Giáo trình Khai thác hệ động lực tàu thủy - Nghề: Khai thác máy tàu thủy
CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: KHAI THÁC HỆ ĐỘNG
LỰC TÀU THỦY
NGHỀ: KHAI THÁC MÁY TÀU THỦY
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số.....QĐ/ ngày......tháng........năm....của ...........)
Hải Phòng, năm 2017
2
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép
dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
3
LỜI GIỚI THIỆU
Khai thác hệ động lực tàu thủy là một môn học quan trọng trong chương
trình đào tạo sinh viên ngành khai thác máy tàu biển của Trường cao đẳng Hàng
hải I. Vì một trong những vấn đề đặt ra cho việc khai thác hệ động lực tàu thủy là
tìm các biện pháp để nâng cao hiệu quả kinh tế, an toàn, tin cậy và tăng tuổi thọ
động cơ. Ở những chế độ khai thác khác nhau của tàu thủy cần phải có một
phương án khai thác hợp lý hệ động lực. Đồng thời mỗi phương án khai thác được
lựa chọn lại phải dựa trên một cơ sở lý luận và kinh nghiệm thực tiễn nhất định.
Nhằm giải đáp vấn đề trên và tiến tới hoàn thiện hệ thống giáo trình đào
tạo chuyên ngành của trường nói chung và của ngành khai thác máy tàu thủy nói
riêng, Chúng tôi biên soạn cuốn Giáo trình khai thác hệ động lực tàu thủy. Hy
vọng cuốn giáo trình này sẽ góp phần tích cực cho việc dạy và học môn học đồng
thời cũng bổ ích cho những ai quan tâm đến lĩnh vực này.
Lần đầu ra mắt bạn đọc, chắc không thể không còn khiếm khuyết rất
mong nhận được sự góp ý của mọi độc giả.
Hải Phòng, ngày tháng năm 2017
Tham gia biên soạn
Chủ biên: Ths, MTr. Trần Đức Hòa
4
MỤC LỤC
1.1. Khái niệm và phân loại tàu thủy .................................................................... 9
1.2. Tính nổi và tính ổn định .............................................................................. 14
1.3. Tính lắc và tính chống chìm......................................................................... 18
1.4. Lực cản tàu thủy…………………………………………………………...17
1.5. Thiết bị đẩy………………………………………………………………...18
VỚI CHÂN VỊT ...................................................................................................... 23
điều kiện khai thác............................................................................................... 38
KIỆN KHAI THÁC ĐẶC BIỆT.............................................................................. 43
Tua bin máy nén tăng áp bị sự cố ....................................................................... 43
trình công tác của động cơ .................................................................................. 60
của động cơ ......................................................................................................... 63
7.2. Chuẩn bị và khởi động động cơ ................................................................... 82
5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hình
1.1
Tên hình
Trang
10
Thân tàu và thượng tầng, lầu
1.2
Cấu tạo của thân tàu
10
1.3
Phân chia không gian thân tàu
Chiều dài và chiều cao lớn nhất của tàu
Chiều rộng và chiều cao tàu
Điều kiện nổi của tàu
10
1.4
11
1.5
11
1.6
14
1.7
Tâm nghiêng của tàu
15
1.8
Tâm chúi của tàu
16
1.9
Các trạng thái cân bằng tàu
Mô men hồi phục
16
1.10
1.11
1.12
1.13
17
Các dạng khoang bị ngập
Diện tích ngâm nước và lực cản R
Sơ đồ hệ động lực lai chân vịt
19
20
22
Biểu diễn mối quan hệ giữa công suất với vòng quay khi
dw = const
2.1
24
Biểu diễn mối quan hệ giữa Me và Pe với vòng quay khi
dw = const
2.2
2.3
2.4
25
25
26
Đặc tính ngoài trong thực tế khai thác
Biểu diễn mối quan hệ giữa Ne với n khi dw thay đổi
trong các điều kiện khai thác khác nhau
Biểu diễn mối quan hệ giữa Ne với n khi động cơ lai chân
vịt biến bước
2.5
2.6
2.7
27
27
28
Đặc tính phụ tải
Xác định điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt
khi ĐKKT không thay đổi
Xác định điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt
khi điều kiện khai thác thay đổi
Phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ
trang bị BĐT nhiều chế độ
2.8
2.9
29
30
Phạm vi công tác của hệ động lực Diesel lai chân vịt biến
bước
2.10
2.11
31
31
Sơ đồ hệ động lực hai động cơ lai một chân vịt
6
Đồ thị đặc tính hệ động lực bốn động cơ giống nhau lai
một chân vịt
Sơ đồ hệ động lực động cơ lai chân vịt thông qua
hộp giảm tốc gồm 2 cấp tiến và 1 cấp lùi
Sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt
khi có hộp giảm tốc
2.12
2.13
32
32
2.14
2.15
2.16
33
34
34
Sơ đồ hệ động lực truyền động điện
Sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt
với hệ động lực truyền động điện
2.17
2.18
Sơ đồ hệ động lực lai chân vịt biến bước
35
35
Sự phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt biến bước
Minh họa cách xác định đường cong hiệu suất chung lớn
nhất của hệ động lực
3.1
3.2
3.3
38
38
39
Đồ thị đường cong lực nổi
Biểu diễn cách xác định đặc tính chân vịt khi tàu nhận
thêm hàng hóa
Biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng tổn thất tốc độ vào
hướng và lực gió
3.4
40
Biểu diễn cách xác định đặc tính chân vịt trong ĐKKT
sóng gió
3.5
3.6
3.7
40
41
41
Biểu diễn cách xác định lượng tiêu thụ nhiên liệu
Biểu diễn đặc tính phối hợp công tác của HĐL có gia tải
máy phát điện
Xây dựng đặc tính ngoài của động cơ khi ngắt bỏ xy lanh
nhưng vẫn cho nhóm piston- biên chuyển động theo
Xác định điểm phối hợp công tác của động cơ khi ngắt bỏ
xy lanh nhưng vẫn cho nhóm piston- biên chuyển động
theo
4.1
4.2
43
44
Xây dựng đặc tính ngoài của động cơ khi ngắt bỏ xy lanh
và tháo bỏ nhóm piston- biên
Xác định điểm phối hợp công tác của động cơ khi tổ hợp
tuabin tăng áp bị hỏng
Xác định điểm phối hợp công tác của HĐL khi thử tàu tại
bến trên hệ tọa độ Pe - n và Ne - n
Diễn biến quá trình tăng tốc độ tàu từ V1 lên V2 trên hệ
trục tọa độ M-
Sự thay đổi thông số làm việc của động cơ khi tăng tốc độ
tàu với động cơ có bộ điều tốc
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
45
46
47
48
49
4.8
4.9
Minh họa quá trình tăng tốc độ qua hai bậc
50
50
Diễn biến của quá trình giảm tốc độ tàu từ V1 xuống V2
7
Minh họa diễn biến quá trình thay đổi chiều chuyển động
tàu
Đồ thị biến thiên áp suất trong xy lanh động cơ khi hãm bằng
khí nén ở động cơ 2 kỳ
4.10
4.11
52
53
Biểu diễn sự thay đổi công suất chỉ thị động cơ khi áp
suất khí quyển thay đổi
5.1
5.2
5.3
57
57
58
Sự biến thiên của tỷ số tăng áp của máy nén theo P0
Sự thay đổi các thông số động cơ khi nhiệt độ môi trường
thay đổi
Sự thay đổi công suất có ích của động cơ khi độ ẩm tương
đối thay đổi
5.4
5.5
5.6
59
61
62
Sự thay đổi các thông số động cơ khi sức cản thay đổi
Sự ảnh hưởng đồng thời cả hai yếu tố đến các thông số
công tác động cơ
5.7
5.8
6.1
Sự phụ thuộc của Pm vào nhiệt độ
Sự phụ thuộc của độ nhớt vào nhiệt độ
Đồ thị các quá trình lý thuyết
63
64
66
Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng hệ số sử dụng nhiệt đối với
tổn thất trên máy NVD48
6.2
68
6.3
6.4
6.5
6.6
Sơ đồ cân bằng nhiệt động cơ 4 kỳ
70
71
73
75
Sơ đồ cân bằng nhiệt động cơ 2 kỳ
Sự phụ thuộc của tkx và α vào vòng quay
Quan hệ tổn thất nhiệt khí xả và vòng quay
Sự phụ thuộc của suất tiêu hao nhiên liệu vào nhiệt độ
nước mát
6.7
76
6.8
6.9
Quan hệ Qlm với công suất
76
77
77
78
80
Sự phụ thuộc của nhiệt khí xả vào hành trình giãn nở
Minh hoạ các hệ thốngtăng áp điển hình
Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt khí xả
Hệ thống chưng cất nước ngọt kiểu Atlas
6.10
6.11
6.12
8
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC
Tên môn học: KHAI THÁC HỆ ĐỘNG LỰC TÀU THỦY
Mã môn học: MH6840111.18
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:
- Vị trí: Môn học được thực hiện sau khi học xong các môn học, mô đun cơ
sở ngành; Động cơ Diessel; Máy phụ tàu thủy; Tự động máy tàu thuỷ; Trang trí hệ
động lực tàu thủy.
- Tính chất: Khai thác hệ động lực tàu thủy là môn học chuyên môn nghề
nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức về khai thác hệ thống động lực tàu
thủy một cách an toàn và đạt hiệu quả kinh tế.
- Ý nghĩa và vai trò của môn học: Khai thác hệ động lực tàu thủy là môn học
chuyên môn nghề rất quan trọng và có ý nghĩa thực tiễn rất lớn.
II. Mục tiêu môn học:
- Về kiến thức: Trình bày được những kiến thức cơ bản về vận hành, khai
thác hệ động lực tàu thủy.
- Về kỹ năng: Vận dụng được vào thực tế vận hành, khai thác hệ động lực
đảm bảo an toàn, tin cậy và kinh tế.
- Về năng lực tự chủ và chịu trách nhiệm: Nghiêm túc chấp hành quy trình
vận hành, yêu cầu kỹ thuật và các hướng dẫn của nhà chế tạo.
III. Nội dung môn học:
Chương 1. LỰC CẢN VÀ THIẾT BỊ ĐẨY TÀU THỦY
Mã chương: MH.6840111.18.01
Giới thiệu: Chương này trang bị cho người học các kiến thức cơ bản về các tính
năng hàng hải của tàu, hình thức kết cấu cơ bản của thân tàu thủy, sự ảnh hưởng
của lực cản và thiết bị đẩy.
Mục tiêu:
- Kiến thức: Trình bày được những kiến thức cơ bản về hình dạng, tính năng
của tàu như tính nổi, tính ổn định, tính chống chìm, tính lắc, lực cản thân tàu và thiết
bị đẩy tàu.
- Kỹ năng: Xác định được các tính năng cơ bản của tàu để vận dụng vào
thực tế khai thác hệ động lực tàu thủy.
- Về năng lực tự chủ và chịu trách nhiệm: Rèn luyện khả năng tư duy sáng
tạo, làm việc tập trung, tuân thủ qui trình kỹ thuật và có ý thức bảo vệ con người,
thiết bị cꢀng như môi trường.
Nội dung chính:
1. Khái niệm và phân loại tàu thủy
1.1. Khái niệm chung
- Tàu biển là kết cấu nổi, tự chạy hoặc không tự chạy, chuyên dùng để hoạt
động trên biển và các vùng liên quan đến biển.
- Về mặt kết cấu, tàu thuỷ được chia thành 2 phần là thân tàu và thượng
tầng.
9
- Thân tàu là khoảng không gian được khép kín bởi kết cấu boong, mạn và
đáy tàu. Thân tàu được phân chia bởi các vách ngang tạo thành khoang mꢀi,
khoang hàng, khoang máy và khoang đuôi. Các khoang được sử dụng với mục
đích khác nhau đảm bảo tính nổi, tính ổn định, tính chống chìm và chống cháy cho
tàu. Ngoài ra, còn sử dụng đáy đôi liên tục từ vách mꢀi tới vách đuôi để phân chia
đáy thành các khoang két chứa nhiên liệu, nước ngọt, nước dằn tàu.
- Thượng tầng là phần kết cấu trên boong mạn khô. Theo chiều dài tàu, chia
thành thượng tầng mꢀi, thượng tầng giữa và thượng tầng lái tàu. Thượng tầng dùng
để bố trí các phòng cho thuyền viên và hành khách như: phòng ngủ, phòng ăn, nhà
bếp, kho dự trữ, thực phẩm, phòng vệ sinh, câu lạc bộ...
1.1.1. Các kích thước cơ bản của tàu
+. Chiều dài tàu
- Chiều dài toàn bộ Lmax (LOA): là khoảng cách giữa hai điểm xa nhất của
sống mꢀi tàu và đuôi tàu.
- Chiều dài tính toán LPP (hay chiều dài giữa hai đường vuông góc): là chiều
dài giữa hai đường vuông góc mꢀi và đuôi của tàu.
- Đường vuông góc mꢀi F.P: là đường thẳng đứng đi qua giao điểm của
đường nước mùa hè và mép trước của sống mꢀi tàu.
- Đường vuông góc lái A.P: là đường thẳng đứng đi qua giao điểm của
đường nước mùa hè và mép sau của trụ đỡ bánh lái hoặc tới tâm của trục bánh lái
nếu không có trụ đỡ bánh lái.
10
+ Chiều rộng tàu
- Chiều rộng lớn nhất Bmax: là
khoảng cách lớn nhất đo trên mặt
boong chính từ điểm nhô ra xa nhất
mạn trái đến điểm nhô ra xa nhất của
mạn phải.
- Chiều rộng tàu B: là chiều rộng
tàu đo theo đường nước thiết kế tại chỗ
rộng nhất của tàu, thường tại mặt
phẳng sườn giữa.
+ Chiều cao tàu
- Chiều cao lớn nhất Hmax: là khoảng cách thẳng đứng đo từ mặt phẳng cơ
bản tới điểm cao nhất của tàu. Kích thước này được quan tâm trong khai thác tàu,
đặc biệt là khi tàu chạy trong khu vực có đường cáp điện hoặc cầu bắc ngang qua
luồng hoặc ra vào các cảng có kết cấu vươn ra phía biển.
- Chiều cao mạn (H hoặc D): Được đo tại mặt phẳng sườn giữa theo phương
thẳng đứng từ mặt phẳng cơ bản mép boong chính.
- Chiều chìm tàu (d hoặc T): Là khoảng cách thẳng đứng tính từ mặt phẳng
cơ bản đến đường nước chở hàng mùa hè đo tại mặt phẳng sườn giữa.
- Chiều cao mạn khô của tàu F: Là khoảng cách thẳng đứng tại mặt phẳng
sườn giữa tính từ đường nước mùa hè đến mép boong chính. F = H – T.
1.1.2. Hệ số béo
Để đánh giá mức độ thon béo của tàu người ta sử dụng các hệ số béo.
- Hệ số béo thể tích ( hoặc CB): Là tỷ số giữa thể tích phần ngâm dưới
V
nước (V) của tàu và thể tích của hình hộp chữ nhật bao quanh nó
L B T
Trong đó: V: thể tích ngâm nước của tàu; L, B, T: chiều dài, chiều rộng và chiều
chìm của phần ngâm nước.
- Hệ số béo sườn giữa ( hoặc CM): Là tỷ số giữa diện tích sườn giữa ngâm
nước của tàu (W) và diện tích của hình chữ nhật bao quanh nó.
W
B T
11
Trong đó: W: diện tích sườn giữa ngâm nước của tàu.
- Hệ số béo đường nước ( hoặc CWP): Là tỷ số giữa diện tích của đường
nước đầy hàng (S) và diện tích của hình chữ nhật bao quanh nó
S
L B
Trong đó: S: diện tích đường nước ngâm nước của tàu.
1.2. Phân loại tàu
1.2.1. Phân loại tàu theo mục đích sử dụng
+. Tàu chở hàng khô:
Tàu chở hàng khô gồm tàu chở hàng rời, tàu chở hàng thùng, tàu Ro - Ro,
tàu chở sà lan, tàu chở hàng lạnh, tàu chuyên chở xe...
- Tàu chở hàng tổng hợp: Có nhiều khoang hàng với hệ thống nắp đậy có thể
đóng mở được và cần trục để chuyên chở nhiều loại hàng khác nhau.
- Tàu Container: Làm nhiệm vụ vận chuyển các Container có kích thước cố
định, không cần bao gói.
- Tàu chở sà lan: Dùng chở các sà lan không tự hành, trong đó sà lan được
đưa lên tàu, chở đến vùng làm việc thả xuống nước để tàu kéo đưa vào bờ.
- Tàu Ro – Ro: Cho phép bốc dỡ hàng theo phương thức di chuyển ngang.
Tàu nhóm này giống một nhà kho lớn, không bố trí cẩu nâng hàng mà dùng cho xe
ra vào và hệ thống đường nội bộ cho xe tải hoạt động.
- Tàu chở hàng lạnh: Được dùng để chở các loại hàng thực phẩm, hoa quả,
cá, thịt… Các hầm hàng được cách nhiệt và trang bị các máy làm lạnh.
- Tàu chở hàng rời: Vận chuyển các loại hàng rời như quặng, than đá,
khoáng sản, vật liệu xây dựng, các hàng rời không đóng gói được.
+ Tàu chở hàng lỏng:
Dùng để chở các loại hàng chất lỏng như dầu mỏ, dầu thực vật, rượu, khí
hóa lỏng và các loại hóa chất. Tàu chở hàng lỏng gồm:
- Tàu chở dầu
- Tàu chở khí hóa lỏng dùng để chở khí hóa lỏng gồm các khí thiên nhiên
LNG và các sản phẩm khí như mêtan, propan, butan, amoniac; tàu chở hóa chất
hoặc chất lỏng dùng trong chế biến thực phẩm. Khí hóa lỏng được nén và làm lạnh
đến nhiệt độ - 161,5oC để chứa trong bình chịu áp suất khi vận chuyển.
+ Tàu chở khách:
Tàu khách có thể gồm tàu chở người hay chở người và hàng gọi là tàu hàng
– khách.
Tùy theo mục đích sử dụng, có thể phân biệt tàu chở khách thành:
- Tàu phà: Chuyên chở người và hàng hóa qua lại trên tuyến đường ngắn.
- Tàu du lịch gồm tàu chở khách tuyến ngắn, tàu cánh ngầm, tàu đệm khí.
- Tàu hoạt động trên tuyến cố định: Loại tàu này có kích thước lớn, sức chở
khoảng (50.000 - 70.000) tấn, trang bị đủ tiện nghi để phục vụ hành khách.
+ Tàu đánh bắt và chế biến thủy sản: Chiếm đến 5% tải trọng của đội tàu trên
toàn thế giới và được chia thành hai nhóm chính như sau:
- Tàu đánh cá: Gồm các tàu làm nghề đánh bắt cá như tàu lưới kéo, lưới vây,
lưới rê…
12
- Tàu chế biến là các loại tàu cỡ lớn, chiều dài khoảng 60 – 80 m, chế biến
và bảo quản cá trên biển hoặc kiêm luôn chức năng đánh bắt.
+ Tàu chuyên ngành (hay gọi là tàu công trình):
- Tàu công trình hoạt động trên biển hoặc trên cảng phục vụ công tác cứu hộ
hoặc một số lĩnh vực kỹ thuật riêng biệt. Loại tàu này có kết cấu thân tàu cứng
vững, đồng thời có trang bị động lực lớn để tàu có thể hoạt động được trong mọi
điều kiện thời tiết.
- Tàu chuyên ngành bao gồm tàu kéo, tàu cứu hộ, tàu thả phao đảm bảo an
toàn hàng hải, tàu đặt cáp ngầm, tàu hút hay cuốc làm công tác nạo vét luồng lạch,
tàu hoa tiêu, tàu hải quan, tàu kiểm ngư, tàu chuyên dùng khai thác và phục vụ
khai thác dầu khí thềm lục địa, tàu khoan, tàu nghiên cứu khí tượng thủy văn và địa
chất học.
+ Công trình nổi: Hoạt động như các tàu lớn nhưng rất ít khi di chuyển và nếu có
di chuyển thì cꢀng chỉ chạy với vận tốc rất nhỏ.
- Dàn khoan bán chìm chủ yếu phục vụ thăm dò và khoan khai thác dầu khí,
có khả năng làm việc an toàn ở vùng biển chiều sâu mặt nước đến 1000 m.
- Dàn khoan tự nâng là kiểu phổ biến nhất trong nhóm dàn khoan làm việc ở
thềm lục địa. Trong trạng thái làm việc, dàn tựa lên các chân, các chân dàn tựa
trên nền đáy biển nâng thân dàn cao dần lên, tách khỏi mặt nước, sau đó đưa thân
dàn lên hẳn phía trên mặt nước. Còn ở trạng thái không làm việc, dàn nổi trên mặt
nước và chân dàn sẽ được rút lên cao.
- Tàu khoan: Phục vụ việc khoan thăm dò trên biển. Các tàu khoan có tháp
khoan đặt giữa tàu để bố trí hệ thống thiết bị khoan.
- Cần cẩu nổi dùng trong công nghiệp khai thác dầu khí, có kích thước và
sức nâng rất lớn.
1.2.2. Phân loại theo khu vực hoạt động của tàu
- Tàu hoạt động ở vùng không hạn chế (tàu viễn dương): Gồm các loại
tàu hoạt động trong các khu vực biển không hạn chế, cách bờ trên 200 hải lý.
- Tàu hoạt động ở vùng hạn chế: Gồm các tàu hoạt động ở vùng biển hạn
chế nằm cách bờ không quá 200 hải lý. Quy phạm Việt Nam phân vùng biển hạn
chế thành ba vùng chính như sau:
Vùng hạn chế I: Vùng biển hở hạn chế, cách bờ hay nơi trú ẩn không quá
200 hải lý, với chiều cao sóng h3% cho phép không lớn hơn 8,5 m.
Vùng hạn chế II: Vùng biển hở hạn chế, cách bờ hoặc nơi trú ẩn không quá
50 hải lý với chiều cao sóng h3% cho phép không lớn hơn 6,0 m.
Vùng hạn chế III: Vùng biển hở hạn chế, cách bờ hoặc nơi trú ẩn không
quá 20 hải lý với chiều cao sóng h3% cho phép không lớn hơn 3,0 m.
- Tàu hoạt động trong những khu vực đặc biệt: Hay còn gọi là tàu nội
địa, gồm các loại tàu chỉ có thể hoạt động được trong những vùng ven biển, sông
hồ, vịnh. Tàu nội địa phân thành cấp SI hoạt động trong vùng có chiều cao sóng
lớn nhất 2,0 m và cấp SII hoạt động ở vùng có chiều cao sóng lớn nhất 1,2 m.
1.2.3. Phân loại theo vật liệu đóng tàu
Vật liệu đóng tàu chia thành hai nhóm là vật liệu kim loại (thép đóng tàu, thép
hợp kim, hợp kim nhôm) và vật liệu phi kim loại (gỗ, nhựa, ximăng… ).
13
- Tàu làm bằng kim loại: Đa số các tàu đi biển cỡ lớn hiện nay được chế tạo
bằng vật liệu kim loại khác nhau. Kim loại gồm thép đóng tàu, thép hợp kim và
hợp kim nhôm. Ngoài phần vỏ tàu, hợp kim nhôm thường được dùng để chế tạo
kết cấu kiến trúc thượng tầng, còn thép hợp kim thấp được dùng trong một số bộ
phận chịu lực lớn của thân tàu.
- Tàu làm bằng vật liệu phi kim loại
Tàu vỏ gỗ: Có kích thước không lớn, chiều dài lớn nhất khoảng 60 m, trọng
tải không quá 500 tấn, dùng đánh cá ven biển, vận chuyển tuyến đường ngắn. Gỗ
đóng tàu là loại gỗ chịu được nước, có độ bền cao và tỷ trọng nhỏ.
Tàu vỏ composit: Gồm tàu đánh cá, tàu du lịch, tàu quân sự, xuồng cứu
sinh…
Tàu xi măng cốt thép hoặc bê tông cốt thép thường là tàu nhỏ, tàu kéo chạy
sông, tàu khách, sà lan chạy nội địa…, riêng loại bê tông cốt thép có thể dùng làm
công trình tĩnh tại như cầu tàu nổi, phần chìm ụ nổi.
2. Tính nổi và tính ổn định
2.1. Tính nổi
2.1.1. Định nghĩa
Tính nổi là tính năng hàng hải rất quan trọng, xác định khả năng tồn tại của
tàu. Tính nổi là khả năng nổi theo một đường nước được quy định của tàu tại các
trạng thái chở hàng khác nhau hay là khả năng cân bằng của tàu ở một vị trí nhất
định khi tàu nổi trên mặt nước.
2.1.2. Điều kiện nổi của tàu
- Theo định lý Asimet: Khi một vật nhúng vào nước chịu sức đẩy của nước từ
dưới lên trên bằng trọng lượng của khối nước bị dời chỗ, có điểm đặt là trọng tâm
của thế tích phần chìm của vật. Định lý này được áp dụng để xét các lực tác dụng
lên tàu tại trạng thái đứng yên không chuyển động.
- Xét một tàu nổi trên mặt nước tại một trạng thái chở hàng nào đó tương ứng
với chiều chìm là T, thể tích ngâm nước V. Tàu luôn chịu 2 lực tác dụng:
+ Trọng lượng D, có điểm đặt tại trọng tâm G của tàu, D có phương thẳng
đứng, chiều từ trên xuống dưới.
+ Lực nổi Q đặt tại trọng tâm thể tích ngâm nước (ký hiệu B), B được gọi là
tâm nổi. Q có phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên trên, ngược chiều với D.
- Lực nổi có giá trị: Q = V .
14
Trong đó: - tỷ trọng của nước; Với nước ngọt n = 1 (T/m3); Với nước biển
m = 1,025 (T/m3); V - thể tích ngâm nước của tàu.
Để tàu nổi theo một đường nước nhất định thì trọng lượng D phải bằng lực nổi
Q. Dựa vào định lý Asimet ta có:
D = Q hay D = V .
Nếu D - V . > 0 tàu chìm xuống.
Nếu D - V . < 0 tàu nổi lên.
2.1.3. Các tư thế của tàu
- Tư thế tàu là vị trí tương đối của tàu so với mặt nước, được đánh giá bởi 3
thông số: Chiều chìm T, góc nghiêng và góc chúi .
- Các tư thế của tàu:
+ Tàu ở tư thế thẳng: Tàu không nghiêng, không chúi. = 0; = 0; TP = TT =
TM = TL = T
+ Tàu ở tư thế nghiêng: 0; = 0; TP TT
+ Tàu ở tư thế chúi: = 0; 0; TM TL
+ Tàu ở tư thế bất kỳ: tàu vừa nghiêng vừa chúi 0; 0
2.2. Tính ổn định
2.2.1. Khái niệm về tính ổn định
Tính ổn định của tàu là khả năng trở về vị trí ban đầu khi ngoại lực thôi tác
dụng.
2.2.2. Tâm nghiêng và tâm chúi
- Tâm nghiêng: Sau khi tàu bị nghiêng một góc , tâm nổi B sẽ dịch chuyển tới
vị trí B1 trên một đường cong gọi là đường cong tâm nổi. Với là góc nghiêng nhỏ
thì đường cong tâm nổi là một cung tròn mà tâm của nó gọi là tâm nghiêng, ký
hiệu là M. (M là giao điểm giữa đường kéo dài của lực nổi Q mới và mặt phẳng
dọc tâm của tàu).
Khoảng cách từ tâm nghiêng đến tâm nổi MB = r gọi là bán kính tâm nghiêng.
Khoảng cách từ tâm nghiêng đến trọng tâm tàu MG = h gọi là chiều cao tâm
nghiêng, đây là đặc trưng quan trọng nhất của tính ổn định với h = zM - zG.
Trong đó : zM - cao độ tâm nghiêng ; zG - cao độ trọng tâm ; zB - cao độ tâm nổi.
- Tâm chúi: Tương tự, khi tàu bị chúi một góc nhỏ, tâm nổi B sẽ dịch chuyển
tới vị trí B1 trên một đường cong gọi là đường cong tâm nổi. Nó là một cung tròn
mà tâm của nó gọi là tâm nghiêng dọc hay tâm chúi, ký hiệu là MC.
15
MCB = R: bán kính tâm chúi; H = MCG: chiều cao tâm chúi.
2.2.3. Các trạng thái cân bằng
Với một con tàu, dựa vào vị trí tương quan của tâm nghiêng M và trọng tâm
G mà có thể xảy ra một trong ba trường hợp cân bằng như sau:
- Tại hình 1.9a: Trọng tâm G nằm phía dưới tâm nghiêng M, khi tàu
nghiêng, trọng lực P và lực nổi Q tạo thành ngẫu lực sinh ra mô men có xu hướng
chống lại sự nghiêng, đưa tàu trở lại vị trí cân bằng ban đầu. Trường hợp này, tàu
ổn định.
- Tại hình 1.9b: Trọng tâm G trùng với tâm nghiêng M, lúc này trọng lực P
và lực nổi Q nằm trên một đường thẳng đi qua tâm nghiêng M, mô men do chúng
tạo ra là bằng 0, không có xu hướng chống lại chuyển động nghiêng của tàu.
Trường hợp này, tàu không ổn định.
- Tại hình 1.9c: Trọng tâm G nằm trên tâm nghiêng M, lúc này ngẫu lực do
trọng lực P và lực nổi Q sinh ra mô men cùng chiều với chiều nghiêng của tàu và
làm cho tàu nghiêng thêm. Trường hợp này, tàu không ổn định.
Ta có:
GM = h > 0 : Tàu ổn định.
GM = h ≤ 0 : Tàu không ổn định
2.2.4. Khái niệm mô men phục hồi và công thức tính mô men phục hồi
Giả thiết, dưới tác dụng của ngoại lực làm tàu nghiêng ngang một góc nhỏ,
vì hình dáng của thể tích ngâm nước thay đổi nên tâm nổi sẽ dịch chuyển tới vị trí
B1 làm trọng tâm tàu và tâm nổi nằm lệch nhau theo phương ngang. Khi đó trọng
lượng D và lực nổi Q sẽ tạo thành ngẫu lực sinh ra mô men đưa tàu trở về vị trí cân
bằng gọi là mô men phục hồi, ký hiệu là Mh.
16
Ta thấy, tàu trở lại trạng thái cân bằng ban đầu nhờ mô men hồi phục (Mh),
giá trị của mô men hồi phục sinh ra khi đó phụ thuộc vào tay đòn giữa lực trọng
lượng và lực nổi của tàu khi bị nghiêng: Mh = D . GK
Cách xác định GK: Từ trọng tâm G hạ đường vuông góc GK với phương tác
dụng của lực nổi.
Đoạn GK là cánh tay đòn của mômen hồi phục và được gọi là tay đòn ổn định
tĩnh, ký hiệu l. Ta có: GK = GM . sin GMK = h. sin Mh = D. h . sin
2.2.5. Ảnh hưởng của chiều cao tâm nghiêng đến tàu
Khi tàu bị nghiêng do tác động của ngoại lực (sóng, gió...), mô men hồi phục
càng lớn thì tàu trở lại vị trí cân bằng ban đầu càng nhanh. Phụ thuộc vào độ lớn
của GM mà sẽ xảy ra hiện tượng sau:
- Tàu bị lắc cứng: Chu kỳ lắc của tàu nhỏ (tàu lắc nhanh) gây ảnh hưởng đến
khả năng cố định hàng hóa, ảnh hưởng đến sức khỏe của thuyền viên. Nguyên
nhân do GM quá lớn, cần phải nâng trọng tâm của tàu, qua đó làm giảm GM để
làm tăng chu kỳ lắc của tàu.
- Tàu bị lắc mềm: Chu kỳ lắc của tàu dài, tàu lắc chậm, mềm mại. Nguyên
nhân do GM nhỏ. Nếu GM quá nhỏ sẽ dẫn đến tàu lắc quá mềm, tính ổn định của
tàu kém.
Vậy, khi tính toán xếp hàng cần phải quan tâm đến chiều cao tâm nghiêng
GM sao cho vừa đảm bảo ổn định lại vừa đảm bảo các yếu tố cần thiết khác.
3. Tính lắc và tính chống chìm
3.1. Tính lắc
3.1.1. Khái niệm về tính lắc
- Lắc là dao động của thân tàu quanh một trục nào đó dưới tác dụng của
ngoại lực.
- Hay lắc là chuyển động tuần hoàn của tàu thực hiện khi tàu tàu chạy trên
sóng hoặc trên sóng yên tĩnh.
3.1.2. Phân loại
- Lắc ngang: Lắc ngang là chuyển động quay tuần hoàn xung quanh trục Gx
(trục Gx là đường thẳng đi qua trọng tâm tàu và dọc với mặt phẳng mꢀi lái).
Vị trí của tàu tại một thời điểm nào đó được đánh giá bởi góc lắc ngang .
17
- Lắc dọc: Lắc dọc là chuyển động quay tuần hoàn xung quanh trục Gy (trục Gy là
đường thẳng đi qua trọng tâm tàu và thẳng góc với mặt phẳng mꢀi lái). Vị trí của
tàu tại 1 thời điểm đó được đánh giá bởi góc nghiêng dọc .
- Lắc thẳng đứng: Lắc thẳng đứng là chuyển động tuần hoàn tịnh tiến của tàu dọc
theo trục Gz. Vị trí của tàu tại một thời điểm nào đó được đánh giá bằng vị trí của
trọng tâm tàu so với vị trí cân bằng ban đầu.
3.1.3. Ảnh hưởng của lắc tàu đối với tính hàng hải và sức bền của vỏ tàu
- Biên độ lắc ngang lớn làm cho tàu có nguy cơ bị lật, nước tràn lên boong
làm cho tàu dễ va chạm, nhất là tại vùng có luồng lạch hẹp. Biên độ lắc dọc lớn
làm cho chế độ hoạt động của chân vịt cꢀng như bánh lái luôn thay đổi, chân vịt có
thể bị nhấc lên khỏi mặt nước và quay trên không làm tổn hại đến máy cái và trục
láp.
- Hàng hóa bị xô dạt, va chạm vào nhau, không những hư hỏng hàng mà còn
gây nên ảnh hưởng xấu tới tính ổn định của tàu.
- Gia tốc lớn là nguồn gốc sinh ra tải trọng động ảnh hưởng lớn tới sức bền
đối với kết cấu thân tàu và máy móc lắp trên tàu, đồng thời gây nên say sóng đối
với những người trên tàu.
- Làm tăng lực cản của tàu đặc biệt khi tàu lắc dọc, làm giảm đáng kể tốc độ
của tàu. Tính ổn định hướng của tàu luôn thay đổi.
- Đối với các tàu quân sự làm giảm hiệu quả chiến đấu do bắn không chính
xác, trên tàu chở máy bay thì máy bay hạ cánh không khó khăn.
3.1.4. Giảm lắc cho tàu
Khi tàu chuyển động trên mặt biển có sóng đặc biệt là khi tàu gặp bão nó sẽ bị
lắc rất mạnh, để giảm lắc cho tàu người ta thường sử dụng hai biện pháp:
- Thay đổi vận tốc và hướng đi của tàu
- Khi tàu chạy trên vùng biển có sóng lớn, nó bị lắc rất mạnh làm tàu có
nguy cơ bị lật. Biên độ lắc sẽ đạt giá trị lớn nhất. Trong trường hợp xảy ra hiện
tượng cộng hưởng của dao động lắc riêng của tàu và dao động của sóng, mà
hiện tượng này sẽ xuất hiện khi chu kỳ lắc riêng của tàu T0 = chu kỳ tương đối
so với tàu TK.
- Để tránh hiện tượng lắc cộng hưởng này người ta sẽ thay đổi vận tốc hay
hướng đi của tàu so với sóng hoặc thay đổi cả hai yếu tố này.
- Dùng thiết bị giảm lắc nhằm làm giảm biên độ lắc và gia tốc lắc
Dựa vào cấu tạo và nguyên lý làm việc mà người ta chia các thiết bị giảm lắc
ra các loại cơ bản như sau:
Nguyên lý tạo ra
mô men điều hòa
Trọng lực
Cấu tạo
Loại bị động
Bể nước thụ động
Vây cá cố định
Loại chủ động
Bể nước chủ động
Vây cá quay
Lực thủy động
Lực quán tính
Con quay thụ động
Con quay chủ động
3.2 Tính chống chìm
3.2.1. Khái niệm về tính chống chìm
18
Tính chống chìm của tàu là khả năng tàu vẫn giữ được tính nổi và tính ổn
định khi tàu bị thủng khoang, nước ngập một hay một nhóm khoang liên tiếp kề
nhau.
3.2.2. Phân loại khoang ngập
- Khoang ngập hoàn toàn (hình a): Giới hạn phía trên của khoang là boong
kín nước hoặc sàn tàu. Nước ngập vào khoang không còn mặt thoáng.
a)
b)
c)
Hình 1.11. Các dạng khoang bị ngập
- Khoang ngập một phần và không thông biển (hình b): Mực nước trong
khoang không bằng mực nước bên ngoài mạn. Khoang có mặt thoáng và ảnh
hưởng xấu đến tính ổn định của tàu.
- Khoang ngập một phần và thông biển (hình c): Mực nước trong khoang
bằng với mực nước bên ngoài mạn tàu. Trong khoang cꢀng có mặt thoáng. Theo
quan điểm xét tư thế và ổn định của tàu, đây là khoang ngập nguy hiểm nhất.
3.2.3. Biện pháp đảm bảo tính chống chìm của tàu
- Phần nổi dự trữ của tàu: Quyết định khả năng chống chìm của tàu vì khi
bị thủng nước tràn vào trong thân tàu làm cho trọng lượng tàu tăng, mớn nước
tăng. Nếu tàu không có phần nổi dự trữ, thì tàu sẽ bị chìm và thời gian chống đỡ bị
hạn chế rất nhiều. Vì vậy, tuỳ theo từng loại tàu, khu vực hoạt động, nhiệm vụ và
tính chất công tác, quy định phần nổi dự trữ thích hợp như tàu khách phần nổi dự
trữ lớn hơn tàu vận tải, tàu biển phần nổi dự trữ lớn hơn tàu sông, tàu quân sự phần
nổi dự trữ lớn hơn tàu dân sự...
- Các vách ngăn kín nước: Để đảm bảo tính chống chìm người ta chia thân
tàu thành các khoang bằng các vách ngang và vách dọc kín nước. Số lượng và vị trí
các vách ngăn kín nước được xác định bằng tính toán sao cho dung tích một
khoang hay một nhóm khoang tương ứng với dung tích nổi của tàu.
- Đáy đôi: Một số tàu đặc biệt có đáy đôi để đề phòng đáy ngoài thủng thì vẫn
còn lớp đáy bên trong. Hiện nay, đáy đôi áp dụng trong các tàu ngầm, tất cả các
loại tàu biển có L 50 m.
4. Lực cản tàu thủy
4.1. Nguyên nhân xuất hiện lực cản của nước đến chuyển động của tàu
Xét một tàu nổi trên mặt nước yên tĩnh với diện tích ngâm nước của vỏ tàu
. Do tác dụng tương hỗ giữa tàu và chất lỏng nên khi tàu chuyển động tịnh tiến
với vận tốc v, tại mỗi điểm trên diện tích sẽ chịu một lực tác dụng có độ lớn phụ
thuộc vào vận tốc chuyển động của tàu và gọi là lực khí thủy động học.
19
Hình 1.12: Diện tích ngâm nước và lực cản R
Giả sử lực khí thủy động học tác dụng lên một điểm i bất kỳ trên diện tích
là , chiếu theo 3 phương của hệ trục tọa độ 0xyz ta có:
T
T
i
i
Ti = i.RX + j.RY + k.RZ
Trong đó:
Hệ trục tọa độ Oxyz có: trục x hướng theo vận tốc v của tàu, trục y hướng về
phía mạn phải, trục z hướng lên trên.
i, j, k: là véctơ chỉ phương của 3 trục 0x, 0y, 0z,
RX, RY, RZ: Các thành phần của lực thủy động trên 3 trục Ox, Oy, Oz.
Ta thấy:
+ RX: là thành phần lực thủy động theo phương dọc tàu, ngược với chiều
chuyển động của tàu, được gọi là lực cản chuyển động của tàu.
+ RY: là thành phần lực thủy động theo phương ngang tàu, được gọi là lực dạt
ngang của tàu. Do tàu là đối xứng nên tổng lực dạt RY = 0.
+ RZ: là thành phần lực thủy động theo phương thẳng đứng, có chiều từ dưới
lên trên, có tác dụng nâng tàu lên như lực nổi, vì thế RZ được gọi là lực nâng.
Vậy: Lực cản của nước đến chuyển động của tàu là hình chiếu của lực thủy khí
động lực lên phương chuyển động của tàu. Ta chỉ xét lực cản trong chuyển động
tịnh tiến của tàu.
4.2. Các thành phần chính của lực cản
- Lực cản ma sát: Xét một tàu nổi trên mặt nước yên tĩnh, do chất lỏng có
độ nhớt nên các phân tử nước có khả năng liên kết với nhau. Các phân tử nước ở
sát vỏ bao tàu dính vào vỏ bao tàu tạo thành một lớp nước bao lấy vỏ bao tàu. Các
phân tử nước tiếp theo lại dính vào phân tử nước thứ nhất tạo thành lớp nước thứ
hai. Khi tàu chuyển động với vận tốc v, các lớp nước có sự trượt tương đối so với
nhau và so với vỏ bao tàu, sinh ra các lực tác dụng tiếp tuyến cản trở lại chuyển
động của tàu và được gọi là lực cản ma sát.
- Lực cản hình dáng: Các phân tử nước ngoài chuyển động trượt còn có
chuyển động quay tròn quanh trục đặc trưng cho sự xuất hiện các xoáy nước ở phía
sau lái tàu, làm giảm áp suất của nước, gây nên sự chênh lệch áp suất của nước
giữa mꢀi và lái tàu, sinh ra một lực từ mꢀi tới lái tàu. Do sự chênh lệch áp suất này
có độ lớn phụ thuộc vào hình dáng hình học của tàu, được gọi là lực cản hình dáng.
- Lực cản sóng: Xét dòng chảy của nước bao xung quanh tàu từ mꢀi tới lái.
Khi tàu chuyển động với vận tốc v, tại vùng mꢀi và lái tàu nơi có áp suất của nước
là lớn có sự dâng cao về mực nước. Tại khu vực giữa tàu có áp suất của nước là
nhỏ thì có sự hạ thấp mực nước. Đó là nguyên nhân gây nên sóng khi tàu chuyển
20
động. Theo quan điểm năng lượng tàu biển, năng lượng do tàu thủy cung cấp hay
nói cách khác, động cơ của tàu thủy đã phải mất đi một phần năng lượng để tạo
sóng khi tàu chuyển động. Phần năng lượng mất mát đó chính là nguyên nhân của
sức cản sóng.
- Ngoài 3 thành phần lực cản của nước tàu còn chịu lực cản phụ, gồm các
thành phần sau:
+ Lực cản do không khí tác dụng vào phần khô của tàu.
+ Lực cản do phần nhô ra khỏi diện tích bề mặt ngâm nước: chân vịt, bánh
lái, vây cá...
4.3. Ảnh hưởng của các yếu tố đến sức cản tàu thủy
- Thiết kế vỏ tàu và trang trí hệ động lực
- Kế hoạch bảo quản bảo dưỡng
- Điều kiện khai thác tàu
4.4. Giải pháp giảm sức cản của tàu trong thiết kế và khai thác
Về phương diện sức cản ma sát, loại sơn tàu mới nhất, vốn được gọi là sơn
không dính, gốc silicon, thuộc loại không cho chất bẩn dính bám vào sơn, có tác
dụng giữ cho sức cản ma sát không đổi trong suốt vòng đời của sơn. Sơn này cꢀng
có thể dùng cho chân vịt, làm nhẵn các bề mặt vỏ và chân vịt về phương diện duy trì
hiệu quả vỏ tàu không đổi. Tốc độ không sụt giảm qua theo thời gian và tiêu hao
nhiên liệu cho động cơ duy trì không đổi. Tuy nhiên đó sẽ là một hệ thống đắt tiền,
chỉ bõ dùng cho tàu lớn, loại mập bề ngang
Khi xem xét tàu dầu, tàu chở hàng rời lớn và tàu container thì thấy rất rõ là
mꢀi quả lê tránh làm tăng áp suất gần mꢀi tàu. Dòng chảy cải thiện của phần
dưới nước của thân tàu làm giảm hệ thống sóng quanh tàu. Hiện có hệ thống
sóng lớn bao quanh phần tàu hút bùn, tàu dịch vụ
Nếu lưu lượng dòng nước (hoặc khí) cao hơn, áp suất sẽ nhỏ tương đối
hơn so với áp suất ở các phần khác trong nước nơi có tốc độ nhỏ hơn. Vậy nên
về phương diện sóng, nước vùng hõm sóng có tốc độ của nước cao hơn ở đỉnh
sóng. Xem thêm định lý Benuly
5. Thiết bị đẩy tàu
5.1. Khái niệm chung về thiết bị đẩy
a. Khái niệm
- Khi tàu chuyển động với vận tốc v nó sẽ chịu lực cản của nước R. Vì vậy, để
tàu có thể chuyển động với vận tốc cho trước ta phải đặt vào tàu một lực cùng
phương chiều chuyển động, có độ lớn bằng với lực cản R và được gọi là lực đẩy có
ích, ký hiệu Pe = R.
- Thiết bị đẩy là một loại thiết bị đặc biệt được lắp đặt sau đuôi tàu tiếp nhận
mô men từ máy chính thông qua đường trục tạo lực đẩy. Lực đẩy này làm tàu
thắng được sức cản và chuyển động với vận tốc xác định.
b. Phân loại
- Thiết bị đẩy kiểu bị động: Buồm.
- Thiết bị đẩy kiểu chủ động: mái chèo, guồng, chân vịt, thiết bị phụt thủy
lực,...
5.2. Công suất và hiệu suất của thiết bị đẩy tàu
21
Tải về để xem bản đầy đủ
89 trang
26/03/2022
8260
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Khai thác hệ động lực tàu thủy - Nghề: Khai thác máy tàu thủy", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_khai_thac_he_dong_luc_tau_thuy_nghe_khai_thac_may.pdf
