Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người human powered hydrofoil

Hình 2.7: Tính nhanh các yếu tố thủy tĩnh vỏ thuyền trên AutoShip Hình 2.8: Đường hình xuất từ AutoShip sang AutoCad Hình 2.9: Tọa độ đường hình xuất sang phần mềm MS Excel và thiết lập

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi gồm: Đặng Đức Cường và Đặng Văn Phước xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng nhóm chúng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tác giả luận văn

Đặng Đức Cường - Đặng Văn Phước

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC KÝ HIỆU 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

LỜI NÓI ĐẦU 12

PHẦN I THIẾT KẾ 13

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 14

1.1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 14

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU CÁNH NGẦM 15

1.2.1 Tình hình nghiên cứu tàu cánh ngầm trên thế giới 15

1.1.2 Tình hình nghiên cứu về tàu cánh ngầm trong nước 26

1.3 PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU 27

1.4 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ LÝ THUYẾT CÁNH 28

1.4.1 Động lực học cánh 28

1.4.2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến các hệ số thủy động cánh 30

Chương 2 THIẾT KẾ THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC NGƯỜI (HUMAN POWERED HYDROFOIL) 36

2.1 XÂY DỰNG NHIỆM VỤ THƯ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 36

2.1.1 Xây dựng nhiệm vụ thư 36

2.1.2 Phương pháp thiết kế 36

2.2 XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA THUYỀN CÁNH NGẦM 38

2.2.1 Xác định lượng chiếm nước của thuyền cánh ngầm D 38

2.2.2 Xác định các kích thước chính và hệ số hình dáng thân thuyền 40

2.3 THIẾT KẾ ĐƯỜNG HÌNH THUYỀN 43

2.4 THIẾT KẾ PHẦN CÁNH CỦA THUYỀN CÁNH NGẦM 48

2.4.1 Lựa chọn cách bố trí và dạng kết cấu của hệ thống cánh ngầm 48

2.4.2 Thiết kế cánh ngầm 52

2.4.3 Tính chọn kích thước hình học cánh thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người 54 2.4.4 Tính toán động lực học cánh ngầm 57

2.4.5 Thiết kế cánh ngầm, thanh đỡ cánh và thanh đỡ chân vịt 68

2.5.TÍNH TỐC ĐỘ CẤT CÁNH (TAKEOFF) VTO 70

2.5.1 Tính cho cánh sau 70

2.5.2 Tính cho cánh trước 73

2.6 THIẾT KẾ KẾT CẤU VÀ CHỐNG CHÌM 74

2.6.1 Kết cấu thân thuyền 74

2.6.2 Tính chiều dày kết cấu vỏ thuyền 75

2.7 THIẾT KẾ BỐ TRÍ CHUNG VÀ CÁC HỆ THỐNG THUYỀN CÁNH NGẦM 78

2.7.1 Bố trí chung thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người 78

2.7.2 Thiết kế hệ động lực của thuyền 79

2.7.3 Thiết kế hệ thống lái 81

2.7.4 Thiết kế cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trước theo mớn nước 83

2.8 TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA THUYỀN 86

2.8.1 Đặc điểm ổn định của thuyền cánh ngầm 86

2.8.2 Tính ổn định của thuyền 91

2.9 TÍNH SỨC CẢN VÀ KIỂM NGHIỆM CÔNG SUẤT 94

2.9.1 Đặc điểm sức cản của tàu cánh ngầm 94

2.9.2 Tính sức cản của thuyền cánh ngầm 96

2.9.3 Tính kiểm nghiệm công suất của thuyền 107

2.10 THIẾT KẾ CHÂN VỊT 109

2.10.1 Các thông số cho trước 109

2.10.2.Tính các thông số 110

2.10.3 Tính các thông số của chân vịt 112

PHẦN II CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 114

Chương 3 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC NGƯỜI 115

3.1 LỰA CHỌN VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 115

3.1.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo 115

3.1.2 Lựa chọn công nghệ chế tạo vỏ thuyền 115

3.2 CHẾ TẠO VỎ THUYỀN 118

3.2.1 Chế tạo khuôn 118

3.2.2 Chế tạo vỏ thuyền 121

3.3 CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÁNH NGẦM 124

3.3.1 Chế tạo cánh 124

3.3.2 Chế tạo sống chính 129

3.3.3 Chế tạo chân vịt 130

3.3.4 Chế tạo hệ thống truyền động (bản vẽ số 10 ) 131

Chương 4 CHẠY THỬ NGHIỆM THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC NGƯỜI 133

4.1 THỬ NGHIỆM TÍNH NỔI CỦA THUYỀN 133

4.2 THỬ NGHIỆM TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA THUYỀN 134

4.3 THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG CỦA CÁNH 134

4.4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 138

4.4.1 Phân tích ưu nhược điểm của thuyền 138

4.4.2 Đề xuất một số giải pháp khắc phục 139

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 142

1 Kết luận 142

2 Kiến nghị 143

TÀI LIỆU THAM KHẢO 144

FAR – Hệ số phụ thuộc tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng cánh

FB – Lực nâng phần cánh nghiêng 2 bên cánh chính

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Tàu cánh ngầm của Enrico Forlanini

Hình 1.2: Phác hoạ tàu HD-4

Hình 1.3: Tàu RHS-160 Rodriquez

Hình 1.4: (a) Chiếc trimaran Williwaw của David Keiper

(b) Chiếc Jetfoil tốc độ cao của Boeing chở 400 khách

Hình 1.5: Tàu Bras d'Or của hải quân Canada

Hình 1.6: Tàu XCH-4 của Mỹ

Hình 1.7: Tàu Sealegs của hải quân Mỹ

Hình 1.8: Tàu Fresh-1 lắp động cơ phản lực của Boeing (Mỹ)

Hình 1.9: Tàu High Point, 110 tấn

Hình 1.10: Tàu Flagstaff

Hình 1.11: Các mẫu thuyền cánh ngầm cá nhân thử nghiệm của Ray Vellinga

Hình 1.12: Thuyền Hi-Foil

Hình 1.13: Thuyền Dynafoil

Hình 1.14: Decavitator của MIT

Hình 1.15: Chiếc FlyingKayak thấpcủa Steve Ball

Hình 1.16: Chiếc Mach 003 của Dwight Filley

Hình 1.17: Tốc độ dòng chảy bao cánh và áp lực trên bề mặt cánh

Hình 1.18: Sự phân bố áp lực trên bề mặt cánh

Hình 1.19: Một số loại profile cánh

Hình 1.20: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản cánh profile NACA 4415

Hình 1.21: Áp lực lên bề mặt cánh thay đổi khi góc tấn thay đổi

Hình 1.22: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản cánh

Hình 2.3: Sơ đồ khối quy trình thiết kế đường hình thuyền bằng AutoShip

Hình 2.4: Tạo mặt cong vỏ thuyền bằng phần mềm AutoShip

Hình 2.5: Hiệu chỉnh mặt cong vỏ thuyền trên AutoShip

Hình 2.6: Bề mặt vỏ thuyền sau khi hiệu chỉnh xong

Hình 2.7: Tính nhanh các yếu tố thủy tĩnh vỏ thuyền trên AutoShip

Hình 2.8: Đường hình xuất từ AutoShip sang AutoCad

Hình 2.9: Tọa độ đường hình xuất sang phần mềm MS Excel và thiết lập bảng toạ độ

Hình 2.17: Cấu trúc hệ thống cánh thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người

Hình 2.18: Kết cấu cánh sau theo tính toán sơ bộ

Hình 2.19: Kết cấu cánh sau thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người

Hình 2.20: Kết cấu cánh trước thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người

Hình 2.21: Các chế độ làm việc của tàu cánh ngầm

Hình 2.22: Các phần lực nâng tác động lên cánh sau khi hoạt động

Hình 2.23: Đồ thị hệ số lực nâng của cánh có biên dạng NACA 4412 theo góc tấn và

số Reynolds

Hình 2.24: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản của cánh

có biên dạng NACA 4412 theo góc tấn

Hình 2.25: Kết cấu thanh đỡ cánh trước và cánh sau

Hình 2.26: Kết cấu thanh đỡ chân vịt và khung cánh sau

Hình 2.27: Các mặt cắt ngang thể hiện kết cấu của thân thuyền

Hình 2.28: Mặt cắt ngang kết cấu thân thuyền đã chế tạo

Hình 2.29: Bố trí chung thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người

Hình 2.30: Hệ động lực thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người

Hình 2.31: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người

Hình 2.32: Sơ đồ hệ thống lái

Hình 2.33: Khi bẻ lái qua phải

Hình 2.34: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trước theo mớn nước

Hình 2.35: Khi thuyền đứng yên, feelerđiều khiển góc tấn cánh ở mức cực đại - 70

Hình 2.36: Thuyền đang “bay” ở đường nước thiết kế

Hình 2.37: Khi thuyền đạt tốc độ 7 HL/h, chạy ở mức nước – 200mm “feeler” điều

khiển góc tấn cánh trước ở góc 50

Hình 2.38: Nếu thuyền đạt tốc độ từ 8 HL/h trở lên (thuyền chạy ở mức nước >–

200mm) “feeler” sẽ điều khiển góc tấn cánh trước giảm từ 50

về -10 Hình 2.39 : Lực tác động lên tàu cánh ngầm khi tàu nghiêng ngang

Hình 2.40 : Lực tác động lên tàu có cánh ngầm cánh gập chữ V khi tàu nghiêng ngang Hình 2.41: Lực tác động lên tàu cánh ngầm cánh hình cung khi tàu nghiêng ngang Hình 2.42: Đồ thị sức cản tàu cánh ngầm

Hình 2.43: Các chế độ làm việc của tàu cánh ngầm

Hình 2.44: Đồ thị hệ số lực nâng và lực cản cánh NACA 4412 theo số Reynols và góc tấn Hình 2.45: Đồ thị hệ số lực nâng và lực cản cánh NACA 0021 theo số Reynols và góc tấn Hình 2.46: Đường cong sức cản thuyền cánh ngầm ở chiều chìm và lượng chiếm nước

đang xét

Hình 2.47: Bảng tính và đồ thị sức cản thân thuyền ở mớn nước 0,105 m tính bằng

Auto Power

Hình 2.48: Đồ thị sức cản thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người

Hình 2.49: Biểu đồ công suất do người đạp sinh ra do NACA thiết lập

Hình 2.50: Đồ thị Bu - chân vịt B.2.30

Hình 3.1 : Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo tàu bằng vật liệu Composite

Hình 3.2: Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo thân thuyền cánh ngầm dùng sức người

bằng vật liệu Composite

Hình 3.3: Các đường sườn của khuôn nửa trên

Hình 3.4: Tạo khuôn mặt cong nửa dưới của vỏ thuyền

Hình 3.5: Làm mịn mặt cong thân thuyền

Hình 3.6: Hai nửa khuôn sau khi hoàn thành

Hình 3.12: Bơm Foam vào vỏ thuyền

Hình 3.13: Hình ảnh thân thuyềnsau khi hoàn thiện

Hình 3.14: Biên dạng cánh Không phay được trên máy CNC xyz

Hình 3.30: Nguyên lý làm việc của cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trước

Hình 3.31: Khi thuyền đứng yên, feeler điều khiển góc tấn cánh ở mức cực đại 70 Hình 3.32: Thuyền đang “bay” ở đường nước thiết kế

Hình 3.33: Khi thuyền đạt tốc độ 7 HL/h, chạy ở mức nước – 200mm “feeler” điều

khiển góc tấn cánh trước ở góc 50

Hình 3.34: Nếu thuyền đạt tốc độ từ 8 HL/h trở lên (thuyền chạy ở mức nước >–

200mm) “feeler” sẽ điều khiển góc tấn cánh trước giảm từ 50

về -10 Hình 3.35: Sơ đồ hệ thống lái

Hình 3.36: Khi bẻ lái qua phải

Hình 3.37: Thành phần lực nâng của cánh khi thuyền cân bằng

Hình 3.38: Thành phần lực nâng của cánh khi thuyền bị nghiêng

Hình 3.39: Người điều khiển có thể điều chỉnh trọng tâm bằng cách nghiêng người Hình 4.1: Thuyền nổi ổn định và quay trở cơ động

Hình 4.2: Sức người đạp thuyền với tốc độ 4 konts, thuyền vẫn chưa bay được

Hình 4.3: Khi kéo thuyền ở tốc độ 4 HL/h cánh trước nâng được mũi thuyền lên 250 mm Hình 4.4: Khi kéo thuyền ở tốc độ 5 HL/h thân thuyền bắt đầu được nâng lên khỏi mặt nước Hình 4.5: Khi kéo thuyền với tốc độ 6 HL/h thân thuyền được nâng lên khỏi mặt nước

150mm

Hình 4.6: Khi kéo thuyền với tốc độ 6,5 HL/h thuyền đã bay ở mớn nước thiết kế

-200mm

Hình 4.7: Thuyền bay ổn định ở tốc độ 6,5 HL/h

Hình 4.8: Bố trí thuyền trước khi thay đổi vị trí ghế ngồi

Hình 4.9: Bố trí thuyền sau khi thay đổi vị trí ghế ngồi

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam là một quốc gia thuộc nhóm 10 nước có mạng lưới sông ngòi dày đặc nhất thế giới nên có tiềm năng trong phát triển kinh tế, du lịch, giao thông vận tải đường thuỷ nội địa Tuy nhiên, do đặc điểm của hệ thống sông ngòi ở Việt Nam là dòng chảy quanh co, tuyến đường thủy nội địa có chiều rộng khoang thông thuyền nhỏ, chiều cao tĩnh không thấp nên mặc dù bất lợi cho các phương tiện giao thông đường thuỷ nội địa nói chung nhưng lại thuận lợi để phát triển các phương tiện giao thông đường thuỷ cỡ nhỏ phục vụ các hoạt động thể thao và du lịch Vì vậy, các công

ty du lịch lữ hành ở Việt Nam đã phát triển loại hình du lịch sinh thái, du lịch khám phá bằng cách sử dụng thuyền Kayak (loại thuyền chèo có một hoặc hai người ngồi) để du lịch khám phá các vùng đất thượng nguồn hẻo lánh, các đảo gần bờ loại hình du lịch này

đã thu hút được một số lượng lớn du khách trong và ngoài nước Cùng với sự phát triển du lịch bằng thuyền Kayak là sự phát triển mạnh các môn thể thao dưới nước như Rowing, Canoeing đã làm dấy lên phong trào tham gia những môn thể thao chèo thuyền, nhất là

ở các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh

Cho đến hiện nay, mặc dù thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người là phương tiện rất thích hợp cho các hoạt động thể thao, du lịch đối với vùng sông nước của nước ta nhưng hầu như vẫn chưa được nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoặc du nhập vào Việt Nam Mặc dù là vấn đề phức tạp, nhưng với mong muốn chế tạo loại phương tiện trước tiên phục vụ nhu cầu thể thao, du lịch và có thể phục vụ nhu cầu đi lại cho nhân dân các vùng sông nước miền Tây Nam Bộ, nơi hệ thống giao thông đường thuỷ là chủ yếu, đồng thời đặt cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, phát triển lý thuyết và từng bước chế tạo được các loại tàu, thuyền cánh ngầm phục vụ cho các mục đích khác cao và rộng hơn,

chúng tôi đã thực hiện đề tài cao học “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thuyền

cánh ngầm chạy bằng sức người - Human powered hydrofoil”

Nhân dịp này, nhóm thực hiện đề tài xin được gửi lời cám 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 cám ơn các thầy, cô trong Khoa Kỹ thuật tàu thủy Trường Đại học Nha Trang, các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài

Nha Trang, ngày 02 tháng 12 năm 2010

Đặng Đức Cường – Đặng Văn Phước

PHẦN I

THIẾT KẾ

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Tàu thuyền chạy bằng cánh ngầm nói chung thuộc nhóm tàu chạy tốc độ cao,

trong đó tốc độ của một số tàu cánh ngầm hiện đại có thể đạt được tới trên 100 km/h

Tàu thường dùng trong quân đội làm tàu phóng lôi, tàu tên lửa, tàu tuần tiễu, liên lạc

hoặc dùng làm tàu tốc hành để chở hành khách và hàng hoá trên sông, ven biển v v

Khi chạy, hệ thống cánh gắn dưới đáy tàu có tác dụng nâng tàu nổi lên trên mặt nước,

làm giảm sức cản của nước nên tàu có thể đạt tốc độ cao và giảm tiêu hao nhiên liệu

Trong những năm gần đây, ở nước ta cũng đã nhập khẩu tàu cánh ngầm nhưng chủ yếu

chỉ để vận chuyển khách trên các tuyến đường thuỷ ở Hải Phòng, Hạ Long, Móng Cái

hoặc trên các tuyến phía Nam như tuyến thành phố Hồ Chí Minh, Vũng Tàu

Riêng trong các lĩnh vực du lịch hoặc thể thao dưới nước, thuyền cánh ngầm đã

được chế tạo và có tên gọi là thuyền Flyak, thực chất là thuyền Kayak có gắn thêm các

cánh ngầm ở dưới mũi thuyền và dưới đuôi thuyền Hệ thống cánh ngầm của loại

thuyền này thường được gắn cứng với thân thuyền và người ngồi trên thuyền sẽ sử

dụng mái chèo để điều khiển và đẩy cho thân thuyền chạy khi người chèo đẩy thuyền

Flyak đến vận tốc xác định thì lực nâng của các cánh ngầm đủ lớn sẽ nâng toàn bộ

thân thuyền ổn định lên khỏi mặt nước, chỉ còn các cánh ngầm trong nước nên làm

giảm đáng kể sức cản của nước đối với chuyển động của thuyền, làm cho thuyền có

thể chuyển động với tốc độ nhanh hơn và lực chèo cũng nhẹ hơn Tương tự như thuyền

Flyak nhưng thay vì sử dụng mái chèo làm động lực đẩy thuyền, người ta sử dụng

chân vịt và dùng sức người để đẩy tàu chạy, cụm cánh ngầm phía mũi có nhiệm vụ vừa

nâng mũi thuyền và vừa điều khiển thuyền, còn cụm cánh ngầm phía đuôi có nhiệm vụ

nâng gần như toàn bộ trọng lượng thuyền Loại thuyền cánh ngầm này có tên gọi bằng

tiếng Anh là “Human powered hydrofoil”, chúng tôi tạm dịch sang tên tiếng Việt là

“Thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người” Ở nước ta hiện nay vẫn chưa thấy xuất

hiện thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người nhưng đây là phương tiện rất thích hợp

để phát triển các hoạt động thể thao dưới nước, du lịch khám phá hoặc dùng làm

phương tiện giao thông cá nhân ở vùng sông nước

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU CÁNH NGẦM

1.2.1 Tình hình nghiên cứu tàu cánh ngầm trên thế giới

1 Tàu cánh ngầm động cơ

Trước chiến tranh thế giới lần thứ II

Vào năm 1861, Thomas Moy thử nghiệm cánh máy bay trong nước vì theo ông, thử nghiệm cánh máy bay trong nước cho được độ chính xác cao hơn trong không khí Nhờ vậy, Moy đã phát hiện được đặc tính của cánh chuyển động trong nước Trong khoảng thời gian từ năm 1895 đến 1916, anh em nhà Meacham ở Chicago (Mỹ) là những người đầu tiên thiết kế và thử nghiệm thành công tàu cánh ngầm đúng nghĩa, thật ra họ đã chế tạo ra một máy bay mà ngày nay được công nhận là tàu cánh ngầm Năm 1906, một kỹ sư người Ý tên Enrico Forlanini đã gắn một số cánh bậc thang lên thân tàu trọng lượng 1,2 tấn, lắp máy công suất 60 HP, chạy trên hồ Maggiore Tàu

đã nổi lên được và chạy với tốc độ 36,93 HL/h (hình 1.1)

Hình 1.1 : Tàu cánh ngầm của Enrico Forlanini

Khi đó, Alexander Graham Bell đã cho phát trên đường dây điện thoại đường dài bài viết anh em nhà Mecham đã đăng tải trên tạp chí Scientific American lúc bấy giờ Chính bài viết này đã truyền cảm hứng cho các cộng tác viên và một trong số đó là Case Baldwin đã bắt đầu nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm mô hình tàu cánh ngầm Trong một tour du lịch vào năm 1910 - 1911, hai nhà phát minh đã gặp được Forlanini tại hồ Maggiore để trao đổi vấn đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo tàu cánh ngầm đầu tiên Kết quả đến năm 1919, họ đã thiết kế và chế tạo thành công tàu cánh ngầm HD-4 được đẩy bởi hai cánh quạt có tổng công suất 350 HP dùng trong hải quân Mỹ (hình 1.2), và thiết lập được kỷ lục thế giới về tốc độ chạy trên mặt nước bây giờ là 61,58 HL/h

Hình 1.2 : Phác hoạ tàu HD-4

Giáo sư Oscar Tietjens, một nhà tiên phong trong nghiên cứu tàu cánh ngầm, đã

sử dụng các lá thép có bề mặt dạng hình vòng cung sắc cạnh để làm các cánh ngầm Kết cấu này khá đơn giản, nhưng lại rất hiệu quả và đảm bảo thuyền có độ ổn định cao Năm 1932, khi thử nghiệm trên dòng sông chảy qua thành phố Philadelphia của Mỹ, chiếc thuyền cánh ngầm 0,23 tấn chế tạo thủ công của ông đã đạt tới tốc độ 21,72 HL/h Giáo sư Oscar Tietjens sau đó đã trở lại nước Đức và tiếp tục các nghiên cứu phát triển tàu cánh ngầm của mình song song với nghiên cứu của Baron von Schertel (Hà Lan) Năm 1938, sử dụng một số đổi mới của Bell và Badwin, Philip L.Rhodes đã chế tạo được một tàu cánh ngầm Miss USA có chiều dài 10,7 m lượng chiếm nước 2,95 tấn, động cơ 650 HP và đã đạt được kỷ lục thế giới về tốc độ lúc bây giờ là 80 HL/h

Sau chiến tranh thế giới thứ II

Sau chiến tranh thế giới thứ II, tàu cánh ngầm được nghiên cứu và phát triển mạnh

và nhà khoa học có vai trò quan trọng trong lịch sử tàu cánh ngầm là Christopher Hook Năm 1945, tại Cowles nước Anh, ông đã chế tạo hệ thống lực nâng thân tàu bởi các cánh ngầm phía trước, kết nối với thiết bị thăm dò mức nước (Feeler) để có thể liên tục điều chỉnh góc tấn của các cánh nâng phía trước nhằm kiểm soát độ cất cao của mũi tàu Trong thập niên 1950, Tiến sĩ Vannevar Bush, cố vấn khoa học cho Tổng thống Mỹ bắt đầu công việc nghiên cứu thiết kế tàu cánh ngầm trên con tàu trọng tải 3.500 tấn Ông tin tưởng rằng, khi thiết kế tàu cánh ngầm lớn nhưng nếu có phần ngập hoàn toàn dưới nước nhỏ sẽ có thể đạt được tốc độ cao nên sẽ an toàn khi bị ngư lôi tấn công Thật không may, thiết kế của ông đã không được nhân rộng vì lý do động cơ quá lớn

để thực hiện lực đẩy cần thiết đã chiếm dụng hết không gian của khoang chứa hàng Sau thế chiến II, một người Đức tên Baron Von Schertel di cư đến Thụy Sĩ đã sử dụng kiến thức của mình để thiết kế bề mặt các cánh của tàu cánh ngầm cho hải quân Đức Tháng 5 năm 1953, tàu cánh ngầm do ông thiết kế là chiếc tàu cánh ngầm chở khách thương mại đầu tiên trên thế giới, vận chuyển hành khách trên hồ Maggiore của Italy Một năm sau đó, nhà máy đóng tàu Leopoldo Rodriquez tại Messiana Itatly bắt đầu chế tạo các tàu cánh ngầm chở khách theo giấy phép của công ty Baron, Supramar Các tàu này phổ biến khắp thế giới và nhiều tàu vẫn còn hoạt động cho đến ngày nay Tiếp sau đó, một số mẫu tàu cánh ngầm cùng kiểu đã được chế tạo theo giấy phép của Công ty Hatachi Zosen của Nhật bản và công ty Voster Thoryncraft của nước Anh Lớn nhất trong loạt này là Super Jumbo RHS-200 với sức chở lên đến 254 hành khách, trông tương tự như các RHS-160 trên hình 1.3

Hình 1.3: Tàu RHS-160 Rodriquez

Năm 1958, chính phủ Canada đã tài trợ việc thiết kế và chế tạo tàu cánh ngầm có trọng tải 17 tấn, thân nhôm tên Baddeck để vinh danh dòng họ Bell người Canada,

sử dụng động cơ hiệu Rolls Royce 1.500 HP có 12 xi-lanh để dẫn động hai cánh quạt Giống như mẫu tàu cánh ngầm của Bell - Baldwin, tàu Baddeck có cánh chính gồm các lá mỏng bậc thang đôi, đặt tại vị trí nằm phía trước trọng tâm của tàu một chút Một lá mỏng bậc thang nhỏ hơn được đặt tại đuôi tàu gọi là cấu hình dạng “máy bay” Lúc đó, đây là hình thức bố trí tốt nhất đối với tàu cánh ngầm nhưng khi thử nghiệm,

nó hoạt động không tốt ở các vùng nước có nhiều sóng trong phạm vi hẹp của góc tấn Mẫu thử nghiệm này khá đắt tiền và được xem như là một thất bại lúc bấy giờ nhưng chính từ mẫu thử nghiệm này, các nhà khoa học đã rút ra được nhiều kết luận giá trị Các mẫu thuyền buồm cánh ngầm thường sử dụng cấu hình cánh thông thường, trong đó mẫu thuyền buồm cánh ngầm tốt nhất mang tên Williwaw của David Keiper là một chiếc trimaran (tàu ba thân) có chiều dài 9,75 m , được đóng năm 1970 (hình 1.4) Tính cho đến nay, chiếc thuyền này đã chạy hành trình được vào khoảng 32.000 km, chủ yếu là tuyến hàng hải từ California đến Hawaii, New Zealand và ngược lại

(a) (b)

Hình 1.4: (a) Chiếc trimaran Williwaw của David Keiper

(b) Chiếc Jetfoil tốc độ cao của Boeing chở 400 khách

Những mẫu tàu cánh ngầm có 3 cánh như Hobie, thiết kế của Greg Ketterman, tàu Windrider Rave của Tiến sĩ Sam Bradfield, tàu Monitor của Gordon Baker là những ví dụ khác của thuyền buồm cánh ngầm đã được thiết kế và chế tạo thành công với phần cánh phía trước khá lớn và được đặt phía trước trọng tâm của thuyền

Từ thành công của các mẫu thuyền buồm cánh ngầm dân sự, hải quân Canada đã

có ý tưởng sử dụng động cơ và bố trí các cánh kiểu “vịt trời”cho thuyền cánh ngầm Năm 1967, họ đã cho ra đời tàu cánh ngầm Bras d’Or, dài 46 m, trọng lượng 200 tấn, có khả năng bay được ở tốc độ lên đến 63 HL/h ở vùng biển có chiều cao sóng là 1,2 m Đây là một chiếc tàu cánh ngầm lớn, đẹp với nhiệm vụ chính là chống các tàu ngầm Tuy nhiên đến năm 1971, do chính sách quốc phòng của chính phủ Canada thay đổi nên theo Hiệp hội tàu cánh ngầm quốc tế, nhiệm vụ chống tàu ngầm đã được che đậy bằng nhiệm vụ “bảo vệ chủ quyền bờ biển và giám sát lãnh thổ của chính phủ Canada”

Vì thế, chiếc Bras d’Or đã ngưng hoạt động vào năm 1972 và ngày nay được trưng bày tại Bảo tàng hàng hải Bernier tại Nova Scotia (hình 1.5)

Hình 1.5: Tàu Bras d'Or của hải quân Canada

Ở Mỹ, tàu cánh ngầm đầu tiên XCH-4 của hải quân Mỹ do kỹ sư William P.Carl thiết kế và chế tạo vào năm 1954 đã xác lập một kỷ lục tốc độ 64,65 HL/h (hình 1.6)

Hình 1.6 : Tàu XCH-4 của Mỹ

Bốn năm sau đó, xưởng đóng tàu của hai nhà khoa học Gibbs và Chris Cox đã chế tạo thành công mẫu tàu tuần tra bờ biển cở nhỏ tên Sealegs làm bằng gỗ, dài 7,62 m, có lắp cánh ngầm, có thể chạy trên sóng biển cao 1,2 – 1,5 m với tốc độ 23 HL/h (hình 1.7)

Hình 1.7 : Tàu Sealegs của hải quân Mỹ

Từ năm 1958, hải quân Mỹ phối hợp với các công ty Boeing và Grumman bắt đầu chương trình chế tạo tàu cánh ngầm, kết quả là 3 tàu thử nghiệm và 14 tàu hoạt động Tất cả đều trang bị cánh ngập nước phía trước với hai cấu hình thông thường và vịt trời Đến đầu năm 1960, hãng Boeing (Mỹ) chế tạo tàu Fresh-1 lập kỷ lục tốc độ 80 HL/h, thiết kế cánh ngầm theo mô hình bề mặt cánh của Canada cho Hải quân Mỹ (hình 1.8)

Hình 1.8 : Tàu Fresh-1 lắp động cơ phản lực của Boeing (Mỹ)

Tàu quân sự lớn nhất của Mỹ là Plainview với lượng chiếm nước lên đến 320 tấn, còn tàu dân sự lớn nhất là Jetfoil Boeing với lượng chiếm nước 109 tấn, chở 350 khách Một số tàu cánh ngầm chế tạo thời gian này vẫn còn hoạt động mãi cho đến ngày nay Thống kê của John Meyers đăng trên tạp chí IHS (International Hydrofoil Society), giới thiệu danh sách tên và năm chế tạo của một số các tàu cánh ngầm ở Mỹ như sau: Năm 1958 : Sealegs (R & D)

Năm 1960 : Fresh-1 (R & D)

Năm 1962 : High Point 110 tấn, Little squirt (R & D)

Năm 1968 : Plainview 320 tấn, Flagstaff 62 tấn, Tucumcari 58 tấn Năm 1972 : Swordfish, 60 tấn

Năm 1975 : PHM-1 USS Pegasus 235 tấn

Năm 1973 : Jetfoil 109 tấn (phà dân dân sự), HMS Speedy 109 tấn Năm 1981 : M161 Grumman 102 tấn

Năm 1982 : PHM-3 USS Taurus1 240 tấn

Hình 1.9, 1.10 giới thiệu một số mẫu tàu cánh ngầm của Mỹ

Hình 1.9 : Tàu High Point, 110 tấn

Hình 1.10 : Tàu Flagstaff, 62 tấn

Đây là những năm hoàng kim của tàu cánh ngầm quân sự nhưng đến năm 1973, tất cả đều ngưng hoạt động và đến 30/7/1993, cả 6 chiếc tàu cánh ngầm tuần tra mang tên lửa PHM (Patrol Missile Hydrofoil) còn lại của hải quân Mỹ ngưng hoạt động Nguyên nhân vì hải quân Mỹ gặp phải nhiều vấn đề lớn trong chế tạo tàu cánh ngầm, đặc biệt là do khó khăn trong việc chế tạo hệ động lực và hình dáng của thân tàu phải đảm bảo sao cho tàu nhẹ và thấp, đây chính là điểm yếu của những cỗ máy tốc độ cao [11] Ngoài Mỹ và Canada, một số nước khác trên thế giới cũng đã chế tạo hoặc sử dụng các tàu cánh ngầm lớn trong quân sự và dân sự như Nga, Thuỵ Sĩ, Ý, Israel và Nhật Bản

2 Thuyền cánh ngầm cá nhân

Cùng với việc chế tạo các tàu cánh ngầm chở khách hoặc dùng trong quân sự, các mẫu thuyền cánh ngầm cở nhỏ dùng cho cá nhân cũng đã được phát triển mạnh, trong đó phải kể đến những mẫu thuyền của nhà chế tạo người Mỹ tên Ray Vellinga,

và cũng là tác giả cuốn sách Hydrofoil design, build, fly của nhà xuất bản Gig Harbor,

Wa USA xuất bản năm 2009, một trong số rất ít tài liệu viết về vấn đề này hiện nay Đầu tiên, Ray Vellinga cố gắng chế tạo ra một mẫu thuyền cánh ngầm cá nhân dưới dạng một xe gắn máy bay trên mặt nước nhưng thất bại khi thử nghiệm chạy biển (hình 1.11 a) Đến năm 1969, Ray Vellinga và bố vợ thử nghiệm tàu có cánh lưỡi kiếm (hình 1.11 b)

Hình 1.11 a Hình 1.11 b Hình 1.11 : Các mẫu thuyền cánh ngầm cá nhân thử nghiệm của Ray Vellinga

(a) Mẫu đầu tiên (thất bại) Ray Vellinga cố gắng tạo ra một xe gắn máy bay được trên nước (b) Năm 1969, Ray Vellinga và bố vợ thử nghiệm tàu có cánh kiểu lưỡi kiếm

Năm 1970, mẫu thuyền cá nhân gồm hai cánh ngầm (Hi-foil) của người Anh đã được Công ty Anglican Development giới thiệu và tiếp thị trên tạp chí Isle of Wight Mẫu thuyền cánh ngầm cá nhân này gồm 2 chỗ ngồi, điều khiển như lái xe gắn máy và được dẫn động bởi một động cơ có công suất 25 Hp (hình 1.12)

Hình 1.12: Thuyền Hi-Foil

Ngay sau đó, tại Quận Cam bang California, Mỹ, nhà nghiên cứu David Cline đã chế tạo thành công thuyền cánh ngầm cá nhân Dynafoil, phát triển từ chiếc môtô nước Trong thực tế, các sản phẩm đã được chế tạo với số lượng lên đến hơn 500 chiếc và được bán với giá 3500 USD trước khi kết thúc sản xuất vào tháng 8/1980 (hình 1.13)

Hình 1.13 : Thuyền Dynafoil

Mẫu thuyền buồm cánh ngầm tên Avocet được phát triển theo kiểu TriFoiler dạng Trimarans có hai buồm chính là sản phẩm phối hợp giữa doanh nhân người Mỹ Greg Ketterman và Trung tâm R&D của hãng Yamaha Motors do Kotaro Horiuchi phụ trách và đã được công ty Ketterman - Hobie Cat, sản xuất trong những năm 1990 Năm 1993, Avocet lập kỷ lục 43,45 HL/h trên đoạn đường 500 m ở Tarifa, Tây Ban Nha Tại Úc, công ty Fasta Craft của John Ilett và Bladerider đã chế tạo cho tổ chức International Moth thuyền cánh ngầm chạy buồm có thân và cánh làm bằng sợi carbon Mỗi thuyền có hai cánh chữ “T” ngược, một gắn ở khe giữa thân tàu và một ở bánh lái

Mặc dù chỉ chạy nhờ buồm nhưng tốc độ tối đa của thuyền có thể lên đến được 30,41 HL/h Cùng thời gian với chiếc thuyền cánh ngầm Avocet đã lập kỷ lục thế giới

về tốc độ, thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người đã được phát triển đến đỉnh điểm về tốc độ Năm 1991, mẫu thuyền cánh ngầm Deeavitator (hình 1.14) do Tiến sĩ Mark Drela ở Viện công nghệ MIT của Mỹ chế tạo đã lập kỷ lục 18,50 HL/h trên đoạn đường 100 m và đã giành giải Dupont cho các thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người nhanh nhất

Hình 1.14 : Decavitator của MIT

Ngày nay, nhiều nhà thiết kế đã sáng tạo những mẫu thuyền cánh ngầm hấp dẫn,

ví dụ như tại California (Mỹ), các cộng tác viên của Ray Vellinga đã chế tạo được thuyền cánh ngầm cá nhân chạy bằng sức người, giống như trong hình 1.15 và 1.16

Hình 1.15 : Chiếc FlyingKayak thấp Hình 1.16 : Chiếc Mach 003 của của Steve Ball Dwight Filley

1.1.2 Tình hình nghiên cứu về tàu cánh ngầm trong nước

Ở nước ta hiện nay hầu như chưa có công trình nào nghiên cứu về tàu cánh ngầm nói chung và thuyền cánh ngầm cá nhân chạy bằng buồm hoặc sức người nói riêng Trong hai năm 2005 – 2006, theo kế hoạch công tác Khoa học Công nghệ (KHCN) của Bộ Khoa học công nghệ và Bộ Giao thông vận tải, Tập đoàn Công nghiệp tàu thuỷ Việt Nam (Vinashin) giao cho Viện Khoa học Công nghệ Tàu thuỷ thực hiện đề tài độc lập Nhà nước “Nghiên cứu các đặc trưng thuỷ động lực học của tàu cánh ngầm và tàu hai thân”, trong đó có nội dung học tập và thử nghiệm mô hình tàu cánh ngầm tại

bể thử mô hình thuộc Viện Thiết kế và Nghiên cứu tàu thuỷ (CTO) ở thành phố Gdansk của Ba Lan Sau đó, Bộ Khoa học công nghệ và Tập đoàn Vinashin đã cử đoàn cán bộ đi thực hiện đề tài từ 16/11/2006 đến 02/12/ 2006 tại Viện Thiết kế và Nghiên cứu tàu thuỷ CTO Trong thời gian tại Ba Lan, đoàn đã thực hiện một số nội dung học tập lý thuyết và chuyển giao công nghệ thử nghiệm mô hình tàu cánh ngầm, bao gồm những nội dung cụ thể như sau :

- Quy trình thử mô hình tàu tàu cánh ngầm

- Trao đổi kiến thức về tàu cánh ngầm, lý thuyết cánh nâng, tính toán ổn định dọc (độ chúi) và ổn định ngang của tàu cánh ngầm

- Tiến hành thử mô hình tàu cánh ngầm với các góc tấn khác nhau của hệ cánh nâng với các độ chúi dọc của tàu và sức cản tàu v v…

Riêng các tàu cánh ngầm đang sử dụng ở Việt nam hiện nay, hầu hết đều được nhập về từ nước ngoài và chủ yếu dùng vận chuyển hành khách trên các tuyến đường thủy nội địa Đối với khu vực phía Bắc, các tàu cánh ngầm hoạt động vận chuyển hành khách trên những tuyến đường thuỷ ở các thành phố biển như Hải Phòng, Hạ Long và Móng Cái Còn ở khu vực phía Nam, công ty Greenline nhập khẩu tàu cánh ngầm cao tốc dùng để vận chuyển hành khách nối giữa các thành phố Hồ Chí Minh, Vũng Tàu Các khu du lịch nổi tiếng ở Việt Nam như Vinpearland cũng nhập khẩu tàu cánh ngầm, chủ yếu là từ Nga có tốc độ 40 HL/h dùng để vận chuyển hành khách đi du lịch trên biển Riêng thuyền cánh ngầm cá nhân chạy bằng buồm hoặc bằng sức người hầu như chưa được nhập khẩu về Việt Nam

1.3 PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người mặc dù đã được chế tạo ở nước ngoài,

nhưng thực tế vẫn chỉ đang ở giai đoạn thử nghiệm, chưa được thương mại hoá nên vẫn chưa được nhập về Việt Nam, do đó không có thuyền mẫu để làm cơ sở thiết kế Đối với loại thuyền này, để đảm bảo cho thuyền có thể bay được bằng sức người đạp thì cần phải sử dụng các loại vật liệu tiên tiến, có độ cứng cao và trọng lượng nhẹ Thực tế đã cho thấy, hầu hết những chiếc thuyền cánh ngầm được chế tạo thành công thường sử dụng kết cấu thân thuyền bằng gỗ balsa và vật liệu composite sợi cácbon

Vì vậy, chúng tôi chỉ có thể dựa vào các hình ảnh, thông tin đăng tải trên các website nước ngoài, kết hợp với việc nghiên cứu lý thuyết về cánh nâng để làm cơ sở thiết kế thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người phù hợp với con người, điều kiện Việt Nam

Về mặt phương pháp, để thiết kế, chế tạo thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người trước tiên cần nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình thuyền và thử nghiệm trong bể thử

để thu nhận số liệu cần thiết kích thước, khối lượng và kết cấu hệ thống cánh ngầm, trong đó các thông số khối lượng thân thuyền và hệ thống cánh ngầm sẽ đóng vai trò rất quan trọng và ảnh hưởng quyết định đến khả năng bay của thuyền trên mặt nước Tuy nhiên do việc mô hình hoá khối lượng và sức cản đối với thuyền rất 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 không chọn phương pháp chế tạo mô hình trước

mà thực hiện việc tính toán thiết kế, kết hợp với việc chế tạo luôn sản phẩm thực tế để

có thể điều chỉnh hoàn thiện dần thuyền cánh ngầm trong quá trình thử nghiệm thuyền Phương pháp thiết kế thuyền thường được thực hiện theo phương pháp tính đúng dần, bao gồm các nội dung chính như tính chọn các thông số hình học chính của thuyền, thiết kế tuyến hình, thiết kế kết cấu, bố trí chung và tính toán các tính năng của thuyền

Từ các bản vẽ thiết kế sẽ tiến hành chế tạo thân thuyền và tất cả các chi tiết cấu thành bằng các vật tư, vật liệu có sẵn trên thị trường để tiết kiệm được chi phí và thời gian Sau đó thử nghiệm thuyền và tiến hành hiệu chỉnh lại thiết kế khi cần thiết

Do việc thiết kế và chế tạo chủ yếu chỉ 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 Mặt khác, do công dụng của thuyền 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 thuyền chỉ làm việc trong điều kiện thời tiết tốt

1.4 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ LÝ THUYẾT CÁNH

1.4.1 Động lực học cánh

Xét trường hợp đặt một cánh trong dòng chất lỏng hoặc chất khí đang chảy tới Theo định luật Bernoulli, sự khác nhau giữa tốc độ của dòng chảy bao quanh cánh ở mặt trên và mặt dưới sẽ dẫn đến sự thay đổi áp lực trên hai mặt cánh và chính do sự chênh lệch áp lực thủy động giữa hai mặt cánh làm xuất hiện lực nâng cánh (hình 1.17)

Hình 1.17: Tốc độ dòng chảy bao cánh và áp lực trên bề mặt cánh

Từ thí nghiệm này, người ta có thể xác định được các thành phần lực và mômen tác động lên cánh nằm trong dòng chảy, với phân bố áp lực tại mặt trên và mặt dưới trên biên dạng (profile) của cánh trong bài toán phẳng 2D có dạng như trên hình 1.18

Hình 1.18: Sự phân bố áp lực trên bề mặt cánh

Thực tế cho thấy, sự phân bố áp lực trên cánh phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó các yếu tố quan trọng nhất là :

h , với h là chiều chìm cánh và b là chiều rộng cánh

Theo lý thuyết cánh, các thành phần lực và mômen tác động lên cánh trong nước được tính theo các công thức tổng quát sau [5]

1.4.2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến các hệ số thủy động cánh

1 Profile cánh

Profile của cánh nâng hiện nay thường có khá nhiều dạng khác nhau, với mỗi loại

có những ưu nhược điểm riêng, và do đó hệ số lực nâng, lực cản cũng có sự khác nhau Vào những năm 1930, Ủy ban Tư vấn Hàng không quốc gia của Mỹ (the National Advisory Committee of Aeronautics - viết tắt NACA), tiền thân của NASA ngày nay,

đã tiến hành thí nghiệm các loại profile cánh và đánh số một cách hệ thống (hình 1.19) Với mỗi loại profile cánh thử nghiệm, tiến hành xác định giá trị các hệ số lực nâng CL,

hệ số lực cản CD, và hệ số mô men Cm theo giá trị số Reynolds (Rn) và góc tấn cánh Kết quả được lập thành bảng hoặc xây dựng thành đồ thị (bảng 1.1 và hình 1.20)

Hình 1.19: Một số loại profile cánh

Bảng 1.1 : Bảng hệ số lực nâng, lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản của cánh Profile NACA 63-412 có số R N = 3.000.000 theo góc tấn

Hình 1.20: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản cánh profile NACA 4415

Hình 1.21: Áp lực lên bề mặt cánh thay đổi khi góc tấn thay đổi

3 Số Reynolds (Rn ) [11]

Số Reynolds là đại lượng không thứ nguyên dùng biểu thị cho độ lớn tương đối giữa ảnh hưởng gây ra bởi quán tính và tính nhớt đến sự cản trở đối với dòng chảy Trường hợp cánh của tàu cánh ngầm có biên dạng cong chuyển động trong dòng nước,

số Reynolds được tính theo công thức:

Rn = Vd

= Vd (1.4)

trong đó : V - vận tốc dòng chảy bao quanh cánh, lấy bằng vận tốc cánh (m/s)

d - chiều dài dây cung cánh, lấy bằng chiều rộng cánh b (m)

- độ nhớt động học của nước = 10-6 (m2/s), /

b - chiều rộng cánh (m)

Dựa vào giá trị số Reynolds có thể phân loại các dòng chảy thành chảy tầng hay chảy rối cụ thể như sau :

- Dòng chảy có Rn ≤ 2300 là dòng chảy tầng

- Dòng chảy có 2300 < Rn < 104 : dòng chảy chuyển tiếp từ chảy tầng sang chảy rối

- Dòng chảy có Rn ≥ 104 là dòng chảy rối

Dòng chảy tầng có xu hướng tiêu thụ ít năng lượng hơn, hay nói cách khác là nó sinh ra lực cản nhỏ hơn, nhưng với cánh của tàu cánh ngầm thì dòng chảy tầng ít tồn tại Mặt khác, khi giá trị số Rn của dòng chảy quanh cánh càng lớn thì góc tấn của cánh tương ứng với hệ số lực nâng cực đại càng tăng và do đó hệ số lực nâng cực đại càng lớn Với giá trị số Rn thấp thì giá trị hệ số lực nâng tối đa thấp, góc tấn tối đa thấp hơn nhưng tỷ số lực nâng trên lực cản lại cao do hệ số lực cản giảm, thể hiện ở hình 1.22

Hình 1.22: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản cánh

theo số Rn và góc tấn

4 Tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng (AR) [11]

Tỷ lệ giữa chiều dài trên chiều rộng của cánh (AR = l/b) có ảnh hưởng đến giá trị

hệ số lực nâng cánh (hoặc lực nâng cánh) mà cụ thể là làm giảm hệ số lực nâng cánh

Tỷ lệ này càng lớn thì ảnh hưởng của nó đến sự thay đổi của hệ số lực nâng CL càng ít

Để xác định ảnh hưởng của tỷ lệ l/b đến hệ số lực nâng cánh CL thường sử dụng hệ số phụ thuộc tỷ số chiều dài trên chiều rộng cánh FAR tính theo công thức :

FAR =

)AR2(

AR

(1.6) Với AR = l/b hoặc có thể tra đồ thị hoặc bảng như hình 1.23

Hình 1.23: Đồ thị và bảng hệ số ảnh hưởng của tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng cánh

5 Độ chìm sâu tương đối h [11]

Độ chìm sâu tương đối

b

h

h cũng ảnh hưởng đến giá trị hệ số lực nâng CL của cánh

Độ chìm sâu tương đối cánh h càng nhỏ thì càng làm giảm giá trị hệ số lực nâng của cánh CL

Để xác định ảnh hưởng của độ chìm sâu tương đối h đến hệ số lực nâng cánh, có thể sử dụng

hệ số phụ thuộc độ chìm sâu FS tính theo công thức :

FS =

2

b

hb5,1222,0

hoặc tra theo đồ thị hình 1.24

Hình 1.24: Đồ thị hệ số ảnh hưởng độ chìm sâu F S

Như vậy, nếu hệ số lực nâng cánh CL mới chỉ xét đến sự phụ thuộc vào góc tấn

và số Reynolds thì khi tính lực nâng cánh có xét đến ảnh hưởng của tỷ số chiều dài trên chiều rộng cánh và độ chìm sâu tương đối, công thức tính lực nâng cánh sẽ là :

21

Thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người thuộc loại thuyền cá nhân dùng trong các hoạt động thể thao và du lịch sông nước với những đặc điểm chính như sau:

- Công dụng : thuyền sử dụng trong thể thao và du lịch sông nước

- Khu vực hoạt động : sông, hồ, các đầm, vịnh ven biển không có sóng

- Sức chở : 01 người, là người vận hành thuyền

- Nguồn động lực : sức đạp của người vận hành qua pedan

- Hoạt động : thân thuyền được nâng lên khỏi mặt nước với sức đạp của một người

2.1.2 Phương pháp thiết kế

Thiết kế tàu nói chung thường gồm hai giai đoạn là thiết kế sơ bộ và thiết kế kỹ thuật Thiết kế sơ bộ bao gồm các công việc gắn liền với việc xác định các đặc tính của tàu thiết kế Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, cần phải xây dựng được phương án xuất phát nhằm đáp ứng các yêu cầu của nhiệm vụ thư, tiếp sau là hàng loạt phương án về các kích thước và hệ số hình dáng Phương án kích thước và hình dáng của tàu thiết kế cần được phân tích và lựa chọn hợp lý dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đã có và phương

án xuất phát được coi là tàu mẫu gần với tàu thiết kế Có thể hình dung các công việc chính của thiết kế sơ bộ qua sơ đồ mô tả trên hình 2.1

Hình 2.1 : Quá trình thiết kế sơ bộ

Quá trình thiết kế sơ bộ bao gồm các công việc, được tiến hành theo trình tự sau : (1) Từ các yêu cầu đặt ra trong nhiệm vụ thư, tính sơ bộ lượng chiếm nước tàu D thoả mãn phương trình trọng lượng đã biết P = D =

(2) Xác định sơ bộ các kích thước chính gồm chiều dài, chiều rộng, chiều cao, mớn nước và các hệ số hình dáng của thuyền

(3) Thiết kế đường hình phù hợp các kích thước và hệ số hình dáng đã xác định (4) Thiết kế kết cấu

(5) Thiết kế sơ bộ bố trí chung

(6) Tính trọng lượng và trọng tâm tàu dựa trên cơ sở bố trí chung và các bản vẽ kết cấu ban đầu đã xây dựng được

Riêng với tàu cánh ngầm, ngoài các nội dung trên như với các tàu thông thường còn có thêm nội dung thiết kế cánh, tính toán động lực học cánh và tốc độ cất cánh Thiết kế kỹ thuật chỉ sử dụng kết quả của một trong số rất nhiều các phương án

từ thiết kế sơ bộ mà được cho là hợp lý nhất Trên cơ sở đường hình tàu đã có, bố trí chung đã ổn định, thiết bị, máy móc đã chọn, các bộ phận thiết kế tiến hành các công việc thiết kế chi tiết và cụ thể hơn, mối liên hệ giữa các bộ phần trên tàu trở thành hiện thực hơn Trong giai đoạn này các sơ đồ lắp ráp được hoàn thiện, các thiết kế kết cấu triển khai đến chi tiết, từ đó sử dụng cho việc triển khai chế tạo và lắp ráp

Tính toán và kiểm tra các tính năng của tàu

Tính độ bền tàu

2.2 XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA THUYỀN CÁNH NGẦM

2.2.1 Xác định lượng chiếm nước của thuyền cánh ngầm D

Lượng chiếm nước D là thông số quan trọng đầu tiên cần xác định khi thiết kế Riêng đối với thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người, lượng chiếm nước đóng vai trò rất quan trọng vì ảnh hưởng lớn đến khả năng bay trên mặt nước của thuyền khi đạp

Về lý thuyết, lượng chiếm nước được xác định theo phương trình trọng lượng của thuyền cánh ngầm viết dưới dạng tổng quát như sau :

D = = PHull + PFoil + PEQ + PFur + PM + DW + D (2.1) trong đó : PHull - trọng lượng thân tàu

Theo tài liệu [11] trọng lượng của một số thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người

đã thử nghiệm thành công ở các nước bằng khoảng 18 23 kg, khối lượng người điều khiển thuyền tính bằng khoảng 72 81 kg Vậy tổng khối lượng của thuyền và người điều khiển khoảng 90 104 kg Vì là thiết kế, chế tạo, thử nghiệm lần đầu tiên ở Việt Nam đồng thời để thuận lợi trong quá trình chế tạo chọn khối lượng thuyền có lớn hơn Theo tính toán sơ bộ chọn khối lượng thuyền cánh ngầm thiết kế là 30 kg Khối lượng người điều khiển lấy là 70 kg theo cách tính với người Việt Nam Như vậy, lượng chiếm nước thiết kế của thuyền khi đó là:

D = 30 + 70 = 100 kg = 0,1 tấn

Như đã trình bày, lượng chiếm nước tại đường nước thiết kế của thuyền là 0,1 tấn Nhưng nếu bố trí mặt boong ở đường nước này sẽ làm nước dễ tràn boong, làm ướt người vận hành và các thiết bị truyền động nên cần phải có lượng chiếm nước dự trữ mạn khô Theo thống kê lượng chiếm nước của thuyền cánh ngầm tính cả phần dự trữ xác định sơ bộ phụ thuộc các hệ số gồm hệ số tải trọng μ, hệ số trọng lượng tàu không

μo và hệ số trọng lượng khách μp Lượng chiếm nước của thuyền D là giá trị lớn nhất trong các giá trị tính theo công thức:

D1 = DW

; D2 = DW + o 1 ; D3 =

o

an (2.2)

trong đó : DW - tải trọng của tàu, tính bằng hiệu giữa lượng chiếm nước toàn bộ D

và lượng chiếm nước tàu không Do

a - khối lượng của một hành khách cùng đồ dùng

n - số hành khách đi trên tàu

μ, μo, μp - các hệ số sử dụng tàu, có giá trị xác định theo đồ thị hình 2.2

Hình 2.2: Các hệ số sử dụng tàu cánh ngầm

I - tàu của Nga (Liên xô cũ) ; IV - tàu của Ý

II - tàu của hãng Supramar ; V - tàu của Mỹ

III - tàu sản xuất tại Nhật Bản ; VI - tàu quân sự Mỹ

Với thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người thiết kế, do thuyền chở một người, không có hành lý và đồ dùng cá nhân nên lấy n = 1, a = 70 kg và do đó DW = 0,07 tấn Giá trị của các hệ số μ, μo, μp được xác định theo đồ thị thống kê cho trên hình 2.2, trong đó do thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người là thuyền thể thao, công suất nhỏ nên chọn giá trị hệ số thích hợp để lượng chiếm nước dự trữ của thuyền không quá lớn Với lý do trên, chọn giá trị các hệ số cụ thể như sau μ = 0,27 ; μo = 0,73 và μp = 0,26 Thay các giá trị vào các công thức trên có thể xác định được lượng chiếm nước của thuyền cánh ngầm như sau :

D1 = DW

=

27,0

07,0 = 0,26 (tấn)

D2 = DW + oD1 = 0,07 + 0,73.0,26 = 0,26 (tấn)

D3 =

o

an =

26,0

1.07,0

D = (2.3) trong đó : - trọng lượng riêng của nước, lấy = 1,0 tấn/m3

- thể tích chiếm nước của tàu, m3

= CB LBT (2.4)

Do đó phương trình trọng lượng của thuyền được trình bày dưới dạng hàm các kích thước chính của tàu như sau :

D = CB LBT (2.5) Với thuyền cánh ngầm, các kích thước chính của thuyền như L, B, H, T và hệ số đầy thể tích CB được xác định dựa trên cơ sở phân tích thống kê cụ thể như sau: