Giáo trình thiết bị lái tàu thủy ppt

Bánh lái là một vật thể dạng cánh tấm phẳng hoặc dạng có prôfin thoát nước nhúng chìm trong nước, còn đạo lưu định hướng xoay là một vật thể hình trụ tròn xoay có dạng prôfin thoát nước

Trang 1

- -

Giáo trình

thiết bị lái tàu

thủy

Trang 2

Chương 1 Thiết bị lái 1.1 Khái niệm chung về thiết bị lái tàu thuỷ

Một trong những tính năng cơ bản của tàu thuỷ đó là tính ăn lái Tính ăn lái của tàu thuỷ là khả năng giữ nguyên hoặc thay đổi hướng đi theo ý muốn của người lái tàu

1.1.1 Khái niệm

Trên các tàu tự hành (ngay cả một số tàu không tự hành) người ta thường trang bị các thiết bị lái để đảm bảo tính ăn lái cho tàu ở bất kỳ trạng thái nào trong suốt quá trình hành hải

Tính ăn lái của tàu gồm hai tính chất: tính ổn định hướng đi và tính quay vòng

Tính ổn định hướng đi là khả năng tàu giữ nguyên hoặc thay đổi hướng chuyển động Tính quay vòng là khả năng thay đổi hướng chuyển động và được mô tả bởi quỹ đạo cong khi bẻ lái

Hai tính chất này mâu thuẫn với nhau, một con tàu có tính ổn định hướng đi tốt thì sẽ

có tính quay vòng tồi và ngược lại Vì vậy phải tuỳ thuộc vào từng loại tàu (công dụng và chức năng), từng vùng hoạt động mà người ta ưu tiên cho 1 trong 2 tính chất trên khi thiết kế Ví dụ, khi tàu chạy ở vùng hoạt động không hạn chế (tàu biển) do điều kiện không gian hoạt động không hạn chế, để đảm bảo cho thời gian hành trình thì phải ưu tiên cho tính ổn định hướng đi còn đối với tàu có vùng hoạt động hạn chế (tàu sông) thì ngược lại

Tính ăn lái cũng phụ thuộc vào các bộ phận cố định, ổn định khác như: ki hông, ki

đuôi, giá chữ nhân (X) hoặc chữ Y, số lượng và chiều dài chong chóng, đoạn trục chóng chóng, số bánh lái cũng như các thiết bị khác

Trên tàu để đảm bảo tính ăn lái, người ta có thể bố trí nhiều loại thiết bị lái hoạt động

độc lập hoặc phối hợp như: bánh lái, đạo lưu định hướng xoay, chóng chóng (tàu lắp nhiều chong chóng), thiết bị phụt nước, chân vịt, v.v nhưng phổ biến nhất là bánh lái và

đạo lưu định hướng xoay vì đó là những thiết bị dễ chế tạo, giá thành rẻ, làm việc tin cậy

và hiệu quả cao

Bánh lái là một vật thể dạng cánh tấm phẳng hoặc dạng có prôfin thoát nước nhúng chìm trong nước, còn đạo lưu định hướng xoay là một vật thể hình trụ tròn xoay có dạng prôfin thoát nước theo chiều dọc trục của nó, bao quanh chong chóng ở phía sau thân tàu

1.1.2 Phân loại bánh lái

1.1.2.1 Phân loại theo hình dạng prôfin có

Bánh lái tấm

Bánh lái thoát nước

1.1.2.2 Phân loại theo vị trí đặt trục lái

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com

Trang 3

B¸nh l¸i c©n b»ng lµ b¸nh l¸i mµ trôc l¸i chia b¸nh l¸i ra 2 phÇn B¸nh l¸i kh«ng c©n b»ng lµ b¸nh l¸i n»m vÒ mét phÝa cña trôc l¸i B¸nh l¸i b¸n c©n b»ng

Trang 4

Trang 5

Trong bảng 1.1, KT - hệ số tải của chong chóng; D - đường kính chong chóng; t max - chiều dày lớn nhất của frôfin bánh lái; b P - chiều rộng bánh lái;  - nửa góc tiếp tuyến

của sống đuôi với mặt phẳng đối xứng của tàu

Trang 6

Các giá trị trong bảng 1.1 là giá trị nhỏ nhất Trong thực tế sử dụng, để giảm chấn

động ở vùng đuôi, các giá trị đó (a, b, c, d) có thể được lấy tăng lên một ít Tuy nhiên khe

hở a không nên lấy quá lớn, nếu không sẽ làm giảm hiệu suất làm việc của bánh lái

Bảng 1.1 Kích thước cơ bản của khung giá lái tàu một chong chóng

Hình 1.2 Sơ đồ khung giá lái của tàu một chong chóng

Trong mọi trường hợp bánh lái phải bố trí chìm trong nước, mép trên bánh lái đặt

càng sâu trong nước càng tốt

Nếu gọi khoảng cách từ mép trên của bánh lái đến mép nước tự do là t p thì t p được lấy

như sau - để đảm bảo diện tích bánh lái F P )

(1.1)

Tàu hồ (hoặc pha sông biển): t p  0,125.h p

Tàu sông: t p = (0 - 0,1).h p

với h p - chiều cao bánh lái

Khoảng cách từ mép trên của tấm bánh lái đến vỏ bao tàu càng nhỏ càng tốt song

phỉa thoả mãn không bị kẹt khi bẻ lái

Trang 7

ở mọi góc bẻ lái hình chiếu bằng của tấm bánh lái phải nằm trong phạm vi hình chiếu bằng của đưòng nước chở hàng mùa hè KWL

Với bánh lái cân bằng và bán cân bằng ,mép dưói của bánh lái phải đặt cao hơn

đường cơ bản và không thấp hơn mép dưới của chong chóng

Với bánh lái treo, việc nối giữa bánh lái và trục lái là kết cấu hàn, phải lưu ý đến chiều cao của nó để khi sửa chữa, lắp ráp, tháo bánh lái trên ụ không phải cắt trục lái

1.2 Tác dụng của bánh lái

1.2.1 Cơ chế lượn vòng của tàu khi bẻ lái

Giả sử tàu đang chạy theo hướng thẳng với vận tốc v (hình 1.3.a) trong điều kiện mặt

nước yên lặng (tức không có tác dụng của sóng, gió, dòng chảy và các ngoại lực ngẫu nhiên khác), bánh lái nằm ở mặt phẳng đối xứng của tàu hoặc song song với nó Khi đó lực tác dụng lên tàu bao gồm:

Lực cản của nước đến chuyển động của tàu R nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu,

có chiều ngược với vận tốc của tàu

Lực đẩy của chong chóng T nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu, cùng chiều với vận tốc của tàu, cân bằng với lực cản của tàu và lực cản của bản thân nó

Giả sử khi đó ta đổi hướng chuyển động của tàu bằng cách bẻ lái một góc p sang mạn, khi đó xuất hiện áp lực thuỷ động của nước tác dụng lên bánh lái P bổ sung vào hệ lực trên, lực P có điểm đặt tại K - gọi là tâm áp lực của bánh lái

Nếu giữ nguyên góc bẻ lái p đó thì lực P sẽ làm thay đổi quĩ đạo chuyển động của tàu

và làm xuất hiện, biến đổi các thành phần lực khác Quĩ đạo chuyển động của tàu khi đó

gọi là quĩ đạo lượn vòng của tàu

Để xét và biết được tác dụng của bánh lái khi bẻ lái ta đi xét tác dụng của lực P, bằng cách đặt tại trọng tâm tàu G một cặp lực trực đối (bằng nhau về trị số, cùng phương, ngược chiều) P và P cùng phương, cùng trị số với lực P

Lực P và P tạo thành một ngẫu lực có mô men M 1 = P.l p , (l p là tay đòn của mô men

M 1 ; l p  (L/2).cos p ) có chiều về phía bẻ lái)

Lực P được phân tích thành hai lực P 1 và P 2 , trong đó lực P 1 có phương của mặt phẳng đối xứng của tàu, cùng chiều với lực cản R gọi là lực cản bổ sung, nó cùng với R làm tăng lực cản, giảm tốc độ chuyển động của tàu, khi đó lực cản tổng cộng tác dụng lên tàu là R T = R + P 1 Lực P 2 có phương vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu, làm dạt tàu về hướng ngược với hướng bẻ lái gọi là lực dạt

Do tàu chuyển động dạt, lên xuất hiện lực cản theo phương ngang R 0 cùng phương, ngược chiều với P 2 Nếu cứ giữ nguyên góc bẻ lái p sao cho đến thời điểm nào đó, giá trị của R 0 tăng bằng giá trị của P 2 thì chuyển động dạt kết thúc và khi đó mô men M 1 cũng

trục thẳng đứng đi qua trọng tâm tàu G về hướng bẻ lái Đồng thời sự quay vòng này làm

đổi phương của lực đẩy T mà nhờ đó tàu đổi hướng chuyển động

Khi tàu chuyển động trên quĩ đạo cong (hình 1.3.b), lực cản tổng cộng R T có điểm đặt tại K T trên mặt phẳng đối xứng của tàu, gọi là tâm áp lực của tàu, (với tàu, thông thường

và R y , trong đó R x nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu là lực cản của tàu, R y có

tàu G Thành phần này phát sinh mô men phụ M 2 = R y l p ’, (l p là tay đòn của mô men

Trang 8

M 2 bằng khoảng cách K T G) cùng chiều với mô men M 1 làm tăng chuyển động quay của

thì mô men M 2 ngược chiều với mô men M 1 , nó cản trở lại sự quay của tàu theo hướng bẻ lái

Khi tàu chuyển động theo hướng thẳng, vận tốc tàu v có phương của mặt phẳng đối

xứng, còn khi tàu chuyển động trên quĩ đạo cong, mặt phẳng đối xứng của tàu không còn tiếp tuyến với quĩ đạo lượn vòng mà nó tạo với tiếp tuyến đó một góc  và có giá trị tăng dần,  gọi là góc lệch hướng của tàu Tốc độ v i và góc lệch hướng  i của điểm i bất kỳ

nằm trên mặt phẳng đối xứng của tàu thay đổi theo chiều dài tàu

Tại thời điểm nào đó của chuyển động, tốc độ v i không giảm, góc lệch hướng  i không tăng và đạt đến giá trị không đổi thì quĩ đạo của tàu lúc đó ổn định Khi đó coi tàu quay quanh một trục thẳng đứng tưởng tượng nào đó đi qua điểm O trong không gian với vận tốc góc  = const Gọi khoảng cách từ O đến các điểm xác định trên tàu là bán kính R i , thì quĩ đạo lượn vòng ổn định khi R i = const

G

Quỹ đạo của trọng tâm G

+ + + +

- +

-+

Rx R

Ry K

P

K lp



v



T T

P

p

2

1

Hình 1.2 Các trạng thái chuyển động của tàu trên quỹ đạo quay vòng

a- Khi bắt đầu bẻ lái

b- Khi chuyển động trên quỹ đạo cong

Khi tàu chuyển động trên trên quĩ đạo ổn định (hình 1.4), ta xét tại một số điểm đặc biệt trên tàu Tại điểm C (CO vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu), tốc độ tiếp tuyến v C của tàu là nhỏ nhất, tốc độ này tăng dần cả về phía mũi và phía đuôi của tàu, và

nó đạt giá trị lớn nhất tại mút đuôi (điểm A) và mút mũi (điểm B) của tàu Góc lệch hướng  tại C là  C = 0, góc này có giá trị tăng dần từ điểm C đến các điểm cả về phía mũi

và phía đuôi và đạt giá trị lớn nhất tại A và B nhưng có chiều ngược nhau,(góc lệch hướng

là góc tạo bởi giữa phương của mặt phẳng đối xứng tàu với phương tốc độ tiếp tuyến với

Trang 9

quĩ đạo, góc này có chiều cùng với chiều kim đồng hồ cho những điểm nằm giữa C và mút

mũi, ngược chiều kim đồng hồ cho những điểm nằm giữa C và mút đuôi)

Do đó, khi tàu đang chuyển động trên quĩ đạo ổn định, nếu từ mặt phẳng đối xứng

của tàu, tại C ta xét, thì tàu gồm hai chuyển động : chuyển động quay quanh C và chuyển

động tịnh tiến theo mặt phẳng đối xứng của tàu Thật vậy, phân tích các vận tốc v i theo

phương mặt phẳng đối xứng tàu và vuông góc với nó ta được v xi và v yi tương ứng

Khi đó ta có: v xA = v A cosA =  R A cosA = .R C (1.2)

v xB = v B cosB =  R B cosB = .R C

v xi = v i cosi =  R i cosi = .R C

v xC = v C =  R C

Suy ra: v xA = v xB = v xi = v xC =  R C , điều này chứng tỏ tàu chuyển động tịnh tiến theo

mặt phẳng đối xứng của tàu

Tương tự ta có: v yA = v A sinA =  R A sinA = .AC

(1.3)

v yB = v B sinB =  R B sinB = .BC

v yi = v i sini =  R i sini = .iC

v yC = 0

là tâm quay tương đối của tàu

1.2.2 Các giai đoạn chuyển động của tàu trong quá trình lượn vòng

Giả sử ban đầu tàu chạy theo hướng thẳng với vận tốc v nào đó trên mặt nước yên

lặng, khi bắt đầu bẻ lái một góc p và giữ nguyên vị trí của bánh lái ở góc bẻ lái đó trong

toàn bộ thời gian sau này của quá trình chuyển động của tàu thì quĩ đạo chuyển động của

tàu nhận được lúc đó gọi là quĩ đạo lượn vòng của tàu

Từ sơ đồ quĩ đạo và từ sự xuất hiện, biến đổi của các thành phần lực đã phân tích ở

trên ta thấy, khi bắt đầu lượn vòng tàu chuyển động chậm lại và bị dạt về hướng ngược

với hướng bẻ lái Sau đó tàu mới bắt đầu chuyển động về hướng bẻ lái theo một quĩ đạo

cong có bán kính cong giảm dần Mặt phẳng đối xứng của tàu lúc đầu có phương của vận

Trang 10

tốc tịnh tiến v sau đó nó nghiêng dần về tâm O của quĩ đạo, góc lệch hướng  có giá trị

tăng dần Quĩ đạo lượn vòng của tàu được xem là ổn định khi các đại lượng đặc trưng cho chuyển động đạt đến giá trị không đổi, như

Vận tốc v i = v min = const,

Góc lệch hướng  =  max = const,

Bán kính quĩ đạo R = R min = const

Người ta chia toàn bộ quá trình chuyển động của tàu trong thời gian lượn vòng làm

ba giai đoạn, không phải bởi hình dạng của quĩ đạo mà là bởi sự xuất hiện và biến đổi của các lực tác dụng lên tàu (hình 1.4)

Giai đoạn 1: còn gọi là giai đoạn triển khai , được tính từ thời điểm bắt đầu bẻ lái đến

khi kết thúc bẻ lái, tức là góc bẻ lái đạt đến giá trị p , giai đoạn này xảy ra trong khoảng thời gian 10  15s

Đặc điểm chuyển động của giai đoạn này là, tàu chuyển động chậm lại do lực cản bổ sung P 1 , đồng thời tàu bị dạt về hướng ngược với hướng bẻ lái do lực dạt P 2 Quĩ đạo chuyển động có dạng chữ S, mũi tàu dần quay về hướng bẻ lái nhờ mô men M 1 , mặt phẳng đối xứng của tàu tạo với tiếp tuyến của quĩ đạo lượn vòng do trọng tâm tàu G vạch

T

o

p

G G

Hình 1.4 : Quỹ đạo luợn vòng của tàu

Trang 11

Giai đoạn 2: còn gọi là giai đoạn lượn vòng được tính từ thời điểm kết thúc giai đoạn 1

cho đến khi các đại lượng đặc trưng cho chuyển động đạt đến giá trị không đổi ( v i = v min

= const,  =  max = const, R = R min = const.), thông thường thời điểm này đạt được khi tàu quay được một góc 90 0  100 0 so với hướng đi ban đầu

Đặc điểm chuyển động của giai đoạn này là, vận tốc tàu tiếp tục giảm, góc lệch hướng của tàu tiếp tục tăng, tàu chuyển động trên quĩ đạo cong có bán kính cong giảm dần Lực tác dụng lên tàu là: lực thuỷ động P, lực cản R T và lực đẩy T, trong mỗi thời

điểm chuyển động, chúng cân bằng với các lực quán tính khối lượng của tàu (định luật d’Alambert)

Giai đoạn 3: còn gọi là giai đoạn lượn vòng ổn định được tính từ thời điểm kết thúc

giai đoạn 2 cho đến toàn bộ thời gian sau này của quá trình lượn vòng, nếu vẫn giữ nguyên góc bẻ lái p đó

Đặc điểm chuyển động của giai đoạn này là, tàu chuyển động ổn định trên một quĩ

đạo là đường tròn có bán kính không đổi R = R min = const, với vận tốc không đổi v i = v min

= const và góc lệch hướng không đổi  =  max = const

Lực đẩy T của chong chóng thực tế có giá trị không đổi trong quá trình lượn vòng, lực cản R x tăng từ thời điểm bắt đầu lượn vòng, gây giảm dần tốc độ tàu, đến lúc mà lực này

từ 5 0 đến hơn 10 0

Như vậy ta đã khảo sát quá trình lượn vòng của tàu khi bẻ lái, quĩ đạo lượn vòng được xác lập với các thông số đặc trưng sau:

Đường kính quĩ đạo lượn vòng ổn định: D = 2.R min

Đường kính lượn vòng ổn định tĩnh ( đường kính xác lập quay vòng ): D T là khoảng cách giữa hai mặt phẳng đối xứng của tàu trước và sau khi nó quay được một góc 180 0

Đoạn dịch chuyển tịnh tiến: l 1 - khoảng cách của trọng tâm tàu khi bắt đầu bẻ lái đến khi tàu quay được một góc 90 0 , đo theo hướng đi ban đầu

Đoạn dịch chuyển ngang: l 2 - khoảng cách từ trọng tâm tàu khi nó quay được góc 90 0

đến hướng đi ban đầu

Đoạn chuyển động dạt: l 3 - khoảng cách từ trọng tâm tàu ở vị trí dạt xa nhất đến hướng đi ban đầu

Các đại lượng trên được xác định bởi tính toán cơ bản hoặc thử nghiệm tàu mẫu, tính quay trở của tàu (vận tải) được xem là đảm bảo nếu chúng thoả mãn liên hệ sau:

D T = ( 0,9  1,2 ).D l 2 = ( 0,5  0,6 ).D (1.4)

l 1 = ( 0,6  1,2 ).D l 3 = ( 0  0,1 )

1.2.3 Tính ổn định hướng đi của tàu

Trang 12

H ìn h 1 5 : S ơ đ ồ p hâ n b ố lụ c tác d ụn g lên tà u kh i ch ạy ng uợ c són g gió

Tàu chạy trên mặt nước chịu tác dụng của các ngoại lực như sóng, gió, dòng chảy, v.v khi thời tiết xấu các lực này tăng rất nhanh, làm lệch hướng đi của tàu Đặc tính chống lại các ngoại lực, giữ được hướng đi ban đầu được gọi là tính ổn định hướng đi của tàu

Những nguyên nhân làm tàu lệch hướng đi trong thời gian sóng, gió lớn là:

áp lực gió lên phần trên đường nước vận hành, đặc biệt là phần thượng tầng và lầu

áp lực nước lên mạn tàu có bản chất chu kỳ do sóng và dòng chảy

áp lực không đều của nước qua chong chóng khi tàu chòng chành ngang và dọc Sau đây ta khảo sát hệ lực tác dụng lên tàu khi gió thổi vào mũi tàu, tàu chạy chệch

các lực (hình 1.6)

Lực cản gió W, có điểm đặt tại U và tạo với mặt phẳng đối xứng tàu một góc 

Lực cản của nước R, có điểm đặt K và tạo với mặt phẳng đối xứng tàu một góc 

Lực đẩy T của chong chóng nằm trong mặt phẳng đối xứng tàu

Phân tích các lực nói trên thành các lực thành phần theo phương mặt phẳng đối xứng

tg p = (W.sin  - R.sin) / [T - (W.cos + R.cos)] (1.8)

Để cân bằng mô men M, bánh lái cần phải tạo nên mô men ngược lại Khi tâm gió U

và tâm lực cản ngang K trùng nhau thì mô men M = 0, tàu không đi lệch hướng; khi điểm

K trước điểm U (về phía mũi) thì tàu có khuynh hướng quay theo gió và bánh lái phải bẻ

Trang 13

về phía ngược gió Nếu điểm K sau điểm U (về phía đuôi) thì tàu có khuynh hướng quay

xẻ gió và bánh lái phải bẻ về phía gió

Tâm gió U thường di chuyển về phía lái, khi hướng gió thổi từ mũi sự thay đổi này

của tàu Hình dáng phần ngâm nước có ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định hướng đi hơn

là phần trên đường nước Để làm tốt tính ổn định hướng đi, tâm gió U và tâm lực cản

ngang K càng gần nhau càng tốt

1.2.4 Các thông số xác định đặc trưng tính quay trở của tàu

Tuỳ thuộc vào từng loại tàu, vùng hoạt động và công dụng của nó người ta định ra các

tiêu chuẩn đánh giá tính ăn lái của tàu.Ví dụ, đối với tàu biển, việc quay trở 180 0 là không

khó khăn, do đó người ta ưu tiên cho tính ổn định hướng đi là chủ yếu, ngược lại tàu sông

phải ưu tiên cho tính quay trở nhiều hơn

Hơn nữa việc đánh giá tính ăn lái của tàu có xét đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng là

khó khăn, do đó để đánh giá tính ăn lái của tàu, người ta thường dựa vào một số tiêu

chuẩn sau:

Hình 1.7 Quĩ đạo chuyển động hình sin của tàu

Tiêu chuẩn 1: là tiêu chuẩn thường được áp dụng nhất: đó là sự liên hệ giữa đường

kính lượn vòng tĩnh D T và chiều dài tàu L: D T =f(L) Giá trị D T càng nhỏ thì tính quay trở

của tàu càng tốt Thực tế người ta thiết lập được sự phù hợp giữa D T và L, tính cơ động

của tàu được xem là đảm bảo nếu:

(1.9)

Đối với tàu biển: D T = (2,8 - 4,0).L

Tiêu chuẩn 2: là tiêu chuẩn vận tốc góc quay của tàu, tính quay vòng của tàu được coi

là đảm bảo nếu tốc độ góc quay vòng của trọng tâm tàu G thoả mãn:

(1.10)

Đối với tàu biển:  = (90 - 130), 0

/phút

Chú ý: Giá trị trên được tính từ thời điểm bắt đầu bẻ lái đến lúc bắt đầu quay vòng với

thời gian từ khi bánh lái còn nằm ở vị trí mặtphẳng đối xứng đến khi bánh lái sang mạn

Tiêu chuẩn 3 : Tiêu chuẩn cơ bản nhất để đánh giá tính ăn lái của tàu, là cho tàu chạy

dạng hình sin Giả sử tàu đang chuyển động trên hướng thẳng Ox, khi đó ta bẻ lái sang

phải góc pF = 30 0 - 45 0 ,tới khi mặt phẳng đối xứng của tàu tạo với hướng đi ban đầu một

góc F = 15 0 - 20 0 thì lại bẻ lái về mạn trái góc pT = 30 0 - 45 0 , cho đến khi mặt phẳng đối

xứng của tàu tạo với hướng đi ban đầu một góc T = 15 0 - 20 0 thì lại bẻ lái sang phải một

Trang 14

góc pF = 30 0 - 45 0 , v.v Quá trình trên cứ tiếp diễn nếu tàu di chuyển trên quãng đường S trong thời gian từ 4 - 5 phút thì tính ăn lái của tàu được coi là đảm bảo

1.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của bánh lái

1- prôfin bánh lái; 2 - càng treo bánh lái; 3 - trụ lái

1.3.2 Chiều cao của bánh lái

Chiều cao của bánh lái là khoảng cách đo theo phương trục lái giữa điểm cao nhất và

điểm thấp nhất của tấm bánh lái

Ký hiệu: h P Đơn vị: m

1.3.3 Chiều rộng bánh lái

Chiều rộng của bánh lái là khoảng cách từ mép trước đến mép sau của tấm bánh lái

đo theo mặt phẳng nằm ngang vuông góc với trục lái

Trang 15

1.3.4 Độ dang của bánh lái

Độ dang của bánh lái là tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng trung bình của tấm bánh lái

Ký hiệu:

P

2 P CP P P

P

F

h b

Thông thường  = 0,5 - 3 Theo Qui phạm,  không lên lấy quá 2

1.3.5 Prôfin bánh lái và chiều dày của nó

Prôfin bánh lái là đường biên tiết diện ngang trong mặt phẳng nằm ngang vuông góc với trục lái

Giá trị lớn nhất của tung độ prôfin bánh lái được gọi là chiều dày lớn nhất của prôfin bánh lái

P max  

Khitcàng lớn thì chất lượng thuỷ động của bánh lái càng giảm rõ rệt Vì vậy thông thườngt0 , 10 , 25, chỉ có trường hợp đặc biệt thì t0 , 25

1.3.6 Hoành độ chiều dày lớn nhất của frôfin

Khoảng cách từ mép trước của prôfin bánh lái tới tung độ có chiều dày lớn nhất của

nó được gọi là hoành độ chiều dày lớn nhất của prôfin bánh lái

Ký hiệu: x Đơn vị: m

Hoành độ chiều dày tương đối của prôfin là tỷ số giữa hoành độ chiều dày lớn nhất

và chiều rộng của prôfin

Với mỗi loại prôfin của bánh lái, có chiều dày tương đối t và hoành độ tương đối x

khác nhau, được sử dụng cho các tàu khác nhau

Trang 16

Góc bẻ lái là góc quay của bánh lái đối với trục lái đo trong mặt phẳng vuông góc

với trục lái Ký hiệu: P

Tàu biển: P = (35 - 38) 0 (1.11)

Tàu sông: P = (40 - 45) 0

Hình 1.9 Góc bẻ lái của bánh lái

1.3.9 Góc tấn

Góc tấn của bánh lái là góc tạo bởi giữa mặt phẳng đối xứng của prôfin bánh lái và

mặt phẳng đi qua trục lái, song song với phương vận tốc dòng nước chảy tới bánh lái

Ký hiêu: P0

1.4 Lựa chọn các yếu tố cơ bản của bánh lái

Lực thuỷ động tác động lên tấm bánh lái

1.4.1 Lựa chọn các yếu tố cơ bản của bánh lái

1.4.1.1 Lựa chọn diện tích bánh lái

Diện tích bánh lái dạng thoát nước kết cấu bình thường, không có thiết bị chuyên

môn làm tăng áp lực nước trên tấm bánh lái, có thể được tính theo công thức sau:

T L T L A

1

 , m 2 (1.12) trong đó: F P - tổng diện tích của các bánh lái, m 2

L - chiều dài giữa hai đường vuông góc của tàu, m

T - chiều chìm trung bình của tàu ở trạng thái toàn tải, m

A,  - hệ số diện tích bánh lái, biểu thị phần trăm của diện tích bánh lái với diện

1/A, tra bảng theo thống kê số liệu các tàu biển và tàu nội địa đã được chế tạo khai thác trên thế giới

Trang 17

Hình 1.10 Diện tích của bánh lái

Diện tích của tấm bánh lái của tàu tự hành phải không nhỏ hơn diện tích được tính theo công thức sau:

150 75 , 0 100

T L q p

F P min , m 2 (1.13)

trong đó : L, T - chiều dài thiết kế và chiều chìm của tàu, m

p = 1,2 - cho bánh lái không làm việc trực tiếp sau chong chóng

p = 1 - cho bánh lái làm việc trực tiếp sau chong chóng

q = 1,25 - cho tàu kéo

q = 1 - cho các tàu còn lại

Ví dụ: Prôfin của Viện nghiên cứu hàng không vũ trụ Mỹ NASA có mã số:

NASA 0018; NASA 0015; NASA 0012; v.v

Hai chỉ số : 00 - chỉ đường trung bình của prôfin Nếu đường trung bình là 00 thì prôfin là prôfin đối xứng

Các chỉ số 12, 15, 18 chỉ phần trăm (%) chiều dày trung bình của prôfin so với chiều rộng của prôfin (tức là: t0 , 12 ; 0 , 15 ; 0 , 18 ; v v )

Ngành đóng tàu hiện nay sử dụng phổ biến dạng poôfin đối xứng NASA, N.E.J,

XA-GI, v.v Trong đó dạng NASA dùng cho bánh lái của tàu có tốc độ trung bình dạng đuôi tuần dương, bánh lái đặt trực tiếp sau chong chóng Loại N.E.J dùng cho tàu chạy nhanh Loại XA-GI dùng cho tàu 2 chong chóng, bánh lái đặt trong mặt phẳng dọc tâm, và bánh lái mũi

Trang 18

Hình 1.11 Các dạng prôfin của bánh lái

1.4.2 Lực thuỷ động tác dụng lên tấm bánh lái

Giả sử tàu đang chuyển động thẳng, ta bẻ lái một góc P Trên tấm bánh lái xuất

hiện lực thuỷ động P đặt tại tâm áp lực K Phân tích lực P theo phương pháp tuyến và

tiếp tuyến, ta có P N và P T (P PN PT



trong đó: P N - áp lực pháp tuyến (vuông góc với mặt phẳng đối xứng của bánh lái)

P T - song song và trùng với mặt phẳng đối xứng của bánh lái - áp lực tiếp tuyến

P

P    , kG (1.14)

Góc bẻ lái P = Góc tấn P0 = Góc hợp bởi phương (v,xx) = 0 thì ta có mối quan hệ:

P N = P X sinP + P Y cosP (1.15)

P T = P X cosP - P Y sinP

Tâm áp lực K là giao điểm của áp lực thuỷ động P và mặt phẳng đối xứng của prôfin

bánh lái, cách mép trước bánh lái một khoảng x P

Mômen xoắn thuỷ động tác dụng lên trục lái là:

M = P N (x P - a), kG.m (1.16)

Trang 19

trong đó: a - khoảng cách từ trục lái đến mép trước của prôfin bánh lái còn gọi là vị

trí đặt trục lái, m

Hình 1.12 Lực thủy động tác dụng lên tấm bánh lái

Người ta xác định các thành phần lực và mô men thông qua các hệ số không thứ nguyên như sau:

P 2 CP X

X C v F 2

1

P 2 CP Y

Y C v F 2

1

P 2 CP N

N C v F 2

1

P 2 CP T

T C v F 2

1

trong đó: C X , C Y , C N , C T - tương ứng là hệ số lực cản, hệ số lực dạt, hệ số lực pháp tuyến, hệ số lực tiếp tuyến và là những đại lượng không thứ nguyên

M v F b C

2

1

M   , kG.m (1.19)

trong đó: Cm - hệ số mômen, là đại lượng không thứ nguyên

Fp - diện tích toàn bộ của tấm bánh lái, m 2

 - mật độ của nước (lấy ở 20 0C), kG.s 2 /m 4

Điểm đặt của lực P xác định thông qua hệ số tâm áp lực Cd, là tỷ số giữa khoảng cách từ mép trước prôfin bánh lái đến điểm đặt lực P với chiều rộng trung bình của prôfin bánh lái

(1.17)

Trang 20

Ký hiệu:

CP

P D

b

x

trong đó: v CP - vận tốc của dòng nước chảy đến bánh lái, m/s

Các hệ số: C X , C Y , C M ,C D xác định thông qua việc thống kê các prôfin bánh lái đã

được sử dụng, từ đó vẽ nên đồ thị: C i = f( ,  P , v.v ) do các cơ quan nghiên cứu đưa ra Các đồ thị đó xây dựng cho hai trường hợp: tàu chạy tiến và tàu chạy lùi đồng thời chỉ xây dựng cho các bánh lái có độ dang  = 0,8; 1,0 và 1,5 (đồ thị sẽ tìm thấy trong Sổ

tay thiết bị tàu thủy, tập 1, NXB GTVT - 1886)

Trong trường hợp bánh lái NASA có các độ dang khác với các giá trị cho ở đồ thị, ta

có thể tính được các hệ số Ci thông qua bánh lái chuẩn có độ dang 0 = 6

2 Y 1 X

0 1

1 1 3 , 57 C

; 1 1 1

trong đó: C Xo , C Yo , C Mo là các hệ số của bánh lái chuẩn  0 = 6 ở góc bẻ lái Po

C X , C Y , C M là các hệ số của bánh lái có độ dang  thiết kế ở góc bẻ lái  P

Ngoài ra, với các  không có trong đồ thị ta có thể tính toán các hệ số C i thông qua các công thức thực nghiệm

Hình 1.13 Đồ thị xác định các hệ số lực và mô men thủy động trên bánh lái

1.4.3 Xác định vị trí đặt trục lái tối ưu

Ta có mômen xoắn thuỷ động lấy đối với mép trước bánh lái

CP P 2 CP

M v F b C

2

Trang 21

P P 2 CP N P

N C v F x

2

1 x P

Để mô men xoắn thủy động toàn phần tác dụng lên trục lái là nhỏ nhất, thì vị trí đặt

trục a phải lân cận với xP (điều lý tưởng là a = x P) Khi đó ta lập bảng để tính giá trị a theo

x P

ứng với mỗi góc bẻ lái P ta có hệ số tâm áp lực C D Do vậy ta đi xác định a bằng giá

trị lân cận sự biến đổi của x P theo công thức:

2

x x

a P min  P max

 (1.24)

Để tránh hiện tượng cướp lái (áp lực ở phần diện tích phía trước trục lái lớn hơn áp lực ở phần diện tích phía sau trục, M  < 0), người ta xác định a chính xác bằng trung bình

cộng của gía trị cực trị của x P , ứng với P trong giới hạn bẻ lái của nó, cụ thể:

Đối với tàu biển Pmax = 35 0 , còn đối với tàu sông Pmax = 45 0

1.5 Các yếu tố cơ bản của bánh lái ảnh hưởng tới lực

và mô men thuỷ động 1.5.1 Độ dang của bánh lái

Trang 22

Hình 1.14 ảnh hưởng của độ dang bánh lái đến chất lượng thủy động của nó

Thực nghiệm, người ta xây dựng được đồ thị C Y =f( , P ) ứng với mỗi bánh lái có độ dang khác nhau có một điểm (C Ymax ;Pt.h ) Từ đồ thị ta có nhận xét sau:

ở góc bẻ lái nhỏ, P = 10 0 - 15 0 thì sự gia tăng của hệ số lực dạt C Y trên những bánh lái có độ dang lớn, có tính chất tuyến tính Bánh lái có  càng lớn thì C Ymax nhận được càng lớn, do đó bánh lái có độ dang càng lớn thì càng dễ cơ động

dù đạt được góc bẻ lái P khá lớn, ta vẫn chỉ nhận được các giá trị C Y nhỏ và thay đổi không đáng kể, do đó bánh lái có độ dang càng nhỏ thì càng khó cơ động

Tại một giá trị của , đầu tiên  P tăng thì C Y tăng, nhưng sự tăng của C Y theo P

chậm dần, tới một giá trị nào đó của P thì giá trị Cy đạt lớn nhất (C Y = C Ymax , ta gọi góc

bẻ lái ứng với giá trị C Y = C Ymax là góc bẻ lái tới hạn Ký hiệu: Pth ), sau đó nếu bẻ lái góc

P tăng qua góc Pth thì C Y giảm rất nhanh

1.5.2.ảnh hưởng của chiều dày tương đối

Thực nghiệm chứng tỏ rằng bánh lái có chiều dày lớn nhất t max càng lớn thì C Y càng giảm và khi có tung độ t max càng dịch về phía mép trước (x càng nhỏ) thì giá trị Cy càng lớn Hiệu quả lái tốt nhất khi t max = (0,15 - 0,18).b CP

Theo chiều cao của bánh lái nếu chiều dày t max ở phía trên lớn hơn chiều dày t max của tiết diện ở phía dưới, hay bánh lái thon dần từ trên xuống dưới, thì hiệu quả lái tốt hơn

CP

H B

b

t t

0 , ứng với đường (1) = 0,05, ứng với đường ( 2) = 0,09, ứng với đường (3 ) trong đó : b CP - chiều rộng trung bình của prôfin bánh lái, m

t B , t H : chiều dày lớn nhất của prôfin ở mép trên và mép đưới bánh lái

Trang 23

Hình 1.15 ảnh hưởng của chiều dày tương đối của bánh lái

1.5.3 ảnh hưởng của mặt nước tự do

Mặt nước tự do có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm việc của bánh lái

Nếu gọi t P là khoảng cách từ mép trên bánh lái đến mép nước tự do thì khi bánh lái làm việc gần mặt thoáng, độ dang hiệu chỉnh của nó là :  = .

trong đó:  - hệ số phụ thuộc vào tốc độ Fr =

giá trị  tra đồ thị dạng như sau:

Với bánh lái có t P càng nhỏ thì  biến thiên thất thường (h P nhỏ), khi t Pcàng lớn thì

 càng ít thay đổi thất thường hơn Hay nói một cách khác khi t P càng tăng (bánh lái càng ngập sâu trong nước) thì  càng nhỏ ở giá trị Fr nhỏ Vì vậy, nếu đánh giá về chất lượng

làm việc của bánh lái thì bánh lái càng ngập sâu trong nước càng tốt Từ đó người ta đưa

ra giới hạn ngập sâu như sau:

Với tàu biển: t P 0 , 25

Với tàu hồ:t P 0 , 125

Với tàu sông: t P 0 , 050 , 1, đặc biệt có thể t P 0(do luồng lạch hạn chế)

Trang 24

Hình 1.16 ảnh hưởng của mặt thoáng

1.5.4 ảnh hưởng của trụ lái

1.5.4.1 Các kích thước cơ bản của hệ bánh lái, trụ lái

Diện tích trụ lái: F P là diện tích mặt phẳng hình chiếu giới hạn bởi đường bao trụ lái

trên mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng của trụ lái, m 2

Diện tích của hệ bánh lái-trụ lái: F K là phần diện tích mặt phẳng hình chiếu của hệ trên mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng của hệ được giới hạn bởi mép trước

của trụ lái, mép sau, mép trên và mép dưới của bánh lái, m 2

Chiều rộng trụ lái: b P là khảng cách đo theo phương vuông góc với trục lái giữa

mép trước và mép sau của trụ lái, m

Hình 1.17 Các kích thước cơ bản của hệ bánh lái - trụ lái

Trang 25

1.5.4.2 ảnh hưởng của trụ lái

Hình 1.18 ảnh hưởng của trụ lái đến chất lượng thủy động của bánh lái Chiều rộng toàn bộ của hệ bánh lái-trụ lái: b K là khoảng cách đo theo phương vuông

góc với trục lái giữa mép trước của trụ lái và mép sau của bánh lái trên tiết diện đó, m

Độ dang của hệ bánh lái-trụ lái: K là tỉ số giữa chiều cao của bánh lái và chiều rộng trung bình của hệ bánh lái-trụ lái

Ký hiệu:

K

2 P K

P K

F

h b

Để đặc trưng cho sự khác sai này, người ta đưa ra hệ số hiệu chỉnh r P = C Yp+p /C Yp

Hệ số r P cho dạng đồ thị, khi A = (16 - 20)% diện tích của hệ bánh lái để đưa vào trụ lái

Có thể tính r P theo công thức thực nghiệm như sau :

r P = 1,872.A - 0,39.A 2 - 0,281.A 3 (1.26)

Trang 26

F

F A

1.6 Xác định lực thuỷ động trên tấm bánh lái

và mô men thuỷ động trên trục lái

1.6.1 Xác định lực thuỷ động trên bánh lái và mô men thuỷ động trên trục lái của bánh lái đặt tại mặt phẳng dọc tâm tàu không tự hành

Các số liệu chủ yếu sử dụng để tính toán:

Các thông số chủ yếu của tàu (L, B, H, T, , , , v.v.)

F P - diện tích bánh lái, m 2

h P - chiều cao bánh lái, m

 = h 2

p /F P - độ dang của bánh lái

Kiểu prôfin bánh lái (NASA, N.E.J, )

P

t - chiều dày tương đối của prôfin bánh lái

a - vị trí đặt trục, m

R - hệ số cân đối

v S - tốc độ tiến của tàu, hl/g

Tốc độ của dòng nước chảy đến bánh lái là :

v CP = 0,515.v S (1-R) , m/s (1.27)

trong đó: v S - tốc độ tàu chạy tiến, hl/g

R - giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt bánh lái, có thể tính theo công thức Papmiel:

P

3 z R

h

V 165 ,



 (1.27.1) với: z - số lượng bánh lái

 - hệ số béo thể tích của tàu

V = .L.B.T - lượng chiếm nước thể tích của tàu, m 3

h P - chiều cao bánh lái, m

Công thức Papmiel ở trên tính cho prôfin bánh lái dạng thoát nước, còn đối với prôfin dạng tấm, R tính theo công thức sau:

R = 0,5  - 0,18 (1.27.2)

Quá trình tính lực và mômen thuỷ động được thực hiện dưới dạng bảng 1.3

Bảng 1.3 Tính lực và mô men thủy động tác dụng

Trang 27

l - tay đòn của áp lực thủy động, m

1.6.2 Xác định lực thuỷ động trên tấm bánh lái và mô men thuỷ động trên trục lái của tàu tự hành bánh lái đặt trực tiếp sau chong chóng

1.6.2.1 Tàu chạy tiến

Tốc độ trung bình của dòng nước chảy đến bánh lái là:

v CP = 0,515.(1- r )..v S, m/s (1.28)

với: v S - tốc độ chạy tiến của tàu, hl/g

R = 0,8.0 - gía trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt bánh lái

0 - giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt chong chóng, tính theo Papmiel:

D

V z

16 , 0 11 , 0

3 z

0 (1.28.1)

D

V 165 , 0

3 z

0 (1.28.2) trong đó: D - đường kính chong chóng, m

 - hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của dòng nước chảy ra rừ chong chóng đến

bánh lái, được tính theo công thức N.A Petrov:

k 1

F

F P - diện tích của tấm bánh lái, m 2

Trang 28

Hình 1.19 Vị trí của bánh lái so với chong chóng

k B - là hệ số kể đến sự gia tăng thêm của lực dạt do cánh chong chóng đặt trực tiếp trong dòng nước của chong chóng

Hình 1.20 Để xác định hệ số k B

Trang 29

F v 2 1 P



- hệ số tải của chong chóng.

P B - lực đẩy của chong chóng, kG

P B =

t 1 z R

t 1

F B = D 2/4 - diện tích thuỷ lực của chong chóng, m 2

0 - hệ số dòng theo tại vị trí đặt chong chóng

k 2 2

k (

bánh lái và đường kính của chong chóng D, được tra theo đồ thị

Sau đó tính lực và mô men thuỷ động theo dạng bảng 1.4 (với: k 0 = 1,2 -1,3)

Bảng 1.4 Tính lực và mô men thủy động tác dụng lên bánh lái và trục lái

Trang 30

1.6.2.2 Tàu chạy lùi

Quá trình tính toán lực và mômen thuỷ động cho tàu chạy lùi tương tự như tàu chạy

tiến , chỉ khác là tất cả các thông số đưa vào là tính cho tàu chạy lùi:

(1.29)

với: v S - tốc độ tàu chạy tiến, hl/g

Tốc độ dòng nước chảy đến bánh lái khi lùi là:

v cpl = 0,515.v sl , m/s (1.30)

trong đó:  = (1,05 - 1,1) - hệ số kể đến ảnh hưởng của thân tàu dến bánh lái

Hệ số trung bình dòng theo khi tàu chạy lùi: l   t

Các hệ số không thứ nguyên về lực và mô men, tính cho trường hợp tàu chạy lùi

như: C Xl , C Yl , C Dl , M l = M’ l (k 0 = 1)

Quá trình tính toán được thể hiện dưới dạng bảng gồm các mục như bảng 1.4

1.6.3 Tính lực thuỷ động trên bánh lái và mô men thuỷ động trên trục lái của

bánh lái đặt trong mặt phẳng đối xứng sau trụ lái và đặt trực tiếp sau chong chóng

1.6.3.1 Xây dựng prôfin của bánh lái sau trụ lái

Prôfin tiêu chuẩn đối với bánh lái có trụ lái chưa được hoàn thiện Vì vậy với bánh lái

có trụ lái, người ta thường sử dụng prôfin đối xứng thông thường và làm biến thể chúng,

nhưng có chú ý đến đặc điểm của bánh lái loại này

Trụ lái thường có hai dạng :

Dạng 1 : trụ lái có prôfin đồng nhất (cùng chiều dày) với bánh lái

Dạng 2 : prôfin trụ lái không đồng nhất với prôfin bánh lái

Nếu chiều dày prôfin trụ lái bằng với chiều dày bánh lái, ta có thể làm biến thể

chúng như sau:

Sử dụng sơ đồ biến dạng bánh lái NASA00 Làm dày mép sau của bánh lái cân bằng

dạng NASA bằng cách thêm giá trị i, khi đó đường tâm lùi xuống dưới một khoảng i/2

Tại tung độ có t’ max ta đặt là tâm O và người ta coi tiết diện của bánh lái là phần từ tâm

O về mép sau, phần còn lại phía mũi của prôfin là tiết diện của trụ lái Khi đó tung độ

prôfin (y) tính bằng % t’ max , với t’ max = t max - i, còn phía mũi có bán kính cong: r H = r’ H

+ i/2

Từ tâm O thiết kế phần mũi như sau, lấy bán kính: r 1 = t max / 2, r 2 = (t max / 2) + 

Trang 31

với:  - gọi là khe hở kết cấu, nhằm để tránh kẹt khi bẻ lái, bán kính r 3 - định ra theo kết cấu hợp lý Đưa phần mũi của prôfin ban đầu xuống trụ lái

r b b

r

XB

1 p

Chiều dày lớn nhất của prôfin ban đầu: t max = t max - i

Từ điểm O đến mép trước trụ lái người ta xây dựng phần mũi của prôfin có chiều dày t max và chiều rộng tính toán là: b pH pa

b PH

pa =

H

1 P K

b

r b

Hình 1.22 Cách xây dựng trụ lái

1.6.3.2 Các số liệu đưa vào sơ đồ tính toán lực và mô men thuỷ động

Chiều rộng của bánh lái và chiều rộng trụ lái: b p , b ph , m

Chiều rộng của hệ bánh lái - trụ lái: b K , m

Độ dang của hệ bánh lái - trụ lái: K

Độ dang của bánh lái P và của trụ lái PH

Tỷ số: F PH /F K = (0,16 - 0,20)

Trang 32

1.6.3.3 Tính lực và mô men thuỷ động cho tàu chạy tiến

Vận tốc dòng chảy đến bánh lái: v CP = 0,515.v S (1- R ) , m/s

(1.33)

B 2 P

B

F v 2 1 P

b

b  (1.35) với: b pep và b kep - chiều rộng trung bình của bánh lái và hệ bánh lái - trụ lái, m

Kcp p K

2 p

b

h F

h

 (1.36)

Hệ số lực dạt C Yp của bánh lái ở một góc bẻ lái P tính theo công thức:

K

47 , 0 4 , 1 b 2 1

Nếu như coi hệ số lực dạt C Yp và hệ số lực pháp tuyến C Np là gần như nhau Khi đó

hệ số mô men theo góc bẻ lái p được tính như sau:

C Mp = C Yp C Dp (1.41) Quá trình tính toán C Dp tiến hành theo bảng 1.6

Bảng 1.6 Xác định hệ số tâm áp lực C Dp

Trang 33

P C v F 2

1

Y   , kG (1.42)

CP Mp

P C v F b 2

1

YP 2

XP C C

C  (1.43)

CP F v C 2

K C v F 2

1

Y     , kG, với P tính bằng radian (1.45)

Ta có lực dạt tác dụng lên bánh lái là: Y P , kG, do đó lực tác dụng lên trụ lái là:

Y PH = Y K - Y P , kG và được tính theo dạng bảng1.9 (1.46) Bảng1.8 Xác định lực thuỷ động toàn phần P, kG

Trang 34

Xp C C

6

P 2

CP F v C 2

1.6.3.4 Tính lực và mô men thuỷ động khi tàu chạy lùi

Bằng việc thử nghiệm mô hình bánh lái-trụ lái, người ta thấy rằng khi bánh lái làm

việc trong trường hợp tàu chạy lùi thì trụ lái ảnh hưởng không đáng kể đến giá trị của

mômen trên trục lái Vì vậy với tàu có đặt bánh lái sau trụ lái thì khi tính giá trị mômen

trên trục lái, người ta giả thiết rằng trụ lái là không có

Khi tàu chạy lùi, vận tốc tàu là: v Sl = (0,7 - 0,75).Vs, hl/g

(1.47)

Vận tốc dòng nước chảy đến bánh lái là: v CPl = 0,515.l v Sl, m/s

(1.48)

với: l = (1,05 - 1,10) - hệ số kể đến ảnh hưởng của thân tàu

Việc tính lực và mô men thuỷ động tuân theo công thức sau:

P 2 CPl YPl

Pl C v F 2

1

Y   , kG

P 2 CPl XPl

Pl C v F 2

1

P P 2 CPl MPl

l C v F b 2

1

1.6.4 Tính lực thuỷ động tác dụng lên bánh lái và mô men thuỷ động tác dụng

lên trục lái của tàu 2 chong chóng, bánh lái đặt ở mặt phẳng đối xứng của tàu

Ta tính toán cho bánh lái làm việc chéo dòng (bánh lái nằm ngoài dòng nước do chong

chóng đạp ra), nghĩa là lực và mô men thủy động tác dụng lên bánh lái, trục lái gồm: lực,

mô men thủy động do dòng nước chảy qua thân tàu tạo ra (như tàu không tự hành) và

lực, mô men thủy động phụ thêm do chong chóng bên mạn chảy tới

(1.49)

Trang 35

1.6.4.1 Tính lực và mô men thủy động do dòng nước bao quanh thân tàu tạo ra

Tốc độ dòng chảy sau vỏ bao tàu: v CP = 0,515.v S (1 - r), m/s

(1.50)

Các hệ số C Xp ; C Yp ; C Mp ; C Dp = f(P , P , ) - tìm thấy bằng cách tra đồ thị hay tính

chuyển từ bánh lái chuẩn hay tính bằng công thức thực nghiệm

Quá trình tính lực và mô men thủy động được thể hiện dưới dang bảng 1.10

1.6.4.2 Tính áp lực và mô men xoắn phụ thêm

áp lực phụ thêm của dòng nước do chong chóng ở mạn gây ra đối với bánh lái đặt tại

mặt phẳng đối xứng của tàu khi bẻ bánh lái góc p tính theo công thức của N.A Petrovic

P NB = k .S.(v E ' + v A ) 2 sin(p + ), kG (1.51)

trong đó: k - hệ số, biểu thị % diện tích tiết diện ngang luồng nước do chong chóng từ tàu

đạp ra đập vào bánh lái so với toàn bộ diện tích tiết diện ngang của luồng nước,

k = 0,6  0,7

S - diện tích tiết diện ngang của luồng nước chảy ra từ chong chóng bị chắn bởi bánh lái khi bẻ lái góc P , m 2 , và được tính theo công thức sau:

] h ).

h 2 ( ).

h 1 ( h ).

h 2 ( [arcsin R

1 1

sin tg cos

tg l b OB

2

K v

B B

v F 2 1 P

B

D

x ( f K

B

Trang 36

P - góc bẻ lái, độ (1.51.4)

 - góc nghiêng của dòng chảy ra từ chong chong bên mạn, độ, xác định theo công

A ' E

'

E v v

Quá trình tính lực và mô men thuỷ động, tuân theo dạng bảng 1.11

Bảng 1.10 Xác định lực và mô men thủy động tác dụng lên bánh lái

do dòng chảy qua thân tàu tạo nên

TT

Các đại lượng cần tính toán

Đơn

vị

Kết quả tính theo góc bẻ lái  P , độ

N C v F 2

1

P ' N ' P l

Trong bảng 1.10, các hệ số: Cx' p , Cy' p , C n '- tra đồ thị cho tàu chạy lùi

Lực và mô men thủy động toàn phần tác dụng lên bánh lái và trục lái bằng tổng của lực và mô men thủy động do dòng nước chảy qua thân tàu và dòng chéo từ chong chóng mạn tạo ra, kết quả tính thể hiện ở bảng 1.12

Sau khi tính xong các bảng trên, ta vẽ được đồ thị P N = f(P ), M = f(P ) có dạng như hình 1.21 (cho cả tàu chạy tiến và lùi)

Chú ý: Nhóm (I): tàu chạy tiến, P N và M  hầu như nhận giá trị dương Nhóm (II): tàu chạy lùi,

1 1

sin tg cos

tg l b A

Trang 37

Bảng 1.12 Tính lực, mô men thuỷ động khi tàu tiến

Bảng 1.13 Tính lực thuỷ động trên tấm bánh lái và mô men thuỷ động trên trục lái cho

bánh lái đặt ngoài dòng nước do chong chóng đạp ra, khi tàu chạy lùi

7

P 2 CPL ' Nl '

Trang 38

M

(h.2)

Hình 1.24 Đồ thị biểu diễn P N = f( P ) và M  = f( P )

1.6.4.3 Tính lực và mô men thủy động trên bánh lái và trục lái khi tàu chạy lùi

Quá trình tính toán được thể hiện ở bảng 1.13

1.6.5 Tính lực và mô men thuỷ động tác dụng lên hệ bánh lái - trụ lái

1.6.6 Tính lực và mô men thuỷ động trên bánh lái mũi

Tham khảo SGK trang (88-90) sách "Рулеъы устрйстьа суgоb"

O - là tâm quay của trục

Trang 39

1.7 TÍNH TOÁN ĐƯỜNG KÍNH TRỤC LÁI

1.7.1 Tải trọng tác dụng lên trục lái

Áp lực thuỷ động của nước tác dụng lên trục lái PN có phương vuông góc với trục lái,

gây uốn trục

Mô men xoắn thuỷ động tác dụng lên trục lái M, gây xoắn trục

Lực tác dụng trên đầu séc-tơ lái PC gây uốn trục,

C

C C

R

M

P 

(1.53) trong đó: MC - mô men xoắn toàn phần lớn nhất trên trục lái, kG.m





 

i MSi

a - séc-tơ quay về mũi tàu; b - séc-tơ quay về đuôi tàu

Phương pháp 1: séc-tơ lái quay về phía mũi tàu (hình 1.22, a)

Phương pháp 2: séc-tơ lái quay về phía đuôi tàu (hình 1.22, b)

Giả sử khi bẻ lái góc P thì, ở phương pháp 1: trên tấm bánh lái xuất hiện lực thuỷ động

PN và người ta tác dụng lên đầu séc-tơ lái (máy hoặc tay) một lực PC, trường hợp này PN và PC

cùng phương, cùng chiều ở phương pháp 2: PN và PC cùng phương, ngược chiều

Nhận xét: ở phương pháp 1 có lợi hơn nhưng ít sử dụng do không gian nhỏ hẹp của vùng

đuôi tàu, còn trong tính toán trục lái, người ta xét P N và P C cùng phương, cùng chiều (séc-tơ

lái quay về mũi tàu)

Trọng lượng của trục lái và bánh lái: GM = (GBL + GTR) tác dụng theo phương dọc trục lái,

gây kéo và uốn (do kéo lệch tâm)

Trong tính toán trục lái, người ta đưa bánh lái và trục lái về các mô hình hoá, thường có 14

loại mô hình trục lái được phân ra làm 3 dạng: trục lái có kết cấu thẳng, trục lái cong và trục

lái treo

Trang 40

1.7.2 Trục lái kết cấu thẳng

1.7.2.1 Dạng thứ nhất

1 - Tính sơ bộ (hay tính toán đường kính trục lái ở lần gần đúng thứ nhất)

Ta coi hệ bánh lái, trục lái như một dầm tựa lên các gối tựa tự do (i) với các phản lực gối

Ri Bánh lái có độ cứng E1I1, mô men quán tính mặt cắt ngang là I1 Trục lái có độ cứng E2I2

và mô men quán tính mặt cắt ngang là I2 Các kích thước: a 1 , b 1 và l i xác định theo sự bố trí bánh lái sau đuôi tàu

Pc Pn

Hình 1.26 Sơ đồ mô hình hóa bánh lái-trục lái

Việc tính sơ bộ trục lái, ở bài toán này, người ta sử dụng phương pháp gần đúng, vì ban đầu chỉ biết M, còn MTP =   

i MSi

C

C   Khi đó chỉ tính dầm dưới tác dụng của lực thủy động PN và mô men xoắn thuỷ động M cùng với mô men uốn do trọng lượng bánh lái, trục lái GM đặt cách trục lái một khoảng r gây ra, MG = GM.r (do phân bố trọng lượng, trọng tâm bánh lái không nằm trên trục lái)

Ta coi như dầm chịu tác dụng bởi các lực độc lập, sau đó hợp lại theo nguyên lý cộng tác dụng độc lập của các lực

1 a Trục lái dưới tác dụng của P N , M  (P C = 0)

Gọi E1I1 là độ cứng của bánh lái, E2I2 - của trục lái Ta có: k 2 3

I E

2 2

a 1 I E 6

b a P I E 3

l M I E 3

l M

1 1 1

1

1 1 N 2 2 2 ' 1 1 1 1 '

1 1 1

1 N

' 1

l 2 l

b a b

a 1 2

P M

Mômen nhịp:

1

1 1 N

l

b a P

M , kG.m (1.56)

Tiêu đề	Thiết bị lái tàu thủy
Trường học	Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật Tàu Thủy
Thể loại	Giáo trình
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	171
Dung lượng	2,52 MB

Giáo trình thiết bị lái tàu thủy ppt

ĐẠO LƯU ĐỊNH HƯỚNG XOAY

KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠ