Hệ động lực tàu thủy - Chương 1 ppt

Trang:1
CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ
1.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Hệ thống động lực là một hệ thống thiết bị bao gồm thiết bị đẩy tàu, thiết bị động lực
phụ bảo đảm năng lực hoạt động của tàu và thiết bị đảm bảo đời sống, sinh hoạt của thuyền
viên.
Tổng hợp các thiết bị trên có thể phân chia thành các hệ thống sau:
1.1.1. Hệ thiết bị đẩy tàu
Hệ thiết bị đẩy tàu là một hệ thống các thiết bị có nhiệm vụ bảo đảm tốc độ, phương
hướng cho tàu hoạt động, bao gồm các bộ phận sau:
Động cơ chính: Nhiệm vụ của động cơ chính là tạo nên lực để đẩy tàu. Động cơ chính
có thể là động cơ hơi nước, tua bin hơi, tua bin khí, diesel, động cơ piston tự do, máy phát điện
và động cơ
điện.
Thiết bị đẩy: Thường dùng các loại thiết bị đẩy như guồng quay, chong chóng, chân vịt,
thiết bị đẩy kiểu phụt Trong các loại thiết bị đẩy, chong chóng là loại thiết bị đẩy được dùng
phổ biến nhất.
Thiết bị truyền động: Thiết bị truyền động có nhiệm vụ tiếp nhận công suất từ động cơ
chính truyền cho thi
ết bị đẩy để tạo nên lực đẩy tàu. Thiết bị truyền động thường bao gồm: hệ
trục tàu thủy, bộ giảm tốc, các thiết bị nối trục, các thiết bị chuyên môn truyền dẫn điện và các
thiết bị phục vụ cho thiết bị truyền động.
Nồi hơi chính: Nồi hơi chính có nhiệm vụ cung cấp hơi nước làm công chất cho máy
hơi, tua bin h
ơi và các máy móc phụ.
Thiết bị tải công chất: Nhiệm vụ của thiết bị tải công chất là tải hơi nước, khí cháy đến
động cơ chính, động cơ phụ, bao gồm các hệ thống ống hơi, ống khí cháy
1.1.2. Thiết bị phụ
Thiết bị phụ có nhiệm vụ cung cấp công chất cho tàu lúc hành trình, tác nghiệp, sinh
hoạt và dự trữ, bao gồm các bộ phận sau:
Tổ máy phát điệ

n: Có nhiệm vụ cung cấp điện cho toàn tàu, nếu hệ động lực của tàu là
điện truyền động thì phải có hệ thống máy phát và động cơ điện riêng.
Hệ thống khí cao áp: Nhiệm vụ của hệ thống khí cao áp là cung cấp không khí cao áp
cho tàu dùng để khởi động động cơ, dùng trong công tác sửa chữa, tự động hoá…Hệ thống bao
gồm máy nén khí, bình chứa không khí cao áp, đường ống dẫn không khí và các loại van giảm
áp…
Hệ thống nước cao áp: Dùng trong sinh hoạt, vệ sinh (và bao gồm cả hệ thống chữa
cháy bằng nước cao áp).
Trang:2
Nồi hơi phụ: Nồi hơi phụ có nhiệm vụ cung cấp hơi nước có áp suất thích hợp cho các
hệ thống hâm, sấy, sưởi ấm, nước dùng trong sinh hoạt hàng ngày. Hơi nước của nồi hơi phụ
không dùng làm công chất cho động cơ chính.
1.1.3. Thiết bị đảm bảo an toàn trên tàu
Thiết bị đảm bảo an toàn có nhiệm vụ phòng chống những sự cố xảy ra trên tàu, đảm
bảo cho tàu hoạt
động được an toàn. Bao gồm những hệ thống thiết bị sau:
– Hệ thống rút nước, xả nước bẩn, hệ thống dằn tàu và cân bằng tàu.
– Phòng cháy và các sự cố khác, bao gồm: hệ thống không khí lạnh; hệ thống hơi xả; hệ
thống phun sương; hệ thống nước phòng cháy; hơi phòng cháy; phòng cháy bằng hóa học, hệ
thống khí trơ…
– Thiết bị phòng ngộ độc cá nhân và tập thể.
– Thiết bị
sửa chữa đột xuất gồm sửa chữa trên tàu, phần dưới nước các phụ tùng và vật
liệu thay thế.
1.1.4. Thiết bị sinh hoạt
Là những thiết bị đảm bảo đời sống cho thuyền viên và hành khách trên tàu, bao gồm:
hệ thống thông gió, sưởi ấm, vệ sinh, làm mát, làm lạnh và điều hòa không khí…
1.1.5. Thiết bị tàu
Thiết bị tàu bè bao gồm thiết bị neo, lái, thiết bị chằng buộc bốc dỡ hàng, thiết bị cứu
sinh và các thiết bị quân dụng đặc biệt.

Nếu xét về tính chất và nhiệm vụ của các thiết bị thì thiết bị cơ giới trên tàu thủy được
phân chia thành bảy loại lớn sau:
– Cơ giới động lực ( cung cấp công cho tàu) bao gồm động cơ chính, động cơ phụ, nồi
hơi máy phát điện, động cơ điện.
– Cơ giới công tác bao gồm thiế
t bị đẩy tàu, bơm, máy nén.
– Thiết bị truyền động giữa cơ giới động lực và cơ giới công tác bao gồm hệ trục, hộp
số, các khớp nối, các loại dây điện, đường ống…
– Thiết bị dự trữ dầu nhờn, dầu nhiên liệu, không khí và nước bao gồm các bầu lọc, bộ
phận phân ly và các thiết bị lắng, lọc khác.
– Thiết bị tải công chấ
t bao gồm đường ống và các loại van.
– Thiết bị trao đổi nhiệt bao gồm các bộ phận hâm nóng, làm mát…
Trang:3
1.2. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ HỆ ĐỘNG LỰC
1.2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật
1– Chỉ tiêu công suất
Đây là một trong những chỉ tiêu cơ bản và quan trọng của hệ động lực, tính theo công
suất định mức của động cơ chính. Chỉ tiêu công suất bao gồm:
1–1 Chỉ tiêu công suất tuyệt đối
Được biểu thị bằng công suất của động cơ chính Ne, [hp hoặc kW].
1–2 Chỉ tiêu công su
ất tương đối
Được biểu thị bằng độ bão hòa công suất
]/[, tonhp
D
Ne
a
=
α

(1–1)
Trong đó:
Ne – công suất định mức của động cơ chính, [hp];
D – lượng chiếm nước của tàu, [tons].
Chỉ tiêu tương đối biểu thị công suất cần thiết cho một tấn lượng chiếm nước của tàu.
Ngoài hai loại chỉ tiêu trên, đôi khi chỉ tiêu công suất còn được đánh giá bằng nghịch đảo của
hệ số hải quân:
3
3
2
.
1
vD
Ne
C
=
(1–2)
Hoặc là:
D
Ne
M
∑
=
α
(1–3)
Trong đó:
ΣNe – tổng công suất của các máy chính, [hp hoặc kW].
Bảng dưới đây thống kê một trị số của các chỉ tiêu công suất trên như sau:
Bảng 1–1: Bảng thống kê các chỉ tiêu công suất
Dạng tàu

α
M

1/C
Tàu dầu, tàu hàng
0,1 ÷ 0,4 1/270 ÷ 1/370
Tàu hàng tổng hợp
0,3 ÷ 0,9 1/180 ÷ 1/300
Tàu container tốc độ cao
1,0 ÷ 1,5 1/220 ÷ 1/320
Tàu khách biển lớn
0,8 ÷ 1,5 1/180 ÷ 1/260
Tàu cánh ngầm
20 ÷ 60

Trang:4
2– Chỉ tiêu kích thước
2–1 Chỉ tiêu kích thước tuyệt đối
Biểu thị các kích thước của buồng máy: chiều dài buồng máy L
ER
, [m]; diện tich mặt sàn
buồng máy F
ER
, [m
2
]; thể tích buồng máy V
ER
, [m
3
].

2–2 Chỉ tiêu kích thước tương đối
Biểu thị thông qua đại lượng độ bão hòa kích thước buồng máy
]/[, mm
L
L
e
ER
M
= (1–4)
Trong đó:
L – khoảng cách giữa 2 đường vuông góc lái và mũi của tàu, [m].
Ngoài ra, chỉ tiêu tương đối còn được thể hiện thông qua các độ bão hòa sau:
]/[, mhp
L
Ne
K
ER
L
=
(1–5.1)
]/[,
2
mhp
F
Ne
K
ER
F
= (1–5.2)
]/[,

3
mhp
V
Ne
K
ER
V
= (1–5.3)
Các đại lượng độ bão hòa kể trên thể hiện khả năng tận dụng không gian buồng máy
trong bố trí thiết bị và khả năng tạo công suất của hệ động lực.
3– Chỉ tiêu trọng lượng
Trên tàu, trọng lượng của những phần bắt buộc phải lắp đặt càng nhỏ càng tốt, đặc biệt
là trọng lượng của trang trí động lực. Để đánh giá, người ta đưa ra các chỉ tiêu như sau:
3–1 Chỉ tiêu trọng lượng tuyệt đối
– G
HT
– Trọng lượng toàn bộ của hệ động lực khi chưa kể đến lượng dầu, nước trong
máy chính và lượng dự trữ (còn gọi là trọng lượng khô của hệ động lực).
– G'
HT
– Trọng lượng của hệ động lực khi chuẩn bị khởi động,
MGG
HTHT
+=
'
(1–6)
Trong đó:
M – trọng lượng công chất dùng cho việc khởi động.
Với hệ động lực tuabin hơi:
()

HTHT
GG 25,115,1
'
÷= (1–7)
Với hệ động lực diesel:
()
HTHT
GG 10,108,1
'
÷= (1–8)
Trang:5
– G"
HT
– Trọng lượng hệ động lực trước khi khởi động, có kể đến trọng lượng dự trữ:
dtHTHT
MGG +=
'''
(1–9)
3–2 Chỉ tiêu trọng lượng tương đối
[%],
"
D
G
g
HT
ht
= (1–10)
]/[,
"
tonhp

Ne
G
g
HT
CV
= (1–11)
]/[, tonhp
Ne
G
g
HT
M
= (1–12)
Trong đó:
Ne – công suất định mức của động cơ chính, [hp];
D – lượng chiếm nước của tàu, [tons].
1.2.2. Chỉ tiêu kinh tế
1– Chỉ tiêu tuyệt đối
Chỉ tiêu kinh tế tuyệt đối được đánh giá bằng các đại lượng dưới đây:
– Tổng chi phí nhiệt cho hệ thống: Q
HT
[kCal/h]
– Tổng chi phí nhiên liệu cho hệ thống: B
HT
[tons/h]
2– Chỉ tiêu tương đối
– Chi phí nhiệt tương đối:
]./[, hhpkCal
Ne
Q

q
HT
e
= (1–13)
– Chi phí nhiên liệu tương đối:
]./[, hhpkg
Ne
B
g
HT
e
= (1–14)
Đôi khi chỉ tiêu kinh tế được đánh giá theo công suất của thiết bị đẩy N
P
, khi đó có các
chỉ tiêu sau:
]./[, hhpkCal
N
Q
q
p
HT
p
= (1–15)
]./[, hhpkg
N
B
g
p
HT

p
= (1–16 )
Trang:6
1.3. PHÂN LOẠI TRANG TRÍ ĐỘNG LỰC. YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG
ĐỘNG LỰC TÀU THỦY
1.3.1. Phân loại trang trí động lực
Việc phân loại trang trí động lực tàu thủy thường căn cứ vào động cơ chính và phương
thức truyền động. Trang trí động lực tàu thủy trải qua quá trình phát triển cho tới hiện nay gồm
các loại hình:
– Trang trí động lực tua–bin hơi truyền động hộp số;
– Trang trí động lực tua–bin hơi truyền động điện;
– Trang trí động lực máy hơi nước trực tiếp truyền động;
– Trang trí động lực diesel tr
ực tiếp truyền động;
– Trang trí động lực diesel truyền động hộp số;
– Trang trí động lực diesel truyền động điện;
– Trang trí động lực hỗn hợp (máy hơi và tua–bin hơi hỗn hợp, máy hơi và diesel hỗn
hợp, tua–bin khí hỗn hợp);
– Trang trí động lực tua–bin hơi cao áp truyền động hộp số;
– Trang trí động lực tua–bin khí truyền động hộp số;
– Trang trí động lực piston tự do – tua–bin khí;
– Trang trí độ
ng lực nguyên tử.
1.3.2. Yêu cầu đối với trang trí động lực tàu thủy
Trang trí động lực là một trong những bộ phận quan trọng cấu thành hệ thống năng
lượng của tàu thủy, đặc điểm và yêu cầu của trang trí động lực quyết định đặc trưng của toàn
bộ con tàu.
Các yêu cầu đối với trang trí động lực tàu thủy hiện đại:
– Sự chuyển hóa giữa các dạng năng lượng (nhiệt năng, cơ năng, hóa năng) phải đạt
được tính kinh tế cao;

– Thiết bị đơn giản;
– Làm việc tin cậy;
– Kích thước và trọng lượng nhỏ;
– Giá thành rẻ, chi phí khấu hao thấp;
– Chí phí vận chuyển thấp;
– Tuổi thọ hù hợp (thời gian làm việc liên tục giữa 2 lần sửa chữa lớn)
Thông thường để đạt được toàn bộ các yêu cầu trên là rất khó và không thực hiện được,
bởi vì một số các yêu cầu trên là mâu thuẫn lẫn nhau. Do vậy, tùy thuộ
c vào mục đích thiết kế
mà đạt được một số yêu cầu nhất định. Những yêu cầu trên thường được xem xét dựa trên các
căn cứ dưới đây.
Trang:7
1– Căn cứ theo đặc tính chong chóng và vỏ tàu
1–1 Yêu cầu về công suất
Để xác định công suất của trang trí động lực hay công suất của động cơ chính, trước
tiên phải xem xét đến sức cản của toàn tàu. Tàu hành trình trên biển, sức cản của tàu có quan
hệ với hình dáng vỏ tàu, độ nhám bề mặt của vỏ, các phần nhô và phần ngâm nước của tàu, tốc
độ tương đối của tàu so với dòng nước, tình hình ổn định của tàu, tình hình sóng gió trên mặt
biển
Như vậy, khi xác định được giá trị
của sức cản R (kG) và tốc độ tương đối của tàu v
(m/s) thì công suất kéo có ích của trang trí động lực sẽ được tính như sau:
][,
75
.
hp
vR
N
R
= (1–17)

Chú ý: Công thức (1–17) chỉ đúng trong trường hợp nước tĩnh và gió không quá cấp 3.
Công suất cần thiết cung cấp cho chong chóng được xác định:
][, hp
N
N
R
p
η
= (1–18)
Trong đó:
η – hiệu suất của chong chóng.
Cũng có thể xác định công suất của chong chóng theo công thức Hải quân:
][,
.
3
2
3
hp
C
Dv
N
w
p
= (1–19)
Trong đó:
D – lượng chiếm nước của tàu, [tons];
C
w
– hệ số Hải quân được xác định theo tàu mẫu.
Công suất cần thiết (lý thuyết) của động cơ chính được xác định:

][, hp
N
N
sp
p
ep
η
= (1–20)
Trong đó:
η
sp
– hiệu suất của đường trục.
Công suất dùng cho lựa chọn động cơ chính được xác định:
][, hp
N
kkNN
sp
p
epe
η
== (1–21)
Đối với tàu thủy, công suất và tốc độ thường có quan hệ như sau:
n
p
vAN .=
Trang:8
n
ep
vBN .=
(1–22)

Khi tốc độ của tàu ổn định, lực đẩy của chong chóng sinh ra sẽ cân bằng với sức cản của
tàu; thông thường n = 3. Nếu tốc độ tàu thấp thì n < 3, và ngược lại nếu tốc độ tàu lớn thì n >
3. Còn A, B là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các thông số của chong chóng, tốc độ và phần ngâm
nước của tàu,
Trong thực tế, mỗi động cơ và mỗi chong chóng đều có các đường biểu diễ
n mối quan
hệ giữa công suất và vòng quay riêng (còn gọi là các đường đặc tính). Khi thiết kế phải căn cứ
vào điểm phối hợp giữa chong chóng và động cơ mà tại đó động cơ đạt được hiệu suất cao
nhất. Ngoài điểm đó ra động cơ đều làm việc ở chế độ không đủ tải, mômen xoắn và áp suất có
ích trung bình của động cơ không đạt trị s
ố cao nhất. Động cơ có thể quá tải trong quá trình
khai thác, mức độ quá tải của động cơ thường đạt trị số 110%Ne. Nếu trị số quá tải lớn hơn
nữa, vòng quay của động cơ sẽ tăng lên (khoảng 5%), mômen xoắn trên trục sẽ tăng lên khá rõ
rệt. Do đó, nếu tăng vòng quay của động cơ sẽ làm cho mômen xoắn của động cơ vượt quá xa
trị số cho phép, ứ
ng suất nhiệt và nhất là ứng suất cơ giới tăng lên rất lớn.
Công suất của động cơ chính được lựa chọn phụ thuộc vào loại tàu, công dụng và lượng
chiếm nước của tàu. Đặc trưng cho vấn đề này thường dùng công suất tương đối để biểu thị.
Gọi α là công suất tương đối:
]/[,
disp
e
thp
D
N
=
α
(1–23)
Trong đó:
D – Lượng chiếm nước của tàu, [tons]

1–2 Yêu cầu về chỉ tiêu kinh tế của tàu
Công dụng của tàu khác nhau thì yêu cầu về trang trí động lực cũng khác nhau. Có loại
tàu chỉ yêu cầu trang trí động lực ổn định ở một phụ tải nhất định, nhưng cũng có loại tàu đòi
hỏi trang trí động lực phải thay đổi ở các chế độ phụ tải khác nhau. Điều này phản ánh đó là
yêu cầu về chỉ tiêu kinh tế các loại trang trí động lực có khác nhau. Trong thiết kế trang trí
động lự
c đòi hỏi phải đạt được chỉ tiêu kinh tế ở chế độ thiết kế, ngoài ra ở các chế độ tải khác
chỉ tiêu kinh tế cũng đòi hỏi đạt được một cách tương đối.
Đặc trưng cho các chỉ tiêu kinh tế của trang trí động lực chính là suất tiêu hao nhiên liệu
của động cơ chính và suất tiêu hao nhiệt lượng cho toàn bộ hệ thống năng lượng.
Với những hệ
động lực chỉ có một động cơ chính, đặc tính hiệu suất của động cơ quyết
định đặc tính kinh tế của trang trí động lực. Yêu cầu một động cơ mà hiệu suất không biến đổi
theo phụ tải là không thể có, đặc biệt là khi phụ tải thấp hiệu suất giảm xuống rất nhanh. Để
khắc phục điều này, thông thường trong thiết kế phải s
ử dụng các phương án sau:
– Dùng nhiều động cơ để quay một chong chóng.
– Dùng nhiều động cơ quay nhiều chong chóng.
– Dùng chong chóng biến bước hoặc phương thức truyền động điện.
Trang:9
2– Căn cứ vào năng lực làm việc độc lập (hoặc căn cứ vào trọng lượng và kích thước
tàu)
N ăng lực làm việc độc lập của tàu hay khả năng hoàn thành nhiệm vụ công tác của tàu
được thể hiện ở tính kinh tế, trọng lượng và kích thước của tàu. Mỗi loại tàu khác nhau đều có
nhiệm vụ và tính năng riêng. Tuy nhiên, các tính năng của tàu phải được dựa trên lượng chiếm
nước nhất định của nó.
2–1 Yêu cầu đối với trọng lượng
L ượng chiếm nước của tàu có thể chia ra làm 4 thành phần chính: trọng lượng vỏ tàu,
trọng lượng trang trí động lực, trọng lượng của các thành phần dự trữ và trọng lượng của hàng
hóa, hành khách. Khi đó với một lượng chiếm nước nhất định, một trọng lượng thành phần nào

đó tăng lên thì các thành phần khác bắt buộc phải giảm xuống. Do vậy, trọng lượng của trang
trí động lực có ả
nh hưởng trực tiếp đến tính năng nhiệm vụ của tàu. Tàu có lượng chiếm nước
như nhau, nhưng tốc độ hành trình khác nhau, công suất khác nhau thì trọng lượng của trang trí
động lực sẽ khác nhau.
Để đặc trưng cho trọng lượng của trang trí động lực người ta đưa ra khái niệm trọng
lượng tương đối K
1
. Đây chính là tỷ số giữa trọng lượng trang trí động lực với lượng chiếm
nước của tàu.
D
W
K =
1
(1–24)
Trong đó:
W – trọng lượng của trang trí động lực, [tons];
D – lượng chiếm nước của tàu, [tons].
][,10
3
1
tonsNgW
e
−
= (1–25)
Trong đó:
g
1
– trọng lượng riêng của trang trí động lực, [kg/hp].
Có thể xác định:

3
1
3
1
1
10
10
−
−
== g
D
gN
K
e
α
(1–26)
Biểu diễn dưới dạng tính theo %:
[%], 1,0100
1000
111
ggK
α
α
== (1–27)
Qua thống kê cho thấy tàu có công suất tương đối
α
lớn thì trọng lượng tương đối của
trang trí động lực K
1
cũng lớn, khi đó trọng lượng hàng và dự trữ sẽ giảm xuống.

2–2 Yêu cầu đối với kích thước của buồng máy
Trang:10
Phần lớn máy móc trên tàu được tập trung trong buồng máy. Vì vậy kích thước buồng
máy phải thích hợp cho việc lắp đặt các thiết bị đó và thuận tiện cho việc bảo dưỡng, sử dụng
và sửa chữa ngay tại buồng máy; đồng thời còn phải xét đến điều kiện lao động và đảm bảo an
toàn cho thợ máy khi làm việc. Nếu chỉ dựa trên những yêu cầu đó thì kích thước buồng máy
càng rộng càng t
ốt. Nhưng khi đó thì kích thước khoang hàng sẽ giảm xuống, không gian dùng
vào việc bố trí các chức năng khác sẽ nhỏ đi, và tính năng làm việc của tàu có thể bị ảnh
hưởng. Để biểu thị vấn đề này người ta dùng đại lượng độ bão hòa buồng máy. Có hai loại độ
bão hòa: độ bão hòa thể tích và độ bão hòa diện tích.
– Độ bão hòa thể tích là công suất của trang trí động lực trên một đơn vị thể tích buồng
máy.
– Độ bão hòa diện tích là công suất của trang trí động lực trên một đơn vị diện tích
buồng máy.
Độ bão hòa buồng máy (mật độ bố trí thiết bị, máy móc) càng cao thì điều kiện làm
việc, sửa chữa càng không có lợi.
2–3 Yêu cầu đối với lượng dự trữ
Lượng dự trữ của tàu là do bản thân tàu mang đi để tiếp tục hành trình trong một thời
gian nhất định, đây chính là năng lực hoạt động độc lập của tàu. Đối với trang trí động lực,
lượng dự trữ chính là nhiên liệu, dầu bôi trơn, nước ngọt làm mát. Nhiên liệu dự trữ càng nhiều
thì năng lực hoạt động độc lập càng lớn. Nhưng trọng lượng nhiên liệu lạ
i là một trong những
thành phần trọng lượng của tàu, và do vậy lượng nhiên liệu tăng thì các thành phần trọng
lượng khác sẽ giảm xuống.
L ượng nhiên liệu dự trữ của tàu được xác định sơ bộ như sau:
][, kggNG
ee
τ
= (1–28)

Trong đó:
G – lượng nhiên liệu dữ trữ, [kg];
N
e
– công suất của trang trí động lực, [hp];
g
e
– suất tiêu hao nhiên liệu của trang trí động lực, [kg/hp.h];
τ – thời gian thực hiện hành trình độc lập của tàu, [h].
N ếu dùng số phần trăm của lượng chiếm nước để biểu thị lượng dự trữ nhiên liệu, có:
τα
τ
1,0

.1,0100.
1000/
2 e
ee
g
D
gN
D
G
K === (1–29)
T ừ (1–29) nhận thấy muốn tốc độ hành trình không thay đổi (
α
), năng lực độc lập của
tàu không thay đổi (τ) mà giảm bớt được lượng dự trữ nhiên liệu (G) thì chỉ có cách là giảm
suất tiêu hao nhiên liệu của trang trí động lực. Hoặc là để dự trữ được một lượng nhiên liệu
nhất định, tốc độ hành trình không đổi và nâng cao năng lực hành trình thì cũng chỉ có cách là

giảm bớt suất tiêu hao nhiên liệu (g
e
).
Trang:11
3– Căn cứ theo tình hình mặt biển
Do tính chất an toàn của tàu, khi tàu hành trình phải chú ý đến những yêu cầu sau:
– Ở trạng thái tàu lắc dọc, lắc ngang các thiết bị vẫn phải làm việc được bình thường, do
đó yêu cầu các thiết bị này phải được lắp ghép thật chặt với vỏ tàu.
– Hệ thống bôi trơn phải được thiết kế sao cho khi tàu lắc vẫn đảm bảo đưa được dầu
đến bôi trơn những nơi cần thiết.
– Các két dầu nhờn và nhiên liệu phải được bố trí và thiết kế sao cho vẫn đảm bảo làm
việc được bình thường trong khi tàu nghiêng, lắc.
– Tất cả các thiết bị phải hoạt động và điều chỉnh được dễ dàng ở mọi trạng thái của tàu.
– Động cơ chính phải có thiết bị an toàn (bộ điều tốc giới hạn vòng quay lớn nhất) trong
trường hợp quá tải v
ề vòng quay.
– Các thiết bị có số vòng quay cao phải được lắp theo phương dọc tàu đề phòng mômen
quay lớn.
– Động cơ chính phải được lựa chọn sao cho có đủ công suất dự trữ để khắc phục sức
cản trong lúc cần thiết.
Ngoài ra còn một số yêu cầu khác cho các trang trí động lực riêng biệt.
4– Căn cứ vào yêu cầu sử dụng
Trang trí động lực tàu có một số yêu cầu về sử dụng như sau:
– Thời gian khởi động ngắn và nhanh.
– Phải phát huy được toàn bộ công suất trong một thời gian ngắn.
– Các thiết bị cơ giới phải làm việc an toàn trong bất cứ điều kiện nào được đưa ra trong
điều kiện thiết kế.
– Các thiết bị phải có tính cơ động cao, thao tác thuận tiện, đạt được tính tin cậy c
ần
thiết.

– Đối với động cơ chính, sau khi đảo chiều quay phải phát huy được đủ công suất trong
thời gian ngắn và làm việc ổn định.
– Trang trí động lực phải ít gây tiếng ồn và chấn động đối với vỏ tảu và đảm bảo được
chức năng làm việc của tàu.
5– Căn cứ vào yêu cầu của Quy phạm và Công ước
Thiết kế trang trí động lực phải được cơ quan có thẩm quyền xét duyệt (Đăng kiểm) trên
cơ sở các điều luật quy định đối với thiết kế, đóng mới tàu thủy và phương tiện nổi. Do đó tất
cả các vấn đề thiết kế trang trí động lực đều phải thỏa mãn các điều luật trong các quy phạm
về Thiết kế và Giám sát đ
óng mới, công ước về An toàn sinh mạng và trang thiết bị trên biển,
công ước về Phòng ngừa ô nhiễm môi trường biển.
Trang:12
1.4. LỰA CHỌN TRANG TRÍ ĐỘNG LỰC VÀ ĐỘNG CƠ CHÍNH
1.4.1. Loại hình trang trí động lực
Thiết kế tàu dân dụng hay quân dụng, việc chọn trang trí động lực là một vấn đề phức
tạp và quan trọng. Khi lựa chọn hình thức trang trí động lực phải đồng thời giải quyết hai vấn
đề, đó là: quyết định kiểu loại máy chính và phương thức truyền động. Việc quyết định số
lượng chong chóng có liên quan mật thiết đến các vấn đề trên, điều này ảnh hưởng
đến thực
chất và hình thức trang trí động lực tàu thủy (ở đây phải xét đến đặc tính kỹ thuật của động cơ
và phương thức truyền động).
Việc lựa chọn trang trí động lực phải căn cứ vào nhiệm vụ thư thiết kế (những yêu cầu
thiết kế chủ yếu). Căn cứ vào nhiệm vụ thư, tiến hành xét các đi
ều kiện cụ thể như: công dụng,
nhiệm vụ của tàu (đối với tàu dân dụng) hay khả năng tác chiến (đối với tàu quân dụng); vùng
hoạt động; tính năng và tốc độ; công suất hệ động lực; phân khoang và kích thước buồng máy;
độ tin cậy; tính kinh tế; các chỉ tiêu đánh giá và thiết kế; luật áp dụng và các yêu cầu khác.
1.4.2. Động cơ chính
Một trong những điều kiện quan trọng nhất và cũng là điều kiện có tính chất quyết định
là vấn đề nhiên liệu và khả năng cung cấp động cơ (hay khả năng đặt mua động cơ).

Trong phát triển trang trí động lực, động cơ diesel đang được sử dụng rộng rãi, chủ yếu
là vì các lý do sau:
– Thứ nhất, động cơ diesel tăng áp và bộ giảm tố
c được dùng một cách rộng rãi, thích
hợp cho việc sử dụng động cơ có công suất lớn với kích thước và trọng lượng nhỏ; mức độ tự
động hóa cao; dễ dàng cho phối hợp và lắp đặt.
– Thứ hai, diesel sử dụng nhiên liệu nặng một cách có hiệu quả, đảm bảo cho chi phí
vận tải giảm xuống một cách thích đáng.
– Thứ ba, do tiến bộ của khoa học và công ngh
ệ, động cơ diesel ngày càng được cải tiến
và hiện đại, giảm đáng kể suất tiêu hao nhiên liệu kết quả đã nâng cao được hiệu suất của hệ
thống động lực. Điều đó làm cho động cơ diesel phù hợp hơn với trang trí động lực của các tàu
hiện tại.
Về kỹ thuật và công nghệ chế tạo máy hơi nước, các kiểu máy hơi cũ đượ
c thay thế dần
bằng kiểu máy hơi có thông số hơi nước cao, nâng cao tính kinh tế. Tuy nhiên, việc sử dụng
các loại hình trang trí động lực hơi nước là rất hạn chế chủ yếu là do hiệu suất thấp, mức độ tự
động hóa và hiện đại hóa, khả năng đáp ứng đối với hệ thống động lực hiện đại Chính vì vậy,
loại hình hệ thống động lự
c hơi nước chỉ áp dụng trong những trường hợp đặc biệt.
Ngoài ra việc sử dụng động cơ phản lực, tuabin khí trong trang trí động lực đã tăng một
cách đáng kể, song phạm vi áp dụng chưa được rộng rãi.
Tóm lại, khi thiết kế trang trí động lực, tốt nhất là tiến hành so sánh các phương án, tìm
ưu khuyết điểm của từng phương án, sau đó chọn lấy phương án tố
i ưu nhất, phù hợp với điều
kiện thực tế sử dụng.
Trang:13

Trang:14
1.5. HỆ THIẾT BỊ ĐẨY. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT VÀ TỐC ĐỘ

1.5.1. Đặc điểm của hệ thiết bị đẩy tàu
Hệ thiết bị đẩy tàu là một hệ thống các thiết bị có nhiệm vụ bảo đảm tốc độ, phương
hướng cho tàu hoạt động, bao gồm các bộ phận sau:
– Động cơ chính: Nhiệm vụ của động cơ chính là tạo nên lực đẩy tàu. Thông thường
dùng động cơ hơi nước, tuabin khí, diesel, động cơ piston tự do, máy phát điện và động cơ
điện để làm động c
ơ chính.
– Thiết bị đẩy: Bao gồm các loại thiết bị đẩy như guồng quay, chân vịt, chong chóng,
thiết bị phụt ; trong đó chong chóng là thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất.
– Thiết bị truyền động: Nhiệm vụ là tiếp nhận công suất từ động cơ chính truyền cho
thiết bị đẩy để tạo nên lực đẩy tàu. Thiết bị truyền độ
ng bao gồm hệ trục tàu thủy, bộ giảm tốc,
các thiết bị nối trục, các thiết bị chuyên môn truyền dẫn điện và các thiết bị phục vụ cho thiết
bị truyền động.
– Nồi hơi chính: Nhiệm vụ của nồi hơi chính là cung cấp hơi nước làm công chất cho
máy hơi, tuabin hơi và các máy móc khác.
– Thiết bị tải công chất: Nhiệm vụ là tải hơ
i nước, khí cháy đến động cơ chính, động cơ
phụ. Thiết bị này bao gồm các hệ thống ống hơi, ống khí cháy
1.5.2. Sức cản và công suất đẩy
1– Sức cản của tàu và các thành phần sức cản
Khi tàu chuyển động, sức cản của tàu có thể được phân tích theo công thức sau:
dfpW
RRRRR
+
+
+= (1–30)
Trong đó:
R – sức cản toàn bộ của tàu;
R

W
– thành phần sức cản sóng;
R
p
– thành phần sức cản hình dáng;
R
f
– thành phần sức cản ma sát;
R
d
– thành phần sức cản phụ.
Sức cản sóng R
W
, được xác định theo công thức:
][,
2
.
2
kG
v
R
ww
Ω=
ρ
ξ
(1–31)
Trong đó:
ξ
W
– hệ số sức cản sóng;

ρ
– mật độ chất lỏng, [kg/m
3
];
v – vận tốc tàu, [m/s];
Trang:15
Ω
– diện tích mặt ướt của tàu, [m
3
].
Hệ số sức cản sóng
ξ
W
được tra theo đồ thị, phụ thuộc vào trị số Frut của từng loại tàu.
Trong đồ thị, những vùng lồi lõm là kết quả của sự trùng hợp bất lợi và có lợi của hai hệ sóng
mũi và sóng lái. Khi thiết kế nên tránh những vùng lồi của đồ thị vì khi nằm trong vùng này,
sức cản sóng sẽ tăng rất nhanh.
Sức cản hình dáng R
p
, được xác định theo công thức:
Ω=
2
.
2
v
R
pp
ρ
ξ
(1–32)

Trong đó:
ξ
p
– hệ số sức cản hình dáng.
ξ
p
có thể tính theo công thức:
R
p
L
SS
2
.09,0
Ω
=
ξ
(1–33)
Với:
S – diện tích sườn giữa, [m
2
];
L
R
– chiều dài vuốt nhọn phần đuôi, [m].
Sức cản ma sát R
f
, được xác định theo công thức:
Ω=
2
.

2
v
R
ff
ρ
ξ
(1–34)
Trong đó:
ξ
f
– hệ số sức cản hình dáng.
ξ
f
có thể tính theo công thức gần đúng hoặc
tính theo bảng.
– Theo Schocnherr,
ξ
f
được tính:
).lg(Re.242,0
2
ff
ξξ
= (1–35)
Trong (1–35): Re – hệ số Reynolds.
– Theo Prandtl – Schlichting:
lg(Re).455,0=
f
ξ
(1–36)

Thực tế ảnh hưởng của hình dáng vỏ tàu đến sức cản ma sát được tính bằng hệ số điều
chỉnh
a
f
như sau:
Ω=
2

2
v
aR
fff
ρ
ξ
(1–37)
Với
B
L
= 8,2 ÷ 5,6 thì a
f
nằm trong khoảng 1,04 ÷ 1,08 (L – chiều dài tàu, B – chiều
rộng tàu).
Trang:16
Ngoài ra, cần phải kể đến ảnh hưởng của độ nhám của vỏ (độ lồi lõm do công nghệ, độ
lượn sóng của tôn bao, rong rêu, hà, rỉ bám vào vỏ
) đến sức cản ma sát của tàu. Tất cả ảnh
hưởng này được đặc trưng bằng hệ số điều chỉnh
a
f
.

Sức cản phụ R
d
, được xác định theo công thức:
Ω=
2
.
2
v
R
dd
ρ
ξ
(1–38)
Trong đó:
ξ
d
– hệ số sức cản phụ.
Sức cản phụ bao gồm các thành phần sức cản sau:
–
Sức cản không khí R
a
. Nếu tính một cách chính xác, R
a
được tính theo công thức:
a
aa
aa
F
v
R .

2
.
.
2
ρ
ξ
= (1–39)
Trong đó:
ξ
a
– hệ số sức cản không khí, là kết quả nghiên cứu mô hình trong ống
dòng;
ρ
a
– khối lượng riêng của không khí,
ρ
a
= 0,125 [kg.s
2
/m
4
];
F
a
– diện tích hình chiếu phần trên mặt nước của tàu lên diện tích sườn giữa,
[
m
2
];
v

a
– vận tốc tương đối của gió, được tính theo công thức:
assa
wvwvv
α
cos, 2
22
++= (1–40)
Với:
v
s
– vận tốc của tàu, [m/s];
w – vận tốc của gió, [m/s];
α
a
– góc tác dụng của gió so với trục giữa của tàu, (
α
a
=0 nếu gió thổi
ngược
).
–
Sức cản của những phần lồi, những phần lồi của tàu như: ki hông, ki đứng, các giá đỡ
trục chong chóng, phần lồi trục chong chóng , có ảnh hưởng tới sức cản của tàu. Nếu so với
sức cản toàn bộ tàu, sức cản của các phần lồi thường nằm trong khoảng:
()
R
3
10.3,02,0
−

÷=Δ
ξ
(1–41)
và cao nhất
R
3
10.5,0
−
=Δ
ξ
(1–42)
–
Sức cản khác, khi tính sức cản còn phải kể đến các điều kiện khai thác của tàu ảnh
hưởng tới sức cản của tàu: chiều sâu luồng lạch, điều kiện sóng gió thiên nhiên,
Như vậy có thể xác định sức cản toàn bộ của tàu theo công thức:
Trang:17
Ω+++= .
2
.
).(
2
v
R
dfpw
ρ
ξξξξ
(1–43)
2– Tính sức cản của tàu bằng phương pháp Papmiel
Có nhiều phương pháp tính sức cản tàu, mỗi phương pháp đều có điều kiện áp dụng
riêng phù hợp với loại tàu nhất định. Dưới đây nêu ra phương pháp tính sức cản thông dụng và

đơn giản nhất, đó là tính theo phương pháp Papmiel.
Phạm vi sử dụng của phương pháp:
δ = 0,35 ÷ 0,8
114 ÷=
B
L
;
5,35,1 ÷=
T
B
; Fr < 0,9
(
δ
– hệ số béo thể tích; L – chiều dài tàu; B – chiều rộng tàu; T – chiều chìm tàu)
Papmiel đã dựa trên cơ sở thí nghiệm mô hình và thử các loại tàu thực, đề ra phương
pháp tính công suất kéo của tàu:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
==
p
s
p
s
C

v
f
C
vx
L
V
N
33
0

φ
λ
(1–44)
Trong đó:
V – thể tích chiếm nước, [m
3
];
L – chiều dài tàu ở đường nước thiết kế, [m];
v
s
– vận tốc tàu, [knots];
λ
– hệ số tính toán được xác định theo công thức:
100
3,07,0
L
÷=
λ
(1–45)
L ≥ 100

m, thì λ = 10
x – hệ số phụ thuộc vào số lượng đường trục chong chóng, cho trong bảng
1–2.
Bảng 1–2: Hệ số xét đến số lượng đường trục
Số lượng đường trục chong chóng Z Hệ số x
Z = 1 x = 1,000
Z = 2 x = 1,050
Z = 3 x = 1,067
Z = 4 x = 1,100

Φ
– hệ số thon của tàu, được xác định:
Trang:18
δφ
L
B
10=
(1–46)
B – chiều rộng tàu;
δ
– hệ số béo thể tích .
C
p
– hệ số Papmiel
Hệ số
C
p
được xác định theo đồ thị Papmiel, phụ thuộc vào thông số v
s
', được tính như

sau:
L
vv
ss
φ
=' (1–47)
Sau khi xác định được
N
0
, sức cản tàu được tính theo công thức:
][,75
0
kG
v
N
R = (1–48)
Trong đó:
v – vận tốc tàu, [m/s]
3– Công thức Hải quân
Trong tính toán sơ bộ, người ta thường áp dụng công thức Hải quân để tính công suất
kéo (
hoặc công suất có ích) của tàu. Công thức Hải quân có dạng:
0
3
2
3
0
.
C
Dv

N
s
= (1–49)
hoặc:
e
s
C
Dv
N
3
2
3
0
.
= (1–50)
Trong đó:
C
0
– hệ số Hải quân cho công suất kéo;
C
e
– hệ số Hải quân cho công suất có ích;
v
s
– vận tốc tàu, [knots].
Công thức (1–49) và (1–50) có thể cho kết quả chính xác nếu chọn tàu mẫu có hình
dạng giống nhau và cùng trị số Fr, nhưng thực tế khó đạt được yêu cầu trên.
1.5.3. Tốc độ tàu
Từ mục 1.5.2. cho thấy sức cản là hàm của tốc độ tàu, R = f(v
s

). Trên cơ sở tính toán,
tiến hành xây dựng đồ thị sức cản cho tàu với từng tốc độ tàu khác nhau.
Với động cơ chính đã cho, dựa trên công suất định mức của động cơ chính, xác định
công suất truyền đến chong chóng (hay công suất sử dụng). Công suất truyền đến chong chóng
Trang:19
luôn nhỏ hơn công suất của động cơ vì có sự tổn hao công suất trên đường trục; đại lượng này
được xác định như sau:
NekN
spp

η
= (1–51)
với:
321

spspspsp
η
η
η
η
= (1–52)
Trong đó:
k – hệ số dự trữ công suất của động cơ chính
1
;
η
sp
– hiệu suất của đường trục;
η
sp1

– hiệu suất của gối trục;
η
sp2
– hiệu suất của hộp số, hộp giảm tốc;
η
sp3
– hiệu suất của thiết bị nối trục, khớp nối.
– Đối với gối trục lực đẩy, hiệu suất vào khoảng
η
sp1
= 0,97.
– Đối với hộp số, hiệu suất vào khoảng
η
sp2
= 0,96 – 0,98.
– Đối với khớp nối trục thủy lực hay điện từ, hiệu suất vào khoảng
η
sp3
= 0,94 – 0,95.
Công suất truyền đến chong chóng cũng có thể xác định bằng công thức:
2,716
.
pp
p
nM
N =
(1–53)
Trong đó:
M
p

– mômen xoắn truyền đến chong chóng, [kG.m];
n
p
– số vòng quay của chong chóng, [v/p].
Đối với truyền động điện thì công suất truyền đến chong chóng được tính:
11

spep
NeN
η
η
= (1–54)
Trong đó:
η
e1
– hiệu suất chung đối với truyền động điện
– Khi dòng điện thay đổi:
η
e1
= 0,86
÷
0,90.


1
Dự trữ công suất của động cơ chính
Thứ nhất, việc sử dụng không hết công suất trung bình lúc khai thác hoặc phải để một lượng công suất
dành cho dự trữ là đó là vì phải đảm bảo tốc độ tàu trong trường hợp vở tàu biến dạng, bị hà bám và han rỉ làm
sức cản tăng lên.
Thứ hai, việc quy chuẩn trong quy trình khai thác công suất động cơ là khuynh hướng bảo đảm an toàn

s
ự làm việc của động cơ diesel tàu thủy trong thời gian có thể lớn hơn hạn định sửa chữa.
Thứ ba, công suất dự trữ là cần thiết cho động cơ và an toàn của phương tiện trong trường hợp sóng gió
lớn, gặp bão hoặc tàu chạy toàn tốc lúc ngược sóng,

Trang:20
– Khi dòng điện ổn định:
η
e1
= 0,88
÷
0,93.
Khi làm việc, chong chóng sẽ sinh ra một lực đẩy là P. Toàn bộ lực đẩy này bao gồm
lực đẩy có ích để đẩy tàu chuyển động P
e
và phần khắc phục lực hút của tàu P
t
.
tPPPPP
ete
+
=
+= (1–55)
Trong đó:
P – lực đẩy của chong chóng;
P
e
– lực đẩy có ích hay lực chuyển động tàu
P
t

– lực hút;
t – hệ số hút.
Như vậy:
()
PtP
e
−= 1 (1–56)
hay:
t
P
P
e
−
=
1
(1–57)
Theo Keldvil, trị số trung bình của hệ số hút đối với tàu kéo có 1 hoặc 2 chong chóng
xác định theo công thức sau:
ψ
1
Ct = (1–58)
Trong đó:
C
1
= 0,5
÷
0,7, khi có bánh lái và trục lái thoát nước tốt sau chong chóng;
C
1
= 0,7

÷
0,9, khi có bánh lái và trục lái hình chữ nhật.
ψ
– hệ số dòng theo, đối với tàu một chong chóng
ψ
= 0,5.
δ

÷
0,1, đối với
tàu hai chong chóng
ψ
= 0,5.
δ

÷
0,16.
Theo Papmiel:
D
V
zC
B
3
165,0=
ψ
(1–59)
Trong đó:
C
B
– hệ số béo thể tích của tàu;

V – thể tích chiếm nước của vỏ tàu, [m
3
];
D – đường kính chong chóng, [m];
z – số chong chóng, (tàu 1 đường trục z = 1; tàu 2 đường trục z = 2).
Công suất kéo cần thiết đối với tàu một chong chóng:
][,
75
.
hp
vP
N
e
R
=
(1–60)
Quan hệ giữa công suất kéo và công suất đẩy của chong chóng như sau:
Trang:21
η
.
pR
NN =
(1–61)
Trong đó:
η
– hiệu suất công tác của chong chóng,
ψ
ηη
−
−

=
1
1
.
t
p
(1–62)
Từ đó có thể tính:
η
.75
.
vP
N
e
p
= (1–63)
Kết quả là:
v
N
P
p
e
η
75
= (1–64)
Kết quả từ (1–64) có thể xây dựng được đồ thị lực đẩy có ích theo vận tốc của tàu
P
e
=
f(v)

.
Khi tàu chuyển động và cân bằng, toàn bộ lực đẩy có ích sẽ cân bằng với lực cản của
tàu, tức là:
RP
e
= (1–65)
Do đó giao điểm của hai đồ thị sức cản và lực đẩy có ích sẽ cho ta tốc độ tàu sơ bộ cần
xác định.
Khi tính toán công suất của tàu kéo, chúng ta cần phải xét thêm sức cản ở móc kéo
Z khi
tính công suất kéo.