Chân vịt tàu thủy (Marine Propeller)
là bộ phận có nhiệm vụ chuyển đổi mô-men xoắn từ động cơ thành lực đẩy, giúp tàu di chuyển trong nước. Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của chân vịt không đơn giản là quay để đẩy nước về phía sau. Nó liên quan đến hình dạng cánh, góc đặt cánh, bước chân vịt, vận tốc tương đối giữa cánh và nước, cũng như sự phân bố áp suất trên hai mặt cánh.
Một chân vịt tàu thủy thông thường gồm các bộ phận chính:
- Bầu chân vịt (Hub): Phần trung tâm để lắp với trục chân vịt, truyền mô-men xoắn từ động cơ đến các cánh.
- Cánh chân vịt (Blades): Các cánh có hình dạng cong, được bố trí quanh bầu. Chúng tương tác với dòng nước để tạo lực đẩy.
- Mép vào (Leading Edge): Mép cánh đầu tiên tiếp xúc với dòng nước tương đối khi chân vịt hoạt động trong điều kiện thiết kế.
- Mép ra (Trailing Edge): Mép đối diện, nơi dòng nước rời khỏi cánh theo điều kiện dòng chảy quanh cánh.
- Gốc cánh (Blade Root): Vùng nối cánh với bầu chân vịt.
- Đầu cánh (Blade Tip): Vùng xa trục quay nhất của cánh.
Ngoài ra, mỗi cánh có hai mặt với hình dạng và độ cong có thể khác nhau. Khi quan sát một chân vịt thực tế, bạn sẽ thấy cánh không giống một tấm kim loại phẳng mà có dạng xoắn, cong và thay đổi tiết diện từ gốc đến đầu cánh.
Chính hình dạng ba chiều này quyết định đáng kể đến khả năng tạo lực đẩy, hiệu suất và độ bền của chân vịt.
Vì sao chân vịt quay lại đẩy được tàu?
Để hiểu nguyên lý này, hãy tưởng tượng một chiếc quạt điện hoạt động trong không khí. Khi quạt quay, cánh quạt tác động lên không khí và tạo ra dòng khí chuyển động.
Chân vịt tàu thủy hoạt động theo nguyên lý tương tự, nhưng môi trường làm việc là nước.
Bước 1: Động cơ truyền mô-men xoắn
Động cơ tàu tạo ra mô-men xoắn và truyền qua hộp số, trục truyền động đến trục chân vịt.
Trục quay làm toàn bộ bầu và các cánh quay quanh trục.
Bước 2: Cánh chân vịt tác động lên nước
Khi chân vịt quay, mỗi cánh chuyển động theo quỹ đạo tròn. Đồng thời, tàu thường chuyển động về phía trước, tạo ra dòng nước tương đối đi qua chân vịt.
Do cánh có hình dạng cong và góc đặt thích hợp, nó tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hai mặt cánh, đồng thời làm thay đổi động lượng của dòng nước.
Bước 3: Hình thành lực đẩy
Cánh chân vịt truyền động lượng cho nước, tạo ra dòng chảy có thành phần vận tốc hướng về phía sau tàu trong chế độ tiến thông thường.
Theo định luật III Newton, nước tác dụng trở lại lên chân vịt một lực có chiều ngược lại. Thành phần lực này theo trục chân vịt chính là lực đẩy (Thrust).
Lực đẩy được truyền qua hệ thống trục và kết cấu tàu, giúp tàu tiến về phía trước.
Bước 4: Tàu chuyển động
Khi lực đẩy đủ lớn để thắng lực cản thủy động lực học của thân tàu và các lực cản khác, tàu sẽ tăng tốc.
Khi tàu chạy ổn định, lực đẩy trung bình cân bằng với tổng lực cản theo phương chuyển động.
Điểm quan trọng: Chân vịt không chỉ đơn thuần đẩy một khối nước ra phía sau. Nó tạo ra một trường dòng chảy ba chiều, bao gồm dòng chảy dọc trục, dòng xoáy và các thành phần vận tốc theo phương tiếp tuyến.
Thiết kế ngược chân vịt có phải chỉ là mesh fit?
Khi thiết kế ngược chân vịt tàu thủy, cánh quạt, hay cánh bơm bước, cánh tuabin.. hầu như các kỹ sư thường chọn phương án mesh fit 2 mặt cánh rồi dùng các lệnh trim cut tạo viền xung quanh.
Điều này có thể làm được khi:
1. Chân vịt còn mới chưa bị ăn mòn.
2. Cần xây dựng gần đúng hình học thực tế cho việc mô phỏng.
Nhưng nếu gặp chi tiết bị ăn mòn nhiều, ăn mòn không đều thì việc sử dụng mesh fit là không hiệu quả.
Ví dụ như hình bên dưới:
Chi tiết bị han rỉ, mòn nhiều.. nếu chỉ mesh fit bắt buộc phải smooth rất nhiều --> gây sai số lớn, mặt cắt độ dày không còn đồng đều..
Khi đó hãy chọn phương án thiết kế dạng section như sau:
Tạo các section theo các đường tròn cắt như sau:( R là bán kính chân vịt)
Khi đó có thể sửa được các curve section, phục hồi vị trí bị ăn mòn không đều.. đưa chi tiết về với hình dạng như ban đầu.
Sau đó cùng các lệnh loft/sweept... để xây dựng bề mặt.
Hy vọng bài viết hữu ích với anh em.
Trân trọng.
