Hướng dẫn thiết kế trang bị động lực tàu thủy - Chương 2 pps

Chương II. TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TÀU
1. TÍNH SỨC CẢN VÀ CHỌN CÔNG SUẤT MÁY CHÍNH
1.1 Tính sức cản
Sức cản tàu là tổng hợp tất cả các ngoại lực tác dụng lên tàu làm giảm khả năng chuyển
động của tàu. Ngoại lực tác dụng lên tàu do nhiều thành phần: sức cản sóng, sức cản ma
sát, sức cản áp suất . . . để tàu chuyển động được thì lực tạo ra do thiết bò đẩy của tàu phải
thắng được ngoại lực nầy. Do đó việc tính sức cản tàu là rất quan trọng trong quá trình thiết
kế tàu. Có rất nhiều phưong pháp tính sức cản tàu, tuy nhiên mỗi phương pháp chỉ cho kết
quả tốt nhất cho một số loại tàu nhất đònh (có những thông số phù hợp), vì vậy khi tính sức
cản chúng ta phải lựa chọn phương pháp thích hợp nhất cho tàu mình thiết kế để có được
kết quả đáng tin cậy. Ở đây chỉ nêu một số phương pháp tính sức cản gần đúng cho một số
loại tàu.
a. Tính sức cản theo phương pháp hải quân.
Sử dụng để tính công suất kéo của tàu trong qúa trình thiết kế sơ bộ. Công thức tính như
sau:
0
3/2
3
0
C
Dv
N
s
=

Trong đó:
N
0
là công suất kéo cần thiết của tàu
V
S

: Vận tốc tàu (hl/h)
D: Lượng chiếm nước của tàu
C
0
: Hệ số hải quân .
Hệ số hải quân xác đònh từ tàu mẫu hoặc theo bảng thống kê (phụ lục). Phương pháp nầy
cho kết quả tốt khi lựa chọn tàu mẫu hợp lý nghóa là ta phải chọn tàu mẫu có hình dạng
gần giống với tàu ta thiết kế.
b. Phương pháp Papmel
Sử dụng cho các tàu có các thông số cơ bản như sau:
δ = 0.35 ÷ 0.8
L/B = 4 ÷ 11
B/T = 1.5 ÷ 3.5
Fr < 0.9
14
Công thức tính:
P
s
C
v
x
L
D
N
3
0
ψ
λ
=

Trong đó:
D: Lượng chiếm nước của tàu (m
3
)
L: Chiều dài thiết kế của tàu (m)
χ: Hệ số phụ thuộc vào số trục chân vòt
χ = 1 khi tàu có một trục chân vòt.
χ = 1,05 khi tàu có hai trục chân vòt.
χ = 1,075 khi tàu có ba trục chân vòt.
χ = 1,1 khi tàu có bốn trục chân vòt.
Hệ số λ được tính theo công thức sau:
100
3.07.0
L
+=
λ

L ≥ 100 thì λ = 1
δψ
L
B
10=
- Hệ số thon của tàu
với B là chiều rộng của tàu, L là chiều dài tàu, δ là hệ số béo thể tích của tàu.
C
P
: Là hệ số xác đònh từ đồ thò Papmel (phụ lục) trong đó hệ số v
S
’ được xác
đònh như sau:

L
vv
s
s
ψ
=
,

Sức cản toàn bộ của tàu được xác đònh như sau:
v
N
R
0
75= (kG)
với v(m/s), N
0
(cv)
(Các phương pháp tính sức cản khác tham khảo Sổ Tay Kỹ Thuật Đóng Tàu Tập 1)
c. Tính sức cản cho tàu sông theo phương pháp Zvonkov.
15
Theo các số liệu của Zvonkov, lực cản tàu sông (vỏ thép, tự hành) có thể tính theo công
thức sau:
Fr
r
vSvR
47,1825,1

+
Θ
+Ω=

ξδξ

Trong đó:
ξr : Hệ số lực cản ma sát
ξ
r
= 0.17 đối với tàu vỏ thép
ξ
r
= 0.23 ÷ 0.25 đối với tàu vỏ gỗ
S
⊗
: Diện tích sườn giữa (m
2
)
Ω: Diện tích mặt ướt (m
2
)
Diện tích mặt ướt của tàu được tính theo công thức gần đúng sau:
)
09,2
3,3(
3/1
3/2
V
L
V
+=Ω
V: Thể tích chiếm nước của tàu (m
3

)
L: Chiều dài mặt ướt của tàu (m)
δ: Hệ số béo thể tích của tàu
v: Vận tốc tàu
Fr: Hệ số Froude của tàu được tính theo công thức sau:
gL
v
Fr
=
v: Vận tốc tàu (m/s)
L: Chiều dài tàu (m)
ξ: Hệ số lực cản dư.
Hệ số lực cản dư được tính như sau:
2)
6
(
7,17
3
5,2
+
=
B
L
m
δ
ξ

m = 1.0 đối với tàu có thiết bò đẩy là chân vòt
m = 1.2 Đối với tàu có thiết bò đẩy là chân vòt trong ống đạo lưu
16

Lập bảng thống kê và vẽ đồ thò sức cản
Bảng thống kê:
v(km/h) v(m/s) R
f
(kG) R
d
(kG) R(kG)
(1) (2) (3) (4) (5)
V
1
V
2
v
n
… … … …
Giải thích các cột :
(1) v: Vận tốc tàu (theo nhiệm vụ thư hoặc giả thiết)
(2) R
f
= ξ
r
.Ω.v
1,825
(3) R
d
= δ.ξ.S
⊗
.v
1,7+4Fr
(4) R = R

f
+ R
d

• Vẽ đồ thò sức cản: Dựa vào các thông số đã liệt kê trong bảng ta vẽ được đồ thò sức cản theo
vận tốc tàu.









R(kG)
v(km/h)
1.2 Chọn máy chính.
Trong tính toán sơ bộ, để tính công suất máy chính ta có thể tính sơ bộ theo công thức sau:
75
0
Rv
N =

17
với: v là vận tốc tàu, R là sức cản toàn phần của tàu.
Công suất trên chỉ có ý nghóa trong thiết kế sơ bộ tàu, trong các giai đoạn thiết kế tiếp theo
ta phải tính tương đối chính xác công suất máy và chọn được máy phù hợp với chế độ làm
việc của tàu, tạo được hiệu suất đẩy cao nhất và tương thích với chân vòt. Thông thường
người ta tính chọn máy cho các trường hợp cụ thể sau:

a. Chọn máy chính cho tàu làm việc theo chế độ chạy tự do, đường kính chân vòt
không hạn chế.
Thông số đầu vào: sức cản tàu R = f(v) và vận tốc tàu v
max

Yêu cầu: Xác đònh công suất máy chính, tần số quay chân vòt, thông số chính của chân vòt.
Sơ đồ tính: Đầu tiên, ta chọn số vòng quay chân vòt trong một khoảng giới hạn xác đònh (ví
dụ chọn vòng quay chân vòt là 400 v/ph, 600v/ph, 800v/ph . . . ) tại mỗi tần số quay chân vòt
ta tiến hành tính theo các bước sau:
1. Xác đònh hệ số
4
'
T
n
Vp
nK
ρ
=
Trong đó T, Vp được tính như sau:
)1(
max.
t
VR
T
−
=

R: Sức cản tàu (đã tính ở phần 1 – xét tại Vmax)
Vmax: vận tốc lớn nhất của tàu
t: hệ số lực hút (xem phần III)

Vp = V(1-w)
Trong đó:
V: vận tốc tàu (m/s)
w: Hệ số dòng theo ( xem phần III )
ρ mật độ nước, ρ = 104,5 kGs
2
/m
4
n: số vòng quay chân vòt (giả thiết) – đơn vò (v/s)
2. Trên đồ thò Jopt = F2(K’n) ta đọc được giá trò Jopt
3. Đường kính chân vòt tối ưu:
n
Vp
Jopt
Dopt
1
=

18
4. Xác đònh hiệu suất tối ưu theo đồ thò
ηP = F4(KT,J).
5. Xác đònh công suất theo công thức sau:
Công suất keó cần thiết:
75
Rv
EPS =

v(m/s), R(kG)
Công suất máy:
PRVTHS

EPS
Pe
ηξηηη
=
Trong đó:
η
HS
: Hiệu suất hộp số
η
HS
= 0.95–0.97 với hộp số thủy lực.
η
HS
= 0.97-0.98 với hộp số điện từ.
η
T
: Hiệu suất trục chân vòt
η
T
= 0.95 khi đường trục dài
η
T
= 0.97 khi dùng ổ đỡ là bi cầu hoặc bi lăn
η
V
: Hiệu suất vỏ tàu
η
V
= 0.98-1.2
ξ

R
: Hiệu suất dòng xoáy.
ξ
R
= 1.0-1.025
η
P
: Hiệu suất chân vòt (xác đònh the đồ thò ở bước 4)
6. Vẽ đồ thò Pe, D, H/D,
ηP theo n. Tại giá trò nP lớn nhất ta xác đònh được các giá trò
Pe, D, H/D, n hợp lý.
Đồ thò có dạng như sau:
19

1
N
2
N
p
Pe
η
p
η
D
max
D
N
3
N
4

N
5
N
η
p
Pe

Từ công suất máy đọc được trên đồ thò ta chọn máy phù hợp với tính năng khai thác của
tàu ta thiết kế.
Việc chọn máy chính cho tàu có được thể hiện qua bảng sau:
Số vòng quay chân vòt (hoặc máy) v/ph
TT Công thức, ký hiệu Đvò
N1 N2 N3
1

2


3


4

5

6
7
n=N/60
4
'

T
n
Vp
nK
ρ
=

Jopt = f(K’n) từ đồ thò

n
Vp
Jopt
D
1
=

H/D = f
1
(K’n, J)
η
P
= f
2
(K’n, J)
EPS = Rv/75
Pe = EPS/η
HS
η
V
η

T
ξ
R
η
P
v/s





m



HP
HP

20
8
(Các giá trò trong các cột đã trình bày ở phần trên)
2. THIẾT KẾ CHÂN VỊT.
2.1 Chọn số cánh chân vòt và tỉ lệ mặt điã.
a. Chọn số cánh chân vòt:
Số cánh chân vòt thay đổi từ 2 đến 8 cánh. Theo kinh nghiệm, người ta thường dùng như
sau:

Chân vòt 2 cánh: dùng cho thuyền buồm gắn máy hoặc cho tàu lưới bé

Chân vòt 3 cánh dùng cho các tàu nhỏ trang bò một hoặc hai máy (chân vòt 3 cánh gắn

lên tàu 1 chân vòt có khả năng gây ra rung động vỏ tàu)

Chân vòt 4 cánh được dùng rộng rãi trên các loại tàu.

Các loại chân vòt có số cánh lớn hơn được dùng trên các tàu có công suất lớn.
Lưu ý: Không nên chọn chân vòt có số cánh là ước số cuả số xilanh máy chính.
b. Tỷ lệ mặt điã.
Để tránh hiện tượng sủi bọt và xâm thực, tỷ lệ mặt điã của chân vòt không được nhỏ hơn
giá trò tính theo công thức sau:
k
pp
TZ
A
Ae
do
+
−
+
=
)(
)3,03,1(

Trong đó:
Z: số cánh chân vòt
T: lực đẩy chân vòt
k = 0.2 cho tàu một chân vòt
p
d
: áp suất hơi bảo hòa, p
d

= 240 kg/m
2
p
o
: áp suất thủy tónh.
p
o
= (p
a
+γh
S
)
p
a
= 10.330kG/m
2
(áp suất khí quyển)
h
S
: Chiều chìm đến trục chân vòt
γ : trọng lượng riêng của nước,
21
γ = 1000 kg/m
3
– Đối với nước ngọt
γ = 1025 kg/m
3
– Đối với nước biển
2.2 Tính hệ số dòng theo và hệ số lực hút
a. Hệ số dòng theo:

Các công thức xác đònh hệ số dòng theo:
Công thức Taylor:

Tàu một chân vòt: w = 0,5δ - 0,05

Tàu hai chân vòt: w = 0,55δ - 0,2
Công thức Gill:

Tàu một chân vòt: w = δ/1,5 – 0,15

Tàu hai chân vòt: w = δ/1,5 – 0,27
Công thức Papmiel:
w
D
w
n
∆−
∇
=
3
156,0
δ

Trong đó :
n- số chân vòt trên tàu
D- đường kính chân vòt, m
∇- thể tích chiếm nước của tàu
δ- hệ số béo thể tích
∆w = 0,1(Fr - 0,2): hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng của sóng đuôi
(chỉ sử dụng khi số

gL
v
Fr
= > 0,2)
Công thức Harvald:
w = w
0
+ w
1
+ w
2
(D/L) + w
3
(E/T)
trong đó:
 w
0
= F(δ,B/L) tra từ đồ thò
 w
1
- hệ số ảnh hưởng dạng sườn tàu, tra từ đồ thò
22
 w
2
= F(D/L), tra từ dồ thò
 w
3
= 0,5E/T – 0,2
 E: khoảng cách từ đường cơ bản qua đáy tàu đến trục chân vòt
 T: mớn nước

Công thức Harvald phù hợp cho các tàu trong phạm vi:
Tàu một chân vòt:
δ = 0,5÷0,77
L/B = 5
÷8
D/L = 0,025
÷0,07
Tàu hai chân vòt:
δ = 0,52÷0,67
L/B = 6,5
÷7,5
Hệ số dòng theo tàu nội đòa không có hầm trục:
w
Dn
w
n
∆−
∇
+=
3
16,0
11,0
δ

Hệ số dòng theo tàu kéo tính theo công thức của Keldvil:
Tàu một chân vòt: w =
δ/3 + 0,01
Tàu hai chân vòt: w = δ/3 – 0,01
Hệ số dòng theo tàu cá:
w = 0,77CP – 0,28

trong đó: CP - hệ số đầy lăng trụ
b. Hệ số lực hút
Trong vùng làm việc của chân vòt, tốc độ dòng chảy tăng lên làm giảm áp suất cục bộ.
Vùng áp suất thấp này là nguyên nhân gây ra lực bổ sung tác động theo hướng ngược với
chuyển động của tàu và do đó làm tăng sức cản vỏ tàu. Lực cản bổ sung này gọi là lực hút.
Trong hệ thống vỏ tàu-chân vòt, lực này mang tính chất của nội lực. Do đó để đảm bảo cân
bằng lực tác động lên vỏ tàu, chân vòt phải tạo thêm lực đẩy cân bằng với lực cản bổ sung.
Do đó lực đẩy cần thiết sẽ phải là:
23
T = Te + dT
Trong đó :
Te: lực đẩy
dT: lực hút
Nếu ký hiệu t = dT/T là hệ số lực hút thì công thức xác đònh lực đẩy sẽ là:
Te = T – dT = T(1 – t)
Công thức xác đònh lực hút:
Tàu đi biển:
+Tàu một chân vòt:
t = a.w
trong đó
a= 0,5
÷0,7: đối với tàu có bánh lái dạng thoát nước, trụ lái có mặt cắt dạng
profil khí động
a = 0,7
÷0,9: đối với tàu có bánh lái dạng thoát nước, trụ lái
có mặt cắt dạng hình chữ nhật
a = 0,9
÷1,05: đối với tàu có bánh lái phẳng
+
Tàu hai chân vòt:

t = 0,25w + 0,14
Tàu nội đòa:
+
Tàu một chân vòt:
t = 0,6w(1 + 0,67w)
+
Tàu hai chân vòt:
t = 0,8w(1 + 0,25w)
Đối với các tàu có chân vòt ngập hoàn toàn trong hầm đuôi có thể tính
t = w
Tàu kéo, tàu đánh cá:
t = 0,77CP – 0,3
24
2.3 Thiết kế chân vòt.
Sau khi đã xác đònh được sức cản tàu và xác đònh được máy chính ta tiến hành thiết kế
chân vòt cho phù hợp. Ta xét các bài toán cụ thể sau:
a. Bài toán 1: Thiết kế chân vòt theo chế độ chạy tự do, đường kính không hạn chế
Các thông số cho trước:
▫ Đường cong sức cản vỏ tàu R = f(V);
▫ Các thông số máy chính: công suất đònh mức Pe, tần số quay n.
▫ Các hệ số vỏ tàu, hệ số môi trường, các hiệu suất…
Các thông số cần tìm:
▫ Đường kính chân vòt D, tỉ lệ bước xoắn H/D, tỉ lệ mặt đóa Ae, hiệu suất chân vòt
ηp.
▫ Tốc độ tàu lớn nhất Vs.
Cách giải:
Sử dụng đồ thò Taylor Bp-
δ hoặc Papmiel Kq-J. Lần lượt tính thử cho các tốc độ tàu V
1
,

V
2
…Ở mỗi tốc độ Vi tính hệ số Taylor Bp hoặc Papmiel Kn. Từ đồ thò tương ứng đọc giá
trò hệ số tốc độ tối ưu
δ hoặc J = 101.3/δ.
▫ Tính đường kính D theo J, n, Vp. Các hệ số H/D,
ηp đọc từ đồ thò tương ứng.
▫ Tính lực đẩy của chân vòt dựa vào công suất dẫn đến chân vòt, hiệu suất chân vòt
và tốc độ dòng chảy qua cánh.
▫ Tính hiệu suất giữa lực đẩy chân vòt và sức cản vỏ tàu. Kiểm tra lại với sai số cho
phép (thường là 5%). Nếu vượt quá mức cho phép thì tính lại với tốc độ khác (lấy từ đồ
thò sức cản) cho đến khi nào thỏa mãn điều kiện trên.
Sau đây là sơ đồ tính:

Dựa vào đồ thò Taylor Dựa vào đồ thò Papmiel
Ký hiệu Đơn vò Ký hiệu Đơn vò
Vs
Va=Vs(1-w)
Hl/g
Hl/g
-
Vs
Vp=0,515Vs(1-w)
hl/g
m/sec
_
25
Va
Pd
Va

n
Bp
.
60
2
γ
=

δopt=F1(Bp) (tra đồ thò)
δ=(0,94÷0.96)δopt (tra đồ thò)

n
Va
D
.60
305,0
δ
=
-

H/D=F2(Bp,
δ) (tra đồ thò)
η
p
=F3(Bp,δ) (tra đồ thò)
Va
Pd
T
p
.515,0

.75
η
=
Te=T(1-t)

-
-

m




kG
kG
4
.
"
nPd
Vp
VpnK =

Jopt=F1(K”n) (tra đồ thò)
96,094,0
÷
=
Jopt
J

n

J
Vp
D
.
=
53

936,11
Dn
Pd
Kq
ρ
=
H/D=F2(J,Kq) (tra đồ thò)
η
p
=F3(J,Kq) (tra đồ thò)
Vp
Pd
T
p
η
.75
=
Te=T(1-t)

-


-

_

_
_

kG
kG

b. Bài toán 2: Thiết kế chân vòt theo chế độ kéo
Các thông số cho trước bao gồm:
▫ Kích thước và thông số đặc trưng của vỏ tàu
▫ Các hệ số, hiệu suất liên quan đến vỏ tàu…
▫ Các thông số đặc trưng của máy: Pe, n, hiệu suất hộp số
ηhs, đường trục ηt
▫ Hệ số tính đến ảnh hưởng của môi trường Cmt
▫ Tốc độ kéo cần đạt đến Vk
Các thông số cần tìm:
▫ Đường kính D, tỉ lệ bước H/D, tỉ lệ mặt đóa Ae
▫ Hiệu suất chân vòt
ηp
▫ Trước hết cần tính:
▫ Công suất dẫn đến chân vòt: Pd = Cmt.ηhs.ηt.Pe
26
▫ Tần số quay chân vòt trong nước được tăng hoặc giảm đi 2% theo hướng dẫn.
▫ Tốc độ tiến thật của chân vòt trong nước:
Va = Vk(1-w) (hl/g)
Vp = 0,515.Vk(1-w) (m/s)
Sơ đồ tính tiếp theo:
Dựa vào đồ thò Taylor Dựa vào đồ thò Papmiel
Ký hiệu Đơn vò Ký hiệu Đơn vò

Va
Pd
Va
N
Bp
.
2
γ
=

δ=F1(Bp) (tra đồ thò)
D=0,35
δ.Va/N
H/D=F2(Bp,
δ) (tra đồ thò)
η
p
=F3(Bp,δ) (tra đồ thò)
Vp
Pd
T
p
η
.75
=
Te=T(1-t)
Zo=Te-R(Vk)
_

_

m
-
-

kG

kG
kG
4
.
.
"
nPd
Vp
VpnK
ρ
=
J=F1(K”n) (tra đồ thò)
D=Vp/J.n
H/D=F2(J,K”n) (tra đồ thò)
η
p
=F3(J,K”n) (tra đồ thò)
T=75Pd.
η
p
/Vp
Te=T(1-t)

Zo=Te-R(Vk)

hl/g
m/s
_
m
-
-
kG
kG

kG

Nếu đường kính chân vòt bò hạn chế, sơ đồ tính như sau:
Dựa vào đồ thò Taylor:
▫ Tính Bp và
δ = 101,3n.D/Vp
▫ Tra H/D và
η
p
từ đồ thò
Dựa vào đồ thò Papmiel:
▫ Tính
27
53

936,11
Dn
Pd
Kq
ρ
=

Dn
Vp
J
.
=
▫ Tra H/D vaø
ηp töø ñoà thò.
28
3. THIẾT KẾ HỆ TRỤC TÀU THỦY
Công việc tính toán, kiểm tra hệ trục được tiến hành sau khi đã tính chọn được máy chính
3.1 Phương pháp tính kích thước cơ bản hệ trục tàu thủy
a. Kích thước cơ bản hệ trục tàu biển
i. Trục trung gian
Đường kính trục trung gian được làm bằng thép rèn không được nhỏ hơn giá trò sau:
3
110
)
160
560
(
k
TN
H
kFd
S
+
=

Trong đó:
N: vòng quay trục trung gian (v/ph)

H: Công suất liên tục lớn nhất của động cơ (KW)
F
1
: Hệ số lấy theo bảng 1
k
1
: Hệ số lấy theo bảng 2
T
S
: Giới hạn bền kéo danh nghiã của vật liệu làm trục (N/mm
2
). Trong tính
toán, trò số được lấy bằng: T
S
= 520÷540 N/mm
2
.
k: Hệ số trục rỗng tính theo công thức sau:
4
0
)(1
1
d
d
K
i
−
=

d

I
: Đường kính trong của trục rỗng (mm)
d
0
: Đường kính ngoài của trục rỗng (mm). Nếu d
I

≤
0.4 d
0
, có thể lấy K=1

Đối với thiết bò tuabin hơi, tuabin khí, thiết bò
diezen có khớp nối trượt, thiết bò đẩy bằng điện
Đối với tất cả thiết bò diezen không
phải là các thiết bò ghi ở cột trái
95 100
Bảng 1: Trò số F
1

Trục có
khớp nối
bích liền
Trục có khớp nối bích
ép nóng, ép nguội,
hoặc lắp nguội
Trục có
rãnh
then
Trục có lỗ

khoét ngang
Trục có khe
khoắc dọc
Trục có
then trượt
1.0 1.0 1.1 1.1 1.2 1.15
Bảng 2: Trò số k
1
29
Đường kính trục trung gian được chế tạo từ thép không rỉ không được nhỏ hơn trò số tính theo
công thức sau:

4
3
1000
N
H
kd
S
=

Trong đó k
3
được lấy theo bảng sau:
TT Phạm vi áp dụng KSUSF 316
KSUS 316 SU
KSUSF 316 L
KSUS 316 L-SU

1
Phần giữa đầu lớn của phần côn trục chân vòt
(trong trường hợp chân vòt được lắp bích, mặt
trước của bích) và đầu trước ổ đỡ sau cùng
trong ống bao trục hoặc 0.25d
s
lấy trò số lớn
hơn.


1.28


1.34


2
Trừ phần trục qui đònh ở 1 bên trên, phần trục
tính về phía mũi cho đến phần trước của đệm
kín ống bao trục trước và đầu trước của ổ đỡ
sau cùng trong ống bao trục hoặc 2.5d
s
lấy trò
số nào lớn hơn.


1.16


1.22

3 Phần trục nằm phía trước của đầu trước đệm
kín ống bao trục trước.
1.16 1.22
Bảng 3: Trò số k
3
ii. Trục lực đẩy.
Đường kính trục lực đẩy không được nhỏ hơn trò số tính theo công thức sau:
3
1
160
560
1.1 K
TN
H
Fd
S
t
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
=
.
Nếu đường kính trục lực đẩy lớn hơn đường kính trục trung gian thì đường kính trục đẩy có
thể giảm dần về phía mũi hoặc phía lái bằng cách nhân 0.91 với giá trò đường kính tính

theo công thức trên.
iii. Trục chân vòt.
Đường kính trục chân vòt được làm bằng thép cacbon rèn hoặc thép hợp kim thấp rèn
không được nhỏ hơn trò số tính theo công thức sau:
3
2
160
560
100
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
=
S
S
TN
H
kd

Trong đó:
30
d
S
: đường kính trục chân vòt

k
2
: giá trò được lấy theo bảng 4
TS: Giới hạn bền keó danh nghóa của vật liệu, trò số TS không được lấy lớn hơn 600
N/mm2.
Các giá trò còn lại đã liệt kê trong các công thức trước.
Đối với trục chân vòt được chế tạo từ thép không gỉ, đường kính trục chân vòt không được
nhỏ hơn giá trò tính theo công thức sau:
3
33
100
N
H
kd =
Trong đó k3 là hệ số liên quan đến vật liệu đã liệt kê trong bảng 2.
TT Phạm vi áp dụng k
2
Đối với mối ghép trục và chân vòt
không dùng then hoặc nếu chân vòt
được gắn bích liền
1.22


1
Phần giữa đầu lớn của phần côn trục
chân vòt (trong trường hợp chân vòt
được lắp bích, mặt trước bích và đầu
trước của ổ đỡ sau cùng trong ống bao
trục hoặc 2.5d
S

, lấy trò số nào lớn hơn.
Đối với chân vòt có rãnh then để lắp
chân vòt
1.26
2 Trừ phần trục qui đònh ở phần 1, phần trục tính về phía mũi cho đến phần trước
của đệm kín ống bao trục trước.
1.15
3 Phần trục nằm ở phía trước của đầu trước đệm kín ống bao trục trước. 1.15
Bảng 4: Trò số k
2
b. Kích thước cơ bản hệ trục tàu sông.
i. Đường kính trục trung gian.
Đường kính trục trung gian không được nhỏ hơn trò số tính theo công thức:
()
3
165.24 k
n
N
d
tg
+= (mm)
Trong đó:
N: Công đònh mức truyền qua trục trung gian (kW)
n: tốc độ quay đònh mức của trục trung gian (S
-1
)
k = 0 cho thiết bò có động cơ kiểu roto, có khớp nối thủy lực hoặc khớp nối điện từ.
k = q(a-1) với
q= 0.5 cho các thiết bò có động cơ hai thì
q= 0.4 cho các thiết bò có động cơ bốn thì

31
a: hệ số được xác đònh theo bảng sau:

Động cơ tác dụng đơn Động cơ tác dụng đơn
Số lượng
xilanh
4 kỳ 2 kỳ
Số lượng
xilanh
4 kỳ 2 kỳ
1
2
3
4
5
6
14.0
6.4
4.5
2.8
2.4
2.15
8.0
3.8
2.6
2.2
1.8
1.5
7
8

9
10
11
12
2.1
2.0
1.85
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.15
1.15
1.1
1.05
Bảng 5: Giá trò hệ số a
Ta có thể tính đường kính trục trung gian theo công thức sau:
()
3
187 k
n
N
d
tg
+= (mm)
Trong đó:
N: Công đònh mức truyền qua trục trung gian (HP)
n: tốc độ quay đònh mức của trục trung gian (v/ph)
k : tính theo công thức trên.

ii. Trục đẩy
Đường kính trục trong vùng vành đẩy phải lớn hơn đường kính trục trung gian ít nhất 10%,
ở ngoài ổ đẩy có thể giảm dần đến đường kính trục trung gian.
iii. Trục chân vòt
Đường kính trục chân vòt không được nhỏ hơn trò số tính theo công thức:
d
cv
= d
tg
+ KD
Trong đó:
d
tg
: Đường kính trục trung gian
D: Đường kính chân vòt
K= 7 đối với trục được làm bằng thép không gỉ
K=10 đối với trục làm bằng các loại thép khác
32
Đường kính đoạn đầu trục chân vòt từ vòng đệm kín ở ống bao đến mặt bích (hoặc khớp nối
có thể giảm dần đến 1.05 đường kính trục trung gian.
iv. Áo trục chống ăn mòn
Áo trục chống ăn mòn được làm bằng đồng thau và có chiều dày không nhỏ hơn trò số tính
theo công thức:
t = 0.03d + 7.5mm
Trong đó:
d: đường kính trục chân vòt (m)
t: chiều dày lớp áo trục (mm)
v. Gối đỡ trục
Bạc trục được chế tạo bằng gỗ, cao su . Bạc cao su được chọn theo tiêu chuẩn
Chiều dài gối đỡ trục: đối với tàu biển L

≥ 4d
S
, đối với tàu sông L≥ 3d
S
. Với d
S
là đường
kính trục chân vòt.
3.2 Bố trí hệ trục.
Bố trí hệ trục tàu được tiến hành sau khi xác đònh máy chính và xác đònh kích thước hệ
trục. Dựa vào kết cấu vùng đuôi tàu, kết cấu buồng máy mà bố trí cho phù hợp, đảm bảo
dòng nước chảy vào chân vòt là tốt nhất, hiệu suất đẩy cao, không bò rung.
Giữa chân vòt và vòm đuôi phải đảm bảo các khoảng cách theo qui đònh. Khi bố trí trục tốt
nhất là bố trí góc nghiêng của trục so với phương ngang là
α = 0
0
nhưng theo kết cấu vòm
đuôi thường không thể bố trí
α = 0
0
do đó thường bố trí α ≤ 3
0
, trường hợp đặc biệt α = 5
0
Khi bố trí hệ trục cần chú ý kiểm tra dao động ngang tại gối đỡ trục, kết cấu gối đỡ được
xác đònh theo qui phạm.
Vòng quay tới hạn :

max
2

6
10.
08.12
l
d
n
CV
K
= (v/ph)
Trong đó:
d
CV
là đường kính trục chân vòt (cm)
l: Khoảng cách giưã hai gối đỡ trục (cm)
Hệ số an toàn:
%100.
n
nn
k
K
−
=

Khi k >30% thì mới thỏa mãn. Nếu k không đảm bảo thì phải tăng d
CV
hay giảm l.
33
a. Tính momen uốn và phản lực tại các gối đỡ trục.
a
n+1nn-1210

n+1 n+1n nn-1 n-12 21 10 0
M RM RM RM RM R M R
Bn+1nn-1210
L
Gcv
LLLLLL

Trọng lượng đơn vò của trục:
γ
π
4
2
CV
d
q =
(kG/cm)
Trong đó :
γ = 7,85.10
-3
kG/cm
3
d
CV
: Đường kính trục chân vòt
Phương trình 3 momen:
)
2
(
0
2

0
ql
lGM
aCV
+−=
)(
4
)(2
2
3
1
3
2221110
ll
q
lMllMlM +−=+++
)(
4
)(2
3
3
2
3
3332221
ll
q
lMllMlM +−=+++
)(
4
)(2

1
33
1111
+
+++−
+−=+++
nn
nnnnnnn
ll
q
lMllMlM
)(
4
)(2
2
3
1
3
222111
++
++++++
+−=+++
nn
nnnnnnn
ll
q
lMllMlM

084
2

2
1
=++
+
+
n
Bn
qlMM
Giải hệ phương trình ta được M
0
, M
1
, … M
n+1
.
Phản lực tại các gối:
34

1
01
1
00
2 l
MM
ql
qlGR
CV
−
+++=
2

12
1
10
21
1
22 l
MM
l
MM
qlql
R
−
+
−
++=
1
111
22
+
+−+
−
+
−
++=
n
nn
n
nnnn
n
l

MM
l
MMqlql
R

2
1
1
121
1
22
+
+
+
+++
+
−
+
−
++=
n
nB
n
nnnn
n
l
MM
l
MMqlql
R

2
12
2
+
++
−
+=
n
Bnn
B
l
MMql
R

b. Nghiệm bền hệ trục
i. Tải trọng tác dụng lên trục
Momen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục được xác đònh theo công thức sau:
)](aq[
N
H
.,M
X
1110559
0
6
max
−+=
H: Công suất máy chính (kW)
N:số vòng quay (v/ph)

Lực đẩy chân vòt được tính theo công thức sau:
3
10
η
v
H
P
CV
=
Trong đó:
v: Vận tốc tàu (m/s)
η: Hiệu suất đẩy hệ động lực
Theo thống kê hiệu suất đẩy một số loại tàu như sau:
Tàu kéo, tàu lưới:
η= 0.3÷0.5
Tàu hàng
η= 0.6÷0.78
Du thuyền
η= 0.55÷0.7
ii. Hệ số an toàn tải trọng tónh
Ứng suất cấp tác dụng lên hệ trục:
35
OJ
W
Mx
max
max
=
τ
,

16
3
CV
OJ
d
W
π
= ,
CV
CV
n
d
P
2
4
π
σ
= ,
J
u
u
W
M max
=
σ

Ứng suất sinh ra do lắp ráp:
σ
p
= 15÷30N/mm

2
.
Ứng suất tương đương lên trục:
max
22
3
τσσ
+=
Σ
td

Với
σ
Σ
= σ
u
+ σ
n
+ σ
P
Hệ số an toàn tải trọng tónh của hệ trục được tính theo công thức sau:
td
S
tt
T
n
σ
=
Điều kiện bền: n
tt

≥ [n
tt
]
Với [n
tt
] là hệ số an toàn cho phép (theo qui phạm)
Áp suất lên gối đỡ trục:
bl
P
P
t
)cos21(
2
α
+
=

Điều kiện cho phép: P
t
≤ [P
t
]
36
3.3 Bài toán ví dụ:
Thiết kế hệ trục cho tàu có các thông số cơ bản như sau:
- Chiều dài thiết kế : L = 24,3m
- Chiều rộng : B = 5,4m
- Chiều cao : H = 1,8m
- Mớn nước : T = 1,2 m
- Khoảng sườn thực : a = 500mm

- Đường kính chân vòt : D = 0.9m
Máy chính tàu là Diesel CUMMIN S- 6BT5. 9-M với các thông số như sau:
- Công suất máy chính N
c
= 180 ml (134 kw)
- Số vòng quay n = 2500 vòng/phút
- Hộp số MGN 46E có tỉ số truyền : I = 3,53 : 1
- Số xylanh z = 6 xếp hàng thẳng đứng
- Số thì động cơ : 4 thì
- Đường kính xylanh D = 102 mm
- Hành trình piston S = 120 mm
- Tỉ số nén 16,5
÷1
- Trọng lượng máy khô G = 579 kg
- Suất tiêu hao dầu đốt g
c
= 180 g/ml.h
- Suất tiêu hao dầu nhờn g
m
= 3 g/ml.h
Để tính được kích thước hệ trục trước hết xác đònh được phụ tải tác dụng lên hệ trục, trong quá
trình làm việc hệ trục chòu tác dụng của rất nhiều lực, việc tính toán chính xác các phụ tải nầy
rất khó khăn do đó việc tính toán kích thước hệ trục tàu chủ yếu dựa vào các công thức kinh
nghiệm để tính. Trong trường hợp chung việc thiết kế hệ trục bao gồm các bước sau:
- Chọn vật liệu hệ trục
- Tính toán kích thước và chọn kết cấu hệ trục
- Tính phụ tải gối trục
- Nghiệm độ bền hệ trục
- Kiểm tra dao động hệ trục
37

1. Chọn vật liệu làm trục:
Theo Qui phạm phân cấp và đóng tàu sông qui đònh như sau:
- Các trục phải được chế tạo từ thép rèn, các trục có đường kính dưới 150mm được phép chế
tạo từ thép các đã nhiệt luyện có giới hạn bền không dưới 430Mpa(44kG/mm
2
)
- Các trục phải được chế tạo từ thép có giới hạn bền từ 430Mpa ÷ 690Mpa (44kG/mm
2

÷70kG/mm
2
)
Đối với bài toán trên ta chọn vật liệu hệ trục là thép không gỉ KSUS 316N với các tính năng cơ
bản sau:
- Ứng suất cho phép [6]
≥ 550 N/mm
2
[6
s
] ≥ 275 N/mm
2
- Hệ số nở dài ≥ 35%
- Độ cứng HB
≥ 217
Phôi trục là phôi rèn được mua trên thò trường
Chú ý: Đối với hệ trục có kích thước tương đối ngắn người ta thường sử dụng bằng thép
không gỉ vì có các ưu điểm sau:
- Vì là hệ trục ngắn nên giá thành của thép không gỉ so với các loại thép khác không khác
biệt lắm.
- Nếu vật liệu hệ trục là thép không gỉ thì không cần áo trục, do vậy kích thước bạc trục sẽ

nhỏ đi, giá thành hệ trục sẽ giảm đi rất nhiều. Ngược lại, nếu chọn vật liệu hệ trục là các
loại thép khác thì cần phải có áo trục , kích thước bạc trục sẽ lớn lên nên giá thành hệ trục
sẽ tăng cao.
- Kết cấu và việc lắp ráp hệ trục sẽ đơn giản hơn.
2. Tính toán kích thước hệ trục:
a. Đường kính trục trung gian:
Đường kính trục trung gian được tính theo công thức sau:
3
)1(87 k
n
N
d
tg
+=
(mm)

Trong đó:
N: công suất đònh mức truyền qua trục trung gian ,N = 180 CV
n: tốc độ quay đònh mức của trục trung gian , n = 708 vòng/phút
k: hệ số phụ thuộc loại động cơ ,k = q (a – 1 )
q: hệ số phụ thuộc số kì động cơ
Vì động cơ CUMMIN S-6BT5.9-M là động cơ 4 kì nên q = 0,4
a: hệ số tỷ lệ giữa momen tổng chỉ thò lớn nhất của toàn động cơ với momen xoắn chỉ thò
trung bình , a = 2,15
Hệ số a lấy theo bảng sau :
Trò số của hệ số a
38