›
›

Giáo trình Thiết kế tàu nhiều thân

pdf 128 trang ngocly 30
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thiết kế tàu nhiều thân", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_thiet_ke_tau_nhieu_than.pdf

Nội dung text: Giáo trình Thiết kế tàu nhiều thân

  1. TÀI LIỆU HỌC TẬP DÀNH CHO SINH VIÊN KHOA ĐÓNG TÀU VÀ CÔNG TRÌNH NỔI THIẾT KẾ TÀU NHIỀU THÂN
  2. Trang này để trống
  3. TÀI LIỆU HỌC TẬP DÀNH CHO SINH VIÊN KHOA ĐÓNG TÀU VÀ CÔNG TRÌNH NỔI THIẾT KẾ TÀU NHIỀU THÂN Những người viết: 3
  4. Mục lục Chương 1 Tàu nhiều thân 5 Chường 2 Thiết kế tàu nhiều thân 2.1 Thiết kế tàu catamaran 20 2.2 Thiết kế tàu hai thân đường nước nhỏ SWATH 30 2.3 Tàu hai thân trên cánh 35 2.4 Thiết kế tàu ba thân 38 2.5 Kết cấu thân tàu 41 2.6 Độ bền kết cấu tàu hai thân 55 Chương 3 Sức cản. Thiết bị đẩy tàu 62 3.1 Tính sức cản sóng tàu nhiều thân 62 3.2 Áp dụng dụng CFD tính sức cản vỏ tàu 67 3.3 Phương pháp tính sức cản của Mercier và Savitsky 70 3.4 Đồ thị tính sức cản tàu 2 thân/ 3 thân 72 3.1 Thiết kế máy đẩy tàu chạy nhanh 85 Chương 4 Các đường tính nổi. Đường cross curves 115 4.1 Tính các đường tính nổi tàu một thân trên máy tính cá nhân 115 4.2 Thau65t toán xác lập họ đường cross curves (pantokaren) 121 4.3 Tính đặc trưng hình học tàu nhiều thân 124 4.4 Tính họ đường cross curves tàu nhiều thân 125 4.5 Dựng đồ thị ổn định trên cơ sở đường pantokaren 125 4
  5. Chương 1 TÀU NHIỀU THÂN Thường gặp trong thực tế tàu hai thân có tên gọi catamaran và tàu ba thân, trimaran. Hình ảnh dễ nhận biết tàu nhiều thân trình bày tại hình 1.1. Tàu hai thân có kích thước trải trong phạm vi rộng. Tàu cỡ nhỏ chiều dài chỉ khoảng 5 m, tàu cỡ lớn dài hơn trăm mét. Tàu 3 thân thông thường có kích thước lớn hơn, tùy thuộc công dụng. Thuyền thể thao 3 thân, các thân dài gần như nhau, đặt cách nhau khẩu độ đủ lớn. Tàu 3 thân, ảnh phía phải hàng dưới hình 1.1 với phần thân giữa dài, rộng, hai thân còn lại chiều dài ngắn hơn chừng 50% chiều dài thân giữa, chiều rộng nhỏ hơn. Hình 1.1 Tàu 2 thân (dòng trên) và 3 thân (dòng dưới) 5
  6. Hình 1.2 Tàu catamaran thể thao, du lịch Tàu hai thân và tàu ba thân đã sử dụng có kết quả từ rất lâu. Thời xa xưa xuồng hai thân mà ngày nay chúng ta gọi catamaran đã được dùng phổ biến tại các đảo trên Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương. Thổ dân các đảo Ấn Độ Dương gọi đây là Katu Maram, còn trong ngôn ngữ Mã Lai thuyền dạng này dược gọi Kattamaram. Kiểu thuyền này có từ trước công nguyên. Phương tiện vận tải này phát triển sang châu Âu từ thế kỷ XVII - XIX. Tàu hai thân hiện đại bắt nguồn từ châu Âu, khoảng đầu những năm sáu mươi. Tàu vỏ hợp kim nhôm dài 35 mm đã ra đời trong những năm đó. Tàu hai thân thế hệ mới với những cải biên nhất định ra đời từ những năm bảy mươi cũng từ châu Âu. Đạc tính nổi trôi tàu hai thân là sức cản sóng nhỏ hơn so với với tàu một thân cùng lượng chiếm nước, tính ổn định tàu “cải thiện” nhiều hơn so với tàu một thân nhờ chiều rộng toàn tàu rất lớn. Ưu việt tiếp theo để tàu kiểu này được chuông là tính êm của tàu trong rất nhiều trường hợp tốt hơn tàu một thân. Những ưu điểm đang nêu thể hiện trong những trường hợp cụ thể, điều kiện cụ thể. Từ những năm bảy mươi nhiều nước châu Âu đã phát triển dạng mới tàu catamaran có tên gọi wave-piercing catamaran. Đặc tính nổi trội tàu kiểu mới là thân tàu có khả năng cắt sóng, hay nói cách khác là cho phép hạn chế sóng phát sinh từ thân tàu lúc chạy. Nhìn từ bên ngoài, tàu nhóm này thay đổi hình dáng và kết cấu hai thân, đặc biệt là phần trước thân tàu. Mũi tàu, trong trường hợp này 2 mũi tàu, như những thiết bị cắt sóng nhô hẵn về trước. Thiết bị này có chức năng giảm việc tạo sóng quanh tàu lúc chạy, hạn chế biên độ sóng và quá trình lan tỏa sóng dọc thân tàu. Trong một nghĩa gần với lý thuyết tàu đây là dạng “waveless form” được các nhà nghiên cứu trẻ đề xuất trong những năm cuối thế kỷ XX. Nhờ đặc tính này sức cản sóng tàu hai thân đời mới giảm đáng kể, vận tốc các tàu thế hệ này tăng cao. Cuối thế kỷ XX đã có những tàu hai thân chở khách dài trên 100 m, sức chở đến 1300 - 1400 người, khai thác ở vận tốc xấp xỉ 45 Hl/h. Những tàu thuộc nhóm wae-piercing trình bày tại các hình tiếp theo 6
  7. Hình 1.3 Tàu nhóm wave-piercing catamaran Hình 1.4 Sea-Cat Để ý rằng hình dáng tàu wave-piercing rất đa dạng. Rất nhiều tàu được thiết kế gần giống tàu ba thân, đối xứng qua mặt cắt dọc giữ tàu. Phần thân giữa kích thước lớn, thường thuộc đường hình deep V, rất giống đáy tàu planning. Đáy tàu phần này nằm cao trên mặt nước tĩnh. Hai phao có dạng thoát nước. Kết cấu dạng này tạo điều kiện cho tàu chạy nhanh nhờ giảm sức cản sóng, tính êm thỏa mãn yêu cầu sử dụng. Nhóm tàu chạy nhanh của Hải quân USA đang thiết kế theo kiểu này. Hình 1.5 Tàu HSV hải quân USA 7
  8. Tiếp sau nhóm wave-piercing những nhà thiết kế đề xuất catamaran với hình dạng phần chìm cải tiến nhằm giảm biên độ cà cường độ sóng, làm cho tàu catamaran thân thiện với môi trường. Tàu với đặc tính này thuộc nhóm low-wash hay còn gọi low-wave catamaran. Tàu SWATH viết tắt từ Small Water-Plane Area Twin Hull có gốc từ tàu hai thân, diện tích đường nước nhỏ được quan tâm phát triển thời gian gần. So với tàu hai thân kiểu kinh điển Hình 1.6 Tàu SWATH so với catamaran. Tàu hai thân trên cánh được phát riển từ những năm tám mươi. Ngày nay tàu được thiết kế và chế tạo dưới hai dạng: hydrofoil catamaran và foil-assisted catamaran. Chúng ta sẽ bàn về nhóm này chương sau của sách. Hình 1.7 Tàu hai thân trên cánh, thiết kế Nam Phi 8
  9. Những ứng dụng của tàu nhiều thân tóm tắt như sau: Tàu du lịch: tàu catamaran du lịch thường có sức chở từ vài chục người đến vài trăm người. Tàu du lịch hai thân ngày nay có sức chở 1500 khách đang hoạt động có hiệu quả. Những tàu này khai thác ở vận tốc khá lớn, thông thường 25 – 30 Hl/h. Một số trong đó đã đạt vận tốc 45 – 50 Hl/h. Hình 1.8 Tàu du lịch kiểu catamaran 9
  10. Hình 1.9 Catamaran du lịch “Povl Anker” Hình 1.10 Tàu cao tốc HSS 10
  11. Tàu thuộc seri HSS Discovery thuộc Stena Line xuất xứ từ Finland. Kích thước chính của tàu chở khác – du lịch đang quí này: LxBxd = 126,6 x 40 x 4,8 (m). Sức chở của catamaran: 1500 khách, 375 xe. Dung tích đăng ký: GT/NT là 19638/5891. Công suất các máy 78.000 kW. Vận tốc khai thác 40 Hl/h. Tàu chở khách: Tàu catamaran chở khách một thời được ưa chuộng tại nhiều nước. Số khách trên tàu nhóm này thay đổi giới hạn rộng. Những tàu cỡ nhỏ chở chỉ khoảng 10 khách, tàu cỡ lớn đã chở đến 700 khách. Thực tế khai thác tàu hai thân chở khách đường sông trong những năm bảy mươi tại Nga cho thấy rằng, tàu làm việc ổn định, tính êm của tàu thỏa mãn những yêu cầu sử dụng, lắc ngang của tàu không quá 4 – 5 độ. Khi tàu có sức chở khách như nhau, so với tàu một thân truyền thống tàu hai thân có lượng chiếm nước chỉ khoảng 55- 60%, theo đó công suất máy cần thiết cho tàu cỡ ấy giảm 30% nếu so với tàu truyền thống cùng vận tốc. Theo sách báo của Nga, ưu việt tàu khách hai thân còn thể hiện ở những khía cạnh khác: mớn nước tàu giảm nhờ lượng chiếm nước giảm đáng kể, tính quay trở tốt vv Hình 1.11 Tàu khách “Отдых” Hình 1.6 trình bày tàu chở khách “Отдых” một thời nổi tiếng ở Nga. Bố trí của tàu như sau: 1 – buồng máy, 2 – phòng khách 183 người, 3 – phòng ngoan cảnh, 4 – phòng khách 69 người, 5 – phòng 11
  12. khách 68 người, 6, 7 – khu vực giải trí của khách, 8 – buồng accumulators, 9 – buồng phát thanh, 10 – kios, 11 – buồng thuyền viên, 12 – thang máy, 13 – bar, 14 – nhà bếp, 15 – kho thực phẩm. Hình 1.12 FoilCat Hình 1.13 Tàu khách kiểu catamaran Hình 1.14 Tàu khách hai thân thiết kế những năm bảy mươi 12
  13. Hình 1.15 Tàu khách hai thân chạy tuyến Đồ Sơn – Cát Bà Cần nêu thêm tàu khách hai thân vỏ hợp kim nhôm ký hiệu ST180, thiết kế và chế tạo thành công mỹ mãn trong nước, theo như giới thiệu của người thiết kế và nhà chế tạo. Theo thông báo chính thức nhà sản xuất tàu dài 33,3 m; rộng 9,3 m; mớn nước 1,4 m; sức chở 236 người; công suất máy 2x2366HP; vận tốc 32 Hl/h, cuối năm 2004 đã được đưa vào sử dụng trên tuyến đường biển Rạch Giá – Phú Quốc. Chủ tàu đặt tên “Hải Âu” cho tàu, xem ảnh dưới đây. Lúc này những người có trách nhiệm điều chỉnh vận tôc tàu còn 28 Hl/h. Chỉ khai thác thời gian ngắn, vì chi phí khai thác tàu lớn, khả năng hòa vốn không thấy nên chủ tàu đã phải rao bán. Theo tường thuật các báo, “Hải Âu tức là ST180” lúc quyết toán 50 tỷ đồng, khi rao bán chủ tàu ra giá 42 tỷ. Mức giá một khách hàng trả chỉ dừng ở mức16 tỷ đồng. Hình 1.15 Catamaran vỏ hợp kim nhôm ST180 - tàu khách “Hải Âu” 13
  14. Tàu tuần tra: Tàu hai thân làm chức năng tàu tuần tra xuất hiện muộn hơn so với các ứng dụng khác. Tàu tuần tra thiết kế với vận tốc trên 30 Hl/h. Kiểu tàu được chuộng ngày nay là tàu hai thân trên cánh (hydrofoil catamaran). Một trong những tàu do hãng Boeing sản xuất “Jetfoil” dài 27,4m, rộng 9,5 m, có vận tốc khai thác 42 Hl/h Tàu hai thân trên cánh phổ biến trong ứng dụng quân sự và dân sự là “Foilcat” dài 35 m, rộng 12 m, phát huy vận tốc 45 Hl/h. Hình 1.16 Boeing JetFoil Tàu đánh cá hai thân, làm từ thép đóng tàu đã ra đời và trải qua thử nghiệm thực tế. Tính ổn định tàu đầu tiên được coi là rất đảm bảo. Tính êm phù hợp điều kiện làm việc của đoàn thủy thủ. Sàn công tác của tàu rất rộng, tiện cho khai thác, bảo quản sản phẩm. Tuy tính năng kỹ thuật được đề cao song số lượng tàu kiểu này không cao. 14
  15. Hình 1.18 Tàu cá hai thân “Experiment” 15
  16. Hình 1.19 Bố trí chung tàu “Experiment” 1 – xưởng chế biến cá, 2 – buồng máy, 3 – máy kéo tời, 4 – buồng điều khiển tàu, 5 – phòng ăn, 6 – phòng máy, 7 – buồng máy lái, 8 - làm mát, 9 – buồng máy tàu, 10 – phòng máy phụ, 11 - buồng lạnh, 12 – hầm cá, 13 – máy móc cơ khí, 14 – kho sơn, 15 – kho sản phẩm chóng hỏng, 16 – d9ie62u2 khiển trung tâm, 17 - phòng các thiết bị đo thủy âm, 18 – thruster, 19 – hầm cấp đông , 20 – lab, 21 – lab, 23 – điều hòa trung tâm, 24 – nhà bếp 16
  17. Hình 1.20 Tàu cá kiểu catamaran Tàu dịch vụ dầu khí Tàu hai thân tham gia vào dịch vụ dầu khí bằng các kiểu tàu: tàu cung ứng dịch vụ, xem hình phía phải dòng trên hình 1.21. Tàu supply trong ảnh thiết kế cho chế độ khai thác đến 30 Hl/h. Hình 1.21 Tàu dịch vụ dầu khí Dòng thứ hai của hình 1.21 giới thiệu giàn khoan di động catamaran tương tự giàn semi- submersible. 17
  18. Cần cẩu nặng Cần cẩu Svanen sức nâng 8700t do Netherlands sản xuất. Loa = 102,8 m; B = 71,8 m; b = 24,4 m; D = 6 m; d = 4,5 m. Hình 1.22 Cần cẩu dạng catamaran, sức nâng 8700 t. Hình 1.23 Cần cẩu kiểu catamaran “Ispolin” 18
  19. Cần cẩu nổi dạng catamaran sản xuất tại Liên Xô trước đây. Loa = 148,7 m; LWL = 130 m; B = 50 m; D = 12 m; d = 4,35 m. Deadweight 3900 t. Tàu tự hành, vận tốc 11 Hl/h. Sức nâng cẩu: 2 x 6000 kN. 19
  20. Chương 2 THIẾT KẾ TÀU NHIỀU THÂN 2.1. Thiết kế tàu catamaran Tàu hai thân kiểu kinh điển gồm hai thân mảnh, đặt cách nhau khoảng cách thích hợp. Đường hình thân tàu thuộc dạng “vỏ dưa” hoặc tàu đáy phẳng gập chữ V. Kích thước chính catamaran hiểu như sau đây, hình 2.1. Hình 2.1 Kích thước tại mặt cắt ngang tàu 2 thân Chiều dài tàu ký hiệu L, gồm Loa – chiều dài toàn bộ, Lpp – chiều dài giữa 2 trụ, LWL – chiều dài đường nước thiết kế. Ký hiệu ghi tại hình 2.1 hiểu là: B – chiều rộng tàu, b – chiều rộng thân tàu, ST – khoảng cách giữa hai vách trong của tàu (clear distance between inside hull surfaces), SC – khoảng cách giữa hai thân (hull separation). HB - chiều cao cầu, HT – chiều cao từ đường nước thiết kế đến đáy của cầu tàu. Đường hình có thể dùng thiết kế tàu hai thân, dạng thân đối xứng tìm thấy tại tài liệu “Thiết kế tàu cỡ nhỏ chạy nhanh”, NXB Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. Đường hình vỏ tàu có thể đối xứng qua mặt cắt dọc giữa tàu hoặc không đối xứng. Thân tàu có thể thuộc một trong các dạng nêu tại hình Hình 2.2 Đường hình tàu nhiều thân 20
  21. Những đường hình có mặt trên các tàu thực tế có thể như sau: Hình 2.3 Đường hình d0a85c trưng tàu hai thân Chọn kích thước chính catamaran theo đồ thị tại các hình 2.4 đến 2.5 21
  22. Hình 2.4 Hình 2.5a Hình 2.5b 22
  23. Hình 2.5c Chọn tỷ lệ b/T hợp lý nhằm giảm sức cản vỏ tàu. Hình 2.6 Chiều chìm T của tàu căn cứ vào yêu cầu bố trí chân vịt tàu để xác định. Tỷ lệ b/T có ảnh hưởng nhất định đến sức cản vỏ tàu, cần cân nhắc trước khi xác định giá trị chính thức. 23
  24. Hệ số béo thân tàu nằm trong phạm vi 0,45 đến 0,55. Góc rẽ nước tại đường nước thiết kế cố gắng càng nhỏ càng có lợi khi tính sức cản tàu. Tàu chạy nhanh vận tốc đến 40 Hl/h, kích cỡ lớn nên chọn góc rẽ nước khoảng 3° đến 5°. Tàu cỡ nhỏ, vận tốc không lớn nên chọn góc này trong phạm vi 10° đến 12°. Những tàu có thể tham khảo khi thiết kế tàu kiểu kinh điển: Thông số chính Austal InCat Westmaran Delphin Chiều dài, m 40 70,4 42,23 82,3 Chiều rộng, m 11,5 19,5 10, 23 Chiều chìm, m 1,4 2,15 1,6 2,5 Chiều cao, m 5,65 6,5 Công suất máy, kW 4000 21240 4000 24000 Lượng chiếm nước, t 650 1100 Vận tốc, Hl/h 32 45 35 37,5 Khách, người 338 294 230 600 Xe 53 175 Bố trí chung tàu catamaran chở khách Hình 2.7 Catamaran “Villum Clausen” ảnh chụp năm 2004 24
  25. Catamaran “Villum Clausen” hạ thủy từ năm 2000. Tàu có khả năng chở 1055 khách. Vận tốc khai thác xấp xỉ 48 Hl/h. Hình 2.8 Bố trí chung “Villum Clausen” 25
  26. Hình 2.9 Bố trí chung tàu du lịch hai thân sử dụng waterjet Tàu kiểu weave-piercing Tàu nhóm này thiết kế để làm việc ở miền vận tốc cao. Tùa gồm hai thân mảnh và dài, chiều cao mạn khô thấp ở mức giới hạn. Lực nổi phần mũi tàu phải nhỏ. Mũi tàu có hình dạng thích hợp việc cắt sóng và hạn chế sóng lan tỏa quanh thân. Với tính năng đó sức cản tàu có thể giảm, lắc dọc tàu nhẹ nhàng hơn, gia tốc lắc nhỏ hơn so với tàu kiểu kinh điển. Tàu nhóm này phát triển từ đầu những năm tám mươi, ngày nay đang tiếp tục phát triển. Những tàu tiêu biểu như sau: Thông số InCat AMD 1500 Gold Coast Chiều dài, m 77,5 99,87 31,7 Chiều rộng, m 26 20 9,8 Chiều chìm, m 3,4 3,10 1,35 Chiều cao, m 7,2 12,6 Công suất máy, kW 17280 18960 2600 Lượng chiếm nước, t 785 2200 61,1 Vận tốc, Hl/h 35 30 35 Khách, người 600 460 35 Xe 150 94 26
  27. Hình 2.10 Wave-piercing catamaran họ INCAT Thiết kế tàu hai thân dạng ít sóng Nhóm tàu thân thiện hơn với môi trường, gây sóng nhỏ được gọi bằng thuật ngữ mới hình thành low-wash, còn hiểu là low-wave. Tàu với đường hình tạo sóng nhỏ được dùng phổ biến trong vận tải khách đường song hoặc tuyến đường ven biển gần và kín. Đường hình tàu nhóm này thuộc kiểu “vỏ dưa”. Thân tàu dài, tỷ lệ L/B lớn hơn các tàu khác nhóm. Sóng tạo ra dọc tàu có biên độ nhỏ. Những nghiên cứu lý thuyết tàu vawe-piercing đưa lại những kết quả sau: Hình 2.11 Mô hình tàu nghiên cứu Hình 2.12 Kết quả nghiên cứu cắt sóng, giảm sóng của tàu low-wash 27
  28. Những tàu tiêu biểu như sau: Thông số FBM Transcat NQEA Chiều dài, m 23 44 35 Chiều rộng, m 5,7 11,8 10,5 Chiều chìm, m 0,75 1,4 1,35 Công suất máy, kW 500 1900 750 Vận tốc, Hl/h 25 25 24 Khách, người 62 496 200 Hình 2.13 Low-Wash Catamaran chạy sông Hình 2.14 Low-Was Cat “Bermuda” Phần tiếp giới thiệu tàu hai thân cỡ nhỏ lớp low wash. Chiều dài toàn bộ Loa 25,2 m Chiều dài đường nước thiết kế LWL 24,8 m Chiều rộng B 8,0 m Chiều chìm d 1,0 m Máy chính : 2 x Yanmar 6LY2ASTP 440 HP Hộp giảm tốc: 2 x ZF IRM350 Chân vịt: 5 cánh, đường kính D = 28” Vận tốc tối đa 24 Hl/h; Vận tốc khai thác 21 Hl/h 28
  29. Hình 2.15a Tàu low-wash dài 25 m Hình 2.15b Low wash catamaran chạy sông dài 24 m 29
  30. 2.2 Thiết kế tàu hai thân đường nước nhỏ SWATH Nhóm tàu đường nước nhỏ chia là hai phân nhóm, tàu SWATH (viết tắt từ cụm từ small waterplane area twin hull) đúng nghĩa và tàu nửa SWATH (semi-SWATH). Diện tích đường nước tàu nhỏ là biện pháp hạn chế ảnh hưởng mặt thoáng vùng nước đến chuyển động tàu. Nhờ giảm bớt diện tích mặt cắt thân tàu với mặt thoáng chúng ta có thể hạn chế biên độ, gia tốc chòng chành tàu, giảm sức cản sóng của tàu. Hình 2.16 Tàu kiểu SWATH và semi-SWATH Tàu SWATH dùng rộng rãi trong vận chuyển hành khách và trong các mục đích quân sự. Thông số SSC 40 Atlantic Navatek Cloud Diamond Chiều dài, m 44 37 44 37 115,8 Chiều rộng, m 16 13 16 18 32 Chiều chìm, m 3,5 2,7 2,5 3,4 8,0 Công suất máy, kW 8000 4100 2000 5700 11300 Lượng chiếm nước, t 180 340 Vận tốc, Hl/h 30,6 31,7 18 30 12,5 Khách, người 410 400 440 365 354 Xe Thông số Kotozang Kayo Suave Uno Halcyon Tagos-19 Năm chế tạo 12/1980 10/1984 1981 4/1981 9/1991 Chiều dài toàn bộ, m 27,0 61,5 19,2 18,3 71,5 Chiều dài thiết kế, m 25,0 53,0 16,8 Chiều rộng, m 12,5 28,0 9,1 9,2 28,5 Chiều chìm, m 3,2 6,3 2,13 2,3 7,6 Công suất máy, PS 2x1900 4x1360 2x425 4x1000 kW kW Lượng chiếm nước, t 236 3500 53 57 3396 30
  31. Vận tốc, Hl/h 20,5 13,2 14 22 16 Khách, người 29crew+ 40 20+3crew 22crew+5 nhà nghiên nhà nghiên cứu cứu Hình 2.17 Chế tạo tàu SWATH Tàu semi-SWATH có đặc tính pha trộn: nửa tàu phần mũi là tàu SWATH, nửa sau là tàu catamaran kiểu kinh điển. Sự kết hợp này mang lại những ưu điểm được thực tế kiểm nghiệm là tính êm của tàu giống tàu SWATH còn tính di chuyển, tức sức cản và công suất máy đòi hỏi không cao. Thông thường các tàu này sử dụng hệ thống thiết bị đẩy máy phụt nước (waterjet). Những tàu semi-SWATH tiêu biểu như sau: Thông số HSS1500 Sten HS 900 SeaJet 250 Chiều dài, m 124 88 76 Chiều rộng, m 40 28 23 Chiều chìm, m 4,5 3,7 3,4 Chiều cao, m 13 12,6 8,05 Công suất máy, kW 70000 34000 30000 Lượng chiếm nước, t 4000 1650 890 Vận tốc, Hl/h 44 40 44 Khách, người 1500 900 450 Xe 375 212 120 31
  32. Hình 2.18 Những thiết kế tàu SWATH tham khảo Hình 2.19a 32
  33. Hình 2.19b Hình 2.19c 33
  34. Hình 2.20 Hình 2.21 34
  35. 2.3 Tàu hai thân trên cánh (hydrofoil catamaran) So với tàu nổi, tàu trên cánh giúp người thiết kế giảm 30% đến 40% sức cản thân tàu nhờ giảm thiểu diện tích mặt tiếp nước. Để làm điều này cần thiết bố trí cánh cho tàu hai thân. Hiện có 2 cách bố trí cánh: (1) chỉ bố trí một cánh, hình phía phải và (2) bố trí 2 cánh, hình phía trái. Chọn profil cánh, bố trí cánh thích hợp cho tàu theo phương án lắp 2 cánh đề nghị bạn đọc xem chưởng “tàu trên cánh” trong sách “Thiết kế tàu cỡ nhỏ chạy nhanh”, NXB ĐHQG Tp HCM. Hình 2.22 Bố trí cánh ngầm cho catamaran Tàu lắp chỉ 1 cánh tạo nhiều khó khăn cho người thiết kế lúc xác định vị trí đặt cánh. Cần tính toán và cần nhất, tích lũy kinh nghiệm thiết kế để chọn đúng vị trí đặt cánh trong quan hệ với vị trí tâm nổi tàu, trọng tâm tàu. Những tàu tiêu biểu như sau: Thông số RHS FoilCat Chiều dài, m 31,2 35 Chiều rộng, m 6,7 12 Chiều chìm, m 3,76 4,7 Công suất máy, kW 2800 8950 Vận tốc, Hl/h 34,5 45 Khách, người 240 400 Tàu hydrofoil-assisted catamaran Tàu kiểu này hoạt động theo nguyên lý, cánh ngầm tạo lực nâng đủ đở từ 25% đến 90% trọng lượng tàu lúc làm việc, phần còn lại trông đợi vào lực nổi thân tàu. Có thể hình dung, khi chạy với voa65nto61c cao toàn bộ phần trước thân tàu nổi hẵn trên mặt nước nhờ lực nâng của cánh ngầm, phần lái tàu chìm trong nước, xem các ảnh dưới đây. Cơ chế này cho phép người thiết kế bố trí thiết bị đẩy tàu tại phần thân tàu luôn nằm trong nước. 35
  36. Thông số H148 SF40 Chiều dài, m 32 41 Chiều rộng, m 8,6 12,4 Chiều chìm, m 1,0 1,2 Công suất máy, kW 4x735 4x1740 Máy đẩy Waterjet 450DD=DB Waterjet 550DD=DB Vận tốc, Hl/h 45 55 Khách, người 200 330 Một trong những tàu cỡ lớn của nhóm, tàu Patrico dài 72m thiết kế cho vận tốc từ 45 đến 57 Hl/h. Hình 2.23 Hydrofoil-assisted catamaran 36
  37. Hình 2.24 Tàu SF40 dài 41m, sức chở 330 khách tại xưởng Hình 2.25 Tàu 2 thân kiểu foil-assisted “Kvichak”dài 17 m, vận tốc 30 Hl/h 37
  38. 2.4 Tàu ba thân – trimaran Tàu 3 thân thiết kế theo mô hình đã qua thử nghiệm. Thân giữa có hình dạng gần với tàu một thân, tỷ lệ giữa chiều dài và chiều rộng rất lớn. Hai thân hai bên chiều dài ngắn. Tỷ lệ giữa các kích thước thân giữa và thân bên cạnh tham khảo tại bảng sau: Tên gọi Thân giữa Thân bên Chiều dài đường nước LWL, m 150,0 60,0 Chiều rộng thân, m 10,80 1,80 Chiều chìm, m 5,50 2,80 Lượng chiếm nước, t 4289 198, chiếm 4,2% D toàn bộ Hệ số CM 0,803 Hệ số CP 0,581 Kích thước chính của tàu: Chiều dài toàn bộ LOA, m 160,0 Chiều rộng toàn bộ , m 25,0 Chiều cao , m 11,70 Lượng chiếm nước 4685 t Những tàu ba thân đã được nghiên cứu, thiết kế như sau: ASW OPV carrier Fast Ferry Canada Lượng chiếm nước, t 4200 514 16657 11300 1350 Loa , m 154,7 78,8 231,6 105,0 120,0 B, m 27,5 13,7 43,0 19,2 25,0 D, m 10,2 8,5 23,6 8,5 8,0 Thân chính LWL , m 148,7 76,8 220,0 99,0 115,0 BWL, m 10,4 4,2 14,5 6,8 6,5 d, m 5,2 3,4 6,0 3,4 3,2 Thân bên cạnh LWL , m 36,0 28,0 82,0 35,0 30,0 BWL, m 3,0 0,7 4,0 1,5 2,0 d, m 3,6 2,1 6,5 2,0 1,5 Công suất máy chính, MW 24 4 70 20 20 Vận tốc lớn nhất, Hl/h 28 25 27 38 36 Thiết kế tham khảo 38
  39. Hình 2.26 Tàu trimaran “Triton” 39
  40. Hình 2.27 Tàu trimaran trong thực tế Hình 2.28 Hạ thủy trimaran 40
  41. 2.5 Kết cấu thân tàu Thân tàu catamaran gồm các phần chính: (1) thân tàu (gồm 2 thân, đối xứng qua mặt cắt dọc giữa tàu) đảm bảo độ bền dchung, tính nổi tàu và mang hệ thống động lực cùng thiết bị đẩy tàu, (2) cầu nối đảm bảo độ bền ngang thân tàu, (3) thượng tầng, trong đó bố trí toàn bộ người đi tàu, đoàn thủy thủ. Hình 2.29 Mặt cắt ngang tàu hai thân Trong lượng tàu không của catamaran xác định sơ bộ theo đồ thị hình . Hình 2.30 Xác định trong lượng tàu không theo LWL Vật liệu làm tàu Vật liệu làm tàu cao tốc phải là vật liệu nhẹ. Kết cấu tàu làm từ hợp kim nhôm trình bày tiếp Thép đóng tàu Thép là vật liệu thông dụng làm tàu. Trong đội tàu cỡ nhỏ, chạy nhanh thép vẫn có chổ đứng tuy không phải là vật liệu phổ biến nhất. Thép được dùng làm vỏ thuộc nhóm thép các bon thông thường, dễ hàn. Theo phân loại của các Đăng kiểm, thép đóng tàu được phân thành năm cấp (grade) mang ký hiệu A, B, C, D và E. Cả năm cấp đều có giới hạn bền, độ kéo dài tương đối gần như nhau. Thép cấp D và E ngoài thử uốn như các cấp khác còn phải chịu thử va đập. Độ bền kéo của thép đóng tàu vào khoảng 400 – 500 MPa, giới hạn chảy khoảng 220 – 250 MPa. 41
  42. Thép cán dùng đóng tàu chạy nhanh phải thỏa mạn các yêu cầu sau đây, theo qui định của người Nhật và chúng ta được phép sử dụng tài liệu đó. Cấp thép Thử kéo Giới hạn chảy Độ bền kéo (N/mm2) (N/mm2) A B D E 235 400 – 490 A32 D32 E32 F32 315 440 – 590 A36 D36 E 36 F36 355 490 – 620 A 40 D40 E 40 F40 390 510 – 650 Thép độ bền cao ít được sử dụng trong tàu cỡ nhỏ. HợÏp kim nhôm Vật liệu truyền thống làm tàu cỡ nhỏ, chạy nhanh là hợp kim nhôm. Trên thị trường quốc tế giá vật liệu từ hợp kim nhôm cao hơn 10 lần thép cùng trọng lượng. Trọng lượng riêng của nhôm thực ra chỉ bằng 35% trọng lượng riêng của thép, do vậy giá thành tính cho đơn vị thể tích vật liệu, gía hợp kim nhôm chỉ cao hơn thép 4 lần. Điều có thể nói, nếu coi giới hạn bền của hợp kim nhôm không cách xa nhiều so với thép thường, về mặt lý thuyết có thể tiết kiệm 65% trọng lượng vật liệu nếu thay thép bằng nhôm. Trong thực tế giới hạn bền của nhôm thấp hơn thép do vậy mức giảm trọng lượng tối đa khi thay thép bằng nhôm chỉ không đến 50%. Hợp kim nhôm dùng đóng vỏ tàu thường chứa mangan như chất bổ sung chính. Hợp kim này chịu được tác động của nước biển, trong khi đó độ bền của nó khá cao. Theo phân loại dùng tại UK hợp kim nhôm dùng trong đóng vỏ tàu (marine aluminium alloys) được phân thành 5 nhóm chính, ký hiệu N4, N5, N6, N8 và H30, tương ứng cách phân loại của ISO là AlMg2, Al Mg3-5, Al Mg5, Al Mg4-5 Mn và AlSiMgMn. Đặc tính cơ học hợp kim nhôm vừa nêu như sau: module đàn hồi E = 69 GPa, module cắt G = 25 GPa. Độ bền kéo nhóm N4: 160 – 225 MPa, nhóm N8: 125 – 270 MPa, và của H30: 120 – 240 MPa. Theo cách phân loại của Nga, hợp kim nhôm – mangan được chế tạo theo các mã AMg2, AMg3, AMg6, AMg61 và các mã khác1. Đặc tính cơ học các tấm cán từ hợp kim nhôm sản xuất tại Nga được xác định theo tiêu chuẩn nhà nước ΓOCT 261631, (GOST 261631). Theo tiêu chuẩn này hợp kim AMg2 có các tính chất: độ bền kéo σU = 176,4 MPa, Giới hạn chảy σY = 147 MPa, giãn dài tương đối a = 7%. Hợp kim AMg3 có các tính chất: độ bền kéo σU = 186,2 MPa, Giới hạn chảy σY = 78 - 196MPa, giãn dài tương đối a = 12 - 15%. Hợp kim AMg4 có các tính chất: độ bền kéo σU = 235 MPa, Giới hạn chảy σY = 98 MPa, giãn dài tương đối a = 12%. Theo qui định ghi trong qui phạm đóng tàu vỏ hợp kim mnhôm của DNV đặc tính cơ học tối thiểu áp dụng cho vật liệu làm vỏ tàu phải là. 1 Theo kyù hieäu ghi trong tieâu chuaån nhaø nöôùc Nga, maùc vaät lieäu phaûi laø AMΓ2, AMΓ3, AMΓ6, AMΓ61. 42
  43. Vật liệu Độ bền kéo, Giới hạn chảy, MPa MPa AlMg3Mn 240 110 AlMg4 250 110 AlMg4,5Mn 270 145 AlMsSil 170 115 Thành phần hóa học các hợp kim này phải nằm trong phạm vi sau. Vật liệu Tiêu chuẩn tương Thành phần hóa học, % đương ISO2 AA3 Si Mg Mn Chất khác AlMg4 AlMg4 5086 max0,5 3,5-4,6 max0,8 Cu: 0,1 AlMg3Mn AlMg3Mn 5454 max0,5 2,4-3,4 0,3-1,0 Fe:0,5 AlMg4,5Mn AlMg4,5Mn 5083 max0,5 4,0-4,9 0,3-1,0 Cr:0,35 AlMgSil AlMgSil max0,5 0,4-1,0 Zn:0,20 Ti:0,20 Cấp và cơ tính hợp kim nhôm cán dùng làm vỏ tàu chạy nhanh ghi trong TCVN5968-3:1997 được trích dẫn tại bảng dưới đây. Lưu ý bạn đọc, mã hiệu được cơ quan có thẩm quyền Việt nam dùng cho hợp kim nhôm phải được hiểu theo hoàn cảnh cụ thể. Trong bảng sau, nếu không giải thích thêm ký hiệu bằng số không khác ký hiệu được tổ chức AA sử dụng. Ký hiệu chữ đi sau số phải được đối chiếu với giải thích do cơ quan có thẩm quyền nêu. Ứng suất trong bảng tính bằng MPa. Hợp kim nhôm Thử kéo Nhóm Cấp Chiều dầy t, Vật liệu cơ bản Liên kết hàn mm Ưùng suất Độ bền kéo Độ bền kéo thử Nhóm 5052 5052P-O ≤ 75 65 min 175 ~ 215 175min 5052P-H32 ≤ 12 155min 215~265 5052P-H34 ≤ 12 175min 235~285 5052S-O ≤ 130 70min 175~245 5052S-H112 ≤ 130 70min 175min Nhóm 5083 5053P-O ≤ 40 125~195 275~355 275min 5053P-H132 ≤ 12 215~295 305~380 5053P-H321 ≤ 40 215~295 305~385 2 The Inernational Organization for Standardization 3 The Aluminium Association 43
  44. 5053S-O ≤ 38 120min 275~355 5053S-H112 ≤ 130 110min 275min Nhóm 5086 5086P-H112 ≤ 6,5 125min 255min 245min 6,5<t≤ 13 245min 13<t≤ 25 110min 25<t≤ 50 110min 5086S-H112 ≤ 130 95min 240min 240min Cả hai loại vật liệu truyền thống này khi làm vỏ tàu đòi hỏi qui trình bảo dưỡng rất nghiêm ngặt. Tàu phải được cạo hà sơn lườn thường xuyên, bề mặt vỏ tàu phải đảm bảo nhẵn gần với mức khi xuất xưởng để tàu có thể phát huy tốc đô tính toán. Thực tế cho thấy , vỏ tàu thép có sức hấp dẫn với các sinh vật biển trong môi trường nhiệt đới và điều này làm cho bề mặt vỏ tàu bị nhám rất nhanh . Đã có trường hợp tàu cao tốc vỏ thép có vận tốc thiết kế 28 HL/h, chỉ sau thời gian đậu tại bến ba tuần đã bị hà bám làm tăng sức cản vỏ tàu đến mức khi chạy lại vận tốc tàu không vượt qua được 15HL/h. Gỗ Gỗ dùng trong đóng tàu rất đa dạng. Tính chất cơ học của vật liệu này khác nhau rất nhiều giữa các nhóm gỗ. Dữ liệu nêu tiếp đây được tính theo giá trị trung bình. Trọng lượng riêng của gỗ thay đổi từ gỗ nhẹ, ví dụ thông: 600 – 650 kg/m3 đến 900 kg/m3 cho gỗ cứng. Độ bền kéo dọc thớ vào khoảng 50 – 60 MPa. Vật liệu composite Vật liệu composite FRP đã dùng có kết quả lâu nay gồm nhựa polyester không no và sợi thủy tinh. Vật liệu này thường được viết tắt từ tiếng Anh kiểu Mỹ là FRP hoặc theo cách viết của người Anh là GRP. Những thông tin về vật liệu do các hãng sản xuất nước ngoài cung cấp, thông tin về công nghệ làm vật liệu composite được các trường đại học Anh, Mỹ và tổ chức nông lương thế giới FAO tại Rome, cùng chi nhánh của tổ chức này tại ASEAN cung cấp. Các mẫu tàu chạy nhanh thông dụng làm từ vật liệu composite được các nhà máy làm tàu chuyên dụng của hãng Transfield (Úc), tổ hợp công nghiệp quốc phòng Hunting (Vương quốc Anh), Robert Allan (Canada), Simonneau (Pháp), Công ty cùng nhà máy Kan Nam (Nam Triều tiên), tổ hợp công nghiệp đóng tàu Singapore giới thiệu. Những thông tin liên quan tại Việt nam chúng tôi sử dụng tài liệu nội bộ cùng thông tin của các cơ sở làm vật liệu composite tại thành phố Hồ Chí Minh, Nha trang, Kiên giang. Một số tính năng kỹ thuật của vật liệu FRP như sau: (1) Vật liệu composite làm vỏ tàu thủy gồm nhựa polyester không no, tỉ lệ trọng lượng nhựa trong thành phần vật liệu từ 70% đến 50%, và sợi thủy tinh, chiếm tỉ lệ trọng lượng 30% đến 50%. Vật liệu này thuộc nhóm nhiệt hóa (thermoset), mọi phản ứng xẩy ra trong môi trường tự nhiên, ở nhiệt độ bình thường ( từ chuyên môn còn gọi nhiệt độ trong phòng). Thời gian đông cứng vật liệu sau khi trát có thể từ 5 phút, một giờ hoặc lâu hơn tùy thuộc yêu cầu người chế tạo. Khác các vật liệu nhựa làm đồ dùng gia dụng, FRP không bị lão hóa như nhựa nhóm gia dụng. Những tấm vật liệu composite FRP hơn 40 tuổi thọ vẫn giữ được những đặc tính cơ học tốt xấp xỉ lúc mới đúc. Đặc trưng chính và cơ tính các vật liệu tham gia vào composite FRP như sau: (a) Vật liệu sợi thủy tinh. 44
  45. Trong thực tế sản xuất vật liệu composite, ở nước ngoài người ta đang sử dụng 6 nhóm thủy tinh dùng trong công nghiệp vật liệu composite. Thủy tinh nhóm E được dùng rộng rãi nhất, áp dụng cho nhiều lĩnh vực, giá không cao. Thủy tinh nhóm A (alkali ), nhóm C (chịu hóa chất), đặc tính cơ học khác thủy tinh E không nhiều, song giá cao hơn. Thủy tinh nhóm S và R áp dụng vào những trường hợp đòi hỏi về sức bền rất cao như máy bay siêu tốc, tàu vũ trụ , đã được sản xuất và đưa vào sử dụng song gía thành còn quá cao. Thủy tinh nhóm E được kéo thành sợi hết sức mảnh, đường kính tính bằng đơn vị micron (ký hiệu μ bằng 1:1.000.000m). Ví dụ mỗi sợi thủy tinh để làm tấm vô hướng có đường kính chỉ bằng 8 - 15 μm. Nhiều sợi thủy tinh được bện lại thành bó và cũng mang tên gọi sợi thủy tinh. Những bó nhỏ nhất gồm 60 đến 120 sợi mảnh. Đặc tính cơ học của thủy tinh nhóm E: tỉ trọng 2,56; Giới hạn bền khi kéo 3,4x 105 N/m2. Modul đàn hồi 72x106 N/m2. Sợi thủy tinh được bó thành cuộn, được ép thành tấm hoặc dệt thành tấm. Trong ngành tàu thủy chúng ta đang sử dụng các dạng bán thành phẩm từ sợi thủy tinh như sau: tấm sợi vô hướng , viết tắt CSM (chopped strand mat), sợi (rovings) do nhiều bó sợi kết hợp lại dưới dạng bó lớn hơn, cuộn xoắn vv Từ sợi ngưới ta dệt thành tấm vải thủy tinh, viết tắt của cụm từ này là WR (woven roving), có chiều dày vải, trọng lượng tấm trên một đơn vị diện tích thay đổi, ví dụ vải loại 300g/m2 hoặc 600 hay 800 g/m2. Trong thành phần vỏ tàu luôn có mặt CSM và WR. Phân bố lớp, chọn chiều dày các lớp vải, và cách trát lớp tùy thuộc tính năng vỏ tàu, tùy thuộc thiết kế và công nghệ chế tạo. Ngoài sợi thủy tinh, khi làm vật liệu composite người ta còn dùng sợi aramid hay còn gọi là sợi Kevlar, nhẹ hơn sợi thủy tinh song độ bền cao hơn. Loại sợi thứ ba, sợi carbon khi ra đời chỉ phục vụ ngành hàng không, vũ trụ song ngày nay đã tìm thấy chỗ ứng dụng trong vỏ tàu thủy vì giá vật liệu đã giảm nhiều lần so với ngày đầu. Một số tàu nhỏ, chủ yếu cho quốc phòng đã được làm bằng Kevlar hoặc sợi cacbon. Sợi cacbon và sợi thạch anh được các nhà khoa học Nga tổng hợp, áp dụng trong công nghiệp quốc phòng có kết quả, và hiện nay vật liệu này đang thâm nhập vào cả các ngành không phải quốc phòng nhờ hạ giá sản xuất. Trong điều kiện của nước ta, sợi thủy tinh nhóm E đã được dùng phổ biến làm vật liệu composite. Sợi nhóm này cho đến cuối năm 1996 đều được nhập từ nước ngoài, chủ yếu từ Đài loan, Nam Triều tiên, Nhật, Uùc và Trung quốc. Giá vật liệu này đã liên tục hạ thấp trong những năm qua. Từ 1991 đơn giá sợi thủy tinh xấp xỉ 3USD/kg, năm 1993 chỉ còn 2,5-2,6 USD/kg. Ngoại trừ trường hợp sau lần đột biến giáù năm 1995, khi đó giá vật liệu tăng lại theo giá ban đầu, từ 1996 giá vật liệu xuống dần. Cuối năm 1996 giá vật liệu này đã tiến đến mức bình thường, trên dưới 2USD/kg. Tháng 12/1996 xuất hiện đơn chào hàng sợi thủy tinh từ nước ngoài với giá CIF cảng Tp Hồ Chí Minh 1,5- 1,6 USD/kg. Mặt khác khả năng sản xuất sợi thủy tinh trong nước, dùng nguyên liệu là cát trắng trong nước, theo công nghệ nhập từ ngoài đã là một thực tế. Nguồn nguyên liệu sợi thủy tinh có thể được đánh giá là khá ổn định trong điều kiện hiện nay. Nhựa Polyester không no. Để sản xuất vỏ tàu composite, ngoài sợi thủy tinh còn cần nhựa cao phân tử. Trước đây tại Việt nam nhiều người đã sử dụng epoxy, chủ yếu do Liên xô (cũ) cung cấp, làm vật liệu liên kết và làm thử vật liệu composite. Do giá thành nhựa epoxy còn cao, còn giá nhựa polyester thấp nên polyester được sử dụng nhiều hơn trong công nghiệp sản xuất vật liệu composite. 45
  46. Đặc tính cơ học của nhựa polyester thay đổi tùy thuộc đẳng cấp nhựa đang dùng. Tính chất cơ học chung cho cả nhóm polyester như sau: tỉ trọng 1,38; Giới hạn bền 1,0x105 N/m2; Modul đàn hồi 11x106 N/m2. Hiện nay trên thị trường đang có chừng 25 đến 30 chủng loại nhựa mang tên gọi polyester dùng làm vật liệu composite. Những mã hiệu nhựa quen thuộc trên thị trường Việt nam, từ quan sát có thể thấy, có nguồn từ Bắc Âu (Đan mạch, Nauy), từ Úc, Nam Triều tiên, Nhật bản và Trung quốc. Nhựa polyester không no dùng cho ngành đóng tàu đều phải được các cơ quan Đăng kiểm tàu quốc tế thử nghiệm và cấp chứng chỉ công nhận chất lượng đảm bảo cho việc làm vỏ tàu. Theo cách phân loại của cơ quan Đăng kiểm, nhựa polyester không no được chia ra các nhóm: nhựa dùng vào nhiều mục đích, nhựa để “đúc” vỏ tàu, nhựa làm lớp phủ vỏ tàu, từ chuyên môn gọi là lớp áo ngoài bề mặt (gelcoat), nhựa chậm cháy làm xuồng cứu sinh chịu lửa, nhựa chịu tác động của hoá chất, nhựa chịu dầu, nhựa làm két, nhựa làm bồn dựng nước, đựng dầu. Trong sản xuất thực tế chúng ta đã sử dụng gần hết chủng loại nhựa đã được Đăng kiểm cấp chứng chỉ. Mỗi chủng loại phù hợp với công việc đã được chỉ định. Tùy thuộc nước sản xuất, mã hàng hoá thương mại của nhựa khác nhau song chất lượng nhựa của mỗi nhóm phải đảm bảo những yêu cầu tối thiểu. Theo cách phân loại đang thịnh hành ở châu Âu mã hiệu nhựa được ký hiệu bằng số, ví dụ nhựa 837E là nhựa đa mục đích, có khả năng đông cứng nhanh (chừng 15 phút), nhựa 876E là nhựa chuyên làm vỏ tàu hoặc công trình trong môi trường nước biển, nhựa 849 có khả năng chịu lửa, nhựa 844 chịu được tác động của acid. Cũng làm từng ấy nhiệm vụ, cũng có khả năng chịu lửa, chịu acid song mã hiệu nhựa sản xuất tại Nam Triều tiên được mã hoá như sau: G-613(BT), G-774(T,S,Y,P), RF-2000SE, S-650 vv Tùy thuộc khả năng sử dụng, và điều này có liên quan đến mã hiệu nhựa, giá nhựa không hoàn toàn như nhau. Chênh lệch giá giữa nhựa chất lượng cao và polyester chất lượng thấp hơn có khi đến 50%. Một điều đáng quan tâm cho những người làm tàu vỏ composite là giá nhựa polyester trên thế giới ngày càng giảm. Nếu năm 1995 đơn giá nhựa dùng làm vỏ tàu đã đạt đến giá trị đáng ngại là trên 2,5USD/kg, thì tháng 12/1996 giá CIF cảng Hải phòng không đến 1,5USD/kg. Nhờ sự hạ giá mua nguyên liệu gồm sợi thủy tinh và nhựa polyester, giá vật tư làm vỏ tàu giảm theo. Trong phần tiếp theo sẽ nêu rõ, đơn giá một vỏ tàu hoàn chỉnh làm bằng vật liệu composite trước đây cao hơn giá vỏ tàu có kích thước tương đương làm bằng thép hoặc gỗ, hiện nay giá vỏ composite không vượt quá giá vỏ thép. Công nghệ làm vỏ tàu bằng vật liệu composite hiện nay bao gồm các bước chính như sau: (1) Làm khuôn mẹ (khuôn cái) bằng composite, (2) Chuẩn bị vật liệu chống dính để tách khuôn khi đúc xong, (3) Trát lớp gelcoat, (4) Trát các lớp vật liệu composite theo qui trình đã xác định, (5) Tạo các chi tiết gia cứng dọc hoặc ngang, (6) Tạo vách dọc, vách ngang bằng vật liệu composite hoặc vật liệu khác, (7) Làm boong, (8) Liên kết thượng tầng. Trong tất cả các bước, khâu chuẩn bị vật liệu composite đóng vai trò tối cần thiết. Vật liệu này được tạo ra khi liên kết bền hai thành phần chính là nhựa polyester không no và sợi thủy tinh. Tỷ lệ giữa hai thành phần chính thay đổi trong giới hạn đã nêu ở trên. Vật liệu sẽ đông cứng ở nhiệt độ bình thường với sự có mặt của chất đông cứng hay còn gọi là xúc tiến hay chất gia tốc. Thời gian đông cứng 46
  47. thường áp dụng khi trát vỏ tàu là trên dưới một giờ đồng hồ. Kích thước và hình dáng vật thể do vật liệu composite tạo thành bị giới hạn bởi sự có mặt của khuôn mẹ. Sau đông cứng vỏ tàu định hình đúng hình mẫu mà khuôn mẹ đã hạn định. Khi đã thành vật liệu composite đặc tính cơ học của FRP như sau: - Vật liệu FRP có tỉ trọng từ 1,55 đến 1,7 t/m3. So với thép đóng tàu, tỉ trọng của FRP chỉ bằng 1/5 tỉ trọng của thép (tỉ trọng thép đóng tàu 7,8 t/m3). - Giới hạn bền nằm trong phạm vi 1200kG/cm2 đến 1600 kG/cm2. (2) Giới hạn bền của vật liệu FRP thấp hơn của thép, (bằng 50%-60% giới hạn bền của thép đóng tàu với giới hạn bền của thép đóng tàu 2400 kG/cm2). Xét khối lượng vật tư cần đưa vào tàu cùng kích cỡ và tính năng, có thể nhận thâùy, nhờ tỉ trọng bản thân nhỏ còn giới hạn bền không quá nhỏ so với thép, nên số lượng vật tư bằng FRP sẽ nhỏ hơn, còn dùng thép khối lượng thép tính bằng tấn sẽ lớn hơn (xem bảng so sánh dưới). Tính chất này cho phép giảm lượng giản nước (trong ngành đóng tàu đại lượng này được ký hiệu là Δ, đo bằng tấn, giá trị tuyệt đối đúng bằng tổng trọng lượng tàu tại thời điểm tính) của tàu vỏ bằng FRP, và điều này có lợi cho việc làm tăng tốc độ tàu hoặc giảm công suất máy. (3) Vật liệu FRP ra đời đã 50 năm, đã ứng dụng trong ngành chế tạo vỏ tàu trên 40 năm. Những vỏ tàu đầu tiên làm từ những năm bốn mươi-năm mươi, trên cơ sở công nghệ thời bấy giờ, chưa tiên tiến, vẫn còn bền vững cho đến ngày nay. Từ thực tế đó cho thấy vật liệu FRP đã tìm được chỗ ứng dụng tốt, và phù hợp trong ngành đóng tàu thủy. Thực tế cũng cho thấy vật liệu FRP không bị thẩm thấu, không ngậm nước(tỉ lệ ngậm nước của vật liệu nằm trong giới hạn 1/10.000), không bị lão hóa nhanh. Sinh vật biển không có khả năng thâm nhập và phá hoại loại vật liệu này. Nhờ tính chất này việc bảo dưỡng vỏ tàu FRP dễ dàng hơn nhiều so với bảo dưỡng vỏ thép, vỏ gỗ. Người ta có thể bảo dưỡng vỏ tàu FRP, kể cả phần chìm mà không cần lên đa,ø vào ụ nếu vỏ chưa bị sự cố trầm trọng. Dưới đây là bảng so sánh các tính năng chủ yếu giữa thép, nhôm, gỗ, vật liẹâu FRP. Trọng lượng trên một m2 diện tích vỏ tàu dài 14m được tính như sau cho các loại vật liệu khác nhau, trong đó đã tính cả vật tư làm các nẹp gia cứng kết cấu: Gỗ Thép FRP XMLT Trọng lượng riêng,(t/m3) 0,78-0,82 7,8 1,6-1,7 2,6 Chiều dày vỏ (tính mm) 35 5 9-10 28 Trọng lượng vật liệu/ m2 50 kg 56 kg 24 kg 76 kg Miêu tả công nghệ làm vỏ tàu bằng vật liệu composite. Vỏ tàu composite hình thành qua quá trình trát. Vật liệu composite cho vỏ tàu được pha chế từ nhựa nhóm nhiệt hoá (thermosetting) do vậy các phương pháp công nghệ làm vỏ tàu có phần khác với công nghệ đúc nhựa gia dụng. Nhựa làm vỏ tàu, sau khi tự đông cứng không còn khả năng tái sinh và do đó không còn điều kiện để thay đổi thành phần và hình dáng. Quyết định kích thước, hình dáng vỏ tàu là do khuôn. Độ bền vật liệu phụ thuộc vào thành phần các chất tham gia và công nghệ thi công. Ngày nay trong ngành làm vật liệu composite từ nhóm nhựa thermosetting có các phương pháp thực hành như sau :(1) trát lớp thủ công, (2) phun nhựa cùng sợi bằng thiết bị phun, ví dụ súng phun 47
  48. một vòi hoặc hai vòi, (3) ép trong túi chân không hoặc trong khuôn, (4) ép nguội, và (5) quấn chỉ làm các vật tròn xoay. Trong thực tế sử dụng, tất cả các nhà máy đóng tàu vỏ composite trên toàn thế giới đều sử dụng phương pháp trát lớp thủ công, trong đó kể cả cách dùng công cụ phun để phun nhựa, sợi (phương pháp 1 và 2 kể trên). Khác với công nghệ đóng tàu vỏ thép là lĩnh vực được cơ giới hoá và hiện đại hoá ở mức cao, công nghệ làm tàu chất dẽo đòi hỏi công lao đông thủ công nhiều hơn và do vậy trang thiết bị máy móc cần cho những nhà máy làm tàu nhựa không quá qui mô, đắt tiền. Công việc trát vỏ tàu được tóm tắt như sau: dựa vào khuôn mẫu để trát lớp vật liệu tạo nên vỏ tàu. Lớp vỏ đầu tiên được trát là lớp gelcoat như đã trình bày ở trên. Lớp vật liệu này có màu (chọn theo màu vỏ tàu tương lai) , độ bền cơ học cao, không thấm nước, chịu tác động môi trường. Độ bóng của lớp này sẽ phản ánh đầy đủ độ bóng vỏ tàu khi đóng xong. Quyết định độ bóng của lớp này không chỉ là chất lượng vật liệu mà còn là độ bóng khuôn mẫu. Khuôn càng bóng, nhẵn, lớp gelcoat tựa trên đó sẽ bóng và nhẵn gần như khuôn. Sau các lớp bọc bên ngoài thợ đóng tàu trát tiếp các lớp tiếp theo . Có thể sử dụng con lăn tay để trát. Các nẹp gia cường được trát ngay sau khi vừa trát vỏ. Nẹp gia cường được trát lên “khuôn đực” làm bằng gỗ, ván ép hoặc giấy dầy, lá nhôm vv Súng phun là công cụ cơ giới hóa được dùng phổ biến khi làm vỏ. Vật liệu composite đang ở dạng lỏng được súng phun phun thẳng vào bề mặt cần trát lớp và sẽ tự đông cứng sau thời hạn tính trước. Khi làm vỏ tàu người ta thường kết hợp trát theo cách lăn tay cùng biện pháp dùng súng phun để đẩy nhanh tốc độ. Các thao tác này đều ở dạng thủ công. Từ cách làm này có thể nhận xét rằng , công nghệ làm vỏ tàu bằng composite chưa ở mức tự động hóa hoặc hiện đại hóa do đó không gặp nhiều khó khăn như làm vỏ tàu thép, vỏ nhôm hoặc vỏ gỗ. Thợ làm vỏ tàu từ composite được đào tạo nhanh hơn thợ hàn, thợ sắt cho ngành đóng tàu thép. Thực tế sản xuất tại cơ sở đóng tàu vỏ nhựa tại thành phố Hồ Chí Minh cho thấy, thời gian đào tạo thợ không lâu, tuyển thợ không quá khó. Sau khi trát xong vỏ tiến hành làm các vách. Thông thường có thể làm vách có lõi bằng ván ép, bên ngoài phủ vật liệu composite. Tiến hành phủ boong khi dã hoàn thành vách. Boong có thể đúc rời theo qui trình vừa nêu song cũng có thể làm bằng vật liệu khác nhẹ và bền. Mối nối giữa boong và thân tàu thường là mối liên kết trọng yếu cần được các nhà đóng tàu quan tâm đúng mức nhằm đảm bảo bền, kín nước. Quá trình lắp đặt máy chính, máy phụ, trang thiết bị không khác quá trình lắp máy trên tàu vỏ thép. Thượng tầng tàu chạy nhanh cũng đúc từ vật liệu composite, và thường được làm rời không cùng khuôn với phần thân tàu. Sau khi làm xong vỏ, thượng tầng, tiến hành nối hai nhóm kết cấu này thành khối vững chắc. Nhờ trọng lượng bản thân các khối thượng tầng không lớn, việc di chuyển vị trí các khối dễ dàng, điều đó tạo thuận lợi cho công tác nối ghép thân, lầu. Mối nối giữa thượng tầng và thân tàu được giữ bằng bu lông, làm kín bằng nhựa. Kết cấu thân tàu Thân tàu có thể kết cấu theo hệ thống dọc hoặc hệ thống ngang. Chọn hệ thống kết cấu phù hợp d962 nghị bạn dọc xem tại tài liệu “Kết cấu thân tàu”, NXB ĐHQG Tp HCM. Hệ thống kết cấu ngang tàu 2 thân giới thiệu tại hình . Hệ thống kết cấu dọc giới thiệu tại hình . 48
  49. Hình 2.31 Hệ thống kết cấu dọc tàu hai thân 49
  50. Hình 2.32 Hệ thống kết cấu ngang tàu hai thân 50
  51. Mặt cắt nagng đặc trưng của hai tàu vừa nêu như sau: Hình 2.33 Hình 2.34 51
  52. Hình 2.35 Kết cấu tàu cỡ nhỏ 52
  53. Hình 2.36 Tàu chạy nhanh kết cấu theo hệ thống dọc 53
  54. Hình 2.37 54
  55. 2.6 Độ bền kết cấu tàu hai thân Thân tàu catamaran làm việc trên nước tĩnh hoặc trên sóng chịu tác động của tự trọng và của môi trường nước. Dưới tác động ngoại lực thân tàu chịu uốn và bị cắt. Giống như tàu một thân, momen uốn dọc làm cho tàu bị vồng lên (hogging) hoặc võng xuống (sagging), phía trái dòng thứ hai hình 2.38. Với thân tàu đủ rộng lúc chạy trên sóng xiên catamaran chịu tác động mô men xoắn giá trị lớn. Ảnh hưởng momen xoắn tàu đến độ bền chung của tàu rất đáng kể. Với tàu catamaran điều quan tâm hàng đầu khi xét độ bền ngang của tàu là độ bền cầu nối. Hình 2.38 giới thiệu các tình huống mà cầu nối catamaran phải chịu đựng. Trường hợp tàu bị sóng ngang tác động, tàu tham gia chuyển động lắc ngang và dạt ngang. Trong điều kiện như vậy kết cấu nối hai thân tàu, gọi là cầu nối, chịu tác động của tải ngang, tải theo hướng đứng và momen uốn ngang tàu. Trường hợp tàu nằm ngang đáy sóng momen uốn gập ngang thân tàu có nhiều khả năng gây nguy hiểm cho độ bền cục bộ. Trường hợp tàu bị xoắn trên sóng xiên momen xoắn, lực cắt đều có khả năng gây nguy hiểm, hình 2.38. Hình 2.38 Uốn thân tàu catamaran trên nước 55
  56. Hình 2.39 Mô hình tính độ bền cầu nối chịu momen uốn ngang Với tàu SWATH hệ thống momen uốn, lực cắt tác động thân tàu giới thiệu tại hình 2.40 Hình 2.40 Mô hình tính độ bền ngang thân tàu SWATH Xác định momen uốn thân tàu trên nước, tính độ bền chung thân tàu trường hợp chịu uốn, chịu xoắn đề nghị bạn đọc xem tại sách “Sức bền tàu thủy”, NXB ĐHQG Tp HCM hoặc tại “Sổ tay Cơ học kết cấu tàu thủy, giàn khoan di động”, NXB GTVT. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích bền kết cấu tàu hai thân Một trong những phương pháp hiệu nghiệm phân tích độ bền kết cấu thân tàu là phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Thứ tự giải bài toán cơ học kết cấu theo phương pháp PTHH 56
  57. Bước 1: Phân chia vật thể đang xem xét thành số lượng hữu hạn các phần tử. Quá trình này còn được gọi là “lý tưởng hóa” hay “rời rạc hóa”. Thực tế đây là quá trình mô hình hóa kết cấu, chuyển từ kết cấu thực tế thành tập họp của nhiều cơ cấu vừa tách từ chủ thể, xem hình .2. Bước 2: Xây dựng mô hình chuyển vị trong mỗi phần tử: {}u e = []N {}δ e trong đó [N] –hàm hình dáng, {δ}e- vector các bậc tự do chuyển vị nút của phần tử. Bước 3: Xác lập ma trận đặc trưng gọi là ma trận cứng và vector lực cho mỗi phần tử trên cơ sở nguyên lý thế năng tối thiểu. Trong những bài toán thuộc cơ học vật rắn phiếm hàm thế năng của hệ thống được hiểu như tổng thế năng các phần tử cấu thành. E Π = ∑(π e −We ) e=1 Từ điều kiện δΠ = 0 xây dựng hệ phương trình đại số miêu tả quan hệ lực – chuyển vị. Bước 4: Xử lý hệ phương trình và giải hệ phương trình đại số tuyến tính. Kết quả giải phương trình sẽ là chuyển vị nút trong hệ tọa độ chung. Cần thiết chuyển đổi chuyển vị từ hệ tọa độ chung sang hệ tọa độ cục bộ, gắn liền phần tử. Bước 5: Thực hiện các phép tính lực căn cứ quan hệ ứng suất – biến dạng. Hình 2.42 Các bước tính trong phương pháp PTHH Hình 2.41 Mô hình hóa Những phần tử thông dụng Phần tử 1 chiều (1D) từ hai đến nhiều nút, hình 2.43a. Trong thực tế sử dụng chúng ta có thể dùng phần tử tuyến tính hoặc phần tử cong. Phần tử phẳng (2D) thường dạng hình tam giác hoặc tứ giác, cạnh thẳng hoặc cong. Nút phần tử dạng này nằm tại đỉnh và cả tại các cạnh, xem hình 2.43b. Nhóm phần tử 3D có thể chia làm ba phân nhóm, phần tử hình thù giống kim tự tháp gồm bốn mặt, 4 nút hoặc nhiều hơn 4 nút thuộc phân nhóm đầu tiên, từ kỹ thuật các nước đang dùng đều mang âm hưởng tiếng La tinh tétrahédrique chỉ phần tử này. Phân nhóm thứ hai trong cụm này là khối 6 mặt 57
  58. (hexahédrique) có từ 8 nút trở lên. Trong tài liệu này chúng ta làm quen với phần tử có số nút đến 20. Phân nhóm thứ ba đề cập phần tử có mặt cắt ngang không đổi, gọi là khối lăng trụ, hình 3.14c. a) 2 nuùt 3 nuùt 4 nuùt b) 3 nuùt 9 nuùt 6 nuùt c) 12 nuùt 4 nuùt 8 nuùt d) 10 nuùt 8 nuùt 4 nuùt 20 nuùt Hình 2.43 Phần tử thường dùng Những phần tử nhóm a) từ hình 2.43 gồm phần tử chỉ chịu lực dọc trục có tên gọi phổ thông trong các sách chuyên ngành là ROD, BAR, TRUSS, phần tử chịu xoắn TOR, phần tử chịu uốn BEAM. Phần tử nhóm b) và c) gồm các phần tử tấm 2D Plate, SHELL, SOLID SHELL dùng rất phổ biến trong mô hình kết cấu thân tàu thủy. Cần lưu ý đến hướng dẫn của các hang phát triển phần mềm tính toán rằng, nên sử dụng phần tử 4 cạnh, hạn chế dùng phần tử 3 cạnh. Phần tử nhóm d) gọi là các phần tử SOLID. Mô hình hóa kết cấu thân tàu nhờ phương pháp PTHH có thể thấy qua ví dụ tàu khách một thân và tàu container sau. Hình 2.44a Mô hình PTHH tàu khách 58
  59. Hình 2.44b Mô hình hóa kết cấu tàu container Áp dụng cách làm này cho tàu hai thân có thể mô hình hóa kết cấu thân tàu theo các biện pháp khả thi dưới đây. Sử dụng các phần tử 2D, 3D mô hình hóa phần thân tàu catamaran đóng vai trò giàn semi-submersible, hình 2.45. Hình 2.45 59
  60. Với tàu catamaran kiểu kinh điển, kết cấu theo hệ thống dọc, xem hình 2.46a, phần tử thích hợp khi mô hình hóa kết cấu có thể là SHELL. Ví dụ nêu tại hình là cố gắng miêu tả kết cấu thực bằng các phần tử bốn cạnh. Hình 2.46a Kết cấu đáy và mạn tàu hai thân Những hình ảnh liên quan kết cấu thân tàu catamaran giới thiệu tiếp theo có thể giúp người tính toán xây dựng mô hình PTHH cho tàu đặc biệt này. Có thể sử dụng các phần tử SOLID SHELL hoặc SHELL cho mục đích này. Hình 2.46b Kết cấu theo hệ thống dọc tàu hai thân Hình 2.46c Kết cấu boong và thân tàu (không kể tấm vỏ) Kết cấu cầu nối mô hình hóa nhờ phần tử SHELL hoặc SOLID SHELL. Kích cỡ phần tử xác định theo cách trình bày tại hình 2.47. Trường hợp tàu nằm trên nước tĩnh mô hình tính cầu nối chọn 60
  61. theo hình 2.39. Thực tế làm việc tàu hai thân với chiều rộng lớn phải gối sóng. Mô hình áp tải do sóng giờ đổi thay theo dạng trình bày tại hình 2.47. Hình 2.47 Tính toán kết cấu cầu nối Cầu nối có thể xem xét dưới dạng giàn không gian, hình 2.48. Mô hình thích hợp có thể có dạng như trình bày tại hình 2.48. Các nẹp cứng đóng vai trò các thanh của giàn. Trường hợp này phần tử BEAM 3D sẽ phù hợp yêu cầu công việc. Ngày nay những vấn đề tương tự sẽ giải theo phương pháp PTHH song nhờ đến ứng dụng phần tử SHELL. Nẹp cứng có thể mô hình hóa nhờ phần tử SHELL hoặc trong những hoàn cảnh cụ thể dùng phần tử TRUSS (BAR) vào vị trí nẹp. Hình 2.48 Mô hình hóa cầu nối dạng giàn 3D 61
  62. Chương 3 SỨC CẢN. THIẾT BỊ ĐẨY TÀU 3.1 Tính sức cản sóng tàu nhiều thân Sức cản toàn bộ tàu nhiều thân gồm nhiều thành phần. Trong tính toán sức cản hiện tại đang sử dụng giả thiết rằng sức cản toàn bộ gồm sức cản ma sát và sức cản dư. Trong thành phần sức cản dư có sức cản do tạo sóng quanh tàu lúc chạy và các thành phần bổ sung khác ảnh hưởng đến tạo sóng. Công thức tính hệ số sức cản toàn phần có dạng sau: CT = CR + CF ()1+ k trong đó CT – hệ số sức cản toàn bộ, CR – hệ số sức cản dư, (1+k) – có tên gọi form factor. Tàu chạy nhanh có sức cản sóng lớn. Thành phần chủ yếu của hệ số sức cản CR là CW – hệ số sức cản tạo sóng, viết ngắn gọn là sức cản sóng. Hình 3.1 Hệ số sức cản sóng CW Hệ số sức cản ma sát CF tính theo các phương pháp kinh điển như trình bày tại sách “Lý thuyết tàu, Tập 2” của TCN, NXB Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh và tại sách “Sổ tay thiết kế tàu” NXB “Xây dựng”, 2008, Hà Nôi. Có thể dùng công thức ITTC 1957 sua đây tính hệ số cản ma sát. 0,057 CF = log()Rn − 2 2 Trong công thức Rn - còn ký hiệu khác ở dạng Re là số Reynolds. (Cần thống nhất cách gọi, đây là số Reynolds). 62
  63. Hiệu chỉnh với tên gọi form factor xác định theo công thức: 1/ 3 g −0,1 ()1+ k ITTC = 1,72 − f (L / ∇ ) ()b /T trong đó f và g mang giá trị khác nhau, tùy thuộc số Froude Fn (hoặc ký hiệu Fr). Phạm vi ứng dụng Fn = 0,6 – 1,0. Fn 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 f 0,2707 0,3938 0,5389 0,5957 0,6056 g 0,48 0,30 0,16 0,12 0,12 Trong miền số Reynolds đạt giá trị 106 đến 107 có thể viết: 1/ 3 0,6 −0,1 ()1+ k ITTC = 1,45 − 0,145()L / ∇ ()b /T Với Fn trong phạm vi 0,45 – 1,0; tỷ lệ L/∇1/3 nằm trong miền 7,0 đến 10,0. Sức cản sóng tàu nhiều thân Xét hàm thế dòng chảy bao tàu có thể viết: (1) Trong miền nước Ω, hàm Φ( x, y, z; t) thỏa mãn phương trình Laplace: ∂ 2 ΦΦΦ∂ 2 ∂ 2 ++=0 () ∂ xyz2 ∂ 2 ∂ 2 (2) Điều kiện ban đầu của bài toán: ∂ Φ ∂ Φ − g. tại mặt thoáng. () ∂ t ∂ z Các điều kiện biên. (3) Điều kiện không thẩm thấu tại vỏ vật thể: ∂ Φ = VMt(;) () ∂ n n Tại mỗi điểm M trên biên vật thể vận tốc pháp tuyến của điểm vật chất vỏ vật thể M bằng vận tốc của phần tử nước đang chiếm vị trí tại M. Điều kiện này còn được hiểu theo cách phổ thông là vận tốc tương đối tại thời điểm tính giữa dòng chảy sát ngay vỏ vật thể so với vỏ bằng 0. (4) Điều kiện biên ở biên xa. Trên mặt thoáng ở biên xa vô cùng chỉ tồn tại hệ thống sóng điều hòa và sóng nước do vật thể tạo ra khi lắc. Ở biên tại độ sâu vô cùng hàm thế tốc độ bị trượt tiêu. gradΦ=0; tại z → -∞. () Trong các công thức này hàm thế Φ(x, y, z) được hiểu là: Φ(x, y, z) = -Ux + φ(x, y, z) Với U – hàm thế dòng điều hòa, xác định theo chuyển động tịnh tiến tàu dọc trục Ox, thành phần thứ hai là hàm thế dòng rối. Lực cản sóng tính từ biểu thức: 63
  64. RW = − pnx ds ∫∫S trong đó S – mặt ướt vỏ tàu, p – áp suất động tác động lên vỏ tàu, tính theo công thức Bernoulli: ∂φ 1 p = ρU − ρgζ − ρ()∇φ 2 ∂x 2 trong đó ρ - mật độ nước bao tàu, Bài toán đang nêu có thể giải bằng phương pháp số. Áp dụng phương pháp hàm Green tìm hàm thế thực hiện theo cách nêu sau: Biểu thức hàm thế hãy là: N N φ = ∑φiσ +∑φiμ i=1 i=1 φ = − σ G x, y, z;ξ ,η ,ζ dξ dζ iσ ∫∫ i ()i i i i i ∂ φ = − μ G x,y, z;ξ ,η ,ζ dξ dζ iμ ∫∫ i ()i i i i i ∂ηi Hàm Green G thể hiện bằng các nguồn di động kiểu Havelock. Cường độ nguồn xác định tại mỗi điểm nguồn trên vỏ tàu. Khi đã xác định hàm thế tốc độ thông qua xác định cường độ các nguồn, tiến hành tích phân xác định sức cản sóng: π / 2 R = −16πρk 2 P 2 + Q 2 sec3 θdθ W 0 ∫ () 0 trong đó: N N P = ∑()Piσ − Piμ Q = ∑ (Qiσ − Qiμ ) i=1 i=1 2 2 Piσ = σ i cos[]k0 ()()ξi − lxi cosθ + lyi sinθ sec θ exp(k0ζ i sec θ )dξi dζ i ∫∫S i 2 2 Qiσ = σ i sin[]k0 ()()ξi − lxi cosθ + lyi sinθ sec θ exp(k0ζ i sec θ )dξi dζ i ∫∫S i 2 2 2 Piμ = k0 sec θ sinθ sin[]k0 ()()ξi − lxi cosθ + lyi sinθ sec θ exp(k0ζ i sec θ )dξi dζ i ∫∫S i 2 2 2 Qiμ = k0 sec θ sinθ cos[]k0 ()()ξi − lxi cosθ + lyi sinθ sec θ exp(k0ζ i sec θ )dξi dζ i ∫∫S i g Trong công thức này k = 0 U 2 Kết quả tính đưa lại kết quả sau đây, theo tài liệu “Numerical Computation of Multi-Hull Ship Resistance and Motion”, Dalhouse University, June 2001. 64
  65. Hình 3.2 Mô hình tàu 2 thân dùng trong nghiên cứu Hình 3.3 Sức cản sóng tàu hai thân (trái) và tàu ba thân (phải) 65
  66. Hình 3.4 Sóng phát sinh quanh tàu một thân Hình 3.5 Sóng phát sinh quanh tàu hai thân 66
  67. Hình 3.6 Sóng phát sinh quanh tàu ba thân 3.2 Áp dụng CFD tính sức cản vỏ tàu Với ngành tàu thủy CFD (Computational Fluid Dynamics) có vai trò lớn mô phỏng chuyển động dòng nước quanh tàu. CFD tham gia giải quyết xác định sức cản tạo sóng, tính đi biển (seakeeping), tràn nước lên boong, xác định lực cắt, momen uốn tàu trên sóng biển, đánh giá slamming vv. Cơ sở toán dùng trong chuyên ngành này là phương trình Navier-Stokes (N-S) cùng phương trình liên tục. Phương trình N-S trong nguyên lý bảo toàn động lượng được viết dưới dạng: ρ()ut + uu x + vu y + wu z = ρa1 − px + μ(u xx + u yy + u zz )⎫ ⎪ ρ()()ut + uu x + vu y + wu z = ρa2 − p y + μ u xx + u yy + u zz ⎬ ⎪ ρ()()ut + uu x + vu y + wu z = ρa3 − pz + μ u xx + u yy + u zz ⎭ trong đó ai - gia tốc , p áp suất, μ - độ nhớt và t - thời gian. Để xử lý được bằng các phương tiện hiện có những người nghiên cứu tàu thủy thường sử dụng cách làm RANSE khi giải phương trình chung đang nêu. Vận tốc và áp suất đưa vào hai nhóm phụ thuộc vào thời gian bình quân (time average) và phần áp suất thay đổi, biến phương trình N-S dạng đầy đủ thành phương trình có tên gọi phương trình Navier-Stokes của số Reynolds bình quân, theo đó vận tốc u, v, w và áp suất p tính trong thời gian bình quân còn u’, v’, w’ chỉ cho phần thay đổi. Phương trình trong RANSE giờ đây mang them thành phần liên quan đến u’, v’, w’, thể hiện của đại lượng áp suất Reynolds. Trong khuôn khổ cách làm RANSE khi bỏ qua độ nhớt, điều này đồng nghĩa không xét tính rối của dòng, phương trình Euler mang dạng: ρ()ut + uu x + vu y + wu z = ρa1 − px ⎫ ⎪ ρ()ut + uu x + vu y + wu z = ρa2 − p y ⎬ ⎪ ρ()ut + uu x + vu y + wu z = ρa3 − pz ⎭ 67
  68. Các phần mềm xây dựng trên cơ sở phương trình Euler gặp nhiều thuận lợi hơn so với các thuật toán theo RANSE thuần túy. Dòng chảy qua cánh máy bay dùng trong ngành chế tạo máy bay, qua cánh ngầm tàu cánh ngầm, qua bánh lái tàu thủy, qua cánh chân vịt tàu ngày nay mô phỏng theo thuật toán này. Mô hình giản đơn dùng phổ biến khi giải những bài toán dòng chất lỏng là không tính đến tính xoáy của dòng, hiểu theo công thức toán ∇ × vr = 0 . Dòng chảy với giả thiết không xoáy, chất lỏng không nhớt không nén gọi là dòng có thế. Vận tốc tính từ biểu thức vr = ∇φ , với φ là thế (potential). Các thành phần tốc độ đóng vai trò ẩn bài toán rút gọn về một ẩn φ. Phương trình liên tục cho phép viết: Δφ = φxx + φ yy + φzz = 0 Đây là phương trình Laplace. Nếu hạn chế lực khối trong chất lỏng chỉ là lực trọng trường, phương trình Euler có dạng: ⎛ 1 2 1 ⎞ ∇⎜φt + ()∇φ − gz + p⎟ = 0 ⎝ 2 ρ ⎠ Tiến hành tích phân sẽ nhận được phương trình Bernoulli: 1 1 φ + ()∇φ 2 − gz + p = const t 2 ρ Hình 3.7 Sóng quanh thân tàu tính bằng CFD 68
  69. Hình 3.8 So sánh kết quả tính nhờ CFD với thử mô hình 69
  70. Hình 3.9 Sóng nước do hai thân tàu tạo 3.3 Phương pháp tính sức cản của Mercier và Savitsky Mercier từ 1973 sử dụng phương pháp phân tích hồi qui xử lý dữ liệu liên quan sức cản tàu chạy nhanh mà Nordstrom, De Groot, Beys, Yeh vv đã đưa ra trước đó nhằm xác lập công thức gần đúng xác định sức cản tàu. Công thức tính cho phép xác định sức cản toàn bộ RT/Δ cho các giá trị của vận tốc (11 giá trị) Fn từ 1,0 1,1 đến 2,0. Công thức tính sức cản toàn bộ của Mercier và Savitsky (1973) có dạng: 2 2 RT/Δ = A1 + A2X + A4U + A5W +A6XZ + A7XU + A8XW + A9ZU + A10ZW + A15W + A18XW 2 2 2 + A19ZX + A24UW + A27WU 1/ 3 ∇ ∇ AT Trong đó x = ; Z = 2 ; U = 2iE ; W = L B AX Diện tích mặt tiếp nước của vỏ tàu tính theo công thức: 2 S L ⎡ B ⎛ B ⎞ ⎤ 2 / 3 = 2,262 1/ 3 ⎢1+ 0,046 + 0,00287⎜ ⎟ ⎥ ∇ ∇ ⎣⎢ T ⎝ T ⎠ ⎦⎥ Baûng 3.1 FnV → 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 A1 0,06473 0,0776 0,09483 0,03475 0,03013 0,03163 A2 -0,4868 -0,88787 -0,6372 0 0 0 A3 0 0 0 0 0 A4 -0,01030 -0,01634 -0,01540 -0,00978 -0,00664 0 A5 -0,06490 -0,13444 -0,1358 -0,05097 -0,05540 -0,10504 A6 0 0 -0,16046 -0,2188 -0,19359 -0,20540 A7 0,10629 0,1816 ,16803 0,10434 0,09612 0,06007 A8 0,9731 1,8308 1,55972 0,43510 0,51820 0,58230 A9 -0,00272 -0,00389 -0,00309 -0,00198 -0,00215 -0,00372 A10 0,01089 0,01457 0,03481 0,04113 0,03901 0,04794 70
  71. A15 0 0 0 0 0 0,08317 a18 -1,40926 -2,46696 -2,15556 -0,92663 -0,95276 -0,70895 a19 0,29136 0,47305 1,02992 1,06392 0,97757 1,19737 A27 -0,0015 -0,00356 -0,00303 -0,00105 -0,00140 0 Baûng 3.1 (tieáp) FnV → 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 A1 0,03194 0,04343 0,05036 0,05612 0,05967 A2 0 0 0 0 0 A3 0 0 0 0 0 A4 0 0 0 0 0 A5 -0,08599 -0,01289 -0,15597 -0,18661 -0,19758 A6 -0,19442 -0,18062 -0,17813 -0,18288 0,20152 A7 0,06191 0,05487 0,05099 0,04744 0,04645 A8 0,52049 0,78195 0,92859 1,18569 1,30026 A9 -0,0036 -0,00332 -0,00308 -0,00244 0,00212 A10 0,04436 0,04187 0,4111 0,04124 0,04343 A15 0,07366 0,12147 0,14928 0,1809 0,19769 a18 -0,72057 -0,95929 -1,12178 -1,38644 -1,55127 a19 1,18119 -1,01562 0,93144 0,78414 0,78282 A24 0 0 0 0 0 A27 0 0 0 0 0 71
  72. 3.4 ĐỒ THỊ TÍNH SỨC CẢN TÀU HAI HOẶC BA THÂN (CATAMARAN, TRIMARAN) Hình 3.10 Tàu nhiều thân a – tàu hai thân (catamaran), b – tàu ba thân (trimaran), c – tàu hai thân đường nước nhỏ (SWATH) Sức cản tàu hai thân chịu ảnh hưởng của tỷ lệ mặt ướt S / 32∇ , tỷ lệ mảnh thân tàu L / 3 ∇ và khoảng cách hai thân s / L . 72
  73. Hệ số sức cản dư tàu hai thân tính theo công thức: CR,c = CV kV ,c + CW kW ,c Hệ số sức cản dư tàu ba thân tính theo công thức: CR,T = CV kV ,T + CW kW ,T trong đó CV – hệ số sức cản hình dáng tính cho thân tàu riêng lẻ, kV, với chỉ mục c chỉ catamaran, T chỉ trimaran, là hệ số sức cản nhớt, tính đến ảnh hưởng thân bên cạnh, CW = CR - CV Hình 3.11 Heä soá kw Heä soá kv a - catamaran, b - trimaran a - catamaran, b - trimaran Hệ số sức cản dư tính từ công thức: ⎛ RR ⎞ V1 CR = 2× ⎜ ⎟ × 2 () ⎝ V ⎠ ρv S1 trong đó V1 – thể tích phần chìm một thân S1 - diện tích mặt ướt một thân. 73
  74. Hình 3.12 Söùc caûn dö moät thaân Hình 3.13 Hệ số cản nhớt tàu SWATH 74
  75. Hình 3.14 Söùc caûn soùng taøu SWATH Hệ số sức cản dư xác định bằng công thức hồi qui: 2 2 L B ⎛ L ⎞ ⎛ B ⎞ L C = a + a + a 1 + a C + a 2b + a ⎜ ⎟ + a ⎜ 1 ⎟ + a C 2 + a 4b 2 + a + R 1 2 B 3 T 4 B 5 6 ⎜ B ⎟ 7 T 8 B 9 10 T 1 ⎝ 1 ⎠ ⎝ ⎠ () L L B1 B1 + a11 CB + a12 2b + a13 CB + a14 2b + a15CB 2b B1 B1 T T Vôùi taøu coù caùc tyû leä sau L/B1 = 4 ÷ 9; B1/T = 1,3 ÷ 2,5; CB = 0,5 ÷ 0,7; 2b = 0,2 ÷ 0,5 caùc heä soá ai , i = 1, 2, . . .,15 ñoïc theo baûng 3.2 . Baûng 3.2 Heä soá Fr 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 a1 -19,9249 -18,8808 -13,6882 -12,0690 -40.5094 a2 -0,9334 -1,1791 -0,9585 -1,4256 -1,0694 a3 2,8764 3,5285 4,7716 5,4022 8,2532 a4 72,8001 69,3331 42,8899 38,2245 111,324 a5 -8,2434 -8,6314 -8,0931 -4,4313 -3,2532 a6 0,0603 0,0583 0,0473 0,0463 0,0533 a7 -0,3033 -0,5451 -0,9800 -1,2215 -1,2146 a8 -18,500 -14,6131 4,8052 1,14375 -27,3711 a9 0,3730 0,5207 0,4022 0,3010 0,1507 a10 0,8129 0,9168 0,8952 1,0570 1,1331 a11 -3,1771 -3,0292 -2,8706 -2,6112 -3,6696 a12 -0,3066 -0,4547 -0,6460 -0,7751 -0,7902 a13 -11,6185 -12,2122 -10,8031 -11,9124 -17,13168 a14 -0,0182 -0,0240 -0,0294 -0,0278 -0,0228 a15 13,6963 15,9902 18,3546 14,6241 13,3194 Baûng 3.2 (tieáp) Heä soá Fr 0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 a1 -22,6810 -0,7338 10,8551 30,4651 0,5804 14,2501 a2 -1,5346 -5,4293 -7,1018 -8,3142 -7,6040 -4,5027 a3 2,7288 -7,9090 -8,3818 13,5381 -1,6452 -1,7211 a4 87,7293 120,6991 107,636 68,2001 110,827 40,5466 a5 -17,9288 -60,3819 -61,7521 -27,7995 -10,3335 8,5185 a6 0,0479 0,0181 0,0204 0,0502 0,0816 0,01149 75
  76. a7 -1,5164 -1,9034 -2,0081 -2,3984 -2,4769 -1,9566 a8 -31,3409 -132,719 -127,716 -92,4152 -84,6190 -1,5353 a9 0,6494 -0,4927 -0,7558 -0,5604 -0,3137 -0,1246 a10 1,0014 0,8991 1,1608 1,6559 1,7960 1,8722 a11 -2,7136 4,0263 5,5156 4,7847 2,4398 -3,0713 a12 -0,5492 -0,5690 -0,6249 -0,6026 -1,0788 -1,9792 a13 -6,1872 12,3637 -1,13106 16,3239 -1,2665 -5,2231 a14 -0,0201 0,0142 0,00391 0,0594 0,0869 0,1183 a15 30,9354 94,5143 94,7484 43,1487 24,0460 9,4645 ĐỒ THỊ TÍNH SỨC CẢN TÀU HAI THÂN VẬN TỐC THẤP Sức cản dư tàu hai thân được xét dạng tổng của các thành phần: Rp - sức cản hình dáng ảnh hưởng đến sức cản ma sát Rw - sức cản do tạo sóng Ri - sức cản tạo ra do sự có mặt của hai thân tàu nằm gần nhau. RR = 2Rp + 2Rw + 2Ri Trong tài liệu này sẽ trình bày cách tính sức cản tàu hai thân theo Alfierev. Sức cản dư vừa nêu được Alfierev đưa về dạng: RR = Δ.εR(L/B).kB/T.kB/T.kCB trong đó Δ - lượng chiếm nước của tàu, εR(L/B). = RR/Δ; kB/T.kB/T.kCB các hệ số ảnh hưởng đến hệ số ε, theo B/T. L/B hoặc CB. εR (cho B/ T thieát keá) kB/T = εR (cho B/ T chuaån) εR (cho CB thieát keá) kCB = εR (cho CB chuaån) Đồ thị Alfierev giành cho tàu hai thân được giới thiệu tiếp dưới đây. Khác với tàu một thân, với tàu hai thân, hệ số phân cách hai thân w = W/(2B), trong đó W khoảng cách thực giữa hai thân, đo tại mặt giữa tàu, có ảnh hưởng lớn đến sức cản dư. Trong các đồ thị hệ số w mang giá trị 0,3; 0,5; 0,7; và 0,9. 76
  77. Các đồ thị sức cản dư được xác lập cho vận tốc tương đối, tính bằng công thức: v F = n∇ g∇13/ Sức cản toàn bộ tàu hai thân tính theo công thức: 2 RT = ½ ρA (CF + ΔCF) v + RR Ví dụ: Tính sức cản tàu hai thân kích thước sau, tại vận tốc Vs = 10HL/h. Lwl = 15,76 m; B = 1,72 m; T = 0,96 m; lượng thể tích chiếm nước V = 22,50 m3; A = 68,20 m2; w = 0,551. Các tỷ lệ và hệ số: L/B = 9,16; B/T = 1,79 và CB = 0,44. Hệ số εR xác định bằng đường nội suy với w = 0,50 và 0,70. Kết quả đọc tính theo bảng. Bảng 3.3 1 Vs HL/h 10 2 m/s 5,14 3 Fn - 0,414 4 Fn∇ - 0,98 5 w - 0,500 0,700 0,551* 6 L/B = 9 11,220 10,785 - 3 7 εR. 10 L/B = 10 8,155 7,650 - 8 L/B = 9,16 10,729 10,284 10,616 9 B/T = 1,79 10,700 12,430 - 3 εR. 10 10 B/T = 3,0 7,160 6,075 - 11 kB/T - 1,492 2,050 1,635 12 CB = 0,44 - 6,359 5,495 0,923 3 εR. 10 13 CB = 0,525 - 6,985 5,781 - 14 kCB - 0,913 0,951 0,923 15 RR kG 784 16 Rn.10-8 - 0,769 17 RF kG 292 18 RT kG 1076 19 PE HP 81 Trong baûng caùc coâng thöùc ñöôïc hieåu nhö sau: (2) v = Vs.0,5144 = 5,144 m/s; (3) Fn = v/ gL vL (4) Fn== Fn ; (5) vaø (7) ñoïc töø ñoà thò; ∇ 13/ g∇13/ ∇ (8) Töø pheùp noäi suy cho L.B = 9,16; (9) vaø (10) ñoïc töø ñoà thò; ε=R(,)BT/ 179 (11) Tính theo: kBT/ = (12) vaø (13) ñoïc töø ñoà thò; ε=R(,)BT/ 30 ε=R(,)CB 0 44 (14) Tính theo: kCB = ε=R(,)CB 0 525 (15) RR = Δ.εR(L/B).kB/T.kB/T.kCB (16) Rn = v.L/v; (17) Söùc caûn ma saùt; (18) RT = RF + RR ; PE = RT .v/75 77
  78. 3.5 Thiết kế máy đẩy tàu chạy nhanh Trong phần này của tài liệu sẽ giới thiệu những thông tin liên quan các seri chân vịt đang được dùng rộng rãi trên thế giới. Thông tin dưới đây có thể giúp người thiết kế chọn kiểu chân vịt thích hợp cho công việc và cách triển khai thiết kế chế tạo chân vịt được chọn. Những mô hình đang dùng rộng rãi có thể tìm trong bảng 3.4 sau đây. Bảng 3.4 : Các mẫu chân vịt Tên gọi seri Slg chân Số AE/A0 H/D D (mm) rh / R vịt mẫu cánh Wagenigen B 120 2-7 0,3-1,05 0,5-1,4 250 0,16-0,18 Gawn 37 3 0,2-1,1 0,4-2,0 508 0,2 KCA 30 3 0,5-1,25 0,6-2,0 406 0,2 Ma (SSPA) 32 3&5 0,75-1,2 1,0-1,45 250 0,190 Newton-Rader 12 3 0,5-1,0 1,05-2,08 254 0,167 KCD 24 3-6 0,587 0,6-1,6 406 0,200 Meridian 20 6 0,45-1,05 0,4-1,2 305 0,185 SK 28 3 0,65-1,10 1,0-2,2 200 0,165 Chân vịt nhóm B Wageningen Mô hình chân vịt nhóm B được thử nghiệm tại bể thử NMSB Wageningen, Netherlands, được công bố rộng rãi trong các tài liệu của bể thử. Thông số chính của chân vịt nhóm B Bảng 3.5 : Thông số chính chân vịt nhóm B. Ký hiệu B3 B4 B5 35 50 65 40 55 70 85 100 45 60 75 10 5 Số cánh 3 4 5 Tỉ lệ dt mặt đĩa ,% 35 50 65 40 55 70 85 100 45 60 75 10 5 Tỉ lệ t0 / D 0,050 0,045 0,045 Tỉ lệ dh / D 0,180 0,167 0,167 Kích thước đường bao cánh chân vịt đọc theo các bảng tiếp theo. 85
  79. Hình 3.15 Caùc ñaïi löôïng b, b1, b2 vaø tmax. Baûng 3.6 Ñöôøng bao caùnh chaân vòt nhoùm B.3 r bZ. b1 b2 t max R DA(/)E A0 b b D 0,2 1,6333 0,616 0,350 0,0406 0,3 1,832 0,611 0,350 0,0359 0,4 2,000 0,599 0,350 0,312 0,5 2,120 0,583 0,355 0,0265 0,6 2,186 0,588 0,389 0,0218 0,7 2,168 0,526 0,442 0,0171 0,8 2,127 0,481 0,478 0,0124 0,9 1,657 0,400 0,500 0,0077 1,0 - - - 0,0035 Baûng 3.7. Ñöôøng bao caùnh chaân vòt nhoùm B.4 vaø B.5 r bZ. b1 b2 t max R DA(/)E A0 b b D 0,2 1,662 0,617 0,350 0,0406 0,3 1,882 0,613 0,350 0,0359 0,4 2,050 0,601 0,350 0,312 0,5 2,152 0,586 0,355 0,0265 0,6 2,187 0,561 0,389 0,0218 0,7 2,144 0,524 0,442 0,0171 86
  80. 0,8 1,970 0,463 0,478 0,0124 0,9 1,582 0,351 0,500 0,0077 1,0 - - - 0,0030 Toaï ñoä caùc profil caùnh ñoïc taïi baûng 3.8 . Baûng 3.8 r/R Töø ñieåm daày nhaát ñeán meùp thoaùt, % Töø ñieåm daày nhaát ñeán meùp daãn, % 100 80 60 40 20 20 40 60 80 90 95 100 MAËT HUÙT 0,2 - 53,35 72,65 86,90 96,45 98,60 94,50 87,00 74,40 64,35 56,95 - 0,3 - 50,95 71,60 86,80 96,30 98,40 94,00 85,80 72,50 62,65 54,90 - 0,4 - 47,70 70,25 86,55 97,00 98,20 93,25 84,30 74,40 64,35 56,95 - 0,5 - 43,40 68,40 86,10 96,95 98,10 92,40 82,30 72,50 62,65 54,90 - 0,6 - 40,20 67,15 85,40 96,80 98,10 91,25 79,35 70,40 60,15 52,20 - 0,7 - 39,40 66,90 84,90 96,65 97,60 88,80 74,90 67,70 56,80 48,60 - 0,8 - 40,95 67,80 85,30 96,70 97,00 85,30 68,70 63,60 52,20 43,35 - 0,9 - 45,15 70,00 87,00 97,00 97,00 87,00 70,00 57,00 44,20 35,00 - MAËT ÑAÅY 0,2 30,00 18,20 10,90 5,45 1,55 0,45 2,30 5,90 13,45 20,30 26,20 40,00 0,3 25,35 12,20 5,80 1,70 0,05 1,30 4,60 10,85 16,55 22,20 37,55 0,4 17,85 6,20 1,50 0,30 2,65 7,80 12,50 17,90 34,50 0,5 9,07 1,75 0,70 4,30 8,45 13,30 30,40 0,6 5,10 0,80 4,45 8,40 24,50 0,7 0,40 2,45 16,05 0,8 7,40 5.2 Chân vịt cánh rộng Chân vịt Gawn Chân vịt cánh rộng dùng chủ yếu cho tàu chạy nhanh, gồm ba cánh. Tỉ lệ bước xoắn từ 0,40 ÷ 2,0. Tỉ lệ diện tích mặt đĩa chân vịt Gawn từ 0,20 ÷ 1,1. Mẫu chân vịt đường kính 503 mm; tỉ lệ chiều dày đường kính t/D = 0,060; tỉ lệ dh /D = 0,20. Mặt trải của cánh hình elip, tâm tại 0,1R và 0,1R cách đỉnh cánh. Kết quả thử mô hình được trình bày dưới dạng đồ thị: 87
  81. KT ηp J và KQ ηp J Sau khi phân tích bằng phương pháp hồi qui, kết quả trên được viết lại dưới dạng hàm của các hệ số Ae/Ao, H/D, J và số cánh Z. Trên thực tế mô hình được thử cho chân vịt ba cánh, khi Z thay đổi khác 3, các hệ số tính toán đã được ngoại suy. Các hệ số thủy động lực trong hệ hệ thống KT ηp J và KQ ηp J được biểu diễn dưới dạng đa thức, thuận lợi cho lập trình. Các hệ số KT, KQ được xét như hàm của hệ số tiến J, tỉ lệ bước H/D, tỉ lệ diện tích mặt đĩa ae, số cánh Z, tỉ lệ chiều dày cánh t/D và thỏa mãn từng phần điều kiện động lực học Reynolds. Trong thử mô hình chân vịt, như đã giới thiệu tại phần lý thuyết chân vịt, số Reynolds có thể mang dạng: 22 bVp + (,075 nD ) Rn = μ trong đó: b - chiều rộng cánh tại r = 0,75R Vp - vận tốc tiến của chân vịt μ - hệ số nhớt động học của nước. 6 Trong phạm vi Rn ≈ 2×10 , các hệ số KT, KQ của chân vịt được biểu diễn bằng công thức: klH Ae mn KCJZTklmn= ∑ ()() (a) klmn,, , DAo klH Ae mn KKJZQklmn= ∑ ()() 5 (b) klmn,, , DAo Các hệ số Cklmn và Kklmn đọc từ bảng 3.9 88
  82. Baûng 3.9: Heä soá Cklmn cho chaân vòt Gawn TT Cklmn k (J) l (H/D) m (Ae/A0) n (Z) 1 –0,0558636300 0 0 0 0 2 –0,2173010900 1 0 0 0 3 +0,2605314000 0 1 0 0 4 +0,15811400 0 2 0 0 5 –0,14758100 2 0 1 0 6 –0,48149700 1 1 1 0 7 +0,378122700 0 2 1 0 8 +0,014404300 0 0 0 1 9 –0,053005400 2 0 0 1 10 +0,014348100 0 1 0 1 11 +0,060682600 1 1 0 1 12 –0,012589400 0 0 1 1 13 +0,010968900 1 0 1 1 14 –0,13369800 0 3 0 0 15 +0,002411570 0 6 0 0 16 –0,000530020 2 6 0 0 17 +0,16849600 3 0 1 0 18 +0,026345420 0 0 2 0 19 +0,043601360 2 0 2 0 20 –0,031184930 3 0 2 0 21 +0,012492150 1 6 2 0 22 –0,006482720 2 6 2 0 23 –0,008417280 0 3 0 1 24 +0,01684240 1 3 0 1 25 –0,00102296 3 3 0 1 26 –0,03177910 0 3 1 1 27 +0,01860400 1 2 2 1 28 –0,004107980 0 2 2 1 29 –0.000606848 0 0 0 2 30 –0,00498190 1 0 0 2 31 +0,00259630 2 0 0 2 32 –0,000560528 3 0 0 2 33 –0,001636520 1 2 0 2 34 –0,0003287870 1 6 0 2 35 +0,000116502 2 6 0 2 36 +0,0006909040 0 0 1 2 37 +0,004217490 0 3 1 2 38 +0,0000565229 3 6 1 2 39 –0,001465640 0 3 2 2 89
  83. Baûng 3.10: Heä soá Kklmn cho chaân vòt Gawn TT Kklmn k (J) l (H/D) m (Ae/A0) n (Z) 1 +0,00515898 0 0 0 0 2 +0,016066680 2 0 0 0 3 –0,04411530 1 1 0 0 4 +0,006822230 0 2 0 4 5 –0,04088110 0 1 1 0 6 –0,077329670 1 1 1 0 7 –0,08853810 2 1 1 0 8 +0,169375020 0 2 1 0 9 –0,003708710 1 0 0 1 10 +0,005136960 0 1 0 1 11 +0,020944900 1 1 0 1 12 +0,004743190 2 1 0 1 13 –0,007234080 2 0 1 1 14 +0,004383880 1 1 1 1 15 –0,02694030 0 2 1 1 16 +0,05580820 3 0 1 0 17 +0,01618860 0 3 1 0 18 +0,003180860 1 3 1 0 19 +0,012904350 0 0 2 0 20 +0,024450840 1 0 2 0 21 +0,007006430 3 0 2 0 22 –0,027190460 0 1 2 0 23 –0,01664586 3 1 2 0 24 +0,03004490 2 2 2 0 25 –0,033697490 0 3 2 0 26 –0,003500240 0 6 2 0 27 –0,01068540 3 0 0 1 28 +0,001109030 3 3 0 1 29 –0,000313912 0 6 0 1 30 +0,00358950 3 0 1 1 31 –0,001421210 0 6 1 1 32 –0,003836370 1 0 2 1 33 +0,01268030 0 2 2 1 34 –0,003182780 2 3 2 1 35 +0,003342680 0 6 2 1 36 –0,001834910 1 1 0 2 37 +0,0001124510 3 2 0 2 38 –0,0000297228 3 6 0 2 39 +0,000269551 1 0 1 2 40 +0,000832650 2 0 1 2 41 +0,001553340 0 2 1 2 42 +0,000302683 0 6 1 2 43 –0,000184300 0 0 2 2 44 –0,000425399 0 3 2 2 45 +0,000869243 3 3 2 2 46 –0,000465900 0 6 2 2 47 +0,0000554194 1 6 2 2 90
  84. Hình 3.16 : Chaân vòt Gawn Cuối phần này giới thiệu đồ thị Taylor áp dụng cho chân vịt Gawn (hình 3.16a,b). Cách lập đồ thị Bp-δ không khác cách làm cho chân vịt nhóm B-Wageningen. Quá trình thiết kế chân vịt Gawn tiến hành theo hướng dẫn chung, đề cập trong chương 7 “Thiết kế chân vịt”. Viết chương trình máy tính thiết kế chân vịt Gawn được tiến hành theo thuật toán được soạn cho chân vịt bước cố định, trình bày tại chương 11 “Chương trình thiết kế chân vịt” sách “Lý thuyết tàu”. Chân vịt KCA Đây là một biến tướng của chân vịt Gawn, thường gọi là chân vịt Gawn-Burrill. Phaàn töû chính Chaân vòt Ñöôøng kính: 16,0 in Tæ leä chieàu daøy caùnh: 0,0045 Tyû leä ñöôøng kính cuû: 0,2 Baûng chieàu daøi daøy Soá löôïng caùnh: 3 Baùn kính khoâng thöù nguyeân Höôùng quay: RH 0,25 0,3750,50 0,625 0,750 0,875 0,9375 Tyû leä maët ñóa: 0,8 C,Cc,50 0,640 0,819 1,00 1,140 1,212 1,139 0,946 Hình 3.17: Chaân vòt KCA 91
  85. Hình 3.18: Ñoà thò KT J, KQ J chaân vòt Gawn 92
  86. A Chaân vòt KC Hình 3.19: Hình Tỉ lệ bước xoắn: từ 0,60 ÷ 2,0 Tỉ lệ chiều dày cánh: 0,045 Tỉ lệ dh/D = 0,20. Mặt trải của cánh hình elip, tâm tại 0,1R và 0,1R cách đỉnh cánh. Đồ thị các đặc trưng thủy động chân vịt KCA được giới thiệu tại hình 4.35a,b,c kèm theo phần này. 95
  87. Chân vịt Ma Số cánh chân vịt mẫu: Z = 3 và 5. Tỉ lệ bước: H/D từ 1,0÷1,45 Tỉ lệ diện tích mặt trải ae: 0,75÷1,20. Tỉ lệ đường kính củ: dh/D = 0,19 Góc nghiêng cánh: 0°. Tỉ lệ chiều dày cánh: t /D = 0,046÷0,063. o Hình 3.20 Chân vịt Ma Kết quả thử mô hình được trình bày trong hệ thống KT ηp J và KQ ηp J. Kết quả trên được chuyển sang hệ thống Taylor, giới thiệu tại hình 4.36c, dạng: KT KQ J vaø J tương đương Bu δ và Bp δ. Quan hệ giữa hai cách ký hiệu được hiểu như JJ45 101, 3 KT KQ sau: δ=;,;, Bup =13 19 B = 33 08 J JJ45 Chân vịt Ma được thử nghiệm tại Gotenborg&& . Đồ thị chân vịt Ma được giới thiệu cuối tài liệu này: Hình 3.21: Đồ thị tiêu biểu chân vịt Ma. Chân vịt Newton-Rader N-R Chân vịt N-R gồm các mẫu ba cánh, tỉ lệ bước từ 1,0 ÷ 2,0, tỉ lệ mặt đĩa 0,5 ÷ 1,0. Seri gồm 20 chân vịt mẫu, đường kính D = 254mm, được thí nghiệm với ý định dùng cho tàu cao tốc. Đây là seri chân vịt sủi bọt. Đặc tính chính của seri như sau: 96
  88. AE/Ao P/D 0,48 1,05 1,26 1,67 2,08 0,71 1,05 1,25 1,66 2,08 0,95 1,04 1,24 1,65 2,04 a) Đồ thị KT – J, KQ – J Newton-Rader 97
  89. b) Đồ thị kJT ; kJQ Hình 3.22: Chân vịt Newtơn Rader 98
  90. Mỗi chân vịt được thử nghiệm tại bể thử với số sủi bọt thay đổi: 0,25; 0,30; 0,40; 0,50; 0,60; 0,75; 1,0; 2,50; và 5,5. Chân vịt Newton-Rader được giới thiệu tại hình 3.23 Hình 3.23: Chân vịt Newton-Rader Chân vịt SK Chân vịt seri SK gồm 28 mô hình, chia làm bốn nhóm, tỉ lệ mặt đĩa 0,65; 0,8; 0,95; 1,10. Tỉ lệ bước dùng trong mỗi nhóm từ 1,0 ÷ 2,2 với thay đổi bước 0,2. Mô hình chân vịt SK gồm 3 cánh, đường kính 0,20m, tỉ lệ của chân vịt 0,165. Phân bố chiều dày lớn nhất dọc bán kính theo luật tuyến tính. Tỉ lệ chiều dày ảo tại tâm củ 0,05, tỉ lệ chiều dày mép cánh 0,045. Chân vịt SK thuộc họ chân vịt sủi bọt. Kích thước hình học chân vịt SK, tỷ lệ ae = 0,95 được giới thiệu tại hình 4.39), giá trị các thông số ghi tại bảng. Kích thước hình học các chân vịt còn lại ghi tại bảng nêu dưới đây. Đặc tính thủy động lực trình bày tại hình 4.40a,b,c) giành cho chân vịt với ae = 0,97 (chân vịt sủi bọt, cải biên) và chân vịt chuẩn ae = 0,95. 99
  91. Hình 3.24: Chaân vòt SK vôùi ae = 0,95 R 20 30 40 50 60 70 80 90 95 100 e 8,18 7,26 6,36 5,45 4,54 3,63 2,72 1,81 1,36 0,9 h 3,70 2,50 1,20 Ae/A0 = 0,65 b 64,4 75,3 84,8 92,5 97,4 98,2 92,0 75,0 57,4 – e1 7,41 7,26 6,90 6,37 5,51 4,61 3,64 2,56 1,89 0,90 e2 –0,77 0 0,54 0,92 0,97 0,98 0,92 0,75 0,57 – Ae/A0 = 0,80 b 79,2 92,6 104,4 113,8 119,8 120,9 113,2 92,4 70,6 – e1 7,31 7,26 7,09 6,59 5,74 4,84 3,85 2,73 2,01 0,90 e2 –0,87 0 0,73 1,14 1,20 1,21 1,13 0,92 0,65 – Ae/A0 = 0,95 b 94,0 110,0 124,0 135,1 142,3 143,5 134,5 109,6 83,8 e1 7,15 7,26 7,23 6,80 5,96 5,06 4,06 2,91 2,07 e2 –1,03 0 0,87 1,35 1,41 1,43 1,34 1,10 0,71 Ae/A0 = 1,10 b 109,0 127,5 143,6 158,5 165,0 166,3 155,8 127,3 97,1 – e1 6,98 7,26 7,36 7,01 6,19 5,26 4,32 3,08 2,18 0,90 e2 –1,20 0 1,0 1,56 1,65 1,66 1,69 1,27 0,82 – 100
  92. Ñoà thò duøng trong thieát keá ñöôïc trình baøy döôùi daïng ñoà thi Papmiel cho toaøn boä seri. a) Ñoà thò KT – J chaân vòt suûi boït SK, ae = 0,97, δ = 0,8 b) 101
  93. c) Đồ thị KQ – J chân vịt sủi bọt SK, ae = 0,95 Hình 3.25 Thiết kế chân vịt sủi bọt Chân vịt sủi bọt, hoặc chân vịt siêu sủi bọt (supercavitating propeller), được dùng trong những trường hợp chân vịt không-sủi-bọt (non-caviting propeller) tỏ ra không hiệu nghiệm theo nghĩa, rằng không có cách gì để ngăn chặn sủi bọt cánh và củ chân vịt. Chân vịt sủi bọt trên thực tế không khác các chân vịt thông thường chúng ta đã quen, ngoại trừ khả năng vẫn đảm bảo lực đẩy trong điều kiện bị sủi bọt không toàn phần hoặc toàn phần. Thiết kế chân vịt sủi bọt là thủ tục chọn chân vịt tối ưu trong điều kiện sủi bọt. Với chân vịt không-sủi-bọt quan hệ giữa lực nâng phần tử cánh với góc tấn có thể coi là tuyến tính . Với chân vịt làm việc trong môi trường sủi bọt, lực nâng là hàm số của hai tham số là góc tấn và số sủi bọt, và hệ số δCL/ δα như chúng ta đã làm quen trong phần đầu tài liệu, khi áp dụng cho chân vịt sủi bọt bị giảm khoảng 4 lần . Với chân vịt sủi bọt cách thích hợp để trình bày lực nâng profil cánh trong quan hệ với các tham số dòng chảy đến nó và trong quan hệ với chiều dầy cánh khi bọt khí đã xâm chiếm toàn bộ bề mặt profil. Theo quan điểm tuyến tính hóa quan hệ lực nâng với các tham số của profil cánh, lực nâng tấm trong điều kiện số sủi bọt σ bằng 0 có thể là: 102
  94. πα.sin2 ⎫ C = L 4 + πα.sin ⎪ 2 ⎬ (a) 2πα.sin C = ⎪ D 4 + πα.sin ⎭⎪ Với α nhỏ, có thể coi sin α ≈ α và cos α ≈ 1,0. Các biểu thức cuối có thể mang dạng: π CL = .α ; (b) 2 π 2 CD = .α . (c) 2 Từ các công thức trên có thể chuyển thể để tính lực nâng và lực cản profil cánh cho chân vịt sủi bọt. Một trong những công thức đó áp dụng cho profil dạng hình cung khư sau: π ⎛ h⎞ ⎫ CL =+⎜α 35, ⎟ ⎪ 2 ⎝ b⎠ ⎪ 2 ⎬ (d) π ⎛ h⎞ ⎪ CDL =+⎜α ⎟ 2 ⎝ b⎠ ⎭⎪ trong đó b - chiều rộng cánh, h - chiều dầy lớn nhất. Trong trường hợp số sủi bọt khác không, theo sáng kiến của Betz (1930) cần đưa vào công thức đầu đã tính cho σ = 0 một hệ số lực nâng bổ sung, giá trị lực bổ sung tính bằng công thức: pp− C ’ = 0 c = σ. (e) L 1 ρ.V 2 2 trong công thức pc - chỉ áp suất trong bọt khí. Theo cách đó sẽ nhạân được biểu thức tính CL, CD cho σ ≠ 0. π CL = .ασ+ ; (f) 2 CD = CCLf.α + . (g) trong đó Cf - hệ số cản ma sát. Thiết kế chân vịt sủi bọt theo tuần tự đã áp dụng tại các phần trước nếu sử dụng chân vịt sủi bọt chuẩn đã qua thí nghiệm. Trong điều kiện thực tế, tài liệu chúng ta có thể có được gồm chân vịt cánh rộng Gawn, chân vịt Gawn-Burrill, seri Newton-Rader và seri Vening-Haberman. Đặc trưng thủy động lực các nhóm chân vịt này được trình bày tại chương ba. Trong phần này của tài liệu được bổ sung thêm các đồ thị KT - J -σ , KQ - J - σ. Thủ tục thiết kế chân vịt sủi bọt gồm xác định đường kính và bước xoắn nhằm đảm bảo tàu đạt vận tốc lớn nhất tiến hành theo bảng sau. Bảng 24 : Thiết kế chân vịt sủi bọt theo chế độ chạy tự do. Ký hiệu & công thức Gán giá trị số sủi bọt σ1 σ2 σn 10330 +−Hs.γ p Vp = d , (m/s) ρ 2 *σ i 103
  95. Vp Vs = , ( HL/h) 05144,*() 1− w T = R , (kG) ()1− t Vp ρ K’n = 4 , (theo Papmiel) n T ηp = f(K’n), từ đồ thị J = f(ηp ), từ đồ thị Vp D = , (m) nD. H/D = f(ηp), từ đồ thị PD = T.Vp/ 75. ηp PE = PD / η Thứ tự thực hiện các phép tính có thể tiến hành theo mẫu dưới đây , áp dụng cho trường hợp chọn chân vịt từ seri Newton-Rader cho tàu cao tốc có lượng chiếm nước D = 75T. Tàu lắp hai máy với công suất tổng cộng BHP = 2x3.800HP = 7600HP. Công suất dẫn đến trục chân vịt, theo các chỉ dẫn đã trình bày trên, có thể tính : PD = 3.500 HP. Từ các phép tính bổ trợ có thể suy đoán, vận tốc tàu 75T này, lắp máy công suất 2x3.800HP, vòng quay chân vịt 1.750 v/ph có thể đạt 48 HL/h. Để đảm bảo độ bền và xét đến tính sủi bọt cánh, chọn chân vịt Newton-Rader với tỷ lệ mặt đĩa AE / A0 = 0,712. Để chọn đường kính chân vịt, dựa vào đồ thị KT - J -σ , KQ - J - σ cần thiết tính thử KT , KQ cho một dẫy đường kính. Tại đây bạn đọc có thể sử dụng hệ thống đo thích hợp và dễ dàng cho mỗi người khi tính. Trong trường hợp dùng đồ thị Newton-Rader có gốc từ nước Anh, có thể dùng đơn vị chiều dài foot khi tính chọn đường kính. Chân vịt Newton-Rader, AE/A0 = 0,712 Bảng 25. D, (ft) 1891,* 107 *. 3500 1,* 013 102 * 48 KQ = KT = 1,*.* 988 175035D 1750.*D 2,8 0,0361 0,992 3,0 0,0256 0,926 3,2 0,0185 0,868 4,4 0,0137 0,817 Trên đồ thị KQ - J - σ có thể xác định σ = 0,3, ứng với V = 48 HL/h. Từ giá trị trên có thể tìm trên đồ thị giá trị của hiệu suất chân vịt: Bảng 26. 104
  96. P/D J η 1,047 0,89 0,65 1,249 0,92 0,65 1,658 1,02 0,58 Giai đoạn thứ ba khi chọn lựa chân vịt sủi bọt là phải xác định “mẫu sủi bọt” thích hợp để mặt hút của cánh “khô” ở mức có thể được, chân vịt làm việc ở góc tấn lớn có thể, dự phòng trường hợp trục chân vịt bị nghiêng lớn khi tàu chuyển sang lướt. Từ đồ thị (b) có thể chọn các thông số phù hợp sau: P/D = 1,249; η = 0,65. Kết quả có thể chọn chân vịt thuộc seri Newton-Rader, đường kính D = 36 in. = 0,914m; bước xoắn P = 45 in. = 1,143m. Tài liệu tham khảo để bạn đọc dễ hình dung : nếu thiết kế chân vịt không-sủi-bọt, bạn sẽ nhận được chân vịt tối ưu như sau D = 1,22m; P/D ≈ 1,8. Chân vịt tham khảo này có hiệu suất thấp và bước lớn hơn nhiều so với chân vịt sủi bọt. 105
  97. CHAÂN VÒT GAWN 106
  98. Máy đẩy dạng phụt nước Máy đẩy dạng máy phụt nước bao gồm hệ thống ống dẫn và các cánh quay trong ổ làm chức năng như bơm phụt nước. Nguyên lý làm việc của hệ thống dạng này như sau. Hình 2.28a: Nguyên lý làm việc của hệ thống máy đẩy dạng máy phụt nước Giả sử nước vào hệ thống với lưu tốc V1 còn thoát ra khỏi ống xả V2, diện tích miệng ống xả A2. Khối lượng nước qua máy đẩy, phụt nước trong hệ thống được tính bằng biểu thức: m = ρA2V2 () trong đó: ρ - mật độ nước. Động lượng của khối nước qua máy đẩy trong trường hợp này sẽ là ρA2V2(V2 – V1). Lực đẩy suy ra từ công thức cuối: T = ρA2V2(V2 – V1) () Công suất hữu ích do T tạo được tính bằng tích của lực đẩy với vận tốc. PT = TVs = mVs(V2 – V1) () trong đó Vs là vận tốc tàu. Để xác định công suất cần thiết đưa hệ thống phụt nước vào làm việc cần thiết viết lại công thức năng lượng của cơ học chất lỏng cho dòng trong đoạn từ miệng vào số 1 trên hình, và miệng ra số 2 trên hình. Công thức Bernoulli áp dụng cho trường hợp này có dạng: ρρVV22 p +=++Δ12pp () 1222 trong đó: Δp - tổn thất áp lực trong hệ thống. Công thức trên có thể chuyển sang dạng phương trình cột áp sau: pV22 pV 11++Hhh = 12 ++Δ+ () ρρgg22ptt gg trong đó: Δh = h1 + h2 như biểu thị trên hình; htt - tổn thất cột áp trong hệ thống ống. Nếu giả thiết rằng p2 = const, công thức cuối có thể viết lại như sau: 22 VV21− Hhh=++ với p1 = p2 + h1ρg () bt2g 2 t Công suất cần thiết để bơm làm việc: 107
  99. 1 PmVVghh=−++[(22 ) ( )] () bôm2 21 2 tt Tỉ lệ giữa công suất đẩy THP và công suất cần cấp cho máy đẩy DHP được gọi là hiệu suất máy đẩy, tính theo công thức. V ()VV− η= s 21 () o 1 ()()V 22−+Vghh + 2 21 2tt Tổn thất cột áp htt được chia cho hai nhóm, độc lập nhau, tổn thất nhóm đầu hD liên quan đến tổn thất nội tại trong hệ thống còn nhóm sau hb chỉ cho bơm: htt = hD + hb () Tổn thất nhóm đẩy phụ thuộc vào cấu hình máy phụt nước gồm tổn thất đầu vào, tổn thất khuếch tán, tổn thất do ma sát: hD = hDI + hDD + hDF () 2 Công thức tính tổn thất có thể tham khảo như sau: hkVgDI = (/)1 2 trong đó: k có thể coi là tổng của các tổn thất tại van dẫn và uốn ống: k = k1 + k2 ≈ 0,01 + 0,015 V 2 h =−η−ε()()112 1 () DD D 2g trong đó: ηD - khoảng 90%, ε - tỉ lệ giữa diện tích đầu vào và đầu ra của bộ khuếch tán. Hệ số thứ ba tính theo các công thức tính sức cản ma sát. Có thể ghép các biểu thức trên về dạng chung sau đây: 2 ()VVs +Δ hk= với ΔV = V2 – V1 () DD2g Hệ số kD nằm trong phạm vi sau: 0,04 < kD < 0,10. Tổn thất hb chỉ liên quan đến cấu hình của bơm, biểu thị bằng công thức. 1 −ηb hHb = () ηb Các bơm hướng trục hoặc bơm hỗn hợp hiện đại thường có giá trị ηb = 0,90. Có những điểm tương đồng giữa bơm trong máy phụt nước và chân vịt tàu, và điều đó thể hiện bằng các hệ số sau: ϕ Ψ η= ⋅ b () 2π KQ trong đó: ϕ - hệ số dòng; Ψ - hệ số truyền năng lượng, định nghĩa như sau: Q gH ϕ=; Ψ= () ND322 N D 108
  100. Hình 2.28b Bơm phụt nước Thiết kế đường dẫn gồm miệng hút, đường ống, các thiết bị đỡ Miệng hút vào ống thông thường có gắn các thiết bị bảo vệ nhằm tránh các vật có kích thước lớn quá giới hạn cho phép lọt vào ống và sau đó vào bơm. Tấm lưới bảo vệ này nếu thưa quá sẽ không làm được việc ngăn ngừa vật lạ, ngược lại mắt dày quá sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng đến mức khó chấp nhận. Profil mặt cắt dọc ống có hình dáng thích hợp cho dòng chảy trong đó, giúp cho dòng nước qua bánh công tác đều, còn dòng dọc ống không bị tổn thất nhiều. Trong thực tế có thể gặp ống trụ, tiết diện tròn, tiết diện elip hoặc ống có tiết diện thay đổi. Hình 2.29: Bơm phụt nước tàu cánh ngầm Những ví dụ trình bày tại hình 7.32, giới thiệu những kết cấu đã được dùng có kết quả trong mấy chục năm qua. Hình 2.30a,b giới thiệu bố trí chung máy phụt nước dùng cho tàu cánh ngầm, chở khách kiểu “Jetfoil”, sản xuất tại Mỹ. Công suất máy chính 3700 HP, lưu lượng nước qua bơm hướng trục 1,46m3/s; n = 2080 v/ph; cột áp 170 m.cn. 109
  101. 1- Truïc bôm (truïc chaân vòt) 2- Chi tieát laøm kín 3- Baùnh coâng taùc 4- Boä phaän naén doøng 5- Loã oáng thoaùt Hình 2.30: Bố trí bơm phụt nước Hình 2.30d: Bơm phụt nước tàu nhỏ Hình 2.31: Thay đổi hướng dòng thoát Hình 2.30c trình bày thiết bị tương tự sản xuất tại Nga từ 1944 dùng cho tàu nổi. Điểm khác biệt tại đây là ống dẫn dạng hình vòm, tiết diện thay đổi. 110
  102. Hình 2.30d trình bày kết cấu kim loại của ống trên xuồng nhỏ, khối lượng 800kg, lắp máy 75 PS. Xuồng dài 5m, lắp máy phụt nước dạng này có thể phát huy vận tốc 40 km/h khi chạy trên sông. Ngày nay các hãng sản xuất máy phụt nước đã tiến hành tiêu chuẩn hóa tất cả kết cấu cùng tính năng thiết bị làm cho người thiết kế có nhiều thuận lợi hơn khi chọn phương án. Thông thường hãng chế tạo sản xuất bơm (chân vịt), hệ thống dẫn động, đường ống, ống hút, ống xả và gàu đổi hướng. Gàu đổi hướng có tác dụng hướng dòng thoát từ 0°, ngược với hướng tiến của tàu làm cho tàu tiến về trước, đến gần 180°, trùng hướng tiến của tàu để “hãm” tàu lại. Khi dòng thoát quay sang trái, lái tàu bị sang phải, còn khi dòng đổi sang hướng phải tàu quay ngược lại. Trên thực tế tàu được trang bị hệ thống máy phụt nước có khả năng thay hướng dòng thoát như vừa nêu, tàu có tính quay trở rất cao mà không cần trang bị hệ thống lái có bánh lái. Nguyên lý hoạt động của máy phụt nước kiêm quay trở tàu được giới thiệu tại hình 2.31 Tại hình 2.33 giới thiệu một mẫu máy phụt nước cùng kích thước phủ bì của nó, trích từ catalô của hãng sản xuất. Tương tự thiết kế chân vịt thông thường, khi thiết kế tàu lắp máy phụt nước, trong nhiều trường hợp đòi hỏi cao về vận tốc, trong khi không gian buồng máy và khoảng không bố trí thiết bị bị hạn chế, cần thiết phải sử dụng hệ thống nhiều đường trục. Máy phụt nước có thể bố trí đơn chiếc và cũng có thể bố trí thành hai hoặc nhiều dẫy. Tại hình 7.34 giới thiệu bố trí buồng máy tàu cánh ngầm lớn của Mỹ, sản xuất 1967. Bơm được dùng trong hệ thống là bơm li tâm, trục đứng. Lượng chiếm nước của tàu 550T, vận tốc tàu xấp xỉ 80 HL/h. Sáu bơm li tâm lớn bố trí như trên hình, chia làm hai tầng, cùng dồn nước vào hai ống thoát chung. Tuabin hơi lai bơm FT4A-2 có công suất liên tục 20.000HP, và có khả năng hoạt động quá tải ở chế độ 30.000HP. Đặc tính của bơm như sau: lưu lượng 4,23 m3/s; cột áp 75,5 m.cn; vòng quay 3340v/ph; đường kính bánh công tác 0,42m; hiệu suất bơm 0,88 ÷ 0,90. Trong phần cuối này sẽ giới thiệu một số mẫu máy phụt nước được sản xuất trong những năm gần đây tại các nước châu Âu làm tài liệu tham khảo trước khi chọn. Hình 2.32: Bố trí buồng máy tàu cánh ngầm, sử dụng máy phụt nước 111
  103. Bảng B Công suất Rộng Cao Mẫu máy phụt nước Dài (mm) Khối lượng (kg) max (HP) (mm) (mm) Castold Jet 03 68 605 550 265 25 Doen DJ60 100 595 205 – 16 Berno 305 Diesel 120 1275 360 300 54,4 Kem 110 150 1050 338 545 45 Ultra 300 Single Stage 160 1410 360 500 75 Namj TJIX-150 167 1775 638 648 227 PP-65 200 724 324 343 25 Ultra 300 Two Stage 300 1041 457 381 70 FF240 310 1715 500 600 100 Hamilton Jet 291 475 Berno 360 High Torque 475 1500 380 440 383 Kem 503 810 1796 999 750 305 Ulstein WJ450 1020 1320 910 – 1300 Castoldi Jet 07 1290 2618 960 880 823 Doen DJ170 1630 1590 675 760 550 MJP 480 1770 2810 – – 765 LIPS Jet 43DLX 2010 Hamilton Jet HM521 2450 KaMeWa 63 4070 MJP 750 5700 4975 1720 1255 2105 MJP 850 7545 5640 1980 1440 3145 KaMeWa 100 12900 MJP 1350 18760 9050 3110 2110 8450 KaMeWa 112 20390 8000 1990 – 7800 KaMeWa 125 25150 8750 2220 – 11400 KaMeWa 160 40790 7500 2850 – 12500 MJP 2050 51660 KaMeWa 200 54400 112
  104. Hình 2.33 Thiết bị waterjet Hình 2.34 Tàu cao tốc sử dụng waterjet “Jetfoil 3” 113
  105. Hình 2.35 114
  106. Chương 4 CÁC ĐƯỜNG TÍNH NỔI. ĐƯỜNG CROSS CURVES 4.1 Tính các đường tính nổi tàu thủy một thân trên máy cá nhân Các đại lượng hình học trình bày trên được chia làm ba nhóm khác nhau: 1- Tính diện tích, mômen tĩnh, mômen quán tính, hệ số đầy đường nước, mômen chúi đơn vị trong mỗi đường nước. 2- Tính diện tích phần chìm các sườn, mômen tĩnh so với đáy, so với mặt giữa tàu cho mỗi sườn, thực hiện trong mặt sườn. 3- Tính thể tích phần chìm và các đại lượng liên quan đến thể tích. Các phép tích phân được phân vào hai dạng, tích phân giới hạn xác định dọc chiều dài tàu và tích phân giới hạn trên thay đổi tùy thuộc mớn nước tính toán. Chuẩn bị dữ liệu. 1- Chọn số sườn tính toán, số đường nước cần thiết khi tính, 2- Vị trí các sườn tính toán ghi trong hệ tọa độ tương đối, đơn vị tính dL = Lpp/(10 hoặc 20), ví dụ: Thứ tự 1 2 3 NS-1 NS Vị trí sườn #0 # ½ #1 #1 ½ #2 # 19 ½ 20 Hình 4.1 3- Vị trí các đường nước theo đơn vị tính dT, ví dụ: Thứ tự 1 2 3 NW Vị trí đường nước 0 ½ 1 115
  107. Hình 4.2 4- Tọa độ vòm đuôi so với trụ lái, ghi lại dưới dạng bảng Thứ tự 1 2 3 NW + 1 Tọa độ vòm đuôi Hình 4.3 5- Chiều dài thật của tất cả đường nước tính toán, 6- Chiều cao của tất cả các sườn tính toán, 7- Tọa độ vỏ tàu, xác định tại tất cả các sườn tính toán, qua tất cả đường nước tính toán. Tọa độ vỏ tàu (giá trị ½ chiều rộng tàu) ghi dưới dạng ma trận như ví dụ sau: Thứ tự đường nước 0 1/2 1 NW Boong Sườn #0 # ½ # Sườn cuối 116
  108. Hình 4.4 Thứ tự ghi dữ liệu như minh họa trên hình. Chương trình tính thực hiện các phép tính theo thứ tự sau: Tích phân trong mặt đường nước thứ j, j = 1,2, , NW Diện tích: AW = 2 ydx (a) ∫L xydx Tâm đường nước: a = ∫L (b) ydx ∫L Mômen quán tính dọc, qua trục trung hòa: 22 IxydxaALW=−2 (c) ∫L 2 3 Mômen quán tính ngang: Iydxt = (d) 3 ∫L γI Mômen chúi tàu 1m: M = L (e) TRIM L Tích phân trong mặt sườn thứ i, i = 1,2, , NS z Diện tích phần chìm: Sz()= 2∫ ydz (f) 0 z Mômen tĩnh so với đáy: Mz()= 2 yzdz (g1) B ∫ 0 z Mômen tĩnh so với mặt giữa tàu: M() z= 2 xydz (g2) o ∫ 0 Tích phân theo thể tích phần chìm từ 0 đến Z: z Thể tích phần chìm: V()zAzdz= () (h) ∫ w 0 117
  109. z () ∫ Aw zzdz Chiều cao tâm nổi: KB() z = 0 (i) Vz() z ()() ∫ Aw zazdz Hoành độ tâm nổi: XB() z = 0 (k) Vz() I Bán kính tâm nghiêng ngang: BM = t (l) V I Bán kính tâm nghiêng dọc: BM = L (m) L V A ()z Sz() Các hệ số đầy: C = w (n); C = o (p) W LB M TB V CB CB CB = (q); CP = (r); CV = (s) LBT CM CW Sơ đồ tính như sau: Hình 4.5 Biểu đồ mang tên Firsov Tên gọi này chỉ thịnh hành tại đất nước đã sinh ra nhà khoa học tàu thủy này (Nga). Trong sách báo của nước ta tên gọi biểu đồ Firsov được công nhận một cách chính thức, giống như được gọi ở Nga vậy, còn ở các nước khác ít khi sử dụng. Biểu đồ Firsov giúp cho người đọc tìm được thể tích 118
  110. phần chìm hoặc lượng chiếm nước, tọa độ tâm nổi phần chìm cho các trạng thái nghiêng dọc tàu. Nói theo cách dễ hiểu hơn, khi đọc được chiều chìm tàu tại mũi và lái của tàu, người ta sử dụng biểu đồ Firsov để tìm giá trị thực của lượng chiếm nước D, cao độ tâm nổi KB và hoành độ tâm nổi XB của tàu trong trạng thái ấy. Thủ tục lập biểu đồ Firsov theo thứ tự kể sau: - Xác định mớn nước lái T1 và mớn nước mũi Tm - Xác lập đường nước qua hai vị trí trên - Sử dụng biểu đồ Bonjean tính thể tích phần chìm và tọa độ tâm nổi theo các công thức: Hình 4.6 L Thể tích phần chìm của tàu: V = ∫ axdx() () 0 L Mômen thể tích phần chìm so với đáy: Mmxdx= () () b ∫ 0 Mômen thể tích phần chìm so với mặt cắt ngang giữa tàu: +L/2 Mxaxdx= () () ⊗ ∫ −L/2 Chiều cao tâm nổi, so với mặt đáy: L mxdx() M ∫ KB ==b 0 () V L ∫ axdx() 0 Hoành độ tâm nổi, tính từ mặt cắt ngang giữa tàu: 119
  111. +L/2 xa() x dx M ∫ XB ==⊗−L/2 () V L ∫ axdx() 0 Đồ thị tiêu biểu dùng cho tàu vận tải biển được giới thiệu tại hình 4.7 Hình 4.7 Đồ thị Firsov Tính cân bằng dọc tàu Với mỗi trạng thái khai thác cần thiết kiểm tra tính nổi của tàu. Kiểm tra cân bằng dọc tàu tiến hành theo bảng sau. Trong bảng này có sử dụng một số công thức sẽ được giải thích tại phần sau của tài liệu: TT Tên gọi Công thức và ký hiệu Đơn vị tính 1 Thể tích chiếm nước ∇ =Δγ/ m3 2 Chiều chìm trung bình d, T - đọc từ đồ thị, = f()∇ m 3 Hoành độ trọng tâm LCG m 4 Chiều cao trọng tâm KG m 5 Tâm đường nước LCF - đọc từ đồ thị, = f(T) m 6 Hoành độ tâm nổi LCB - đọc từ đồ thị, = f(T) m 7 Chiều cao tâm nổi KB - đọc từ đồ thị, = f(T) m 8 Bán kính tâm nghiêng BM - đọc từ đồ thị = f(T) m 120
  112. TT Tên gọi Công thức và ký hiệu Đơn vị tính 9 Mômen chúi 1 m MTRIM - đọc từ đồ thị, = f(T) Tm/m 10 Mômen chúi tàu Mch = Δ(LCG-LCB) Tm 11 Độ chúi của tàu δ=TMchM/ TRIM m 12 Góc chúi ψ =δTL/ - 13 Thay đổi chúi mũi δTm=(L/2-LCF)ψ m 14 Thay đổi chúi lái δTL=-(L/2+LCF)ψ m 15 Mớn nước mũi Tm = T + δTm=+() 2 ( 13 ) m 16 Mớn nước lái TL=T+δTL=-(=(2)+(14) m 17 Chiều cao tâm nghiêng GM = KM - KG = (7) + (8) - (4) m o 18 Mômen nghiêng tàu 1 MGM5731 =Δ /, Tm 4.2 Thuật toán xác lập họ đường cross curves (pantokaren) Họ đường Lk = f(V, ϕ ) lập cho trường hợp Vi = const, i = 1,2 với góc nghiêng thay đổi từ 0 đến góc bất kỳ, ví dụ đến 90° , mang tên gọi pantokaren. Thuật ngữ chuyên ngành bằng tiếng Anh viết là cross curves. Người đọc cần lưu ý về các ký hiệu không trùng nhau giữa tài liệu các nước. Trong tài liệu này chúng tôi sử dụng các qui ước và ký hiệu dùng chung cho tất cả các nước, ngoại trừ tài liệu viết bằng tiếng Nga. Tay đòn hình dáng Lk được đo từ điểm K (keel) giao điểm của sống chính với mặt cắt ngang giữa tàu, đến hướng tác động lực qua tâm nổi B’ của phần chìm tàu trong thời điểm tính toán, ứng với góc nghiêng cho trước (hình 4.8). Điểm K cố định trong mọi trường hợp tính toán. Theo tài liệu xuất bản tại Nga, người ta thường lấy tâm nổi tại trục đối xứng ký hiệu C, tại thời điểm góc nghiêng bằng 0 làm chuẩn rồi từ đó đo khoảng cách đến đường tác động lực nổi. Hai cách làm trên đây, theo kiểu vừa trình bày và theo cách làm tại Nga, đưa đến cách đo khác nhau về tay đòn Hình 4.8 Thuật toán xác lập tâm nổi phần chìm tàu trong lập trình Để xác định tọa độ tâm nổi B’ cho góc nghiêng bất kỳ, xét trong hệ tọa độ chung toàn tàu, tiến 121
  113. hành cách rời rạc hóa bài toán theo các bước sau: 1- Phân chia toàn bộ chiều dài tàu thành những phân đoạn, có chiều dài phân đoạn ngắn hơn nhiều lần chiều dài tàu. Chiều dài các phân đoạn không nhất thiết bằng nhau. Mỗi phân đoạn rất ngắn kiểu này được coi như một khối trụ dài đúng bằng chiều dài phân đoạn, mặt cắt ngang của lăng trụ đúng như mặt cắt ngang giữa lăng trụ. 2- Trong mỗi phân đoạn tiến hành tính thể tích phần chìm, tâm nổi phần chìm so với đáy, so với mặt ngang chuẩn, cụ thể so với mặt cắt ngang giữa tàu. Thuật toán tính thể tích và mômen tĩnh Tại mỗi mặt sườn tiến hành kẻ nhiều đường nước nghiêng dưới góc Φ so với mặt đáy, cắt sườn tàu. Tại mỗi chiều chìm Z, tính trên trục OZ, kẻ đường nước song song với mặt thoáng nước tĩnh. Xác định các giá trị hỗ trợ a, b, c (hình 4.9) theo công thức: Z a =−t () tgΦ 1 bya=+() () 2 c = y – a () với: y - nửa chiều rộng tàu, đo tại mớn nước Z, cho sườn đang xét t - khoảng cách từ giao điểm mặt đường nước nghiêng tại đáy đến mặt cắt dọc giữa tàu. Hình 4.9 Diện tích mặt sườn, phần nằm dưới đường nước nghiêng: T A()xczdz= () () ∫0 Mômen tĩnh do với mặt đáy: T Mx()= czzdz () () B ∫ 0 Mômen tĩnh do với mặt cắt ngang giữa tàu: T Mx()= ∫ czbzdz ().() () 0 3- Tính thể tích phần chìm tàu và tọa độ tâm nổi của phần chìm tàu, nằm dưới một đường nước 122
  114. nghiêng, khi đã xác định A(x), MxB(), M(x). Thể tích phần chìm: V = ∫ Axdx( ) () L Khoảng cách RB và SB theo ký hiệu tại hình 2.19: Mxdx() MxdxB() RB = ∫L ; SB = ∫L () A()xdx A()xdx ∫L ∫L Tay đòn hình dáng Lk tính theo công thức: LKNSBRBk =Φ=Φ+Φsin sin cos () Mọi giá trị c(z) đo trên bản vẽ phải là những giá trị thật, có nghĩa c(z) ≥ 0 . Những trường hợp thường gặp khi đọc c(z) và cách hiệu chỉnh như sau: Nếu cy≥ 2 giá trị thật của c = 2y; b = 0 Nếu c ≤ 0 thì: c = 0 và b = 0 Sơ đồ tính toán được giới thiệu tại hình 4.11. Hình 4.10 Hình 4.11 Thứ tự tính các đường thủy tĩnh trên máy cá nhân 1- Tính diện tích, momen tĩnh, momen quán tính, hệ số đầy đường nước, momen chúi đơn vị vv trong mỗi đường nước theo công thức nêu phần trên. 123
  115. 2- Tính diện tích phần chìm các sườn, momen tĩnh so với đáy, so với mặt giữa tàu cho mỗi sườn, thực hiện trong mặt sườn. 3- Tính thể tích phần chìm và các đại lượng liên quan đến thể tích, công thức. 4.3 Tính đặc trưng hình học tàu nhiều thân Công thức tính toán các đặc trưng tính nổi của tàu như đã trình bày phần giành cho tàu một thân. Hình 4.12a Mặt cắt ngang tàu hai thân và ba thân Chuẩn bị dữ liệu tàu nhiều thân tiến hành như sau: Biểu diễn đường nước bất kỳ của mỗi thân tàu dưới dạng đường cong dạng y1 = f(x), đường cong nằm trên và y2 = f(x), đường cong phía dưới (hình 4.12b). Chiều rộng mỗi thân b xác định theo công thức sau. b Tại mỗi sườn: =−()y y 2 12 Sử dụng các công thức phần đầu tính cho mỗi đường nước. Công thức tính IT tàu 2 thân có dạng: 2 b 3 b 2 IydT = x + 2 y0 ydx 3 ∫a ∫a 1 y =+()yy 0122 Sử dụng các công thức (1.15) ÷ (1.25) cho các phép tính tiếp theo. a. “Đường nước” một thân tàu b. Mặt cắt ngang một thân tàu Hình 4.12b 124
  116. 4.4 Xây dựng họ đường cross curves tàu nhiều thân Họ đường cross curves LK = f(V, ϕ) lập cho trường hợp Vi; i = 1,2, với góc nghiêng ϕ (hoặc còn ký hiệu φ) thay đổi từ 0 đến góc bất kỳ, ví dụ đến 90°. Tay đòn hình dáng LK được đo từ điểm K giao điểm của mặt cắt dọc giữa tàu với đường cơ bản nằm ngang, đến hướng tác động lực qua tâm nổi B’ của phần chìm tàu trong thời điểm tính toán, ứng với góc nghiêng cho trước (hình 4.13). Điểm K cố định trong mọi trường hợp tính toán. Hình 4.13 Tại mỗi mặt sườn tiến hành kẻ nhiều đường nước nghiêng dưới góc Φ so với mặt đáy, cắt sườn tàu. Tại mỗi chiều chìm Z, tính trên trục OZ, kẻ đường nước song song với mặt thoáng nước tĩnh. Xác định các a, b, c theo công thức trình bày tại (), (), () cho tàu một thân. Nhóm công thức này áp dụng cho “tàu ảo” nằm phía trong của tàu hai thân, giúp tính “tay đòn ảo”. Các đại lượng nhận được sau khi tính được ký hiệu a’, b’, c’. T Diện tích mặt sườn, phần nằm dưới đường nước nghiêng: A(x) = czdz() ∫0 T Momen tĩnh so với mặt đáy: MB(x) = cz() zdz ∫0 T Momen tĩnh so với mặt cắt ngang giữa tàu: Mc(x) = cz().() bzdz ∫0 Tính thể tích phần chìm tàu và tọa độ tâm nổi của phần chìm tàu, nằm dưới một đường nước nghiêng, khi đã xác định A(x), MB(x), Mc(x). Tay đòn hình dáng LK tính theo công thức: LKNSBRBK =Φ=Φ+Φsin sin cos () DỰNG ĐỒ THỊ ỔN ĐỊNH TRÊN CƠ SỞ PANTOKAREN Đồ thị ổn định được dựng dưới dạng đường GZ = f(ϕ). Momen ổn định dựng dưới dạng momen phục hồi bằng tích số của GZ(ϕ) với lượng chiếm nước Δ = const. GZ = LK − KG sinϕ () 125
  117. Ứng với mỗi trường hợp V = Δ/γ = const, từ đồ thị pantokaren dễ dàng đo được LK, tính theo góc nghiêng, ví dụ 10°, 20°, 30°, Thay giá trị Lk vừa đo được vào biểu thức cuối cùng sẽ xác lập được dãy giá trị GZϕ, tính cho ϕ = 10°, 20°, 30°, Lk (m) 60 (o) 50 40 30 20 Lk40 10 Lk20 V (m3) 0 V=const ϕ GZ ϕ (m) 0,8 Lk40-KGsin 0,6 V=const; KG=const 0,4 Lk20-KGsin 0,2 ϕ (o) 02010 30 40 50 60 70 80 Hình 2.27 Xây dựng đồ thị ổn định tĩnh Những ví dụ tiếp theo trích từ các bảng tính ổn định tàu một thân theo cách đã chỉ dẫn. 1. Kích thước chính của tàu. Loa 110m B 30,50m D 7,90m d 3,74m 2. Ñoà thò oån ñònh tónh GZ (m), vaø ñoà thò oån ñònh ñoäng Ld (m.rad). TRANSIT 1 DISPLACEMENT = 10441.00 m3 VIRTUAL CG (KG*) = 7.24 m Deg 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Lk 4.49 7.65 8.53 8.59 8.24 7.56 6.61 5.45 4.12 GZ 3.24 5.17 4.91 3.94 2.69 1.29 -0.20 -1.68 -3.12 Ld 0.28 1.05 1.93 2.73 3.30 3.66 3.75 3.59 3.17 Kết quả tính được trình bày dưới dạng bảng và đồ thị. Một vài kết quả tính áp dụng cho mô hình tàu hai thân, mỗi thân có dạng khối hộp dài 1m, rộng 1m, cao 1m, hai mạn trong cách nhau 2m giới thiệu tiếp theo. Kết quả tính trích từ bảng tính theo chương trình “Multi-hull Cross Curves” bằng ngôn ngữ C/C++. Trên cùng bảng tính, góc nước tràn vào tàu hoặc góc mép boong chấm nước được đánh dấu riêng. Tại bảng sau, góc nước tràn ghi tại dòng cuối cùng. 126