Các loại rung động trên tàu – Rung thân tàu

Các loại rung động trên tàu – Phần 2 – Rung thân tàu

Trong bài viết trước của chúng tôi về rung động tàu, chúng tôi đã thảo luận về rung động máy móc, về các loại rung động máy móc khác nhau, nguồn kích thích của chúng và phương pháp thiết kế để giảm từng loại rung đó. Một khía cạnh rất đáng chú ý của bài viết trước là, cho đến nay, chúng ta đã thảo luận về tác động của các nguồn kích thích đó đối với các thành phần máy móc (ví dụ trên hệ thống động lực chính); nhưng hiệu quả tổng thể của các kích thích cũng được truyền đến cấu trúc thân tàu. Những rung động như vậy được gọi là rung thân tàu hay còn gọi là rung vỏ thân tàu, và chúng sẽ được giải quyết trong bài viết này.

Để bắt đầu, chúng tôi sẽ đối phó với các nguồn kích thích khác nhau cho rung thân tàu.

Các sự kích thích cho rung thân tàu

1) Kích thích – Động cơ Diesel chính tốc độ thấp:

Một động cơ diesel chính tốc độ thấp luôn là nguồn rung động chính trong dầm thân tàu. Sự kích thích từ động cơ diesel có thể được coi là bao gồm ba lực định kỳ và ba chu kỳ mô men trên nền tảng của động cơ. Trong số ba lực định kỳ, lực dọc theo trục của trục bị triệt tiêu bởi lực đẩy định kỳ. Những gì còn lại, là hai lực khác. Chúng có thể được phân loại như:

a) Các lực áp suất khí : Các lực tác dụng do áp suất khí xảy ra ở các giai đoạn khác nhau của một vòng quay của động cơ. Các lực lượng này cũng được gọi là Cặp lực dẫn hướng. Chúng hoạt động trên crosshead của động cơ, và là kết quả đốt cháy của lực phản ngang do đốt cháy giai đoạn, tùy thuộc vào số lượng xi lanh. Bản chất của các cặp lực dẫn hướng được thể hiện trong Hình 1. Lưu ý cách các lực dẫn đến các cặp, trước khi chúng ta thảo luận về bản chất của rung động do điều này.

Hình 1: Các lực dẫn đến cặp

Bây giờ, một cặp đôi H sẽ dẫn đến một mô men định kỳ của động cơ, trong đó phần trên cùng của động cơ nằm trong một pha đối diện với phần tiếp xúc với nền tảng động cơ. Nhưng một cặp đôi X sẽ dẫn đến kết thúc phía trước của động cơ nằm trong một pha đối diện với đầu phía sau của động cơ. Khi tần số của các lực này nằm trong phạm vi tần số tự nhiên của nền tảng động cơ, nền tảng sẽ cộng hưởng, dẫn đến rung động cục bộ trong cấu trúc đáy buồng máy.

Do đó, để ngăn chặn chuyển động này, các dây văng bên hoặc các đỉnh trên được sử dụng để kết nối cấu trúc trên cùng của động cơ vỏ dầm thân tàu. Đôi khi, ở các giai đoạn trước của thiết kế kết cấu, nên thiết kế lại nền tảng động cơ để thay đổi độ cứng của kết cấu.

b) Lực quán tính: Các bộ phận quay của động cơ diesel chính tốc độ thấp thường có khối lượng lớn. Do đó, sự tăng tốc của các bộ phận động cơ pittông dẫn đến việc tạo ra lực quán tính cao.

Đã xử lý các lực định kỳ, khía cạnh khác của kích thích động cơ chính là các mô men định kỳ. Trong động cơ đốt trong, thời gian mà pít-tông mất thời gian để đi từ điểm chết trên (TDC) đến điểm chết dưới (BDC) không giống như thời gian của pít-tông để đi từ BDC đến TDC. Điều này có thể được chứng minh về mặt toán học, nhưng không nằm trong phạm vi của bài viết này. Điều quan trọng cần lưu ý ở đây là, trong một cuộc cách mạng hoàn chỉnh, thời gian ở mỗi nửa là khác nhau. Điều này dẫn đến vòng quay dọc thứ hai (M 2V ).

Sự thật: Những mô men này là định kỳ và có tần số gấp đôi so với RPM của động cơ.

Trong trường hợp động cơ diesel hàng hải có sáu xi-lanh trở lên đang hoạt động, mô men thẳng đứng thứ hai của động cơ đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định khả năng rung động của vỏ thân tàu. Đó là bởi vì, người ta đã phát hiện ra rằng ba hoặc bốn chế độ rung tự nhiên đầu tiên của vỏ thân tàu có thể cao gấp đôi RPM của động cơ. Bây giờ, nếu bạn nhìn lại thực tế trên, điều đó có nghĩa là tần số của các vòng quay thứ hai của động cơ chính thường nằm trong phạm vi ba đến bốn chế độ rung tự nhiên đầu tiên của vỏ thân tàu. Do đó phát sinh cơ hội cộng hưởng, dẫn đến rung động dọc của vỏ thân tàu. Hai nút đầu tiên của rung động dọc của vỏ thân tàu được thể hiện trong Hình 2.

Hình 2: Hai chế độ đầu tiên của rung dọc dầm thân tàu. 
(Nguồn hình ảnh: ABS)

Để tránh điều này, nhà thiết kế phải yêu cầu các giá trị của mô men dọc thứ hai của động cơ từ nhà sản xuất động cơ. Khi điều đó được thực hiện, tính không cân bằng liên quan đến sức mạnh (PRU) được tính toán, giúp người thiết kế quyết định tiến trình hành động sẽ được tuân theo.

Giá trị PRU thu được sẽ cung cấp cho nhà thiết kế một ý tưởng nếu có nhu cầu thêm bộ bù thời điểm cho động cơ. Bộ bù mô men (do nhà sản xuất động cơ sản xuất) là các bộ phận đối ứng bổ sung được điều chỉnh theo cách sao cho các mô men còn lại do chúng tạo ra bị hủy bởi khoảnh khắc dọc thứ hai của động cơ chính.

Bảng trên được khuyến nghị bởi các cấp phân loại và yêu cầu của sự cấp bù. Tuy nhiên, nếu phân tích này đang được thực hiện trong giai đoạn đầu tiên của thiết kế, nhà thiết kế cũng có thể lựa chọn thay đổi trong lựa chọn động cơ.

2. Kích thích – Đường rẽ nước thân tàu

Nó đã được thảo luận trong phần trước của loạt bài này, cách thức phân luồng nước khác nhau trên chân vịt do đường rẽ nước của thân tàu dẫn đến rung động do chân vịt gây ra.

Đường rẽ nước không phải là một yếu tố có thể điều chỉnh trong các giai đoạn sau của thiết kế, một khi hình dạng thân tàu, đường rẽ nước đuôi tàu và số lượng ốc vít đã được cố định. Điều này chỉ có thể được thay đổi ở các giai đoạn thiết kế thủy động lực học, sử dụng phần mềm thủy động lực để phân tích dòng nước xung quanh thân tàu.

3. Kích thích – Cánh quạt:

Có hai loại kích thích gây ra bởi sự quay của cánh quạt và chúng như sau:

a. Lực đẩy xen kẽ: Điều này dẫn đến rung động theo chiều dọc của hệ thống đẩy, và đã được thảo luận chi tiết trong phần đầu tiên của loạt bài này.

b. Cánh quạt chân vịt: Sự tạo bọt nước của cánh quạt dẫn đến sự hình thành các bong bóng nổ trên lưỡi cánh quạt. Thông thường, một cánh quạt không xâm thực tại mọi điểm trong một vòng quay. Nó chỉ tạo rãnh ở những điểm mà tổng áp suất trên lưỡi dao giảm xuống dưới áp suất hơi của nước biển. Kết quả là gì, việc tạo ra một lực kích thích định kỳ do nổ bong bóng. Vì vậy, thiết kế cánh quạt phải tính đến khả năng xâm thực ở nhiều tốc độ khác nhau.

Thông thường, cánh quạt có một góc nghiêng nhất định để giảm xâm thực. Một xiên làm như vậy bằng cách ngăn chặn toàn bộ lưỡi kiếm đi qua một vùng xâm thực cùng một lúc. Do góc nghiêng, từng phần của lưỡi cánh quạt đi qua một khu vực xâm thực dần dần, do đó ngăn chặn toàn bộ lưỡi dao xâm nhập. 

c. Các lực áp lực dọc trên đuôi tàu : Do sự quay của chân vịt, các lực áp lực dọc được tác dụng vào đuôi tàu. Bây giờ, thật dễ dàng để tưởng tượng rằng tần số của các lực áp suất này sẽ giống như tần số kích thích của cánh quạt (tức là RPM x Số lượng cánh quạt). Kiểu kích thích này phổ biến hơn ở những con tàu có đuôi nhô ra dài và rung động thường được cảm nhận ở phần phía sau của con tàu.

Một mẹo quan trọng: Trong khi quyết định số lượng cánh quạt cho một con tàu cụ thể, trước tiên, một nhà thiết kế nên biết số lượng xi lanh trong động cơ chính. Số lượng hình trụ và số lượng lưỡi dao không được là bội số nguyên của một số. Ví dụ, đối với một con tàu sử dụng động cơ chính có bốn xi lanh, thì nên tránh một cánh quạt sáu cánh vì tần số kích thích chân vịt phụ thuộc vào số lượng cánh quạt và tần số động cơ phụ thuộc vào số lượng xi lanh. Nếu cả hai tham số là bội số nguyên của một số, có khả năng cộng hưởng. Vì vậy, bằng cách thực hành, một động cơ chính với bốn xi lanh sẽ được sử dụng với một cánh quạt ba cánh hoặc năm cánh.

Cấu trúc thượng tầng về phía trước và rung sau:

Kể từ xu hướng thiết kế tăng chiều dài của các tàu chở hàng, phòng máy của hầu hết các loại tàu đã được chuyển sang phía sau, từ giữa, để giảm chiều dài trục. Tàu dài hơn cũng có nghĩa là yêu cầu của sức mạnh dọc thân tàu cao hơn. Để làm được điều đó, sự không đồng bộ phải được chuyển ra khỏi tàu trung gian. Kết quả là, hầu hết các cấu trúc thượng tầng đã phải được dịch chuyển về phía sau. Các boong điều hướng cần phải ở một độ cao nhất định từ boong chính để cung cấp tầm nhìn đầy đủ về phía trước của mũi tàu. Ngoài ra, cấu trúc boong thường nằm trên khoang buồng máy, điều này gây khó khăn cho việc đạt được độ cứng đủ của cấu trúc. Do sự gần gũi của cấu trúc thượng tầng với chân vịt và trọng lượng nhẹ của các cấu trúc trên cùng của boong tàu,

Có hai loại chuyển động liên quan đến rung động kiến ​​trúc thượng tầng, và đó là:

  • Độ cứng xoắn
  • Uốn

Phân tích chi tiết được thực hiện bởi Hirowatari và Matsumoto trên các loại cấu trúc thượng tầng khác nhau, giờ đây cho phép xác định độ cứng xoắn và uốn của cấu trúc thượng tầng cần thiết để duy trì chuyển động rung và uốn của cấu trúc thượng tầng trong giới hạn an toàn. Các kích thích chính của rung động kiến ​​trúc thượng tầng là lực đẩy chân vịt và động cơ diesel tốc độ thấp. Trong các phân tích rung động, rung động kiến ​​trúc thượng tầng được xử lý tách biệt với rung thân tàu và các phương pháp để thực hiện các tính toán này được các cách phân loại khuyến nghị.

Phân tích rung thân tàu bằng sơ đồ cộng hưởng thân tàu:

Đây là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để kiểm tra khả năng rung của vỏ thân tàu. Trong trường hợp này, không chỉ các chế độ dọc của rung thân tàu được tính đến, mà cả các chế độ ngang (ngang) và xoắn được xem xét. Trước tiên, hãy cho chúng tôi hiểu cách sử dụng cơ bản của Sơ đồ cộng hưởng thân tàu

Một sơ đồ cộng hưởng thân tàu được thiết kế bởi một nhà thiết kế tàu cho mỗi tàu, để kiểm tra xem các chế độ rung của vỏ thân tàu có bị kích thích bởi động cơ chính và cánh quạt hay không. Sử dụng phân tích này, nhà thiết kế có thể kiểm tra xem RPM chân vịt cần thiết để cung cấp lực đẩy không dẫn đến rung động vỏ thân tàu. Sơ đồ cộng hưởng thân tàu cũng được sử dụng để xác định số lượng cánh quạt cần thiết để tránh cộng hưởng.

Khi chúng ta trải qua quá trình tìm hiểu quá trình đằng sau việc chuẩn bị Sơ đồ cộng hưởng thân tàu, hãy tham khảo Hình 3.

Hình 3: Sơ đồ cộng hưởng thân tàu
Hình 3: Sơ đồ cộng hưởng thân tàu

Trục dọc biểu thị các giá trị tần số tự nhiên của dao động dọc, ngang và xoắn của vỏ thân tàu. Nhà thiết kế phải có bản vẽ phần giữa thu được từ các tính toán scantling. Khi đã được chuẩn bị, các giá trị trong trục tung có thể được tính bằng các công thức được đề xuất của lớp.

2V , N 3V , N 4V , N 5V là các chế độ rung dầm dọc thân thứ hai, thứ ba, thứ tư và thứ năm. (Hiển thị trong màu xanh nhạt)

1T , N 2T , N 3T là các chế độ rung dầm thân đầu tiên, thứ hai và thứ ba. (Thể hiện ở màu tím)

2H , N 3H , N 4H là rung động dầm ngang thứ hai, thứ ba và thứ tư. (Hiển thị màu cam)

Khi các giá trị này thu được, chúng được vẽ trên trục và dung sai 5% được lấy theo hệ số an toàn. Vì vậy, các dải màu trong biểu đồ đại diện cho mỗi chế độ với dung sai 5 phần trăm. Mục tiêu của chúng tôi bây giờ là đảm bảo rằng RPM của cánh quạt không nằm trong bất kỳ dải nào trong số này.

Một đường được vẽ ở góc 45 độ so với phương ngang. Dòng này đại diện cho RPM động cơ. Đối với dự án này, RPM vận hành của động cơ là 1800. Tùy thuộc vào Tỷ số bánh răng, độ dốc của đường RPM của động cơ được chia để có được đường RPM của trục. Bây giờ, đường cho một chân vịt có hai lưỡi sẽ có độ dốc gấp hai lần độ dốc của RPM của trục (Vì Tần số kích thích của chân vịt = RPM x Số lưỡi dao), v.v. Vì vậy, các đường được vẽ cho cánh quạt với ba, bốn và năm lưỡi.

Các kết luận sau đây có thể được đưa ra khỏi sơ đồ ngay bây giờ:

  • Hai cánh quạt có cánh: Mặc dù ở tốc độ 1800 vòng / phút, dòng của hai cánh quạt không giao nhau với bất kỳ dải nào, nó không thể được sử dụng vì hai lưỡi dao không hiệu quả theo quan điểm thủy động lực học.
  • Cánh quạt ba cánh: Có thể thấy rất rõ rằng ở tốc độ 1800 vòng / phút, đường dây cho ba cánh quạt có giao cắt với các dải của N 2H và N 3V . Điều này có nghĩa là, nếu một động cơ có tốc độ 1800 vòng / phút được sử dụng kết hợp với một cánh quạt ba cánh, nó sẽ dẫn đến Chế độ rung ngang thứ hai và Chế độ rung dọc thứ ba của dầm thân, sẽ là thảm họa. Do đó, tùy chọn cho một cánh quạt ba cánh bị từ chối.
  • Cánh quạt bốn cánh: Ở tốc độ 1800 vòng / phút, đường dây cho bốn cánh quạt có giao cắt với N 1T và N 4V Do đó, tùy chọn này bị từ chối.
  • Cánh quạt năm cánh: Ở tốc độ 1800 vòng / phút, dòng năm cánh quạt có cánh không giao nhau với bất kỳ dải nào. Điều này có nghĩa, đối với một động cơ được đánh giá ở tốc độ 1800 vòng / phút, một cánh quạt năm cánh sẽ không kích thích bất kỳ chế độ nào của rung động dầm thân tàu. Sau đó, một cánh quạt năm cánh có thể được coi là phù hợp với con tàu đặc biệt này.

Mặc dù phương pháp trên dường như có thể cung cấp độ chính xác trong việc dự đoán rung thân tàu, nhưng chúng vẫn còn sơ bộ trong phạm vi ứng dụng của chúng do các giả định khác nhau được đưa ra trong việc xây dựng các công thức thực nghiệm đằng sau Sơ đồ cộng hưởng thân tàu. Một kết quả tốt hơn có thể thu được bằng cách tiến hành phân tích rung động một phần và toàn phần bằng cách sử dụng Mô hình phần tử hữu hạn của con tàu, đây là phương pháp được các cách phân loại khuyến nghị ngày nay.

Theo Marineinsight

This post is also available in: enEnglish

Chia sẻ bài đăng này
  , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *