169 Ch ơng 22 Chong chóng trong đạo l u 22.1. Các đặc tính hình học của hệ chong chóng - đạo lKu. Nhằm nâng cao hiệu suất của chong chóng khi nó làm việc với tải trọng trung bình và lớn ng ời ta sử dụng rộng rãi hệ chong chóng - đạo l u cố định hoặc xoay. Đạo l u là một cánh hình vòng bao lấy chong chóng và các cánh dẫn h ớng dòng chảy (Xem H12.6). Mặt cắt dọc đạo l u là một prôphin thuỷ động (Xem H22.1), mặt lồi của nó h ớng vào phía trong đạo l u. Các yếu tố hình học chính của đạo l u: đ ờng kính D D và bán kính R D xác định theo mặt cắt hẹp nhất của nó; chiều dài đạo l u l D ; đ ờng kính mặt cắt cửa vào D DE và cửa ra D DR ; chiều dày lớn nhất của prôphin đạo l u t Dmax và góc mở cửa ra của đạo l u g; khoảng cách từ mép cửa vào của prôphin đạo l u đạo l u tới mặt đĩa của chong chóng l DE ; khe hở giữa đỉnh cánh chong chóng và thành trong đạo l u D = R D - R, (R là bán kính của chong chóng). Để đánh giá ảnh h ởng của các yếu tố hình học của đạo l u tới các đặc tính thuỷ động lực của cả hệ ng ời ta sử dụng các thông số không thứ nguyên: hệ số mở vào ( ) 2 DDE DD= a , hệ số mở ra ( ) 2 DDR DD= b , chiều dài t ơng đối của đạo l u DDD Dll = , chiều dài t ơng đối của đĩa chong chóng với mép vào DDE ll , chiều dày t ơng đối lớn nhất của prôphin DmaxDD lt= d , chiều dài t ơng đối của đoạn hình trụ tròn DDC ll . Các đặc tính hình học không thứ nguyên của đạo l u th ờng thay đổi trong các giới hạn sau đây: 8,06,0l D á= ; 39,132,1 á = a ; 15,112,1 á = b ; 375,035,0ll DDE á= ; .l125,0t DmaxD = Chong chóng nằm trong mặt cắt hẹp nhất của đạo l u với khe hở nhỏ, cụ thể trị số trung bình của D/R = 1,0 á 1,4%. Đạo l u th ờng ngàm cứng vào thân tàu, trong tr ờng hợp này gọi là đạo l u cố định. Đạo l u quay cũng đ ợc áp dụng rộng rãi, nó làm thiết bị đẩy đồng thời thay thế bánh lái của tàu và là bộ phận điều khiển tàu. Việc áp dụng chong chóng đặt trong đạo l u dùng cho cả cho đuôi vòm. Đạo l u th ờng đ ợc chế tạo bằng thép tấm đ ợc hàn lại thành vỏ và có các khung x ơng ngang dọc của đạo l u. Đối với tàu nhỏ đôi khi đạo l u đ ợc làm bằng gỗ. 22.2. Các đặc tính động học, động lực học, cơ thuỷ học của hệ chong chóng - đạo lKu. Khi chong chóng làm việc trong đạo l u ở giới hạn qui định, hiệu suất làm việc của cả hệ sẽ cao hơn hiệu suất làm việc của chong chóng đơn độc. Mỗi phần tử của đạo l u Hình 22.1. Prôfin và các đặc tính hình học cơ bản của đạo l u. 170 là phần tử cánh đ ợc bao bởi dòng chảy ở góc tới a, do đó trên prôphin xuất hiện lực nâng dY và lực cản prôphin dX (Xem H22.2). Tổng lực thuỷ động dR trên prôphin bằng tổng của dY và dX; khi tải trọng lớn nó h ớng theo chiều chuyển động và cho thành phần lực đẩy dT D , lực này cũng h ớng về phía chuyển động do phần tử đang xét tạo ra. Lực đẩy của hệ chong chóng - đạo l u đ ợc viết: T T = T + T D (22.2.1) Khi tăng tải trọng độ xiên của dòng chảy tăng lên đồng thời góc tới cũng tăng, khiến lực đẩy của đạo l u tăng thêm. Đạo l u tạo lên lực đẩy khoảng 40 á50% lực đẩy của cả hệ ở chế độ buộc và 30 á 40% trên các tàu kéo khi kéo hàng, khiến nâng cao đáng kể các đặc tính đẩy của cả hệ. Tính chất quan trọng khác là đạo l u làm thay đổi tốc độ trung bình của dòng chất lỏng ST v qua mặt cắt thuỷ lực của thiết bị đẩy ở nơi đặt nó. Đạo l u có thể tạo ra dòng chảy tăng tốc, trung bình hoặc giảm tốc. Kiểu đạo l u về cơ bản đ ợc xác định bằng hệ số mở cửa ra, mà đối với đạo l u trung bình trị số của nó phụ thuộc vào tải trọng và thay đổi từ 85,0 @ b cho C TTI = 1,0 đến 88,0 @ b cho C TTI = 10. Đối với đạo l u tăng tốc b>b trung bình , còn đối với đạo l u giảm tốc b<b trung bình . Hiệu suất làm việc cảm ứng của cả hệ có thể biểu diễn qua tốc độ trung bình ST v theo công thức của B.M. (xem ch ơng 15). ( ) ( ) STDTTI OI vvC411 1 + = h (22.2.2) Trong đó: C TTI hệ số tải trọng của cả hệ theo lực đẩy, v D tốc độ tịnh tiến của hệ. Đối với chong chóng đơn độc tỷ số AS vv chỉ phụ thuộc vào hệ số tải trọng, còn đối với chong chóng đạo l u tỷ số đó còn phụ thuộc vào hệ số b. Hình 22.3 trình bày đ ờng cong hiệu suất làm việc cảm ứng phụ thuộc vào hệ số tải trọng ở các tỷ số DST vv khác nhau. Vùng gạch chéo là vùng biến đổi b th ờng gặp trong thực tế, b từ 1,15 (đạo l u tăng tốc) tới 0,4 (giảm tốc). Đ ờng gián đoạn là hiệu suất làm việc phụ thuộc và C TTI cho đạo l u trung bình. Từ các số liệu này cần thấy rằng việc áp dụng các đạo l u tăng tốc cho phép nâng cao hiệu suất làm việc cảm ứng h OI so với loại trung bình h I , trong đó càng tăng hệ số tải trọng tỷ số h OI /h I càng tăng. Cuối cùng ta nhận thấy rằng khi chong chóng làm việc trong đạo l u với khe hở rất bé dòng chất lỏng chảy qua đỉnh cánh giảm đáng kể và hiệu suất làm việc cảm ứng t ơng ứng tăng lên. Các thí nghiệm cho biết rằng l ợng tăng hiệu suất làm việc thực tế của hệ chong chóng đơn độc xảy ra khi C TT > 2. Càng tăng C TT hiệu quả của hệ tăng lên. Ví dụ khi C TT = 6,0 hiệu suất làm việc cả hệ cao hơn hiệu suất của chong chóng đơn độc 15 á Hình 22.2. Sơ đồ lực tác dụng lên phần tử của đạo l u. Hình 22.3. Đuờng cong hiệu suất làm việc của chong chóng lý t ởng và hệ chong chóng- đạo l u phụ thuộc vào hệ số tải và tỉ số 171 17%. Chính những điều đó mà đạo l u không những đ ợc áp dụng rộng rãi trên các tàu kéo, đánh cá mà cả trên các tàu hàng cỡ lớn. Thông số động học cơ bản mà chế độ làm việc của hệ phụ thuộc vào đó là b ớc tiến t ơng đối của hệ J D đ ợc xác định theo tốc độ tịnh tiến của hệ so với chất lỏng: ( ) nD W1v nD v J DD D - == (22.2.3) Trong đó: v tốc độ của tàu; W D hệ số dòng theo tính toán xác định bằng thực nghiệm. Đặc tính động lực của hệ gồm lực đẩy của hệ T T , lực đẩy của chong chóng T và lực đẩy của đạo l u T D . T T = T + T D = T(1+t D ) (22.2.4) t D = T D /T gọi là hệ số hút của đạo l u. Khi hệ làm việc sau thân tàu lực cản của tàu tăng thêm một l ợng bằng lực hút DR, thực vậy T T = T E + DR (22.2.5) Trong đó: T E lực kéo có ích. Khi có sự t ơng tác giữa hệ với thân tàu, hệ số hút đ ợc tính nh sau: D E T E T T TT T 1 T TT T R t + -= - == D (22.2.6) Từ đó có thể nhận đ ợc: T T = T E /(1 - t T ) (22.2.7) T E = T T (1 - t T ) = T(1 + t D )(1 - t T ) Hiệu quả sử dụng công suất truyền vào chong chóng đ ợc xác định bằng hiệu suất làm việc trong n ớc tự do của hệ. ( ) n2Q vTT Q vT T DD T DT OD pW h + == (22.2.8) Trong đó: Q T mômen xoắn trên chong chóng khi làm việc trong đạo l u. Hiệu suất đẩy của hệ chong chóng - đạo l u - thân tàu đ ợc tính theo công thức: ( ) Wh TBED QvT= (22.2.9) Trong đó: Q TB mômen xoắn trên chong chóng khi hệ làm việc sau thân tàu. Khi chú ý đến mối quan hệ giữa v và v D , giữa T E và T ta nhận đ ợc: ODHD Q OD D T Q D i 1 W1 t1 i 1 hhhh = - - = (22.2.10) Trong đó: ( ) ( ) DTHD W1t1 = h - hiệu suất ảnh h ởng của thân tàu; i Q hệ số ảnh h ởng của tr ờng tốc độ không đồng đều tới mômen của chong chóng. Các đặc tính của hệ đ ợc biểu diễn d ới dạng không thứ nguyên, bằng cách chia tất cả các lực cho 42 Dn r với mômen cho 52 Dn r , ta có: K TT = K T + K TD = K T (1 + t D ) (22.2.11) Trong đó: K T hệ số lực đẩy của chong chóng; K TD hệ số lực đẩy của đạo l u. Hiệu suất của hệ: pp h 2 J K KK 2 J K K D Q TDTD Q TT OD + == (22.2.12) Các công thức trên đều xác định bằng thí nghiệm. Hình 22.4 trình bày các kết quả thể hệ độc lập trong n ớc tự do. Ng ời ta thử hai chong chóng với Z = 4; A E /A 0 = 0,55; P/D = 0,8 và 1,2 trong đạo l u 6,0l D =; a = 1,32; b = 1,12. 172 Hình 22.4. Các đ ờng cong làm việc của hệ chong chóng- đạo l u trong n ớc tự do hệ chong chóng- đạo l u chong chóng đơn độc 22.3. Đặc điểm thiết kế hệ chong chóng - đạo lKu. Hiện nay ng ời ta áp dụng ba ph ơng pháp thiết kế hệ chong chóng đạo l u: Theo kết quả thử hàng loạt các mô hình của hệ trong n ớc tự do có các đặc điểm hình học và kết cấu khác nhau. Theo các đồ thị thử hàng loạt mô hình chong chóng làm việc độc lập. Theo lý thuyết xoáy. Trong mục này ta chỉ xét ph ơng pháp thứ nhất. Ng ời ta đã xây dựng đ ợc các đồ thị dành cho việc thiết kế chong chóng - đạo l u để xác định các phần tử tối u của hệ đẩy, t ơng tự nh các đồ thị của chong chóng tự do. Hình 22.5 trình bày theo kết quả thử hệ trong n ớc tự do có A E /A 0 = 0,58, tỷ số b ớc thay đổi từ 0,7 á 1,5, cánh chong chóng hình l ỡi đao, khe hở t ơng đối bằng 0,01; hệ số lực đẩy K TT = K T + K TD phụ thuộc J D khi tỷ số b ớc P/D cố định. Hình 22.5. Đồ thị để tính các đặc tính thuỷ động lực của hệ chong chóng- đạo l u Z = 4; A E /A o = 0,58; l D = 0,60; a = 1,32; b = 1,12; l DE /l D = 0,35; l DC /l D = 0,19; d D = 0,125 173 Hình 22.6 trình bày cho đạo l u và nhóm chong chóng đó, trên đó có vẽ đ ờng cong hệ số hút t D của đạo l u. Hình 22.5. Đồ thị để tính hệ số hút t D của hệ chong chóng- đạo l u Z = 4; A E /A o = 0,58; l D = 0,60; a = 1,32; b = 1,12; l DE /l D = 0,35; l DC /l D = 0,19; d D = 0,125 Để tìm đ ờng kính tối u hoặc vòng quay tối u của chong chóng trên đồ thị còn có các đ ờng D opt và n opt . Các trị số tính toán: TTDTDDT KJTDvK == r , (22.3.1) để tính n opt ( ) 4 TTD 4 TDNT KJTnvK == r , (22.3.2) để tính D opt . Các hệ số t ơng tác cho kết quả khá chính xác trong quá trình thử mô hình. Trong các giai đoạn thiết kế ban đầu ta có thể sử dụng: Đối với tàu một trục: W D = 0,7W T ; t T = 0,7t khi g 30 0 ; (22.3.3) W D = 0,8W T ; t T = t khi g > 30 0 ; Đối với tàu hai trục: W D = (1,1 á 1,2)W T ; t T = t khi j = 5 á 10 0 ; (22.3.4) W D = (1,1 á 1,2)W T ; t T = (1,1 á 1,15)t khi j = 10 á 15 0 ; ở đây: g - góc giữa tiếp tuyến với nhánh đ ờng n ớc đuôi và mặt phẳng đối xứng của tàu nơi đặt đạo l u; j - góc giữa trục đạo l u và tiếp tuyến với đ ờng cắt dọc tại nơi đặt đạo l u; hệ số i Q đ ợc lấy bằng 30. Lực kéo có ích T E và tốc độ v của tàu theo quan hệ: T E = T E /(1 t T ); v D = v(1 W D ); (22.3.5) Đối với hệ chong chóng - đạo l u nên lấy D opt nhỏ nhất nếu đ ợc, còn n opt lớn nhất. Trên đồ thị ta xác định đ ợc J; P/D và J OD để có thể tính: D opt = v D /(nJ D ) hoặc n opt = v D /(DJ D ) (22.3.6) và cuối cùng tính hiệu suất đẩy, cũng nh công suất tiêu thụ: ( ) ( ) [ ] ODDTD W1t1 hh = ; DED vTP h = (22.3.7) 174 T ơng tự có thể giải đ ợc bài toán chọn các yếu tố tối u của chong chóng trong đạo l u tìm tốc độ lớn nhất của tàu khi sử dụng hết công suất dự kiến. Sự xâm thực của chong chóng trong đạo l u phụ thuộc vào hình dáng của đạo l u và tải trọng của hệ. Đối với những đạo l u dùng cho tàu cao tốc th ờng hệ số tải trọng C TT = 2 á 3 các điều kiện phát triển xâm thực của chong chóng trong đạo l u so với chong chóng độc lập hầu nh giống nhau. Khi C TT 2,2 khả năng xâm thực đối với chong chóng trong đạo l u dễ dàng hơn, nên cần tăng tỷ số đĩa cho chong chóng trong đạo l u so với chong chóng độc lập. Khi C TT > 3,0 khả năng xuất hiện xâm thực giảm bớt nên có thể giảm tỷ số đĩa của chong chóng trong đạo l u. Đối với những tải trọng t ơng đối bé tỷ số đĩa của chong chóng trong đạo l u có thể tìm theo công thức gần đúng: ( ) 5,2C;C14,12,1AA TTTT0E0 Ê+= s (22.3.8) Trong đó: s 0 số xâm thực của chong chóng. Đối với những tàu kéo đẩy, tốc độ ST v nhỏ hơn S v bằng cách sử dụng các chong chóng đạo l u cho phép tránh đ ợc nguồn gốc xảy ra xâm thực. Hệ chong chóng đạo l u đã có thêm b ớc tiến mới bằng cách áp dụng những đạo l u không đối xứng trục (méo). Cơ sở tính toán lý thuyết cho loại này đ ợc B.K. d xây dựng. Trên những đạo l u này mỗi một phần tử của mặt cắt đ ợc đặt nghiêng với trục chong chóng một góc riêng có trị số phụ thuộc vào tr ờng tốc độ tại nơi đặt đạo l u. Hình dạng mặt cắt cửa vào và ra gần giống enlíp, trong đó trục lớn của cửa vào đặt vuông góc với mặt phăng đối xứng của tàu; trục lớn của cửa ra vuông góc với mặt phẳng đ ờng n ớc. Loại đạo l u này làm đồng đều đáng kể tr ờng tốc độ theo chu vi, nhờ đó giảm đ ợc hệ số hút của hệ và chủ yếu giảm đ ợc các lực và mômen chu kỳ tác dụng lên chong chóng. Cần chú ý rằng đạo l u có nhiều nh ợc điểm trong khai thác. Đặc biệt khi rêu hà bám đạo l u, chong chóng nhanh chóng trở thành nặng tải, kèm theo giảm hiệu suất làm việc của hệ, giảm vòng quay của chong chóng và tốc độ của tàu. Khi hệ làm việc gần mặt thoáng có thể gây nên xâm thực khí quyển cho đạo l u, nghĩa là không khí lọt vào chong chóng. Đạo l u giảm khả năng điều động tàu, nhất là khi chạy lùi. Trong những năm gần đay ng ời ta còn áp dụng trên các tàu, trong số đó có cả những tàu cỡ lớn các đạo l u đặt tr ớc chong chóng. Một trong các sơ đồ đó (Xem H22.7.a). Đạo l u tr ớc chong chóng nâng cao đ ợc hiệu suất đẩy nhờ có lực đẩy bổ xung do đạo l u tạo ra, bằng cách giảm lực cản thân tàu do cải thiện đ ợc dòng bao phần đuôi tàu và san đều đ ợc dòng chảy vào chong chóng. Việc lắp đặt đạo l u tr ớc chong chóng cho phép tiết kiệm đ ợc 5 á 7% công suất. Ngoài ra ở phần giữa đạo l u không bị rỗ do các xoáy đỉnh (Xem H22.7.b). Tuy vậy hiệu quả của chúng nói chung thấp hơn hiệu quả của những đạo l u có kết cấu thông th ờng. a. b. Hình 22.7. Sơ đồ bố trí đạo l u tr ớc chong chóng 175 Tµi liÖu tham kh¶o 1. СПРАВОЦНИК ПО ТЕОРИИ КОРАБЛЯ – 1 Я.И. ВОЙТKУНСКИЙ 2. СОПРОТИВ1ЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ CYДОВ Я.И. ВОЙТКУНСКИЙ 3. СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИ А.А. РУСЕЦKИЙ Л.C. AЧKИHAДЗE 4. ТЕOPИЯ И PACЦET ГPEБHЫX BИHTOB A.M. БACИH . ( ) nD W1v nD v J DD D - == (22 .2. 3) Trong đó: v tốc độ của tàu; W D hệ số dòng theo tính toán xác định bằng thực nghiệm. Đặc tính động lực của hệ gồm lực đẩy của hệ T T , lực đẩy của chong chóng T và lực đẩy. nâng dY và lực cản prôphin dX (Xem H 22. 2). Tổng lực thuỷ động dR trên prôphin bằng tổng của dY và dX; khi tải trọng lớn nó h ớng theo chiều chuyển động và cho thành phần lực đẩy dT D , lực này. T(1+t D ) (22 .2. 4) t D = T D /T gọi là hệ số hút của đạo l u. Khi hệ làm việc sau thân tàu lực cản của tàu tăng thêm một l ợng bằng lực hút DR, thực vậy T T = T E + DR (22 .2. 5) Trong