Thiết kế chong chóng tàu hàng rời(kèm bản vẽ)

THIếT Kế MÔN HọC
Thiết kế chong chóng tàu hàng có các thông số

* Chiều dài thiết kế : L = 149.9 m.
* Chiều rộng thiết kế : B = 17.5 m.
* Chiều chìm thiết kế : T = 9.4 m.
* Hệ số béo thể tích : = 0.8
* Hệ số béo sờn giữa : = 0.98
* Hoành độ tâm nổi :
X
c
= 0.006
* Vận tốc thiết kế : v
s
= 11.5 hải lý/giờ
* Vùng hoạt động : Biển hạn chế cấp I.
* Loại tàu : Tàu hàng rời.
Phần I : Tính toán và xây dựng đờng cong lực cản và công suất kéo
của tàu : R = f(v
s
), P
E
= f(v
s
)
1. Chọn phơng pháp tính:
- Sử dụng phơng pháp tính lực cản d Serri 60 để tính lực cản và công suất kéo của tàu.
- Phạm vi áp dụng : = 0.6
ữ
0.8

L/B = 5.5
ữ
8.5
B/T = 2.13
ữ
3.92
Trang - 1-

- Tàu thiết kế có đặc điểm :
= 0.8
L/B = 8.57
B/T = 1.86

C
x
= 0.006
Hình dáng sờn mũi là chữ V
Vùng hoạt động : Biển hạn chế cấp I
2.Tính toán lực cản và công suất kéo của tàu:
+ Công thức tính :
R = C.

. v
2
. / 2.
P
E
= v.R
Trong đó :

= 1025 (kg/m
3
)
v : vận tốc tàu( m/s)
: Diện tích mặt ớt của tàu.
C = C
R
+ C
Fo
+ C
A
+ C
AP
: hệ số cản toàn phần.
C
R
: Lực cản d
C
Fo
: Hệ số lực cản ma sát của tấm phẳng nhẵn tơng đơng
C
A
: Hệ số lực cản do đọ nhám
C
AP
: Hệ số lực cản do phần nhô

2.1Tính hệ số cản d : C
R
10

3
= C
R
().k
xC
.k

.k
B/T
.a
B/T
Với : C
R
.10
3
= f () ( Tra đồ thị VII.12 )
k
xC
( Tra đồ thị VII.15 )
k
=
0


a
a
( Tra đồ thị VII.13 )
54.5
3
=== LBT

V
L

;
0

xác định trên đồ thị VII-12 từ

T
B
R
TKR
T
B
T
B
a
T
B
C
T
B
C
ak ì=ì
)(
)(
( Tra đồ thị VII.14 )
2.2. Tính hệ số ma sát của tấm phẳng :
C
Fo

=
2
)2Re(lg
075.0


2.3. Tính hệ số cản do độ nhám vỏ bao C
A
và hệ số cản phần nhô C
AP
Lấy C
A
.10
3
= 0.2 , C
AP
.10
3
= 0.1

2.4. Tính diện tích mặt ớt :
Trang - 2-

= +
phần nhô
=1.05
ì
L.T.[ 2+ 1.37( - 0.274 ).
T
B

]
= 1.05
ì
149.9
ì
9.4
ì
[ 2+1.37
ì
(0.8-0.274)
ì
1.86 = 4944 m
2
.

phần nhô
=(1.5
ữ
7)% : Chọn
phần nhô
=5%
Kết quả tính toán đợc thể hiện thông qua bảng tính 1
Phần II : tính toán thiết bị đẩy
1 Chọn loại thiết bị đẩy : chong chóng.
2 Chọn số lợng chong chóng : z
p
=1
3 Chọn chiều quay chong chóng : Quay phải.
4 Chọn vật liệu chế tạo chong chóng :
- Loại : Đồng thau

Chọn dạng prôfin cánh : dạng phẳng lồi.
Chọn góc nghiêng của cánh chong chóng là : = 10
o
Chọn độ côn của củ chong chóng và độ côn của lỗ khoét trong củ chong chóng : k = 1:15
5 Chọn số cánh chong chóng :
Số cánh chong chóng phụ thuộc vào hệ số lực hút K
DT
:
K
NT
=
4
T
n
v
A

Trong đó :
K
NT
- Hệ số lực hút chong chóng.
- khối lợng riêng của nớc biển, = 1025 Kg/m
3
v
A
- Vận tốc tịnh tiến của chong chóng, đợc tính nh sau :

A
= . ( 1 w
T

) =5.916
ì
(1-0.35)= 3.845 (m/s)
Với : = 11.5 hải lý/ h = 5.916 m/s : là tốc độ của tàu.
w
T
=0.35 : là hệ số dòng theo của chong chóng.
T - Lực đẩy chong chóng :
Trang - 3-


t
T
T
E

=
1
=
245.01
4.247

=327.68 ( KN)

Với : T
E
- Lực kéo chong chóng tính theo công thức :

P
E

Z
R
T =
=
1
4.247
=247.4 KN.
Với : Z
P
= 1 : là số trục chong chóng.
R = 247.4 KN : lực cản của chong chóng ứng với vận tốc của tàu là 11.5 (hải lý/ giờ).
áp dụng công thức Taylor cho tàu 1 chong chóng có hệ số hút t=K
T
W
T
=0.7
ì
0.35=0.245
-K
T
Hệ số phụ thuộc hình dáng bánh lái : K
T
=0.5-0.7 đối với bánh lái tấm. Chọn K
T
=0.7
-W
T
:Hệ số dòng theo tính toán W
T
= 0.5-0.05=0.5

ì
0.8-0.05= 0.35
6. Tính công suất sơ bộ và vòng quay sơ bộ của chong chóng :
+ Công suất của động cơ :
Công suất của động cơ đợc tính nh sau :

E
S
P
P =
=
6.0
1463
=2438(KW)
Trong đó : - Từ đồ thị (Đồ thị 1) ứng với
S
= 11.5 (hải lý/giờ) tra đợc công suất kéo của tàu là
P
E
= 1463 (KW)
- là hiệu suất đờng trục của chong chóng. Chọn = 0.6
Vậy : Sơ bộ chọn động cơ có công suất là 2500 KW3399 Cv.
Vòng quay sơ bộ của chong chóng :
Với công suất P
S
= 2500(Cv) ta tra bảng đợc số vòng quay hợp lý của chong chóng là :
n
m
= 180 (v/phút) Vậy n = n
m

/ 60 = 3(/s)
Do đó :
K
NT
=
4
4
327680
1025
3
845.3
=
T
n
v
A

=0.525<1

Vậy ta chọn số cánh chong chóng là : Z = 4
7. Chọn sơ bộ đờng kính chong chóng
Đờng kính sơ bộ của chong chóng đợc xác định theo tích số tối u giữa đờng kính và vòng
quay của nó :
180
68.327
8.118.11
4
4
ì==
m

n
T
D
= 3.74(m)
Trong đó:
D - Đờng kính chong chóng, m.
n
m
- Vòng quay chong chóng, vg/ph.
T - Lực đẩy chong chóng, KN.
Vậy chọn sơ bộ đờng kính chong chóng là : D = 3.8 m
8. Chọn tỉ số đĩa của chong chóng
Chọn tỉ số đĩa sơ bộ của chong chóng theo điều kiện bền :
Trang - 4-


min
'








O
E
A
A

=
3
5
'.
3/2
max
10
.
.
.
'.
375.0
Tm
D
ZC

ì

Trong đó:
C : là hệ số phụ thuộc vào vật liệu, đồng thau C= 0.055
Z = 4 là số cánh chong chóng.
D =4 m là đờng kính chong chóng.

max
: Chiều dày tơng đối của profin tiết diện cánh,
max
= (0.08 ữ 0.1)
Chọn
max
= 0.085

m : là hệ số phụ thuộc vào kiểu tàu, m = 1.15 với tàu hàng thông thờng.
T = 327680 N : là lực đẩy của chong chóng.
min
'








O
E
A
A
=
3
5
3
2
10
32768015.1
085.08.3
4055.0
375.0
ì
ì

ì
ì
ì
= 0.452
Nh vậy : Chọn tỉ số đĩa của chong chóng là :
0
A
A
E
= 0.55
9. Tính chọn động cơ :
Đây là bài toán cho trớc tốc độ tàu, tính đờng kính tối u và tỷ số bớc của chong chóng để
chọn đợc động cơ có công suất nhỏ nhất.
Lập bảng tính nh sau : Bảng 2
Vậy chọn động cơ nhãn hiệu L32/40- serries AMG18EL-typeVBS 640
- Công suất định mức : 3500kW 4762 Cv
- Vòng quay định mức : n = 200 vg/ph.
Ta chọn vòng quay của chong chóng là 180 vg/ph
+ Đờng kính tối u của chong chóng là : D
opt
= 3.84 m.
+ Hiệu suất chong chóng :
D
= 0.525
+ Tỉ số bớc của chong chóng : P/ D = 0.65
10. Kiểm tra tỉ số đĩa của chong chóng theo điều kiện xâm thực :

2
1
1
min
''
0
) (
130
Dn
P
K
A
A
C
E

=









Trong đó :

1

- hệ số, phụ thuộc vào trọng tải của chong chóng.Coi chong chóng thiết kế có trọng tải
trung bình thì
1
= 1.3 ữ 1.6 . Chọn
1
= 1.5
n - vòng quay của chong chóng : n = 180 vg/ ph = 3 vg/s
D - Đờng kính chong chóng : D = 3.84 m.
P
1
- áp suất thuỷ tĩnh tuyệt đối :
P
1
= P
o
P
d
= 10330 + . h
B
P
d
= 10330+1025
ì
2.688-238=12847.2 (kg/m
2
)
h
B
- Độ ngập sâu của trục chong chóng, h
B

= 0.7D = 0.7
ì
3.84=2.688 m.
= 1025 ( kg/m
3
), P
d
= 238 ( kg/m
2
) áp suất thuỷ tĩnh
K
C
- Tra đồ thị
( )
JZ
D
P
fK
c
,,=
, Với J = 0.334; P/D = 0.65; Z = 4
Ta đợc : K
C
= 0.215
Trang - 5-

2
1
1
min

''
0
) (
130
Dn
P
K
A
A
C
E

=








=
2
)84.33(
2.12847
215.05.1.130
ìì
ìì
=0.433<0.55
Nh vậy : Chong chóng chọn thoả mãn điều kiện xâm thực.

Phần iii :Xây dựng bản vẽ chong chóng
1. Các thông số của chong chóng:
- Đờng kính chong chóng : D = 3.84 m
- Số cánh chong chóng : Z = 4 cánh.
- Vòng quay chong chóng : n =180vg/ph
- Tỉ số đĩa :
o
E
A
A
= 0.55
- Tỉ số bớc : P/D = 0.65
- Tốc độ tàu : v = 11.5 hải lý/h
- Công suất động cơ : P =4762 Cv
- Vật liệu chế tạo chong chóng : Đồng thau
- Góc nghiêng cánh chong chóng : = 10
o
2. Xây dựng đờng chiều dày lớn nhất của profin tiết diện cánh trên hình chiếu cạnh:
- Chiều dày tiết diện cánh tại đờng tâm trục : e
o
= 0.045D = 0.045
ì
3840 = 173mm.
- Chiều dày tại đỉnh cánh : e
R
= 0.08(50-D)D = 0.08(50-3.84)3.84=14.2 mm
3.Xây dựng bảng tính hình bao duỗi thẳng: ( Bảng 1 )
Sử dụng đồ thị chong chóng của Nga có các thông số :
4. Xây dựng củ chong chóng:
- Độ côn của củ : k = 1:15

- Đờng kính trung bình của củ :
d
o
= 0.167D = 0.167
ì
3.84= 0.642 m = 641 mm.
- Chiều dài củ :theo công thức thực nghiệm chiều dài củ phảI thoả mãn cánh chìm hoàn toàn
trong củ , khi đặt chong chóng để sửa cánh chong chóng không chạm đất
l
C
= (1.3 ữ 3.3)d
o
= 833 ữ 22116 mm. Chọn : l
C
= 920 mm.
- Đờng kính trớc và sau của củ :
Ta có
mm
mm
d
l
k
s
t
o
st
c
st
610
672

2
15
1
.
=
=








=
+
=

=
Trong đó :

t
- Đờng kính trớc của củ.

s
- Đờng kính sau của củ.
- Đờng kính trục chong chóng :
+ Đờng kính lớn của trục chong chóng :
d
B

=
D
n
P
d
S
25.0100
3
1
+ì=
=
84.325.0
180
4762
100
3
ì+ì
=299 (mm)
+Đờng kính sau trục chong chóng: d
1
= d
1
- kl
c
= 299-920/15=238 (mm)
Trong đó:
P
S
- Công suất động cơ, P
S

= 4762 Cv
Trang - 6-

n - Số vòng quay của chong chóng, n = 180 vg/phút
D - Đờng kính chong chóng, D = 3.84 m


Chọn : d
B
= 299 mm.
- Xác định chiều dài lỗ khoét giảm trọng lợng trong củ :
l
c

= ( 0.3 ữ 0.4) l
c
= (276 ữ 368) (mm)


Chọn : l

c
=360 mm.
Chiều sâu lỗ khoét chọn bằng 45 mm đảm bảo chiều dày của củ sau khi khoét không nhỏ hơn
chiều dày tại gốc cánh
+ Bán kính tiếp tuyến giữa mặt đạp và củ chong chóng :
R
1
= 0.04D = 153.6 mm Chọn R
1

=154mm
+ Bán kính tiếp tuyến giữa mặt hút và củ chong chóng :
R
2
= 0.03D = 115.2 mm Chọn R
2
=115mm
- Khoảng cách từ mặt phẳng đĩa đến mút của cánh chong chóng :
m
R
= R. tg
R

= 1920 tg10
o
=338.5 mm.
-Chọn bu lông : Theo TCVN 6259 - 2003 :
Đờng kính bu lông d
B
= 0.06d
B
=0.06
ì
299=18(mm) chọn bu lông M18
5. Chọn then và nghiệm bền then
5.1. Chọn then :
- Số lợng then : 01 loại then bằng
- Chiều dài then : l
t
= ( 0.9 ữ 0.95 )l

C
= 828 ữ 874 mm.


Chọn : l
t
= 870 mm
- Chiều rộng then :b
t
= ( 0.25 ữ 0.3 )d
B
= 59.4 ữ 71.3 mm.


Chọn : b
t
= 70 mm
- Chiều cao then: h
t
=(0.5 ữ 0.6) b
t
= 30 ữ 36 mm

Chọn : h
t
= 30 mm
5.2. Nghiệm bền then :
+ ứng suất dập cho phép : [
d
] = 400 N/mm

2
ứng suất dập của then tính theo công thức :

d
=
2

.2
tdl
T
d
=
12299510
362810002
ìì
ì
=39.7 (N/mm
2
)< [
d
]

Trong đó:
T - mô men xoắn truyền qua mối ghép then : T = 7162.
m
D
n
P
=7162
180

4619
ì
=36281Nm.
Với : P
D
- Công suất truyền đến chong chóng, P
D
= P
S
.
S
= 4762
ì
0.97=4619
n
m
- vòng quay của chong chóng, n
m
= 180vg/ ph.
t
2
= 0.4
ì
h
t
- Độ ngập sâu then trên củ chong chóng, t
2
= 12 mm.
d
B

- đờng kính trục chong chóng, d
B
= 299 mm.
l
d
- chiều dài chịu dập của then, l
d
= 870-360 = 510 (mm).


Vậy : Then đã chọn thoả mãn điều kiện bền.
Trang - 7-

6. Tính tam giác đúc:
Tam giác đúc dùng trong công nghệ đúc chong chóng là tam giác bớc của chong chóng tại
bán kính :1.1R và 1.2R.
R

= (1.1 ữ 1.2).R = ( 2112 ữ 2304 ) mm


Chọn R

=2200 mm
Ta có các thông số sau :
m
R
= R.tg = 338.5 mm.
m

=
R
m
R
R
.

=
5.338
1920
2200
ì
=388 mm.

z
P
=
4
384065.0 ì
= 624 mm.

l

1
=
21
1
2

+
ì

z
R
= 1443mm
l

2
=
21
2
2


+
ì

z
R
= 2011 mm

1
= 33
o

2
= 46
o

1
,
2
: Là góc tạo bởi đờng tâm cánh với tia đi qua đờng bao hình chiếu pháp tại bán kính
0.3R và đi qua tâm 0.
Z - Là số cánh chong chóng, Z = 4 cánh.
m
R
- độ lệch của đỉnh cánh trên hình chiếu cạnh.

Phần IV. Kiểm tra sức bền chong chóng

Theo quy phạm phân cấp à đóng tàu biển vỏ thép TCVN-6259,10-20003
1. Xác định khối lợng và mô men quán tính của chong chóng :
1.1 Xác định khối lợng của chong chóng :
Khối lợng chong chóng đợc xác định theo công thức :
( )
)(
.
Kg
c
2
o
0.6
k
4
4
0.6
2
.ld0.59

D
e
r0.712.106.2
4.10
.Z.bD
G ì+






+=
Trong đó:
= 8600 Kg/m
3
- khối lợng riêng của vật liệu làm chong chóng.
b = 1155.8 mm =1.156m- chiều rộng cánh tại tiết diện r = 0.6R
e = 780 mm=0.78m- chiều dày lớn nhất của propin tiết diện cánh tại r = 0.6R
D = 3.84 m - đờng kính chong chóng.
Trang - 8-

d
o
= 641 mm=0.641m - đờng kính trung bình của củ chong chóng
r
k
= d
o
/D = 0.167 (bán kính tơng đối tại gốc cánh)

l
C
= 920 mm=0.92m - chiều dài củ chong chóng.
Z = 4 - số cánh chong chóng.


Vậy khối lợng chong chóng là: G =5319 (Kg)
1.2 Xác định mô men quán tính của chong chóng :
Mô men quán tính của chong chóng đợc xác định theo công thức thực nghiệm :

g
GD
I
4
2
=
=1998.8 (kg.m
2
s
2
)
Trong đó: G - là trọng lợng của chong chóng, G = 5319 kg
D - là đờng kính chong chóng, D =3.84m.
g - là gia tốc trọng trờng, g = 9.8 m/s
2
2. Kiểm tra bền của chong chóng theo quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép TCVN
6259- 3. 2003. Chong chóng thiết kế phải thoả mãn các yêu cầu về kết cấu và độ bền nh sau :
2.1 Chiều dày cánh :
* Theo điều 7.2.1 phần 3 chơng 7 thì chiều dày cánh chong chóng tại bán kính 0.25R và 0.6R
phải không nhỏ hơn trị số trị số tính theo công thức :

WS
lNZ
H
K
K
t
2
1
ìì
=


Trong đó :
` t - Chiều dày cánh trừ góc lợn, (cm)
` H- Công suất liên tục lớn nhất của máy chính, H = 3500 KW
` Z - Số cánh chong chóng, Z = 4
` N- Số vòng quay liên tục lớn nhất chia cho 100, N = 1.8
` l- Chiều rộng cánh tại bán kính đang xét, (cm)
` K
1
- Hệ số tính theo công thức :







+

+
=
D
P
k
P
D
k
D
P
k
K
1
3.30
32
2
1
1
Với : k
1
, k
2
, k
3

Là các hệ số tra bảng 3/7.1
P - Bớc tại bán kính đang xét, (m).
P - Bớc tại bán kính 0.7R,(m)
` K
2
- Hệ số đợc tính theo công thức :
1000
.

22
5
0
42
ND
k
t
E
kKK








+=
Với : k
4
, k

5
- Hệ số xác định theo bảng 3/7.1
E - Độ nghiêng đầu mút cánh, E = 33.8 cm
t
o
- Chiều dày giả định của cánh tại đờng tâm trục chong chóng,t
o
=17.3 cm
K - Hệ số lấy theo bảng 3/7.2, K = 1.3
S -Hệ số liên quan đến tăng ứng suất thời tiết đợc tính theo công thức và 0.8<S <1:
Trang - 9-


677.0095.0 +ì=
S
S
d
D
S
=0.793 . Chọn : S = 0.8
` W - Hệ số liên quan đến ứng suất đổi dấu:

+

+
+=
D
P
AA
D
P
AAA
43
1432
A
1.724 1 w
Với:

1
1
Cw
w
A
+

=
,
2
2
Cw
w
A

+

=
,
( )( )
( )( )
wCCC
wCC
A
++
++
=
123
21
3
1
1


122.0
.2
3.1
95.0
1

+






=
z
a
D
P
P
D
C
e
= 0.435

12.019.11.1
95.0
2







+=

z
a
D
P
P
D
C
e
= 0.217

0236.0122.0
3
+=
D
P
C
= 0.103,
w- Nớc kèm trung bình định mức ở đĩa chong chóng đợc xác định theo công thức :
527.0404.0625.0






+

+ì=
b
S
C
d
B
D
B
w
= 0.265
Với : B Chiều rộng tàu, B = 17.5 m
C
b
Hệ số béo thể tích của tàu, C
b
= 0.8
w Giá trị cực đại của dao động nớc kèm ở đĩa chong chóng tại 0.7R đợc tính
theo công thức :

wC
d
B
D
B
w
b
S

+= 404.056.132.7
= 0.568
Chiều dày tại tiết diện 0.25R và 0.6R đợc tính trong bảng sau :

Đại lợng tính Đơn vị
Tiết diện khảo sát
0.25R 0.6R
H KW 3500 3500
Z 4 4
N v/ph/100 1.8 1.8
l cm 95 115.6
D m 3.84 3.84
k
1
1.62 0.281
k
2
0.386 0.113

k
3
0.239 0.022
k
4
1.92 1.24
k
5
1.71 1.09
P 2.496 2.496
P
'
2.496 2.496
Trang - 10-

K
1
16.8 5.4
E cm 33.85 33.85
t
o
cm 24.5 24.5
K 1.3 1.3
K
2
1.04 1.13
S 0.8 0.8
A
1
0.755 0.811

A
2
0.375 1.179
A
3
8.45 7.887
A
4
3.520 1.260
W cm3 2.27 2.270
t cm 8.15 2.06

Theo thiết kế ta có :
* Tại tiết diện 0.25R: t =13.4 cm > 8.15 cm
* Tại tiết diện 0.6R : t = 7.8 cm > 2.06 cm
Vậy : Chong chóng đủ bền theo điều 7.2.1 TCVN 6259 - 3: 1997 - Quy phạm phân cấp và đóng
tàu biển vỏ thép.
2.2 Bán kínhgóc lợn :
* Bán kính góc lợn giữa chân cánh và củ chong chóng không đựơc nhỏ hơn trị số R
o
, tính theo
công thức :

( ) ( )
e
ttre
tR
roB
ro

+=
.
(cm)
Trong đó:
t
r
Chiều dày yêu cầu của cánh tại 0.25R, t
r
= 8.15 cm
r
B
Là tỉ số củ của chong chóng, đợc xác định bằng tỉ số đờng kính củ chong chóng đo ở
mặt phẳng vuông góc với tâm chia cho đờng kính chong chóng :
r
B
= 0.167
t
o
Chiều dày giả định của cánh tại đờng tâm trục, t
o
= 17.3 cm
e = 0.25 với chân vịt thông thờng.
Thay số ta đợc : R
o
= 11.2 cm
* Theo thiết kế :
Bán kính góc lợn giữa cánh và củ ở mặt đạp và mặt hút lần lợt là :15.4 và11.5cm
Vậy : Bán kính góc lợn giữa cánh và củ thoả mãn yêu cầu của điều kiện bền.
3.Kết luận : Chóng chóng thiết kế thoả mãn yêu cầu về kết cấu và độ bền đều.
Trang - 11-

Phần V. Tính toán và xây dựng đồ thị đặc tính vận hành.
1.Tính toán các đặc tính di động của chong chóng : Đồ thị 3
2.Tính các đặc tính di động của tàu : Đồ thị 4
3.Tính toán và xây dung đồ thị vận hành của tàu:Đồ thị 5
Trang - 12-