Lựa chọn tỷ số truyền phù hợp cho cụm chân vịt lắp ngoài Suzuki DF 9.9 sử dụng động cơ điện

 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 26-02/2018 
3 
LỰA CHỌN TỶ SỐ TRUYỀN PHÙ HỢP CHO CỤM CHÂN VỊT 
LẮP NGOÀI SUZUKI DF 9.9 SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 
SELECTION OF MECHANICAL GEAR RATIOS FOR 
SUZUKI DF 9.9 WITH ELECTRIC MOTOR 
Lê Hải Sơn, Phạm Minh Triết, Ngô Khánh Hiếu 
Bộ môn Kỹ thuật Hàng không, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM 
 haison19952013@gmail.com, ngokhanhhieu@hcmut.edu.vn 
Tóm tắt: Hiện nay việc sử dụng các loại tàu, thuyền có gắn các cụm máy chân vịt cỡ nhỏ đã dần 
trở nên phổ biến. Dựa trên nền tảng về kích thước hình học của chân vịt đi theo cụm máy lắp ngoài 
Suzuki DF 9.9 ở những nghiên cứu trước, trong bài viết này chúng tôi sẽ ứng dụng phần mềm mã 
nguồn mở OpenFOAM để thực hiện khảo sát ngược đặc tính về thủy động học của chân vịt 225×205 
mm, ba lá cánh đi kèm với cụm máy lắp ngoài Suzuki DF 9.9. Mô hình rối k-ε sẽ được chọn để áp 
dụng trong việc tính toán. Các kết quả thu được từ mô phỏng số sẽ được đánh giá và so sánh với các 
kết quả thực nghiệm đã được triển khai từ trước. Với độ tin cậy đạt được, ứng dụng của quá trình mô 
phỏng số sẽ cung cấp đến người khai thác tài liệu tham khảo có giá trị về đặc tính của chân vịt cụm 
máy lắp ngoài Suzuki DF 9.9 trong việc phân tích lựa chọn tỷ số truyền động phù hợp khi thay thế 
động cơ nổ bởi động cơ điện có dãy công suất tương đương của máy lắp ngoài bốn thì 9.9 hp đi kèm 
với cụm chân vịt Suzuki DF 9.9. 
Từ khóa: Mô phỏng số, khảo sát ngược đặc tính thủy động học của chân vịt. 
Chỉ số phân loại: 2.1 
Abstract: Nowadays, the use of ships and boats with small propeller clusters is becoming more 
and more popular. Based on the geometry of the propeller, follow the Suzuki DF 9.9 apart from 
previous studies, in this article, we will apply OpenFOAM, an open source software to carry out 
reverse engineering of the performance of the Suzuki DF 9.9’s propeller. This is a 3-blade propeller 
with dimensions of 225×205 mm. Due to the popularity and widely used in today's industry, the k-
epsilon model will be selected for use in our simulations. The simulation’s results will be evaluated 
and compared with the experimental results that have been implemented before. So, the application of 
the numerical analysis of the Suzuki DF 9.9’s performance could provide consumers with valuable 
reference in selecting the appropriate gear ratios when the an electric motor is used instead of the 
four stroke 9.9 hp outboard motor. 
Keywords: Computational fluid dynamics, reverse engineering of propeller hydrodynamic. 
Classification number: 2.1 
1. Giới thiệu 
Hiện nay, xu hướng của các nhà sản xuất 
động cơ lắp ngoài cho tàu thủy là thường sử 
dụng các mẫu chân vịt tự thiết kế và bán kèm 
với máy chính thành một cụm cho khách 
hàng. Hình thức này giúp người sử dụng 
thuận tiện hơn và đỡ mất thời gian để lựa 
chọn chân vịt phù hợp với cụm máy. Tuy 
nhiên, nó gây không ít khó khăn khi thay thế 
động cơ nổ bởi động cơ điện để sử dụng cho 
phương tiện thủy thân thiện môi trường như 
tàu năng lượng mặt trời, bởi đặc tính của 
chân vịt đi theo cụm máy lắp ngoài thường 
không được nhà sản xuất cung cấp. Các kết 
quả trình bày trong bài viết này hướng đến 
ứng dụng công cụ mô phỏng số dựa trên mã 
nguồn mở OpenFOAM để khảo sát ngược 
đặc tính thủy động học của chân vịt đi theo 
cụm máy lắp ngoài Suzuki DF 9.9, từ đó đưa 
ra phương án lựa chọn tỉ số truyền động phù 
hợp khi thay thể động cơ nổ bởi động cơ điện 
kết có cùng dãy công suất mà vẫn sử dụng 
được chân vịt gốc và cụm ống bao truyền 
động của cụm máy lắp ngoài Suzuki DF 9.9. 
Đặc trưng thủy động học của chân vịt 
tàu thủy là các đường đặc tính lực đẩy, đặc 
tính mô men xoắn, đặc tính hiệu suất theo tỉ 
số tiến của nó. Và do đó, khi áp dụng các 
công cụ mô phỏng số cho mục đích khảo sát 
đặc tính thủy động học của chân vịt, các thiết 
 4 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 26, Feb 2018 
lập đưa ra thường là trường dòng ổn định 
(steady state) và bỏ qua ảnh hưởng của hiện 
tượng xâm thực (non-cavitation). Phương 
pháp mô phỏng dựa trên những giả thiết trên 
thường được gọi là RANS. Trong RANS, có 
rất nhiều mô hình rối thường được sử dụng 
trong mô phỏng đặc tính của chân vịt, phổ 
biến trong số đó là mô hình rối k-ε, mô hình 
rối k-ω và mô hình rối k-ω SST. Trong các 
nghiên cứu được công bố bởi Chang [1] và 
Sanchez-Caja [2], mô hình rối k-ε được sử 
dụng để mô phỏng số đặc tính của mẫu chân 
vịt P4119; nghiên cứu được công bố bởi 
Guilmineau [3], mô hình rối k-ω SST (một 
biến thể của mô hình k-ω) được lựa chọn cho 
các nghiên cứu chuyên sâu vết hậu lưu phía 
sau chân vịt. Các nghiên cứu này đều có liên 
quan và cho ra kết quả phù hợp. 
Như vậy, mục tiêu chính trong bài báo 
này đó là thông qua việc đánh giá độ tin cậy 
của quá trình mô phỏng tính toán số đặc tính 
thủy động của chân vịt, nhóm nghiên cứu sẽ 
tiến hành lựa chọn tỷ số truyền phù hợp để 
tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của chân vịt 
và động cơ điện. 
2. Xây dựng mô hình mô phỏng số 
đặc tính thủy động học của cụm chân vịt 
lắp ngoài Suzuki DF 9.9 HP 
Biên dạng của chân vịt đi theo cụm máy 
Suzuki DF 9.9 đã được khảo sát và dựng 
hình học 3D bằng phương pháp quét biên 
dạng không tiếp xúc (hình 1.a) [4]. Chân vịt 
khảo sát có đặc trưng về hình học như sau: 
Đường kính (D) là 225 mm; số lá cánh (Z) là 
3; tỉ số P/D đặc trưng là tại 0.7R là 0.9; bước 
hình học trung bình (Pmean) là 205 mm; tỉ số 
AE/A0 là 0.45. Ngoài ra, ống bao động cơ sẽ 
được tích hợp trong mô hình tính toán để 
tăng tính thực tế cho bài toán (hình 1.b, c). 
Hình 2 và hình 3 thể hiện kích thước 
miền lưới được xây dựng dựa theo các 
nghiên cứu trước đây [5]. Với kích thước 
miền lưới như vậy, bài toán mô phỏng sẽ hạn 
chế được các ảnh hưởng của biên cũng như 
tiết kiệm được tối đa thời gian tính toán. 
Hình 1. Hình học của chân vịt và ống bao động cơ. 
Hình 2. Kích thước miền lưới. 
Hình 3. Kích thước của miền quay và các biên của 
miền mô phỏng. 
Ở vùng gần tường (hình 4), số lượng lớp 
biên ít hay nhiều sẽ tùy thuộc vào giá trị Y+ 
lựa chọn. Về cơ bản, số lượng lớp biên càng 
nhiều thì độ chính xác sẽ càng tăng và ngược 
lại. Vấn đề này sẽ được đánh giá ở phần sau. 
Hình 4. Lưới tetra, chia không cấu trúc 
cho miền xoay. 
Ở các mô hình thực nghiệm đánh giá đặc 
tính hoạt động của chân vịt chuẩn 
Wageningen B-series trước đây, hầu hết kết 
quả thực nghiệm đều được tiến hành với chân 
vịt thu nhỏ có đường kính 240 mm, ở số 
vòng quay của chân vịt là 330 vòng/phút ứng 
với số Reynold đặc trưng là 2.1×105 [7]. Để 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 26-02/2018 
5 
có thêm kết quả tham khảo từ các kết quả của 
các loại chân vịt chuẩn Wageningen B-series, 
cụm chân vịt lắp ngoài máy Suzuki DF 9.9 sẽ 
thực hiện mô phỏng số đặc tính hoạt động 
với mô hình rối k-ε ở tốc độ vòng quay là 
330 vòng/phút (tương ứng với số Reynolds là 
2.3×105). 
Hình 5 biểu thị các giá trị kết quả mô 
phỏng số thu được cho hệ số lực đẩy (KT) 
của cụm chân vịt lắp ngoài máy Suzuki DF 
9.9 tại hệ số tiến (J) là 0.9 với các mô hình 
lưới có số phần tử lưới tăng dần. Có thể dễ 
dàng nhận thấy rằng, số phần tử lưới càng 
tăng lên thì giá trị KT tại J là 0.9 có xu hướng 
xác lập về một giá trị xác định. Trong bài 
toán mô phỏng này, Y+ là 30 được chọn 
(tương ứng với cấu trúc miền lưới khoảng 4.8 
triệu phần tử). Theo đó, các kết quả mô 
phỏng số đặc tính của chân vịt đi kèm với 
cụm máy lắp ngoài Suzuki DF 9.9 với Y+ là 
30 sẽ được trình bày ở các phần tiếp theo. 
Hình 5. Đánh giá độ hội tụ lưới lên kết quả mô 
phỏng số của hệ số lực đẩy tại J là 0.9. 
3. Đánh giá kết quả mô phỏng 
Kết quả mô phỏng số trường dòng qua 
cụm chân vịt máy lắp ngoài Suzuki DF 9.9 
tại hệ số tiến (J) là 0.1 được thể hiện ở hình 
6. Phân bố vận tốc giảm dần từ chân vịt chạy 
dài về phía cuối miền tính toán và tiến về giá 
trị vận tốc trường dòng ở J là 0.1. Đó cũng có 
nghĩa là năng lượng được tạo ra bởi chân vịt 
đã bị phân tán hoàn toàn ở phía xa đằng sau. 
Hình 7 thể hiện phân bố áp suất trên mặt 
đẩy và mặt hút của chân vịt. Ở mặt hút nước, 
áp suất tăng dần từ mũi cánh ra đuôi cánh và 
ngược lại ở mặt đẩy nước. Thêm vào đó, áp 
suất ở mặt đẩy lớn hơn mặt hút, điều đó tạo 
ra lực đẩy ngược chiều với vận tốc đầu vào. 
Các điều trên chứng tỏ quá trình mô phỏng 
số đã mô tả chính xác hiện tượng vật lý của 
chân vịt khi hoạt động dưới nước. 
Hình 6. Phân bố vận tốc trên toàn miền mô phỏng. 
Hình 7. Phân bố áp suất mặt đẩy (trái), 
mặt hút (phải). 
Ngoài ra, với hệ số P/D là 0.9 và hệ số 
AE/A0 là 0.45, khi tham khảo các đặc tính 
của chân vịt tàu thủy theo chuẩn Wageningen 
B-series [8], hệ số lực đẩy tĩnh (KTo) của 
chân vịt B-series có cùng P/D và AE/A0 nằm 
trong khoảng 0.40. 
Hình 8 là biểu đồ thể hiện kết quả mô 
phỏng số đặc tính thủy động học của chân vịt 
225×205 mm, ba lá cánh, đi kèm với cụm 
máy lắp ngoài Suzuki DF 9.9. Hiệu suất của 
cụm chân vịt đạt giá trị cực đại tại vị trí J 
trong vùng 0.9 là 0.80 tương ứng với dòng có 
vận tốc là 24 km/h với tốc độ vòng quay 
2000 vòng/phút, lực đẩy tạo ra bởi chân vịt là 
29 kg.f, và công suất yêu cầu là 3 hp. Ngoài 
ra, với các kết quả của KT ứng với các hệ số 
tiến J khác nhau, có thể ngoại suy giá trị KTo 
ứng với điều kiện không có dòng đến chân 
vịt (J bằng zero), theo đó giá trị hệ số lực đẩy 
tĩnh (KTo) của cụm chân vịt thu được từ kết 
quả mô phỏng số là 0.4167 (xem hình 8), giá 
trị này nằm trong dãy giá trị KTo (0.39÷0.42) 
ghi nhận bởi khảo sát thực nghiệm nằm trong 
khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học cấp Sở 
 6 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 26, Feb 2018 
Khoa học công nghệ Thành phố Hồ Chí 
Minh do TS. Lê Tất Hiển làm chủ nhiệm [9]. 
Hình 8. Đặc tính hoạt động của chân vịt 225×205 mm 
đi kèm cụm máy lắp ngoài Suzuki DF 9.9 
Thêm vào đó, khi mô phỏng tính toán 
chân vịt kết hợp với ống bao động cơ, lực 
đẩy thực tế của chân vịt sẽ bị giảm đi do ảnh 
hưởng của lực cản tạo ra bởi ống bao 
(Dống_bao). Hệ số lực cản của ống bao động cơ 
(Cd) sẽ thay đổi theo vận tốc của dòng đi ra 
ứng với tỉ số tiến (J) khác nhau (xem hình 9). 
Hệ số lực cản của ống bao có xu hướng xác 
lập khi J đạt giá trị từ 0.5 trở lên (giá trị hệ số 
lực cản xác lập trong khoảng 0.13 với Cd là 
hệ số lực cản của ống bao động cơ, được tính 
bởi biểu thức sau: 
 Cd = Dống_bao/(0.5×ρnước×V2×Swet) 
Với Swet là diện tích phần ống bao trong 
nước). Điều này là phù hợp với thiết kế khí 
động học của ống bao, nhờ đó giúp giảm 
đáng kể lực cản do ống bao gây ra cho cụm 
chân vịt lắp ngoài khi hoạt động trong dãy 
vận tốc thiết kế của nó. 
Hình 9. Đặc tính cản tạo ra bởi ống bao động cơ. 
Sau khi đối chiếu các đặc tính vật lý và 
kết quả mô phỏng với giá trị thực nghiệm, 
mô hình mô phỏng số khảo sát ngược đặc 
tính hoạt động của cụm chân vịt lắp ngoài 
máy Suzuki DF 9.9 trình bày trong bài viết 
này đã đáp ứng được yêu cầu về độ tin cậy, 
cũng như phản ảnh được bản chất hoạt động 
của cụm chân vịt khảo sát. 
4. Áp dụng kết quả mô phỏng số cho 
giải pháp sử dụng động cơ điện thay cho 
động cơ nổ của cụm máy lắp ngoài Suzuki 
DF 9.9 HP 
Hình 10 biểu thị giá trị mô men xoắn của 
động cơ điện K91-4003 của hãng Advanced 
D.C. Motors [10] và chân vịt tạo ra ở các 
vòng quay khác nhau. Ngoài ra, hình 10 còn 
thể hiện vùng hiệu suất cao của động cơ điện 
nằm trong dải vòng quay từ 2000 vòng/phút 
tới 3200 vòng/phút. Để lựa chọn được tỷ số 
truyền phù hợp cho việc hoán cải động cơ, 
dải vòng quay của động cơ điện trong vùng 
hiệu suất cao của nó sẽ được lựa chọn để 
đảm bảo hiệu suất làm việc của toàn cụm là 
tốt nhất. Từ đó, ứng với một giá trị mô men 
xoắn nhất định, ta sẽ lựa chọn ra được số 
vòng quay tương ứng của động cơ điện và 
chân vịt sao cho mô men xoắn tạo ra của 
động cơ điện luôn lớn hơn moment xoắn cần 
thiết cho chân vịt. Sau khi có các giá trị vòng 
quay tương ứng, ta sẽ tìm ra được dải tỷ số 
truyền phù hợp tương ứng với số vòng quay 
mong muốn của động cơ điện (xem bảng 1). 
Tùy theo mục đích sử dụng và thiết kế, tỉ số 
truyền phù hợp sẽ được người kĩ sư lựa chọn 
sao cho chân vịt sẽ có mô men xoắn đủ lớn 
tạo ra lực đẩy phù hợp với điều kiện ban đầu 
đặt ra trong thiết kế. Như vậy, để có thể hoán 
cải động cơ nổ bốn thì Suzuki DF 9.9 hp 
nguyên bản của nhà sản xuất sang động cơ 
điện K91-4003 của hãng Advanced D.C 
Motors [10], người dùng có thể lựa chọn 
phương án truyền động trực tiếp với động cơ 
điện hoặc lắp đặt hộp tăng tốc cho chân vịt 
với tỉ số truyền phù hợp trong vùng từ 100:93 
đến 100:87 để có thể tận dụng được tối đa 
moment xoắn của động cơ điện cho hoạt 
động của chân vịt mà vẫn đảm bảo hiệu suất 
hoạt động của động cơ điện trong vùng hiệu 
suất cao của nó (hiện tại cụm chân vịt lắp 
ngoài Suzuki DF 9.9 sử dụng hộp giảm tốc 
với tỉ số truyền là 12:25). 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 26-02/2018 
7 
Bảng 1. Dãy tỉ số truyền phù hợp. 
Tốc độ vòng 
quay muốn 
của motor 
(vòng/phút) 
2200 2150 2100 2000 
Dãy tỉ số 
truyền phù 
hợp 
93:100 1:1 100:93 100:87 
Hình 10. Moment xoắn tạo ra bởi chân vịt 
và động cơ điện. 
5. Kết luận 
Việc áp dụng phương pháp khảo sát 
ngược đặc tính hoạt động của chân vịt đi kèm 
với cụm máy lắp ngoài dựa nền tảng mã 
nguồn mở OpenFOAM, bài viết đã đưa ra 
được một mô hình mô phỏng số đặc tính hoạt 
động của chân vịt 225×205 mm, ba lá cánh đi 
kèm với cụm máy lắp ngoài Suzuki DF 9.9. 
Mô hình lưới, mô hình rối k-ε và giá trị Y+ 
được đưa ra trong bài viết hoàn toàn có thể 
áp dụng trong việc khảo sát ngược đặc tính 
của các mẫu chân vịt đi kèm theo cụm máy 
lắp ngoài khác. Các kết quả thu được của 
cụm chân vịt lắp ngoài Suzuki DF 9.9 có giá 
trị tham khảo cao cho việc lựa chọn tỉ số 
truyền động phù hợp khi hoán cải động cơ nổ 
nguyên bản bởi đông cơ điện cho các phương 
tiện thủy dùng năng lượng điện 
Lời cảm ơn 
Nhóm tác giả xin gửi lời cám ơn chân 
thành đến Phòng Thí nghiệm Tính toán Hiệu 
năng cao, Trường Đại học Bách khoa, 
ĐHQG-HCM đã cung cấp cho nhóm nghiên 
cứu tài nguyên máy tính để thực hiện bài viết 
này. Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học 
Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-
HCM) trong khuôn khổ Đề tài mã số C2017-
20-01. 
Tài liệu tham khảo 
[1] Chang B., Application of CFD to P4119 
propeller, 22nd ITTC Propeller RANS/Panel 
Method Workshop, France, 1998. 
[2] Sanchez-Caja, A P4119 RANS calculations at 
VTT, 22nd ITTC Propeller RANS/Panel Method 
Workshop, France, 1998. 
[3] E. Guilmineau, G.B. Deng, A. Leroyer, P. 
Queutey, M. Visonneau and J. Wackers, Wake 
simulation of a marine propeller, 11th World 
Congress on Computational Mechanics, 2014. 
[4] Ngô Khánh Hiếu, Lê Tất Hiển, đặc trưng hình 
học và đặc tính thủy động lực chân vịt phương 
tiện thủy nội địa cỡ nhỏ, Tạp chí phát triển khoa 
học và công nghệ tập 18, 2015, trang 110-116. 
[5] Bùi Khắc Huy, Phan Quốc Thiện, Ngô Khánh 
Hiếu, Phương Pháp Chia Lưới Tự Động Cho Bài 
Toán Mô Phỏng Chân Vịt Tàu Thủy, Tạp chí 
khoa học công nghệ giao thông vận tải số 18, 
02/2016, trang 27 -31. 
[6] Service manual Suzuki outboard motor 9.9/15 hp 
for 2005 model. 
[7] Allan B.Murray, B.V.Korin-Kroukovsky, 
Edward V.Lewis, Self – Propulsion Tests with 
Small Models, In The Society of Naval 
Architects and Marine Engineers, Washington 
D.C, 1951. 
[8] M.M.Bernitsas, D.Ray, P.Kinlet, Kt - Kq and 
Efficiency Curves for the Wageningen B-Series 
Propellers, Technical Report, Naval Architecture 
& Marine Engineering (NA&ME), 1981 
[9] Ngô Khánh Hiếu, Nghiên cứu hệ thống thực 
nghiệm đo lực đẩy của chân vịt, Báo cáo chuyên 
đề của đề tài NCKH cấp Sở KHCN Tp. HCM 
năm 2014 về “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tàu 
khách đường sông dưới 20 chỗ ngồi sử dụng 
công nghệ Hybrid với năng lượng mặt trời” do 
TS. Lê Tất Hiển làm chủ nhiệm, 2017. 
[10] Thông số kỹ thuật của động cơ điện DC, K91-
4003,  
download/K91-4003.pd. 
 Ngày nhận bài: 19/12/2017 
 Ngày chuyển phản biện: 22/12/2017 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 12/1/2018 
 Ngày chấp nhận đăng: 19/1/2018