Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí động lực: Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc của tàu đánh cá

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc của tàu đánh cá" là trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về hệ thống động lực và chân vịt tàu cá; Tính toán thiết kế và mô phỏng số; Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí động lực: Nghiên cứu chân vịt hai bước để nâng cao hiệu suất làm việc của tàu đánh cá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN CHÍ CÔNG NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT HAI BƯỚC ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TÀU ĐÁNH CÁ Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2021
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lương Ngọc Lợi PGS.TS Ngô Văn Hệ Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Nói đến chân vịt trang bị cho tàu thủy nói chung và đội tàu cá đánh bắt xa bờ nói riêng của Việt Nam cũng như trên toàn thế giới thường sử dụng hai loại là: chân vịt có bước cố định và chân vịt biến bước, hai loại chân vịt này có một số nét nổi bật như sau:  Chân vịt cố định có cấu tạo gồm có các cánh gắn cứng trên bầu, trong quá trình hoạt động không thay đổi được bước cánh, giá thành, quy trình bảo dưỡng vận hành phù hợp và chủ động chế tạo trong nước;  Chân vịt biến bước có cấu tạo gồm các cánh được chế tạo rời liên kết với bầu chân vịt thông qua đĩa xoay gắn liền với đế cánh và bầu chân vịt. Trong quá trình hoạt động chân vịt có thể thay đổi được bước cánh để phù hợp với tải của chế độ khai thác, tiết kiệm nhiên liệu, cải thiện hiệu suất ở các chế độ khai thác không phải là chế độ khai thác tối ưu. Tuy nhiên chi phí đầu tư lớn, quy trình bảo dưỡng, vận hành phức tạp, đòi hỏi đội ngũ chuyên môn cao, chưa chủ động chế tạo trong nước. Trên thế giới, với điều kiện cơ sở vật chất và kỹ thuật công nghệ tiên tiến, đội tàu đánh bắt xa bờ của họ chủ yếu được trang bị loại chân vịt biến bước có hiệu quả khai thác cao hơn nhiều so với chân vịt có bước cố định trang bị trên đội tàu cá đánh bắt xa bờ của nước ta hiện nay. Mặt khác, xuất phát từ điều kiện tài chính của hộ dân, các doanh nghiệp vừa và nhỏ trong nước, với giá thành của một chân vịt biến bước rất cao và khó khăn hơn nữa là đội ngũ kỹ thuật có đủ trình độ chuyên môn đảm bảo duy trì chế độ bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên. Vì vậy, trong tương lai gần, việc trang bị chân vịt biến bước cho tàu cá đánh bắt xa bờ ở nước ta là chưa khả thi. Xuất phát từ thực tiễn trên, NCS và tập thể Thầy hướng dẫn đề xuất ý tưởng mẫu ‘Chân vịt hai bước’ có thể thay đổi bước hay góc đặt cánh ở hai chế độ hoạt động chính của tàu cá đánh bắt xa bờ với đặc tính hoạt động tại hai chế độ như sau: 1
 Chế độ hoạt động thứ nhất: Chạy không tải ra khơi, chạy tìm luồng cá hay khu vực khai thác và chạy đầy hàng lúc về cảng;  Chế độ hoạt động thứ hai: Vừa chạy vừa khai thác hải sản. Do chân vịt có bước cố định trang bị cho tàu cá đánh bắt xa bờ chỉ đạt hiệu suất cao tại một chế độ khai thác đã được tính toán thiết kế ban đầu là chế độ kéo lưới với vận tốc khai thác nhỏ, tải trọng lớn, còn chế độ chạy tự do với vận tốc lớn thì hiệu suất rất thấp. Vì vậy với giải pháp chân vịt hai bước sẽ khắc phục được hiện tượng hiệu suất thấp tại chế độ chạy tự do nghĩa là giải pháp chân vịt hai bước sẽ cho phép tối ưu hiệu suất cho cả hai chế độ khai thác là chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do. Với hiệu suất tối ưu cho cả hai chế độ hoạt động giải pháp chân vịt hai bước sẽ giúp tiết kiệm được nhiên liệu cho mỗi chuyến đi biển, giảm được lượng phát thải gây ô nhiễm môi trường. Sản phẩm “chân vịt hai bước” hoàn toàn có thể mở rộng cho nhiều loại tàu khác nhau có đặc điểm về chế độ khai thác tương đồng, điển hình là tàu dịch vụ có chế độ khai thác là di chuyển không tải tiếp cận mục tiêu và chạy toàn tải khi thực hiện nhiệm vụ như tàu kéo, tàu lai dắt; Một lợi ích nổi bật khác khi sử dụng chân vịt hai bước là tính cơ động cao hơn trong quá trình điều động cụ thể như sau: Tăng tốc tránh vùng nguy cơ bão lớn; nhanh chóng tiếp cận nguồn cá khi có tín hiệu; về cảng kịp thời gian giao hàng hay đảm bảo chất lượng hải sản… Điều này khẳng định: Đối với mỗi tàu cá đánh bắt xa bờ được trang bị chân vịt hai bước sẽ giảm lượng tiêu hao nhiên liệu đáng kể cho mỗi chuyến ra khơi (dự kiến tiết kiệm được tối thiểu là 5% tổng lượng nhiên liệu tiêu hao cho mỗi chuyến đi biển), cơ động hơn trong điều động và giảm phát thải ô nhiễm môi trường. Với số lượng đội tàu cá đánh bắt xa bờ nhiều và càng ngày càng tăng như hiện nay thì hiệu quả kinh tế mang lại rất lớn, theo Nghị quyết số 06-NQ/TU ngày 07/06/2018 thì trung bình hàng năm năng lực khai thác hải sản xa bờ tăng lên thông qua số lượng tàu có công suất lớn hơn 90CV tăng 4,86%/năm. Vì vậy, sản phẩm chân vịt hai bước sẽ mang lại hiệu quả đáng kể cho xã hội và có tiềm năng phát triển sản phẩm rộng rãi trên thị trường Việt Nam. 2
2. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để đưa ra được giải pháp nâng cao hiệu suất, cải thiện khả năng điều động, và tiết kiệm nhiên liệu cho tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo có công suất máy 155CV. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống đẩy dạng chân vịt được trang bị trên đội tàu cá sử dụng lưới kéo đánh bắt xa bờ của Việt Nam công suất máy 155CV. 3.2 Phạm vi nghiên cứu của luận án Nghiên cứu tính toán hiệu suất của hai hệ thống chân vịt là ‘Chân vịt có bước cố định’ và ‘Chân vịt hai bước’ cho hai chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do trang bị trên tàu cá có công suất máy 155CV. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học Tổng hợp cơ sở lý luận về giải pháp nâng cao hiệu suất hệ thống đẩy và khả năng vận hành đội tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo. Ứng dụng CFD mô phỏng hình ảnh dòng chảy bao quanh chân vịt, xây dựng các đường thuỷ động lực học của chân vịt có sự kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn  Đưa ra hệ thống đẩy chân vịt hai bước hoạt động hiệu quả, trang bị cho tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo, có thể mở rộng trang bị cho tàu dịch vụ có chế độ tải tương đồng;  Làm chủ quy trình thiết kế, công nghệ chế tạo hệ thống đẩy chân vịt hai bước, ứng dụng cho tàu cá đánh bắt xa bờ của Việt Nam, góp phần nâng cao, nội địa hoá sản phẩm trong nước. 5. Những đóng góp của luận án Với mục tiêu đã đề ra, luận án có những đóng góp cụ thể như sau :  Luận án đã phân tích mối quan hệ vỏ tàu, máy chính, chân vịt để làm sáng tỏ khía cạnh tiết kiệm nhiên liệu, tăng khả năng điều động của hệ thống chân vịt biến bước. Đồng thời cũng phân tích, làm rõ mối quan hệ vận tốc khai thác của tàu, tỷ số bước cánh với hiệu suất chân vịt từ đó đề xuất giải pháp chân vịt hai bước nhằm nâng cao 3
hiệu suất, cải thiện khả năng điều động, và tiết kiệm nhiên liệu cho đội tàu cá đánh bắt xa bờ;  Đưa ra quy trình tính toán thiết kế và chế tạo chân vịt hai bước, kết hợp mô phỏng số xây dựng đường đặc tính thuỷ động lực học hệ thống chân vịt vừa tính toán thiết kế ;  Đã tính toán thiết kế và chế tạo thành công 01 bộ chân vịt hai bước lắp cho tàu cá cụ thể. 6. Phương pháp nghiên cứu của luận án Để giải quyết được mục tiêu đề ra tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trong đó:  Việc nghiên cứu lý thuyết Đã sử dụng những định luật về máy cánh dẫn và kinh nghiệm của các nghiên cứu trong và ngoài nước để tính toán thiết kế chân vịt tàu cá công suất 155CV đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo và áp dụng phương pháp mô phỏng số để đảm bảo loại chân vịt mới có kết cấu hợp lý hiệu suất cao.  Việc nghiên cứu thực nghiệm  Chế tạo 01 bộ chân vịt hai bước có các thông số kỹ thuật được tính toán, thiết kế phù hợp để thực nghiệm trên tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo công suất 155CV mang biển kiểm soát HP-90577-TS ;  Thực nghiệm đo các hệ số thuỷ động lực học đặc trưng trên trục của hai hệ thống chân vịt ở hai chế độ hoạt động chính là chế độ kéo lưới và chế độ chạy tự do. So sánh kết quả nghiên cứu thực nghiệm với kết quả tính toán mô phỏng số;  Vận hành thử nghiệm tính năng, xác định các hệ số lực đẩy KT, hệ số mômen KQ , hiệu suất η, và suất tiêu hao nhiên liệu của hệ thống chân vịt hai bước với các chế độ tải trọng và thời gian tương đồng với một chuyến đi biển. 7. Bố cục của luận án Bố cục của luận án gồm có phần mở đầu, nội dung, kết luận và phụ lục trong đó phần nội dung chính của luận án gồm có: Chương 1: Tổng quan về hệ thống động lực và chân vịt tàu cá Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Tính toán thiết kế và mô phỏng số Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống chân vịt hai bước 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC VÀ CHÂN VỊT TÀU CÁ 1.1. Tổng quan về hệ thống động lực và chân vịt tàu cá 1.1.1. Giới thiệu chung về đội tàu cá đánh bắt xa bờ tại Việt Nam 1.1.2. Đặc điểm hệ thống động lực 1.1.2.1. Đặc điểm động cơ chính 1.1.2.2. Đặc điểm hệ trục chân vịt 1.1.2.3. Đặc điểm thiết bị đẩy 1.1.3. Đặc điểm hoạt động 1.2. Đặc điểm hệ thống đẩy tàu cá Theo khảo sát thực tế thấy rằng hệ thống đẩy của tàu cá đánh bắt xa bờ của Việt Nam là chân vịt có bước cố định có một số nhược điểm cơ bản như sau:  Hầu hết chân vịt trang bị trên tàu cá đánh bắt xa bờ hoạt động tại Việt Nam được thiết kế ở chế độ kéo lưới có tải trọng lớn, thời gian khai thác dài do đó tỷ số bước H/D của chân vịt loại này tương đối nhỏ khoảng 0,5. Do đó chân vịt tàu cá đạt hiệu cao tại chế độ kéo lưới còn các chế độ còn lại đạt hiệu suất rất thấp; Hình 1.1. Đường đặc tính của chân vịt có bước cố định 5
 Do số vòng quay của động cơ chính gần như không đổi bước H của chân vịt là hằng số, nên tàu không thể tăng được vận tốc khi khai thác ở chế độ khác không phải là chế độ kéo lưới mặc dù vẫn còn thừa công suất máy;  Trong quá trình hoạt động do bước của chân vịt không đổi do đó không cơ động trong quá trình khai thác đặc biệt là trong trường hợp tránh trú bão. 1.3. Tình hình nghiên cứu và một số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt trong và ngoài nước 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 1.3.3. Một số giải pháp nâng cao hiệu suất chân vịt 1.3.3.1. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng hệ thống chân vịt gắn cánh cứng trên bầu 1.3.3.2. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng hệ thống chân vịt ‘Podded CRP-Azipod propeller’ 1.3.3.3. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng cách sử dụng hệ thống chân vịt ‘Contrarotating propeller’ 1.3.3.4. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng cách lắp thêm cánh hướng trên đuôi tàu trước chân vịt 1.3.3.5. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng ống đạo lưu 1.3.3.6. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng hệ thống chân vịt và bánh lái dạng đuôi cá ‘Fish tail rudder -propeller system’ 1.3.3.7. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng ống Becker Mewis Duct 1.3.3.8. Nâng cao hiệu suất chân vịt bằng chân vịt biến bước 1.4. Đề xuất giải pháp chân vịt hai bước Với hai chế độ khai thác, hai chế độ tải trọng khác nhau rất lớn như của tàu cá đánh bắt xa bờ hoạt động tại vùng biển Việt Nam 6
được phân tích trong mục 1.1.3, cùng với một số biện pháp nâng cao hiệu suất hệ thống đẩy chân vịt như đã trình bày trong mục 1.3.1, với yêu cầu cải thiện khả năng vận hành, kết cấu đơn giản, dễ vận hành bảo dưỡng sửa chữa, chi phí đầu tư nhỏ. Luận án đề xuất hệ thống chân vịt có bước thay đổi phù hợp với hai chế độ khai thác cơ bản của tàu cá là chế độ kéo lưới và chế độ chạy không tải nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu, cơ động trong quá trình vận hành nhất là trong trường hợp tránh trú bão, tiết kiệm thời gian chạy không tải từ cảng ra ngư trường cũng như thời gian chạy từ ngư trường về cảng. Với kích thước ngắn và cấu tạo hệ trục chân vịt đơn giản, đường kính chân vịt lớn nhất là 1,2m, sử dụng kết cấu cơ khí để dẫn động cơ cấu điều khiển bước chân vịt. Hình 1.18 là sơ bộ ý tưởng thiết kế hệ thống chân vịt hai bước. Hình 1.2. Ý tưởng thiết kế hệ thống chân vịt hai bước Sơ đồ nguyên lý điều khiển bước cánh chân vịt Hình 1.2, khi ta tác động lực vào cần điều khiển 6, lò xo 7 bị nén lại làm trục 10 quay đồng thời làm cho cần điều khiển 2 chuyển động quay theo, cần điều khiển 2 quay sẽ làm bánh điều khiển 1 chuyển động tịnh tiến theo phương dọc trục. Do được lắp ráp cố định với thanh truyền lực 3 nên khi cần 1 chuyển động tịnh tiến dọc trục kéo thanh truyền lực 3 chuyển động theo. Nhờ chuyển động của thanh truyền lực 3 mà ống trượt 5 chuyển động tịnh tiến được theo phương dọc trục. Chuyển động tịnh tiến của ống trượt 5 được biến thành chuyển động quay của 7
cánh bằng hệ thống đĩa lệch tâm gắn cố định với đế cánh chân vịt. Để cố định bước cánh ở hai chế độ hoạt động tác giả sử dụng chốt trụ 8 để cố định cần điều khiển 7 với giá đỡ 8. Hình 1.3. Hệ thống điều khiển bước cánh chân vịt hai bước Kết luận chương 1: Từ nội dung chương 1 đã có một số kết luận cơ bản sau:  Số lượng tàu cá xa bờ đang sử dụng ở nước ta rất lớn và ngày một tăng lên đảm bảo chức năng nhiệm vụ ngày càng cao của ngành đánh bắt và khai thác thuỷ hải sản, nâng cao khả năng bám biển, và bảo vệ chủ quyền biển đảo của đất nước trong thời kỳ mới;  Hệ thống đẩy trong đó có chân vịt đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính năng điều động, và chất lượng khai thác của tàu cá;  Ngoài nước hệ thống đẩy chân vịt đã được nghiên cứu từ lâu và đạt được nhiều thành tựu lớn;  Trong nước do còn hạn chế về công nghệ chế tạo, khả năng vận hành sửa chữa thiết bị đẩy có chân vịt còn đơn giản, hiệu suất sử dụng thấp. Từ tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đã lựa chọn phương án nâng cao hiệu suất cho chân vịt tàu cá là thiết kế chế tạo để sử dụng chân vịt hai bước phù hợp điều kiện Việt Nam. 8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cơ sở lý thuyết dòng chảy bao quanh profile cánh 2.2. Mối quan hệ giữa tỷ số bước và hiệu suất chân vịt Phương trình (2.1) - (2.3), đồ thị Hình 2.1 biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ số bước H/D với hệ số lực đẩy KT , hệ số mô men KQ và hiệu suất chân vịt Hình 2.1. Mối quan hệ giữa tỷ số bước với hệ số lực đẩy, hệ số mô men và hiệu suất chân vịt R 1 T  Z .C ..c.W cos  1  tan  tan   dr 2 L (2.1) 2 rb R 1 Q  Z .r.C ..c.W cos   tan   tan   dr 2 L (2.2) 2 rb tan   (2.3) tan     9
2.3. Quan hệ máy chính, vỏ tàu, chân vịt Phần này trình bày mối quan hệ máy chính, vỏ tàu, chân vịt làm cơ sở lý luận minh chứng cho hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu, cơ động trong quá trình vận hành của hệ thống chân vịt có bước thay đổi so với chân vịt có bước cố định. Mối quan hệ máy chính, vỏ tàu, chân vịt được biểu diễn bằng hệ phương trình (2.4) công suất đẩy cần thiết của tàu, công suất đẩy do chân vịt tạo ra, công suất quay chân vịt cần thiết và công suất quay do động cơ truyền tới chân vịt.  3 3 J nD 3  Pp  PE J .K T . .n .D  c1 . 3 5    1  w 3 (2.4)  Pdcp  PQ  2 .M .i.n.  2 K Q . .n .D 3 5 Trong đó Pp là công suất đẩy do chân vịt tạo ra, PE là công suất đẩy cần thiết để tàu chuyển động với vận tốc khai thác VA , Pdcp là công suất cần thiết để quay chân vịt, PQ là công suất quay do chân vịt tạo ra khi hoạt động tại số vòng quay n, J là hệ số tiến, KT là hệ số lực đẩy chân vịt, D là đường kính chân vịt, w là hệ số dòng theo, M là mô men xoắn do động cơ sinh ra, i là tỷ số truyền giữa trục động cơ và trục chân vịt, η là hiệu suất của hệ truyền động từ trục động cơ đến trục chân vịt, KQ là hệ số mô men của chân vịt. Biểu diễn công suất cần thiết để quay chân vịt, công suất động cơ, lượng tiêu hao nhiên liệu, vận tốc tiến của tàu lên hệ trục toạ độ có trục hoành là số vòng quay ta có đồ thị Hình 2.2. Ta biết rằng mỗi chân vịt đều được thiết kế tối ưu tại một bước cánh H tương ứng với một chế độ khai thác nhất định tương ứng với một vận tốc nào đó. Giả sử chân vịt được thiết kế tối ưu ở bước H2 tương ứng với vận tốc quay của trục là n3 tại điểm thiết kế tối ưu A công suất cần thiết do của động cơ để tàu chuyển động với vận tốc u4 là PA. Đối với chân vịt có bước cố định, khi tàu cần giảm tốc độ xuống vận tốc khai thác u3 ta chỉ có thể giảm số vòng quay của trục xuống n2 tương ứng với điểm hoạt động là B, còn với chân vịt có thể thay đổi bước ta giữ nguyên số vòng quay của trục động cơ và thay đổi bước chân vịt từ bước H2 xuống bước H3 tương ứng với điểm hoạt động là C với lượng tiêu hao nhiên liệu nhỏ hơn so với điểm B. Trong trường hợp động cơ chính còn dư công suất ta muốn tăng vận tốc khai thác thì 10
đối với chân vịt có bước cố định ta phải tăng số vòng quay của động cơ tuy nhiên việc tăng số vòng quay của động cơ trong trường hợp vận tốc khai thác lớn là không thể thực hiện được do số vòng quay của động cơ chỉ thay đổi được trong phạm vi nhỏ, còn đối với chân vịt thay đổi bước ta chỉ việc thay đổi bước H của chân vịt. Như vậy từ mối quan hệ máy chính, vỏ tàu, và chân vịt ta thấy được ưu điểm vượt trội của chân vịt có bước thay đổi so với chân vịt có bước cố định không chỉ ở khía cạnh tiết kiệm nhiên liệu mà còn cả ở khả năng điều động trong quá trình khai thác. Hình 2.2. Quan hệ công suất động cơ, công suất quay chân vịt, và vận tốc tàu 2.4. Nghiên cứu phương pháp tính, và kiểm tra độ chính xác phương pháp mô phỏng số chân vịt tàu thủy 2.4.1. Các phương trình cơ bản trong tính toán mô phỏng dòng chảy không nén được Phương pháp nghiên cứu trong luận án này là phương pháp tính toán lý thuyết kết hợp tính toán mô phỏng số và nghiên cứu thực nghiệm. Cơ sở lý thuyết của phương pháp tính toán mô phỏng số trường dòng bao quanh chân vịt là phương trình bảo toàn khối lượng, 11
phương trình bảo toàn động lượng cho chất lỏng không nén được cụ thể như sau: .u  0 (2.5) u p   u.  u     u  g 2 (2.6) t  Trong đó  ρ là khối lượng riêng của chất lỏng;  p là áp suất tĩnh của chất lỏng;  u là vận tốc của dòng chất lỏng;  g là gia tốc trọng trường. 2.4.2. Phương trình Navier-Stockes viết dưới dạng số Re trung bình cho dòng chảy một pha 2.4.3. Mô hình rối RNG k - ε 2.4.4. Kiểm chứng phương pháp tính toán mô phỏng KT CFD 10 KQ CFD 0,8 CFD KT Nghiªn cøu thùc nghiÖm 0,7 10 KQ Nghiªn cøu thùc nghiÖm Nghiªn cøu thùc nghiÖm 0,6 HÖ sè thuû ®éng lùc häc 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 HÖ sè tiÕn J Hình 2.3. Kết quả tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm chân vịt E779A Để tiết kiệm chi phí nghiên cứu, cũng như khắc phục sự thiếu hụt hệ thống thực nghiệm tại Việt Nam luận án sử dụng phương pháp số 12
để nghiên cứu đặc tính của hệ thống chân vịt có bước cố định và hệ thống chân vịt hai bước thay cho nghiên cứu thực nghiệm. Luận án sử dụng mẫu chân vịt E779A để chọn được mô hình tính toán, điều kiện biên, thuật giải phù hợp cho bài toán cũng như kiểm chứng lại phương pháp tính toán mô phỏng. Kết quả tính toán mô phỏng số cho mẫu chân vịt này Hình 2.3 cho thấy sai khác với kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã công bố là 3%. Kết luận chương 2: Trong chương này đã trình bày một số vấn đề quan trọng như sau:  Cơ sở lý thuyết dòng chảy bao quanh cánh nói chung, và dòng bao quanh chân vịt, đưa ra các thông số cơ bản và đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt, trong đó ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt là tỷ số bước H/D hay góc đặt cánh α;  Khảo sát mối quan hệ máy chính, vỏ tàu và chân vịt thấy được việc thay đổi tỷ số bước H/D làm thay đổi mức tiêu hao nhiên liệu động cơ;  Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán mô phỏng số cho dòng chảy bao quanh chân vịt. Tính toán, mô phỏng kiểm chứng cho chân vịt E 779A đã được nghiên cứu thực nghiệm để so sánh, với độ chính xác cho phép nhỏ hơn 3%. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG SỐ 3.1. Lựa chọn phương pháp tính toán thiết kế cánh chân vịt 3.1.1. Phương pháp tính toán thiết kế mới dựa trên lý thuyết xoáy 3.1.2. Phương pháp tính toán thiết kế theo seri mẫu 3.2. Tính toán thiết kế chân vịt 3.2.1. Các thông số của tàu khảo sát Tàu cá khảo sát trong luận án này là tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo hoạt động tại ngư trường Hải Phòng - Quảng Ninh mang biển kiểm soát HP-90577-TS. Các thông số cơ bản của tàu cá khảo sát Bảng 3.1. 13
Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của tàu cá khảo sát. Stt Tên gọi Giá trị Đơn vị 1 Chiều dài toàn bộ 15 m 2 Chiều rộng mép boong 5,03 m 3 Chiều rộng thiết kế 4,85 m 5 Chiều chìm trung bình 1,84 m 6 Hệ số béo thể tích 0,684 7 Lượng chiếm nước 112,81 Tấn 8 Công suất máy chính 155/230 CV 9 Số vòng quay trục máy chính 2200 V/ph 10 Tỷ số truyền 3,5:1 11 Tốc độ kéo lưới 4-6 hl/h 12 Số vòng quay của trục chân vịt 629 rpm 3.2.2. Tính toán thiết kế cánh chân vịt Luận án sử dụng phương pháp tính toán thiết kế theo mẫu để tính toán thiết kế cánh chân vịt hai bước. Các thông số cơ bản của chân vịt hai bước sau khi thiết kế. Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của chân vịt hai bước. Stt Tên Giá trị Đơn vị 1 Đường kính chân vịt 1 m 2 Tỷ số bước ở chế độ chạy kéo lưới 0,5 3 Bước ở chế độ chạy kéo lưới 0,5 m 4 Tỷ số bước ở chế độ chạy tự do 0,6 m 5 Bước ở chế độ chạy tự do 0,6 m 6 Số vòng quay 629 rpm 7 Số cánh 3 8 Tỷ số bầu 0,3 9 Góc nghiêng của cánh 0 Độ 10 Góc xoắn của cánh 0 Độ 14
3.2.3. Tính toán thiết kế bầu 3.2.4. Xác định tỷ số bước H/D cho chế độ hoạt động thứ hai của chân vịt 3.3. Tính toán mô phỏng số 3.3.1. Các trường hợp tính toán mô phỏng Trong phần này của luận án phương pháp số được sử dụng để xác định tỷ số bước tối ưu của chân vịt hai bước ở chế độ chạy tự do, chứng minh hiệu quả của hệ thống chân vịt hai bước so với chân vịt có bước cố định, nghiên cứu sự tương tác của chân vịt, bánh lái và ảnh hưởng của tỷ số bước đến đặc tính thuỷ động lực học của chân vịt. Các trường hợp tính toán mô phỏng gồm có: Hình 3.1. Mô hình bài toán, và vùng không gian tính toán  Hệ thống chân vịt có bước cố định ở các chế độ làm việc khác nhau tương ứng với hệ số tiến J nằm trong khoảng 0,1 - 0,55; 15
 Hệ thống chân vịt hai bước ở các chế độ làm việc khác nhau tương ứng với hệ số tiến J nằm trong khoảng 0,1 - 0,7 với tỷ số bước cánh H/D lần lượt là 0,5; 0,52; 0,53; 0,55; 0,57; 0,59 và 0,6;  Hệ thống chân vịt hai bước, bánh lái chế độ làm việc khác nhau tương ứng với hệ số tiến J nằm trong khoảng 0,1 - 0,7 ở hai tỷ số bước 0,5 và 0,6. 3.3.2. Xây dựng mô hình và miền không gian tính toán 3.3.3. Chia lưới, và điều kiện biên 3.4. Kết quả và phân tích kết quả 3.4.1. Kết quả tính toán mô phỏng 3.4.2. Ảnh hưởng của tỷ số bước H/D= 0,60 J = 0,1 H/D= 0,59 J = 0,15 0,25 0,30 H/D= 0,57 J = 0,2 H/D= 0,55 J = 0,25 H/D= 0,53 J = 0,3 H/D = 0,52 J = 0,35 0,20 0,25 H/D= 0,50 J = 0,4 J = 0,45 HÖ sè lùc ®Èy KT HÖ sè m«men 10KQ J = 0,5 0,15 0,20 0,10 0,15 0,05 0,10 0,00 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 1 2 3 4 5 6 HÖ sè tiÕn J Gãc quay c¸nh (®é) Hình 3.2. Biến thiên hệ số lực đẩy tại theo tỷ số bước cánh H/D. J = 0,1 H/D= 0,60 J = 0,15 0,30 0,6 H/D= 0,59 J = 0,2 H/D= 0,57 J = 0,25 H/D= 0,55 J = 0,3 H/D= 0,53 J = 0,35 0,25 0,5 H/D = 0,52 HiÖu suÊt ch©n vÞt J = 0,4 J = 0,45 H/D= 0,50 HÖ sè m«men 10KQ J = 0,5 0,20 0,4 0,15 0,3 0,10 0,2 0,05 0,1 0 1 2 3 4 5 6 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Gãc quay c¸nh (®é) HÖ sè tiÕn J Hình 3.3. Biến thiên hệ số mô men, hiệu suất chân vịt theo góc xoay cánh 16
3.4.3. Tỷ số bước phù hợp ở chế độ chạy tự do của chân vịt hai bước 3.4.4. Đặc tính thuỷ động lực học chân vịt KT t¹i H/D = 0,6 10 KQ t¹i H/D = 0,6 HÖ sè lùc ®Èy KT t¹i H/D = 0,6 HÖ sè m«men 10 KQ 0,6 0,5 KT t¹i H/D = 0,5 HiÖu suÊt ch©n vÞt  10 KQ t¹i H/D = 0,5 t¹i H/D = 0,5 0,5 0,4 HÖ sè thuû ®éng lùc häc HÖ sè thuû ®éng lùc häc 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 HÖ sè tiÕn J HÖ sè tiÕn J Hình 3.4. Đường đặc tính của chân vịt có bước cố định, chân vịt hai bước 3.4.5. Lực tác động lên cánh chân vịt 3.4.6. Tương tác chân vịt hai bước - bánh lái 3.4.6.1. Ảnh hưởng của bánh lái đến đặc tính của chân vịt hai bước 3.4.6.2. Đặc tính thuỷ động lực học hệ thống chân vịt - bánh lái 3.4.6.3. Đặc tính thuỷ động lực học của bánh lái trong hệ thống Kết luận chương 3: Dưới đây là tóm tắt nội dung của chương này:  Tính toán thiết kế biên dạng cánh chân vịt hai bước trang bị cho tàu cá đánh bắt xa bờ sử dụng lưới kéo có công suất máy 155CV có đường kính phù hợp là 1m, tỷ số bước tại chế độ kéo lưới H/D = 0,5, tỷ số bước ở chế độ chạy tự do là H/D = 0,6, vận tốc khai thác là 11 knot tương ứng với góc xoay cánh so với chế độ tính toán thiết kế ban đầu 60 đó là cơ sở quan trọng để tính toán hệ thống điều khiển bước cánh;  Mô phỏng chân vịt hai bước với các tỷ số bước H/D=0,5 và H/D=0,6 xây dựng đường đặc tính thủy động lực học cho chân vịt hai bước vừa thiết kế; 17
 Ở chế độ kéo lưới hệ số lực đẩy, hệ số mô men, hiệu suất của chân vịt có bước cố định cao hơn chân vịt hai bước lần lượt là 5,82%, 4,85% và 1,25 %. Tuy nhiên ở chế độ chạy tự do chân vịt hai bước hoạt động ở tỷ số bước cánh H/D = 0,6 có hiệu suất cao hơn chân vịt có bước cố định là 16,5% hơn nữa nó còn cho phép tàu khai thác ở vận tốc lớn gấp 1,5 lần vận tốc khai thác với chân vịt có bước cố định với cùng công suất máy chính. Tổng hợp cả hai chế độ khai thác hiệu suất của chân vịt hai bước cao hơn so với chân vịt có bước cố định khoảng 7,63%;  Khi góc quay của bánh lái bằng 00 vẫn có thành phần lực vuông góc với mặt phẳng đối xứng của bánh lái do tương tác thuỷ động lực học của cụm chân vịt bánh lái. Lực này làm tàu chuyển động theo quỹ đạo zigzag trong quá trình vận hành. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CHÂN VỊT HAI BƯỚC 4.1. Giới thiệu chung về thực nghiệm chân vịt 4.1.1. Thực nghiệm mặt thoáng 4.1.2. Thực nghiệm thiết bị đẩy 4.1.3. Thực nghiệm xâm thực 4.2. Phương án thực nghiệm chân vịt hai bước 4.2.1. Phương án và giới hạn nghiên cứu thực nghiệm 4.2.1.1. Phương án thực nghiệm Để đánh giá hiệu quả của hệ thống chân vịt hai bước so với hệ thống chân vịt có bước cố định, luận án sử dụng phương pháp số kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm cụ thể như sau:  Phương pháp số đánh giá về khía cạnh hiệu suất và các đặc tính thuỷ động lực học khác của hai hệ thống chân vịt;  Phương án thực nghiệm trên tàu thực với thời gian, điều kiện tương đồng cho một chuyến đi biển là 15 ngày để đánh giá hiệu suất của hai hệ thống chân vịt, hiệu quả về mặt nhiên liệu, và về mặt tính năng điều động trong quá trình vận hành của hai hệ thống chân vịt. 18