THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA CHÂN VỊT TÀU THỦY CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP CÁNH EVALUATING THE STRENGTH OF BUILT-UP PROPELLER TÓM TẮT Ngày nhận bài: 21/01/2016; Ngày phản biện thông qua: 09/6/2016; Ngày duyệt đăng: 15/12/2016 Đặng Xuân Phương 1 Chân vịt tàu thủy cánh rời (các cánh được lắp ghép với nhau) mang lại mộ số ưu điểm trong quá trình 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, bài báo đề xuất phương pháp trong đó cánh được lắp với củ chân vịt bằng rãnh đuôi én, sau đó đánh giá đánh 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 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 cánh nhỏ gọn và có khả năng chịu lực như chân vịt cánh liền. Từ khóa: Chân vịt cánh rời, CAE, chế tạo chân vịt, tính toán độ bền ABSTRACT Built-up propeller is an attractive alternative for monobloc fi xed pitch propellers because of some key benefits in manufacture, repair and replacement. This paper proposes a method for assembling the fi shing vessel s built-up propeller in which the blades are engaged with the hub by dove-tail grooves. The strength of this kind of propeller was investigated by using CAE simulation tool in order to explore the potential application of this propeller in practice. The research results show that the built-up propellers with a slim hub satisfy the required strength. Keywords: Built-up propeller, CAE, propeller manufacturing, strength analysis I. ĐẶT VẤN ĐỀ Từ trước đến nay, chân vịt tàu thường được chế tạo bằng phương pháp đúc liền khối. Phương pháp này đảm bảo sự liên kết chắc chắn giữa cánh và củ chân vịt. Tuy nhiên, đối với các chân vịt có kích thước lớn, sự liền khối làm cho chân vịt cồng kềnh, dẫn đến quá trình làm khuôn, đúc, gia công và vận chuyển khó khăn hơn so với chân vịt cánh rời. Nếu chân vịt được chế tạo bằng phương pháp ghép các cánh với củ lại với nhau, quá trình đúc và gia công từng cánh riêng lẻ sẽ thuận lợi hơn rất nhiều nhờ sự nhỏ gọn và đơn giản hơn về mặt kết cấu. Ngoài ra, có thể áp dụng phương pháp gia công cánh trên các máy CNC 3 trục thông dụng một cách dễ dàng. Phương pháp chế tạo cánh rời rồi ghép lại đặc biệt có ý nghĩa đối với các chân vịt có tỉ số mặt đĩa lớn (hình chiếu các cánh có phần giao nhau), các chân vịt có bước xoắn lớn, hoặc các chân vịt cần độ chính xác cao. Giả sử có một chân vịt có đường kính 1,8 mét, với kích thước này thì khó tìm được một máy phay CNC để gia công được toàn bộ các cánh trong một lần gá đặt. Nếu tách riêng từng cánh riêng biệt với chiều dài mỗi cánh khoảng 0,8 mét (không tính củ cảnh) sẽ dễ dàng gá 1 Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang 100 NHA TRANG UNIVERSITY
lắp và gia công trên máy CNC cỡ vừa. Chân vịt ghép còn giúp cho quá trình sửa chữa và thay thế các cánh một cách thuận tiện mà trong một vài trường hợp không nhất thiết phải đưa tàu lên đà. Mặc dù chân vịt ghép có nhiều ưu điểm nói trên, câu hỏi đặt ra là liệu chân vịt ghép có đủ độ bền xét trên hai phương diện là ứng suất và biến dạng tại nơi lắp ghép giữa củ và cánh hay không. Ngoài ra, phương án lắp ghép như thế nào là hợp lý về mặt độ bền và tính công nghệ chế tạo là vấn đề cần quan tâm. Nghiên cứu này đi tìm câu trả lời cho các vấn đề nghiên cứu đặt ra nói trên. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Lực tác dụng lên cánh chân vịt Để tính toán được độ bền của cánh chân vịt, xác định được lực tác dụng lên cánh là một công việc quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác tính toán. Lực thủy động tác dụng lên chân vịt rất phức tạp. Lực này ở trạng thái không ổn định, phụ thuộc vào loại chân vịt, tốc độ tàu, hình dáng hình học vỏ tàu và nhiều yếu tố khác như mớn nước, độ ngập nước của chân vịt [2]. Chân vịt làm việc trong môi trường nước tạo ra lực đẩy nhờ lực nâng theo nguyên lý cánh (foil). Hiện nay, các phương pháp tính toán thủy động học của chân vịt gồm những phương pháp theo đó độ phức tạp tăng dần như: lý thuyết động lượng (momentum theory), lifting-line method (một phương pháp của lý thuyết xoáy dạng đơn giản phát triển từ dạng cánh thẳng), phương pháp bề mặt nâng (lifting surface method), phương pháp phần tử biên và phương pháp trường (fi eld methods) [1]. Về phương diện cơ học vật rắn, các thành phần lực tác dụng lên cánh chân vịt được phân tích như sau: Xét một phần tử cánh chắn bởi hai bán r và r + Dr, lực tác dụng gồm 3 thành phần: lực li tâm gây ra do chuyển động quay của khối lượng cánh, lực thủy động tác dụng lên cánh trong đó bao gồm lực đẩy dọc trục (lực đạp) và lực tiếp tuyến do momen cản quay của nước gây ra (Hình 1a). Trong thực tế, lực thủy động tác dụng lên cánh chân vịt là lực phân bố dưới dạng áp suất. Sử dụng CFD và những phần mềm chuyên dụng như Fluent hay Ansys CFX là phương pháp mà người ta thường dùng để xác định áp suất tác dụng lên cánh chân vịt [7]. Tuy nhiên phương pháp này trở nên quá phức tạp trong trường hợp chân vịt cánh rời vì vừa phải mô hình bài toán CFD, vừa phải mô tả cả phần tương tác cơ học vật rắn tại chỗ lắp ghép cánh và củ cánh. Bên cạnh đó, sự giao tiếp và trao đổi dữ liệu giữa công cụ CFD và FEM cũng trở nên khó khăn. Do vậy, để thuận tiện trong việc tính toán và phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn, các lực phân bố này được xấp xỉ gần đúng thành các lực tập trung đặt tại giữa các dây cung của cánh theo các bán kính cách đều nhau một khoảng 0,1R trong đó R là bán kính chân vịt (Hình 1b). Bài toán được xem xét ở trạng thái tĩnh. Sự phân bố của các lực tập trung này được xác định theo phương pháp của HydroComp [8] - một công ty phần mềm thiết kế, tính toán và phân tích về chân vịt tàu thủy. Thành phần lực hướng trục được ký hiệu là F T và thành phần tiếp tuyến được ký hiệu là F Q được tính bằng công thức sau: F T (x1 đến x2) = 3,5 R k T [a T (x 2 )-a T (x 1 )] (1) F Q (x1 đến x2) = 3,5 R k Q [a Q (x 2 )-a Q (x 1 )] (2) Trong đó: R: bán kính của chân vịt (inch) k T = T/(Z R c H ) k Q = Q/(Z R 2 c H ) x 1 : đường kính trong của phân tố hình vành khăn đang xét, ví dụ 0,7 x 2 : đường kính ngoài của phân tố hình vành khăn đang xét, ví dụ 0,8 a T (x) = (-2/105)(8 + 4x + 3x 2-15x 3 )(1-x) 0,5 a Q (x) = (-2/15)(2+x - 3x 2 )(1-x) 0,5 a T (x): biểu thức tính tích phân lực đẩy của chân vịt tại bán kính x a Q (x): biểu thức tính tích phân momen chân vịt tại bán kính x T: lực đẩy của chân vịt (lbf) Q: momen xoắn tác dụng lên chân vịt (lbf.inch) NHA TRANG UNIVERSITY 101
Z: số cánh chân vịt c H = (8 + 4x H + 3x H 2-15x H3 )(1-x H ) 0.5 là biểu thức tích phân từ củ cánh đến mút cánh x H - vị trí bán kính củ (x H = 0,2R) Nếu lấy tổng của các lực phân bố F T sẽ bằng lực đẩy T và tổng các momen do lực F Q sẽ bằng momen xoắn Q trên trục chân vịt. Phương pháp của HydroComp đảm bảo nguyên tắc quy đổi tương đương về lực dựa theo nguyên lý cộng tác dụng, dựa vào đặc điểm hình học của cánh chân vịt và quy luật phân bố áp suất trên cánh. Hình 1. Các thành phần lực tác dụng lên cánh chân vịt (a) và mô hình quy đổi lực thủy động tác dụng lên cánh chân vịt (b) Phạm vi của nghiên cứu này không đi thiết Ví dụ áp dụng chân vịt, có đường kính 1,2 m; kế hoặc tính chọn chân vịt. Việc kiểm đánh giá số cánh Z = 4, tỷ số H/D = 0,75; tỷ số mặt độ bền cánh ghép được thực hiện cho một đĩa q = 0,4; lực đẩy của chân vịt T = 36.900 chân vịt cụ thể đã thiết kế. Với một chân vịt N = 8.295 lbf; momen xoắn Q = 10.654 N.m của một tàu nào đó cho trước, các thông số về = 94300 lbf.inch. Kết quả tính toán gần đúng kích thước, lực đẩy T và momen xoắn Q trên lực phân bố (lực tiếp tuyến và lực dọc trục) tác trục chân vịt hoàn toàn xác định, do vậy sẽ tính dụng lên một cánh được trình bày ở Bảng 1. được lực phân bố F T và F Q tác dụng lên cánh Nếu lấy tổng của các lực phân bố dọc trục và bằng các công thức (1) và (2) nói trên. Phương tổng momen của lực tiếp tuyến tác dụng lên pháp này cho độ chính xác chấp nhận được các cánh ở bảng tính 1 sẽ được kết quả xấp và đã được nghiên cứu so sánh, kiểm chứng xỉ bằng lực đẩy và momen xoắn tác dụng lên ở tài liệu [4]. chân vịt. Bảng 1. Ví dụ áp dụng tính toán lực tác dụng lên một cánh chân vịt r/r 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 a T -0.1499-0.1444-0.1345-0.1195-0.0992-0.0743-0.0463-0.0186 a Q -0.2480-0.2264-0.1983-0.1649-0.1281-0.0898-0.0524-0.0198 F T (N) 336 609 924 1247 1534 1722 1704 1147 F Q (N) 422 550 650 719 749 729 638 387 2. Lực tác dụng lên củ chân vịt Đối với chân vịt ghép cánh theo phương pháp xẻ rãnh và ngàm cánh vào củ cánh, khâu yếu nhất đó là củ cánh cả về phương diện độ bền lẫn độ cứng. Do cánh bị xẻ rãnh ngàm nên tiến diện mặt cắt vuông góc với 102 NHA TRANG UNIVERSITY
trục giảm đi làm cho củ cánh có thể bị biến dạng mạnh theo phương hướng kính khi chân vịt bị phản lực của nước ép lỗ may-ơ của củ cánh vào phần đuôi côn của trục chân vịt. Dưới tác dụng của lực đẩy tàu T, độ lớn của lực hướng kính P tác dụng lên may-ơ của chân vịt được tính bằng công thức: P = T / tg(a +j ) [5] trong đó a là góc nghiêng của mặt côn và j là góc ma sát giữa trục và lỗ của củ chân vịt. Hình 2. Phân tích lực tác động lên phần củ cánh chân vịt Lực và momen do cánh tác động lên các rãnh lắp ghép khá phức tạp nên được tính nhờ công cụ CAE bằng cách mô tả sự tương tác giữa cánh và củ thông qua bề mặt lắp ghép. Ngoại lực tác động lên cánh sẽ được chuyển đổi thành lực tác dụng lên chỗ lắp ghép của củ và cánh. 3. Phương pháp lắp ghép cánh Phương pháp ghép cánh có ảnh hưởng lớn đến kích thước củ cánh, độ bền nơi lắp ghép và độ khó hay dễ khi chế tạo và lắp ghép cánh. Trong thực tế, ý tưởng ghép cánh cho chân vịt có bước cố định là không mới, ví dụ hãng Wärtsilä thực hiện chế tạo chân vịt như trên Hình 3. Tuy nhiên, phương pháp này làm cho củ cánh chân vịt phải to ra và có dạng hình trụ thẳng, gốc cánh chân vịt phải bé để đủ chỗ cho phần lắp ghép, sử dụng rất nhiều bu-lông tương tự như kiểu lắp ghép của chân vịt biến bước vì toàn bộ các lực tác dụng lên cánh đều truyền cho các bu-lông lắp ghép này. Kết cấu này làm cho chân vịt nặng hơn và tạo nhiều dòng chảy rối phía sau củ chân vịt, làm giảm hiệu suất của chân vịt. Hình 3. Chân vịt bước cố định chế tạo bằng phương pháp ghép cánh của hãng Wärtsilä [9] Ở nghiên cứu này, đối tượng được khảo sát chủ yếu tập trung vào chân vịt tàu theo mô hình Wagenningen. Dạng của củ cánh vẫn theo kiểu truyền thống. Khác với kiểu của Công ty Wärtsilä, cánh được lắp với củ bằng các rãnh thẳng có mặt cắt dạng đuôi én đặt hướng theo đường xoắn của cánh (Hình 4). Phương án này cho phép ghép cánh có tỉ số mặt đĩa lớn hoặc có phần giao nhau trên hình chiếu bằng của phần gốc cánh. Mặc dù các rãnh nghiêng khó gia công hơn phương án NHA TRANG UNIVERSITY 103
của Wärtsilä nhưng các rãnh này được thực hiện dễ dàng trên máy phay CNC. Lực dọc trục được khống chế bằng phản lực của bản thân các rãnh nghiêng và được hỗ trợ thêm bởi hai mặt bích (vòng chặn) ở hai đầu. Chế độ lắp ghép giữa các cánh và củ là lắp ghép có độ dôi nhẹ, đảm bảo không có khe hở hoặc khe hở rất bé giữa cánh và củ cánh để cánh không bị xê dịch khi làm việc. Hình 4. Phương án lắp ghép cánh và củ cánh Hình 4 minh họa chân vịt có cánh lắp ghép với đường kính D =1,2 m và các thông số hình học khác được cho trong ví dụ ở mục II. Đường kính lớn nhất của may-ơ là d p = 230 mm, do đó tỉ số giữa đường kính may-ơ và đường kính chân vịt là 230/1200 = 0,192. Tỉ lệ này phù hợp với giá trị thông dụng dp = (0,18 0,20)D [6]. Như vậy chân vịt ghép có đường kính củ cánh tương đối nhỏ gọn về mặt kết cấu giống như chân vịt đúc liền khối. Khi củ chân vịt bị xẻ rãnh, sức bền chịu lực hướng kính của nó sẽ bị giảm đi so với trường hợp không bị xẻ rãnh. Để đảm bảo củ chân vịt không bị giãn ra chịu lực đẩy hoặc khi may-ơ chân vịt được lắp và siết chặt bằng đai ốc vào đầu côn của chân vịt, phương án dùng các vòng chắn có tạo bậc bằng vật liệu có độ bền cao và chịu được ăn mòn của nước biển (thép không gỉ) được sử dụng. Chúng vừa có tác dụng chặn sự di chuyển dọc trục của các cánh, vừa ôm lấy đầu của củ cánh nhằm chống giãn nở theo phương hướng kính của củ cánh. 4. Phương pháp tính toán độ bền chân vịt ghép Có hai phương pháp thông dụng để tính sức bền chân vịt tàu thủy [3]. Phương pháp thứ nhất xem cánh chân vịt như một dầm ngàm một đầu chịu lực tập trung tương đương. Phương pháp này có độ chính xác kém do phải sử dụng nhiều giả thiết đơn giản hóa về mặt hình học. Phương pháp thứ hai là phương pháp số (phương pháp phần tử hữu hạn). Do chỗ tiếp xúc giữa phần cánh ghép và phần củ cũng phức tạp, ở đây tồn tại vấn đề tiếp xúc giữa hai vật rắn biến dạng, nên cách thuận tiện nhất để đánh giá độ bền chỗ lắp ghép giữa cánh và củ chân vịt là sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với sự hỗ trợ của các công cụ tính toán có sự hỗ trợ của máy tính (CAE). Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phần mềm ABAQUS. Mô hình chia lưới FEM, lực tác dụng, mối quan hệ tương tác và điều kiện biên được minh họa trên Hình 5. Các lực tác dụng lên cánh và củ cánh đã được trình bày ở các tiểu mục 1 và 2 của mục II. Sự tiếp xúc (tương tác) giữa cánh và củ cánh được mô tả bằng mô hình ma sát khô theo định luật Coulomb. Hệ số ma sát khô của cặp vật liệu đồng - đồng được lấy bằng 1,0. Trong quá trình tính toán, do có sự tác động tương hỗ về lực của các cánh đến các rãnh chéo bên cạnh, đồng thời các rãnh lắp ghép không đối xứng với đường trục nên không thể áp dụng nguyên tắc đối xứng để giảm thời gian tính toán. Do đó, mô hình tính phải xét đầy đủ tất cả các cánh chân vịt. Hình 5. Mô hình tính toán và lưới phần tử (minh họa cho một cánh) 104 NHA TRANG UNIVERSITY
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Kết quả nghiên cứu được minh họa cho trường hợp tính toán độ bền chân vịt ghép có các thông số về kích thước và lực tác dụng như đã giới thiệu ở mục II. Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất sinh ra trong vùng ngàm giữa củ cánh và cánh không lớn hơn ứng suất tại vùng gần góc lượn của gốc cánh vì tiết diện vùng ngàm lớn. Ứng suất sinh ra tại các vùng nguy hiểm cần quan tâm không lớn hơn 74 MPa (Hình 6). Như vậy ứng trong chân vịt nói chung và tại các vùng lắp ghép nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất chảy của hợp kim đồng thông dụng để chế tạo chân vịt (từ 250 330MPa). Kết quả về ứng suất trong cánh có sự phân bố về giá trị phù hợp với kết quả tính toán trong nghiên cứu [1], điều đó cho thấy kết quả mô phỏng là tin cậy. Tại một số vị trí có hiệu ứng tập trung ứng suất thì ứng suất tương đương von Mises vượt lên khá lớn (170 MPa), tuy nhiên giá trị này không vượt quá ứng suất chảy của hợp kim đồng. Các điểm tập trung ứng suất này phát sinh tại các điểm nhọn hay các cạnh sắc trong mô hình CAE, tuy nhiên không quá nguy hiểm trong thực tế. Để giảm các ứng suất này, trong quá trình thiết kế và chế tạo, các góc nhọn trong rãnh mang cá được bo góc với các bán kính phù hợp. Hình 6. Kết quả tính ứng suất von Mises Ngoài ứng suất ra, biến dạng của chỗ lắp ghép cánh là một số quan trọng để quyết định rằng chân vịt ghép có đủ độ bền và độ cứng vững về kết cấu hay không. Kết quả phân tích biến dạng (chuyển vị) cho thấy chuyển vị tương đối lớn nhất (0,049 mm) nằm ở phía chịu kéo ở gốc cánh, nơi gắp ghép giữa gốc cánh và củ cánh; tại các vị trí khác trong vùng lắp ghép, chuyển vị tương đối giữa cánh và củ cảnh rất nhỏ (Hình 7). Lượng chuyển vị nhỏ này cho phép mối ghép đủ cứng vững, giúp làm việc ổn định và tin cậy. Hình 7. Kết quả biến dạng (chuyển vị, khuếch đại 100 lần) tại một số vị trí quan trọng Qua kết quả phân tích cho một trường cụ thể cho thấy chân vịt ghép điển hình có đường kính 1,2 m được khảo sát đảm bảo được độ bền khi làm việc. Để tăng độ an toàn về khả năng chịu lực, đường kính của củ cánh được lấy lớn hơn so với chân vịt đang sử dụng trong thực tế của tàu nhằm đảm bảo đủ không gian bố trí rãnh mang cá. Góc của rãnh mang cá được lấy 80 0 theo kinh nghiệm và chiều sâu tối đa của rãnh của chọn xấp xỉ bằng chiều rộng trung bình của nó. Chiều rộng rãnh ngàm không được xén vào bán kính góc lượn ở gốc cánh. Do kết cấu chân vịt được chuẩn hóa, nghiên cứu này có thể quy nạp và khái quát hóa thành quy tắc chung về mối tương quan kích thước giữa các phần tử lắp ghép để có thể áp dụng cho các chân vịt có các thông số kỹ thuật khác nhau. IV. KẾT LUẬN Nghiên cứu này đã đề xuất ý tưởng sử dụng chân vịt cánh rời để hướng tới chế tạo các chân vịt tàu có kích thước lớn trên các máy CNC 3 trục cỡ vừa hoặc trung nhằm giảm chi phí chế tạo và dễ dàng hiện đại hóa công nghệ NHA TRANG UNIVERSITY 105
gia công chế tạo chân vịt, đặc biệt ở bối cảnh trong nước. Phương pháp ghép cánh bằng rãnh đuôi én cho phép mối ghép chịu được lực li tâm mà không cần dùng nhiều bu-lông lắp ghép như các trường hợp khác. Kết quả nghiên cứu cho thấy chân vịt cánh rời có củ cánh tương đối nhỏ gọn, kích thước vẫn nằm trong phạm vi thông thường của chân vịt cánh liền. Độ bền và độ cứng chỗ lắp ghép giữa cánh và củ được đảm bảo. Nghiên cứu này làm cơ sở cho việc quyết định chế tạo và thử nghiệm chân vịt lắp ghép trong thực tế. Hướng nghiên cứu sắp tới là xác định hình dáng phôi của cánh sao cho hợp lý, nghiên cứu phương pháp gá đặt, gia công và lắp ráp một cách khoa học để dễ dàng chế tạo được chân vịt ghép có độ chính xác đảm bảo, sau đó đưa vào thử nghiệm và đánh giá. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Đăng Cường, 2000. Thiết kế và lắp ráp thiết bị tàu thủy. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 2. Đặng Xuân Phương, 2005. Tính toán kiểm tra bền chân vịt tàu thủy bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, Số 4-2005, 59-63. 3. Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm, 2005. Nguyên lý máy (tập 1). NXB Giáo dục, Hà Nội. Tiếng Anh 4. Bertram, Volker, 2000. Practical Ship Hydrodynamics. Butterworth-Heinemann, Oxford. 5. Carlton, J.S., 1980. The Strength of Marine Propeller Blades. Transaction of Lloyd s Register Technical Association. 6. Carlton, J.S., 2012. Marine Propellers and Propulsion, Third Edition. Butterworth-Heinemann publications, Oxford 7. Seetharama, Rao Y., Mallikarjuna, Rao K., Reddy, Sridhar B., 2012. Stress analysis of composite propeller by using finite element analysis, International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 4 No.08: 3866-3875. 8. http://hydrocompinc.com/wp-content/uploads/documents/hc140-propforcesforfea.pdf. 9. http://www.wartsila.com/products/marine-oil-gas/propulsors-gears/propellers/wartsila-built-up-propellers-bup. 106 NHA TRANG UNIVERSITY