Tài liệu 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 SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2022. 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 SỸ 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 - 2022. 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 20 tháng 01 năm 2022 Tập thể giáo viên hướng dẫn CBHD1: PGS. TS Lương Ngọc Lợi Nghiên cứu sinh CBHD2: PGS. TS Ngô Văn Hệ Nguyễn Chí Công 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 20 tháng 01 năm 2022 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. Tình hình nghiên cứu chân vịt biến bước trong và ngoài nước...................... 10 1.3.4. Một số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt................................................. 11 1.4. Đề xuất giải pháp chân vịt hai bước .................................................................. 18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 21 2.1. Cơ sở lý thuyết dòng chảy bao quanh profile cánh ........................................... 21 2.2. Mối quan hệ giữa tỷ số bước và hiệu suất chân vịt .......................................... 22 2.3. Quan hệ máy chính, vỏ tàu, chân vịt ................................................................. 24 iii 2.4. Nghiên cứu phương pháp tính, và kiểm tra độ chính xác phương pháp mô phỏng số chân vịt tàu thủy ........................................................................................ 26 2.4.1. Các phương trình cơ bản trong tính toán mô phỏng dòng chảy không nén được .......................................................................................................................... 26 2.4.2. Phương trình Navier-Stokes viết dưới dạng trung bình Renolds cho dòng chảy một pha ..................................................................................................................... 27 2.4.3. Mô hình rối RNG k - ε.................................................................................... 28 2.4.4. Kiểm chứng phương pháp tính toán mô phỏng .............................................. 29 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SỐ ................................ 36 3.1. Lựa chọn phương pháp tính toán thiết kế cánh chân vịt ................................... 36 3.1.1. Phương pháp tính toán thiết kế mới dựa trên lý thuyết xoáy ......................... 36 3.1.2. Phương pháp tính toán thiết kế theo seri mẫu ................................................ 36 3.2. Tính toán thiết kế chân vịt ................................................................................. 36 3.2.1. Các thông số của tàu khảo sát......................................................................... 37 3.2.2. Tính toán thiết kế cánh chân vịt ..................................................................... 37 3.2.3. Tính toán thiết kế bầu ..................................................................................... 39 3.2.4. Xác định tỷ số bước H/D cho chế độ hoạt động thứ hai ................................ 40 3.3. Tính toán mô phỏng số ...................................................................................... 41 3.3.1. Các trường hợp tính toán mô phỏng ............................................................... 41 3.3.2. Xây dựng mô hình và miền không gian tính toán .......................................... 42 3.3.3. Chia lưới, và điều kiện biên............................................................................ 43 3.4. Kết quả và phân tích kết quả ............................................................................. 46 3.4.1. Kết quả tính toán mô phỏng ........................................................................... 46 3.4.2. Ảnh hưởng của tỷ số bước .............................................................................. 49 3.4.3. Tỷ số bước phù hợp ở chế độ chạy tự do của chân vịt hai bước .................... 53 3.4.4. Đặc tính thuỷ động lực học chân vịt ............................................................... 54 3.4.5. Lực tác động lên cánh chân vịt ....................................................................... 58 3.4.6. Tương tác chân vịt hai bước - bánh lái ........................................................... 61 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHÂN VỊT HAI BƯỚC ............. 70 4.1. Giới thiệu chung về thực nghiệm chân vịt ........................................................ 70 4.1.1. Thực nghiệm mặt thoáng ................................................................................ 70 4.1.2. Thực nghiệm thiết bị đẩy ................................................................................ 71 iv 4.1.3. Thực nghiệm xâm thực ................................................................................... 74 4.2. Phương án thực nghiệm chân vịt hai bước ........................................................ 76 4.2.1. Phương án và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm ............................................ 76 4.2.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ................................................................ 79 4.3. Chế tạo hệ thống chân vịt .................................................................................. 80 4.4. Các bước và thiết bị nghiên cứu thực nghiệm ................................................... 82 4.4.1. Các bước nghiên cứu thực nghiệm ................................................................. 82 4.4.2. Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm .................................................................... 83 4.5. Kết quả và phân tích kết quả nghiên cứu thực nghiệm ..................................... 84 4.5.1. Kết quả đo thực nghiệm.................................................................................. 84 4.5.2. Phân tích và xử lý kết quả đo ......................................................................... 85 4.5.3. Tính toán và so sánh các thông số đặc tính .................................................... 85 4.5.4. So sánh kết quả thực nghiệm với tính toán mô phỏng số ............................... 90 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 92 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ....... 93 TÀI LIỆU THAMKHẢO ......................................................................................... 95 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 A N Lực thuỷ động tác dụng lên profile cánh theo phương dây cung profile 2 Ae 3 bmax mm Chiều rộng lớn nhất của cánh chân vịt 4 c mm Chiều dài dây cung profile cánh 5 cl Hệ số lực nâng của profile 6 cD Hệ số lực cản của profile 7 CV Đơn vị công suất tính bằng sức ngựa 8 D m, N 9 Dotp m 10 db 11 Db m 12 Ddx mm 13 DNS 14 eR mm Chiều dày tại đỉnh cánh chân vịt 15 e0 mm Chiều dày giả định tại đường tâm trục chân vịt 16 Ge 17 g m/s2 18 H m 19 H/D 20 i Tỷ số truyền từ trục động cơ đến trục chân vịt 21 J Hệ số tiến Tỷ số mặt đĩa của chân vịt Đường kính ngoài chân vịt, lực cản tác động lên profile cánh Đường kính chân vịt tối ưu Tỷ số bầu chân vịt Đường kính bầu chân vịt Đường kính đĩa xoay cánh chân vịt Phương pháp tính toán, mô phỏng số trực tiếp Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ Gia tốc trọng trường Bước chân vịt Tỷ số bước của chân vịt vi 22 KT Hệ số lực đẩy của chân vịt 23 KQ Hệ số mô men của chân vịt 24 k 25 L N 26 Lh mm 27 L N 28 n v/ph Số vòng quay của chân vịt, số vòng quay của trục động cơ 29 N N Lực thuỷ động tác dụng lên profile cánh theo phương vuông góc với dây cung profile 30 PE W Công suất cần thiết để đẩy tàu 31 Pp W Công suất đẩy do chân vịt tạo ra 32 Pdc W Công suất trên trục động cơ 33 PQ W Công suất cần thiết để quay chân vịt 34 Pdcp W Công suất do động cơ truyền tới trục chân vịt 35 p Pa Áp suất tĩnh của chất lỏng 36 p’ 37 Q N.m 38 R m 39 RANS 40 Re Số Reynolds 41 Rij Ten sơ ứng suất áp suất 42 rm 43 r 44 Sm Tổn thất động lượng 45 Sij Ten sơ ứng suất trung bình 46 T Là năng lượng rối động năng Lực nâng của profile cánh Chiều dài bầu chân vịt Lực nâng tác dụng lên profile cánh Dao động của vecto áp suất Mô men xoắn trên trục chân vịt Bán kính chân vịt Phương trình Navier–Stokes viết dưới dạng số Reynolds trung bình mm Bán kính cong mũ bầu Hệ số bán kính không thứ nguyên N Lực đẩy chân vịt vii 47 Tijk( ) Ten sơ vận chuyển áp suất 48 Tkij(u ) Ten sơ rối đối lưu 49 Tkij(ν ) Ten sơ nhớt khuếch tán 50 t Hệ số dòng hút 51 u’ Dao động của vecto vận tốc 52 V Knot Vận tốc tiến của tàu 53 VA m/s Vận tốc tiến của chân vịt 54 w Hệ số dòng theo 55 Z Số cánh chân vịt p Các ký hiệu viết tắt chữ Hy Lạp Stt Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 1 ρ kg/m3 Khối lượng riêng của chất lỏng 2 γ N/m3 Trọng lượng riêng của chất lỏng 3 α độ 4 η 5 µ Pa.s Hệ số nhớt động lực học của chất lỏng 6 ν m2/s Hệ số nhớt động học của chất lỏng 7 Π ij Ten sơ biến thiên vận tốc, áp suất 8 ε ij Ten sơ tiêu tán Góc đặt cánh Hiệu suất của chân vịt, hiệu suất của hệ thống 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 ................................................................................................................. 17 Bảng 2.1. Thông số cơ bản của chân vịt E779A ............................................................... 31 Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của tàu cá khảo sát. .......................................................... 37 Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của chân vịt cũ của tàu cá ................................................ 37 Bảng 3.3. Các thông số cơ bản của chân vịt hai bước. ...................................................... 38 Bảng 3.4. Các thông số cơ bản của biên dạng cánh chân vịt. ........................................... 38 Bảng 3.5. Các kích thước chính của bầu chân vịt hai bước .............................................. 40 Bảng 3.6. Thông số lưới hệ thống chân vịt có bước cố định ............................................. 45 Bảng 3.7. Thông số lưới hệ thống chân vịt hai bước ........................................................ 45 Bảng 3.8. Lưới hệ thống chân vịt chân vịt hai bước - bánh lái với H/D = 0,5. ................. 45 Bảng 3.9. Lưới hệ thống chân vịt chân vịt hai bước - bánh lái với H/D = 0,6. ................. 45 Bảng 3.10. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt có bước cố định . ........................... 46 Bảng 3.11. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt hai bước với H/D = 0,5.................. 47 Bảng 3.12. Các thông số thuỷ động lực học chân vịt hai bước với H/D = 0,6.................. 47 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 ................................................................................................ 47 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 ................................................................................................ 48 Bảng 3.15. Các thông số thuỷ động lực học hệ thống chân vịt hai bước - bánh với H/D = 0,5 ........................................................................................................................... 48 Bảng 3.16. Các thông số thuỷ động lực học hệ thống chân vịt hai bước - bánh lái với H/D = 0,6 .................................................................................................................... 48 Bảng 4.1. Điều kiện thời tiết khi thực nghiệm hệ thống chân vịt có bước cố định ........... 78 Bảng 4.2. Điều kiện thời tiết khi thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước....................... 78 Bảng 4.3. Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một chuyến đi biển đối với chân vịt có bước cố định. ..................................................................................................................... 88 Bảng 4.4. Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một chuyến đi biển đối với chân vịt hai bước. .................................................................................................................................. 89 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 ....................................... 12 Hình 1.7. Hệ thống chân vịt CRP-Azipod propeller ......................................................... 12 Hình 1.8. Hệ thống chân vịt Contra-Rotating propellers ................................................. 13 Hình 1.9. Hệ thống cánh hướng lắp trên đuôi tàu ............................................................. 14 Hình 1.10. Chân vịt trong ống đạo lưu .............................................................................. 14 Hình 1.11. Hệ thống chân vịt - bánh lái dạng đuôi cá ....................................................... 15 Hình 1.12. Hệ thống chân vịt và ống Becker Mewis ........................................................ 16 Hình 1.13. Biểu đồ số lượng chân vịt biến bước được sử dụng qua các thời kỳ % .......... 17 Hình 1.14. Chân vịt biến bước .......................................................................................... 17 Hình 1.15. Ý tưởng thiết kế hệ thống chân vịt hai bước ................................................... 18 Hình 1.16. Hệ thống điều khiển bước cánh chân vịt hai bước .......................................... 19 Hình 2.1. Các lực thuỷ động lực học tác động lên profile cánh ........................................ 21 Hình 2.2. Đặc tính thuỷ động lực học của profile cánh và góc đặt α. ............................... 22 Hình 2.3. Tam giác vận tốc và các lực tác động lên một phần tử cánh chân vịt ............... 22 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.................................................................................................... 23 Hình 2.5. Quan hệ công suất động cơ, công suất quay chân vịt, và vận tốc tàu ............... 25 Hình 2.6. Mô hình và miền không gian tính toán chân vịt E779A ................................... 30 Hình 2.7. Mô hình chân vịt E779A, và miền không gian sau khi chia lưới ...................... 30 Hình 2.8. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt E779A tại J = 0,1- 0,4 .............. 32 Hình 2.9. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh chân vịt E779A tại J = 0,6- 0,9 .............. 32 Hình 2.10. Phân bố áp suất tại mặt cắt dọc trục, mặt cắt Z = 0 ......................................... 33 Hình 2.11. Phân bố vận tốc tại mặt cắt dọc trục, mặt cắt Z = 0 ........................................ 33 Hình 2.12. Hình ảnh đường dòng bao quanh chân vịt tại J = 0,2 ...................................... 34 x Hình 2.13. Kết quả tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm chân vịt E779A ..... 34 Hình 3.1. Cánh chân vịt hai bước sau khi chỉnh trơn ........................................................ 39 Hình 3.2. Bản vẽ kỹ thuật chân vịt hai bước ..................................................................... 40 Hình 3.3. Chân vịt bước cố định, chân vịt hai bước, bánh lái ........................................... 42 Hình 3.4. Mô hình bài toán mô phỏng số chân vịt. ........................................................... 43 Hình 3.5. Một số loại phần tử lưới thường dùng trong tính toán mô phỏng số. ............... 44 Hình 3.6. Chân vịt và miền không gian khảo sát sau khi chia lưới. .................................. 44 Hình 3.7. Sự phụ thuộc của kết quả tính toán vào số lượng lưới tại tỷ số J = 0.3............. 46 Hình 3.8. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh với H/D = 0,5 - 0,55 tại J = 0,1. ............. 50 Hình 3.9. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh với H/D = 0,57 - 0,6 tại J = 0,1. ............. 50 Hình 3.10. Biến thiên hệ số lực đẩy tại theo hệ số tiến J với H/D khác nhau. .................. 51 Hình 3.11. Biến thiên hệ số lực đẩy theo góc xoay của cánh. ........................................... 51 Hình 3.12. Biến thiên hệ số mô men theo góc xoay cánh ................................................. 52 Hình 3.13. Biến thiên hiệu suất chân vịt theo tỷ số bước cánh H/D ................................. 52 Hình 3.14. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của chân vịt tại J = 0,1; 0,2. ................. 54 Hình 3.15. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của chân vịt tại J = 0,3;0,4. .................. 55 Hình 3.16. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của chân vịt tại J = 0,45;0,5. ................ 55 Hình 3.17. Đường đặc tính của chân vịt có bước cố định. ................................................ 56 Hình 3.18. Đường đặc tính của chân vịt hai bước ............................................................. 56 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. ...................................................................................... 57 Hình 3.20. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của hai chân vịt tại J = 0,15;0,25. ....... 59 Hình 3.21. Phân bố áp suất trên hai bề mặt cánh của hai chân vịt tại J = 0,35;0,45. ....... 59 Hình 3.22. Phân bố lực tác động theo trục Z trên cánh chân vịt tại J = 0,1; 0,2. ............. 60 Hình 3.23. Phân bố lực tác động theo trục z trên cánh chân vịt tại J = 0,25; 0,3; ............ 60 Hình 3.24. Lực tác động lên cánh chân vịt có bước cố định và chân vịt hai bước. .......... 61 Hình 3.25. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,5; J = 0,1; 0,2. ....................... 62 Hình 3.26. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,5; J = 0,3; 0,4. ....................... 63 Hình 3.27. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,6; J = 0,1; 0,2. ....................... 63 Hình 3.28. Phân bố áp suất trên cánh chân vịt tại H/D = 0,6; J = 0,1; 0,2. ....................... 64 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 ....................................................................... 64 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 ....................................................................... 65 Hình 3.31. Đặc tính thuỷ động lực học hệ thống chân vịt - bánh lái và chân vịt tự do ..... 66 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 ................................................................................................... 66 Hình 3.33. Trường dòng bao quanh bánh lái ..................................................................... 67 Hình 3.34. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái tại H/D = 0,5 ....................................... 68 Hình 3.35. Phân bố áp suất trên hai mặt bánh lái tại H/D = 0,6 ........................................ 68 Hình 3.36. Lực cản tác động lên bánh lái với tỷ số bước H/D = 0,5................................. 68 Hình 4.1. Sơ đồ thực nghiệm chân vịt có mặt thoáng ....................................................... 70 Hình 4.2. Sơ đồ thực nghiệm thiết bị đẩy .......................................................................... 72 Hình 4.3. Đường đặc tính vận hành chân vịt trong thực nghiệm thiết bị đẩy ................... 73 Hình 4.4. Cấu tạo ống thử xâm thực.................................................................................. 75 Hình 4.5. Một số loại xâm thực chân vịt ........................................................................... 75 Hình 4.6. Khảo sát hệ trục tàu cá nghiên cứu thực nghiệm............................................... 79 Hình 4.7. Khảo sát kết cấu lắp ghép trục chân vịt và trục động cơ tàu ............................. 79 Hình 4.8. Quá trình gia công trên máy CNC và cánh chân vịt sau khi hoàn thiện .......... 80 Hình 4.9. Quá trình gá lắp và gia công thân bầu chân vịt trên máy CNC ......................... 80 Hình 4.10. Hệ thống chân vịt hai bước sau khi hoàn thiện ............................................... 81 Hình 4.11. Cấu tạo của hệ thống đo ‘Datum electronics’. ................................................ 83 Hình 4.12. Cấu tạo thiết bị đo nhiên liệu VSC68 .............................................................. 84 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 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