Thiết kế sơ bộ tàu cánh ngầm chở 70 khách phục vụ du lịch biển Việt Nam

Tại sao những phương tiện thủy này có hình dáng giống như những chiếc tàu bình thường lại hoạt động không giống như tàu bình thường chúng có thể bay được trên mặt nước.. Vấn đề cần giải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ, Tên SV: Trần Ngọc Tiến Lớp: 51ĐT1

Tên đề tài: “Thiết kế sơ bộ tàu cánh ngầm chở 70 khách phục vụ du lịch biển tại

Việt Nam”

Hiện vật:

NHẬN XÉT

KẾT LUẬN

Nha trang, ngày ……tháng……năm 2013

Cán bộ hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên)

KS Đỗ Văn Tá

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ, Tên SV: Trần Ngọc Tiến Lớp: 51ĐT1

Đề tài: “Thiết kế sơ bộ tàu cánh ngầm chở 70 khách phục vụ du lịch biển tại

Việt Nam”

Hiện vật:

NHẬN XÉT

KẾT LUẬN

Nha trang, ngày ……tháng……năm 2013

Cán bộ hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên)

KS.Đỗ Văn Tá

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐATN

Họ, Tên SV: Trần Ngọc Tiến Lớp: 51ĐT1

Đề tài:“Thiết kế sơ bộ tàu cánh ngầm chở 70 khách phục vụ du lịch biển tại

Việt Nam”

Hiện vật:

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Điểm phản biện

Nha trang, ngày ……tháng……năm 2013 Cán bộ hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

KS.Đỗ Văn Tá ĐIỂM CHUNG

MỤC LỤC

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

LỜI NÓI ĐẦU viii

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của tàu cánh ngầm trên thế giới 1

1.3 Phạm vi nghiêm cứu đề tài 9

1.4 Phương pháp thiết kế 9

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU TÀU CÁNH NGẦM 10

2.1 Động lực học cánh 10

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thủy động cánh 12

2.3 Sức cản của tàu cánh ngầm và chế độ làm việc 13

2.4 Ổn định tàu trên cánh 15

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ TÀU CÁNH NGẦM SỨC CHỞ 70 KHÁC PHỤC VỤ

DU LỊCH BIỂN TẠI VIỆT NAM 17

3.1 Nhiệm vụ thư 17

3.2 Xác định các đặc điểm hình học của tàu tàu cánh ngầm 18

3.3 Tính toán các yếu tố thủy tĩnh 22

3.4 Thiết kế bố trí chung 35

3.5 Tính toán trọng lượng 38

3.6 Tính toán kết cấu thân tàu theo quy phạm 40

3.7 Thiết kế cánh ngầm 74

3.8 Tính ổn định 82

3.9 Tính sưc cản tàu 104

3.10 Tính chọn máy chính và chân vịt 109

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Thống kê một số tàu thực tế. 18

Bảng 2: Tính diện tích ω và momen diện tích của các mặt cắt ngang M ωiox đối với trục Ox. 22

Bảng 3: Tính yếu tố thủy tĩnh. 30

Bảng 4: Xác định các đại lượng a, b, y. 42

Bảng 6: Giá trị hệ số C. 43

Bảng 10: Bảng tính chiều dày tôn vách. 46

Bảng 12: Tọa độ sườn Tchebyshev. 83

Bảng 13: Tính hoành độ trọng tâm tàu ở chế độ 100% dự trữ và đủ khách. 84

Bảng 14: Bảng tính bán kính tâm ổn định ngang theo phương pháp Krylov-Dargniers ở chế độ 100% dự trữ và đủ khách. 85

Bảng 15: Tính tay đòn ổn định hình dáng ở chế độ 100% dự trữ và đủ khách. 91

Bảng 16: Tay đòn ổn định động ở chế độ 100% dự trữ và đủ khách. 92

Bảng 17: Tính hoành độ trọng tâm tàu ở chế độ 50% dự trữ và đủ khách. 93

Bảng 18: Tính hoành độ trọng tâm tàu ở chế độ 10% dự trữ và đủ khách. 94

Bảng 19: Tính bán kính tâm ổn định ngang theo phương pháp Krylov-Dargniers ở chế độ 10% dự trữ và đủ khách. 95

Bảng 20: Tay đòn ổn định tĩnh ở chế độ 10% dự trữ và đủ khách, 100

Bảng 21: Tay đòn ổn định động ở chế độ 10% dự trữ và đủ khách. 100

Bảng 22: Tay đòn ổn định từ 0 – 30. 103_Toc361179269 Bảng 23: Xác định vận tốc tàu khi thay đổi một lượng ∆D. 105

Bảng 24: Tính sức cản thân tàu khi thay đổi vận tốc và thể tích chiếm nước 106

Bảng 25:Tính sức cản cánh trước của tàu. 107

Bảng 26: Tính sức cản cánh sau của tàu. 107

Bảng 27: Tính sức cản tổng hợp cánh trước và cánh sau của tàu. 107

Bảng 28: Tính sức cản tổng hợp thân và cánh. 108

Bảng 29: Tính chọn công suất yêu cầu máy. 113

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1: A-4 vận tốc 30 km/h do nhà thiết kế Nga Aleksev đưa ra 1943 3

Hình 2: Tàu cánh ngầm A-5, vận tốc chạy trên sông 87 km/h 3

Hình 3: Tàu cánh ngầm A-5, 1949 3

Hình 4: Hệ thống điều khiển bằng khí 4

Hình 5: Hệ thống cánh thủy lực 4

Hình 6: Hệ thống Supramar 5

Hình 7: Hệ thống Aquavion 5

Hình 8: Volga-red hydrofoil 6

Hình 9: “Victorian styled” hydrofoil 6

Hình 10: Morden hydrofoil “aliscafo”, seen in Italy 7

Hình 11: Raketa “Rheinpfeil” trên sông Rhine ở Đức, 1986 7

Hình 12: Soviet Army hydrofoils 7

Hình 13: The USS Planview (USA) 8

Hình14: The USS Pegasus (USA) 8

Hình 15: U.S.Navy(Fresh) 8

Hình 16: Quan hệ hệ số lực nâng và lực cản 11

Hình 17: Quan hệ Cm, CL, CD 11

Hình 18: Đồ thị lí thuyết sức cản trên cánh 14

Hình 19: Mô phỏng chế độ chế độ làm việc của tàu cánh ngầm 15

Hình 20: Đồ thị Bonjean 28

Hình 21: Đồ thị thủy tĩnh 35

Hình 22: Bố trí chung toàn tàu 38

Hình 23: Sơ đồ bố trí các kết cấu của vách ngang giữa tàu 46

Hình 24: Khung dàn mạn 54

Hình 25: Kết cấu khung dàn đáy 58

Hình 26: Kết cấu vách ngăn khu vực mũi tàu 66

Hình 27: Đồ thị hệ số lực nâng của cánh có biên dạng NACA 4412 theo góc tấn và

hệ số Reynolds 77

Hình 28: Phương pháp chia cung cho cánh 79

Hinh 29: Chia khoản sườn Tchebyshev 84

Hình 30: Góc nghiêng trong khi tính ổn định ở chế độ đủ khách và 100% dự trữ 90

Hình 31: Đồ thị ổn định tĩnh và đồ thị ổn định động ở chế độ 100% dự trữ ,khách 92 Hình 32: Góc nghiêng trong khi tính ổn định ở chế độ đủ khách và 10% dự trữ 99

Hình 33: Đồ thị ổn định tĩnh và ổn định động trường hợp 10% dự trữ và đủ khách 101

Hình 34: Tay đòn ổn định chế độ bay 102

Hình 35: Đồ thị ổn định trên cánh tại vận tôc thiết kế 103

Hình 36: Đồ thị sức cản tàu 108

LỜI NÓI ĐẦU

Xin chân thành cảm ơn thầy KS.Đỗ Văn Tá và bạn Nguyễn Thành Tài lớp

51DT1 đã hết lòng hỗ trợ để tôi hoàn thành xong đề tài: “Thiết kế sơ bộ tàu cánh ngầm chở 70 khách phục vụ du lịch biển tại Việt Nam”

Đây là một đề tài khá hấp dẫn lôi cuốn những ai muốn tìm hiểu cái mới Mới

ở đây chính là khi chúng ta tìm ra được một phương pháp làm tăng tốc độ giảm sức cản cho tàu Việc thiết kế tàu cánh ngầm sẽ được tiến hành thiết kế như tàu bình thường và tính toán lắp đặt thêm cánh theo lí thuyết cánh thủy động học

Hi vọng trong tương lai không xa chúng ta có thể làm chủ được công nghệ thiết kế

và chế tạo loại tàu này phục vụ nhu du lịch biển

Nha trang, ngày tháng năm 2013

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Đặt vấn đề

Trong bối cảnh nhu cầu duy chuyển bằng phương tiện đường thủy ngày càng lớn Đặc biệt ngành du lịch biển đang nở rộ trong những năm gần đây đòi hỏi cần có thêm nhiều phương tiện thủy nội địa có tốc độ cao, vận chuyển nhiều hành khách giảm đáng kể thời gian di chuyển giữa vùng Vì thế nhiều công ty lữ hành đã tìm hiểu và nhập khẩu các loại tàu được trang bị hệ thống cánh nâng với tốc độ cao vận chuyển khách đã góp phần hình thành một loại phương tiện đường thủy mới, lạ mắt

ở Việt Nam

Tại sao những phương tiện thủy này có hình dáng giống như những chiếc tàu bình thường lại hoạt động không giống như tàu bình thường chúng có thể bay được trên mặt nước Vậy cái gì làm nên sự khác biệt đáng kinh ngạc đó? Đây là một câu hỏi đã có đáp án nhưng việc tiến hành tìm hiểu ngọn ngành về đáp án này không hề đơn giản Vấn đề cần giải quyết ở đây chính là thiết kế một con tàu tàu có thể bay trên mặt nước được trang bị hệ thống cánh ngầm bằng việc kết hợp lí thuyết thiết kế tàu thông dụng với lí thuyết cánh, thủy khí động lực học

1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của tàu cánh ngầm trên thế giới

1.2.1 Lịch sử phát triển tàu trên cánh được phát triển từ cuối thế kỉ XIX

Năm 1861, Thomas Moy thử nghiệm cánh máy bay trong nước theo ông thử nghiệm cánh máy bay trong nước cho kết quả chính xác cao hơn trong không khí Nhờ vậy, Moy đã phát hiện được đặc tính của cánh chuyển động trong nước

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 theo 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 kĩ 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

Năm 1919, anh em nhà Mecham cùng với Forlanini 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 và thiết lập được kỷ lục thế giới về tốc độ chạy trên mặt nước thời bấy giờ là 61,58 HL/h

Năm 1932, Giáo sư Oscar Tietjens khi thử nghiệm trên dòng sông chảy qua thành phố Philadelphia của Mỹ, chiếc thuyền cánh ngầm 0,23 tấn chế tạo thủ công

đã đạt tới tốc độ 21,72 Hl/h về sau thiết kế và chế tạo chiếc 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 bấy giờ là 80 HL/h

Tháng 5 năm 1953, chiếc tàu chở khách thương mại đầu tiên trên thế giới ra đời do một người Đức tên Baron Von Schertel thiết kế, vận chuyển hành khách trên

hồ Maggiore của Italy

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 Bel người Canada, sử dụng động cơ hiệu Rolls Royce 1.500 HP có 12 xi-lanh để dẫn động hai cánh quạt Mẫu thử này khá đắc tiền và được xem như là một thất bại lúc bấy giờ nhưng chính mẫu thử này, các nhà khoa học đã rút ra được nhiều kết luận giá trị

Năm 1967 hải quân Canada 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

Năm 1954 tàu cánh ngầm đầu tiên XCH-4 của hải quân Mỹ do kỹ sư

William P.Carl thiết kế và chế tạo đã xác lập kỷ lục tốc độ 64,65 HL/h

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

Một số tàu cánh ngầm chế tạo thời gian này vẫn còn hoạt động mãi cho đến ngày nay: Sealegs (R&D), High Point 110 tấn, Little squirt (R&D), PHM-1 USS Pegasus 235 tấn…

Hiện tại ở Việt Nam vẫn đang có những bước dịch chuyển trong nghiêm cứu

về loại tàu này hi vọng trong tương lai không xa chúng ta sẽ làm chủ công nghệ tiến hành đưa vào thử nghiệm và chế tạo

1.2.2 Giới thiệu một số hệ thống tàu cánh ngầm trên thế giới

- Hệ thống tàu cánh ngầm của Nga: Hệ thống này được thiết kế với tỉ lệ 0,1 h/b 0,5 thích hợp cho tàu chạy sông, hồ và những vùng sóng không cao Hệ thống cánh gắn chặt với thân tàu nằm dưới thân nhưng không quá sâu Các cánh gắn với thân tàu bằng các mối nối đủ vững, độ tin cậy cao và không cần quá nhiều thanh đỡ

Hình 1: A-4 vận tốc 30 km/h do nhà thiết kế Nga Aleksev đưa ra 1943

Hình 2: Tàu cánh ngầm A-5, vận tốc chạy trên sông 87 km/h

Hình 3: Tàu cánh ngầm A-5, 1949

- Hệ thống điều khiển bằng khí (air –feed system): Phương cách điều khiển góc nghiêng cánh bằng hệ thống khí Hệ thống này do do hãng Supramar (Thụy Điển) đề suất và thực hiện Khí được thổi khắp mặt trên cánh với áp suất khí quyển qua hệ thống van điều khiển

Hình 4: Hệ thống điều khiển bằng khí

- Hệ thống cánh thủy lực: Hệ thống điều khiển cánh đầu tiên ra đời theo hệ thống Christopher Hook Bộ phận điều khiển chế độ nghiêng cánh là “feeler” (que thăm dầu) và hệ thống cơ khí Trong trạng thái tĩnh tàu không hoạt động cánh chìm trong nước không khác gì phao nên được đẩy lên Khi tàu tăng tốc phao rơi xuống

và nghiêng trong nước dưới góc tấn tính toán, tạo lực nâng thân tàu Mỗi sự thay đổi trên đường nước thiết kế do sóng, do chuyển động tàu đều gây ra hiệu chỉnh tương ứng cho lực nâng

Hình 5: Hệ thống cánh thủy lực

- Hệ thống Supramar: Tàu cánh ngầm sử dụng cánh chìm nước trung bình có đặt tính gần trùng với cánh chìm nông là cánh có khả năng tự điều chỉnh Hệ thống

mang tên gọi Schertel-Sachsenberg từ thế chiến thứ hai phục vụ cho tàu trên cánh

có điểm đặc trưng, mặt cắt ngang hệ thống cánh có thể mang hình chữ V rõ nét, hình thang, cánh cung Hệ thống Supramar có tính ổn định tốt ở vùng ven bờ

Hình 6: Hệ thống Supramar

- Hệ thống Aquavion: Hình thức hợp tác công nghiệp giữa các ông chủ người Nertherlands và UK nhằm sản suất tàu trên cánh ngầm Hệ thống nhắm cho khách hàng các kiểu và lượng chiếm nước từ 1,5T đến 10T Tàu lớn nhất của hãng thực hiện ‘Aquastroll’ được thử nghiệm 1957, hệ thống này tỏ ra khá ưu việt cho tàu cỡ nhỏ, tính đi biển của tàu cải thiện rất cao so với các nhóm tàu khách Hệ thống này

có đặc điểm 10-15% trọng lượng tàu được đỡ bằng cánh trước, phần còn lại cho cánh sau

Hình 7: Hệ thống Aquavion

- Hệ thống cánh Canada: đó là sự kêt hợp tính tốt của hai hệ thống Supramar

và Aquavion Trong hệ thống kết hợp này người ta sử dụng ‘ cấu hình vịt trời’ và

nhờ vậy giảm thiểu tải trọng tác động trên cánh trước Cánh trước được bố trí để có thể đỡ được trên 90% trọng lượng tàu

- Hệ thống Bell- Baldwin: Hệ thống cánh chìm được làm nhiều thang leo bậc Tùy tải tác động lên hệ thống cánh thay đổi vận tốc, cánh cho phép nhiều hoặc ít bậc thang này chìm trong nước Vận tốc càng nhanh số bậc thang chìm càng ít và cách làm này đóng vai trò thiết bị này đóng vai trò thiết bị điều chỉnh lực nâng cánh

- Hệ thống tự điều chỉnh của hải quân Hoa Kì: Loại tàu cánh ngầm này vẫn đang dẫn đầu về khả năng làm việc trên biển có sóng sâu Có hệ thống điều khiển tự động nhằm thay đổi góc tấn cánh bằng hệ thống truyền thủy lực

1.2.3 Hình ảnh về một số tàu cánh ngầm trên thế giới

Hình 8: Volga-red hydrofoil

Hình 9: “Victorian styled” hydrofoil

Hình 10: Morden hydrofoil “aliscafo”, seen in Italy

Hình 11: Raketa “Rheinpfeil” trên sông Rhine ở Đức, 1986

Hình 12: Soviet Army hydrofoils

Hình 13: The USS Planview (USA)

Hình14: The USS Pegasus (USA)

Hình 15: U.S.Navy(Fresh)

1.3 Phạm vi nghiêm cứu đề tài

Thiết kế tàu cánh ngầm sức chở 70 khách phục vụ du lịch biển, mức độ đề tài giải quyết là thiết kế sơ bộ

1.4 Phương pháp thiết kế

Việc sử dùng phương pháp nào để giải quyết đề tài sẽ bị hạn hẹp trong phạm

vi nghiên cứu tính toán lí thuyết dựa vào lí thuyết cánh kết hợp với phương pháp thiết kế tàu truyền thống và kế thừa những kết quả nghiên cứu về tàu hoạt trên cánh trên thế giới.Trong quá trình tính toán việc tìm tuyến hình tàu mẫu của loại tàu này không phổ biến ở nước ta nên sẽ gặp trở ngại, vì thế việc thiết kế chỉ có thể sử dụng phương pháp tính gần đúng Điều quan trọng ta nhận thấy điểm khác biệt lớn nhất giữa tàu hoạt động ở chế độ nổi trên mặt nước với tàu bay trên mặt nước (tàu cánh ngầm) đó là hệ thống cánh ngầm, còn tuyến hình tàu của thân vẫn không nhận thấy

sự khác biệt lớn Vì thế việc thiết kế phần thân của tàu cánh ngầm vẫn theo phương pháp thiết kế truyền thống Tính toán các thông số hình học chính của tàu, thiết kế tuyến hình, thiết kế kết cấu, bố trí chung và tính toán tính năng của tàu Tính toán cánh sẽ dựa vào công thức lí thuyết với những kết quả khảo sát của một số loại cánh phổ biến Tàu cánh ngầm vẫn thuộc loại tàu chạy nhanh vì vậy tuyến hình tàu sẽ thuyên về tàu tuyến hình tàu lướt để có sức cản thân tàu thấp rất có lợi cho tàu trong việc chuyển từ chế độ lướt sang chế độ bay

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU TÀU CÁNH NGẦM

Cơ sở quan trọng nhất trong thiết kế tàu cánh ngầm phải dựa trên lí thuyết thủy động lực cánh kết hợp với lí thuyết tàu thiết kế tàu

2.1 Động lực học cánh

Lực nâng cánh xuất hiện khi cánh được đặt trong dòng chảy bao cánh, do chênh lệch áp lực thủy động giữa hai cánh Theo định luật Bernoulli sự khác nhau giữa tốc độ của dòng bao cánh, tính cho mặt trên và mặt dưới, dẫn đến thay đổi áp lực tại hai mặt đó, nếu so với áp lực p0 tại vị trí cách xa profile cánh Từ thí nghiệm người ta có thể xác định các thành phần lực nâng và momen tác động lên profile cánh trong dòng chảy

Phân bố áp lực này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó các thành phần quan trọng nhất là:

- Biên dạng (profile) cánh

- Góc tấn α

- Chiều chìm tương đối h’= h/b, h là chiều chìm cánh và b là chiều rộng cánh Theo lý thuyết cánh, các thành phần lực và momen tác động lên cánh trong nước được tính theo các công thức tổng quát:

Các hệ số thủy động CL, CD, Cm phụ thuộc vào góc tấn của profile , phụ thuộc vào hệ số Froude, giá trị số Reynols Đồ thị đặc trưng miêu tả quan hệ các hệ

số đang đề cập với góc tấn α được trình bày dưới đây:

Hình 16: Quan hệ hệ số lực nâng và lực cản

Từ đồ thị người ta có thể trình bày quan hệ giữa hệ số lực nâng và lực cản

quan hệ K=CL/CD, gọi là hệ số chất lượng thủy động lực cánh Theo định nghĩa, quan hệ K chính là tanβ - góc giữa trục CD với đoạn thẳng vẽ qua gốc tọa độ và điểm xác định góc tấn trên đường cong đang nêu

Các hệ số CL, CD, Cm phụ thuộc vào kiểu dáng profile, tỉ lệ chiều dài trên chiều rộng λ = l/b, chiều chìm tương đối, h’ = h/b , h là chiều chìm đầu cánh trong nước

Hình 17: Quan hệ Cm, CL, CD

Từ hình trên ta có thể nhận xét rằng trong giới hạn nhât định của góc tấn α, quan hệ giữa CL, Cm với góc này gần như tuyến tính, Qui luật này chỉ bị phá bỏ khi

α vượt quan giới hạn αgh gọi là góc tấn giới hạn, tại đây CL đạt giá trị CLmax Sau góc tấn giới hạn lực nâng giảm nhanh chóng, thành phần sức cản tăng nhanh và như vậy hệ số K giảm đáng kể

Từ lí thuyết cánh, trường hợp dòng chảy bao cánh hệ số CL tính từ công thức thực tế:

CL =2πsinα≈2πα, với góc tấn nhỏ, sinα ≈ α

Cm = π sin2α

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thủy động cánh

2.2.1 Góc tấn α

Góc tạo bởi dây cung cánh và phương chuyển động của dòng bao Góc tấn α

có ảnh hưởng rất lớn đến hệ số lực nâng, lực cản và momen cánh khi góc tấn thay đổi sẽ làm thay đổi sự phân bố áp lực tác động lên bề mặt cánh Với trị số Rn nhất định mỗi loại profile cánh sẽ có có một góc tấn α mà tại đó giá hệ số lực nâng đạt cực đại và có một giá trị đạt cực tiểu

2.2.2 Số Reynolds (Rn)

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 đối đến sự cản trở cản trở dòng chảy

Hệ sô Reynolds đối với cánh ngầm của tàu được xác định theo công thức:

μ .

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 lấy = 10-6 (m2/s), = /

– độ nhớt động lực học của nước, = 10-3 (N.s/m2)

– mật độ nước, = 1000 (kg/m3)

- Dòng chảy có Rn ≥ 104 , là dòng chảy rối

2.2.3 Tỉ lệ chiều dài trên chiều rộng (AR)

Tỉ lệ AR = l/b (l – chiều dài cánh, b – chiều rộng cánh) có ảnh hưởng đến hệ

số lực nâng Tỉ lệ này càng lớn thì ảnh hưởng của nó đến hệ số lực nâng càng ít Để

2.2.4 Độ chìm sâu tương đối h’

Để xác định sự ảnh hưởng của h’ đến hệ số lực nâng cánh, có thể sử dụng hệ số phụ thuộc độ chìm sâu Fs theo công thưc: Fs = 1 - 0,222( , )2

thì lực nâng cánh có xét đến tỉ số chiều dài trên chiều rộng, độ chìm sâu tương đối, công thức tính lực nâng cánh: F = CLρ V2AFARFS

2.3 Sức cản của tàu cánh ngầm và chế độ làm việc

Khác với tàu nổi chạy chậm đường công sức cản tàu biểu diễn trong hệ tọa

độ sức cản – vận tốc có đặc tính sau, tại vận tốc lớn, tương ứng trường hợp thân tàu nổi hẳn trên mặt thoáng, chỉ còn cánh chìm trong nước, sức cản toàn bộ tàu giảm đáng kể nếu so với trường hợp tàu chưa nổi Khi tàu đã chạy trên cánh, vận tốc tàu tăng kéo theo tăng sức cản tăng song độ tăng không lớn như tàu nhóm chạy chậm Điều này có thể lý giải, khi tàu nổi diện tích tiếp nước của tàu, trong thực tế đây chỉ

là mặt tiếp nước của cánh ngầm, sức cản nước đến tàu bằng áp lực tính toán tại vận

tốc nhất định nhân vời diện tích của cánh, không thể quá lớn Mặt khác ta có thể thấy rằng, sức cản sóng là thành phần chủ yếu của sức cản toàn bộ tính cho tàu chạy nhanh bất kì như chúng ta đã quen, trong trường hợp này không hẵn chiếm được vai trò chủ yếu Trong phạm vi vận tốc tương đối của tàu khoảng Fn = (1,0 - 1,5) sức cản tàu trên cánh thường đạt giá trị lớn nhất, thậm chí lớn hơn tàu cùng cỡ song thiết kế cho chế độ chạy chậm hoặc trung bình Điều này có thể lí giải bằng tư thế tàu khi chạy trên nước, trong vùng vận tốc này chưa nổi hẵn song không nằm cân bằng trên nước Dưới tác động lực thủy động phần lái tàu chìm sâu, phần mũi nhô lên cao hơn, dòng chảy bao thân tàu không mấy thuận lợi cho hoạt động tàu, sức cản tàu tăng Chỉ khi vượt qua khỏi ‘đỉnh’ sức cản, tàu nổi hẵn, diện tích tiếp nước tàu còn lại rất nhỏ, tàu trở lại vị trí cân bằng trên hai hệ thống cánh, sức cản tàu giảm đáng kể

Hình 18: Đồ thị lí thuyết sức cản trên cánh

Từ độ thị ta có thể tính sức cản ở ba chế độ làm việc như sau:

- Chế độ làm việc như tàu nổi: Trong phạm vi chế độ thấp số Froude chưa vượt qua đơn vị

Với FnD =

R = RHULL + RAPP +

- Chế độ bắt đầu nổi: Phần thân trước nổi khỏi mặt nước, cánh trước, cánh sau còn chìm trong nước

R = RHULL + RFOIL + RAPP + R

Hình 19: Mô phỏng chế độ chế độ làm việc của tàu cánh ngầm

- Chế độ tàu chạy trên cánh

FnD 2 3

R = RFOIL + RAPP + RAIR + R

- Sức cản không khí cần tính theo công thức cải biên sau đây

RAIR = CWIN ρA(V+2).2.A1.

Hệ số Cwin dùng cho tàu đang đề cập Cwin 0,4 0,6; ρA – mật độ không khí, tính bằng 0,125 kg.s2/m4

Tại chế độ chạy trên cánh, thân tàu nổi hẳn lên mặt nước, các lực tác động lên tàu không giống nhau như mô hình sử dụng cho giai đoạn trước lực nổi không mang giá trị như ban đầu do vậy tính ổn tàu không xét như tàu nổi thông dụng Các

mô men tham gia quá trình nghiêng ngang tàu trên cánh, xét cho chế độ tàu nổi trên nước như sau:

M = MR,F + MR,A + MRUD + MAPP Trong đó:

MR,F và MR,A – Momen phục hồi từ cánh trước và cánh sau, đang chìm trong

MAPP - Momen nghiêng do tác động chi tiết lồi

Trong thực tế hai thành phần sau có thể mang giá trị dương và cùng hướng với momen phục hồi, cũng có thể mang giá trị âm cùng hướng với momen nghiêng tàu Hai giá trị thành phần này không lớn do vậy trong phép tính ổn định có thể bỏ qua hai thành phần cuối, chỉ giữ lại hai thành phần momen phục hồi do cánh tạo ra

do nghiêng tàu

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ TÀU CÁNH NGẦM SỨC CHỞ 70 KHÁCH PHỤC VỤ DU LỊCH

BIỂN TẠI VIỆT NAM 3.1 Nhiệm vụ thư

3.1.1 Đối tượng thiết kế

- Kiểu tàu: Tàu cánh ngầm (hay còn gọi tàu trên cánh )

- Tàu sức chở: 70 khách

- Thuộc nhóm tàu cao tốc vận tốc 65 (km/h)

- Đi tuyến: tuyến đường thủy nội địa phục vụ du lịch biển đảo Việt Nam

3.1.2 Công dụng đối tượng: Tàu chở khách không hàng, sức chở 70 người 3.1.3 Khu vực hoạt động

Tàu cánh ngầm phục vụ du lịch biển Việt Nam nên khu vực hoạt động được hạn chế trong tuyến đường biển nội địa chở khách tham quan giữa các đảo trong vùng vịnh hay từ đất liền ra các đảo có dân cư sinh sống như Đảo Phú Quý, Đảo Phú quốc, v.v ,, một số đia phương du lịch như Nha Trang - Khánh hòa, Vũng Tàu

Đà Nẵng…

Từ sơ lược về một số cụm đảo du lịch nổi tiếng cách bờ:

- Đảo Lý Sơn: cách bờ 24 hl

- Đảo Phú Quý: cách bờ khoản 56 hl

- Đảo Cù Lao Thu: cách bờ khoản 55,6 hl

- Đảo hòn Tre (Nha Trang): cách bờ khoản 2 hl…

Những đảo du lịch thường nằm ở khu vực ven biển nên tàu cánh ngầm sẽ chọn phân cấp II

3.1.3 Tàu đóng mới theo tiêu chuẩn: TCVN

3.1.4 Vật liệu đóng tàu: Thép đóng tàu

được bố trí ở mũi, đuôi và khu vực lầu lái để thuận tiện cho việc quan sát khi di chuyển Lầu lái được nối với boong chính bằng cầu thang bộ

- Neo và thiết bị chằn buộc: Neo được bố trí ở mũi tàu (có khoan chứa xích neo, neo được chọn theo tiêu chuẩn, dây chằn buộc được bố trí trên mặt boong cũng như các tời chứa và thu dây.)

- Khoan chứa: Các khoang này được bố trí ở dưới boong hành khách

- Khoan máy: Bố trí gần giữa tàu, có lối đi cầu thang thông với boong trên

3.1.6 Chọn tuyến hình tàu tính chọn thiết kế

3.1.7 Tính toán thiết kế

3.2 Xác định các đặc điểm hình học của tàu tàu cánh ngầm

Hiện nay chúng ta vẫn đang tiếp cận nghiêm cứu về tàu cánh ngầm và chưa

có những đề tài quy mô nên việc xác định thiết kế theo một phương pháp hữu hiệu nhất vẫn còn nhiều hạng chế Vì thế việc thiết kế tuyến hình tàu cánh ngầm phù hợp với môi trường hoạt động của tàu cần nhiều thời gian nghiêm cứu trong phạm vi đề tài tôi xin đề suất phương án: ‘Sử dụng tuyến hình tàu lướt kết hợp kết cấu cánh để làm đối tượng khảo sát thiết kế’.Việc thiết kế tuyến hình tàu sẽ tiến hành như xác định tuyến hình tàu bình thường

Trường ĐHHH

3.2.1 Chiều dài tàu thiết kế

Việc lựa chọn chiều dài ảnh hưởng từ rất nhiều yếu tố về bố trí toàn tàu, tính năng hàng hải, ảnh hưởng nhiều đến khối lượng và giá thành…

Phương án chọn theo bố trí vì tàu khách du lịch việc bố trí không gian buồng khách và nội thất trong buồng đặc biệt quan trọng đảm bảo cho du khách cảm thấy thoải mái, tạo điều kiện cho tất cả mọi người đều có thể ngắm nhìn vẻ đẹp của thiên nhiên biển đảo

Việc lựa chọn các bố trí nội thất sẽ được bố trí theo tiêu chuẩn nội thất không gian buồng hành khách, không gian buồng máy, nhà vệ sinh…

Sau khi liệt kê tính toán bố trí có chiều dài tàu là L= 30 (m)

(Việc tính toán ra L sẽ được thuyết minh rõ ràng trong phần bố trí chung toàn tàu)

3.2.2 Chiều rộng tàu thiết kế

Chiều rộng tàu B được lựa chọn trên cơ sở đủ lớn nhằm làm tăng tính ổn định nhưng cũng đảm bảo sao cho sức cản của tàu nhỏ nhất

Tỉ số đặc trưng cho tính ổn định ban đầu của tàu, sức cản tàu và khả năng chịu uốn dọc của tàu

Số liệu thống kê cho các loại tàu cao tốc có chiều dài toàn bộ dưới (30÷ 40) m, thì

tỉ số = 3,0 - 6,0 (Lí thuyết tàu thủy,Trần Gia Thái Trang 395), chọn = 5

→ Chiều rộng tàu thiết kế B = 6 (m)

→Chiều chìm thiết kế tàu ở chế độ bơi T = 1,2 (m)

3.2.4 Chiều cao mạn tàu thiết kế

Tỉ số đặc trưng cho tính chống chìm của tàu, cũng ảnh hưởng đến ổn định của tàu khi nghiêng Giá trị của tỉ số này càng lớn thì dự trữ nổi của tàu càng lớn tính ổn định của tàu càng cao đồng thời cũng làm tăng diện tích hướng gió tăng lực cản của tàu và góp phần làm giảm tính ổn định hướng của tàu khi tàu hành trình = (2,1 ÷ 2,52),chọn = 2,52

→ Chiều cao mạn tàu thiết kế H= 3,024 (m)

3.2.5 Tính toán tỉ số đồng dạng

Kích thước lướt sức chở 80 khách:

Ltk1 = 26,9 (m); Btk1 = 6,08 (m); Ttk1= 1,2 (m)

Hệ số đầy mặt đường nước: α = 0,772

Hệ số đầy thể tích chiếm nước: δ = 0,467

Kích thước tàu thiết kế sức chở 70 khách:

Ltk = 30 (m); Btk= 6 (m); Ttk=1,2(m)

Hệ số đầy mặt đường nước: α = 0,772

Hệ số đầy thể tích chiếm nước: δ = 0,466

- Chia chiều dài thiết kế thành các khoảng sườn lí thuyết bằng nhau

- Giữ nguyên các mặt cắt ngang của tàu mẫu và di chuyển đến các vị trí mới tương ứng của tàu thiết kế, theo các khoản sườn thiết kế ta có được tuyến hình của tàu thiết kế

 Thay đổi chiều rộng B

- Ta có hệ số đồng dạng theo chiều rộng: Btk/ Btk1=0,98684

- Xác định tung độ đường hình tàu thiết kế theo hệ số đồng dạng

- Vẽ lại hình dáng mặt cắt ngang theo các tung độ đã được xác định trong phần trên sẽ nhận được tuyến hình theo tàu thiết kế

 Thay đổi mớn nước tàu

3.3 Tính toán các yếu tố thủy tĩnh

3.3.1 Đồ thị Bonjean

Việc xác định đồ thị Bonjean được xét cho trường hợp tàu đang chạy ở chế

độ lướt trên sóng chưa ở chế độ bay đồng nghĩa với việc tính toán và xác định các yếu tố thủy tĩnh sẽ tính toán như tàu lướt bình thường ( Vì diện tích mặt cắt ngang của cánh sẽ rất nhỏ so với diện toàn tàu) Đồ thị Bonjean hoặc đường cong diện tích các sườn là tập hợp các đường cong ω= f(T) biểu diễn diện tích phần chìm của các sườn theo chiều chiềm của nó và được xây dựng từ các vết của các sườn tường ứng trên mặt phẳng dọc giữa tàu

Tính lần lượt giá trị diện tích các mặt cắt ngang ω (i = 0÷n ) và momen tĩnh

M ω của diện tích mặt cắt ngang này đối với trục Ox ứng với mớn nước tại vị trí đó

ω =2 ∫ ydz và M ωiox = 2∫ yzdz.

Việc tính toán đồ thị Bonjean theo công thức hình thang được thực hiện dưới dạng bảng theo cách tính thông dụng

đối với trục Ox

3.3.2 Đồ thị thủy tĩnh

Trong quá trình thiết kế và sử dụng tàu thường xuất hiện nhu cầu cần thiết phải xác định nhanh các yếu tố đường hình và yếu tố tính nổi ở các mớn nước tàu thực tế khác nhau Việc tìm giải quyết vấn đề bằng cách tính các giá trị các yếu tố này ở một mớn nước tàu cho trước và tiến hành xây dựng đồ thị biểu diễn sự thay đổi giá trị các yếu tố nổi trên theo mớn nước với giả thiết mớn nước là đường thẳng nằm ngang, tức là tàu nằm cân bằng không có góc nghiêng

Đường cong thủy lực bao gồm các loại đường cong như sau:

- Đường cong trọng lượng tàu: D = γV

- Đường cong lượng chiếm nước tàu: V = ∫ Sdz

- Đường cong các hệ số béo: δ,α,β

- Và một số đường cong khác

Việc tính toán các đường cong thủy tĩnh được sử dụng phương pháp đường hình thang là chính

Bảng 3: Tính yếu tố thủy tĩnh

y di y mi

10.000 0 0.880 0.000 -0.880 0.000 0.880 0.000 0.681 0.000 9 11 1 0.960 0.794 -0.166 -0.166 1.754 1.754 0.885 0.501 8 12 2 1.032 0.704 -0.328 -0.656 1.736 6.944 1.099 0.349 7 13 3 1.092 0.611 -0.481 -1.443 1.703 15.327 1.302 0.228 6 14 4 1.135 0.519 -0.616 -2.464 1.654 26.464 1.462 0.140 5 15 5 1.164 0.433 -0.731 -3.655 1.597 39.925 1.577 0.081 4 16 6 1.180 0.338 -0.842 -5.052 1.518 54.648 1.643 0.039 3 17 7 1.180 0.241 -0.939 -6.573 1.421 69.629 1.643 0.014 2 18 8 1.180 0.148 -1.032 -8.256 1.328 84.992 1.643 0.003 1 19 9 1.180 0.320 -0.860 -7.740 1.500 121.500 1.643 0.033 0 20 10 1.180 0.000 -1.180 -11.800 1.180 118.000 1.643 0.000

16.609 0.822

y di y mi

10.000 0 2.751 0.000 -2.751 0.000 2.751 0.000 20.820 0.000 9 11 1 2.823 2.382 -0.441 -0.441 5.205 5.205 22.497 13.515 8 12 2 2.879 2.112 -0.767 -1.534 4.991 19.964 23.863 9.421 7 13 3 2.914 1.833 -1.081 -3.243 4.747 42.723 24.744 6.159 6 14 4 2.931 1.559 -1.372 -5.488 4.490 71.840 25.180 3.789 5 15 5 2.936 1.297 -1.639 -8.195 4.233 105.825 25.309 2.182 4 16 6 2.938 1.036 -1.902 -11.412 3.974 143.064 25.360 1.112 3 17 7 2.939 0.770 -2.169 -15.183 3.709 181.741 25.386 0.457 2 18 8 2.939 0.498 -2.441 -19.528 3.437 219.968 25.386 0.124 1 19 9 2.939 0.393 -2.546 -22.914 3.332 269.892 25.386 0.061 0 20 10 2.939 0.000 -2.939 -29.390 2.939 293.900 25.386 0.000

y mi 3