Nghiên cứu phương pháp xác định thực nghiệm sức cản thông qua cặp thông số tốc độ tàu và số vòng quay chân vịt, chương 5 pps

1
3
Chương 5:
Đường đặc tính chân
v
ị
t
Đường đặc tính chân vịt của động cơ Diesel là đồ thị biểu
di
ễn mối quan
hệ
giữa công suất đòi hỏi của chân vịt và số vòng quay tương ứng
c
ủa nó. Trong
t
hực
tế có thể xác định công suất yêu cầu của chân vịt theo công
t
hức
:
N
P

2

nM

(2




K
Q



D
5
)
n
3

C
n
(kw)
(2-15)

3
5
hoặc
:
N

K
Q
n
D
(ml)
(2-16)
P
11,936

2
5
Trong đó hệ số C được xác định
theo bi
ểu
t
hức
:
N
P
– công suất đầu trục chân vịt
(m
l
).
M – momen quay của chân vịt
(KG
m).
D - đường kính của chân vịt
(m)
n - số vòng quay chân vịt
(v
/
s).
C  2

K
Q

D
(2-17)

Đường đặc tính chân vịt của động cơ xác định theo biểu
th
ức (2-16) chính
l
à
đường đặc tính đặc trưng cho quá trình làm
việc của chân vịt trong liên hợp tàu,
t
hể
hiện đồng thời quá trình
tiêu th
ụ năng lượng của các bộ phận trong liên hợp
t
àu.
Tuy nhiên từ biểu thức (2-16) nhận thấy được đường đặc
tính chân v
ịt
của
động cơ có dạng đường bậc ba với hệ số tỷ
lệ C được xác định theo công
t
hức
(2-17). Khi đó, sự sai khác
gi
ữa đường đặc tính chân vịt thực tế so với đường
cong
bậc ba
cũng như sự thay đổi của nó ở các điều kiện khai thác là do sự
thay đổi
của

hệ số C. Như vậy, để xác định được đường đặc
tính chân v
ịt của động cơ cần
xác
định được giá trị của hệ số
C, tức là cần phải xác định được giá trị hệ số momen
K
Q
.
Về
nguyên tắc, đường đặc tính chân vịt ở chế độ định mức được
xác định ở
đ
i
ều
kiện sử dụng ứng với trường hợp bề mặt
chân v
ịt sạch không bị biến dạng.
Tuy
nhiên trong điều kiện
khai thác th
ực tế do ảnh hưởng của các yếu tố sử dụng
nên
3
đường đặc tính chân vịt của động cơ sẽ bị thay đổi so với chế
độ
làm việc định
mức
và có thể sẽ gây ra các ảnh hưởng không
t

ốt đến quá trình làm việc của liên hợp
t
àu.
2.2.2.2. Phương pháp xác định đường đặc tính hoạt
động chi tiết chân
v
ị
t
Như đã nêu ở phần (2.2.2.1), đường đặc tính hoạt động
chân v
ịt thể hiện
quá
trình làm việc của chân vịt làm việc độc
l
ập, thì quá trình làm việc của chân
v
ịt
trong mối quan hệ
năng lượng với các bộ phận trong liên hợp tàu lại được thể
h
i
ện
theo đường công suất của chân vịt N
P
= f(n), hay gọi đơn
gi
ản là đường đặc
tí
nh
chân vịt, tức là đồ thị biểu diễn mối

quan h
ệ giữa công suất đòi hỏi N
P
(ml) với
t
ốc
độ quay của chân vịt n
(s
-1
).
Như vậy, để có thể đánh giá quá trình làm việc của chân
vịt nói riêng và
li
ên
hợp tàu nói chung cần đặt vấn đề xây
dựng đường đặc tính công suất chân vịt
nó
i
trên trong điều
ki
ện khai thác thực tế. Hiện nay để xác định được đường đặc
tí
nh
công suất chân vịt trong điều kiện thực tế thì xác định
theo công thức (2-16)
nêu
20
trên.Và đường đặc tính hoạt động của chân vịt được xác định
ch
ỉ bằng một cách

duy
nhất là thử nghiệm các mô hình chân vịt
trong b
ể thử, ở các chế độ làm việc có
g
i
á
trị J khác nhau,
t
ương ứng với sự phối hợp các giá trị tốc độ tịnh tiến V
P
và
t
ốc
độ
quay n của chân vịt mô hình. Do đó, đường đặc tính
ho
ạt động chân vịt thực tế
nó
i
trên cũng chỉ được xác định bằng
cách duy nh
ất là tổ chức khảo nghiệm của toàn
bộ
liên hợp tàu
trong
điều kiện khai thác thực tế. Như vậy, nếu có đầy đủ số
liệu
về
công suất động cơ N, tốc độ tàu V và tốc độ quay của

chân v
ịt n, có thể xây
dựng
đựờng đặc tính chân vịt nói riêng
và
đồ thị vận hành nói chung ở cùng điều kiện
đó.
Tuy nhiên
ph
ương pháp xác định đường đặc tính chân vịt như thế không
đơn
g
i
ản,
vì nếu thử nghiệm mô hình trong bể thử nơi có thể
chủ động thay đổi tốc độ
tị
nh
tiến và tốc độ quay nhằm tạo ra
các ch
ế độ làm việc ứng với giá trị các hệ số
ti
ến
chân vịt J
tính theo công th
ức đã cho,thì để xác định đường đặc tính chân
v
ịt
t
rong

các điều kiện khai thác thực tế khác nhau, cần tổ
chức khảo nghiệm ở nhiều
đ
i
ều
kiện mới có thể phối hợp tốc
độ tàu với tốc độ quay chân vịt, nhằm tạo ra các
chế
độ làm
vi
ệc khác nhau của liên hợp tàu, tương ứng với giá trị hệ số
tiến J đã
cho
trước. Rõ ràng đáp ứng được các yêu cầu nói trên
trong
điều kiện chạy tàu thực
t
ế
không đơn giản, thậm chí
không th
ể thực hiện được, nhất là trong điều kiện kỹ
t
huậ
t
còn
h
ạn chế của nước ta hiện nay. Vì lẽ đó mặc dù phương pháp
truy
ền thống
vẫn

cho phép xác định đường đặc tính hoạt động
21
chân vịt thực tế nhưng chủ yếu
t
hực
hiện trong bể thử mô hình
tàu ho
ặc trong ống khí động mà chưa được áp dụng
rộng
rãi, do
đó cần tìm kiếm phương pháp mới, đơn giản và thuận lợi hơn.
V
ấn đề đặt
ra
ở đây là cần phải có các giải pháp khắc phục
nh
ững khó khăn gặp phải trong việc
t
ổ
chức thực nghiệm xác
định đường đặc tính thực tế chân vịt như đã được trình bày
ở
trên đây, nhất là việc phối hợp tốc độ chạy tàu với tốc độ quay
chân v
ịt để đạt
được
giá trị hệ số tiến J đã cho (2-13). Về mặt
toán h
ọc nhận thấy, do hệ số tiến được
xác

định từ cặp giá trị
tốc độ tàu V và tốc độ quay chân vịt n nên có thể chủ động
tí
nh
trực tiếp quan hệ giữa giá trị hệ số momen K
Q
từ công
th
ức (2-12) theo cặp các
g
i
á
trị tốc độ tàu V và số vòng quay
chân v
ịt n khác nhau và biểu diễn giá trị K
Q
đã
tí
nh
dưới dạng
các
đường K
Q
= const trong hệ toạ độ (V,n), tạm gọi đường
đặc tính
hoạ
t
động chi tiết . Như vậy, mặc dù vẫn được suy ra
t
ừ đường đặc tính hoạt động

nhưng
22
việc xây dựng đường đặc tính chi tiết chân vịt, nhất là đối với
chân vịt thực tế
l
ạ
i
đơn giản hơn nhiều và quan trọng nhất là
có th
ể thực hiện trong điều kiện chạy
t
àu
vì không cần khảo
nghiệm ở nhiều chế độ làm việc mới đạt được giá trị hệ số
ti
ến
chế độ làm việc mới đạt được giá trị hệ số tiến chân vịt J đã
cho, đồng thời các
đạ
i
lượng cần thiết như công suất động cơ
N, tốc độ tàu V, tốc độ quay chân vịt n
đều
có thể xác định ở
đ
iều kiện chạy tàu thực tế nhờ thiết bị đo. Mặt khác cũng từ
công
thức (2-13) có thể nhận thấy mối quan hệ toán học giữa hệ
số tiến J của chân vịt
vớ

i
giá trị tốc độ tàu V và tốc độ quay
chân vịt n có thể biểu diễn theo công thức
:
V = (JD)n (m/s)
(2-18)
Biểu thức trên chứng tỏ ở chế độ làm việc của liên hợp
đang xét, với giá
t
r
ị
hệ số tiến J chân vịt và tương ứng là giá trị
hệ số momen của chân vịt K
Q
không
đổ
i
,
mối quan hệ giữa
t
ốc độ chạy tàu và số vòng quay chân vịt dưới dạng các
đường
K
Q
= const trong hệ toạ độ (V,n) là chùm đường thẳng
đi qua gốc toạ độ O, với
hệ
số góc k xác định theo biểu
t
hức

:
K = tg= J D = V/n
(2-19)
Trong đó (V,n) là cặp giá trị tốc độ tàu và tốc độ quay
chân v
ịt ở chế độ
l
àm
việc đang xét. Hình 2.7 là mối quan hệ
và cách tính chuyển đường đặc tính
hoạ
t
động truyền thống
K
Q
= f(J) sang
đường đặc tính hoạt động chi tiết tương ứng
của
chân vịt dưới dạng các đường K
Q
=
f(V,n).
23
Hình 2.7: Đường đặc tính hoạt động và đường đặc tính hoạt
động chi tiết của chân
vịt
24
Xây dựng được đường đặc tính chi tiết thay cho đường
đặc tính hoạt
động

chân vịt truyền thống trong việc tính giá trị
hệ số momen ở điều kiện khai thác
t
hực
tế, không chỉ làm cho
thực nghiệm đơn giản và khả thi hơn nhiều mà còn giảm
khố
i
lượng đáng kể công việc và tăng độ chính xác nhiều lần vì lúc
này chỉ cần tổ
chức
khảo nghiệm ở mỗi một chế độ làm việc
là có thể xác định được đường đặc
tí
nh
hoạt động chân vịt chi
ti
ết ở điều kiện thực tế đang xét. Điều quan trọng hơn là
khả
năng hoàn toàn tổ chức thực nghiệm trong thực tế vì các đại
lượng nói ở đây có
t
hể
xác định một cách dễ dàng ngay trong
quá trình sử dụng và khai thác liên hợp.
Tuy
nhiên, khó khăn
lớn nhất là việc xác định giá trị công suất động cơ đang lắp trên
t
àu

tuy vẫn có thể thực hiện được nhờ thiết bị đo công suất
c
ầm tay nhưng cũng
không
đơn giản, do đó cần phải có giải
pháp khả thi và cụ thể hơn về vấn đề xác định
công
suất thực tế
của động
cơ.
Nhận thấy, đường đặc tính hoạt động của các chân vịt mô
hình th
ử nghiệm
ở
trạng thái sạch thường đã được tổng hợp lại
trên các đồ thị chung để dùng
t
rong
tính toán, thiết kế chân
v
ịt tàu thuỷ, do đó về nguyên tắc có thể lợi dụng kết
quả
nhận
được từ các đồ thị tổng hợp như thế để xây dựng đường đặc
tính ho
ạt
động
chân vịt sạch và chân vịt bẩn một cách đơn giản
và chính xác mà không c
ần tổ

chức
khảo nghiệm quá trình hoạt
động liên hợp ở các chế độ làm việc khác nhau. Ví
dụ
về đồ
thị dạng tổng hợp như thế là đồ thị thiết kế chân vịt của nhà
25
khoa học
ngườ
i
Nga Papmen được xây dựng dựa trên cơ sở các
s
ố liệu thực nghiệm của đường
đặc
tính hoạt động K
T
-J,K
Q
-J,
nh
ận được từ kết quả thử nghiệm kéo các mô hình
chân
vịt
nhóm B-Wageninggen
ở Liên Xô cũ. Chính từ nhận xét trên
chúng tôi n
ảy sinh
ý
tưởng xây dựng và so sánh hai hệ thống
các

đường đặc tính hoạt động chi tiết
của
chân vịt ở trạng thái
s
ạch ban đầu và ở trạng thái bẩn thực tế đối với một số tàu
cụ
thể nhằm mục đích tìm kiếm mối quan hệ toán học giữa hai
hệ thống đường
đặc
tính hoạt động chi tiết của chân vịt bẩn
đơn giản và thuận lợi hơn từ đường đặc
tí
nh
hoạt động chi tiết
c
ủa chân vịt sạch và bẩn đều là những đường thẳng đồng quy
t
ạ
i
gốc toạ độ. Với cách đặt vấn đề như thế, tôi đã tiến hành
th
ống kê trên một số tàu
cụ
thể chạy thử tàu trong điều kiện
khai thác th
ực tế khác nhau để xác định những
số
liệu cần thiết
gồm công suất động cơ N, tốc độ chạy tàu V và số vòng quay
chân

v
ịt
26
ở từng chế độ làm việc đang xét. Các đại lượng này thường
được xác định
bằng
thiết bị đo chuyên dụng cầm tay hoặc có
trên máy. K
ết quả thực nghiệm cho
t
hấy,
hai hệ thống đường
đặc tính chi tiết của chân vịt sạch và chân vịt bẩn không chỉ
l
à
chùm các đường thẳng đi qua gốc của hệ toạ độ (V,n) mà còn
n
ằm trùng khít
l
ên
nhau. Điều lưu ý sự trùng nhau nói trên
không có ngh
ĩa là giá trị hệ số momen
K
Q
của chân vịt không
đổi khi chuyển từ bề mặt sạch sang bề mặt thực tế mà có
ngh
ĩ
a

là tại cặp giá trị vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n của
liên h
ợp tàu trong
đ
i
ều
kiện thực tế, chân vịt thực của tàu nhận
giá tr
ị K
Q
bằng giá trị K
Q
của chân vịt
sạch.
Nhưng xác định
t
ại giá trị hệ số tiến chân vịt đang xét tương ứng cặp giá trị tốc
độ
tàu V và tốc độ quay chân vịt n của liên hợp tàu ở điều kiện
th
ực tế. Nói cách
khác,
trong điều kiện thực tế, do động cơ
trên tàu đã cũ, cùng với chân vịt và vỏ tàu
đã
bẩn nên cặp giá
tr
ị vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n của liên hợp tàu sẽ
t
hay

đổi so với khi thiết kế, đã làm cho giá trị hệ số K
Q
của
chân v
ịt thực tế trong
li
ên
hợp tàu thay đổi so với chân vịt
s
ạch tương ứng, tuy nhiên có thể tìm được giá
t
r
ị
này trên
đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt sạch tương ứng, từ
cặp giá
t
r
ị
vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n trong liên
h
ợp tàu trong điều kiện thực
t
ế.
Có thể giải thích thêm đặc điểm nói trên
ở (hình
2.8).
27
Hình 2.8 :Xác định giá trị hệ số K
Q

của chân vịt thực tế
theo đường đặc
tí
nh
chân vịt sạch tương
ứng.
28
Giả sử ban đầu liên hợp tàu đang xét hoạt động ở chế độ
đị
nh mức khi
t
h
i
ế
t
kế, với giá trị hệ số momen K
QH
được xác
định theo đường đặc tính hoạt động
của
chi tiết chân vịt sạch,
t
ương ứng với cặp giá trị vận tốc tàu V và số vòng quay
chân
vịt n ở chế độ định mức của chân vịt (V
H
,n
H
). Còn ở các chế
độ

làm việc thực
t
ế
khác với chế độ làm việc định mức nói
trên
đây, do ảnh hưởng của các yếu tố
sử
dụng nên tốc độ tàu
và s
ố vòng quay chân vịt bị thay đổi đến cặp giá trị mới
(V
1
,n
1
),
tương ứng với giá trị hệ số tiến J
t
biểu diễn của chân
v
ịt nằm trong liên hợp tàu.
Kh
i
đó, giá trị momen K
Q
của
chân v
ịt bẩn thay đổi đến giá trị mới K
Qt
có giá trị
đúng

bằng
giá tr
ị xác định theo đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt
mô hình
hay
chân vịt sạch tương ứng, ở cùng một giá trị hệ số
tiến J của chân vịt đã trình
bày.
Như vậy, muốn giữ nguyên giá
tr
ị tốc độ tàu định mức V
H
thì buộc phải tăng giá
t
r
ị
số vòng
quay chân v
ịt từ n
1
đến giá trị n
2
tương ứng với giá trị hệ số
momen K
Qt
của
chân vịt bẩn trong điều kiện khai thác thực tế
đ
ang xét. Còn nếu giữ nguyên số
vòng

quay chân vịt như ở chế
độ đị
nh mức n
H
thì tốc độ tàu sẽ giảm xuống đến giá trị
V
2
so
v
ới tốc độ tàu ở chế độ định mức
V
H
.
Chính nhờ đặc điểm rất quan trọng này mà việc tổ chức
th
ực nghiệm
xác
định đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt nói chung và giá
tr
ị hệ số momen
K
Q
nói riêng trở nên đơn giản hơn nhiều, vì
lúc này không c
ần xác định công suất
động
cơ mà chỉ cần xác
29
định cặp giá trị vận tốc tàu V và số vòng quay chân vịt n là
hoàn

toàn có thể xác định được giá trị hệ số momen K
Q
của
chân v
ịt thực
t
ế.
Tiến hành tương tự cho hệ số lực đẩy chân vịt K
T
cũng
nh
ận được kết
quả
tương tự như hệ số momen K
Q
, cụ
thể như
sau
:
- Đường đặc tính hoạt động chi tiết chân vịt biểu diễn
d
ưới dạng các
đường
K
T
= f(V,n) thể hiện mối quan hệ giữa giá
tr
ị lực đẩy K
T
với cặp giá trị vận tốc tàu

V
và số vòng quay
chân v
ịt n trong hệ toạ độ (V,n) cũng là các đường thẳng đồng
quy
tại gốc toạ độ
O.
- Đường đặc tính hoạt động chi tiết dưới dạng các đường
K
T
= f(V,n) c
ủa
các
chân vịt sạch, xác định từ đồ thị tổng hợp
các
đường đặc tính hoạt động chi tiết
chân
vịt trong điều kiện
b
ẩn tương ứng, trong đó giá trị hệ số lực đẩy K
T
thực tế sẽ
được
xác định từ số liệu chạy thử tàu ở điều kiện đang xét theo
công th
ức tổng
quá
t:
30
p

P
75

N
P
K
T





n
2
D
4

n
2
4
D V
P
(2-20)
31
Kết quả nghiên cứu phương pháp xây dựng đường đặc
tính ho
ạt động chi
ti
ế
t

chân vịt K
T
, K
Q
= f(J) dưới dạng
đường đặc tính hoạt động chi tiết K
T
, K
Q
=
f(V,n)
có vai
trò và ý ngh
ĩa khoa học quan trọng cho phép xây dựng
đường đặc tính
chân
vịt và đồ thị vận hành tàu trong điều
ki
ện khai thác thực tế, cơ sở giải quyết
những
bài toán quan
tr
ọng hiện vẫn còn tồn tại trong thực tế khai thác liên hợp
t
àu.