Đánh giá độ bền của chân vịt tàu thủy chế tạo bằng phương pháp ghép cánh

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2016<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA CHÂN VỊT TÀU THỦY<br /> CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP CÁNH<br /> EVALUATING THE STRENGTH OF BUILT-UP PROPELLER<br /> Đặng Xuân Phương1<br /> Ngày nhận bài: 21/01/2016; Ngày phản biện thông qua: 09/6/2016; Ngày duyệt đăng: 15/12/2016<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Chân vịt tàu thủy cánh rời (các cánh được lắp ghép với nhau) mang lại mộ số ưu điểm trong quá trình<br /> chế tạo, sửa chữa và thay thế so với chân vịt cánh liền. Để bắt đầu nghiên cứu thử nghiệm về loại chân vịt này,<br /> bài báo đề xuất phương pháp trong đó cánh được lắp với củ chân vịt bằng rãnh đuôi én, sau đó đánh giá đánh<br /> giá độ bền và mức độ biến dạng tại vị trí lắp ghép bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của công<br /> cụ CAE. Kết quả cho thấy chân vịt ghép đảm bảo được độ bền và độ cứng kết cấu, vẫn giữ được cấu trúc củ<br /> cánh nhỏ gọn và có khả năng chịu lực như chân vịt cánh liền.<br /> Từ khóa: Chân vịt cánh rời, CAE, chế tạo chân vịt, tính toán độ bền<br /> ABSTRACT<br /> Built-up propeller is an attractive alternative for monobloc fixed pitch propellers because of some key<br /> benefits in manufacture, repair and replacement. This paper proposes a method for assembling the fishing<br /> vessel’s built-up propeller in which the blades are engaged with the hub by dove-tail grooves. The strength<br /> of this kind of propeller was investigated by using CAE simulation tool in order to explore the potential<br /> application of this propeller in practice. The research results show that the built-up propellers with a slim hub<br /> satisfy the required strength.<br /> Keywords: Built-up propeller, CAE, propeller manufacturing, strength analysis<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Từ trước đến nay, chân vịt tàu thường<br /> được chế tạo bằng phương pháp đúc liền khối.<br /> Phương pháp này đảm bảo sự liên kết chắc<br /> chắn giữa cánh và củ chân vịt. Tuy nhiên, đối<br /> với các chân vịt có kích thước lớn, sự liền khối<br /> làm cho chân vịt cồng kềnh, dẫn đến quá trình<br /> làm khuôn, đúc, gia công và vận chuyển khó<br /> khăn hơn so với chân vịt cánh rời. Nếu chân<br /> vịt được chế tạo bằng phương pháp ghép các<br /> cánh với củ lại với nhau, quá trình đúc và gia<br /> công từng cánh riêng lẻ sẽ thuận lợi hơn rất<br /> nhiều nhờ sự nhỏ gọn và đơn giản hơn về mặt<br /> <br /> 1<br /> <br /> Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> 100 • NHA TRANG UNIVERSITY<br /> <br /> kết cấu. Ngoài ra, có thể áp dụng phương pháp<br /> gia công cánh trên các máy CNC 3 trục thông<br /> dụng một cách dễ dàng. Phương pháp chế tạo<br /> cánh rời rồi ghép lại đặc biệt có ý nghĩa đối với<br /> các chân vịt có tỉ số mặt đĩa lớn (hình chiếu các<br /> cánh có phần giao nhau), các chân vịt có bước<br /> xoắn lớn, hoặc các chân vịt cần độ chính xác<br /> cao. Giả sử có một chân vịt có đường kính 1,8<br /> mét, với kích thước này thì khó tìm được một<br /> máy phay CNC để gia công được toàn bộ các<br /> cánh trong một lần gá đặt. Nếu tách riêng từng<br /> cánh riêng biệt với chiều dài mỗi cánh khoảng<br /> 0,8 mét (không tính củ cảnh) sẽ dễ dàng gá<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> lắp và gia công trên máy CNC cỡ vừa. Chân vịt<br /> ghép còn giúp cho quá trình sửa chữa và thay<br /> thế các cánh một cách thuận tiện mà trong một<br /> vài trường hợp không nhất thiết phải đưa tàu<br /> lên đà. Mặc dù chân vịt ghép có nhiều ưu điểm<br /> nói trên, câu hỏi đặt ra là liệu chân vịt ghép có<br /> đủ độ bền xét trên hai phương diện là ứng suất<br /> và biến dạng tại nơi lắp ghép giữa củ và cánh<br /> hay không. Ngoài ra, phương án lắp ghép<br /> như thế nào là hợp lý về mặt độ bền và tính<br /> công nghệ chế tạo là vấn đề cần quan tâm.<br /> Nghiên cứu này đi tìm câu trả lời cho các vấn đề<br /> nghiên cứu đặt ra nói trên.<br /> II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP<br /> NGHIÊN CỨU<br /> 1. Lực tác dụng lên cánh chân vịt<br /> Để tính toán được độ bền của cánh chân<br /> vịt, xác định được lực tác dụng lên cánh là một<br /> công việc quan trọng ảnh hưởng đến độ chính<br /> xác tính toán. Lực thủy động tác dụng lên chân<br /> vịt rất phức tạp. Lực này ở trạng thái không<br /> ổn định, phụ thuộc vào loại chân vịt, tốc độ<br /> tàu, hình dáng hình học vỏ tàu và nhiều yếu<br /> tố khác như mớn nước, độ ngập nước của<br /> chân vịt [2]. Chân vịt làm việc trong môi trường<br /> nước tạo ra lực đẩy nhờ lực nâng theo nguyên<br /> lý cánh (foil). Hiện nay, các phương pháp tính<br /> toán thủy động học của chân vịt gồm những<br /> phương pháp theo đó độ phức tạp tăng dần<br /> như: lý thuyết động lượng (momentum theory),<br /> lifting-line method (một phương pháp của lý<br /> thuyết xoáy dạng đơn giản phát triển từ dạng<br /> cánh thẳng), phương pháp bề mặt nâng (lifting<br /> surface method), phương pháp phần tử biên<br /> và phương pháp trường (field methods) [1].<br /> Về phương diện cơ học vật rắn, các thành<br /> phần lực tác dụng lên cánh chân vịt được phân<br /> tích như sau:<br /> Xét một phần tử cánh chắn bởi hai bán r<br /> và r + Dr, lực tác dụng gồm 3 thành phần: lực<br /> li tâm gây ra do chuyển động quay của khối<br /> lượng cánh, lực thủy động tác dụng lên cánh<br /> trong đó bao gồm lực đẩy dọc trục (lực đạp)<br /> và lực tiếp tuyến do momen cản quay của<br /> <br /> Số 4/2016<br /> nước gây ra (Hình 1a). Trong thực tế, lực thủy<br /> động tác dụng lên cánh chân vịt là lực phân bố<br /> dưới dạng áp suất. Sử dụng CFD và những<br /> phần mềm chuyên dụng như Fluent hay Ansys<br /> CFX là phương pháp mà người ta thường dùng<br /> để xác định áp suất tác dụng lên cánh chân vịt<br /> [7]. Tuy nhiên phương pháp này trở nên quá<br /> phức tạp trong trường hợp chân vịt cánh rời vì<br /> vừa phải mô hình bài toán CFD, vừa phải mô<br /> tả cả phần tương tác cơ học vật rắn tại chỗ lắp<br /> ghép cánh và củ cánh. Bên cạnh đó, sự giao<br /> tiếp và trao đổi dữ liệu giữa công cụ CFD và<br /> FEM cũng trở nên khó khăn. Do vậy, để thuận<br /> tiện trong việc tính toán và phân tích bằng<br /> phương pháp phần tử hữu hạn, các lực phân<br /> bố này được xấp xỉ gần đúng thành các lực tập<br /> trung đặt tại giữa các dây cung của cánh theo<br /> các bán kính cách đều nhau một khoảng 0,1R<br /> trong đó R là bán kính chân vịt (Hình 1b). Bài<br /> toán được xem xét ở trạng thái tĩnh.<br /> Sự phân bố của các lực tập trung này được<br /> xác định theo phương pháp của HydroComp [8] một công ty phần mềm thiết kế, tính toán và<br /> phân tích về chân vịt tàu thủy. Thành phần lực<br /> hướng trục được ký hiệu là FT và thành phần<br /> tiếp tuyến được ký hiệu là FQ được tính bằng<br /> công thức sau:<br /> FT (x1 đến x2) = 3,5 R kT [aT(x2)-aT(x1)]<br /> (1)<br /> FQ (x1 đến x2) = 3,5 R kQ [aQ(x2)-aQ(x1)]<br /> (2)<br /> Trong đó:<br /> R: bán kính của chân vịt (inch)<br /> kT = T/(Z R cH)<br /> kQ = Q/(Z R2 cH)<br /> x1: đường kính trong của phân tố hình vành<br /> khăn đang xét, ví dụ 0,7<br /> x2: đường kính ngoài của phân tố hình<br /> vành khăn đang xét, ví dụ 0,8<br /> aT(x) = (-2/105)(8 + 4x + 3x2 - 15x3)(1-x)0,5<br /> aQ(x) = (-2/15)(2+x - 3x2)(1-x)0,5<br /> aT(x): biểu thức tính tích phân lực đẩy của<br /> chân vịt tại bán kính x<br /> aQ(x): biểu thức tính tích phân momen<br /> chân vịt tại bán kính x<br /> T: lực đẩy của chân vịt (lbf)<br /> Q: momen xoắn tác dụng lên chân vịt (lbf.inch)<br /> NHA TRANG UNIVERSITY • 101<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 4/2016<br /> <br /> Z: số cánh chân vịt<br /> cH = (8 + 4xH + 3xH2 - 15xH3)(1-xH)0.5 là biểu<br /> thức tích phân từ củ cánh đến mút cánh<br /> xH - vị trí bán kính củ (xH = 0,2R)<br /> Nếu lấy tổng của các lực phân bố FT sẽ<br /> bằng lực đẩy T và tổng các momen do lực FQ<br /> <br /> sẽ bằng momen xoắn Q trên trục chân vịt.<br /> Phương pháp của HydroComp đảm bảo<br /> nguyên tắc quy đổi tương đương về lực dựa<br /> theo nguyên lý cộng tác dụng, dựa vào đặc<br /> điểm hình học của cánh chân vịt và quy luật<br /> phân bố áp suất trên cánh.<br /> <br /> Hình 1. Các thành phần lực tác dụng lên cánh chân vịt (a)<br /> và mô hình quy đổi lực thủy động tác dụng lên cánh chân vịt (b)<br /> <br /> Phạm vi của nghiên cứu này không đi thiết<br /> Ví dụ áp dụng chân vịt, có đường kính 1,2 m;<br /> kế hoặc tính chọn chân vịt. Việc kiểm đánh giá<br /> số cánh Z = 4, tỷ số H/D = 0,75; tỷ số mặt<br /> độ bền cánh ghép được thực hiện cho một<br /> đĩa q = 0,4; lực đẩy của chân vịt T = 36.900<br /> chân vịt cụ thể đã thiết kế. Với một chân vịt<br /> N = 8.295 lbf; momen xoắn Q = 10.654 N.m<br /> của một tàu nào đó cho trước, các thông số về<br /> = 94300 lbf.inch. Kết quả tính toán gần đúng<br /> kích thước, lực đẩy T và momen xoắn Q trên<br /> lực phân bố (lực tiếp tuyến và lực dọc trục) tác<br /> trục chân vịt hoàn toàn xác định, do vậy sẽ tính<br /> dụng lên một cánh được trình bày ở Bảng 1.<br /> được lực phân bố FT và FQ tác dụng lên cánh<br /> Nếu lấy tổng của các lực phân bố dọc trục và<br /> bằng các công thức (1) và (2) nói trên. Phương<br /> tổng momen của lực tiếp tuyến tác dụng lên<br /> pháp này cho độ chính xác chấp nhận được<br /> các cánh ở bảng tính 1 sẽ được kết quả xấp<br /> và đã được nghiên cứu so sánh, kiểm chứng<br /> xỉ bằng lực đẩy và momen xoắn tác dụng lên<br /> ở tài liệu [4].<br /> chân vịt.<br /> Bảng 1. Ví dụ áp dụng tính toán lực tác dụng lên một cánh chân vịt<br /> r/R<br /> <br /> 0.2<br /> <br /> 0.3<br /> <br /> 0.4<br /> <br /> 0.5<br /> <br /> 0.6<br /> <br /> 0.7<br /> <br /> 0.8<br /> <br /> aT<br /> <br /> -0.1499<br /> <br /> -0.1444<br /> <br /> -0.1345<br /> <br /> -0.1195<br /> <br /> -0.0992<br /> <br /> -0.0743<br /> <br /> -0.0463<br /> <br /> -0.0186<br /> <br /> aQ<br /> <br /> -0.2480<br /> <br /> -0.2264<br /> <br /> -0.1983<br /> <br /> -0.1649<br /> <br /> -0.1281<br /> <br /> -0.0898<br /> <br /> -0.0524<br /> <br /> -0.0198<br /> <br /> FT (N)<br /> <br /> 336<br /> <br /> 609<br /> <br /> 924<br /> <br /> 1247<br /> <br /> 1534<br /> <br /> 1722<br /> <br /> 1704<br /> <br /> 1147<br /> <br /> FQ (N)<br /> <br /> 422<br /> <br /> 550<br /> <br /> 650<br /> <br /> 719<br /> <br /> 749<br /> <br /> 729<br /> <br /> 638<br /> <br /> 387<br /> <br /> 2. Lực tác dụng lên củ chân vịt<br /> Đối với chân vịt ghép cánh theo phương<br /> pháp xẻ rãnh và ngàm cánh vào củ cánh,<br /> <br /> 102 • NHA TRANG UNIVERSITY<br /> <br /> 0.9<br /> <br /> khâu yếu nhất đó là củ cánh cả về phương<br /> diện độ bền lẫn độ cứng. Do cánh bị xẻ rãnh<br /> ngàm nên tiến diện mặt cắt vuông góc với<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> trục giảm đi làm cho củ cánh có thể bị biến<br /> dạng mạnh theo phương hướng kính khi<br /> chân vịt bị phản lực của nước ép lỗ may-ơ<br /> của củ cánh vào phần đuôi côn của trục chân<br /> vịt. Dưới tác dụng của lực đẩy tàu T, độ lớn<br /> <br /> Số 4/2016<br /> của lực hướng kính P tác dụng lên may-ơ<br /> của chân vịt được tính bằng công thức:<br /> P = T / tg(a +j ) [5] trong đó a là góc nghiêng<br /> của mặt côn và j là góc ma sát giữa trục và lỗ<br /> của củ chân vịt.<br /> <br /> Hình 2. Phân tích lực tác động lên phần củ cánh chân vịt<br /> <br /> Lực và momen do cánh tác động lên các<br /> rãnh lắp ghép khá phức tạp nên được tính nhờ<br /> công cụ CAE bằng cách mô tả sự tương tác<br /> giữa cánh và củ thông qua bề mặt lắp ghép.<br /> Ngoại lực tác động lên cánh sẽ được chuyển<br /> đổi thành lực tác dụng lên chỗ lắp ghép của củ<br /> và cánh.<br /> 3. Phương pháp lắp ghép cánh<br /> Phương pháp ghép cánh có ảnh hưởng<br /> lớn đến kích thước củ cánh, độ bền nơi lắp<br /> ghép và độ khó hay dễ khi chế tạo và lắp ghép<br /> cánh. Trong thực tế, ý tưởng ghép cánh cho<br /> chân vịt có bước cố định là không mới, ví dụ<br /> hãng Wärtsilä thực hiện chế tạo chân vịt như<br /> trên Hình 3. Tuy nhiên, phương pháp này làm<br /> cho củ cánh chân vịt phải to ra và có dạng hình<br /> trụ thẳng, gốc cánh chân vịt phải bé để đủ chỗ<br /> cho phần lắp ghép, sử dụng rất nhiều bu-lông<br /> tương tự như kiểu lắp ghép của chân vịt biến<br /> bước vì toàn bộ các lực tác dụng lên cánh đều<br /> truyền cho các bu-lông lắp ghép này. Kết cấu<br /> này làm cho chân vịt nặng hơn và tạo nhiều<br /> dòng chảy rối phía sau củ chân vịt, làm giảm<br /> hiệu suất của chân vịt.<br /> <br /> Hình 3. Chân vịt bước cố định chế tạo<br /> bằng phương pháp ghép cánh của hãng Wärtsilä [9]<br /> <br /> Ở nghiên cứu này, đối tượng được khảo<br /> sát chủ yếu tập trung vào chân vịt tàu theo<br /> mô hình Wagenningen. Dạng của củ cánh<br /> vẫn theo kiểu truyền thống. Khác với kiểu của<br /> Công ty Wärtsilä, cánh được lắp với củ bằng<br /> các rãnh thẳng có mặt cắt dạng đuôi én đặt<br /> hướng theo đường xoắn của cánh (Hình 4).<br /> Phương án này cho phép ghép cánh có tỉ số<br /> mặt đĩa lớn hoặc có phần giao nhau trên hình<br /> chiếu bằng của phần gốc cánh. Mặc dù các<br /> rãnh nghiêng khó gia công hơn phương án<br /> NHA TRANG UNIVERSITY • 103<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> của Wärtsilä nhưng các rãnh này được thực<br /> hiện dễ dàng trên máy phay CNC. Lực dọc trục<br /> được khống chế bằng phản lực của bản thân<br /> các rãnh nghiêng và được hỗ trợ thêm bởi hai<br /> mặt bích (vòng chặn) ở hai đầu. Chế độ lắp<br /> ghép giữa các cánh và củ là lắp ghép có độ dôi<br /> nhẹ, đảm bảo không có khe hở hoặc khe hở rất<br /> bé giữa cánh và củ cánh để cánh không bị xê<br /> dịch khi làm việc.<br /> <br /> Hình 4. Phương án lắp ghép cánh và củ cánh<br /> <br /> Hình 4 minh họa chân vịt có cánh lắp ghép<br /> với đường kính D =1,2 m và các thông số hình<br /> học khác được cho trong ví dụ ở mục II. Đường<br /> kính lớn nhất của may-ơ là dp = 230 mm, do đó<br /> tỉ số giữa đường kính may-ơ và đường kính<br /> chân vịt là 230/1200 = 0,192. Tỉ lệ này phù hợp<br /> với giá trị thông dụng dp = (0,18 ¸ 0,20)D [6].<br /> Như vậy chân vịt ghép có đường kính củ cánh<br /> tương đối nhỏ gọn về mặt kết cấu giống như<br /> chân vịt đúc liền khối.<br /> Khi củ chân vịt bị xẻ rãnh, sức bền chịu<br /> lực hướng kính của nó sẽ bị giảm đi so với<br /> trường hợp không bị xẻ rãnh. Để đảm bảo củ<br /> chân vịt không bị giãn ra chịu lực đẩy hoặc khi<br /> may-ơ chân vịt được lắp và siết chặt bằng đai<br /> ốc vào đầu côn của chân vịt, phương án dùng<br /> các vòng chắn có tạo bậc bằng vật liệu có độ<br /> bền cao và chịu được ăn mòn của nước biển<br /> (thép không gỉ) được sử dụng. Chúng vừa<br /> có tác dụng chặn sự di chuyển dọc trục của<br /> các cánh, vừa ôm lấy đầu của củ cánh nhằm<br /> chống giãn nở theo phương hướng kính của<br /> củ cánh.<br /> <br /> 104 • NHA TRANG UNIVERSITY<br /> <br /> Số 4/2016<br /> 4. Phương pháp tính toán độ bền chân vịt ghép<br /> Có hai phương pháp thông dụng để tính<br /> sức bền chân vịt tàu thủy [3]. Phương pháp<br /> thứ nhất xem cánh chân vịt như một dầm<br /> ngàm một đầu chịu lực tập trung tương đương.<br /> Phương pháp này có độ chính xác kém do<br /> phải sử dụng nhiều giả thiết đơn giản hóa về<br /> mặt hình học. Phương pháp thứ hai là phương<br /> pháp số (phương pháp phần tử hữu hạn). Do<br /> chỗ tiếp xúc giữa phần cánh ghép và phần củ<br /> cũng phức tạp, ở đây tồn tại vấn đề tiếp xúc<br /> giữa hai vật rắn biến dạng, nên cách thuận tiện<br /> nhất để đánh giá độ bền chỗ lắp ghép giữa<br /> cánh và củ chân vịt là sử dụng phương pháp<br /> phần tử hữu hạn (FEM) với sự hỗ trợ của các<br /> công cụ tính toán có sự hỗ trợ của máy tính<br /> (CAE). Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử<br /> dụng phần mềm ABAQUS. Mô hình chia lưới<br /> FEM, lực tác dụng, mối quan hệ tương tác và<br /> điều kiện biên được minh họa trên Hình 5. Các<br /> lực tác dụng lên cánh và củ cánh đã được trình<br /> bày ở các tiểu mục 1 và 2 của mục II. Sự tiếp<br /> xúc (tương tác) giữa cánh và củ cánh được<br /> mô tả bằng mô hình ma sát khô theo định luật<br /> Coulomb. Hệ số ma sát khô của cặp vật liệu<br /> đồng - đồng được lấy bằng 1,0.<br /> Trong quá trình tính toán, do có sự tác động<br /> tương hỗ về lực của các cánh đến các rãnh<br /> chéo bên cạnh, đồng thời các rãnh lắp ghép<br /> không đối xứng với đường trục nên không thể<br /> áp dụng nguyên tắc đối xứng để giảm thời gian<br /> tính toán. Do đó, mô hình tính phải xét đầy đủ<br /> tất cả các cánh chân vịt.<br /> <br /> Hình 5. Mô hình tính toán và lưới phần tử<br /> (minh họa cho một cánh)<br /> <br />