ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ - PHẦN 2 THIẾT BỊ ĐẨY TÀU THỦY - CHƯƠNG 16

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

133
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu chong chóng bằng thí nghiệm 16.1. Các định luật đồng dạng khi thí nghiệm chong Chóng Khi nghiên cứu chong chóng người ta áp dụng rộng rãi phương pháp thí nghiệm chong chóng trong các ống thuỷ động. Quá trình nghiên cứu đó cho phép kiểm chứng lại các phương pháp tính toán bằng lý thuyết, từ đó xây dựng được các đường cong làm việc của chong chóng, cũng như xác định ảnh hưởng của các đặc điểm tiêu cực đối với các hệ số thuỷ động lực. Các đợt thử hàng loạt mô hình chong chóng trong...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: ĐỘNG LỰC TÀU THUỶ - PHẦN 2 THIẾT BỊ ĐẨY TÀU THỦY - CHƯƠNG 16

Ch¬ng 16 Nghiªn cøu chong chãng b»ng thÝ nghiÖm 16.1. C¸c ®Þnh luËt ®ång d¹ng khi thÝ nghiÖm chong Chãng Khi nghiªn cøu chong chãng ngêi ta ¸p dông réng r·i ph¬ng ph¸p thÝ nghiÖm chong chãng trong c¸c èng thuû ®éng. Qu¸ tr×nh nghiªn cøu ®ã cho phÐp kiÓm chøng l¹i c¸c ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n b»ng lý thuyÕt, tõ ®ã x©y dùng ®îc c¸c ®êng cong lµm viÖc cña chong chãng, còng nh x¸c ®Þnh ¶nh hëng cña c¸c ®Æc ®iÓm tiªu cùc ®èi víi c¸c hÖ sè thuû ®éng lùc. C¸c ®ît thö hµng lo¹t m« h×nh chong chãng trong níc tù do ®Òu ®a ra sè liÖu xuÊt ph¸t ®Ó x©y dùng c¸c ®å thÞ, mµ nhê chóng cã thÓ thiÕt kÕ ®îc chong chãng vµ tiÕn hµnh tÝnh to¸n ®Æc tÝnh di ®éng cña tµu. C¸c kÕt qu¶ thö m« h×nh chØ cã thÓ ®¶m b¶o khi tho¶ m·n ®Þnh luËt ®ång d¹ng c¬ häc toµn diÖn gi÷a chong chãng thùc vµ m« h×nh. Tõ c¸c quan ®iÓm chung cña lý thuyÕt ®ång d¹ng c¬ häc toµn diÖn gi÷a ®èi tîng thùc vµ m« h×nh chØ cã thÓ ®¶m b¶o khi chóng ®ång d¹ng h×nh häc, ®éng häc vµ ®éng lùc häc cña c¸c dßng níc bao quanh chong chãng thùc vµ m« h×nh. TÝnh ®ång d¹ng h×nh häc ®îc tho¶ m·n nÕu tÊt c¶ c¸c kÝch thíc t¬ng øng cña chong chãng thùc vµ m« h×nh cña nã n»m trong mét tû lÖ cè ®Þnh ®îc gäi lµ tû lÖ. Nh vËy, tÊt c¶ c¸c ®Æc tÝnh h×nh häc kh«ng thø nguyªn ®Òu ph¶i b»ng nhau, c¸c ®êng bao c¸nh vµ pr«phin mÆt c¾t ®ång d¹ng nhau. Yªu cÇu t¬ng tù còng ®îc ¸p dông cho c¸c biªn cña dßng ch¶y, vÝ dô nh chiÒu s©u cña chong chãng díi mÆt tho¸ng. §ång d¹ng ®éng häc cña dßng ch¶y bao quanh chong chãng thùc vµ m« h×nh ph¶i ®îc tháa m·n ë ®iÒu kiÖn mµ tèc ®é t¹i c¸c ®iÓm t¬ng øng cña dßng ch¶y ®ã cã híng gièng nhau vµ tû sè cña chóng ph¶i cè ®Þnh. §Ó biÓu thÞ tèc ®é ®Æc trng cña chong chãng ta dïng tèc ®é tiÕn vA vµ tèc ®é quay pnD cña mót c¸nh. Lóc bÊy giê: v AH / nH DH = v AM / nM DM = const = J (16.1.1) NghÜa lµ khi chän c¸c tèc ®é ®Æc trng th× ®iÒu kiÖn ®¶m b¶o tÝnh ®ång d¹ng ®éng häc cña c¸c dßng ch¶y lµ bíc tiÕn t¬ng ®èi cña chong chãng thùc vµ m« h×nh khi ®· ®ång d¹ng h×nh häc ph¶i b»ng nhau JH = JM. Trong ®ã: chØ sè H - dµnh cho ®èi tîng thùc, M - cho m« h×nh cña nã. Tõ ®iÒu kiÖn (16.1.1) cÇn thÊy r»ng: sù c©n b»ng nhau cña c¸c bíc tiÕn t¬ng ®èi sÏ cho sù b»ng nhau cña c¸c gãc tiÕn trªn tÊt c¶ c¸c b¸n kÝnh tgb = J / p r , ( r = r / R), nghÜa lµ c¸c tèc ®é v E = v A + (rW )2 sÏ cïng híng t¹i c¸c ®iÓm t¬ng øng cña c¸c 2 dßng ch¶y. §ång d¹ng ®éng lùc häc chØ ®¶m b¶o khi tho¶ m·n ®ång d¹ng h×nh häc vµ ®éng häc theo ®Þnh luËt ®ång d¹ng Niut¬n, nghÜa lµ tû sè cña c¸c lùc t¬ng øng ph¶i cè ®Þnh vµ b»ng tû lÖ tam thõa. C¸c lùc xuÊt hiÖn trªn c¸c c¸nh chong chãng phô thuéc vµo c¸c chuÈn ®ång d¹ng sau: + ChuÈn ®ång d¹ng ¥le: p - p0 Eu = (16.1.2) rv 2 / 2 111
+ ChuÈn ®ång d¹ng Frót: Fr = v (16.1.3) gL + ChuÈn ®ång d¹ng R©ynon: Re = v L / g (16.1.4) + ChuÈn ®ång d¹ng Stru-han: Sh = L / v T (16.1.5) Do tû sè cña c¸c lùc lµ cè ®Þnh, nªn c¸c hÖ sè kh«ng thø nguyªn cña c¸c lùc sÏ b»ng nhau. Ta nhËn thÊy r»ng: ®èi víi c¸c dong ch¶y kh«ng bÞ x©m thùc th× gi÷a chong chãng thùc vµ m« h×nh cña nã lu«n tho¶ m·n sù b»ng nhau cña c¸c trÞ sè ¥le. NÕu tèc ®é ®Æc trng cña chong chãng lµ tèc ®é tiÕn v A, thêi gian ®Æc trng lµ T - chu kú cña mét vßng quay T = 1/n vµ kÝch thíc ®Æc trng D - ®êng kÝnh cña chong chãng th× trÞ sè Stru-han cã thÓ biÓu thÞ b»ng biÓu thøc sau ®©y: Sh = n D / v A = 1/J , hoÆc J = 1/Sh NghÜa lµ sù b»ng nhau cña c¸c bíc tiÕn t¬ng ®èi sÏ ®¶m b¶o tÝnh ®ång d¹ng ®éng häc cña c¸c dßng ch¶y, v× vËy khi thö chong chãng ®ång d¹ng h×nh häc vµ ®éng häc (kh«ng x©m thùc) chØ cÇn ®¶m b¶o sù b»ng nhau cña hai chuÈn Frót vµ R©ynon. Sù b»ng nhau cña c¸c sè Frót nãi lªn sù b»ng nhau cña c¸c hÖ sè ¸p suÊt t¹i c¸c ®iÓm t¬ng øng cña c¸c dßng ch¶y vµ cã thÓ coi lµ sù tho¶ m·n ®Þnh luËt ®ång d¹ng cña Niut¬n cho c¸c lùc ¸p suÊt sinh ra trªn c¸nh chong chãng. §èi víi chong chãng lµm viÖc trong chÊt láng lý tëng v« h¹n (kh«ng xÐt ®Õn Fr vµ Re) th× theo ®Þnh luËt Niut¬n tû sè c¸c lùc ®Èy cña chong chãng thùc vµ m« h×nh cña nã sÏ biÓu diÔn: 4 TIM KTIM rnM DM 2 = =M3 (16.1.6) 2D 4 K TIH rnH H TIH trong ®ã: M = DM/DH - tû lÖ ®ång d¹ng h×nh häc. NÕu lÊy D2 lµm diÖn tÝch ®Æc trng, tèc ®é ®Æc trng nD, th× khi chó ý ®Õn tÝnh ®ång d¹ng h×nh häc vµ ®éng häc ta nhËn ®îc KTIM = KTIH, ®iÒu nµy ®óng víi kÕt luËn cña lý thuyÕt ®ång d¹ng, ®ã lµ sù b»ng nhau cña c¸c hÖ sè lùc ®Èy kh«ng thø nguyªn. T¬ng tù ®èi víi m«men ta còng cã KQIM = KQIH, tõ ®ã: hIM =hIH khi JM = JH. Nh vËy, sù b»ng nhau cña c¸c bíc tiÕn t¬ng ®èi sÏ ®¶m b¶o ®îc sù b»ng nhau cña c¸c hÖ sè lùc ®Èy, hÖ sè m«men vµ hiÖu suÊt cña chong chãng lµm viÖc trong chÊt láng lý tëng v« h¹n. §èi víi c¸c chong chãng thùc còng ph¶i tho¶ m·n c¸c chuÈn ®ång d¹ng Fr vµ Re. ViÖc tho¶ m·n chuÈn ®ång d¹ng Fr khi thö chong chãng cÇn ®îc ®¶m b¶o cho nh÷ng trêng hîp khi c¸c lùc mang b¶n chÊt sãng cã ý nghÜa quan träng. §Þnh luËt nµy buéc ph¶i ®îc tho¶ m·n khi chiÒu ch×m cña trôc chong chãng h0 díi mÆt tho¸ng lµ bÐ, vµ kh«ng ®¶m b¶o khi h0 ³ D. Sù ®ång d¹ng cña c¸c lùc mang b¶n chÊt sãng sÏ ®îc ®¶m b¶o khi sè Fr cña chong chãng thùc vµ m« h×nh cña nã b»ng nhau: vM gLM = vH gLH (16.1.7) §èi víi chong chãng lÊy v = v A vµ L = D ta nhËn ®îc: v AM gDM = v AH gDH (16.1.8) Tõ ®ã: v AM = v AH DM DH = v AH M (16.1.9) §¼ng thøc nµy tháa m·n ®iÒu kiÖn ®ång d¹ng ®éng häc cho nh÷ng tèc ®é t¬ng øng vµ cho phÐp t×m ®îc tèc ®é vA khi thö m« h×nh. 112
NÕu lÊy tèc ®é quay cña ®Ønh c¸nh pnD lµm tèc ®é ®Æc trng chÝnh th× tõ (5.7) ta t×m ®îc: πn M D M πn H D H = (16.1.10) gD M gD H C«ng thøc nµy cho phÐp t×m ®îc tû sè sau ®©y ®Ó tÝnh vßng quay: nM = nH DH DM = nH (16.1.11) M Ta thÊy r»ng: ®èi víi chong chãng, dùa theo (16.1.7) vµ (16.1.10) ta cã thÓ tÝnh ®îc sè Fr theo mét trong c¸c c«ng thøc sau: ( ) Fr = v A / gD hoÆc : Fr = π g n D » n D (16.1.12) C¸c lùc mang b¶n chÊt nhít t¸c dông lªn bÒ mÆt c¸nh chong chãng ph¶i tho¶ m·n chuÈn ®ång d¹ng R©ynon. §èi víi chong chãng sè Re cã thÓ viÕt: Re = v r lr / g (16.1.13) Trong ®ã: v r, lr - c¸c trÞ sè ®Æc trng cho tèc ®é vµ kÝch thíc cña c¸nh ë b¸n kÝnh ®· chän r; cßn g - ®é nhít ®éng häc. B×nh thêng ngêi ta lÊy tèc ®é pnD lµm tèc ®é ®Æc trng, chiÒu réng trung b×nh cña c¸nh btb lµm kÝch thíc ®Æc trng. Lóc bÊy giê sè Re cã thÓ viÕt: Re = (p n D2 / n) (btb / D) (16.1.14) hoÆc cho: AE p btb D = A0 2 Z (16.1.15) ( ) Re @ 5 nD g ( AE A0 )(1 Z ) 2 Yªu cÇu vÒ sù b»ng nhau cña c¸c sè Re gi÷a chong chãng thùc vµ m« h×nh ®· chuyÓn sang mèi quan hÖ gi÷a c¸c vßng quay nh sau: nM = nH (gH/gM) (1/M2) (16.1.16) Khi tiÕn hµnh viÖc thÝ nghiÖm m« h×nh chong chãng trong chÊt láng víi gH = gM thùc tÕ kh«ng thÓ tho¶ m·n ®îc (16.1.16) v× gÆp nhiÒu khã kh¨n vÒ kü thuËt: chong chãng ph¶i cã sè vßng quay kh¸ lín v× M «1 vµ nh vËy lùc t¸c dông lªn m« h×nh b»ng lùc t¬ng øng cña chong chãng thùc, vÝ dô: TM = KTrnM2DM4 = KTr(nH2/M4) (DHM)4 = KTrnH2DH4 = TH (16.1.17) Khi thö m« h×nh chong chãng cã thÓ xuÊt hiÖn hiÖu øng tû lÖ, v× nã g©y nªn sù kh¸c nhau gi÷a c¸c ®Æc tÝnh ®éng lùc gi÷a m« h×nh vµ chong chãng thùc hoÆc gi÷a c¸c m« h×nh cã tû lÖ kh¸c nhau (nghÜa lµ ®îc thö ë nh÷ng sè Re kh¸c nhau). Nguyªn nh©n c¬ b¶n cña hiÖu øng tû lÖ lµ ë mét phÇn c¸nh m« h×nh xuÊt hiÖn chÕ ®é dßng bao ch¶y tÇng, g©y ¶nh hëng lín tíi thµnh phÇn m«men cña lùc nhít, song nã ¶nh hëng Ýt tíi thµnh phÇn lùc ®Èy. Kinh nghiÖm thö m« h×nh cho thÊy hiÖu øng tû lÖ hÇu nh kh«ng cã nÕu thö m« h×nh trong giíi h¹n c¸c sè Re cao h¬n con sè tíi h¹n, víi nã kh«ng cã ¶nh h¬ng râ rÖt tíi c¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng lùc cña chong chãng. Khi thö m« h×nh chong chãng ngêi ta thêng lÊy Reth = (4 ¸ 5)105. Dùa vµo ®ã c¸c kÝch thíc vµ vßng quay cña m« h×nh ph¶i chän sao cho trong qu¸ tr×nh thö sè Re tÝnh theo (16.1.15) lín h¬n con sè tíi h¹n Re > Reth. Nh vËy, nÕu tho¶ m·n ®îc c¸c ®iÒu kiÖn h0 > D, Re > Reth th× kÕt qu¶ thö m« h×nh chong chãng trong níc tù do cho phÐp nhËn ®îc c¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng lùc kh«ng thø nguyªn KT, KQ vµ h0, mµ chóng lµ nh÷ng hµm ®¬n trÞ cña bíc tiÕn t¬ng ®èi J cña c¸c chong chãng ®ång d¹ng h×nh häc khi ®îc bao b»ng dßng kh«ng x©m thùc. C¸c kÕt qu¶ cña nh÷ng ®ît thö nµy thêng ®îc coi lµ kh«ng phô thuéc vµo tû lÖ, nghÜa lµ lÊy KTM = KTH, KQM = KQH vµ hOM = hOH khi JM = JH. 113
16.2. C¸c ph¬ng ph¸p nghiªn cøu chong chãng b»ng thùc nghiÖm. C¸c ®ît thö hµng lo¹t m« h×nh cã hÖ thèng. Ta ph©n ra c¸c ®ît thö m« h×nh chong chãng trong níc tù do vµ sau th©n tµu, nghÜa lµ thö m« h×nh chong chãng ®éc lËp vµ thö m« h×nh tµu ch¹y b»ng chong chãng. C¸c ®ît nghiªn cøu nµy thêng ®îc thùc hiÖn trong c¸c bÓ thö. Trong môc nµy chóng ta chØ xÐt viÖc thö m« h×nh chong chãng trong níc tù do. NhiÖm vô chÝnh cña nh÷ng ®ît thö nµy lµ x¸c ®Þnh vA c¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng lùc cña chong chãng ®éc lËp, n h0 nghÜa lµ c¸c hÖ sè KT, KQ vµ h0 theo c¸c chÕ ®é lµm viÖc cña chong chãng, nghÜa lµ phô thuéc vµo bíc tiÕn t¬ng H×nh 16.1. ThiÕt bÞ ®Ó ®èi J. C¸c ®ît thö ®îc tiÕn hµnh nhê mét thiÕt bÞ ®Æc thö m« h×nh chong biÖt. Nã lµ mét chiÕc thuyÒn con ®¸y b»ng rÊt tho¸t níc, chãng trong níc tù do. nèi víi mét xe kÐo vu«ng gãc víi cét d¹ng dÔ tho¸t níc (h×nh 16.1). ThuyÒn ®îc ®Æt trong níc sao cho chong chãng ch×m díi mÆt níc ë ®é s©u ®· biÕt. B»ng c¸ch tÝnh to¸n trôc chong chãng thß ra khái thuyÒn sao cho thuyÒn kh«ng ¶nh hëng tíi chong chãng. Nh vËy, chiÒu dµi cña trôc b»ng kho¶ng 2 ¸ 2,5 ®êng kÝnh chong chãng. §Ó tr¸nh ¶nh hëng cña mÆt tho¸ng ®èi víi c¸c lùc thuû ®éng, ®êng t©m chong chãng ph¶i ch×m tíi 1,0 ¸ 1,5 ®êng kÝnh chong chãng. §iÒu nµy cho phÐp lo¹i sè Fr khái c¸c ®Þnh luËt ®· nãi. C¸c th«ng sè cÇn ghi - lùc ®Èy, m«men vµ vßng quay cña chong chãng ph¶i ®o b»ng c¸c ph¬ng ph¸p ®iÖn, v× chóng cho phÐp sö dông réng r·i m¸y tÝnh ®iÖn tö ®Ó tËp hîp, lu tr÷ vµ xö lý c¸c th«ng tin theo ch¬ng tr×nh ®· ®Þnh trong qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm, vµ trong vµi trêng hîp ®Ó tù ®éng ho¸ hoµn toµn ®ît thö. VÒ nguyªn t¾c c¸c m« h×nh ®Òu ®îc thö trong níc tù do víi vßng quay cè ®Þnh ®Ó ®¶m b¶o sè Re tíi h¹n vµ tèc ®é tiÕn kh¸c nhau do thay ®æi tèc ®é kÐo thuyÒn. §iÒu nµy cho phÐp kh¶o s¸t ®îc toµn bé giíi h¹n biÕn thiªn cña bíc tiÕn t¬ng ®èi - tõ chÕ ®é buéc (J = 0) tíi chÕ ®é lùc ®Èy vµ m«men b»ng kh«ng. NÕu cÇn cã thÓ nghiªn cøu ®îc c¶ chÕ ®é ®¶o chiÒu. Trong qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm cÇn ph¶i ®o lùc ®Èy vµ m«men cña m« h×nh chong chãng, vßng quay vµ tèc ®é tiÕn cã thÓ tÝnh ®îc c¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng lùc KT, KQ vµ h0. C¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng lùc nµy ®îc biÓu diÔn theo d¹ng ®êng cong phô thuéc vµo bíc tiÕn t¬ng ®èi J (Xem H14.3). §ãng vai trß quan träng trong c¸c ®ît thÝ nghiÖm lµ thö hµng lo¹t m« h×nh chong chãng cã hÖ thèng trong níc tù do. Lo¹t ë ®©y ®îc hiÓu lµ mét tËp hîp c¸c m« h×nh chong chãng , mµ trong ®ã c¸c ®Æc tÝnh h×nh häc kh«ng thø nguyªn ®îc thay ®æi tõ chong chãng nµy sang chong chãng kh¸c, vÝ dô: tû sè bíc theo mét hÖ thèng qui ®Þnh. TËp hîp chÝnh cña c¸c phÇn tö cña c¸c chong chãng cña lo¹t vÉn ph¶i gi÷ nguyªn. C¸c ®ît thö hµng lo¹t m« h×nh chong chãng cã hÖ thèng cho phÐp ®¸nh gi¸ mèi quan hÖ gi÷a c¸c ®Æc t×nh h×nh häc víi c¸c ®êng cong lµm viÖc cña chong chãng, ®ång thêi x©y dùng ®îc ®å thÞ ®Ó thiÕt kÕ chong chãng vµ tÝnh to¸n kh¶ n¨ng di ®éng cña tµu. C¸c sè liÖu cña c¸c ®ît thö hµng lo¹t m« h×nh ®Òu ®îc xö lý trªn m¸y tÝnh ®iÖn tö, ®iÒu nµy cho phÐp ¸p dông c¸c ph¬ng ph¸p ph©n tÝch håi quy ®Ó x©y dùng m« h×nh to¸n häc cho tõng chong chãng riªng lÎ. B»ng m¸y tÝnh ®iÖn tö sÏ tÝnh vµ x©y dùng ®îc c¸c ®êng cong thiÕt kÕ chong chãng vµ tÝnh to¸n kh¶ n¨ng di ®éng cña tµu. 114
T û sè ®Üa 15 0.475R 0.767D 0.045D H×nh 16.2. C¸c ®Æc trng h×nh häc cña chong chãng 4 c¸nh thuéc lo¹i “B”. HiÖn nay ngêi ta ®· thö ®îc sè lîng kh¸ lín m« h×nh chong chãng cã hÖ thèng hÇu nh bao trïm toµn bé giíi h¹n biÕn thiªn c¸c ®Æc tÝnh h×nh häc cña chong chãng ë Liªn bang Nga còng nh ë níc ngoµi. Trªn h×nh 16.2 tr×nh bµy c¸c ®Æc tÝnh h×nh häc cña lo¹t “B” cña bÓ thö Hµ Lan cã Z = 4 vµ 3 trÞ sè tû sè ®Üa. Lo¹t gåm 120 m« h×nh chong chãng ®êng kÝnh 240 mm víi sè c¸nh thay ®æi (tõ 2 ¸ 7), tû sè ®Üa (tõ 0,3 ¸ 1,05) vµ tû sè bíc kÕt cÊu (tõ 0,5 ¸ 1,4). Bíc tiÕn t¬ng ®èi thay ®æi tõ kh«ng tíi bíc tiÕn t¬ng ®èi øng víi chÕ ®é kh«ng lùc ®Èy. ViÖc xö lý cuèi cïng c¸c kÕt qu¶ thö cña hµng lo¹t nµy bao gåm c¶ viÖc tÝnh chuyÓn c¸c hÖ sè thuû ®éng lùc sang sè Re qui chuÈn Re = 2.106 ®Æc trng cho c¸c chong chãng thùc, ®ång thêi x©y dùng ®îc c¸c m« h×nh to¸n häc cña c¸c chong chãng. M« h×nh nµy ®îc m« t¶ theo d¹ng ®a thøc: ü 39 K T = å CTi ( J ) i (P D ) i ( AE A0 ) i Z vi ï S t u ï i =1 (16.2) ý 47 K Q = å CQi (J ) (P D ) ( AE A0 ) Z vi ï Si ti ui ï þ i =1 nã cho phÐp x¸c ®Þnh ®îc c¸c ®êng cong lµm viÖc cña chong chãng víi trÞ sè Z biÕn thiªn vµ c¸c trÞ sè AE/A0, P/D vµ J n»m trong giíi h¹n ®· nªu trªn. Trªn h×nh 16.3 ®Ó lµm vÝ dô: ngêi ta tr×nh bµy c¸c sè liÖu cña lo¹t nµy cho nh÷ng chong chãng Z = 4 vµ AE/A0 = 0,55, mµ chóng nªu bËt ®îc ¶nh hëng cña tû sè bíc kÕt cÊu ®èi víi hÖ sè lùc ®Èy vµ hiÖu suÊt lµm viÖc. Lêi gi¶i thÝch vÒ ¶nh hëng cña P/D ®èi víi c¸c ®êng cong lµm viÖc cña chong chãng ®îc tr×nh bµy ë ch¬ng thiÕt kÕ chong chãng. 115
K ; KT ;h 0 ;10K ; Q H×nh 16.3. C¸c ®êng cong lµm viÖc cña chong chãng 4 c¸nh h0 thuéc lo¹t “B” víi tû sè bíc kh¸c nhau J 16.3. C¸c ®å thÞ thiÕt kÕ chong chãng §å thÞ tæng hîp cña ®ît thö mét nhãm m« h×nh chong chãng thuéc lo¹t cã hÖ thèng ®îc tr×nh bµy trªn h×nh 16.3 ®· ®îc x©y dùng kh¸ chÆt chÏ. Nh»m môc ®Ých ®ã, ®èi víi tõng chong chãng víi trÞ sè P/D cña nã qua mét kho¶ng ®· biÕt ta chuyÓn trÞ sè hiÖu suÊt lªn ®êng cong KT = KT(J) sao cho c¸c ®iÓm cã cïng trÞ sè hiÖu suÊt ®îc nèi víi nhau b»ng nh÷ng ®êng cong tr¬n nh ®· tr×nh bµy trªn h×nh 16.4. KÕt qu¶ lµ ta nhËn ®îc ®å thÞ, nh h×nh 16.5, ®Ó trªn ®ã ®Ó b¶n vÏ kh«ng rêm rµ ta chØ kÎ mét sè lîng võa ph¶i c¸c ®êng hiÖu suÊt b»ng nhau. Tõ ®å thÞ ta hoµn toµn x¸c ®Þnh ®îc c¸c th«ng sè cña chong chãng thiÕt kÕ cã trÞ sè Z, AE/A0, P/D . . . §å thÞ ®ã dïng ®Ó x¸c ®Þnh hiÖu suÊt lµm viÖc cña chong chãng trong nh÷ng ®iÒu kiÖn thiÕt kÕ cô thÓ. Muèn vËy cÇn ph¶i gi¶ thiÕt lùc ®Èy T, tèc ®é tiÕn v A, ®êng kÝnh D vµ vßng quay n cña nã. Sau khi tÝnh to¸n ®îc KT vµ bíc tiÕn t¬ng ®èi J, trªn ®å thÞ ta t×m ®îc ®iÓm, mµ vÞ trÝ cña nã x¸c ®Þnh ngay ®îc P/D vµ hiÖu suÊt lµm viÖc h0. Tuy nhiªn chong chãng thiÕt kÕ theo c¸ch ®ã khã cã thÓ ®¹t ®îc tèi u, bëi v× trong khi gi¶ thiÕt ®Ó thiÕt kÕ nã th× ®êng kÝnh còng nh vßng quay (khi T vµ v A kh«ng ®æi) vÉn kh«ng lÊy tèi u. a K T; h 0 0,8 ,4 ,5 =1 =0 /D /D iP iP kh kh 0,6 h0 h0 ,1 0,4 h0 = 0 ,5 =0 KT kh h0 i P/ D= 0,2 1 ,4 h0 = 0,5 1,4 J 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 a H×nh 5.4. S¬ ®å x©y dùng c¸c hiÖu suÊt lµm viÖc b»ng nhau. Nh vËy, hiÖu suÊt lµm viÖc cã thÓ rÊt thÊp mµ c«ng suÊt t¬ng øng cÇn thiÕt l¹i qua cao. §Ó tèi u ho¸, vÝ dô ®êng kÝnh cÇn ph¶i cho vßng quay cè ®Þnh vµ sau khi võa thay ®æi ®êng kÝnh võa ph¶i thùc hiÖn nhiÒu phÐp tÝnh ®Ó t×m mèi quan hÖ gi÷a hiÖu suÊt lµm viÖc vµ ®êng kÝnh. Chong chãng víi ®êng kÝnh tèi u sÏ øng víi chong chãng cã hiÖu suÊt lµm viÖc lín nhÊt. DÜ nhiªn ®Ó tèi u ho¸ vßng quay khi D = const 116
cÇn ph¶i thùc hiÖn mét lo¹t tÝnh to¸n víi n biÕn ®æi vµ t×m hÖ thøc h = h0(n). Ta vÉn cã thÓ x¸c ®ÞnhK®îc vßng quay tèi u khi gi¶ thiÕt T, v A vµ D. KT 0,6 1,2 h0 =0 , 1 0,5 0, 2 0, 3 1,0 K DT =1,0 0, 4 0,4 ,8 0,8 0, 5 =0 KNT =1,2 K NT 0, 6 0,3 5 0, 6 K DT =2 0, 6 K DT 0, 7 5 0, 7 nopt 2 ,4 0,2 0,5 Dopt K NT 0,1 1,4 J = vA /n D 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 K AE = 0,55 ) H×nh 5.5. §å thÞ thiÕt kÕ chong chãng (Z = 4; A0 C¸c tÝnh to¸n kiÓu nµy sÏ tèn nhiÒu c«ng søc. §Ó tr¸nh ®iÒu ®ã, tõ c¸c biÓu thøc tÝnh KT vµ J ta lo¹i mét trong c¸c th«ng sè qui ®Þnh n hoÆc D. VÝ dô: ta lo¹i ®êng kÝnh vµ nhËn ®îc: T n2 4 J4 KT = J= 4 (16.3.1) r vA K NT 2 trong ®ã: ta kÝ hiÖu: vA 4 r J K NT = = (16.3.2) T n KT 4 Trªn h×nh 16.5 ®êng KNT lµ ®êng parabol bËc 4 ®Æc trng cho mét tËp hîp v« h¹n c¸c chong chãng tho¶ m·n bµi to¸n, nhng cã hiÖu suÊt lµm viÖc kh¸c nhau vµ chØ cã mét ®iÓm duy nhÊt øng víi hiÖu suÊt lµm viÖc lín nhÊt, ®iÓm ®ã x¸c ®Þnh chong chãng cã ®êng kÝnh tèi u. Trªn ®å thÞ ®ang xÐt, ®èi víi mét lo¹t trÞ sè KNT t×m c¸c ®iÓm cã hiÖu suÊt lµm viÖc lín nhÊt vµ qua c¸c ®iÓm ®ã kÎ ®êng cong tr¬n ký hiÖu lµ Dopt vµ c¶ nh÷ng ®o¹n KNT = const c¾t ®êng cong ®· cho. Tõ c¸c KNT ®· cã trªn ®êng cong Dopt cho phÐp ta x¸c ®Þnh ®îc c¸c th«ng sè cña chong chãng cã ®êng kÝnh tèi u, nghÜa lµ KT, J, h0 vµ P/D. §êng kÝnh tèi u ®îc tÝnh theo c«ng thøc sau: Dopt = v A / (nJ) (16.3.3) NÕu biÕt ®êng kÝnh, lùc ®Èy vµ tèc ®é muèn t×m vßng quay tèi u th× b»ng c¸ch lo¹i vong quay ®ã khái biÓu thøc tÝnh KT vµ J, ta t×m ®îc: T J2 J2 KT = = r v A D 2 K DT 2 2 K DT = v A D r T = J KT trong ®ã: (16.3.4) 117
Nh vËy ®êng KT = KT(J) khi KDT = const trªn ®å thÞ lµ ®êng parabol bËc hai bao gåm c¶ ®iÓm hiÖu suÊt lµm viÖc lín nhÊt øng víi vßng quay cã lîi nhÊt. B»ng c¸ch nèi c¸c ®iÓm tèi u cho c¸c trÞ sè KDT kh¸c nhau trªn ®å thÞ ta cã ®êng cong tr¬n, ®îc gäi lµ ®êng cong c¸c vßng quay tèi u nopt (h×nh 16.5). Khi trÞ sè KDT ®· biÕt, b»ng ®êng cong nµy ta trùc tiÕp nhËn ®îc KT, J, h0 vµ P/D ®Ó x¸c ®Þnh vßng quay tèi u: nopt = v A / (JD) (16.3.5) vµ tÝnh c«ng suÊt cÇn thiÕt cho chong chãng : PD = T v A / h0 (16.3.6) §êng cong x©y dùng trong hÖ trôc KT - J gäi lµ ®å thÞ liªn quan ®Õn th©n tµu, v× nã cho phÐp x¸c ®Þnh ®îc c¸c ®Æc tÝnh cña chong chãng vµ chän ®îc ®éng c¬ cã liªn quan ®Õn lùc c¶n cña th©n tµu. Còng ph¬ng ph¸p t¬ng tù cã thÓ x©y dùng trong hÖ trôc KQ - J (hoÆc K Q - J). Nã cho phÐp x¸c ®Þnh ®îc c¸c ®Æc tÝnh cña chong chãng hoÆc c«ng suÊt PD truyÒn vµo nã, vµ v× vËy ®îc gäi lµ ®å thÞ liªn quan ®Õn ®éng c¬. Trong ®ã còng x¸c ®Þnh ®îc tèi u ®êng kÝnh hoÆc vßng quay b»ng c¸c hÖ sè: rv A J5 v K NQ = 4 = A4 (16.3.7) 2pK Q n PD ®Ó x¸c ®Þnh ®êng kÝnh tèi u vµ: rv A J3 K DQ = = vA D (16.3.8) 2pK Q PD ®Ó x¸c ®Þnh vßng quay tèi u. C¸c hÖ sè lùc ®Èy KNT vµ KDT còng nh c¸c hÖ sè m«men KNQ vµ KDQ ®îc ®a vµo ®Ó tÝnh chong chãng gäi lµ c¸c hÖ sè cña bµi to¸n. C¸c ®å thÞ nãi trªn vµ ph¬ng ph¸p sö dông chóng ®Ó ®Þnh tèi u ®êng kÝnh hoÆc vßng quay cña chong chãng ®îc E.E Papmiel vµ Staynen ®a ra cïng mét lóc vµ ®éc lËp nhau vµo nöa ®Çu thÕ kû 20. Ta nhËn xÐt c¸c tÝnh chÊt quan träng cña chong chãng tèi u. Nh ®· thÊy trªn h×nh 16.5 c¸c hÖ sè lùc ®Èy n»m trªn ®êng Dopt vµ mét phÇn trªn ®êng nopt hÇu nh kh«ng phô thuéc vµo bíc tiÕn t¬ng ®èi, ®iÒu ®ã cho phÐp: KTopt = T / (r n2 D4) = const (16.3.9) vµ: D n = constI T (16.3.10) 4 Nh vËy khi chän thÝch hîp h»ng sè ta sÏ x¸c ®Þnh ®îc c¸c th«ng sè tèi u cña chong chãng. Ngoµi ra ®èi víi chong chãng tèi u, hiÖu suÊt lµm viÖc hÇu nh kh«ng phô thuéc vµo sè c¸nh vµ tû sè ®Üa, cã thÓ coi lµ hµm cña hÖ sè t¶i träng theo lùc ®Èy: CTA = (8/p) (KT/J2) (16.3.11) Víi Z = 3; 4; 5 vµ 6, cßn tû sè ®Üa t¬ng øng AE/A0 = 0,50; 0,55; 0,60 vµ 0,80 cã thÓ tÝnh ®îc hiÖu suÊt cña chong chãng ®êng kÝnh tèi u theo c«ng thøc: h0 = 1,876 - 1,235 CTA1 ; 0,4 < CTA < 7,0 (16.3.12) 0, C«ng thøc nµy trïng víi kÕt qu¶ tõ ®êng cong hiÖu suÊt lµm viÖc tÝnh theo c«ng thøc VÐttrinkin. TrÞ sè hiÖu suÊt lµm viÖc tÝnh theo (16.3.12) ®îc coi lµ giíi h¹n trªn cña nh÷ng chong chãng thùc vµ tèi u theo ®êng kÝnh, t¬ng øng víi lo¹t B - Hµ Lan. HÖ sè chÊt lîng cña nh÷ng chong chãng nµy thay ®æi tõ xp=h0/hI = 0,78 ¸ 0,72 khi CTA = 1,0 ¸ 6,0. C¸c ®å thÞ t¬ng tù ®· nãi ë trªn ®Òu ®îc x©y dùng theo c¸c ®ît thö m« h×nh chong chãng trong níc tù do. Tuy nhiªn chóng còng ®îc sö dông ®Ó thiÕt 118
kÕ c¸c chong chãng lµm viÖc sau th©n tµu khi kÓ ®Õn sù t¬ng t¸c gi÷a chong chãng víi th©n tµu. 16.4. Sö dông c¸c ®å thÞ thiÕt kÕ chong chãng c¸nh hÑp C¸c ®å thÞ thiÕt kÕ chong chãng cña E.E Papmeil (Phô lôc I) vµ cña bÓ thö Hµ Lan (Phô lôc II) lu«n cho c¸c trÞ sè tÝnh to¸n kh¸c nhau khi cïng c¸c sè liÖu xuÊt ph¸t. Sù kh¸c nhau vÒ hiÖu suÊt lµm viÖc vµ c¸c yÕu tè cña chong chãng kh«ng thÓ gi¶i thÝch ®îc b»ng c¸c sai sè thÝ nghiÖm vµ c¸ch xö lý, mµ vÉn xÈy ra khi x©y dùng mäi ®å thÞ theo c¸c kÕt qu¶ thö m« h×nh , ngay khi chóng ®îc tiÕn hµnh hoµn toµn øng víi c¸c yªu cÇu cña lý thuyÕt ®ång d¹ng. Sù sai lÖch vÒ trÞ sè cña ®êng kÝnh, tû sè bíc kÕt cÊu vµ hiÖu suÊt lµm viÖc cña chong chãng lµ do sù kh¸c nhau trong viÖc ®Þnh d¹ng mÆt c¾t c¸nh cña lo¹t m« h×nh thö, ®îc tr×nh bµy trong c¸c phô lôc I, II. C¸c m« h×nh chong chãng, mµ theo kÕt qu¶ thÝ nghiÖm x©y dùng ®îc c¸c ®å thÞ cña phô lôc I cã c¸c d¹ng mÆt c¾t låi lâm v¬Ý ®é lîn cong mÆt ®¹p cña c¸nh d2 = 1% trªn c¸c b¸n kÝnh mÆt c¾t. Cßn c¸c m« h×nh chong chãng, mµ theo kÕt qu¶ thÝ nghiÖm x©y dùng ®îc c¸c ®å thÞ cña phô lôc II cã mÆt ®¹p cña c¸nh ph¼ng. C¸c chong chãng c¶ hai lo¹t cã chiÒu dµy t¬ng ®èi cña c¸c mÆt c¾t c¸nh gÇn b»ng nhau (ë nh÷ng chong chãng phô lôc I chiÒu dµy lín h¬n) v× vËy b¸n kÝnh cong t¬ng ®èi cña mÆt c¾t trªn c¸c chong chãng phô lôc I lín h¬n ë nh÷ng chong chãng thuéc phô lôc II. C¨n cø vµo ®ã khi tû sè bíc kÕt cÊu vµ chiÒu dµy t¬ng ®èi cña c¸nh gièng nhau c¸c c¸nh thuéc phô lôc II cã ®êng kÝnh lín h¬n. §èi víi c¸c chong chãng thuéc phô lôc II khi hÖ sè t¶i träng theo lùc ®Èy CTA » 0,5 th× b¸n kÝnh cong cña mÆt c¾t rÊt hîp lý. MÆt ®¹p lâm cã thÓ coi lµ hîp lý khi c¸c chong chãng bÞ h¹n chÕ ®êng kÝnh, do ®ã ë nh÷ng hÖ sè t¶i träng lín ®iÒu cÇn thiÕt lµ ph¶i sö dông chóng. 119