I. Giới thiệu về Đồ án Thiết kế Hệ thống Động lực Tàu
Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống động lực là một công trình học thuật quan trọng trong chương trình đào tạo chuyên ngành Máy tàu thủy tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Đồ án này tập trung vào thiết kế toàn diện hệ thống động lực cho tàu dầu có dung tích 6100 m³, lắp đặt máy chính AKASAKA 8U28AK. Công trình nghiên cứu bao gồm các khía cạnh kỹ thuật từ tính toán sức cản, thiết kế chân vịt, hệ trục truyền động cho đến các hệ thống phụ trợ như nhiên liệu, dầu bôi trơn và nước làm mát. Đây là nền tảng kiến thức thiết yếu giúp sinh viên hiểu sâu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của các thành phần chính trong hệ thống động lực tàu hiện đại.
1.1. Loại tàu và công dụng
Tàu chở dầu lắp máy chính AKASAKA 8U28AK là tàu vỏ thép có kết cấu hàn với hệ động lực gồm một trục chân vịt cố định được truyền động bởi động cơ diesel bốn kỳ. Chức năng chính của tàu là vận chuyển dầu với dung tích khoang 6100 m³. Tàu được thiết kế hoạt động trong vùng ven biển Việt Nam, tuân thủ cấp tàu VR theo quy phạm QCVN 21:2015/BGTVT, đáp ứng tiêu chuẩn an toàn quốc tế về hạng tàu và thiết kế kèo.
1.2. Thông số kỹ thuật chính
Tàu dầu 6100 m³ sở hữu các thông số kỹ thuật nổi bật: chiều dài thiết kế L = 91,94 m, chiều dài giữa hai trụ Lpp = 84,97 m, chiều rộng B = 15,3 m, chiều cao mạn D = 7,9 m, mớn nước d = 6,38 m. Hệ số béo thể tích Cb = 0,75, hệ số béo đường nước Cw = 0,8, hệ số béo sườn Cm = 0,99. Các thông số này xác định khả năng chở hàng, ổn định và tính toán hiệu năng hệ thống động lực tàu.
II. Thiết kế Sức cản và Chân vịt
Thiết kế sức cản và chân vịt là phần tính toán quan trọng trong đồ án thiết kế hệ thống động lực. Sử dụng phương pháp HOLTROP-MENNEN, sinh viên tính toán lực cản do ma sát, lực cản phần phụ, và sức cản sóng. Qua đó xác định công suất kéo cần thiết để tàu đạt vận tốc thiết kế. Bước tiếp theo là thiết kế sơ bộ chân vịt thông qua các tiêu chí bao gồm xác định hệ số dòng theo và dòng hút, chọn số cánh chân vịt, tính tỷ số đĩa theo điều kiện bền, và xác định khối lượng kích thước của chân vịt. Những tính toán này đảm bảo hiệu suất truyền động tối ưu.
2.1. Tính toán sức cản theo phương pháp HOLTROP MENNEN
Phương pháp HOLTROP-MENNEN là công cụ tiêu chuẩn trong tính toán sức cản tàu. Phương pháp này chia sức cản thành các thành phần: lực cản do ma sát (friction resistance), lực cản phần phụ (appendage resistance), sức cản sóng (wave-making resistance), và các hiệu chỉnh khác. Dựa vào kích thước cơ bản tàu (chiều dài, chiều rộng, mớn nước, hệ số béo), phương pháp tính toán công suất kéo cần thiết ở vận tốc thiết kế, từ đó xác định yêu cầu công suất cho máy chính tàu.
2.2. Thiết kế chân vịt tối ưu
Thiết kế chân vịt phải cân bằng hiệu suất và độ bền. Bước đầu tiên là xác định vận tốc tàu ở chế độ tính toán và tính toán hệ số dòng theo, dòng hút. Tiếp theo chọn số cánh chân vịt (thường 4-5 cánh), tính tỷ số đĩa theo điều kiện bền vật liệu và yêu cầu cấp công suất. Cuối cùng xác định khối lượng và kích thước chân vịt đáp ứng điều kiện hoạt động, đảm bảo hiệu suất truyền động cao và an toàn trong điều kiện biển.
III. Thiết kế Hệ trục Truyền động
Hệ trục truyền động là một phần thiết yếu trong thiết kế hệ thống động lực tàu, đảm bảo truyền tải momen từ động cơ diesel tới chân vịt một cách an toàn và hiệu quả. Trong đồ án thiết kế, hệ trục bao gồm trục chân vịt, ống bao trục, các bạc đỡ, khớp nối, và then cấp động. Tính toán tập trung vào xác định đường kính trục dựa trên momen xoắn và điều kiện bền vật liệu, tính chiều dày áo bọc trục chống ăn mòn. Tiếp theo tính các chi tiết chính như bạc đỡ trục chân vịt, áp suất tác dụng lên ổ đỡ, và kiểm tra bền dạo động của toàn bộ hệ trục.
3.1. Bố trí và tính đường kính trục
Bố trí hệ trục được thiết kế dựa trên vị trí buồng máy và vị trí chân vịt. Đường kính trục chân vịt được tính dựa trên momen xoắn cực đại từ máy chính AKASAKA 8U28AK và yêu cầu bền của vật liệu. Sử dụng công thức tính đường kính trục theo tiêu chuẩn thiết kế tàu, xác định chiều dày áo bọc trục chống ăn mòn biển, đảm bảo tuổi thọ trục trong điều kiện hoạt động.
3.2. Kiểm tra bền dạo động và ổn định
Các bạc đỡ trục chân vịt, ống bao trục, và khớp nối phải đáp ứng tiêu chuẩn bền dạo động. Tính toán bao gồm xác định momen tại các gối đỡ, áp suất tác dụng lên ổ đỡ, kiểm tra nghiệm bền trục (bending stress), nghiệm ổn định (buckling), và nghiệm biến dạng (deflection). Các tính toán này đảm bảo hệ trục hoạt động ổn định và an toàn trong mọi điều kiện biển.
IV. Các Hệ thống Phục vụ Động lực
Các hệ thống phục vụ động lực là những thiết bị bổ trợ thiết yếu đảm bảo máy chính tàu hoạt động ổn định, hiệu quả và an toàn. Đồ án thiết kế hệ thống động lực bao gồm thiết kế chi tiết cho hệ thống nhiên liệu, dầu bôi trơn, nước làm mát, khí nén khởi động, chữa cháy, và các hệ thống phụ trợ khác. Hệ thống nhiên liệu phải đảm bảo cung cấp liên tục dầu đốt với chất lượng ổn định. Hệ thống dầu bôi trơn bảo vệ các chi tiết chuyển động của động cơ. Hệ thống nước làm mát duy trì nhiệt độ động cơ trong giới hạn an toàn. Hệ thống khí nén khởi động cung cấp áp lực khí cần thiết để quay động cơ diesel.
4.1. Hệ thống nhiên liệu và dầu bôi trơn
Hệ thống nhiên liệu gồm bình chứa dầu đốt, máy phân ly dầu, bơm vận chuyển, lọc dầu, và các van điều khiển. Dung tích bình dầu tính theo nhu cầu hoạt động tàu, với hệ số dự phòng đủ. Hệ thống dầu bôi trơn bao gồm bình dầu nhờn dự trữ, máy phân ly dầu nhờn chất lượng cao, bơm vận chuyển dầu, lọc dầu, và máy làm mát dầu. Các thiết bị này đảm bảo cung cấp dầu sạch, nhiệt độ thích hợp cho máy chính AKASAKA 8U28AK.
4.2. Hệ thống nước làm mát và khí nén khởi động
Hệ thống nước làm mát được thiết kế để duy trì nhiệt độ động cơ ở mức tối ưu. Hệ thống bao gồm bình nước giãn nở, máy bơm nước, máy làm mát (cooler), van điều khiển, cửa thông biển hút nước biển, và các ống nước. Thể tích bình nước giãn nở được tính để chứa nước giãn nở khi nhiệt độ tăng. Hệ thống khí nén khởi động gồm máy nén khí, bình chứa khí nén, van điều khiển áp lực, và các van pneumatic phân phối khí cung cấp cho van khởi động chính của động cơ diesel.
