Tài liệu Viết chương trình thiết kế chân vịt tàu

Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 1 Lôùp 42TT - 2. TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC THUÛY SAÛN KHOA CÔ KHÍ BOÄ MOÂN TAØU THUYEÀN ♫♪A♪♫ PHAN THAØNH NHAÂN LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP ÑEÀ TAØI: VIEÁT CHÖÔNG TRÌNH THIEÁT KEÁ CHAÂN VÒT TAØU THUÛY CHUYEÂN NGAØNH: GIAÙO VIEÂN HÖÔÙNG DAÃN: CÔ KHÍ TAØU THUYEÀN TS. TRAÀN GIA THAÙI Nha Trang, 6/2005 Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 2 Lôùp 42TT - 2. CHÖÔNG 1 ÑAËT VAÁN ÑEÀ Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 3 Lôùp 42TT - 2. 1.1 TOÅNG QUAN VEÀ VAÁN ÑEÀ NGHIEÂN CÖÙU Chaân vòt laø moät boä phaän cuûa thieát bò naêng löôïng, laøm nhieäm vuï chuyeån hoùa naêng löôïng cuûa ñoäng cô thaønh löïc ñaåy ñeå ñaåy taøu chuyeån ñoäng. Nhö ñaõ bieát, ñeå naâng cao toác ñoä taøu ngoaøi vieäc thieát keá ñöôøng hình toái öu nhaèm haïn cheá toái ña söùc caûn thì ñeå phaùt huy heát coâng suaát maùy chính caàn phaûi coù moät chaân vòt hôïp lyù veà ñoäng löïc hoïc vaø phuø hôïp vôùi söï laøm vieäc cuûa maùy chính vaø thaân taøu. Ñoái vôùi nöôùc ta hieän nay, coâng taùc thieát keá vaø cheá taïo chaân vòt coøn nhieàu haïn cheá. Vieäc thieát keá cheá taïo vaø laép ñaët chaân vòt haàu nhö theo kinh nghieäm, theo caùc taøu maãu hoaëc laép maùy coù keøm theo chaân vòt. Do ñoù, vieäc nghieân cöùu thieát keá chaân vòt, nhaát laø vieäc öùng duïng tin hoïc vaøo coâng taùc thieát keá laø moät vieäc laøm caàn thieát vaø goùp phaàn ñaåy maïnh söï hieän ñaïi hoùa cô sôû vaät chaát cho ngaønh ñaùnh baét caù nöôùc ta treân ñöôøng phaùt trieån. Chöông trình thieát keá chaân vòt ñöôïc laäp nhaèm töï ñoäng hoùa vôùi coâng vieäc thieát keá chaân vòt phuø hôïp vôùi yeâu caàu ñaët ra. 1.2 THÖÏC TRAÏNG COÂNG TAÙC THIEÁT KEÁ CHAÂN VÒT Ôû nöôùc ta hieän nay do nhöõng haïn cheá veà maët coâng ngheä neân coâng taùc thieát keá vaø cheá taïo chaân vòt chöa ñöôïc quan taâm ñuùng möùc. Ña soá caùc taøu ñaùnh caù ôû nöôùc ta khi ñoùng môùi thöôøng chöa thöïc hieän vaán ñeà thieát keá chaân vòt, haàu heát laép caùc maùy coù keøm chaân vòt hoaëc laép chaân vòt theo kinh nghieäm döïa treân döïa treân maãu coù saün cuûa caùc cô sôû ñoùng taøu neân khoâng theå ñaûm baûo söï phuø hôïp giöõa maùy – thaân taøu – chaân vòt. Ñoái vôùi caùc nöôùc treân theá giôùi ñaõ coù raát nhieàu phaàn meàm ñöôïc coâng boá vaø söû duïng khaù roäng raõi nhö Modul AutoPower trong phaàn meàm AutoShip. Song treân thöïc teá nhöõng phaàn meàm naøy ít phuø hôïp vôùi nhöõng nhaø maùy ñoùng taøu vöøa vaø nhoû ôû nöôùc ta vì chi phí ñaàu tö ñeå mua nhöõng phaàn meàm nhö theá naøy laø khaù lôùn, neân caùc phaàn meàm naøy chöa ñöôïc söû duïng phoå bieán ôû nöôùc ta. Do ñoù caàn phaûi tìm kieám nhöõng phöông aùn môùi nhaèm giaûi quyeát hieäu quaû hôn nöõa nhöõng vaán ñeà thöïc tieãn trong ngaønh coâng nghieäp ñoùng taøu Vieät Nam. Trong nhieàu naêm trôû laïi ñaây vieäc öùng duïng coâng ngheä tin hoïc vaøo caùc ngaønh khoa hoïc kyõ thuaät ngaøy caøng phaùt trieån, nhaèm ñaùp öùng moät phaàn coâng taùc ñoùng Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 4 Lôùp 42TT - 2. môùi taøu thuûy ôû nöôùc ta thì vieäc nghieân cöùu baøi toaùn vieát chöông trình thieát keá chaân vòt taøu thuûy laø caàn thieát ñoái vôùi ngaønh ñoùng taøu nöôùc ta. 1.3 GIÔÙI HAÏN NOÄI DUNG NGHIEÂN CÖÙU Thöïc teá hieän nay coù nhieàu phöông phaùp thieát keá chaân vòt khaùc nhau, trong ñoù phoå bieán nhaát laø phöông phaùp thieát keá chaân vòt theo phöông phaùp ñoà thò. Ñieån hình laø phöông phaùp thieát keá chaân vòt theo ñoà thò Papmeil (Nga) vaø Taylor (Myõ). Trong phaïm vi ñeà taøi naøy, chuùng toâi löïa choïn vieát chöông trình thieát chaân vòt theo phöông phaùp Papmeil theo hai phöông aùn thieát keá: cheá ñoä haøng haûi töï do vaø cheá ñoä keùo. Treân cô sôû ñoù, noäi dung cuûa ñeà taøi naøy ñöôïc trình baøy trong 4 chöông: Chöông 1: Ñaët vaán ñeà. Chöông 2: Cô sôû lyù thuyeát thieát keá chaân vòt. Chöông 3: Thuaät toaùn vaø chöông trình. Chöông 4: Ñeà xuaát vaø kieán nghò. Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 5 Lôùp 42TT - 2. CHÖÔNG 2: CÔ SÔÛ LYÙ THUYEÁT THIEÁT KEÁ CHAÂN VÒT Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 6 Lôùp 42TT - 2. 2.1 ÑAËC ÑIEÅM HÌNH HOÏC VAØ THUÛY ÑOÄNG LÖÏC HOÏC CUÛA CHAÂN VÒT 2.1.1 Ñaëc ñieåm hình hoïc Caùnh chaân vòt laø moät phaàn cuûa maët xoaén oác, do ñoù ñaëc ñieåm hình hoïc cuûa chaân vòt chính laø ñaëc ñieåm cuûa maët xoaén oác. 1. Maët xoaén oác vaø böôùc xoaén oác Moät ñieåm di chuyeån doïc theo beà maët cuûa hình truï troøn vaø thöïc hieän ñoàng thôøi hai chuyeån ñoäng: chuyeån ñoäng tònh tieán doïc theo truïc hình truï vaø chuyeån ñoäng quay xung quanh truïc hình truï, veõ leân beà maët cuûa noù 1 ñöôøng cong khoâng gian ñöôïc goïi laø ñöôøng xoaén oác. a) b) c) Hình 1: Ñöôøng xoaén oác vaø goùc xoaén Giaû söû coù moät ñieåm chuyeån ñoäng ñeàu doïc theo beà maët hình truï baùn kính hình truï, töùc laø vaän toác chuyeån ñoäng tònh tieán vaø chuyeån ñoäng quay khoâng ñoåi ( Hình 1.a ñoaïn AA’) cuûa noù sau 1 voøng quay ñöôïc goïi laø böôùc xoaén cuûa ñöôøng xoaén oác. Neáu caét beà maët hình truï doïc theo ñöôøng sinh AA’ vaø khai trieån noù treân maët phaúng, thì ñöôøng xoaén oác seõ ñöôïc bieåu dieãn treân maët phaúng döôùi daïng caïnh huyeàn cuûa tam giaùc vuoâng ADE, coù caïnh goùc vuoâng AE baèng chieàu daøi voøng troøn ñaùy cuûa hình truï 2pr caïnh DE baèng böôùc xoaén H cuûa ñöôøng xoaén oác. Tam giaùc naøy ñöôïc goïi laø tam giaùc böôùc xoaén, coøn goùc ñaùy j ñöôïc goïi laø goùc böôùc xoaén. Theo hình veõ ta thaáy böôùc xoaén H cuûa ñöôøng xoaén oác vaø goùc böôùc xoaén j quan heä vôùi nhau theo bieåu thöùc: Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 7 tg j = H 2 .p .r Lôùp 42TT - 2. (1) Tröôøng hôïp ñang xeùt treân laø ñöôøng xoaén oác cuûa 1 ñieåm chuyeån ñoäng ñeàu doïc theo beà maët hình truï, khi khai trieån treân maët phaúng seõ chuyeån thaønh ñöôøng thaúng. Ñöôøng xoaén oác nhö theá ñöôïc goïi ñöôøng xoaén oác coù böôùc xoaén khoâng ñoåi (Hình1.b). Baây giôø, ta giaû thieát raèng ñieåm chuyeån ñoäng tònh tieán hay vaän toác chuyeån ñoäng quay thay ñoåi. Trong tröôøng hôïp naøy, ñöôøng xoaén oác khi khai trieån treân maët phaúng seõ chuyeån thaønh 1 ñöôøng cong phaúng (hình 1.c). Ñöôøng xoaén oác nhö theá ñöôïc goïi laø ñöôøng xoaén oác coù böôùc xoaén thay ñoåi, coøn ñoä naâng DE cuûa ñieåm ñoù sau 1 voøng quay ñöôïc goïi laø böôùc xoaén trung bình cuûa ñöôøng xoaén oác coù böôùc xoaén thay ñoåi. Ñeå xaùc ñònh böôùc xoaén thöïc teá h cuûa noù taïi moät ñieåm baát kì F, caàn phaûi veõ tieáp tuyeán FG vôùi ñöôøng xoaén oác khai trieån taïi ñieåm naøy vaø xaây döïng tam giaùc böôùc xoaén FGK (Hình1.c). Ñoaïn thaúng A’B’ khi chuyeån ñoäng sao cho 1 ñaàu cuûa noù dòch chuyeån doïc theo truïc O’O cuûa hình truï maø ñöôøng xoaén oác naøy ñöôïc veõ leân beà maët cuûa noù trong khoâng gian 1 beà maët xoaén oác ( hình 2). Ñoaïn thaúng naøy ñöôïc goïi laø ñöôøng sinh cuûa beà maët xoaén oác, coøn ñöôøng xoaén oác maø ñaàu ñoaïn thaúng tröôït theo noù, ñöôïc goïi laø ñöôøng chuaån hay ñöôøng daãn höôùng cuûa beà maët xoaén oác. Ñöôøng sinh cuûa beà maët xoaén oác coù theå laø ñöôøng thaúng hay ñöôøng cong, nghieâng 1 goùc baát kì vôùi truïc O’O. Cuõng nhö ñöôøng xoaén oác, maët xoaén cuõng coù böôùc coá ñònh hoaëc bieán ñoåi. Hình 2: Maët xoaén oác Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 8 Lôùp 42TT - 2. 2. Caùc ñaëc ñieåm hình hoïc cuûa chaân vòt Caùc yeáu toá chính cuûa moät chaân vòt baát kyø laø oå ñôõ (may ô) vaø caùc caùnh gaén cöùng treân noù. Khoaûng caùch R töø truïc chaân vòt ñeán caùc ñaàu muùt caùnh (caùc ñieåm cuûa caùnh caùch xa truïc nhaát) ñöôïc goïi laø baùn kính cuûa chaân vòt. Phaàn caùnh tieáp giaùp vôùi may ô ñöôïc goïi laø goác caùnh, coøn ñaàu töï do cuûa noù ñöôïc goïi laø ñænh caùnh. Meùp caùnh höôùng theo chieàu quay cuûa chaân vòt khi taøu chuyeån ñoäng tôùi, ñöôïc goïi laø meùp daãn (caïnh daãn), meùp ngöôïc laïi cuûa caùnh ñöôïc goïi laø meùp theo (caïnh theo). Maët caùnh chòu taùc duïng cuûa phaûn löïc cuûa khoái nöôùc bò ñaåy luøi khi taøu chuyeån ñoäng tôùi ñöôïc goïi laø maët ñaïp, maët ngöôïc laïi (höôùng vaøo phía voû taøu ) ñöôïc goïi laø maët huùt. Khi caét caùnh chaân vòt baèng hình truï baùn kính r ñoàng truïc vôùi chaân vòt vaø khai trieån ñöôøng bao maët caét ngang treân maët phaúng ta seõ nhaän ñöôïc hình daïng tieát dieän caùnh ôû baùn kính ñaõ cho. Hình daïng tieát dieän ngang cuûa caùnh ñöôïc ñaëc tröng bôûi chieàu daøy töông ñoái cuûa noù : d = Trong ñoù: e max ab (2) emax laø chieàu daøy lôùn nhaát cuûa profin. ab : daây cung cuûa noù . Giaù trò d cuûa caùnh chaân vòt naèm trong giôùi haïn 0,1 ¸ 0,2 ñoä daøy cuûa goác caùnh vaø 0,02 ¸ 0,05 cuûa meùp caùnh . Tuyø theo daïng beà maët cuûa xoaén oác, aùp duïng ñeå hình thaønh maët ñaåy cuûa caùc caùnh, ngöôøi ta phaân bieät chaân vòt coù böôùc xoaén khoâng ñoåi vaø chaân vòt coù böôùc xoaén thay ñoåi theo baùn kính, bôûi vì treân moãi baùn kính cuûa maët ñaåy böôùc xoaén cuûa ñöôøng xoaén oác taïi moãi ñieåm cuûa caïnh ñaùy profin coù giaù trò khoâng ñoåi khi tieát dieän ngang daïng hai maët loài hay daïng beân loài, beân loõm (daïng löôõi lieàm) thì böôùc xoaén cuûa ñöôøng xoaén oác treân moãi baùn kính cuûa maët ñaåy nhaát ñònh seõ thay ñoåi, coøn toaøn boä chaân vòt seõ laø coù böôùc xoaén thay ñoåi theo chieàu truïc, hoaëc thay ñoåi theo chieàu truïc baùn kính . + Tæ soá giöõa böôùc xoaén cuûa chaân vòt H vaø ñöôøng kính D cuûa noù ñöôïc goïi laø tæ soá böôùc xoaén. Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 9 p= Lôùp 42TT - 2. H (3). D Ñoái vôùi caùc chaân vòt coù böôùc xoaén thay ñoåi theo höôùng baùn kính thì tæ soá böôùc xoaén thay ñoåi doïc theo baùn kính cuûa maët caét ngang caùnh. Trong tröôøng hôïp naøy, quy öôùc laáy giaù trò danh nghóa cuûa böôùc xoaén laø böôùc xoaén cuûa ñöôøng xoaén oác taïi baùn kính r = 0,7R. + Dieän tích voøng troøn ngoaïi tieáp chaân vòt Ad = p .D 2 ñöôïc goïi laø dieän tích maët ñóa 4 cuûa chaân vòt , coøn tæ soá giöõa dieän tích maët caùnh chieáu thaúng A vaø dieän tích maët ñóa Ad ñöôïc goïi laø tæ soá maët ñóa : q= A Ad (4) Giaù trò tæ soá maët ñóa caùc chaân vòt thay ñoåi trong giôùi haïn 0,3 – 1,2. + Tuyø theo chieàu quay cuûa chaân vòt khi laøm vieäc ôû haønh trình tieán maø ngöôøi ta phaân bieät thaønh chaân vòt quay phaûi vaø chaân vòt quay traùi. Neáu nhìn töø phía ñuoâi taøu ñang chaïy tieán thaáy chaân vòt quay theo chieàu kim ñoàng hoà thì ñoù laø chaân vòt quay phaûi, neáu ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà laø chaân vòt quay traùi. + Tuyø theo coâng duïng taøu vaø hình daùng töøng loaïi taøu maø ngöôøi ta coù theå boá trí moät hoaëc nhieàu chaân vòt. + Khi choïn soá caùnh chaân vòt caàn chuù yù ñeán caùc thoâng soá nhö: hieäu suaát coâng taùc, hieän töôïng xaâm thöïc vaø chaán ñoäng. Khi taêng soá löôïng caùnh chaân vòt hieän töôïng xaâm thöïc giaûm xuoáng. Soá caùnh thoâng thöôøng töø 2 – 6 caùnh. Rieâng ñoái vôùi taøu caù soá caùnh chaân vòt thöôøng töø 3 – 4 caùnh. Hình daïng caùc caùnh, may ô vaø caùc yeáu toá hình hoïc khaùc cuûa chaân vòt ñöôïc bieåu dieãn toång quaùt treân baûn veõ lí thuyeát cuûa chaân vòt, söï chuaån bò ñöôïc tính toaùn tröôùc ôû giai ñoaïn ñaàu cuûa thieát keá . 2.1.2 Ñaëc tính thuûy ñoäng löïc hoïc 1. Nguyeân taéc laøm vieäc cuûa chaân vòt vôùi chöùc naêng laø thieát bò ñaåy taøu: Caùnh chaân vòt laøm vieäc theo nguyeân taéc caùnh chòu taûi nhöng chuyeån ñoäng cuûa noù phöùc taïp hôn, do chaân vòt quay vaø ñoàng thôøi di chuyeån cuøng vôùi taøu. Giaû Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 10 Lôùp 42TT - 2. thieát chaân vòt ñöùng yeân, töùc laø söû duïng nguyeân lyù chuyeån ñoäng nghòch ñaûo. Xeùt sô ñoà vaän toác vaø sô ñoà löïc ñoái vôùi moät phaân toá caùnh ôû baùn kính r (hình 3). Trong tröôøng hôïp naøy, doøng chaûy ñeán phaân toá caùnh coù vaän toác höôùng truïc Vp vaø vaän toác voøng 2prn trong ñoù n laø soá voøng quay cuûa chaân vòt trong 1 giaây. Ñoàng thôøi caàn chuù yù raèng söï chaûy voøng cuûa chaát loûng xung quanh phaân toá caùnh khoâng nhöõng chæ ñöôïc xaùc ñònh bôûi vaän toác dòch chuyeån vaø vaän toác quay cuûa chaân vòt, maø coøn ñöôïc xaùc ñònh bôûi vaän toác doïc truïc vaø vaän toác tieáp tuyeán cuûa doøng kích. Hình 3: Caùc thaønh phaàn toác ñoä vaø thaønh phaàn löïc treân caùnh. VP: thaønh phaàn vaän toác do chaân vòt chuyeån ñoäng theo taøu (v/ph). w: chuyeån ñoäng quay cuûa chaân vòt . Caùc thaønh phaàn naûy sinh khi chaân vòt ñang laøm vieäc goàm DVP cuøng vôùi höôùng cuûa VP, toác ñoä voøng Dw truøng vôùi chieàu quay cuûa chaân vòt. Toång hình hoïc cuûa caùc thaønh phaàn goïi laø toác ñoä töông ñoái cuûa nöôùc ñeán phaàn töû caùnh VP ñoä lôùn toác ñoä naøy phuï thuoäc vaøo hình daùng cuûa profin caùnh vaø laø haøm cuûa goùc a. r r r r r w = VP + w + DVP + Dw (5) Treân phaân toá caùnh xuaát hieän löïc naâng dY vaø löïc caûn maët dX. Nhö treân hình veõ, khi phaân tích caùc löïc dY vaø dX theo hai phöông vuoâng goùc laãn nhau, trong ñoù moät phöông truøng vôùi chuyeån ñoäng cuûa taøu, ta coù bieåu thöùc tính löïc ñaåy vaø löïc caûn quay cuûa phaân toá caùnh nhö sau : dP =dPy - dPx dQ = dQy + dQx Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com (6) TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 11 Lôùp 42TT - 2. Töø ñoù nhaän thaáy, söï suaát hieän söùc caûn maët do ñoä nhôùt cuûa chaát loûng laøm giaûm löïc ñaåy vaø taêng söùc caûn ñoái vôùi chuyeån ñoäng quay cuûa chaân vòt . Löïc ñaåy P cuûa chaân vòt vaø moâmen caûn quay M ñöôïc xaùc ñònh theo caùc tích phaân : R ì ï P = z ò dP rO ï í R ï M = z rdQ òr ï î 0 (7) trong ñoù : z : soá caùnh ro : baùn kính cuûa oå ñôõ chaân vòt. R : baùn kính ngoaøi cuûa chaân vòt. 2. Hieän töôïng tröôït vaø böôùc tieán cuûa chaân vòt Neáu chaân vòt chuyeån ñoäng quay trong moâi tröôøng raén nhö laø buloâng chuyeån ñoäng trong ñai oác, thì sau 1 voøng quay noù seõ dòch chuyeån theo phöông doïc truïc moät khoaûng baèng böôùc xoaén cuûa chaân vòt H. Tuy nhieân, trong thöïc teá chaân vòt laøm vieäc trong moâi tröôøng chaát loûng, töùc laø trong moâi tröôøng ñaøn hoài do ñoù sau 1 voøng quay, chaân vòt chæ di chuyeån theo phöông doïc truïc ñöôïc 1 khoaûng caùch h nhoû hôn böôùc xoaén H (quaõng ñöôøng h chaân vòt ñi ñöôïc theo höôùng doïc truïc sau 1 voøng quay trong moâi tröôøng loûng), h ñöôïc goïi laø böôùc tieán tuyeät ñoái hay ñôn giaûn laø böôùc thöïc cuûa chaân vòt. Roõ raøng, böôùc thöïc cuûa chaân vòt phuï thuoäc vaøo vaän toác tònh tieán VP vaø soá voøng quay n trong 1 giaây. h = VP . n (8) Hieäu soá S giöõa böôùc xoaén H vaø böôùc thöïc h ñöôïc goïi laø böôùc tröôït tuyeät ñoái hay böôùc thöïc cuûa chaân vòt. S = H -h = H - VP n (9) Böôùc thöïc vaø böôùc tröôït thöôøng ñöôïc bieåu dieãn theo caùc ñaïi löôïng khoâng thöù nguyeân. Khi chia böôùc thöïc tuyeät ñoái cho ñöôøng kính chaân vòt ta coù böôùc thöïc töông ñoái hay heä soá böôùc thöïc cuûa chaân vòt : Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp lP = h D = Trang 12 VP nD Lôùp 42TT - 2. (10) Tæ soá giöõa böôùc tröôït tuyeät ñoái vaø böôùc xoaén cuûa chaân vòt ñöôïc goïi laø böôùc tröôït töông ñoái hay heä soá böôùc tröôït cuûa chaân vòt : s= S = H VP n = 1 - VP H nH H- (11) Khi so saùnh caùc coâng thöùc (10) vaø (11) ta tìm ñöôïc moái quan heä giöõa heä soá böôùc tröôït vaø heä soá böôùc thöïc nhö sau : s =1- lP H D (12) Söï suaát hieän böôùc tröôït laø ñieàu kieän caàn thieát ñeå chaân vòt laøm vieäc nhö moät thieát bò ñaåy. Löïc ñaåy vaø moâmen quay cuûa chaân vòt coù böôùc xoaén vaø ñöôøng kính ñaõ cho, ñöôïc xaùc ñònh theo cheá ñoä laøm vieäc cuûa chaân vòt, (cheá ñoä naøy ñöôïc quy ñònh ) ñaëc tröng bôûi söï phoái hôïp ñaõ cho giöõa vaän toác tònh tieán VP vaø soá voøng quay n, maø giaù trò heä soá böôùc thöïc vaø heä soá böôùc tröôït phuï thuoäc vaøo chuùng. Heä soá löïc ñaåy : K1 = P rn 2 D 4 (13) Heä soá moâmen : K2 = M rn 2 D 5 (14) Trong ñoù: n – soá voøng quay chaân vòt (v/ph). M - moment quay chaân vòt (kG.m). P – löïc ñaåy chaân vòt (kG). r - khoái löôïng rieâng chaát loûng (kG.S2/m4). D – ñöôøng kính chaân vòt (m) Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 13 Lôùp 42TT - 2. Hieäu suaát cuûa chaân vòt trong nöôùc töï do ñöôïc tính baèng tæ soá giöõa coâng suaát coù ích P.VP (tích soá cuûa löïc ñaåy vaø vaän toác cuûa doøng ñeán) vaø coâng suaát hao phí 2pnM (tích soá cuûa moâmen quay vaø vaän toác goùc cuûa chuyeån ñoäng quay cuûa chaân vòt). hP = P.V P K l = 1. P 2.p .n.M K 2 2.p (15) Ñöôøng cong bieåu dieãn söï thay ñoåi cuûa caùc heä soá K1 , K2 vaø hP phuï thuoäc vaøo heä soá böôùc (tieán ) thöïc lP ñöôïc goïi laø ñöôøng cong ñaëc tính chaân vòt (hình 4). Hình 4: Ñöôøng ñaëc tính chaân vòt 2.2 CAÙC PHÖÔNG PHAÙP THIEÁT KEÁ CHAÂN VÒT Caùc phöông phaùp thieát keá chaân vòt taøu thuûy coù theå chia laøm 3 nhoùm sau: - Nhoùm 1: Bao goàm caùc phöông phaùp thieát keá chaân vòt döïa treân keát quaû thí nghieäm cuûa haøng loaït moâ mình cuûa caùc hoïc giaû, töø ñoù chuùng ta thieát keá chaân vòt theo maãu chaân vòt ñaõ coù saün. Phöông phaùp naøy goïi laø phöông phaùp thieát keá chaân vòt theo ñoà thò. Hieän nay phöông phaùp thieát keá chaân vòt theo ñoà thò ñöôïc söû duïng khaù roäng raõi ôû nöôùc ta cuõng nhö ôû nhieàu nöôùc khaùc treân theá giôùi, vì noù ñôn giaûn, nhanh choùng cho keát quaû vaø keát quaû töông ñoái chính xaùc. Nhöng noù coù nhöôïc ñieåm laø: Khi thieát keá chaân vòt coù lôïi nhaát cho ñieàu kieän naøy thì coù theå seõ khoâng coù lôïi cho caùc Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 14 Lôùp 42TT - 2. ñieàu kieän khaùc. Thí duï nhö khi thieát keá chaân vòt cho taøu ñaùnh caù ôû toác ñoä chaïy töï do, thì khi taøu laøm vieäc ôû cheá ñoä keùo löôùi seõ khoâng taän duïng ñöôïc heát coâng suaát cuûa maùy. - Nhoùm 2: Döïa vaøo caùc heä thöùc soá hoïc, caùc heä soá laáy theo keát quaû thí nghieäm thöû, thí nghieäm moâ hình hoaëc caùc coâng thöùc kinh nghieäm. Phöông phaùp naøy ít ñöôïc söû duïng, vì noù döïa treân nhöõng cô sôû lyù luaän thieáu chính xaùc vaø khoâng thaät chaët cheõ. Noù chæ söû duïng khi nhöõng phöông phaùp khaùc khoâng theå aùp duïng ñöôïc. Ví duï nhö chaân vòt caùnh roäng. - Nhoùm 3: Döïa vaøo lyù thuyeát voøng xoaùy, khi lôïi duïng caùc heä soá löïc naâng trong haøm thuûy ñoäng hoïc. Duøng phöông phaùp naøy ta coù theå laàn löôït choïn caùc kieåu maët caét caùnh chaân vòt ôû töøng baùn kính khaùc nhau phuø hôïp vôùi yeâu caàu thuûy ñoäng hoïc. Hieäu suaát laøm vieäc cuûa chaân vòt thieát keá theo lyù thuyeát voøng xoaùy coù cao hôn so vôùi chaân vòt thieát keá theo caùc phöông phaùp khaùc, song cuõng khoâng cao laém. Caùi lôïi nhaát khi duøng lyù thuyeát voøng xoaùy ñeå thieát keá laø chaân vòt coù khaû naêng choáng ñöôïc hieän töôïng xaâm thöïc boït khí töông ñoái lôùn. Nhöng do tính toaùn khaù phöùc taïp, qua nhieàu böôùc trung gian neân trong thöïc teá phöông phaùp naøy cuõng ít ñöôïc söû duïng Ngaøy nay, ôû nöôùc ta cuõng nhö caùc nöôùc khaùc treân theá giôùi ña soá ñeàu thieát keá chaân vòt theo phöông phaùp ñoà thò. Ñoù laø thieát keá theo ñoà thò cuûa Papmeil vaø theo ñoà thò cuûa Taylor. 2.3 PHÖÔNG PHAÙP THIEÁT KEÁ CHAÂN VÒT THEO ÑOÀ THÒ PAPMEIL 2.3.1 Khaùi nieäm veà chaân vòt toái öu Thieát keá chaân vòt theo ñoà thò Papmeil cho pheùp löïa choïn chaân vòt toái öu, ñaùp öùng ñöôïc caùc yeâu caàu: - Phuø hôïp vôùi voû taøu, töùc laø chaân vòt coù ñöôøng kính D cho tröôùc. - Phuø hôïp vôùi ñoäng cô, töùc laø chaân vòt coù soá voøng quay cho tröôùc. - Hieäu suaát laøm vieäc chaân vòt lôùn nhaát. 2.3.2 Trình töï xaây döïng ñoà thò thieáùt keá chaân vòt Papmeil. Coù theå toùm taét quaù trình xaây döïng ñoà thò Papmeil nhö sau: Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 15 Lôùp 42TT - 2. 1. Tieán haønh thöû nghieäm haøng loaït moâ hình chaân vòt töï do coù caùc thoâng soá hình hoïc (H/D, q, Z) thay ñoåi heä thoáng trong beå thöû ñeå xaùc ñònh ñöôøng ñaëc tính hoaït ñoäng cuûa chaân vòt K1 = f(lp), K2 = f(lp), hp = f(lp). Hình 5: Ñoà thò K1 - lp - hp vaø K2 - lp - hp 2. Tính chuyeån caùc keát quaû töø caùc ñöôøng ñaëc tính hoaït ñoäng ñaõ ñöôïc xaây döïng leân ñoà thò K1 - lp vaø K2 - lp baèng caùch nhö sau - Töông öùng vôùi caùc giaù trò H/D = const, xaùc ñònh moái quan heä K1 - lp theo caùc ñöôøng ñaëc tính hoaït ñoäng ñaõ coù ñeå xaây döïng ñöôøng H/D = const treân ñoà thò K1 - lp. - Töông öùng vôùi caùc giaù trò h = const, xaùc ñònh moái quan heä K1 - lp theo caùc ñöôøng ñaëc tính hoaït ñoäng ñaõ coù ñeå xaây döïng ñöôøng h= const treân ñoà thò K1 - lp. Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 16 Lôùp 42TT - 2. Hình 6: Caùch laäp ñoà thò Papmeil P K1= ¾ 2 4 rnD H/D=1.6 H/D=1.4 h=0.1 h=0.2 H/D=1.2 h=0.3 h=0.4 H/D=1.0 h=0.5 h=0.55 H/D=0.8 h=0.6 h=0.65 h=0.67 H/D=0.6 h=0.7 l 0 p Hình 7: Caùch laäp ñoà thò Papmeil Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 17 Lôùp 42TT - 2. Nhö vaäy moãi chaân vòt vôùi ñöôøng ñaëc tính hoaït ñoäng ñaõ coù, ñaõ trôû thaønh 1 ñieåm treân ñoà thò K1 - lp . - Chaân vòt tính theo ñoà thò K1 - lp noùi treân ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu laø coù D hoaëc coù n phuø hôïp. 3. Chaân vòt thieát keá theo ñoà thò K1 - lp noùi treân chöa ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu coù D hoaëc n phuø hôïp. Ñeå chuû ñoäng löïa choïn ñöôïc chaân vòt coù D hoaëc n phuø hôïp, Papmeil ñöa vaøo heä soá trung gian K’d, K’n chæ coù chöùa thuaàn tuùy D hoaëc n. cuï theå nhö sau: 2 æ Vp ö ÷ ç 2 l p çè nD ÷ø r = Vp D : Heä soá khoáng cheá ñöôøng kính. = K 'd = P P K1 rn 2 D 4 (16) 4 æ Vp ö ÷ ç 4 l p çè nD ÷ø Vp = = K 'n = P K1 n rn 2 D 4 r : Heä soá khoáng cheá soá voøng quay. P (17) Töø hai bieåâu thöùc treân nhaän thaáy: 1 2 ì K .l p = 1 ï K ' d2 ï í ï K = 1 .l4 ïî 1 K n' 4 p (18) Nhö vaäy neáu cho tröôùc caùc giaù trò K’d = const, K’n = const thì moái quan heä K1 - lp laø caùc ñöôøng baäc hai hoaëc baäc boán hay noùi caùch khaùc caùc ñöôøng K’d = const, K’n = const laø caùc ñöôøng baäc hai hoaëc baäc boán. Ñeå thuaän tieän trong söû duïng, Papmeil veõ luoân caùc ñöôøng K’n = const vaø K’d = const leân doà thò K1 - lp. Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp K'=0.1 d K'=0.2 d Trang 18 Lôùp 42TT - 2. K'=0.3 d K'=0.4 d K1 H/D=1.6 h=0.1 h=0.2 H/D=1.4 h=0.3 H/D=1.2 h=0.4 H/D=1.0 h=0.5 h=0.55 H/D=0.8 h=0.6 H/D=0.6 h=0.65 h=0.67 K'd h=0.7 K'n l 0 Hình 8: Caùch laäp ñoà thò Papmeil 4. Chaân vòt thieát keá theo ñöôøng K’d vaø K’n laø nhöõng chaân vòt coù ñöôøng kính D hoaëc n phuø hôïp. Tuy nhieân treân ñöôøng naøy chæ coù theå choïn ñöôïc duy nhaát moät chaân vòt coù h cao nhaát, ñoù laø chaân vòt töông öùng vôùi ñieåm tieáp xuùc giöõa hai hoï ñöôøng cong: K’d = const vaø hp = const hoaëc K’n = const vaø hp = const. Noái caùc chaân vòt naøy laïi ta ñöôïc ñöôøng K”d vaø K”n. Nhö vaäy, caùc chaân vòt naèm treân ñöôøng K”d (hoaëc K”n) seõ laø chaân vòt coù ñöôøng kính D cho tröôùc (hoaëc n cho tröôùc) vaø coù soá voøng quay n (hoaëc D) toái öu, ñaûm baûo chaân vòt h cao nhaát. Do ñoù caùc ñöôøng naøy coøn ñöôïc goïi laø ñöôøng nopt hoaëc Dopt (opt = toái öu). · Vôùi caùch laøm nhö vaäy, Papmeil ñaõ xaây döïng thaønh caùc ñoà thò: Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 19 Lôùp 42TT - 2. Hình 9: Ñoà thò Papmeil vôùi Z=4, q = 0.4. Hình 10: Ñoà thò Papmeil vôùi Z=4, q = 0.4. Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi Luaän Vaên Toát Nghieäp Trang 20 Lôùp 42TT - 2. Hình 11: Ñoà thò Papmeil vôùi Z=4, q = 0.55. Hình 12: Ñoà thò Papmeil vôùi Z=4, q = 0.55. Phan Thaønh Nhaân PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com TS. Traàn Gia Thaùi