Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm tàu hoạt động theo nguyên lý khí động học

LỜI NÓI ĐẦU Việt nam là một trong những quốc gia có bờ biển chạy dọc chiều dài đất nước nên ngoài việc phát triển đội tàu du lịch và đánh bắt hải sản thông thường như hiện tại, hiện đan

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Ngô Văn Quốc, học viên lớp Cao học 2007, ngành Kỹ thuật Tàu thủy, xin cam đoan:

Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là trung thực, hợp lệ, chính xác và không vi phạm pháp luật

Nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS.TS Trần Gia Thái

Nha Trang, ngày tháng năm 2011

Người thực hiện

Ngô Văn Quốc

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Trần Gia Thái, người thầy đã hướng dẫn trực tiếp tôi Với những lời khuyên quý báu về cách nhận định vấn đề, cùng với kiến thức sâu rộng của Thầy và sự tận tâm chỉ bảo đã giúp tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn Ban Giám đốc Công ty TNHH Nhà nước MTV Yến sào Khánh Hòa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về vật chất và tinh thần trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại học Nha Trang; Gia đình và người thân đã quan tâm, chăm sóc, động viên tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp, những người bạn của tôi ở bộ môn Đóng tàu, bộ môn Cơ học - Khoa Kỹ thuật Tàu thủy đã rất nhiệt tình giúp đỡ, để hoàn thành luận văn của mình

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình tôi và bạn bè, những người luôn quan tâm

và động viên tinh thần cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Nha Trang, ngày tháng năm 2011

Người thực hiện

Ngô Văn Quốc

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

6 CM hệ số đầy diện tích mặt cắt ngang giữa tàu

10 dtl m gia số chiều chìm đuôi

28 R1 m bán kính vòng ngoài của váy khí

29 R2 m bán kính vòng trong của váy khí

38 xf m hoành độ trọng tâm diện tích mặt đường nước

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 2

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU ĐỆM KHÍ 4

1.2.1 Lịch sử nghiên cứu tàu đệm khí trên thế giới 4

1.2.2 Tình hình nghiên cứu tàu đệm khí ở Việt Nam 10

1.3 PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU 11 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu 11

1.3.2 Nội dung nghiên cứu 11

1.3.3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 12

Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT TÀU ĐỆM KHÍ 13

2.1 LÝ THUYẾT ĐỆM KHÍ 13

2.1.1 Đặc điểm của tàu đệm khí ở trạng thái tĩnh trên mặt nước 13

2.2.2 Đường đặc tính đệm khí 16

2.2 ỔN ĐỊNH CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 17

2.2.1 Giới thiệu chung 17

2.2.2 Các trường hợp kiểm tra ổn định 18

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ ổn định ngang của tàu đệm khí 21

2.2.4 Vấn đề chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí 24

2.3 BỐ TRÍ ĐỘNG CƠ TÀU ĐỆM KHÍ 32

2.4 HỆ THỐNG VÁY TÀU ĐỆM KHÍ 34

Chương 3: THIẾT KẾ SƠ BỘ TÀU ĐỆM KHÍ 36

3.1 NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 36

3.1.1 Xây dựng nhiệm vụ thư 36

3.1.2 Lựa chọn phương pháp thiết kế 36

3.1.3 Nội dung thiết kế 36

3.2 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 37

3.2.1 Xác định lượng chiếm nước của tàu đệm khí  38

3.2.2 Xác định các thông số hình học của đệm khí 41

3.2.3 Xác định các kích thước chính của tàu 45

3.3 THIẾT KẾ PHÁC THẢO BỐ TRÍ CHUNG TÀU ĐỆM KHÍ 47

3.3.1 Bố trí động cơ trên tàu đệm khí 47

3.3.2 Bố trí sơ bộ chỗ ngồi trên tàu 48

3.4 THIẾT KẾ ĐƯỜNG HÌNH TÀU ĐỆM KHÍ 50

3.5 THIẾT KẾ KẾT CẤU 52

3.5.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo 52

3.5.2 Lựa chọn Quy phạm áp dụng 52

3.5.3 Lựa chọn khoảng cách sườn và hệ thống kết cấu 52

3.5.4 Tính chọn các kết cấu 52

3.6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÀU 61

3.6.1 Tính toán hệ thống nâng 61

3.6.2 Tính toán hệ thống đẩy 62

3.7 TÍNH KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 66

3.7.1 Trường hợp mở váy (Skirt on) 66

3.7.2 Trường hợp tắt váy (Skirt off) 70

Chương 4: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH 80

4.1 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC MÔ HÌNH TÀU 80

4.2 XÂY DỰNG BẢN VẼ ĐƯỜNG HÌNH MÔ HÌNH TÀU 81

4.3 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ 83

4.3.1 Tính chọn động cơ nâng 83

4.3.2 Tính chọn động cơ đẩy 84

4.4 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÁY KHÍ 87

4.4.1 Giới thiệu chung 87

4.4.2 Các thông số chính của váy 88

4.4.3 Vẽ biên dạng của váy 89

4.4.4 Tính toán kích thước váy 90

4.4.5 Phóng dạng váy khí 92

4.5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 95

4.5.2 Lựa chọn động cơ Servo 98

4.5.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 98

4.6 CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP TÀU MÔ HÌNH 101

4.6.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo 101

4.6.2 Quy trình chế tạo và lắp ráp 101

4.6.3 Chuẩn bị sản xuất 102

4.6.4 Thi công chế tạo phần vỏ tàu mô hình 102

4.6.5 Chế tạo váy 105

4.6.6 Lắp đặt các động cơ và trang thiết bị 107

4.7 THỬ NGHIỆM 108

4.7.1 Mục đích và các nội dung chế tạo thử nghiệm 108

4.7.2 Thử nghiệm tĩnh 109

4.7.3 Thử nghiệm động 111

4.7.4 THẢO LUẬN KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 114

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 115

5.1 KẾT LUẬN 115

5.1.1 Phần cơ sở lý thuyết tính toán 115

5.1.2 Chế tạo mô hình thử nghiệm 115

5.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 : Các nguyên nhân gây ra hiện tượng lật tàu 31

Bảng 2.2 : Vùng tốc độ mà có thể xảy ra hiện tượng chúi mũi hoặc lật tàu 31

Bảng 3.1 : Thông số của một số mẫu tàu đệm khí 39

Bảng 3.2 : Thông số hình học của một số mẫu tàu đệm khí 43

Bảng 3.3 : Ảnh hưởng của kích thước chính đến các yếu tố kinh tế - kỹ thuật của tàu 47

Bảng 3.4 : Đặc tính của vật liệu Composite 52

Bảng 3.5 : Trị số C 53

Bảng 3.6 : Tính mômen quán tính mặt cắt ngang sườn mạn 55

Bảng 3.7 : Tính mômen quán tính mặt cắt xà ngang boong 57

Bảng 3.8 : Trị số tối thiểu của gia tốc thẳng đứng ở mút trước 58

Bảng 3.9 : Tính mômen quán tính mặt cắt ngang đà dọc đáy 59

Bảng 3.10 : Tính kiểm tra khối lượng kết cấu tàu 60

Bảng 3.11 : Bảng tính các yếu tố thủy tĩnh 71

Bảng 3.12 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 71

Bảng 3.13 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 72

Bảng 3.14 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 72

Bảng 3.15 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 73

Bảng 3.16 : Tính cân bằng và ổn định ban đầu: 73

Bảng 3.17 : Bảng tính diện tích và tọa độ tâm chịu gió 74

Bảng 3.18 : Bảng tính cánh tay đòn ổn định tĩnh và động 75

Bảng 3.18 : Bảng tính hệ số an toàn 78

Bảng 3.19 : Bảng tính ổn định bổ sung 79

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 : Ý tưởng tàu đệm khí của Emmanuel Swedenbog 4

Hình 1.2 : Thí nghiệm coffee can và mô hình gỗ balsa” của Christopher Cockerell 5 Hình 1.3 : Tàu SR.N1 trong lần chạy thử năm 1959 6

Hình 1.4 : Bản vẽ bố trí chung của SR.N1 7

Hình 1.5 : Tàu SR.N3 trong lần chạy thử năm 1963 7

Hình 1.6 : Bản vẽ bố trí chung tàu SR.N3 8

Hình 1.7 : Mẫu Mark III SR.N4 trong lần chạy năm 2000 9

Hình 1.8 : Tàu vui chơi trên cạn 10

Hình 1.9 : Tàu vui chơi dưới nước 10

Hình 1.10 : Tàu đệm khí phục vụ quân sự 10

Hình 1.11 : Tàu đệm khí chở khách 10

Hình 2.1 : Tàu đệm khí lơ lửng ở trạng thái tĩnh trên mặt nước 13

Hình 2.2 : Sự phân bố lỗ thoát khí 15

Hình 2.3 : Các trạng thái khác nhau của tàu đệm khí 16

Hình 2.4 : Đường đặc tính của đệm khí 17

Hình 2.5 : Tàu đệm khí bị nghiêng trên mặt nước khi chạy trên đệm khí 19

Hình 2.6 : Ổn định ngang của tàu đệm khí trên các bề mặt khác nhau 21

Hình 2.7 : Ảnh hưởng của khe hở váy lên ổn định ngang 22

Hình 2.8 : Ảnh hưởng trọng tâm tàu lên ổn định ngang 23

Hình 2.9 : Ảnh hưởng của lưu lượng khí đến ổn định ngang 23

Hình 2.10 : Hình dạng mặt nước dưới váy của mô hình đệm khí ở số Froude khác nhau (a) Fr = 0,40; (b) Fr = 0,44; (c) Fr = 0,50; (d)Fr = 0,70 24

Hình 2.11 : Ổn định ngang của tàu đệm khí phụ thuộc giá trị số Froude 25

Hình 2.12 : Kết quả thực nghiệm về góc nghiêng của tàu theo tốc độ 25

Hình 2.13 : Giới hạn lật của tàu SR.N6 26

Hình 2.14 : Tàu SR.N6 bị lật do sóng ngang quá lớn 27

Hình 2.15 : Diễn biến của quá trình lật nhào 28

Hình 2.16 : Dòng khí bên trong và bên ngoài của mô hình tàu đệm khí khi

chuyển động với tốc độ cao 30

Hình 2.17 : Vấn đề lật nhào trên quan hệ: lớp biên, số Froude, tỉ số lực đẩy/lực nâng 30

Hình 2.18 : Hệ thống plenum chamber 33

Hình 2.19 : Hệ thống Annular jet 33

Hình 2.20 : Hệ thống Flexible trunks 33

Hình 2.21 : Tàu bố trí một động cơ 34

Hình 2.22 : Tàu bố trí hai động cơ 34

Hình 2.23 : Bag skirt 35

Hình 2.24 : Bag - finger skirt 35

Hình 2.25 : Finger skirt 35

Hình 3.1 : Quá trình thiết kế sơ bộ 37

Hình 3.2 : Các thông số hình học của tàu đệm khí 42

Hình 3.3 : Phương án bố trí động cơ 47

Hình 3.4 : Kích thước trung bình của một người bình thường 48

Hình 3.5 : Không gian ngồi thoải mái cho hai người ngồi dọc và ngang 48

Hình 3.6 : Bố trí chung toàn tàu 49

Hình 3.7 : Bản vẽ đường hình tàu thiết kế 51

Hình 3.8 : Quy cách sườn 54

Hình 3.9 : Bản vẽ kết cấu của tàu đệm khí 60

Hình 3.10 : Động cơ nâng, và cánh quạt nâng 62

Hình 3.11 : Hệ số sức cản sóng 64

Hình 3.12 : Động cơ đẩy tàu thiết kế 65

Hình 3.13 : Sự phụ thuộc của khe hở váy tàu heg vào lưu lượng quạt nâng 68

Hình 3.14 : Sự thay đổi của chiều cao khe hở khi thay đổi khối lượng tàu 69

Hình 3.15 : Đồ thị ổn định ở các trạng thái tải trọng 77

Hình 4.1 : Bản vẽ và tọa độ đường hình tàu mô hình 82

Hình 4.2 : Động cơ nâng và cánh quạt nâng 84

Hình 4.3 : Hình động cơ đẩy 87

Hình 4.4 : Hình dạng váy 87

Hình 4.6 : Đoạn ống cong mũi tàu 89

Hình 4.7 : Vẽ biên dạng váy 90

Hình 4.8 : Khai triển một đoạn cong váy khí 92

Hình 4.9 : Khai triển đoạn thân ống của váy khí 93

Hình 4.10 : Váy sau khi lắp ghép hoàn thành 94

Hình 4.11 : Liên kết giữa động cơ servo của động cơ và động cơ đốt trong 96

Hình 4.12 : Kết cấu bên trong của động cơ servo 96

Hình 4.13 : Nguyên lý làm việc của Vôn kế 97

Hình 4.14 : Sơ đồ nguyên lý hoạt động 99

Hình 4.15 : Hình ảnh bên ngoài bộ thu

Hình 4.16 : Kết nối từ bộ thu đến các servo điều khiển 100

Hình 4.17 : Hình ảnh bên ngoài của bộ phát 100

Hình 4.18 : Sơ đồ quy trình công nghệ đóng mô hình tàu đệm khí bằng Composite 101

Hình 4.19 : Hình ảnh khuôn sau khi xử lý chống dính bề mặt 103

Hình 4.20 : Hình nửa khuôn trên sau khi hoàn thành công đoạn trát lớp 104

Hình 4.21 : Hình ảnh sản phẩm sau khi tách khuôn 105

Hình 4.22 : Chia nhỏ váy để khai triển 106

Hình 4.23 : Chế tạo dưỡng váy 106

Hình 4.24 : Váy tàu đệm khí mô hình 107

Hình 4.25 : Lắp đặt và bố trí động cơ 107

Hình 4.26 : Hình ảnh mô hình tàu đệm khí sau khi hoàn thiện 108

Hình 4.27 : Đang thử lực nâng tàu 110

Hình 4.28 : Thử nghiệm lực nâng khi tàu nằm trên nước 111

Hình 4.29 : Tàu đang chạy trên mặt đường 112

Hình 4.30 : Tàu đang quay trở 112

Hình 4.31 : Tàu đang chạy trên mặt đường 113

Hình 4.32 : Tàu đang chạy trên mặt nước 113

LỜI NÓI ĐẦU

Việt nam là một trong những quốc gia có bờ biển chạy dọc chiều dài đất nước nên ngoài việc phát triển đội tàu du lịch và đánh bắt hải sản thông thường như hiện tại, hiện đang có nhu cầu rất lớn trong việc chế tạo những loại tàu chuyên dụng đặc biệt có khả năng chạy êm với tốc độ cao và trong các điều kiện địa hình phức tạp nhằm mục đích phục vụ cho các hoạt động như du lịch cao cấp, cứu hộ, cứu nạn v v… trong số các loại tàu hiện nay thì tàu đệm khí, loại tàu hoạt động dựa trên nguyên lý khí động học, hoàn toàn thích hợp và đáp ứng các yêu cầu đặt ra trên đây nhờ chạy trên đệm không khí nên giảm được sức cản, dẫn đến khả năng chạy êm ở tốc độ cao trên nhiều địa hình phức tạp khác nhau, kể cả mặt nước, đầm lầy, băng v v… vì thế trong thời gian gần đây đã có một số cá nhân và cơ quan du lịch đặt vấn đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoặc mua và nhập khẩu các mẫu tàu đệm khí về Việt nam

Tuy nhiên do nguyên lý hoạt động phức tạp của loại tàu này nên đến hiện nay, vấn đề nghiên cứu chế tạo các tàu đệm khí ở Việt Nam thực tế chỉ mới đang bắt đầu, với một vài đề tài đang triển khai nhưng hầu như chưa mang lại kết quả khả quan Nhận thấy tính thực tiễn của tàu đệm khí đối với thị trường Việt Nam khá rộng mở, kết hợp với thực tế bản thân chúng tôi là những cán bộ kỹ thuật đang công tác tại Công ty Yến sào Khánh Hòa, đơn vị chịu trách nhiệm quản lý khai thác các đảo yến

và hoạt động du lịch cao cấp nên rất quan tâm về vấn đề đi lại vận chuyển nguyên liệu và tuần tra trên các đảo yến cũng như phục vụ tham quan du lịch của du khách Đây là vấn đề mà ban Giám đốc Công ty đã và đang rất quan tâm nên khuyến khích

và tài trợ cho chúng tôi thiết kế một mẫu tàu đệm khí có thể chở được (2 ÷ 3) người, làm nhiệm vụ phục vụ du lịch, vận chuyển và cứu hộ người tai nạn trên các đảo yến Nhân dịp này, nhóm thực hiện đề tài xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Trần Gia Thái, Trưởng Khoa Kỹ thuật tàu thuỷ Trường Đại học Nha Trang đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và chỉnh sửa các sai sót trong quá trình thực hiện đề tài Xin cảm ơn các Thầy, cô trong Khoa Kỹ thuật tàu thủy và Trường Đại học Nha Trang

và các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài

Người thực hiện

Ngô Văn Quốc

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Tàu đệm khí thuộc nhóm những tàu làm việc dựa theo nguyên tắc khí động học,

bố trí một hay nhiều động cơ, gồm động cơ làm nhiệm vụ thổi khí và động cơ đẩy Động cơ thổi khí có nhiệm vụ tạo ra lớp đệm không khí có áp suất cao và được giữ lại giữa đáy tàu và bề mặt chuyển động nhờ kết cấu bao xung quanh gọi tên là “váy khí”

để nâng tàu lên khỏi bề mặt tiếp xúc nhằm làm giảm sức cản khi tàu chuyển động Động cơ đẩy với các bộ phận điều chỉnh có nhiệm vụ đẩy tàu chạy trên lớp đệm khí Khi đó tàu chuyển động được nhờ lực nâng do gối khí tạo ra và lực của động cơ đẩy Một số tàu sử dụng hệ thống ống dẫn để có thể sử dụng một động cơ thực hiện cùng lúc hai nhiệm vụ nâng và đẩy tàu bằng cách bơm trực tiếp một phần không khí vào váy khí, phần không khí còn lại sẽ được đẩy ngược ra phía sau để tạo lực đẩy tàu về phía trước Nhờ chạy trên lớp đệm khí nên ưu điểm đặc biệt của loại tàu này so với các tàu khác là tàu có thể chạy êm ở tốc độ cao, có thể lên đến 100 km/h nhờ sức cản đã giảm đáng kể và ngoài việc chạy trên mặt nước, tàu có thể hoạt động trên nhiều địa hình khác nhau Vì thế tàu đệm khí đã được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau và dùng chạy trên các địa hình phức tạp như vùng nước cạn, vùng băng, rừng rậm v v… riêng ở nước ta hiện nay, nhu cầu thiết kế và chế tạo loại tàu đệm khí để phục vụ cho các lĩnh vực du lịch, cứu hộ, quân sự v v… ngày càng tăng cao và trở nên cần thiết Tuy nhiên do tính chất phức tạp về kết cấu và nguyên lý hoạt động của loại tàu này nên phương pháp thiết kế và các mẫu tàu này hầu như chưa được phổ biến rộng rãi, thường thuộc bản quyền của một số ít công ty ở các nước có ngành đóng tàu phát triển

Việt Nam là một trong những quốc gia có bờ biển trải dài dọc theo đất nước và mạng lưới sông ngòi, ao hồ dày đặc rất thuận lợi cho việc phát triển du lịch sông nước Trong khi đó, các phương tiện phục vụ giao thông đường thủy hiện vẫn chưa đáp ứng được hết nhu cầu đi lại của người dân, đồng thời sự lỗi thời của các loại phương tiện hiện có đã làm mất quá nhiều thời gian đi lại, cũng như thời gian vận chuyển hàng hóa Hơn nữa, Việt Nam là quốc gia đang chịu sự ảnh hưởng của quá trình biến đổi khí hậu

nên bão tố, lũ lụt hàng năm xảy ra thường xuyên, nhất là trong những năm gần đây Trong khí đó, do không có các loại tàu chuyên dụng có khả năng chạy nhiều địa hình như tàu đệm khí nên việc cứu hộ trên nước thường gặp rất nhiều khó khăn, dẫn đến quá trình cứu hộ tiến hành chậm trễ, gây những hậu quả đáng tiếc về người và của Những thực trạng trên đây cho thấy việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các loại tàu chuyên dụng như mẫu tàu đệm khí phục vụ giao thông đường thủy là hết sức cần thiết

vì so với các loại tàu thông thường, tàu đệm khí có nhiều ưu điểm cụ thể như sau:

- Tàu có khả năng chạy tốc độ cao và êm nhờ giảm bớt được lực cản của nước nên rất thuận lợi trong việc phát triển du lịch đường biển

- Tính cơ động cao, có thể di chuyển trên nhiều địa hình phức tạp khác nhau như mặt đất, mặt băng hoặc trên đầm lầy nên rất thuận lợi cho việc cứu hộ, tuần tra, du lịch khám phá v v…

- Chi phí vận hành và bảo trì ít

- Khả năng vận chuyển của tàu đệm khí thuộc mức trung bình (6kg/kW)

Với những ưu điểm kể trên, kết hợp với những điều kiện về tự nhiên ở Việt Nam nên nhu cầu sử dụng tàu đệm khí trong nhiều lĩnh vực như cứu hộ, du lịch khám phá, nuôi trồng thủy sản, vận chuyển hàng hóa, tuần tra v v… ở nước ta ngày càng lớn Chính vì lý do đó nên trong thời gian gần đây đã có nhiều cá nhân, công ty quan tâm tìm hiểu và có kế hoạch nhập khẩu loại tàu này về Việt Nam nhưng vì nhiều lý do, nhất là khả năng hoạt động phù hợp với điều kiện khai thác thực tế ở nước ta hiện nay nên hầu như vẫn chưa có mẫu tàu đệm khí thương mại nào xuất hiện tại Việt Nam

Vì thế, với mục tiêu nghiên cứu về phương pháp thiết kế và chế tạo thử nghiệm loại tàu đệm khí để có thể ứng dụng vào Việt Nam, chúng tôi đã đặt vấn đề và được Khoa Kỹ thuật tàu thủy giao thực hiện luận văn Cao học về vấn đề này với tên gọi

“Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm tàu hoạt động theo nguyên lý khí động học” nhằm góp phần vào việc phát triển ứng dụng loại tàu này vào thực tế nước ta hiện nay Việc chế tạo tàu đệm khí ở Việt Nam hy vọng sẽ làm phong phú thêm các phương tiện phục vụ giao thông đường thủy và khẳng định vai trò của ngành đóng tàu Việt Nam

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU ĐỆM KHÍ

1.2.1 Lịch sử nghiên cứu tàu đệm khí trên thế giới

Ngay từ đầu thế kỷ 18, con người đã có ý tưởng tạo ra một lớp đệm không khí nằm giữa bề mặt đáy tàu và mặt nước để làm giảm bớt sức cản khi tàu chuyển động Năm 1716, Emmanuel Swedenbog, một nhà thiết kế và triết gia người Thụy Điển đã chế tạo thử nghiệm một số mô hình tàu đệm khí chạy bằng sức người có hình dáng tương tự như một chiếc xuồng nhỏ úp ngược, với buồng lái đặt chính giữa (hình 1.1) Các thiết bị nằm hai bên thân mô hình cho phép người lái nâng lên và hạ xuống, một cặp thiết bị giống như mái chèo và hành trình chuyển động theo hướng đi xuống này

sẽ ép không khí nén xuống bên dưới thân tàu, do đó có thể nâng tàu lên khỏi mặt nước

Dự án này không tồn tại lâu và chưa bao giờ thực hiện được vì ông sớm nhận ra rằng

để vận hành cỗ máy như vậy phải có nguồn năng lượng lớn mà sức người là không thể

Hình 1.1 : Ý tưởng tàu đệm khí của Emmanuel Swedenbog Năm 1870, nhà khoa học người Mỹ là John Thorneycroft tiếp tục ý tưởng chế tạo tàu đệm khí nhưng thất bại vì không thể lựa chọn được động cơ có công suất thích hợp

vì lúc này mới xuất hiện động cơ đốt trong có công suất lớn để tạo ra đủ lực nâng tàu Mãi cho đến năm 1953, một nhà phát minh vĩ đại người Anh là Christopher Cockerell thực hiện thành công thí nghiệm lý thuyết của mình, còn gọi là thí nghiệm coffee can, bằng cách đặt hộp thức ăn trong hộp cà phê, một quạt gió công nghiệp và một cái cân

Để thử nghiệm giả thuyết của mình, ông đặt một cái lon nhỏ trong lon khác lớn hơn, sau đó dùng máy quạt gió công nghiệp để thổi không khí vào bên trong lon (hình 1.2) Qua đó, ông chứng minh việc di chuyển trên nước bằng cách tạo lớp đệm không khí dưới đáy tàu là điều có thể và khi đó lực ma sát giữa phương tiện và mặt nước giảm đi Đến khoảng năm 1955, ông đã chế tạo được một mô hình tàu đệm khí bằng gỗ balsa

có thể hoạt động được và ông đã nhận bằng sáng chế đầu tiên của mình

Hình 1.2 : Thí nghiệm coffee can và mô hình gỗ balsa” của Christopher Cockerell Sau đó, do nhận thấy ý tưởng của mình không được quan tâm trong tư nhân nên ông tiếp cận với Chính phủ Anh nhằm tranh thủ sự hổ trợ trực tiếp từ Chính phủ Anh Ông đã được giới thiệu đến Tổng công ty phát triển nghiên cứu quốc gia Anh (NRDC)

và vào ngày 25/7/1959, mẫu tàu đệm khí đầu tiên do ông chế tạo mang tên SR.N1 đã mang 4 người lớn, chạy với tốc độ 28 dặm/giờ và vượt qua eo biển Anh trong 2 giờ, tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử phát triển tàu đệm khí trên thế giới Nhờ thành công này, Christopher Cockerell đã được trao huy chương Howard N Potts của Anh vào năm 1965

Đầu tiên, chiếc SR.N1 được chế tạo với kết cấu váy cứng và ống phụt khí được

bố trí nằm phía bên trong tàu để duy trì lớp đệm khí giữa bề mặt đáy tàu và mặt nước Với kiểu váy này, tàu chỉ hoạt động với khe hở khí nhỏ nên chỉ có thể chạy trong vùng

sóng tĩnh hoặc vượt chướng ngại nhỏ trên địa hình bằng phẳng khi chạy trên đất liền Sau đó, SR.N1 được cải tiến đáng kể khi thay động cơ piston bằng động cơ turbine khí Rolls Royce Viper, kết cấu váy cứng thay bằng váy mềm, tạo lớp đệm khí dày 4 foot Vận tốc tàu cũng tăng lên đáng kể, từ 30 knot lên 50 knot và khe hở khí tăng 10 lần Điều này cho phép tàu hoạt động trên biển ở vùng có sóng cao đến 7 feet như hình 1.3

Hình 1.4 : Bản vẽ bố trí chung của SR.N1 Sau thành công của mẫu tàu SR.N1, tàu đệm khí bắt đầu được thương mại hóa Năm 1963, các mẫu tàu SR.N2, SR.N3 được thiết kế để chở khách với trọng tải 27 tấn,

có thể chở được 70 hành khách với vận tốc lên đến 60 knot như hình 1.5

Hình 1.5 : Tàu SR.N3 trong lần chạy thử năm 1963

Hình 1.6 : Bản vẽ bố trí chung tàu SR.N3

Sau đó là một loạt tàu nằm trong series tàu của Saunders Roe đã đánh dấu bước phát triển mạnh về kích thước, khối lượng, tốc độ và khả năng chở của tàu đệm khí Mẫu tàu đệm khí lớn nhất là Mark III SR.N4 với trọng tải 320 tấn, chiều dài 56,38m, chiều rộng 23,16 m có khả năng chở được 418 khách và 60 xe ôtô như hình 1.7

Hình 1.7 : Mẫu Mark III SR.N4 trong lần chạy năm 2000

Mặc dù đã phát triển khá mạnh nhưng vẫn còn nhiều vấn đề quan tâm nghiên cứu đối với tàu đệm khí và hướng phát triển cho tàu đệm khí trong tương lai như sau:

- Tăng cường tính an toàn, tính điều khiển

- Tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới

- Giảm trọng lượng bằng cách thay thế vật liệu mới nhẹ, có tính bền cao hơn

- Tăng cường kết cấu váy

- Tăng lực nâng, giảm lực đẩy, từ đó giảm tối đa lượng nhiên liệu tiêu hao

- Giảm tiếng ồn khi hoạt động

Ngày nay, tàu đệm khí được sử dụng cho rất nhiều mục đích khác nhau như chở hàng hóa, hành khách, phục vụ quân sự, vui chơi, giải trí, thể thao v v

Hình 1.8 : Tàu vui chơi trên cạn Hình 1.9 : Tàu vui chơi dưới nước

Hình 1.10 : Tàu đệm khí phục vụ quân sự Hình 1.11 : Tàu đệm khí chở khách

1.2.2 Tình hình nghiên cứu tàu đệm khí ở Việt Nam

Ở Việt Nam hầu như chưa có công trình nghiên cứu hoàn chỉnh về tàu đệm khí Trong vài năm gần đây, đã có một số nghiên cứu độc lập về tàu đệm khí thực hiện bởi

kỹ sư Qua Xa Khánh, một Việt kiều Pháp nhưng hiện vẫn chưa được công bố cụ thể Công ty Triệu Phước, một công ty cổ phần ở Việt Nam cũng đã mạnh dạn đầu tư cho

kỹ sư Hà Trọng Phát nghiên cứu thiết kế và cũng đang tiến hành đóng thử nghiệm một tàu đệm khí theo mẫu của nước ngoài nhưng hiện vẫn chưa thành công và công bố Công ty Dịch vụ Hàng Hải Sài gòn (Samaser) cũng đã đặt vấn đề chế tạo nguyên mẫu tàu đệm khí cỡ nhỏ theo thiết kế của Bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy – Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh nhưng thực tế cho thấy thiết kế này chưa được kiểm chứng và

mô hình do các nhà khoa học công bố thực chất chỉ là mô hình chạy trên mặt đất

1.3 PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu

Tàu đệm khí mặc dù đã được chế tạo nhiều ở nước ngoài, nhưng thực tế vẫn là

sản phẩm độc quyền, giá thành cao nên hiện chưa có mẫu nào được mua về Việt Nam, nhất là các mẫu tàu thật nên không có tàu mẫu để làm cơ sở cho các tính toán, thiết kế

Do đó chúng tôi chỉ có thể dựa vào hình ảnh, thông tin trên các website nước ngoài, kết hợp với việc nghiên cứu lý thuyết khí động học để làm cơ sở thiết kế tàu đệm khí

Về mặt phương pháp, để có thể thiết kế, chế tạo thành công mẫu tàu đệm khí nói trên trước tiên cần nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình tàu và thử nghiệm trong bể thử để thu nhận số liệu cần thiết về kích thước, khối lượng, động cơ, kết cấu hệ thống váy, trong đó các thông số khối lượng tàu, bố trí động cơ và kết cấu váy sẽ đóng vai trò rất quan trọng và có ảnh hưởng quyết định đến khả năng bay của tàu trên lớp đệm khí Tuy nhiên do việc mô hình hoá khối lượng và sức cản đối với tàu là khá phức tạp, cùng với việc không có bể thử nghiệm và các thiết bị cần thiết để thu thập các số liệu

từ mô hình thử nghiệm nên chúng tôi chọn phương pháp thực hiện tính toán thiết kế, kết hợp chế tạo mô hình thực để hoàn thiện dần thiết kế tàu trong quá trình thử nghiệm Phương pháp thiết kế tàu được thực hiện trên cơ sở phương pháp tính gần đúng dần, bao gồm những nội dung chính như tính chọn các thông số hình học chính của tàu, thiết kế tuyến hình, thiết kế kết cấu, bố trí chung và tính toán tính năng chính của tàu

Từ các bản vẽ thiết kế sẽ triển khai thực hiện chế tạo mô hình tàu đệm khí và tiến hành thử nghiệm thực tế để hiệu chỉnh lại thiết kế khi cần thiết

1.3.2 Nội dung nghiên cứu

Như đã trình bày trong phần trên, bản thân chúng tôi là những cán bộ kỹ thuật của Công ty Yến sào Khánh Hòa (Sanest), đơn vị chịu trách nhiệm tổ chức quản lý và khai thác các đảo yến và đang hoạt động trong lĩnh vực du lịch và giải trí ở địa phương

Vì vậy công ty đã và đang rất cần và cũng giao trách nhiệm cho chúng tôi trong việc nghiên cứu thiết kế những mẫu tàu chạy được êm với tốc độ cao, trong mọi địa hình để phục vụ công việc cứu hộ, đưa người bị bệnh hoặc bị tai nạn từ đảo yến về đất liền hoặc phục vụ các hoạt động du lịch cao cấp, vui chơi giải trí trên biển

Từ những trình bày trên đây, chúng tôi dự kiến nội dung chính của đề tài sẽ nghiên cứu thiết kế một mẫu tàu đệm khí có thể chở được khoảng (2 ÷ 3) hành khách,

có thể chạy với tốc độ vào khoảng 65 (km/h) và hoạt động trong phạm vi dưới 100 km Trên cơ sở thiết kế này, chúng tôi sẽ chế tạo mô hình thu nhỏ để thử nghiệm chạy biển

và tiến hành hiệu chỉnh lại tính toán, thiết kế trước khi đưa vào chế tạo trong thực tế Với nội dung này, dự kiến đề tài gồm 5 chương như sau :

 Chương 1 : Đặt vấn đề

Nội dung chương sẽ trình bày chủ yếu những vấn đề về phần tổng quan đề tài, tình hình nghiên cứu đối với đề tài, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu

 Chương 2 : Một số vấn đề lý thuyết tàu đệm khí

Trong phần này sẽ trình bày một số vấn đề lý thuyết cơ bản đối với tàu đệm khí,

cơ sở để tính toán, thiết kế mẫu tàu đệm khí

 Chương 3 : Thiết kế sơ bộ một mẫu tàu đệm khí

Nội dung chương trình bày kết quả tính toán, thiết kế một mẫu tàu đệm khí cụ thể

 Chương 4 : Chế tạo thử nghiệm mô hình

Nội dung chương trình bày kết quả tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm một

mô hình tàu đệm khí dựa trên cơ sở mẫu tàu đệm khí đã thiết kế

 Chương 5 : Kết luận và kiến nghị

1.3.3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Thực tế cho thấy, để đảm bảo cho tàu đệm khí có thể bay được trên lớp đệm khí cần phải sử dụng những loại vật liệu tiên tiến, có độ cứng cao nhưng trọng lượng nhẹ Tuy nhiên do điều kiện hạn chế nên chúng tôi sử dụng vật liệu và các thiết bị có sẵn trên thị trường nước ta hiện nay để tăng khả năng thương mại hóa sản phẩm sau này Ngoài ra, do việc thiết kế và chế tạo chủ yếu để phục vụ những nghiên cứu tiếp theo nên một số yếu tố cần thiết về mặt thẩm mỹ và giá thành chế tạo chưa được quan tâm Bên cạnh đó, do công dụng của tàu chủ yếu là phục vụ các hoạt động thể thao, du lịch hoặc hoạt động ở vùng nước sông, hồ ở Việt Nam nên trong quá trình thiết kế, chế tạo chỉ thực hiện tính toán tàu làm việc trong điều kiện thời tiết tốt

Chương 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT TÀU ĐỆM KHÍ

Các vấn đề về lí thuyết đệm khí đã được trình bày cụ thể trong một số tài liệu,

ở đây chúng tôi chỉ trích giới thiệu một số vấn đề lý thuyết quan trọng cần thiết cho việc tính toán, thiết kế tàu đệm khí

Hình 2.1 : Tàu đệm khí lơ lửng ở trạng thái tĩnh trên mặt nước

Nếu bỏ qua thành phần phản lực vuông góc xuất hiện khi dòng khí phụt ra từ miệng vòi do giá trị lực này thường nhỏ trong trường hợp khoảng không của váy nhỏ,

có thể tính được lực nâng của đệm khí theo áp suất nâng Pc cụ thể như sau

R

G

Pc

h eg

Giả sử áp lực của lớp đệm không khí phân bố đều bên dưới đáy tàu, có thể xác định được áp lực cần thiết Pc để nâng tàu lên theo biểu thức:

W = PcSc = PcLcBc (2.1) trong đó : W - khối lượng của tàu tính theo đơn vị (kg)

Sc - diện tích vùng đệm không khí tính theo đơn vị (m2)

Hệ số lưu lượng Q (m3/s) có thể tính theo công thức:

Q =

a

c c

P2S.Q

 (2.2) trong đó : a - khối lượng riêng không khí, a = 1,226 (kg/m3)

Q - giá trị trung bình, xác định gần đúng như sau:

Q = 0,015  0,050 - đối với AC [8]

Q = 0,005  0,010 - đối với SES [8]

Hoặc cũng có thể xác định theo công thức:

Q = Vc.Dc.heg.A [8] (2.3) trong đó : Vc - vận tốc thoát khí của đệm không khí (m/s)

Vc =

a c

P2

do đó thường có nhiều cải tiến về hình dạng để sao cho khoảng không của váy trên mặt nước của tàu đệm khí càng nhỏ càng tốt, thậm chí âm đối với tàu lớn như hình 2.2

Hình 2.2 : Sự phân bố lỗ thoát khí Quá trình từ lúc bắt đầu hoạt động cho đến khi bay lơ lửng của tàu đệm khí dùng váy mềm khá phức tạp, có thể mô tả qua những trạng thái sau như hình 2.3

1 Khi chưa khởi động động cơ, tàu đang nổi trên mặt nước nhờ chính thân tàu, khi đó tàu có mớn nước là T0

2 Quạt nâng bắt đầu hoạt động nhưng ở số vòng quay nhỏ, áp suất quạt tạo ra nhỏ, T < To Lúc này tàu được nâng lên một phần nhờ vào áp suất dòng khí, phần còn lại phải nhờ lực đẩy Archimedes tác dụng lên thân tàu

3 Số vòng quay quạt tiếp tục tăng lên cho đến khi mớn nước bằng không (T = 0)

và toàn bộ trọng lượng con tàu được nâng lên bằng chính đệm khí

4 Số vòng quay quạt tiếp tục tăng lên, áp suất vẫn không đổi trong khi lưu lượng dòng khí tăng nên váy bắt đầu được bơm phồng lên và khoảng không h’ giữa thân tàu và mặt nước bắt đầu xuất hiện nhưng nhỏ hơn khoảng không thiết kế

5 Lúc này khoảng không giữa thân tàu với mặt nước bằng với giá trị thiết kế Một lượng lớn khí từ đệm khí rò ra ngoài ở bên dưới váy, thể tích của đệm khí phụ thuộc vào đặc tính của quạt và công suất nâng

Lỗ thoát khí

Mặt nước

Hsk

Hình 2.3 : Các trạng thái khác nhau của tàu đệm khí

2.2.2 Đường đặc tính đệm khí

Đường đặc tính đệm khí của tàu đệm khí có thể được biểu diễn như ở hình 2.4, với các đường cụ thể như sau:

1 Hj – Q là đường cong đặc tính của quạt nâng

2 Pt – Q là đường đặc tính áp suất theo lưu lượng trong hệ thống ống dẫn khí, đường đặc tính của quạt ở những vòng quay khác nhau bỏ qua sự sụt áp của dòng chảy trong ống, pt: áp suất bên trong váy

3 Pt – Q cũng được xem là đường đặc tính áp suất theo lưu lượng bên trong váy

4 P – Q là đường đặc tính hiệu suất của đệm khí ở trạng thái tĩnh, thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng của dòng khí với áp suất trong ống (hoặc trong váy) tương ứng với các giá trị cột áp và số vòng quay của quạt khác nhau

Hình 2.4 : Đường đặc tính của đệm khí

2.2 ỔN ĐỊNH CỦA TÀU ĐỆM KHÍ

2.2.1 Giới thiệu chung

Ổn định là khả năng chống lại tác động của ngoại lực đẩy tàu khỏi vị trí cân bằng

ban đầu để đưa tàu trở lại vị trí cân bằng này, khi tác động ngoại lực không còn nữa

Do đó ổn định là một trong những tính năng cần quan tâm khi thiết kế tàu nói chung Đối với các loại tàu thông thường, việc tính toán và kiểm tra ổn định của tàu đã được trình bày cụ thể trong các tài liệu chuyên ngành và trong các hướng dẫn của Quy phạm tuy nhiên đối với tàu đệm khí, do nguyên lý hoạt động phức tạp của loại tàu này nên các nghiên cứu ổn định hiện rất ít và hầu hết chỉ dựa trên cơ sở thực nghiệm thực tế Khác với các loại tàu thông thường, tàu đệm khí nó có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau cụ thể như sau:

- Nổi cân bằng trên mặt nước như các loại tàu thông thường

- Chuyển động ở giai đoạn quá độ khi váy tàu vẫn còn chìm trong mặt nước, trước khi tàu chuyển sang chế độ nổi nhờ vào áp suất của đệm không khí, thời điểm còn gọi bằng tên tiếng Anh là hump speed

- Chuyển động trên đệm khí khi áp suất của không khí dưới váy đảm bảo giúp tàu nổi hẳn lên mặt nước

- Chuyển động trên những địa hình khác nhau ngoài mặt nước như chạy trên mặt đất, mặt băng tuyết, đầm lầy v v…

Vấn đề tính toán và kiểm tra tính ổn định của tàu đệm khí là vô cùng phức tạp Các tai nạn, chủ yếu là lật nhào của tàu đệm khí không chỉ do không thỏa mãn ổn định nhất thời mà còn không thỏa mãn cả quá trình khi có tác động kết hợp của gió và sóng Ngoài những trường hợp nguy hiểm về ổn định như đối với các tàu thông thường khác, tàu đệm khí thường xảy ra mất ổn định trong các tình huống sau:

- Tình huống khi tàu chuyển từ chế độ dùng áp suất của đệm khí để nổi sang chế độ chạy trên đệm khí nên sẽ tạo ra tải đáng kể lên hệ thống váy làm tàu rất dễ mất ổn định

- Tình huống khi tàu nghiêng, áp suất dưới váy lúc đó không còn phân bố đều

và có thể dẫn đến mất áp suất một bên mạn làm tàu mất ổn định

2.2.2 Các trường hợp kiểm tra ổn định

Do hoạt động dựa trên nguyên lý đặc biệt nên việc tính và kiểm tra ổn định của các tàu đệm khí khá phức tạp, chủ yếu chỉ dựa vào các kết quả thực nghiệm mô hình Kết quả thử nghiệm cho thấy, ổn định của tàu đệm được xem xét trong hai trường hợp

- Trường hợp tàu nổi trên mặt nước nhờ thân tàu và chịu tác động của sóng gió

- Trường hợp di chuyển trọng vật sang một bên mạn

2.Trường hợp mở váy

Trong trường hợp này, khảo sát ổn định trong hai tình huống :

- Tàu ở trạng thái lơ lửng tĩnh hoặc đang chạy trên đệm khí (ổn định ngang)

- Tàu chúi mũi khi chạy với tốc độ cao trên mặt nước tĩnh (ổn định động)

 Tàu ở trạng thái lơ lửng hoặc đang di chuyển trên đệm khí (ổn định ngang)

Thực tế có thể nhận thấy, việc tính toán mức độ ổn định ngang của tàu đệm khí khi di chuyển lơ lửng trên mặt nước là rất phức tạp vì sự biến dạng của bề mặt nước

Do đó về mặt phương pháp, có thể tiến hành phân tích ổn định ngang của tàu đệm khí khi đang chạy lơ lửng trên bề mặt cứng, sau đó mới hiệu chỉnh lại các tính toán theo biến dạng của bề mặt nước dựa vào những thông số thử nghiệm bằng mô hình thực tế Xét trường hợp mở váy, tương ứng với tình huống tàu ở trạng thái lơ lửng tĩnh hoặc đang chạy trên đệm khí và bị nghiêng ngang như mô tả trên hình 2.5

Hình 2.5 : Tàu đệm khí bị nghiêng trên mặt nước khi chạy trên đệm khí

Khi đó, tàu được xem đảm bảo ổn định khi lực nâng tàu tạo ra bởi áp suất dưới váy phải cân bằng với trọng lượng của tàu, mômen nghiêng do tác động của ngoại lực

và phân bố trọng lượng tàu cân bằng với mômen phục hồi do áp suất dưới váy tạo ra Tiêu chuẩn ổn định đối với tàu đệm khí được tính cho khoảng dịch chuyển ngang S R

của trọng tâm áp suất trên đơn vị góc nghiêng như sau:

S = R

c B

M

.W

Mθ

Tiêu chuẩn này được xem như tương đương với chiều cao của ổn định ban đầu:

h =

c B

h

=

c B

M

.W

29,57)

/( 

c

sk g

B

)Hz

Trong đó: Bc - chiều rộng váy tàu (m)

Hsk - chiều cao váy tàu (m)

zg - chiều cao trọng tâm tàu so với mặt đất (m)

hθ - chiều cao tâm ổn định ngang của tàu (m)

 Tàu chúi mũi khi chạy trên mặt nước tĩnh (ổn định động)

Khi hoạt động dưới nước, nhất là khi tàu chạy ở tốc độ cao, lực cản xuất hiện do phần váy khí tiếp xúc với nước có ảnh hưởng lớn đến tính điều khiển và ổn định tàu Khi đó, nếu như người điều khiển không có các tác động để chống lại ảnh hưởng này, tàu đệm khí có thể chúi mũi xuống nước và ngừng lại và thậm chí có thể bị lật nhào Một số tai nạn thực tế ghi nhận lại cho thấy lúc này mũi tàu chúi xuống và trượt dài, váy tàu phía trước xếp lại về sau, cắm mũi xuống nước ở tốc độ cao và tàu bị lật nhào Khi tàu bị chúi mũi, phần váy khí phía trước chạm vào mặt nước sẽ làm cho dòng khí tại đó không thoát ra được nên sẽ dẫn đến làm tăng đột ngột lực cản chuyển động tàu Hiện tượng này xảy ra rất nhanh làm cho tốc độ chuyển động của tàu bị giảm đột ngột, kết hợp với kết cấu váy không ổn định dẫn tới hiện tượng tàu bị chúi mũi và lật nhào

Do tính chất phức tạp của vấn đề này nên cho đến hiện nay vẫn chưa xây dựng được

phương pháp tính và các tiêu chuẩn để kiểm tra ổn định động của tàu khi bị chúi mũi Những thử nghiệm thực tế chỉ cho phép phân tích được nguyên nhân, diễn biến và các giải pháp quan trọng để tránh hiện tượng chúi mũi và lật nhào khi tàu đệm khí chạy Các nội dung này sẽ được trình bày cụ thể hơn trong các phần tiếp theo, ngay trong chương này

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ ổn định ngang của tàu đệm khí

Như đã nêu, ổn định ngang của tàu khi di chuyển trên đệm khí sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bề mặt chịu tải, độ hở của váy khí, trọng tâm tàu, lưu lượng quạt Phần dưới đây sẽ phân tích cụ thể hơn về các yếu tố ảnh hưởng nêu trên đến mức độ

ổn định ngang của các tàu đệm khí

1 Ảnh hưởng của bề mặt chịu tải lên ổn định ngang

Hình 2.6 là đồ thị thực nghiệm ảnh hưởng của bề mặt chịu tải đến ổn định ngang

Từ đồ thị trên nhận thấy mức độ ổn định tĩnh theo phương ngang của tàu đệm khí khi đang lơ lửng trên mặt nước xấu hơn trên bề mặt cứng vì sự biến dạng của bề mặt nước

Hình 2.6 : Ổn định ngang của tàu đệm khí trên các bề mặt khác nhau

-4 -3 -2 -1

0,4 0,8

2 Ảnh hưởng của độ hở váy đến ổn định ngang

Hình 2.7 là đồ thị thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỷ số giữa độ hở váy heg

vàchiều cao váy Hc đến đại lượng S đặc trưng cho ổn định ngang của tàu đệm khí R

Từ đồ thị nhận thấy khi giá trị tỷ số

c

eg H

h

vượt quá 30% thì tàu trở nên bị mất ổn định

Để tàu đảm bảo độ ổn định cần thiết thì tỷ số

c

eg H

h

không được vượt quá (20 – 30) %

Hình 2.7 : Ảnh hưởng của khe hở váy lên ổn định ngang

3 Ảnh hưởng của trọng tâm tàu đến ổn định ngang

Ảnh hưởng trọng tâm tàu đến ổn định ngang thể hiện qua đồ thị mối quan hệ giữa đại lượng đặc trưng ổn định ngang S và độ thay đổi trọng tâm tàu zR g/zg (hình 2.8)

Từ đồ thị này nhận xét thấy chiều cao trọng tâm có ảnh hưởng đến ổn định ngang của tàu

và chiều cao của váy đệm khí lại có ảnh hưởng đến chiều cao trọng tâm của tàu đệm khí Dựa vào đồ thị nhận thấy, nếu tăng chiều cao váy khí lên thì ổn định tàu sẽ giảm xuống,

do đó khi thiết kế chiều cao váy khí cần phải quan tâm đến mức độ ổn định của tàu

ground water Trim angle ψ = 0

Hình 2.8 : Ảnh hưởng trọng tâm tàu lên ổn định ngang

4 Ảnh hưởng của lưu lượng quạt đến ổn định ngang

Hình 2.9 là đồ thị ảnh hưởng lưu lượng quạt đến ổn định ngang của tàu đệm khí, trong đó các đường cong (1), (2) và (3) trên đồ thị này là tương ứng với lưu lượng của quạt nâng ở các giá trị vòng quay n = 3000 (v/ph); n = 4500 v/ph và n = 5000 (v/ph)

Từ đồ thị này nhận thấy ổn định ngang của tàu tỉ lệ thuận với lưu lượng của quạt nâng

Hình 2.9: Ảnh hưởng của lưu lượng khí đến ổn định ngang

c WB

2.2.4 Vấn đề chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí

1 Các trường hợp chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí

Hiện tượng chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khi diễn tiến rất nhanh và phức tạp,

xảy ra trong mọi trường hợp khi tàu chạy trên nước tĩnh ở tốc độ cao, tốc độ thấp và khi gặp sóng

 Hiện tượng chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí ở tốc độ thấp

Biên dạng mặt nước trong quá trình cất cánh làm giảm khả năng ổn định của váy Hình 2.10 là đồ thị mô tả hình dạng mặt nước dưới váy khí của mô hình tàu đệm khí ở các giá trị số Froude khác nhau Có thể nhận thấy, hình dạng bề mặt nước lõm sâu nhất khi Fr = (0,5  0,7) điều đó thì có tác động xấu đến ổn định ngang (hoặc dọc) của tàu

Hình 2.10 : Hình dạng mặt nước dưới váy của mô hình đệm khí ở số Froude khác

nhau (a) Fr = 0,40; (b) Fr = 0,44; (c) Fr = 0,50; (d)Fr = 0,70

0,9 0,8 0,7 0,6

0,5 0,4 0,3

gB c v

Hình 2.11 thể hiện kết quả nghiên cứu của nhà khoa học W.A.Crago đã cho thấy

ổn định ngang của tàu đệm khí mất đi khi giá trị số Fr trong khoảng Fr = 0,33  0,56 trong đó (1) là tính theo độ chúi của tàu và (2) tính theo phân bố áp suất dưới đệm khí

Hình 2.11 : Ổn định ngang của tàu đệm khí phụ thuộc giá trị số Froude

Hình 2.12 là đồ thị thể hiện mômen nghiêng và góc nghiêng tăng khi Frl = 0,4 lúc đó tàu sẽ bị lật úp nếu như giá trị mômen lật ngang vượt qua giá trị

c WB

M 

= 0,022 Vì lí do này, người điều khiển phải hết sức cẩn thận trong quá trình cho tàu nâng lên do lúc này còn thiếu lực nâng và lực đẩy hoặc vì một lý do nào đó làm cho tàu đệm khí bị giảm tính ổn định, ví dụ như sự dao động của một số chất lỏng có chứa trên tàu Hơn nữa cũng cần phải hết sức chú ý phải thiết kế váy tàu với cấu hình sao cho có thể đảm bảo

ổn định với lực thủy động tương ứng nhiều trường hợp vận tốc tàu khác nhau

Hình 2.12 : Kết quả thực nghiệm về góc nghiêng của tàu theo tốc độ

 Hiện tượng chúi mũi và lật ngang của tàu khi chạy ở tốc độ cao

Khi di chuyển ở tốc độ cao, sự ổn định của tàu không những phụ thuộc vào những yếu tố đã nêu trên mà còn phụ thuộc vào hình dáng khí động lực học của tàu Khi nói đến hiện tượng chúi mũi (plough-in) là khi phần váy ở phía trước mũi tàu không còn khí thoát ra nữa vì váy đã tiếp xúc với mặt nước bên dưới, thời điểm này rất nguy hiểm vì khi đó ma sát ở phía trước váy tàu tăng lên đột ngột trong khi phần thân tàu vẫn giữ nguyên vận tốc khiến cho tàu có xu hướng dễ bị lật nhào về phía trước

 Hiện tượng lật nhào của tàu khi gặp sóng

Ví dụ điển hình của trường hợp tàu đệm khí lật nhào khi gặp sóng là tai nạn của tàu khách SR.N6-012 vào tháng 3 năm 1972 khi đang chạy giữa Portsmouth và Ryde, một đảo của vùng Wight nước Anh do gặp gió giật và cả sóng đánh mạnh lên con tàu Tàu bị nước tràn dẫn đến cắm mũi vào nước và gây ra cái chết của năm hành khách Đây là tai nạn thảm khốc nhất đối với loại tàu đệm khí, tính cho đến thời điểm này

Do gặp gió to và sóng lớn, thuyền trưởng đã quyết định lái tàu chạy dọc theo bờ biển Tuy nhiên những ngọn sóng dọc bờ biển khá lớn, lại kết hợp với gió mạnh nên nước

đã tràn vào boong tàu và làm tàu lắc dữ dội cho đến khi một bên tàu bị nghiêng theo ngọn sóng và cắm luôn vào mặt nước như hình 2.13

Hình 2.13 : Giới hạn lật của tàu SR.N6

Tại thời điểm đó, vận tốc gió là 100 km/h (60 knots), chiều cao sóng là 4,6 m, vận tốc sóng đánh tới là 20 km/h (11 knots) kết hợp với thủy triều là 7 km/h (4 knots)

Rõ ràng một phần lỗi là do sự thiếu chính xác trong điều khiển tàu của thuyền trưởng, nhưng ít nhất bài học rút ra được từ tai nạn là khi nào thì nên cho tàu chạy dọc bờ biển, như trong trường hợp này nhận thấy những ngọn sóng gần bờ hoàn toàn có thể làm cho tàu bị lật nhào trong thời tiết xấu (hình 2.14)

Hình 2.14 : Tàu SR.N6 bị lật do sóng ngang quá lớn Sau tai nạn này, chính phủ Anh mới mở một cuộc điều tra, trong đó bao gồm cả việc nghiên cứu nhằm cải thiện tính ổn định của các tàu đệm khí bằng việc thay đổi các kích thước và thông số của tàu, mà cụ thể là những thiết kế về hệ thống váy tàu Các nghiên cứu này đã cho ra những cải tiến đáng kể về kết cấu váy tàu đệm khí như dạng váy bầu vào tròn ra xung quanh (bulbous bow skirt), váy xếp ly (tapered skirt) Nhờ thế ngày nay tàu đệm khí đã có những cải tiến đáng kể về ổn định và điều khiển, tuy nhiên vấn đề ổn định của tàu đệm khí cho đến hiện nay vẫn chưa được giải quyết một cách triệt để, nguyên nhân do cách thức hoạt động khá đặc biệt của nó

2 Diễn biến của quá trình lật nhào

Diễn biến quá trình lật nhào của tàu đệm khí trong các tình huống được thể hiện trên hình 2.15, cụ thể như sau:

Hình 2.15 : Diễn biến của quá trình lật nhào

Các hình vẽ mô tả cụ thể như sau:

- Hình a: tàu đệm khí đang di chuyển với góc chúi dương, tàu ngóc đầu lên, khí vẫn thoát ra phía dưới váy trước mũi tàu

- Hình b: khi tàu đệm khí tăng tốc, góc chúi dương của tàu giảm xuống dần khi

áp lực đẩy của không khí tăng Khi tàu chạy xuôi hướng gió hoặc gặp gió giật, lực đẩy tăng đột ngột làm tàu chúi về phía trước và váy tàu tiếp xúc với nước Tuy nhiên không khí vẫn có thể thổi ra qua khe hở dưới váy phía trước tàu, tức là tàu vẫn chạy với ổn định mang giá trị dương

- Hình c: khi diện tích váy tiếp xúc nước tăng, lực cản thủy động cũng tăng lên,

áp suất động lực của dòng vào tại điểm dừng sẽ cân bằng với áp suất đệm khí, làm cho váy tàu bị biến dạng là nguyên nhân váy không thể thoát khí ra được Khi lực cản thủy động tăng lên, khe hở dưới váy khí không còn nữa sẽ làm cho đệm khí ở phía mũi tàu bị căng lên và làm giảm diện tích của đệm khí Khi đó, tổng lực từ đệm khí giảm trong khi áp suất của đệm khí lại tăng lên và váy tàu tiếp xúc với nước nhiều hơn, khiến lực cản ngay mũi tàu càng tăng

Ổn định dọc trục của tàu giảm đáng kể

- Hình d: váy tàu càng chìm xuống nước nhiều hơn, tàu tiếp tục chúi mũi Trong khi sự cân bằng động học vẫn tiếp diễn, thì ổn định dọc giảm đáng kể Đây chính là lúc hiện tượng tàu chạy rẽ sóng và lật nhào (plough – in) xảy ra Nếu như người điều khiển tàu nhận biết sớm được điều này và có được những điều chỉnh thích hợp để làm giảm mômen nhào như giảm tay ga động cơ đẩy, đồng thời tăng công suất quạt nâng, thì có thể tránh làm tàu lật

- Hình e: lúc này toàn bộ phần váy ở mũi tàu đã chạm nước, lực cản váy tăng đột ngột, trong khi đó áp suất ở mũi tàu giảm do dòng khí tại đó bị xáo trộn, tất cả khiến cho mômen lật tàu tăng lên và tàu bị cắm mũi vào nước

- Hình f: trong khi bị cắm mũi vào nước, tàu vẫn sẽ trượt về phía trước theo quán tính do lúc đó vận tốc của tàu vẫn lớn, lực cản thủy động vẫn tiếp tục tăng lên đến lúc cân bằng với lực quán tính tàu thì tại vị trí tiếp xúc tàu sẽ là điểm tựa khiến cả con tàu lật nhào và cắm mũi xuống nước