 28,95 62,79 95,11 125,39 153,12 177,89 189,10 199,44 11,67 Z

- 103,14

0,6

- 112,50 X 12,18 10,17 10,04 10,99 15,54 22,51 31,29 41,37 52,44 64,46 77,51 91,56 98,91 106,49 30,24 Y 282,03 285,32 288,15 292,84 298,84 299,89 296,78 289,48 278,18 263,13 244,63 223,00 211,11 198,57 297,33 Z

-

0,7 0,8 0,9

102,27 -92,70 -83,50 -65,17 -28,49 7,98 43,85 78,76 112,32 144,09 173,65 200,68 213,15 224,87 39,95 X 28,53 27,16 27,54 28,89 33,03 38,68 45,65 53,74 62,76 72,64 83,42 95,09 101,25 107,63 49,01 Y 339,95 342,11 343,94 346,86 349,84 349,08 344,68 336,78 325,50 311,03 293,55 273,30 262,21 250,51 341,71 -8377 -73,89 -64,84 -46,75 -10,57 25,39 60,78 95,29 128,64 160,51 190,60 218,65 231,84 244,42 75,74 Z X 44,28 43,42 44,13 45,73 49,62 54,34 59,89 66,20 73,20 80,88 89,24 98,28 103,05 108,00 64,81 Y 396,58 397,62 398,45 399,57 399,73 397,14 391,86 383,96 373,54 360,68 345,50 328,14 318,68 308,72 385,83 -52,16 -43,53 -35,20 -18,53 14,75 47,77 80,29 112,12 143,07 172,95 201,57 228,75 241,75 254,34 105,51 Z X 61,36 60,60 61,34 62,89 66,26 70,00 74,11 78,60 83,45 88,67 94,27 100,23 103,35 106,57 78,60 Y 450,00 449,97 449,35 449,31 447,05 443,24 437,90 431,06 422,75 413,02 401,91 389,47 382,76 375,74 431,06 -2,03 4,91 11,58 24,91 51,44 77,72 103,67 129,19 154,21 178,64 202,41 225,42 236,63 247,62 129,19 Z 71,43 70,58 71,22 72,54 75,31 78,27 81,42 84,75 88,27 91,97 95,86 99,94 102,04 104,19 84,75 X 0,95 Y 473,56 473,11 472,63 471,49 468,56 464,75 460,09 454,58 448,23 441,07 433,11 424,37 419,71 414,86 454,58 36,91 42,29 47,41 57,64 77,98 98,14 118,09 137,79 157,20 176,30 195,04 213,40 222,42 231,33 137,79 78,39 77,40 77,89 78,90 80,99 83,18 85,45 87,82 90,28 92,83 95,48 98,22 99,62 101,05 87,82

Z X

4

Z X

0,975 Y 482,51 481,93 481,35 480,12 477,33 474,09 470,43 466,33 461,80 456,86 451,51 445,74 442,71 439,58 466,33 69,59 73,50 77,17 84,50 99,07 113,54 127,89 142,11 156,18 170,10 183,84 197,40 204,11 210,77 142,11 82,85 81,74 82,12 82,87 84,42 86,02 87,66 89,35 91,09 92,87 94,70 96,57 97,53 98,49 89,35 0,9875 Y 485,03 484,47 483,95 482,87 480,53 477,98 475,20 472,20 468,99 465,57 461,93 45878 456,08 454,02 472,20 92,40 95,26 97,87 103,08 113,47 123,80 134,07 144,26 154,39 164,43 174,39 184,26 189,16 194,04 144,26 Z X 93,00 92,75 92,65 92,52 92,37 92,30 92,32 92,38 92,44 92,51 92,61 92,73 92,79 92,86 92,32 Y 478,62 478,58 478,56 478,51 478,41 478,32 478,23 478,15 478,06 477,98 477,89 477,81 477,77 477,72 478,24 Z 144,65 144,76 144,85 145,02 145,33 145,63 145,92 146,20 146,48 146,76 147,04 147,31 147,45 147,58 145,91

1

Bảng 0.1. Toạ độ các điểm trên mặt đẩy cánh chân vịt.

r/R

5

95

80

70

40

20

60

50

30

10

90

2.5

LE

TE MT

0,2 0,3

Mặt đẩy -83,05 -74,62 -68,66 -57,51 -37,36 -18,82 -1,30 15,68 32,25 48,48 64,44 80,16 87,92 95,75 -9,99 X 55,60 57,50 60,93 67,91 81,13 91,64 98,18 99,64 96,59 88,09 74,77 51,25 47,17 36,49 95,47 Y -83,12 -81,82 -79,30 -73,40 -58,47 -40,04 -19,00 3,39 25,91 47,34 66,40 81,99 88,18 93,11 -29,75 Z X -53,26 -45,40 -40,28 -30,92 -14,05 1,41 16,40 31,23 45,80 59,95 73,59 86,75 93,16 99,47 8,93 Y 107,05 110,40 114,58 122,59 136,16 145,46 149,74 148,74 142,42 130,91 114,46 93,58 81,69 68,97 148,25 -96,80 -86,44 -62,92 -36,62 -8,80 19,41 47,07 73,23 96,94 117,23 125,80 133,20 -22,82 Z

- 101,55

0,4

- 105,07 X -28,35 -21,31 -17,09 -9,41 4,33 17,30 30,14 42,98 55,73 68,29 80,52 92,34 97,98 103,36 23,72 Y 164,39 168,03 172,07 179,51 191,24 198,16 199,93 196,52 187,97 174,50 156,37 134,00 121,35 107,79 199,70 -88,19 -58,54 -27,09 5,11 37,17 68,31 97,73 124,69 148,47 158,98 168,47 -11,03 Z

- 101,55

- 108,47

0,5

- 113,91 X -6,73 -1,02 2,30 8,41 19,69 30,76 41,82 52,89 63,96 74,98 85,88 96,60 101,86 107,06 36,29 Y 223,26 226,64 230,10 236,28 245,31 249,62 249,12 243,80 233,78 219,24 200,43 177,71 165,00 151,46 249,97 -97,74 -81,69 -48,21 -13,75 20,99 55,32 88,58 120,15 149,42 175,84 187,82 198,89 3,63 Z

- 105,52

0,6

- 112,50 X 12,18 16,56 18,99 23,83 33,34 42,85 52,35 61,86 71,37 80,87 90,38 99,89 104,64 109,39 51,31 Y 282,03 284,79 287,48 292,08 298,16 299,99 297,54 290,86 280,02 265,20 246,59 224,47 212,19 199,15 298,02 -94,31 -85,78 -68,49 -33,19 2,58 38,32 73,51 107,65 140,25 170,86 199,03 212,08 224,36 34,40 Z

0,7 0,8 0,9

Z X

Z X

- 102,27 X 28,53 32,01 34,03 38,05 46,11 54,17 62,22 70,28 78,33 86,39 94,45 102,50 106,53 110,56 65,69 Y 339,95 341,88 343,66 346,58 349,74 349,32 345,32 331,18 326,79 312,45 294,91 274,35 263,00 250,98 342,51 -83,27 -74,97 -66,29 -48,82 -13,54 21,87 57,06 91,61 125,34 157,72 188,49 217,33 230,93 24375 7274 Z X 44,28 47,38 49,01 52,27 58,79 65,31 71,83 78,34 84,86 91,38 97,90 104,42 107,68 110,94 76,98 Y 396,58 397,54 398,36 399,51 399,79 397,79 392,33 384,63 374,36 361,58 346,37 328,83 319,23 309,10 386,47 Z -52,16 -44,32 -36,17 -19,83 12,93 45,60 77,96 109,80 140,91 171,06 200,08 227,75 241,02 25379 103,11 61,36 64,00 65,17 67,51 72,17 76,84 81,51 86,18 90,85 95,52 100,18 104,85 107,19 109,52 86,18 X Y 450,00 449,98 449,87 449,35 447,17 443,45 438,20 431,44 423,20 413,50 402,38 389,88 383,12 376,03 431,44 -2,03 4,31 10,09 24,09 50,40 7673 102,39 127,91 152,98 177,53 201,47 224,72 236,05 247,19 127,91 Z 71,43 73,76 74,62 76,33 79,76 83,18 86,60 90,03 93,45 96,88 100,30 103,73 105,44 107,15 90,03 X 0,95 Y 473,56 473,16 472,68 471,57 468,68 464,92 460,30 454,83 448,52 441,38 433,41 424,65 419,97 415,10 454,83 36,91 41,76 46,85 57,01 77,24 9774 117,25 136,94 156,38 175,54 194,36 212,83 221,92 230,90 136,94 78,39 80,48 81,08 82,29 84,70 87,11 89,53 91,94 94,36 96,77 99,19 101,60 102,81 104,01 91,94 0,975 Y 482,51 482,00 481,43 480,22 477,45 474,24 470,60 466,52 462,02 457,09 451,74 445,97 442,93 439,79 466,52 69,59 73,01 76,66 83,95 98,48 112,92 127,25 141,47 155,55 169,49 183,79 196,90 203,64 210,33 141,47 82,85 84,76 85,19 86,05 87,76 89,47 91,18 92,90 94,61 96,32 98,03 99,74 100,60 101,46 92,90 0,9875 Y 485,03 484,57 484,05 482,98 480,66 478,12 475,35 472,37 469,17 465,75 462,12 458,27 456,27 454,21 472,37 92,40 94,78 97,38 102,58 112,95 123,26 133,52 143,72 153,85 163,90 173,89 183,79 188,71 193,60 143,72 Z 93,00 93,24 93,35 93,50 93,69 93,75 93,80 93,85 93,89 93,94 93,99 94,04 94,06 94,08 93,80 X Y 478,62 478,61 478,59 478,55 478,47 478,39 478,30 478,22 478,13 478,04 477,96 477,87 477,82 477,78 478,30 Z 144,65 144,69 144,75 144,87 145,13 145,41 145,69 145,98 146,26 146,54 146,83 147,11 147,25 147,39 145,69

1

5

1.2. Tính toán thiết kế chân vịt hai bước

1.2.1. Xác định đường kính tối ưu và số cánh chân vịt hai bước

1.2.1.1. Xác định đường kính tối ưu của chân vịt hai bước

Chân vịt hai bước là chân vịt có bước cánh có thể thay đổi được để phù hợp với hai chế độ hoạt động chính của tàu là chế độ chạy tự do và chế độ kéo lưới do đó chân vịt này cũng được coi là chân vịt biến bước. Bước đầu tiên khi tính toán thiết kế chân vịt biến bước là xác định đường kính chân vịt tối ưu. Theo công thức kinh nghiệm của xưởng chế tạo động cơ điezen DMR - Rostock của CHDC Đức đường kính tối ưu của chân vịt biến bước được xác định theo công thức (1.1).

(1.1)

Trong đó

 Dotp là đường kính chân vịt tối ưu;

 V là vận tốc khai thác của tàu hl/h;

 k1 là hệ số xác định theo đồ thị, hệ số Q và số cánh của chân vịt Z.

 Q được xác định theo công thức (1.2).

(1.2)

Trong đó

Với Ne =155(ml), v =10(hl/h), n = 629(v/ph) ta có

Ne là công suất của động cơ (ml);

(1.3)

Do đó từ đồ thị 9-102 tài liệu [1] ta suy ra k1 = 0,36. Thay giá trị k1 vào công

thức (1.1) ta xác định đường kính tối ưu của chân vịt biến bước như sau.

(1.4)

Do đó chọn đường kính chân vịt biến bước tối ưu là D = 1(m).

1.2.1.2. Chọn số cánh của chân vịt hai bước

Số cánh chân vịt phụ thuộc vào hệ số KNT được xác định theo công thức (1.5)

như sau:

(1.5)

6

Trong đó:

 Vp: Vận tốc tiến của chân vịt;

 n: Vòng quay chân vịt;

 T: Lực đẩy của chân vịt;

 Do đó KNT > 1vậy chọn số cánh chân vịt Z = 3.

Do đó luận án sử dụng mẫu chân vịt SeriB có số cánh Z = 3, tỷ số mặt đĩa Ae = 0,5 để tính toán thiết kế biên dạng cánh của chân vịt hai bước . Do tàu đã chọn có trang bị máy chính có công suất 155 CV, số vòng quay của trục ra chân vịt là 629 vòng/phút vậy bài toán thiết kế chân vịt trở thành thiết kế chân vịt sử dụng tối đa công suất của động cơ cho trước.

1.2.2. Tính toán thiết kế cánh chân vịt hai bước

1.2.2.1.Tính các thông số cơ bản của chân vịt hai bước

Tàu cá có 4 chế độ khai thác chính như đã phân tích trong mục 1.4 chương 1 của luận án trong đó chế độ chạy tự do tìm luồng cá, chạy đầy tải từ ngư trường về cảng chiếm 40% thời gian của một chuyến đi, chế độ kéo lưới chiếm khoảng 48% thời gian của một chuyến đi biển còn lại 12% thời gian là các chế độ khác do đó chọn chế độ tính toán tối ưu là chế chạy kéo lưới với vận tốc khai thác khoảng 5 hải lý/h để tính toán thiết kế biên dạng cánh chân vịt hai bước. Sau khi tính toán thiết kế biên dạng cánh chân vịt cho chế độ này ta sẽ xác định tỷ số bước của cánh chân vịt hay góc xoay của cánh chân vịt cho chế độ làm việc thứ hai là chế độ chạy tự do. Luận án sử dụng phương pháp tính toán thiết kế theo seri mẫu với mẫu chân vịt SeriB 3.5 các bước tính toán thiết kế tham khảo tài liệu [1-3]. Sau khi tính toán thiết kế xác định được các thông số cơ bản của chân vịt hai bước như đường kính chân vịt, tỷ số bước, tỷ số bầu chân vịt, các thông số cơ bản của chân vịt sau khi thiết kế Bảng 0.5.

Bảng 0.5. Các thông số cơ bản của chân vịt hai bước.

Giá trị Đơn vị Tên

Stt 1 Đường kính 2 Bước ở chế độ kéo lưới 3 Số vòng quay 4 Tỷ số bước ở chế độ kéo lưới 5 Số cánh 6 Tỷ số bầu 7 Tỷ số mặt đĩa 8 Loại chân vịt Seri B 1 0,5 629 0,5 3 0,3 0,5 m m rpm

7

1.2.2.2. Xây dựng bản vẽ cánh chân vịt hai bước

Chiều rộng, biên dạng cánh chân vịt được xác định khi biết được chiều rộng tương đối b max ở bán kính r = 0,7.R, góc xoắn, góc nghiêng của cánh, chiều dày lớn nhất của cánh tại tâm trục chân vịt, và quy luật phân bố độ dày tại các tiết diện. Chiều rộng tương đối tại bán kính 0,7R và quy luật phân bố chiều rộng cánh chân vịt hai bước được chọn theo mẫu chân vịt SeriB 3.5 với chiều rộng tại bán kính 0,7R là 461mm. Quy luật biến thiên chiều rộng cánh tại các tiết diện Bảng 0.6.

Bảng 0.6. Quy luật biến thiên chiều rộng cánh tại các tiết diện

Stt

1 0,3 2 0,4 3 0,5 4 0,6 5 0,7 6 0,8 7 0,9 8 0,95 9 1

% emax 45,26 75,63 92,54 99,85 100 91,45 72,42 54,49 0,65

Độ nghiêng của đường sinh cánh chân vịt so với trục được chọn trong khoảng 0 - 10 độ phụ thuộc vào kết cấu của vùng đuôi tàu. Để giảm lực điều khiển cánh chân vịt ta chọn góc nghiêng của đường sinh cánh chân vịt so với trục là 0 độ.

Góc xoắn của cánh chân vịt có ảnh hưởng không đáng kể đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt. Do chân vịt hoạt động với số vòng quay tương đối lớn n = 629 (vòng/phút) nên để hạn chế lực ly tâm phát sinh trong quá trình hoạt động chọn góc xoắn của cánh chân vịt là 0 độ.

Quy luật phân bố độ dày lớn nhất của profile tại các tiết diện cánh chân vịt là quy luật phân bố tuyến tính theo mẫu chân vịt Seri B 3.5 với chiều dày lớn nhất tại tâm trục chân vịt là emax = 40,6 mm, chiều dày tại đỉnh cánh là eR = 1,5 mm. Quy luật biến thiên chiều dày lớn nhất của profile tại các tiết diện so với chiều dày lớn nhất tại đường tâm trục Bảng 0.7.

Bảng 0.7. Độ dày lớn nhất của profile tại các tiết diện so với độ dày tại đường tâm trục.

Stt

2 0,3 3 0,4 4 0,5 5 0,6 6 0,7 7 0,8 8 0,9 9 0,95 10 1 1 0,2

100 88,42 76,85 65,27 53,69 42,12 30,54 18,97 13,30 3,69 Sau khi có chiều dài dây cung và độ dày lớn nhất của profile cánh của chân vịt tại các tiết diện, tiến hành xây dựng biên dạng profile tại các tiết diện của chân vịt theo mẫu SeriB 3.5 đã chọn. Các thông số chi tiết về profile cánh tại các tiết diện, toạ độ các điểm trên mặt hút, mặt đẩy của cánh Bảng 1.8 - Bảng 1.10.

% emax

8

Bảng 0.8. Các số cơ bản profile cánh chân vịt hai bước tại các tiết diện

Tỷ số r/R Bán kính r Chiều dài dây cung c (mm) Độ dày lớn nhất (mm) Bước (mm)

0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000 0,8000 0,9000 0,9500 0,9750 0,9875 1,0000 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 475,00 487,50 493,75 500,00 68,65 208,75 348,80 426,80 460,50 461,20 421,75 334,00 251,30 176,00 123,40 3,00 40,60 35,90 31,20 26,50 21,80 17,10 12,40 7,70 5,40 4,20 3,60 1,50 Góc xoắn (Độ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Góc bước (Độ) 46,41 35,00 27,71 22,79 19,30 16,71 14,71 13,14 12,47 12,16 12,01 11,86 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500

Bảng 0.9. Toạ độ các điểm trên profile tại các tiết diện cánh chân vịt

r/R

LE

2.5

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

95

TE MT

0,2

0

1,72 3,43 6,87 13,73 20,6 27,46 34,33 41,19 48,6 54,92 61,97 65,22 68,65 24,3

14,89 20,8 24,86 30,27 37,05 40,22 40,38 38,7 35,61 31,47 26,25 19,91 16,43 13,63 40,6

0

1,72 3,43 6,87 13,73 20,6 27,46 34,33 41,19 48,6 54,92 61,97 65,22 68,65 24,3

14,89 9,75

7,7

4,68 1,35 0,07 0,11 0,84 2,08 3,77 5,79 8,13 9,43 10,63

0

0,3

0

5,22 10,44 20,88 41,75 62,63 83,5 104,38 125,25 146,13 167 187,88 198,31 208,75 73,06

11,12 17,73 21,46 26,6 32,44 35,55 35,72 34,2 31,2 27,28 22,44 16,6 13,42 10,59 35,9

0

5,22 10,44 20,88 41,75 62,63 83,5 104,38 125,25 146,13 167 187,88 198,31 208,75 73,06

11,12 6,47 4,89 2,77 0,60 0,04 0,01 0,16 0,60 1,52 3,01 5,06 6,26 7,59

0

0,4

0

8,72 17,44 34,88 69,76 104,64 139,52 174,4 209,28 244,16 279,04 313,92 331,36 348,8 122,08

7,65 13,78 17,25 22,2 27,89 30,8 31,07 29,82 27,16 23,44 18,59 12,9 9,96 7,14 31,2

0,00 8,72 17,44 34,88 69,76 104,64 139,52 174,40 209,28 244,16 279,04 313,92 331,36 348,80 122,08

7,65 3,53 2,45 1,10 0,13 0,00 0,00 0,00 0,10 0,42 1,07 2,18 3,02 4,14 0,00

0,00 10,67 21,34 42,68 85,36 128,04 170,72 213,40 256,08 298,76 341,44 384,12 405,46 426,80 149,38

0,5

4,50 10,04 13,20 17,93 23,51 26,15 26,39 25,34 23,14 19,89 15,56 10,15 7,28 4,23 26,50

0,00 10,67 21,34 42,68 85,36 128,04 170,72 213,40 256,08 298,76 341,44 384,12 405,46 426,80 149,38

4,50 1,41 0,83 0,23 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,05 0,22 0,58 0,87 1,23 0,00

x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy

9

0,00 11,51 23,03 46,05 92,10 138,15 184,20 230,25 276,30 322,35 368,40 414,45 437,48 460,50 179,13

0,6

2,22 6,76 9,35 13,29 18,42 21,04 21,79 21,20 19,58 16,98 13,32 8,61 5,93 3,00 21,80

0,00 11,51 23,03 46,05 92,10 138,15 184,20 230,25 276,30 322,35 368,40 414,45 437,48 460,50 179,13

2,22 0,15 0,09 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 11,53 23,06 46,12 92,24 138,36 184,48 230,60 276,72 322,84 368,96 415,08 438,14 461,20 204,31

0.7

1,50 4,98 6,65 9,40 13,41 15,88 17,00 16,95 15,97 14,10 11,31 7,61 5,42 3,00 17,10

0,00 11,53 23,06 46,12 92,24 138,36 184,48 230,60 276,72 322,84 368,96 415,08 438,14 461,20 204,31

1,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 10,54 21,09 42,18 84,35 126,53 168,70 210,88 253,05 295,23 337,40 379,58 400,66 421,75 202,02

0.8

1,50 4,04 4,97 6,67 9,34 11,19 12,17 12,39 11,89 10,71 8,83 6,26 4,72 3,00 12,40

0,00 10,54 21,09 42,18 84,35 126,53 168,70 210,88 253,05 295,23 337,40 379,58 400,66 421,75 202,02

1,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 8,35 16,70 33,40 66,80 100,20 133,60 167,00 200,40 233,80 267,20 300,60 317,30 334,00 167,00

0,9

1,50 3,46 3,89 4,69 6,01 6,95 7,51 7,70 7,51 6,95 6,01 4,69 3,89 3,00 7,70

0,00 8,35 16,70 33,40 66,80 100,20 133,60 167,00 200,40 233,80 267,20 300,60 317,30 334,00 167,00

1,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 6,28 12,57 25,13 50,26 75,39 100,52 125,65 150,78 175,91 201,04 226,17 238,74 251,30 125,65

0,95

1,51 3,26 3,48 3,88 4,55 5,02 5,31 5,40 5,31 5,02 4,55 3,88 3,48 3,03 5,40

0,00 6,28 12,57 25,13 50,26 75,39 100,52 125,65 150,78 175,91 201,04 226,17 238,74 251,30 125,65

1,51 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 4,40 8,80 17,60 35,20 52,80 70,40 88,00 105,60 123,20 140,80 158,40 167,20 176,00 88,00

0,975

1,51 3,13 3,24 3,44 3,77 4,01 4,15 4,20 4,15 4,01 3,77 3,44 3,24 3,02 4,20

0,00 4,40 8,80 17,60 35,20 52,80 70,40 88,00 105,60 123,20 140,80 158,40 167,20 176,00 88,00

1,51 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,08 0,15 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80 2,10 2,40 2,70 2,85 3,00 1,19

1

0,62 0,88 0,99 1,15 1,36 1,47 1,50 1,49 1,47 1,44 1,40 1,33 1,29 1,24 1,50

0,00 0,08 0,15 0,30 0,60 0,90 1,20 1,50 1,80 2,10 2,40 2,70 2,85 3,00 1,19

0,62 0,39 0,29 0,16 0,02 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy x-mặt hút y-mặt hút x-mặt đẩy y-mặt đẩy

10

Bảng 0.10. Bảng toạ độ các điểm trên mặt hút cánh chân vịt.

r/R

5

95

80

70

40

20

60

50

30

10

90

2.5

LE

TE MT

0,2 0,3 0,4

Mặt hút -35,12 -37,96 -39,51 -40,76 -40,46 -37,68 -32,81 -26,68 -19,58 -11,75 -3,18 6,16 11,04 15,47 -35,45 X 99,17 99,72 99,95 99,96 99,20 98,07 97,01 96,10 95,38 94,84 94,54 94,49 94,54 94,43 97,52 Y -12,85 -7,42 -3,30 2,99 12,60 19,54 24,27 27,66 30,05 31,70 32,60 32,74 32,60 32,91 22,12 Z X -68,98 -71,40 -71,46 -69,68 -62,49 -53,07 -41,24 -28,01 -13,59 1,60 17,54 34,30 42,89 51,20 -47,37 Y 129,61 133,48 136,29 140,68 146,45 149,36 149,96 148,72 145,94 141,79 136,48 130,21 126,74 122,91 149,91 -75,50 -68,43 -62,66 -52,04 -32,43 -13,79 3,39 19,56 34,68 48,94 62,23 74,46 80,22 85,99 -5,05 Z X -87,87 -89,23 -88,26 -84,53 -73,35 -59,71 -43,73 -26,40 -7,83 11,69 32,20 53,46 64,17 74,77 -51,95 Y 145,76 152,79 158,65 168,81 184,34 194,40 199,33 199,52 195,29 186,95 174,90 159,51 150,63 140,97 197,48 -77,58 -46,99 -16,41 13,85 43,17 71,07 97,01 120,65 131,57 141,87 -31,68 Z

- 107,25

- 129,05

- 121,78

0,5

- 136,94 X -86,82 -87,79 -86,56 -82,66 -71,27 -57,18 -40,86 -23,36 -4,80 14,73 35,26 56,77 67,69 78,77 -49,23 Y 177,73 185,95 193,16 206,08 226,64 240,66 248,31 249,81 245,35 235,22 219,84 199,73 188,03 175,34 245,26 -67,71 -29,06 9,81 48,01 84,69 119,04 150,36 164,76 178,20 -48,45 Z

- 158,71

- 105,52

- 167,10

- 141,53

0,6

- 175,82 X -78,18 -78,66 -77,31 -73,42 -63,04 -50,29 -35,79 -20,01 -3,26 14,41 33,09 52,74 62,88 73,26 -37,47 Y 225,16 233,14 240,33 253,40 274,61 289,40 297,81 299,92 295,85 285,84 270,23 249,45 237,28 224,02 297,20 -79,03 -36,17 7,01 49,70 91,08 130,30 166,66 183,57 199,54 -40,91 Z

- 179,55

- 120,78

- 188,81

- 160,59

0,7

- 198,25 X -67,72 -67,74 -66,03 -62,03 -52,62 -41,72 -29,54 -16,24 -2,04 13,01 28,94 45,74 54,47 63,41 -23,93 Y 282,85 289,77 296,08 307,64 326,62 340,02 347,80 349,97 346,61 337,87 323,99 305,27 294,21 282,08 349,41 -82,99 -39,21 4,87 48,61 91,33 132,39 171,19 189,58 207,19 -20,25 Z

- 186,65

- 125,79

- 196,30

- 166,91

0,8

- 206,15 X -55,01 -54,79 -53,02 -49,30 -41,17 -32,24 -22,48 -11,98 -0,79 11,06 23,59 36,79 43,64 50,66 -14,24 Y 349,30 354,46 359,17 367,85 382,13 392,27 398,22 399,99 397,60 391,15 380,74 366,55 358,08 348,75 399,96 -78,24 -37,65 3,15 43,72 83,68 122,61 160,14 178,26 195,90 -5,42 2

- 176,05

- 118,21

- 185,36

- 157,12

0,9

- 194,90 X -39,42 -39,43 -37,96 -34,94 -28,63 -21,95 -14,91 -7,50 0,28 8,42 16,93 25,80 30,37 35,04 -7,50 Y 421,05 424,00 426,69 431,63 439,75 445,53 448,95 450,00 448,70 445,08 439,17 431,02 426,12 420,69 450,00 -95,48 -63,26 -30,79 1,75 34,20 66,39 98,15 129,32 144,64 159,75 1,75 Z

- 127,27

- 150,74

- 142,96

X

Z

- 158,79 -28,61 -28,96 -27,81 -25,50 -20,72 -15,75 -10,61 -5,27 0,25 5,95 11,84 17,91 21,02 24,17 -5,27 0,95 Y 459,33 460,94 462,40 465,07 469,46 472,58 474,42 475,00 474,31 472,35 469,16 464,72 462,05 459,08 475,00 -96,63 -72,35 -47,91 -23,38 1,17 25,67 50,07 74,29 98,27 110,16 121,96 1,17

- 114,70

- 108,69

X

Z X

- 121,01 -20,01 -20,67 -19,85 -18,20 -14,81 -11,34 -7,77 -4,11 -0,35 3,49 7,43 11,46 13,51 15,59 -4,11 0,975 Y 479,99 480,78 481,47 482,75 484,85 486,34 487,23 487,50 487,16 486,23 484,69 482,55 481,26 479,82 487,50 -85,27 -80,69 -76,42 -67,87 -50,73 -33,54 -16,33 0,88 18,08 35,22 52,31 69,31 77,77 86,21 0,88 -3,52 -14,31 -15,20 -14,61 -13,42 -11,02 -8,56 -6,07 -3,52 -0,93 1,71 4,39 7,12 8,50 9,89 0,9875 Y 490,10 490,50 490,84 491,46 492,47 493,20 493,62 493,75 493,58 493,12 492,37 491,33 490,69 489,99 493,75 -59,89 -56,57 -53,56 -47,54 -35,47 -23,40 -11,32 0,75 12,81 24,86 36,88 48,87 54,85 60,82 0,75 Z X -0,92 -1,16 -1,25 -1,37 -1,51 -1,56 -1,53 -1,45 -1,38 -1,29 -1,18 -1,05 -0,98 -0,91 -1,53 Y 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 -1,34 -1,21 -1,12 -0,94 -0,60 -0,28 0,01 0,31 0,60 0,88 1,17 1,45 1,59 1,72 0,01 Z

1

11

Bảng 0.11. Toạ độ các điểm trên mặt đẩy cánh chân vịt.

r/R

5

95

80

70

40

20

60

50

30

10

90

2.5

LE

TE MT

0,2 0,3 0,4

Mặt đẩy -35,12 -30,34 -27,68 -23,11 -15,85 -9,99 -5,04 -0,58 3,54 7,35 10,92 14,29 15,87 17,53 -7,46 X 99,17 98,81 98,77 98,79 99,13 99,56 99,89 100,00 99,81 99,26 98,31 96,94 96,07 95,12 99,75 Y -12,85 -15,36 -15,66 -15,48 -13,19 -9,40 -4,66 0,61 6,24 12,17 18,29 24,57 27,76 30,85 -7,09 Z X -68,98 -62,17 -57,89 -50,16 -36,42 -23,98 -11,98 -0,13 11,48 22,70 33,45 43,76 48,76 53,66 -17,96 Y 129,61 130,41 132,05 135,37 141,43 146,12 149,03 150,00 148,99 145,92 140,72 133,37 128,89 123,89 147,81 -75,50 -74,11 -71,16 -64,62 -49,98 -33,88 -17,06 0,09 17,40 34,75 51,93 68,64 76,72 84,57 -25,52 Z X -87,87 -80,16 -75,15 -65,85 -48,77 -32,44 -16,22 0,00 16,13 32,07 47,71 62,95 70,31 77,43 -24,33 Y 145,76 149,67 154,36 163,35 178,95 190,54 197,62 200,00 197,61 190,48 178,70 162,47 152,73 141,95 194,66 -89,31 -60,78 -30,76 0,00 30,80 60,97 89,81 116,64 129,12 140,89 -45,91 Z

- 115,40

- 132,66

- 127,17

0,5

- 136,94 X -86,82 -79,83 -75,16 -66,34 -49,60 -33,07 -16,53 0,00 16,53 33,02 49,39 65,59 73,60 81,53 -24,80 Y 177,73 183,70 190,08 202,12 222,65 237,72 246,91 250,00 246,91 237,71 222,61 201,94 189,65 176,16 243,07 -77,40 -39,19 0,00 39,19 77,42 113,78 147,38 162,88 177,39 -58,48 Z

- 162,39

- 113,71

- 169,57

- 147,13

0,6

- 175,82 X -78,18 -72,43 -68,57 -60,88 -45,65 -30,44 -15,22 0,00 15,22 30,44 45,65 60,87 68,48 76,09 -16,89 Y 225,16 231,76 238,49 251,02 272,11 287,49 296,86 300,00 296,86 287,49 272,11 251,02 238,47 224,67 296,13 -85,71 -43,31 0,00 43,31 85,71 126,32 164,28 182,02 198,80 -48,04 Z

- 181,99

- 126,32

- 190,50

- 164,28

0,7

- 198,25 X -67,72 -62,97 -59,66 -53,03 -39,77 -26,51 -13,26 0,00 13,26 26,51 39,77 53,03 59,66 66,29 -7,56 Y 282,85 288,97 295,05 306,34 325,21 338,91 347,22 350,00 347,22 338,91 325,21 306,34 295,05 282,59 349,09 -87,41 -44,06 0,00 44,06 87,41 129,38 169,28 188,27 206,50 -25,16 Z

- 188,27

- 129,38

- 197,48

- 169,28

0,8

- 206,15 X -55,01 -50,88 -48,20 -42,85 -32,14 -21,42 -10,71 0,00 10,71 21,42 32,14 42,85 48,20 53,56 -2,25 Y 349,30 353,98 358,61 367,18 381,43 391,71 397,92 400,00 397,92 391,71 381,43 367,18 358,61 349,12 399,91 -81,02 -40,72 0,00 40,72 81,02 120,48 158,68 177,19 195,24 -8,57 Z

- 177,19

- 120,48

- 186,27

- 158,68

0,9

- 194,90 X -39,42 -36,06 -34,17 -30,37 -22,78 -15,18 -7,59 0,00 7,59 15,18 22,78 30,37 34,17 37,96 0,00 Y 421,05 423,74 426,41 431,32 439,46 445,31 448,83 450,00 448,83 445,31 439,46 431,32 426,41 420,93 450,00 -96,81 -64,82 -32,50 0,00 32,50 64,82 96,81 128,30 143,80 159,11 0,00 Z

- 128,30

- 151,48

- 143,80

X

Z

- 158,79 -28,61 -25,77 -24,42 -21,70 -16,28 -10,85 -5,43 0,00 5,43 10,85 16,28 21,70 24,42 27,13 0,00 0,95 Y 459,33 460,77 462,22 464,90 469,31 472,47 474,37 475,00 474,37 472,47 469,31 464,90 462,22 459,24 475,00 -97,45 -73,32 -48,99 -24,53 0,00 24,53 48,99 73,32 97,45 109,43 121,33 0,00

- 115,39

- 109,43

X

Z X

- 121,01 -20,01 -17,61 -16,68 -14,83 -11,12 -7,41 -3,71 0,00 3,71 7,41 11,12 14,83 16,68 18,54 0,00 0,975 Y 479,99 480,67 481,36 482,65 484,77 486,29 487,20 487,50 487,20 486,29 484,77 482,65 481,36 479,93 487,50 -85,27 -81,34 -77,10 -68,59 -51,52 -34,38 -17,20 0,00 17,20 34,38 51,52 68,59 77,10 85,58 0,00 -14,31 -12,20 -11,56 -10,27 -7,70 -5,14 -2,57 0,00 2,57 5,14 7,70 10,27 11,56 12,84 0,00 0,9875 Y 490,10 490,43 490,77 491,39 492,42 493,16 493,60 493,75 493,60 493,16 492,42 491,39 490,77 490,07 493,75 -59,89 -57,20 -54,20 -48,20 -36,18 -24,13 -12,07 0,00 12,07 24,13 36,18 48,20 54,20 60,20 0,00 Z X -0,06 -0,92 -0,67 -0,56 -0,40 -0,20 -0,12 -0,06 0,00 0,06 0,12 0,19 0,25 0,28 0,31 Y 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 500,00 -0,30 Z

-1,34 -1,31 -1,26 -1,14 -0,88 -0,59 -0,29 0,00 0,29 0,59 0,88 1,17 1,32 1,47

1

12

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN CHÍ CÔNG

NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

PHỤ LỤC 2: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG SỐ CHÂN VỊT

2.1. Tính toán mô phỏng số mẫu chân vịt E779A

2.2. Tính toán mô phỏng số chân vịt có bước cố định

2.3.Tính toán mô phỏng số chân vịt hai bước tại các tỷ số bước khác nhau

2.4. Tính toán mô phỏng số hệ thống chân vịt hai bước - bánh lái

Hà Nội – 2021

13

2.1. Tính toán mô phỏng số mẫu chân vịt E 779A

Để chọn được mô hình rối, điều kiện biên, và thuật giải phù hợp nhằm hạn chế tối đa sai số trong quá trình tính toán mô phỏng luận án đã sử dụng phương pháp số tính toán mô phỏng mẫu chân vịt E 779A sau đó so sánh kết quả tính toán mô phỏng số và kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã được công bố trên các bài báo có uy tín. Dưới đây là kết quả tính toán.

Bảng 0.12. Các hệ số thuỷ động lực học đặc trưng cho chân E 779A

Stt Hệ số tiến J Hệ số lực đẩy KT Hệ số mômen 10KQ Hiệu suất chân vịt η 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0,084 0,168 0,250 0,329 0,403 0,470 0,532 0,587 0,618 0,567 0,270 0,684 0,631 0,578 0,524 0,468 0,409 0,347 0,281 0,212 0,141 0,068 0,415 0,380 0,345 0,309 0,271 0,232 0,192 0,148 0,103 0,056 0,009 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

2.2. Tính toán mô phỏng số chân vịt có bước cố định

Bảng 0.13. Các hệ số thuỷ động lực học đặc trưng cho chân vịt cố định

Hệ số lực đẩy KT Hệ số mômen 10KQ Hiệu suất chân vịt η Stt Hệ số tiến J

0,137 0,121 0,180 1 0,1

0,127 0,116 0,262 2 0,15

0,116 0,110 0,336 3 0,2

0,103 0,103 0,401 4 0,25

0,090 0,094 0,454 5 0,3

0,075 0,085 0,490 6 0,35

0,059 0,075 0,507 7 0,4

0,042 0,063 0,484 8 0,45

0,024 0,049 0,383 9 0,5

0,005 0,035 0,116 10 0,55

14

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,1

Hình 0.1. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.2. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục.

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,2

Hình 0.3. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

15

Hình 0.4. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục.

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,3

Hình 0.5. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.6. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục.

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,4

16

Hình 0.7. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.8. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục.

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,5

Hình 0.9. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

17

Hình 0.10. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục.

2.3. Tính toán mô phỏng số chân vịt hai bước tại các tỷ số bước khác nhau

2.3.1. Kết quả tính toán mô phỏng số chân vịt hai bước tại hai tỷ số bước H/D = 0,5

Bảng 0.14. Lực đẩy và momen sinh ra trên trục chân vịt.

Stt Hệ số tiến J Hệ số lực đẩy KT Hệ số mômen KQ Hiệu suất chân vịt η

0,136 0,121 0,179 1 0,1

0,125 0,114 0,260 2 0,15

0,111 0,106 0,333 3 0,2

0,097 0,098 0,396 4 0,25

0,082 0,088 0,446 5 0,3

0,066 0,077 0,475 6 0,35

0,049 0,066 0,474 7 0,4

0,031 0,053 0,413 8 0,45

0,011 0,039 0,230 9 0,5

Hình ảnh tính toán mô phỏng số chân vịt có bước cố định tại các hệ số tiến J

như sau:

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,1

18

Hình 0.11. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.12. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,2

Hình 0.13. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

19

Hình 0.14. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,3

Hình 0.15. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.16. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục.

20

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,4

Hình 0.17. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.18. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,5

Hình 0.19. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

21

Hình 0.20. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

2.3.2. Kết quả tính toán mô phỏng chân vịt hai bước tại tỷ số bước 0,6

Bảng 0.15. Lực đẩy và momen sinh ra trên trục chân vịt

Lực đẩy (N) 22106 20638 19039 17350 15516 13642 11713 9709 7685 Mômen (N.m) 2309 2183 2046 1902 1746 1585 1420 1247 1071 Hệ số lực đẩy KT 0,201 0,188 0,173 0,158 0,141 0,124 0,107 0,088 0,070 Hệ số mômen KQ 0,210 0,199 0,186 0,173 0,159 0,144 0,129 0,113 0,097 Hiệu suất chân vịt η 0,152 0,226 0,296 0,363 0,424 0,479 0,525 0,558 0,571 Stt Hệ số tiến J 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Hình ảnh tính toán mô phỏng số chân vịt có bước cố định tại các hệ số tiến J

như sau:

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,1

Hình 0.21. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

22

Hình 0.22. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,2

Hình 0.23. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.24. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,3

23

Hình 0.25. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.26. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,4

Hình 0.27. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

24

Hình 0.28. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,5

Hình 0.29. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.30. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

25

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,6

Hình 0.31. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.32. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

2.3.3. Kết quả tính toán mô phỏng chân vịt tại các tỷ số bước khác

2.3.3.1. Kết quả tính toán tại tỷ số bước H/D = 0,52

Bảng 0.16. Lực đẩy và momen sinh ra trên trục chân vịt.

Stt Hệ số tiến J Hệ số lực đẩy KT Hệ số mômen KQ Hiệu suất chân vịt η 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,173 0,253 0,327 0,393 0,448 0,489 0,507 0,487 0,398 0,127 0,139 0,131 0,122 0,113 0,102 0,091 0,078 0,065 0,051 0,035 0,151 0,139 0,125 0,111 0,095 0,079 0,062 0,044 0,025 0,005 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55

26

2.3.3.2. Kết quả tính toán tại tỷ số bước H/D = 0,53

Bảng 0.17. Lực đẩy và momen sinh ra trên trục chân vịt.

Stt Hệ số tiến J Hệ số lực đẩy KT Hệ số mômen KQ Hiệu suất chân vịt η 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,166 0,244 0,318 0,385 0,444 0,491 0,524 0,529 0,484 0,361 0,160 0,151 0,141 0,130 0,118 0,106 0,093 0,079 0,064 0,048 0,167 0,154 0,140 0,126 0,110 0,094 0,077 0,058 0,039 0,020 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55

2.3.3.3. Kết quả tính toán tại tỷ số bước H/D = 0,55

Bảng 0.18. Lực đẩy và momen sinh ra trên trục chân vịt.

Stt Hệ số tiến J Hệ số lực đẩy KT Hệ số mômen KQ Hiệu suất chân vịt η 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0,159 0,235 0,307 0,375 0,435 0,488 0,528 0,550 0,544 0,485 0,310 0,183 0,173 0,162 0,150 0,137 0,124 0,110 0,095 0,080 0,063 0,046 0,183 0,170 0,156 0,141 0,125 0,108 0,091 0,073 0,055 0,035 0,015 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

2.3.3.4. Kết quả tính toán tại tỷ số bước 0,59

Bảng 0.19. Lực đẩy và momen sinh ra trên trục chân vịt.

Stt Hệ số tiến J Hệ số lực đẩy KT Hệ số mômen KQ Hiệu suất chân vịt η 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,240 0,227 0,213 0,199 0,183 0,167 0,151 0,134 0,117 0,145 0,216 0,284 0,350 0,411 0,467 0,517 0,555 0,581 0,219 0,205 0,190 0,175 0,158 0,140 0,122 0,104 0,085 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

27

10 11 12 13 0,55 0,6 0,65 0,7 0,066 0,046 0,026 0,004 0,099 0,080 0,060 0,039 0,585 0,552 0,444 0,121

2.4. Kết quả tính toán mô phỏng chân vịt hai bước - bánh lái

2.4.1. Hệ thống chân vịt hai bước - bánh lái tại tỷ số bước H/D = 0,5

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,1

Hình 0.33. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.34. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái

Hình 0.35. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,3

28

Hình 0.36 Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.37. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái

Hình 0.38. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,5

Hình 0.39. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

29

Hình 0.40. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái

Hình 0.41. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

2.4.2. Hệ thống chân vịt hai bước - bánh lái tại tỷ số bước H/D = 0,6

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,1

Hình 0.42. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.43. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái

30

Hình 0.44. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,3

Hình 0.45. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.46. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái

Hình 0.47. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

31

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,5

Hình 0.48. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

Hình 0.49. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái

Hình 0.50. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

 Một số kết quả tính toán tại tỷ số J = 0,7

Hình 0.51. Phân bố áp suất trên mặt đẩy và mặt hút chân vịt.

32

Hình 0.52. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái

Hình 0.53. Phân bố vận tốc trên mặt dọc trục và mặt cắt vuông góc với trục .

33

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN CHÍ CÔNG

NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

PHỤ LỤC 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

3.1. Thông số kỹ thuật của máy CNC CMC50

3.2. Gia công cánh chân vịt

3.3. Gia công bầu chân vịt

3.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chân vịt có bước cố định

3.5. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chân vịt hai bước

3.6. Các hệ số đặc trưng của hai hệ thống chân vịt

Hà Nội – 2021.

34

3.1. Thông số kỹ thuật của máy CNC

Máy phay CNC 3 trục CMC 50 là máy gia công kỹ thuật số có xuất xứ từ Đức được trang bị tại Trung tâm thực hành thí nghiệm của Trường đại học Hàng Hải Việt Nam. Trong luận án, máy CMC 50 được sử dụng để gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao như cánh, bầu chân vịt, đĩa xoay... Các thông số kỹ thuật của máy phay CMC 50 được trình bày trong Bảng 0.20.

Bảng 0.20. Các thông số kỹ thuật chính của máy phay CMC50

Stt 1 2 3 4 5 6 7 Giá trị 500 400 400 350 780x380 5.5 0 - 6000 Đơn vị mm mm mm mm mm Kw mm/phút

8 9 10 Tên Hành trình trục X Hành trình trục Y Hành trình trục Z Khoảng cách từ bàn máy đến trục chính Diện tích bàn máy Công suất động cơ trục chính Tốc độ chạy dao gia công lớn nhất các trục X/Y/Z Tốc độ chạy dao nhnah các trục X/Y/Z Công suất động cơ chạy dao X/Y/Z Kích thước lắp đặt B x T x H m/phút Kw mm

11 12 13 Trọng lượng máy Nguồn điện 3 pha Bộ điều khiển Mitsubishi 70M . 36 1,2/1,2/2 1950 x 2130 x 2155 2300 380 kg V

3.2. Chế tạo cánh

Khác với chân vịt có bước cố định, chân vịt hai bước có cấu tạo phức tạp hơn gồm có bầu, cánh và hệ thống điều khiển góc xoay của cánh do đó các chi tiết của chân vịt hai bước được chế tạo tách rời dưới dạng các mono block sau đó được lắp ghép lại với nhau thành chân vịt hoàn chỉnh. Cánh chân vịt sau khi gia công phải đảm bảo các yếu tố kỹ thuật như đảm bảo góc xoắn của cánh, biên dạng của các profile tại các tiết diện, sai số về khối lượng giữa các cánh, và phải đảm bảo sự đồng tâm giữa các cánh sau khi lắp ráp lên bầu. Để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật trên phôi cánh chân vịt phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như sau:

 Chi tiết có đủ độ cứng vững để khi gia công không bị biến dạng dưới tác dụng

của lực cắt của dao gia công, lực kẹp của đồ gá;

 Bề mặt chuẩn có đủ diện tích và đủ độ cứng vững đảm bảo chi tiết không bị lật, biến dạng. Đồng thời cho phép thực hiện nhiều nguyên công khi dùng bề mặt đó làm chuẩn và đảm bảo quá trình gá đặt nhanh;

 Kết cấu thuận lợi cho việc chọn chuẩn thô và chuẩn tinh.

35

Quy trình công nghệ chế tạo cánh chân vịt hai bước gồm có 8 bước Bảng 0.21.

Bảng 0.21. Các bước công nghệ gia công cánh chân vịt

Stt Tên các nguyên công

1 Chế tạo mẫu

2 Đúc Phôi

3 Phay bề mặt đẩy của cánh và 1 nửa chân cánh

4 Phay phẳng 2 chân phụ đầu cánh để khoan lỗ đế cánh

5 Phay nửa đế cánh còn lại

6 Khoan 6 lỗ ở chân cánh

7 Phay mặt hút của chân vịt và cắt đứt 4 chân phụ

8 Kiểm tra

Để tiết kiệm thời gian gia công công trên máy CNC và đảm bảo độ chính xác cho cánh chân vịt khi gia công, cánh chân vịt sau khi được thiết kế kỹ thuật 3D trên máy tính sẽ được thêm vào một lượng dư công nghệ nhất định và một số phần phụ khác để đảm bảo cho việc chọn chuẩn, gá đặt, định vị trong quá trình gia công. Sau đó mô hình 3D này được phay trên máy CNC để làm mẫu đúc cánh cánh chân vịt, mẫu cánh chân vịt và phôi cánh sau khi đúc xong Bảng 0.20.

Hình 0.54. Mẫu và phôi cánh chân vịt sau khi đúc.

Cánh chân vịt sau khi đúc phôi được gia công trên máy CNC 3 trục tại phòng thí nghiệm Viện Cơ Khí, Trường đại học Hàng Hải Việt Nam. Để xây dựng chương trình gia công CNC mô hình phôi cánh và sản phẩm 3D sau khi thiết kế được đưa vào mô đun gia công trong phần mềm NX để mô phỏng và xuất mã chương trình gia công. Các thông số chính của máy CNC, và chương trình gia công cánh chân vịt

36

được trình bày trong phụ lục 4 của luận án. Các thông số chính của dao và chế độ cắt khi gia công cánh chân vịt tại các bước công nghệ gồm chế độ gia công thô và chế độ gia công tinh Bảng 0.22.

Bảng 0.22. Dao cắt và chế độ gia công cánh chân vịt trên máy CNC.

Stt Bước công nghệ Máy Dao n(v/ph) Sv(mm/vòng) t(mm)

Phay thô 1,8 52,5 20.6 2000 CH- VMV50

Phay tinh 3000 0,8 0,2 10 Nguyên công 2 CH- VMV50

Phay chân 3000 0,8 0,2 6 CH- VMV50

0,8 0,2 20.6 2000 CH- VMV50 Nguyên công 3 Phay phẳng 2 chân phụ ở trên đầu cánh

0,8 0,2 20.6 2000 Nguyên công 4 Phay nửa mặt đế cánh còn lại CH- VMV50

lỗ ở 2000 0,8 0,2 10 Nguyên công 5 Khoan 6 chân cánh CH- VMV50

1500 1,8 0,03 10 Nguyên công 6 CH- VMV50 Phay mặt hút và cắt đứt 4 chân phụ

Cánh chân vịt hai bước là mặt cong ba chiều phức tạp đối với những chi tiết như vậy thông thường sẽ được gia công trên máy CNC 5 trục. Trong máy CNC 5 trục phôi đứng yên và các trục có lắp dao cụ chuyển động thực hiện quá trình cắt gọt. Tuy nhiên trong quá trình khảo sát NCS thấy rằng cánh chân vịt hai bước có thể gia công được trên máy CNC 3 trục, do đó NCS đã cải tiến quy trình công nghệ và sử dụng máy CNC 3 trục CH-VMV50 để gia công cánh chân vịt hai bước. Các thông số kỹ thuật chính của máy phay CNC 3 trục CH-VMV50 được trình bày trong Bảng 0.20. Dưới đây là một số hình ảnh của cánh chân vịt trong quá trình gia công.

Sau khi gia công xong hai bề mặt cánh chân vịt và đế cánh chân vịt là quá trình khoan lỗ bắt bulong liên kết cánh chân vịt với đĩa xoay của hệ thống điều khiển bước cánh. Các thông số của dao gia công và chế độ cắt của quá trình khoan lỗ bắt bulong Bảng 0.22.

37

Hình 0.55. Máy phay CNC 3 trục CH-VMC50 và quá trình gá đặt phôi trên máy.

Hình 0.56. Quá trình gia công mặt hút và mặt đẩy cánh chân vịt

Hình 0.57. Quá trình khoan lỗ bắt bulong và cánh chân vịt sau khi hoàn thiện.

38

3.3. Chế tạo bầu chân vịt

Bầu chân vịt hai bước là chi tiết dạng tròn xoay có nhiệm vụ giữ các cánh cố định, bảo vệ cơ cấu điều khiển bước cánh không bị nước biển ăn mòn trong quá trình hoạt động. Để thuận tiện cho quá trình lắp ráp, bầu chân vịt hai bước được chia thành 2 phần chính là thân bầu và mũ bầu, kết cấu của thân bầu chân vịt hai Hình 0.58.

Trên thân bầu có nhiều mặt phải gia công với độ chính xác khác nhau và cũng có nhiều bề mặt không phải gia công. Bề mặt làm việc chủ yếu là 3 lỗ ở thân Ф190, 6 lỗ trên mặt E cần gia công chính xác để làm mặt chuẩn gia công. Mặt trên của thân bầu cần phải gia công chính xác các mặt để đảm bảo khi lắp ghép với các mặt làm việc tiếp xúc khác đảm bảo có khoảng cách để tránh hiện tượng siêu định vị. Yêu cầu về độ nhám, sai số kích thước hình học của các mặt cần gia công của chi tiết thân bầu là:

 Các kích thước đảm bảo về dung sai: chiều dài thân bầu 274,5±0.405; lỗ

Ф224+0,46;Φ190±0.23; Ф172+0,04; Ф170+0,46; Ф180+0,46; Ф194+0,46; Φ200; Φ8 sâu 6;

 Lỗ Ф224+0,46;Φ190±0.23 cần phải có Rz = 20;

 Bề mặt cong ngoài phải có Ra=3,2;

 Bề mặt cong trong phải có Ra=1,25.

Hình 0.58. Bản vẽ công nghệ bầu chân vịt hai bước.

39

Tương tự như cánh chân vịt thân bầu cũng được đúc phôi sau đó gia công tinh trên máy CNC 3 trục. Các thông số của dao cắt và quy trình gia công bầu chân vịt Bảng 0.23.

Bảng 0.23.Các nguyên công, dao cắt, và chế độ gia công thân bầu chân vịt

Công việc thực hiện Thông số dao cắt

Tên nguyên công

Phay mặt đầu bầu chân vịt D = 100 (mm)

Nguyên công 1

Phay mặt E, B

Khoan 6 lỗ M12x1,75

Nguyên công 2

Taro 6 lỗ M12x1,75

Phay mặt A

Khoan 4 lỗ ren M10x1.5

Nguyên công 3

Taro 4 lỗ ren M10x1.5

Phay 3 lỗ Ф172 và 3 lỗ Ф194

Nguyên công 4

B = 39 (mm) d(H7) = 32 (mm) Số răng: 10 Đường kính dao d = 14 mm Chiều dài tổng cộng 111 mm Chiều dài phần có lưỡi cắt: l = 26 mm Số răng Z = 3 răng Đường kính d: 15 mm Chiều dài L: 20÷131 mm Chiều dài phần làm việc: 3÷60 mm Đường kính: 12 mm Bước ren: 1.75 mm Chiều dài dao: 72 mm Chiều dài phần làm việc: 22 mm Đường kính dao d = 14 mm Chiều dài tổng cộng 111 mm Chiều dài phần có lưỡi cắt: l = 26 mm Số răng Z = 3 răng Đường kính: 8.5 mm Chiều dài: 20÷131 mm Chiều dài phần làm việc: 3÷60 mm Đường kính: 10 mm Bước ren: 1.5 Chiều dài dao: 72 mm Chiều dài phần làm việc: 22 mm Đường kính dao d = 14 mm Chiều dài tổng cộng 111 mm Chiều dài phần có lưỡi cắt: l = 26 mm Số răng Z = 3 răng

40

Dưới đây là một số hình ảnh, phôi và quá trình gia công thân bầu chân vịt

Hình 0.59. Quá trình gá lắp thân bầu chân vịt trên máy CNC.

Hình 0.60. Thân bầu sau khi hoàn thiện.

3.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chân vịt có bước cố định

Bảng 0.24. Các thông số trên trục chân vịt có bước cố định tại chế độ kéo lưới

Stt n (rpm) Q (kN.m) T(kN) V (Knot)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 630 628 630 629 628 630 629 630 628 1,118 1,138 1,116 1,143 1,141 1,118 1,113 1,114 1,116 11,4 11,4 11,2 11,4 11,5 11,1 11,4 11,4 11,2 PQ (kW) 73,76 74,84 73,63 75,17 75,04 73,76 73,43 73,49 73,39 5,15 5,05 5,14 5,06 5,13 5,07 5,15 5,05 5,14

41

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 630 628 628 630 629 630 628 630 628 629 630 75,28 73,52 75,17 75,34 73,76 73,43 73,52 73,43 73,52 73,76 73,43 5,06 5,13 5,07 5,06 5,12 5,07 5,12 5,05 5,14 5,08 5,13 1,141 1,118 1,143 1,142 1,118 1,113 1,118 1,113 1,118 1,118 1,113 11,2 11,4 11,5 11,1 11,4 11,4 11,2 11,2 11,4 11,5 11,1

Bảng 0.25. Các thông số trên trục chân vịt có bước cố định tại chế độ chạy tự

do

Stt n (rpm) Q (kN.m) T(kN) PQ (kW) V (Knot) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 60,70 61,82 60,37 62,34 62,02 60,70 60,37 60,24 60,56 62,02 60,70 62,34 62,08 60,50 60,37 60,50 60,37 60,50 60,70 60,37 0,92 0,94 0,918 0,945 0,943 0,92 0,915 0,916 0,918 0,943 0,92 0,945 0,944 0,92 0,915 0,92 0,915 0,92 0,92 0,915 7,18 7,08 7,17 7,09 7,16 7,1 7,18 7,08 7,17 7,09 7,16 7,1 7,09 7,15 7,1 7,15 7,08 7,17 7,11 7,16 630 628 628 630 628 629 630 628 630 628 630 629 628 628 630 629 630 628 630 629 8,2 8,2 8 8,2 8,3 7,9 8,2 8,2 8 8 8,2 8,3 7,9 8,2 8,2 8 8 8,2 8,3 7,9

Bảng 0.26. Lượng tiêu hao nhiên liệu theo thời gian của chân vịt có bước cố định ở chế độ chạy tự do

Stt Thời gian (phút) Lượng nhiên liệu tiêu hao (lít) 1 2 3 4 5 00:15:00 00:20:00 00:25:00 00:30:00 00:35:00 498,49 497,75 496,98 496,21 495,45

42

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 00:40:00 00:45:00 00:50:00 00:55:00 00:60:00 01:05:00 01:10:00 01:15:00 01:20:00 01:25:00 01:30:00 01:35:00 01:40:00 01:45:00 01:50:00 494,69 493,95 493,21 492,48 491,72 490,97 490,23 489,49 488,74 487,98 487,22 486,44 485,7 484,93 484,19

Bảng 0.27. Lượng tiêu hao nhiên liệu theo thời gian của chân vịt có bước cố định ở chế độ kéo lưới

Stt Thời gian (phút) Lượng nhiên liệu tiêu hao (lít) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 00:15:00 00:20:00 00:25:00 00:30:00 00:35:00 00:40:00 00:45:00 00:50:00 00:55:00 00:60:00 01:05:00 01:10:00 01:15:00 01:20:00 01:25:00 01:30:00 01:35:00 01:40:00 01:45:00 01:50:00 498,16 497,27 496,31 495,42 494,49 493,59 492,66 491,75 490,80 489,91 488,97 488,06 487,12 486,24 485,31 484,42 483,47 482,58 481,65 480,74

43

3.5. Kết quả thực nghiệm chân vịt hai bước

Bảng 0.28. Các thông số trên trục chân vịt hai bước tại chế độ kéo lưới H/D = 0,5

Stt n (rpm) Q (kN.m) T(kN) PQ (kW) V (Knot) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 70,13 71,22 69,78 71,78 71,42 70,13 69,80 69,64 69,78 71,65 69,91 71,78 71,71 69,91 69,80 69,91 69,80 70,13 69,91 69,58 1,063 1,083 1,061 1,088 1,086 1,063 1,058 1,059 1,061 1,086 1,063 1,088 1,087 1,063 1,058 1,063 1,058 1,063 1,063 1,058 5,15 5,07 5,15 5,05 5,14 5,06 5,13 5,07 5,06 5,12 5,07 5,12 5,05 5,14 5,08 5,13 5,07 5,15 5,05 5,14 11 11 10,8 11 11,1 10,7 11 11 10,8 10,8 11 11,1 10,7 11 11 10,8 10,8 11 11,1 10,7 630 628 628 629 628 629 630 628 628 630 628 630 629 628 630 628 630 630 628 628

Bảng 0.29.Các thông số trên trục chân vịt hai bước tại chế độ chạy tự do H/D = 0,6.

Stt n (rpm) Q (kN.m) T(kN) PQ (kW) V (Knot) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 11,27 11,19 11,27 11,17 11,26 11,18 11,25 11,19 11,18 11,24 11,19 11,24 11,17 11,26 11,2 11,25 86,16 87,48 85,76 87,81 87,40 86,16 85,83 85,62 85,76 87,68 85,89 87,81 87,47 86,16 85,83 86,16 1,306 1,326 1,304 1,331 1,329 1,306 1,301 1,302 1,304 1,329 1,306 1,331 1,33 1,306 1,301 1,306 630 630 628 629 628 630 629 628 628 630 628 630 628 630 628 630 8,4 8,4 8,2 8,4 8,5 8,1 8,4 8,4 8,2 8,2 8,4 8,5 8,1 8,4 8,4 8,2

44

17 18 19 20 629 630 629 630 1,301 1,306 1,306 1,301 8,2 8,4 8,5 8,1 85,83 86,16 86,16 85,83 11,19 11,27 11,17 11,26

Bảng 0.30. Lượng tiêu hao nhiên liệu theo thời gian của chân vịt hai bước ở chế độ chạy tự do

Stt Thời gian Lượng nhiên liệu tiêu hao (lít) 00:15:00 1 00:20:00 2 00:25:00 3 00:30:00 4 00:35:00 5 00:40:00 6 00:45:00 7 00:50:00 8 9 00:55:00 10 00:60:00 11 01:05:00 12 01:10:00 13 01:15:00 14 01:20:00 15 01:25:00 16 01:30:00 17 01:35:00 18 01:40:00 19 01:45:00 20 01:50:00 498,74 498,125 497,48 496,875 496,24 495,635 494,99 494,375 493,72 493,115 492,47 491,855 491,2 490,615 489,98 489,375 488,72 488,125 487,48 486,865

Bảng 0.31. Lượng tiêu hao nhiên liệu theo thời gian của chân vịt hai bước ở chế độ kéo lưới

Stt Thời gian Lượng nhiên liệu tiêu hao (lít) 00:15:00 1 00:20:00 2 00:25:00 3 00:30:00 4 00:35:00 5 00:40:00 6 00:45:00 7 00:50:00 8 9 00:55:00 10 00:60:00 11 01:05:00 498,07 497,14 496,14 495,21 494,24 493,30 492,32 491,37 490,38 489,45 488,47

45

12 01:10:00 13 01:15:00 14 01:20:00 15 01:25:00 16 01:30:00 17 01:35:00 18 01:40:00 19 01:45:00 20 01:50:00 487,52 486,53 485,61 484,64 483,71 482,72 481,79 480,81 479,86

3.6. Các hệ số đặc trưng của hai hệ thống chân vịt

3.6.1. Các hệ số đặc trưng của chân vịt có bước cố định

Bảng 0.32. Hệ số mô men của chân vịt có bước cố định tại chế độ kéo lưới

Stt Q (kN.m) V (Knot) Hệ số tiến J Hệ số mô men KQ Hệ số lực đẩy KT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0,0101 0,0104 0,0101 0,0104 0,0104 0,0101 0,0101 0,0101 0,0102 0,0103 0,0102 0,0104 0,0104 0,0101 0,0101 0,0102 0,0101 0,0102 0,0101 0,0101 0,1037 0,1037 0,1019 0,1037 0,1046 0,1010 0,1037 0,1037 0,1019 0,1019 0,1037 0,1046 0,1010 0,1037 0,1037 0,1019 0,1019 0,1037 0,1046 0,1010 0,252 0,248 0,252 0,249 0,252 0,248 0,252 0,247 0,253 0,248 0,252 0,249 0,248 0,251 0,248 0,252 0,247 0,253 0,249 0,251 1,118 1,138 1,116 1,143 1,141 1,118 1,113 1,114 1,116 1,141 1,118 1,143 1,142 1,118 1,113 1,118 1,113 1,118 1,118 1,113 5,15 5,05 5,14 5,06 5,13 5,07 5,15 5,05 5,14 5,06 5,13 5,07 5,06 5,12 5,07 5,12 5,05 5,14 5,08 5,13

Bảng 0.33. Hệ số mô men của chân vịt có bước cố định tại chế độ chạy tự do

Stt Q (kN.m) V (Knot) Hệ số tiến J Hệ số mô men KQ Hệ số lực đẩy KT 1 2 3 4 5 6 7 0,00834 0,00858 0,00833 0,00863 0,00861 0,00834 0,00830 0,3518 0,3480 0,3513 0,3484 0,3519 0,3478 0,3518 0,0746 0,0746 0,0728 0,0746 0,0755 0,0719 0,0746 0,92 0,94 0,918 0,945 0,943 0,92 0,915 7,18 7,08 7,17 7,09 7,16 7,1 7,18

46

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0,916 0,918 0,943 0,92 0,945 0,944 0,92 0,915 0,92 0,915 0,92 0,92 0,915 7,08 7,17 7,09 7,16 7,1 7,09 7,15 7,1 7,15 7,08 7,17 7,11 7,16 0,3469 0,3524 0,3473 0,3519 0,3489 0,3473 0,3503 0,3478 0,3514 0,3469 0,3524 0,3483 0,3508 0,00831 0,00838 0,00855 0,00840 0,00863 0,00856 0,00834 0,00830 0,00840 0,00830 0,00840 0,00834 0,00830 0,0746 0,0728 0,0728 0,0746 0,0755 0,0719 0,0746 0,0746 0,0728 0,0728 0,0746 0,0755 0,0719

3.6.2. Các hệ số đặc trưng của chân vịt hai bước

Bảng 0.34. Hệ số mô men của chân vịt hai bước tại chế độ kéo lưới với H/D = 0,5.

Stt Q (kN.m) V (Knot) Hệ số tiến J Hệ số mô men KQ Hệ số lực đẩy KT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0,0096 0,0099 0,0097 0,0099 0,0099 0,0096 0,0096 0,0097 0,0097 0,0099 0,0097 0,0099 0,0099 0,0097 0,0096 0,0097 0,0096 0,0096 0,0097 0,0097 0,1001 0,1001 0,0983 0,1001 0,1010 0,0974 0,1001 0,1001 0,0983 0,0983 0,1001 0,1010 0,0974 0,1001 0,1001 0,0983 0,0983 0,1001 0,1010 0,0974 0,252 0,249 0,253 0,247 0,253 0,248 0,251 0,249 0,249 0,251 0,249 0,251 0,247 0,253 0,249 0,252 0,248 0,252 0,248 0,253 1,063 1,083 1,061 1,088 1,086 1,063 1,058 1,059 1,061 1,086 1,063 1,088 1,087 1,063 1,058 1,063 1,058 1,063 1,063 1,058 5,15 5,07 5,15 5,05 5,14 5,06 5,13 5,07 5,06 5,12 5,07 5,12 5,05 5,14 5,08 5,13 5,07 5,15 5,05 5,14

Bảng 0.35. Hệ số mô men của hệ thống chân vịt hai bước tại chế độ chạy tự do.

Stt Q (kN.m) V (Knot) Hệ số tiến J Hệ số mô men KQ Hệ số lực đẩy KT 1 2 3 0,0118 0,0121 0,0119 0,0837 0,0837 0,0819 0,552 0,550 0,554 1,306 1,326 1,304 11,27 11,19 11,27

47

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1,331 1,329 1,306 1,301 1,302 1,304 1,329 1,306 1,331 1,33 1,306 1,301 1,306 1,301 1,306 1,306 1,301 11,17 11,26 11,18 11,25 11,19 11,18 11,24 11,19 11,24 11,17 11,26 11,2 11,25 11,19 11,27 11,17 11,26 0,547 0,553 0,548 0,551 0,550 0,549 0,551 0,550 0,551 0,547 0,553 0,549 0,553 0,548 0,552 0,549 0,553 0,0121 0,0121 0,0118 0,0118 0,0119 0,0119 0,0121 0,0119 0,0121 0,0121 0,0119 0,0118 0,0119 0,0118 0,0118 0,0119 0,0119 0,0837 0,0846 0,0810 0,0837 0,0837 0,0819 0,0819 0,0837 0,0846 0,0810 0,0837 0,0837 0,0819 0,0819 0,0837 0,0846 0,0810

48

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN CHÍ CÔNG

NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

PHỤ LỤC 4: CÁC GIẤY TỜ KIỂM ĐỊNH

4.1. Giấy kiểm định vật liệu chế tạo chân vịt

4.2. Hồ sơ tàu cá nghiên cứu thực nghiệm

Hà Nội – 2021.

49

4.1. Giấy kiểm định vật liệu chế tạo chân vịt

50

51

52

4.2. Hồ sơ tàu cá nghiên cứu thực nghiệm

53

54

55

56

57

58