Bài giảng Thiết kế tàu thủy

Thiết kế tàu phải tiến hành giải quyết những vấn đề gắn liền với sự hỡnh thành con tàu và đề cập toàn bộ tớnh năng của nó theo cỏc đặc trưng về nhiệm vụ và định mức như sau : khích thước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

-o0o - Th.S Lê Thị Thái

Bài giảng THIẾT KẾ TÀU THUỶ

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình Thiết kế tàu thuỷ dành cho sinh viên ngành Kỹ thuật tàu thuỷ – Viện Cơ khí

Động lực - Trường ĐH Bách khoa Hà Nội Gồm 2 phần :

Phần I : Lý thuyết thiết kế, gồm 9 chương:

Chương 1 : Trọng lượng tàu Mối quan hệ giữa các thành phần trọng lượng và các đặc trưng tàu

Chương 2 : Phương trình trọng lượng

Chương 3 : Xác định các kích thước chủ yếu của tàu

Chương 4 : Phương trình dung tích

Chương 5 : Mối quan hệ của các đặc trưng chủ yếu về hình dáng tàu

Chương 6 : Tính ổn định và tính lắc cho tàu trong thiết kế

Chương 7 : Dự trữ lực nổi và chiều cao mạn khô, tính chống chìm

Chương 8 : Tính di động trong thiết kế

Chương 9 : Thiết kế tàu thuỷ

Phần II : Bố trí chung toàn tàu, gồm 02 chương:

Chương 11 : Bố trí chung toàn tàu

Chương 12 : Kiến trúc tàu thuỷ

Chương mở đầu

Đối tượng nghiên cứu của môn học

Tạo nên một con tàu thực hiện một nhiệm vụ nhất định phải trải qua hai giai đoạn chính là thiết kế và thi cụng cụng nghệ theo thiết kế ấy Công dụng của tàu được xác định bởi mục đích khai thác và cần thoả mãn công dụng của nó

Thiết kế tàu phải tiến hành giải quyết những vấn đề gắn liền với sự hỡnh thành con tàu và đề cập toàn bộ tớnh năng của nó theo cỏc đặc trưng về nhiệm vụ và định mức như sau : khích thước chủ yếu và hình dáng tàu (yếu tố chính của tàu), quan hệ giữa các kích thước chủ yếu, lượng chiếm nước, hệ số lợi dụng lượng chiếm nước, dung tích chở hàng, ổn định tàu, chu kỳ dao động

Lịch sử phát triển của môn học

Lịch sử phát triển của môn học lý thuyết thiết kế tàu hiện vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ, song cũng có thể tin rằng cơ sở của nó đã được hình thành vào giữa thế kỷ XVIII Vào lúc

ấy nghành đóng tàu chạy buồm đã đạt đến mức hoàn thiện và phát triển ở mức độ cao, các thành tựu lớn của cuộc cách mạng kỹ thuật mà trong đó năng lượng gió đã được thay thế bằng cơ năng do máy móc sinh ra, vật liệu đóng tàu truyền thống bằng gỗ được thay thế bằng kim loại đã có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phát triển của ngành đóng tàu thuỷ

Vào thế kỷ XIX cuộc cách mạng kỹ thuật đã đạt đến mức hoàn thiện và chính nó đã mang lại cho ngành đóng tàu những thành tựu mới

Mặc dầu đã có nhiều công trình như vậy trong lĩnh vực này song vào những năm đầu của thế

kỷ XX, trong kho tàng kiến thức thuộc về lĩnh vực thiết kế tàu những vấn đề quan trọng như xác định lượng chiếm nước và các kích thước chủ yếu của tàu vẫn chưa được quan tâm một cách đúng mức

Hiện nay môn khoa học thiết kế tàu đang được phát triển và ngày càng được mở rộng một cách đáng kể

Lý thuyết thiết kế tàu Mối liên hệ của nó với các môn khoa học khác

Để giải quyết các nhiệm vụ được đặt ra, lý thuyết thiết kế tàu cần xây dựng hàng loạt các phương trình quan trọng, bao gồm: phương trình trọng lượng; phương trình dung tích; phương trình

ổn định; phương trình công suất

Lý thuyết thiết kế tàu sử dụng rộng rãi các số liệu và kết quả nghiên cứu của môn lý thuyết tàu như các vấn đề về tính nổi, ổn định, chống chìm, chòng chành và tính ăn lái, tính di động Các kết quả nghiên cứu về môn khoa học cơ kết cấu tàu thuỷ và kết cấu thân tàu đã được sử dụng rộng rãi khi xây dựng các phương pháp xác định trọng lượng tàu

Sự phát triển của ngành khoa học về chế tạo máy, kỹ thuật điện, tự động hoá đang tỏ ra có ảnh hưởng lớn đến trọng lượng và kích thước các loại khoang buồng trên tàu mà chúng đều được

tính toán trên cơ sở kết quả nghiên cứu của lý thuyết thiết kế tàu : phương trình trọng lượng và phương trình dung tích

Trong các giai đoạn đầu của quá trình thiết kế tàu cần phải tính đến các đặc điểm và khả năng

về đóng mới, có nghĩa là con tàu được thiết kế phải phù hợp với yêu cầu và điều kiện công nghệ của nhà máy (trang thiết bị công nghệ, trình độ tay nghề của lực lượng công nhân, cán bộ kỹ thuật và quản lý sản xuất )

Lý thuyết thiết kế có quan hệ rất chặt chẽ với môn kinh tế đóng tàu mà nó sẽ cho phép đánh giá hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật đã được thực hiện trong qúa trình thiết kế một con tàu cụ thể, đồng thời nó cũng cho phép xác định được hiệu quả kinh tế trong tương lai của quá trình khai thác chính con tàu ấy

Đội tàu thương mại ngày nay :

Tàu thuỷ có thể chia làm các nhóm chính sau :

a, Tàu làm việc trên nguyên tắc khí động học : Trong nhóm này có thể hai kiểu tàu đang được

b, Tàu làm việc trên nguyên tắc thuỷ khí động lực :

Tàu nhóm này làm việc trên nguyên lý thuỷ động lực Tàu sử dụng lực nâng của cánh chìm, chạy trong nước, nâng tàu lúc chạy gọi là tàu cánh ngầm Cánh của tàu được dùng thường thấy là cánh máy bay, được bẻ gập thành chữ V chạy ngầm trong nước và dạng thanh trượt, nâng thân tàu Trong nhóm tàu làm việc theo nguyên tắc thuỷ động lực còn có các tàu lướt Tàu có kết cấu đáy dạng tấm trượt, thường được gập thành hình chữ V Tấm trượt khi lướt trong nước tạo lực nâng, và lực này nhấc một phần tàu lên, giảm thể tích chiếm nước khi chạy

c, Nhóm thông dụng nhất là tàu hoạt động trên nguyên lý của định luật Ac-si-met

Trong trạng thái đứng yên cũng như trạng thái khi chạy lực đẩy tàu từ dưới lên, gọi là lực nổi

do nước tác động, luôn cân bằng với trọng lượng toàn tàu trong trạng thái ấy Trong nhóm này bao gồm các loại tàu chạy sông, tàu đi biển như tàu chở hàng, tàu chở dầu, tàu khách nói chung, tàu kéo, tàu đánh cá … Xét thân tàu, đặc biệt phần thân chìm dưới nước có thể thấy, trong nhóm này có tàu một thân, tàu nhiều thân

Tàu nổi phục vụ các mục đích dân sự có thể chia thành các nhóm căn cứ vào chức năng tàu

Nhóm 1 :

Tàu vận tải hàng hoá, tàu khách đi biển và tàu vận tải chạy sông, hồ: Hàng hoá do tàu vận

chuyển rất đa dạng, từ hàng rời, hàng đóng kiện, hàng đóng trong thùng tiêu chuẩn, hàng lạnh, hàng lỏng… Trong nhóm này tàu vận tải hàng khô tổng hợp ra đời sớm, số lượng đông nhất Tàu nhóm

này có sức chở từ vài trăm DWT chạy ven biển đến những tàu sức chở đến 14.000 DWT chạy đường dài Tàu đa chức năng thường vận chuyển hàng hoá đi khắp thế giới khi có đơn đặt hàng, song không bắt buộc theo lịch trình

Tàu liner thuộc nhóm chạy theo lịch trình, theo tuyến đường xác định và thông thường chở

những mặt hàng cũng gần như chuẩn hoá

Tàu chở hàng thùng (Tàu container) ra đời trong cách mạng vận chuyển hàng, chạy nhanh

hơn loại tàu chở hàng khô tổng hợp vừa nêu, sức chở cũng lớn hơn

Tàu chở hàng lỏng (tanker) : hiện tại có kích thước lớn nhất, sức chở lớn nhất

Tàu chở khí hoá lỏng : gồm hai kiểu là tàu chở khí thiên nhiên hoá lỏng và tàu chở khí công

nghiệp hoá dầu dùng chở khí hoá lỏng ở nhiệt độ rất thấp, ví dụ dến -162oC cho tàu LNG

Tàu chở hàng rời : được chuyên nghiệp hoá để vận chuyển quặng, than đá, khoáng sản các

loại hạt rời không đóng gói Tàu có sức chở khá lớn, từ 100.000 dến 150.000 DWT hoặc lớn hơn

Tàu RO-RO : đưa hàng vào tàu và chuyển hàng ra theo phương thức vận chuyển ngang nhờ

thiết bị di động, khai thác với vận tốc lớn

Tàu chở xà lan (LASH): Nhận xà lan và đưa chúng ra khỏi tàu theo nguyên lý

Float-on/Float-off Xà lan chứa trên tàu mẹ đã được tiêu chuẩn hoá

Tàu chở gỗ : phát triển mạnh trước những năm 60 vận chuyển từ gỗ tròn đến gỗ thành phẩm

Tàu chở hàng lạnh : thuộc nhóm tàu vận tải hàng khô lạnh, chuyên chở rau quả, cá, thịt, thực

phẩm Nhiệt độ buồng lạnh trên tàu khoảng +5 đến -25oC theo yêu cầu bảo quản hàng khác nhau

Tàu chở xe, thiết bị chủ yếu dùng chở các loại xe, máy móc chuyên dụng…

Tàu khách chuyên dùng chở người qua lại sông, vịnh, còn gọi là Phà và các tàu khách đường

dài, cố định, chuyên ngành gọi là tàu tuyến cố định Tàu khách dùng để chở người hoặc chở người cùng hàng hoá Có thể phân biệt thêm, tàu vừa chở khách và hàng hoá còn có tên gọi tà hàng – khách Tàu du lịch chở khách tuyến ngắn, số lượng khách trên tàu không đông Tàu hoạt động tuyến

cố định thường có kích thước lớn, trang bị tiện nghi đầy đủ, lượng chiếm nước đến 70.000T, lượng khách đến 2000 người hoặc hơn nữa

Nhóm II : Tàu dịch vụ

Tàu chuyên ngành hay tàu công tác trên biển, trong cảng Nhóm tàu này đa dạng, chuyên sâu vào một hay một số lĩnh vực phục vụ kỹ thuật Tàu kéo và tàu đẩy các đoàn tàu vận tải Nhóm tàu này thường thiết kế và chế tạo tuỳ thuộc vùng sử dụng gồm tàu kéo chạy sông, cảng, tàu ven biển và tàu đi biển Tàu cứu hộ trang bị máy đủ mạnh, hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, đảm bảo công việc cứu người, tàu… khi có yêu cầu Tàu đảm bảo hàng hải có tàu thả phao, tàu công trình như tàu cuốc bùn, tàu hút bùn làm công tác lạo vết luồng lạch, cảng, tàu đặt cáp ngầm Các tàu chạy nhanh phục vụ các mục đích khác nhau như tàu hoa tiêu, tàu hải quan, tàu kiểm ngư…

Nhóm III : Nhóm tàu công nghiệp

Tàu phục vụ khai thác dầu khí ngoài khơi gồm các tàu làm dịch vụ cung ứng, tàu đặt ống

ngầm, cần cẩu nổi, giàn khoan nổi gồm giàn nửa chìm và giàn tự nâng, tàu khoan và các công trình nổi phục vụ sản xuất trên biển Tàu khoan phục vụ khoan thăm dò vùng biển có độ sâu đến 500m Các trạm chứa dầu không bến FPSO làm chức năng chứa dầu vừa khai thác tại vùng biển xác định

là nhóm tàu ra đời chỉ vài mươi năm lại đây

Tàu đánh bắt cá và chế biến cá Tàu cá chiếm tới 5% tải trọng của đội tàu trên thế giới Tàu

đánh bắt gồm tàu lưới kéo, tàu lưới vây, tàu làm nghề lưới rê… Tàu chế biến ở dạng những cơ sở sản xuất khá lớn trên biển

PHẦN I : LÝ THUYẾT THIẾT KẾ TÀU THUỶ

∑

=

= n

i i

P D

1 trong đó: D - lượng chiếm nước trọng lượng, T; Pi - trọng lượng thành phần thứ i, T Lượng chiếm nước D được hợp thành bởi hai nhóm trọng lượng Nhóm thứ nhất bao gồm các trọng lượng không thay đổi trong quá trình khai thác và được coi là trọng lượng tàu không hay còn gọi là lượng chiếm nước tàu không (ký kiệu: Dtk) Nhóm này có ảnh hưởng đáng kể đến giá thành đóng mới và các chi phí khai thác sau này của tàu thiết kế Nhóm thứ hai bao gồm các trọng lượng thay đổi và chúng sẽ hợp thành trọng tải của tàu (ký hiệu: Pn)

1.2 Nguyên tắc phân chia các trọng lượng thành phần:

Các trọng lượng thành phần hợp thành lượng chiếm nước (LCN) của tàu ứng với một trạng thái tải trọng xác định sẽ được phân chia theo nguyên tắc phân nhóm có cùng tính chất

Mỗi trọng lượng thành phần Pi sẽ được thể hiện bằng chữ P với chỉ số là một dãy 5 cặp số trong dãy số tự nhiên Tuỳ theo mức độ phân nhóm mà mỗi thành phần trọng lượng sẽ được viết cụ thể với các chỉ số là một hoặc nhiều cặp số nhưng không quá 5 Khi sử dụng các số liệu thống kê từ tàu mẫu với cách phân chia trọng lượng thành phần theo nguyên tắc cũ cần chú ý đến nguyên tắc vừa nêu nhằm tránh nhầm lẫn Trong bảng 1.1 sẽ giới thiệu cách phân chia các trọng lượng thành phần đối với các tàu vận tải dân dụng theo nguyên tắc vừa nêu ở trên

Bảng 1.1

Kí hiệu Các đặc

trưng

Tên gọi các trọng lượng thành phần

Mã hoá theo tiêu chuẩn Theo mã

số

Theo công dụng

Trang thiết bị thuyền viên 13 P13 Ptbtv

Thuyền viên, lương thực, thực phẩm, nước

1.3 Lượng chiếm nước tàu không, dự trữ lượng chiếm nước

Các thành phần trọng lượng cố định sẽ hợp nên lượng chiếm nước tàu không Tham gia vào

LCN tàu không còn có cả dự trữ lượng chiếm nước Nó chỉ được tính đến trong giai đoạn thiết kế

và đóng mới nhằm bù đắp sự vượt quá trọng lượng do việc sử dụng các số liệu thống kê không đủ

độ tin cậy, do không tính đến một vài thành phần trọng lượng chiếm tỷ lệ nhỏ so với các thành phần

trọng lượng khác trong giai đoạn thiết kế ban đầu và do một vài lý do không quan trọng khác.v.v Điều này chứng tỏ rằng càng tích luỹ được nhiều kinh nghiệm trong tổ chức thiết kế, càng giám sát chặt chẽ mức chi phí nguyên vật liệu cho quá trình gia công chi tiết bao nhiêu càng giảm được dự trữ lượng chiếm nước bấy nhiêu

Tham gia vào các thành phần trọng lượng thay đổi gồm có dự trữ nhiên liệu, nước cấp cho nồi hơi, dầu mỡ bôi trơn, thuyền viên kể cả hành lý, dự trữ lương thực, thực phẩm, nước ngọt Trọng tải của tàu dân dụng có thể được viết dưới dạng:

=

= + + + +

14

i i i d

hl nl h tv

P (1.1)

1.5 Hệ số lợi dụng lượng chiếm nước

a Hệ số lợi dụng lượng chiếm nước theo trọng tải

Trọng lượng của tàu và lượng chiếm nước của nó có quan hệ với nhau thông qua định luật Ac-si-met :

D = γ V = k γ δ LBT , (1.5) trong đó: γ - trọng lượng riêng của nước, T/ m3 ; V – thể tích lượng chiếm nước, m3; Biểu thức (2.2) được gọi là phương trình lực nổi

1.7 Trọng lượng thân tàu

Trọng lượng thân tàu được mã hoá theo nguyên tắc đã được nêu ở phần phân chia trọng lượng Trọng lượng này bao gồm:

0101- nhóm trọng lượng vỏ thép;

0102- nhóm các trọng lượng kết cấu gia cường và bệ máy;

0103- nhóm các trọng lượng thuộc các chi tiết riêng;

0104- nhóm các trọng lượng thuộc phần kết cấu phi kim loại ;

0105- nhóm các trọng lượng sơn, bọc lót;

0106- nhóm các trọng lượng cách nhiệt và bảo vệ;

0107- nhóm trọng lượng không khí đọng lại trong thân tàu thấp hơn đường nước

tính toán mà áp lực của chúng không cân bằng được với áp lực khí quyển; 0108- nhóm các trọng lượng trang thiết bị phòng ở

Để xác định trọng lượng thân tàu đối với tàu thiết kế ta có thể sử dụng hàng loạt các công thức được biểu diễn đưới dạng hàm số cuả lượng chiếm nước, các thông số kích thước chính, hệ số béo chung

Nhóm công thức đơn giản nhất được viết dưới dạng sau:

Pv = P01 = pvD = p01D; (1.6) Trọng lượng thân tàu còn có thể được xác định bằng nhóm công thức khác

p

LBH q D p

v v

v v

q

v = γ δ (1.9) Một số giá trị tiêu biểu cho các kiểu tàu thông dụng :

Kiểu tàu pv (kG/m3)

Tàu hàng cỡ nhỏ 105 – 95

Tàu hàng cỡ lớn 95 – 100

Tàu chở hàng rời 115 – 100

1.8 Trọng lượng thiết bị và hệ thống tàu

Các thành phần trọng lượng thiết bị (02) và hệ thống tàu (03) thực chất đã được tách ra từ trọng lượng thân tàu (01) Khi có các số liệu thống kê từ tàu mẫu phù hợp với tàu thiết kế ta có thể

sử dụng các công thức sau đây để xác định các thành phần trọng lượng nêu trên :

Ptb = P02 = p02D; (1.10)

Ptb = P02 = q02 LBH (1.11)

Pht = P03 = p03 D; (1.12)

Pht = P03 = q03LBH (1.13) Nếu trong nhiệm vụ thư thiết kế đòi hỏi phải trang bị các hệ thống và thiết bị mới, hiện đại hơn thì cần phải tiến hành điều chỉnh hai thành phần trọng lượng nêu trên của tàu mẫu trước lúc có

ý định sử dụng chúng để tính toán cho tàu thiết kế Nếu tàu thiết kế lớn hơn tàu mẫu một cách đáng

kể thì cần lấy trọng lượng đơn vị mà ở đó trọng lượng thành phần tăng chậm hơn lượng chiếm nước Trong trường hợp này các công thức tính toán trọng lượng thiết bị tàu và trọng lượng hệ thống sẽ có dạng:

1.9 Trọng lượng thiết bị năng lượng

Trọng lượng thiết bị năng lượng có quan hệ mật thiết với công suất của nó và được xác định

bởi công thức sau:

P04 = Pm= pmN = p04N, (1.18) trong đó: pm = p04 – trọng lượng đơn vị của thiết bị năng lượng; N – công suất của thiết bị năng lượng, kW

Các đại lượng pm = p04 và N đặc trưng cho trọng lượng toàn bộ của thiết bị năng lượng bao gồm trong đó động cơ chính ( động cơ đốt trong hoặc tuốc-bin v.v.) bộ truyền động (hộp số.v.v.), nồi hơi chính, các máy phụ của buồng máy và nồi hơi, các loại két chứa nhiên liệu và dầu mỡ trực nhật, tôn lát sàn và cầu thang buồng máy, thiết bị thông hơi, thông gió buồng máy, hệ thống đường

ống có liên quan đến hoạt động của thiết bị năng lượng, trục dẫn động và thiết bị đẩy(chong chóng, chân vịt v.v.), hệ thống điều khiển thiết bị năng lượng

Trọng lượng đơn vị pm = p04 phụ thuộc vào kiểu và công suất của động cơ, loại tàu, số lượng trục dẫn của thiết bị đẩy và mức độ hiện đại hoá của hệ thống thiết bị năng lượng Công suất của thiết bị năng lượng tăng thì trọng lượng đơn vị sẽ giảm

Thống kê một số phương pháp tính trọng lượng đơn vị :

Tuabin hơi nước : pm = 1/3

)(

2001600

50950

1001050

80800

e

P

±

1.10 Trọng lượng hệ thống năng lượng điện, liên lạc nội bộ và điều khiển tàu

Thành phần trọng lượng này mang mã số “05” và được ký hiệu P05 (Phtđ) Nó được hợp thành từ các nhóm và phân nhóm trọng lượng sau: nguồn cung cấp năng lượng tổ hợp diesel-máy phát, bộ biến dòng, biến thế điện, acquy, thiết bị bảo vệ hệ thống điện và các thiết bị phân tải khác,

hệ thống cáp điện, hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng điện, hệ thống điều khiển tự động điện tổ hợp thiết bị năng lượng v.v , thiết bị liên lạc nội bộ và điều khiển tàu

Thành phần trọng lượng P05 sẽ được xác định như sau:

P05 = Phtđ = phtđD = p05D (1.19)

P05 = Phtđ = qhtđLBH = q05LBH (1.20) hoặc theo nhóm các công thức khác

P05 = Phtđ = p’05D2/3 (1.21)

P05 = Phtđ = q’05(LBH)2/3 (1.22) Hiện nay trên một số các tàu vận tải dân dụng và các tàu có công dụng đặc biệt cũng được trang bị một số lượng tối thiểu các phương tiện ( kể cả vũ khí) nhằm phục vụ cho công tác thăm dò, khảo sát (như máy bay lên thẳng) và bảo vệ sinh mệnh cho thuỷ thủ đoàn khi bị các tổ chức khủng

bố trên biển tấn công Vì vậy trong tính toán trọng lượng tàu người thiết kế cần căn cứ vào nhiệm vụ thư và các yêu cầu riêng của phía người đặt hàng để quyết định phương án bổ sung thành phần trọng lượng này Thành phần trọng lượng này được ký hiệu P07

1.11 Trọng lượng phụ tùng dự trữ Trang bị thuyền viên

Thực tế các trang thiết bị máy móc trên tàu luôn đòi hỏi một lượng dự trữ tối thiểu các vật tư phụ tùng thay thế hoặc sửa chữa đột xuất, vì lý do trên thành phần trọng lượng dự trữ bộ phận P09

này cần được tính đến

Trọng lượng trang bị thuyền viên mang mã số 13 và được ký hiệu P13 (Ptbtv) Cũng giống như trọng lượng P09 thành phần trọng lượng này rất đa dạng về chủng loại và thường được xác định theo yêu cầu của bên đặt hàng

1.12 Trọng lượng dằn và hàng lỏng cố định

Trọng lượng dằn cố định (10) được coi là một trong những thành phần hợp thành lượng chiếm nước tàu không Nó bao gồm hai nhóm : dằn rắn (1001) và dằn lỏng (1002) Cả hai nhóm đều được dùng để cải thiện tính ổn định cần thiết hoặc chiều chìm cho tàu ở trạng thái khai thác khi không đạt được bằng các phương tiện khác

1.13 Dự trữ lượng chiếm nước và ổn định

Xác định đúng đắn lượng chiếm nước của tàu sẽ có ý nghĩa rất lớn đối với việc tính toán tiếp theo Nếu do việc tính toán thiếu chính xác, lượng chiếm nước của tàu có khả năng bị giảm thì trong quá trình xây dựng các bản vẽ thi công và đóng mới lượng chiếm nước của tàu có thể tăng so với tính toán ban đầu và sẽ gây nên hiện tượng “dư” trọng lượng, do vậy sẽ làm tăng chiều chìm, giảm chiều cao mạn khô gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng hành hải của tàu

Để khắc phục hậu quả nêu trên cần đưa thêm vào bảng trọng lượng tàu “dự trữ lượng chiếm nước” Song dự trữ lượng chiếm nước được sử dụng trong thiết kế sẽ dẫn tới làm tăng kích thước chủ yếu của tàu Vì ở giai đoạn thiết kế ban đầu cần xác định lượng chiếm nước toàn tải nên dự trữ lượng chiếm nước sẽ được xác định theo công thức sau

P11 = PD = p11D = p’

11Dtk,, (1.23) Đồng thời với việc xác định dự trữ lượng chiếm nước là vấn đề về dự trữ ổn định (đặc biệt là

ổn định ban đầu), mà nó sẽ được đảm bảo bởi việc nâng cao trọng tâm tính toán hoặc giảm chiều cao ổn định tính toán ban đầu

Trong trường hợp không có tàu mẫu gần với tàu thiết kế khi xác định các kích thước chính của tàu ở giai đoạn thiết kế ban đầu dự trữ ổn định có thể được lấy từ 15 – 20 cm (20 cm đối với tàu

có Dtk < 1000 T, 15 cm đối với tàu có Dtk > 1000 T) Khi có tàu mẫu phù hợp dự trữ ổn định sẽ được giảm tương ứng 5 cm Khi chuyển từ giai đoạn thiết kế sơ bộ sang giai đoạn thiết kế kỹ thuật

dự trữ ổn định sẽ được giảm tương ứng 2 cm Dự trữ ổn định trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật sẽ được duy trì cả trong giai đoạn thiết kế thi công và đóng mới

1.14 Trọng lượng “ Thuyền viên, dự trữ lương thực, thực phẩm, nước ngọt "

Thành phần trọng lượng thuyền viên, dự trữ lương thực, thực phẩm, nước ngọt mang mã số 14 Chúng được hợp nên bởi trọng lượng thuyền viên kể cả hành lý, dự trữ lương thực, thực phẩm,

nước ngọt (bao gồm nước phục vụ cho ăn uống, tắm rửa, giặt) cũng như các vật liệu hao phí khác cần thiết cho tàu trong quá trình khai thác Riêng đối với tàu công nghiệp hải sản thành phần trọng lượng P14 còn bao gồm cả trọng lượng của cán bộ, công nhân chuyên nghiệp phục vụ cho quá trình gia công chế biến hải sản

Đối với các tàu hàng hiện đại P14 có thể được xác định bằng công thức sau

Ptv = P14 = p14D (1.24) hoặc

Ptv =P14 = p’14D2/3 (1.25)

Ngoài ra trong giai đoạn thiết kế ban đầu thành phần trọng lượng nêu trên cũng có thể được xác định căn cứ vào định mức tiêu hao lương thực, thực phẩm, nước ngọt cho mỗi cấp thuyền viên trung bình cho mỗi người trong một ngày đêm

1.15 Trọng lượng hàng chuyên chở

Trọng lượng hàng hoá mang mã số 15 và được ký hiệu P15 hoặc Ph Nó là thành phần trọng lượng chủ yếu của tàu vận tải hàng hoá Độ lớn của thành phần trọng lượng này được gọi là sức chở hàng và đôi khi cũng được gọi là trọng lượng hàng tinh Nó được coi là đặc trưng quan trọng của tàu vận tải, đặc biệt đối với tàu chở hàng

Hệ số lợi dụng lượng chiếm nước theo trọng lượng hàng hoá (1.4) chính là giá trị tương đối của sức chở hàng và thường được lựa chọn ngay trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế và được coi là đặc trưng cơ bản của tàu vận tài nói chung và tàu chở hàng nối riêng

Cần nhận thấy rằng, tham gia vào thành phần trọng lượng hàng còn có cả trọng lượng hành khách kể cả hành lý, lương thực, thực phẩm, nước ngọt cho hành khách

1.16 Trọng lượng “Hàng lỏng thay đổi”, “Dằn lỏng”,

Hạng mục trọng lượng tham gia vào thành phần trọng lượng P17 “ Hàng lỏng thay đổi” thường

bị giới hạn Đó chính là nước trong các két giảm lắc, két chứa nước thải và bể bơi

Dằn lỏng được bố trí trên tàu nhằm mục đích cải thiện tính ổn định cho tàu trong khai thác, đảm bảo chiều chìm tối thiểu, khắc phục hiện tượng nghiêng ngang và chúi khi tàu bị sự cố

Trên hàng loạt các tàu hàng thường chiều ngược lại hầu như không hàng vì vậy buộc phải tiếp nhận lượng dằn đáng kể để đảm bảo chiều chìm mũi chống lại hiện tượng “sleming”, đảm bảo độ ngập sâu cho chong chóng

Trọng lượng P19 “ Hàng, trang thiết bị, dự trữ bổ sung” chỉ có ý nghĩa đối với những tàu không tuân thủ dấu hiệu đường nước chở hàng, có nghĩa là đối với những tàu mà chiều chìm và mạn khô không được tiêu chuẩn hoá

1.17 Trọng lượng “Dự trữ nhiên liệu, dầu mỡ bôi trơn, nước cấp cho nồi hơi”

Thành phần trọng lượng này được ký hiệu là P16 hay Pnl và thường được gọi là trọng lượng dự trữ nhiên liệu, vì chúng chiếm tỷ lệ chủ yếu trong thành phần nêu trên

Pnl = Pcđ + Pdm + Pnc hoặc P16 = P1601 + P1602 + P1603, (1.26) trong đó: Pcđ = P1601 – trọng lượng dự trữ chất đốt cho động cơ và cho các nhu cầu khác của

tàu;

Pdm = P1602 – Trọng lượng dự trữ dầu mỡ bôi trơn;

Pnc = P1603 – Trọng lượng nước cấp cho nồi hơi

Trong trường hợp đậc biệt có thể phải tính cả lượng dự trữ chi phí cho viêc sưởi nóng hàng hoá chuyên chở, ( ví dụ, dầu thô, các loại hàng lỏng khác)

Như vậy ta có thể xác định trọng lượng nhiên liệu theo công thức sau

Pnl = P16 = knlPcđ, (1.27) trong đó hệ số

= + + = 1 , 09 ± 0 , 03

cd

nc dm cd nl

P

P P P k

Trọng lượng dự trữ chất đốt cũng có thể tính theo công thức sau

Pcđ =kMt pnlN, (1.28)

trong đó: kM- hệ số dự trữ đi biển có tính đến mức độ tăng chi phí nhiên liệu chủ yếu do tăng thời gian hành trình vì tàu gặp bão, ngược dòng chảy và một phần do trong thời gian tàu đỗ bến có một

số máy móc thiết bị vẫn hoạt động ; t – thời gian hành trình ; pnl – suất tiêu hao nhiên liệu, T/kW.h;

N – tổng công suất của tổ hợp năng lượng, kW

C

v D r p k k P P

n m nl M nl nl

−

=

= (1.30)

D (2.1)

Biểu thức (2.1) được gọi là phương trình trọng lượng

Phần lớn các trọng lượng tham gia vào công thức (2.1) có thể được biểu diễn dưới dạng hàm số của lượng chiếm nước P(D), phần còn lại P được cho trước hoặc được biểu diễn độc lập với lượng chiếm nước D Bởi vậy có thể viết

D = P(D) + P (2.2) Phương trình (3.2) có thể được giải bằng phương pháp đồ thị như đã chỉ ra trên hình 2.1 Tại giao điểm của đường cong P(D) + P với đường thẳng biểu diễn lực nổi D = D ta sẽ tìm được nghiệm của phương trình (2.2) Tại điểm này sẽ thoả mãn định luật Achimede vì lượng chiếm nước thể tích V mà nó được xác định bằng các kích thước và hệ số béo chung sẽ tương ứng với trọng lượng tàu D Từ hình 2.1 chúng ta nhận thấy rằng phương trình (2.2) có một nghiệm Nếu như hàm P(D) tiếp tục tăng, để có đạo hàm P’(D) >1 thì phương trình (2.2) có thể có nghiệm thứ hai Song trong thực tế chỉ cần tìm được nghiệm thứ nhất là đủ vì nghiệm này hoàn toàn ứng với lượng chiếm nước tối thiểu

Phương trình (2.2 ) có thể chuyển thành dạng:

D – P(D) – P = 0 (2.3) Trong trường hợp này nghiệm của phương trình sẽ là giao điểm của D-P(D) -P với trục hoành

2.2 Lập và giải phương trình trọng lượng

Phương trình (2.2) được biểu diễn dưới dạng

P(D) = (p01 + p11 )D + (p02+p03+ )D2/3+

+ (p04v2,5 +p16knlkMv1,5r)D1/2/C (2.6) Các biểu thức (2.5) và (2.6) có thể được viết dưới dạng tổng quát hơn

P(D) = AD +ED2/3 (2.7) P(D) = AD + ED2/3+ KD1/2

(2.8) Như vậy phương trình trọng lượng tương ứng với biểu thức (2.7) và (2.8) có dạng

D = AD +ED2/3 + P (2.9)

D = AD + ED2/3+ KD1/2

+ P (2.10) Đặt X = D1/3 phương trình (2.10) sẽ được chuyển về dạng phương trình đại số bậc ba và sẽ được giải bằng một trong những phương pháp đã biết

2.3 Một số dạng phương trình trọng lượng Phương trình hệ số lợi dụng lượng chiếm nước

Khi thiết kế tàu kéo, tàu đẩy thường cho biết trước công suất máy chính Như vậy trọng lượng máy hoàn toàn được xác định và được coi là trọng lượng độc lập với sự thay đổi của lượng chiếm nước Thay cho tốc độ, thời gian vận hành của thiết bị năng lượng trong một chu kỳ công tác của tàu cũng được cho trước Vì vậy phương trình trọng lượng trong trường hợp này được viết lại dưới dạng phương trình bậc nhất

D = (p01 + p02 + .+ p11+ .) D + (pm+pnlknlkMt)N

Từ đó

N

p p

p

t k k p p

Thường trong một số nhiệm vụ thư thiết kế không cho biết trước sức chở hàng mà là trọng tải Trong trường hợp này phương trình sẽ có dạng sau:

D = ( p01 + p02 + p03 + p05 + p07 + p09 + p10 +

+ p11 + p12 + p13 )D + P04+Pn (2.12) Nếu chia tất cả hai vế phương trình (2.12) cho D ta sẽ nhận được

(2.4)

1 = p01 + p02 + p03 + p05 + p07 + p09 + p10 + p11 + + p12 + p13 + P04/D

và từ đó rút ra

ηD = p01 - p02 - p03 - p05 - p07 - p09 - p10 - p11 - p12 - p13 - P04/D (2.13)

Biểu thức (2.13) được gọi là phương trình hệ số lợi dụng lượng chiếm nước theo trọng tải

2.4 Ảnh hưởng của sự thay đổi các tham số và trọng lượng độc lập đến trọng lượng tàu Hệ số Normand

Nếu làm xuất hiện gia số của hàm P(D) và của thành phần trọng lượng độc lập P tham gia vào phương trình trọng lượng thì dạng các đường cong biểu diễn tương ứng của chúng cũng thay đổi theo (hình 3.3) Điểm giao nhau của đường cong ΣP1 = P1(D) + P1 với đường thẳng

D = D sẽ xác định vị trí của điểm A1, còn điểm giao nhau của đường cong ΣP0 = P0(D) + P0 (chỉ số “0” tương ứng với giá trị ban đầu) với đường thẳng D = D sẽ xác định vị trí của điểm A0

Hình 2.3 Sự thay đổi lượng chiếm nước của tàu thiết kế khi thay đổi các tham số

Khi thay thế đường cong ΣP1 = P1(D) + P1 bằng tiếp tuyến với nó tại điểm F và coi gần đúng rằng điểm A1 nhận được nhờ cắt tiếp tuyến này với đường thẳng D = D, chúng ta sẽ viết được

từ đó ( )1 ( )1 .

dD

D dP FG dD

D dP G

và A1E = A0E = ΔD = A0F + A1G = ΔP(D0) + ΔP + ΔD.dP1(D)/dD (2.14) Như vậy, sự xuất hiện của số hạng thứ ba ( cuối cùng ) trong công thức (2.14) là do sự tăng của hàm mới P1(D) khi chuyển từ điểm F tới điểm A1 và do đó làm tăng lượng chiếm nước của tàu

để đạt được sự cân bằng giữa trọng lượng tàu và lực nâng D = γV

Từ biểu thức (2.14) ta có thể nhận được

D P D P

dD

D dP

D − Δ = Δ + Δ

và .

) ( 1

) (

1 0

dD

D dP

P D

P D

−

Δ + Δ

tố kinh tế-kỹ thuật) Normand là người đầu tiên đã chỉ ra sự tồn tại của quy luật này và sau này V

C Dorin và I V Vinnograd đã chính xác hoá thêm

Hệ số ηN được gọi là hệ số thay đổi lượng chiếm nước hoặc còn gọi là hệ số Normand

Để xác định được hệ số Normand ta cần tìm được đạo hàm của hàm P1(D) theo lượng chiếm nước Giá trị của đạo hàm này sẽ được tính ứng với D = D0

Hàm số P1(D) mà trong đó có sự thay đổi các tham số được biểu diễn như sau:

P1(D) = Pv1 + Ptb1 + Pht1 + Pm1 + .+ PΔD + + Pnl + (2.21) Đạo hàm của hàm số này theo D có dạng

1( ) = 1 + 1 + 1 +

dD

dP dD

dP dD

dP dD

D

(2.22) Biểu diễn các trọng lượng tham gia vào công thức (2.22) dưới dạng hàm của D và các tham số thay đổi ta sẽ có

, ) ( )

1 1

dD

D dP D

D P FG

G

Δ Δ

=

r C

v D k k mp

C

v D mp p

p p p dD

D dP

n m M nl nl

n m m D

tb ht v

1

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1

1 1 1

2 )

1

D

P D

P m D

P D

P D

P D

P dD

D

+ +

+ + +

2 )

(

0

1 0

1 0

0

1 0

1 0

1 0

1

D

P D

P m D

P D

P D

P D

P dD

D

+ +

+ + +

+

(2.24) Cần chú ý rằng, tất cả các trọng lượng phụ thuộc vào D cũng đều là hàm của các tham số thay đổi, bởi vậy tỷ số của chúng với D0 trong trường hợp tổng quát sẽ không bằng tỷ số tương tự đối với tàu mẫu Tỷ số Pv1/D0 và các tỷ số khác đặc trưng cho trọng lượng của tàu mẫu “thay đổi” có lực nổi không bằng trọng lượng của nó

Để sử dụng các số liệu về trọng lượng của tàu mẫu, cần tính Pv0 = pv0D; Pv1 = pv1D, do đó khi thay đổi lượng chiếm nước Pv1 =(pv1/pv0)Pv0

Như vậy

0;

1 0 0

0 1 1

m

n m

C v p

C v p

P =

1 0

1 0 0 0 0

0 1

1 1 1 1 1

M nl nl

n M nl nl

C r v k k p

C r v k k p

+ +

+ +

0

0 1 0

1 0 0 0 0

1 1

1 1 1 1 1 0

0 1 0 0

0 1 1

0

0 0

1 0

0 ' 0

' 1 0

0 0

1 0

1

3

2 1

1 )

( 1 1

D

P C r v k k p

C r v k k p m D

P C v p

C v p m

D

P p

p D

P p

p D

P p

p dD

D dP

nl n

M nl nl

n M nl nl m

n m

n m

D D

D tb

tb

tb v

v v N

Các hệ số ηN và ηh là đặc trưng quan trọng của trọng lượng tàu

Theo (2.2) đối với tàu mẫu D0 =P(D0) + P0

Đối với các tàu chở hàng thành phần trọng lượng độc lập được cấu thành chỉ bởi trọng lượng hàng hoá, có nghĩa là Ph = P = ηhD0 và D0 = P0(D0) + ηhD0

η (2.28) Biến đổi biểu thức (2.27) chúng ta sẽ nhận được

0

0 0

0

0 0

0

0 0 0

0 0 0

0 0

0

0 0

) 1 (

3 1

) (

D

P P m D

P P

D

P P D

P P D

P P dD

D dP

nl m ht

tb

nl m ht

tb D

v

+

−

− + +

−

+ + + + +

0 0 0

0 0

0

3

1 )

(

D

P P m D

P P D

P D dD

D

−

− + +

0

0 0

0 0

0 0

3

1 3

2 3

2

3

1 1

) (

D

P P

D

P P

P D dD

D dP

D v

h

h D v

h

Δ

Δ

+ +

3

1 3

2 3

2 1

−

=

η η

và cuối cùng

0

0 0

1 2

Chương 3

XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU CỦA TÀU

Để xác định kích thước chủ yếu của tàu bắt đầu từ phương trình trọng lượng

3.1 Xác định các kích thước chủ yếu và hệ số béo thể tích của tàu với lượng chiếm nước đã biết

Phương trình lực nổi là cơ sở chủ yếu cho phép xác định các kích thước chủ yếu của tàu Nếu

ta coi D, k, γ đã biết thì phương trình (2.2) sẽ chứa 4 ẩn số : δ, L, B, T

Chiều dài tính toán L có thể được biểu diễn dưới dạng hàm số của tốc độ và lượng chiếm nước L = f(v, V)

Mối quan hệ này thường thể hiện dưới dạng sau:

Hệ số béo δ thường được biểu diễn dưới dạng hàm của tốc độ tương đối Fr , có nghĩa là

δ

Chiều rộng và chiều chìm của tàu có quan hệ với ổn định ban đầu: Tỷ số B/T = bT là hàm số của chiều cao ổn định ngang ban đầu và một vài đặc trưng khác của tàu

Lập và giải phương trình ổn định là phương pháp chính xác nhất để xác định bT

Trong một vài trường hợp có thể sử dụng đại lượng lB = L/B thông qua l và bT thay cho

l = L/3 V

)

/ ( ) / (

1

3 / 1 3 / 1 3 / 1 3 / 2 3

3 / 1 3

/ 2

3 3

3 3

δ δ

k b l k

T B B L

LBT

L k

LBT k

L V

L l

T B

(3.2)

Như vậy

lB = k1/2δ1/2l3/2bT-1/2 (3.3) Các mối quan hệ nêu trên cho phép lập được hệ phương trình để các định δ, L, B, T Hệ phương trình này có dạng sau:

f V

L l LBT k

D γδ ; ( ); δ

3

Có thể giải hệ phương trình này theo trình tự sau:

1) Xác định l = f(v) theo tốc độ đã cho trước v và sau đó là L = l 3 D / γ ;

tính số Fr = v / gL và δ theo tốc độ v và chiều dài L;

2) Nhận giá trị bT = B/T từ phương trình ổn định theo chiều cao tâm nghiêng ngang tương đối h = h/B

Như vậy có thể nhận được hai phương trình sau:

Có thể xác định sơ bộ công suất động cơ chính bằng hàng loạt các đồ thị và bảng biểu diễn mối quan hệ giữa công suất máy với các yếu tố kích thước chủ yếu và hệ số béo δ của tàu thiết kế Thực tế, ta có thể chia ; P(δ, L, B, T, v, r, C, ) ra hai nhóm: F(δ, L, B, T, ), được hợp nên bởi các trọng lượng không phụ thuộc vào công suất máy và nhóm thứ hai sẽ phụ thuộc vào công suất bao gồm: trọng lượng máy và trọng lượng dự trữ nhiên liệu Như vậy có thể viết

P(N) = Pm + Pnl = pm N + knlkMpnlN r/v = (pm + knlkMpnlr/v)N (3.7) Đại lượng F(δ, L, B, T, ) có thể được viết lại dưới dạng khác nhờ các mối quan hệ đã được đưa ra trong chương hai Ví dụ ta có thể lập và giải phương trình trọng lượng đối với các tàu dân dụng khi trọng lượng thân tàu và hàng loạt các thành phần trọng lượng khác được biểu diễn dưới dạng hàm số của LBH:

P(δ, L, B, T, )=P01+P02+ +P11+ =q01LBH +(q’02+q’03+ ) (LBH)2/3+p11kγδLBT + Như vậy , phương trình (4.6) trong trường hợp này sẽ được viết lại dưới dạng

kγδLBT – q01LBH – (q’

02 + q’

03+ )(LBH)2/3 –p11kγδLBT –

- (pm + knlkMpnlr/v)N – P =0 (3.8) Lượng chiếm nước cũng có thể được biể diễn qua chiều dài tương đối l và chiều dài tàu L:

D = kγδLBT= γ(L/l)3 (3.9)

Mô đun khối LBH cũng có thể được viết lại dưới dạng

1

3

T

h l

L k T

H k

LBT k

λδ

(3.10) Cần chú ý rằng hT = H/T là đặc trưng dung tích của tàu

Biến đổi phương trình (3.8) có để ý đến (3.9) và (3.10) ta nhận được

0

1

2 3

/ 2 '

03

' 02

3 01

r p k k p

l

L k

h q

q l

L k

h q p

nl M nl m

T T

δ δ

γ

(3.11)

Phương trình này có thể giải được bằng phương pháp đồ thị hoặc bằng phương pháp thế

3.3 Phương trình trọng lượng dạng vi phân của các kích thước chủ yếu và hệ số béo δ

Phương trình dưới dạng này được áp dụng khá phổ biến hơn so với phương trình dưới dạng đại số Sự thay đổi của lượng chiếm nước và do đó làm thay đổi V có thể diễn ra nhờ thay đổi các trọng lượng đơn vị, các yếu tố kinh tế-kỹ thuật (v, r) cũng như các đại lượng δ, L, B, T

Như vậy

ΔD = ΔP(D0) + ΔP + ΔP1(D0) , (3.12) trong đó ΔP(D0) = P(δ0, L0, B0, T0, H1, v1, r1, p1, .) – P(δ0, L0, B0, T0, H0, v0, r0, p0, .) – gia số của trọng lượng tàu mẫu nhờ thay đổi các tham số và H đạt đến giá trị của các đại lượng đã được thừa nhận trong thiết kế ứng với δ, L, B, T = const (chỉ số “0” thuộc về tàu mẫu, còn chỉ số “1” thuộc về tàu thiết kế); ΔP= P1 - P0 – gia số của các trọng lượng độc lập của tàu mẫu đạt đến trọng lượng tương ứng với tàu thiết kế; ΔP1(D0) = P(δ1, L1, B1, T1, H1, v1, r1, p1, .) - P(δ0, L0, B0, T0, H1,

v1, r1, p1, .) – gia số trọng lượng của tàu thiết kế do có sự thay đổi của δ, L, B, T khi chuyển từ điểm A0 đến A1

Như đã chỉ ra trên hình 2.3 : ΔP(D0) + ΔP = A0F

Các đại lượng ΔD, ΔP(D0), ΔP1(D0) có quan hệ với gia số của các kích thước chủ yếu và các tham số, ví dụ, ΔD với Δδ, ΔL, ΔB, ΔT Gần đúng có thể coi gia số ΔD = Δ( kγδLBT) là vi phân toàn phần :

.

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

T T

D B B

D L L

D D

dT T

D dB B

D dL L

D d D

dT T

D dB B

D dL L

D d

D dD D

Δ + Δ + Δ + Δ

≈ +

+ +

=

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

=

≈ Δ

δ δ

δ δ

δ δ

(3.13)

Tương tự

) (

) (

) ( )

( )

( )

(

0 0

0 0

0 0

+ Δ

∂

∂

≈ +

∂

∂ +

+

∂

∂ +

∂

∂

=

≈ Δ

v v

D P dp

p

D P

dr r

D P dv v

D P D

dP D

P

i i

và

) ( )

(

) ( )

( )

( )

(

) ( )

( )

( )

(

0 1 0

1

0 1 0

1 0

1 0

1

0 1 0

1 0

1 0

1

T T

D P B B

D P

L L

D P D

P dT T

D P dB B

D P

dL L

D P d

D P D

dP D

P

Δ

∂

∂ + Δ

∂

∂

+

+ Δ

∂

∂ + Δ

∂

∂

=

≈ Δ

δ δ

δ δ

Như vậy phương trình (3.12) sẽ được viết lại dưới dạng

( )

P p

p

D P r r

D P v v

D P T T

D P T

D

B B

D P B

D L L

D P L

D D

P D

i i

Δ + + Δ

∂

∂ + Δ

∂

∂ + Δ

∂

∂

= Δ

+ Δ

( )

0 1 0

0 1 0 0

1 0 0

3.4 Giải phương trình trọng lượng dạng vi phân

Phương trình (4.14) chứa 4 ẩn số bao gồm: δ, L, B, T Muốn giải phương trình này, về mặt nguyên tắc, cần bổ sung thêm 3 phương trình phụ được lập nên theo các giả thiết khác nhau:

1 Có thể nhận lB = L/B; bT = B/T là những đại lượng hằng số Đây là giả thiết đơn giản nhất cho phép xác định các đại lượng sau: B = L/lB; T = B/bT; ΔB = ΔL/lB; ΔT= ΔL/ (lBbT)

2 G Bud-nov cho rằng có thể nhận δ = const (Δδ = 0 ) Thay các đại lượng đã chọn ở trên vào phương trình (3.14) ta sẽ nhận được phương trình chỉ chứa một ẩn số L Phương trình này sẽ được giải bằng một trong những phương pháp đã biết

3 Kết quả nghiên cứu về tính vận hành và tính ổn định cho phép thiết lập các mối quan hệ giữa chúng với các yếu tố kích thước chủ yếu và hình dáng tàu Chính các mối quan hệ này sẽ được bổ sung vào phương trình (3.14) và cuối cùng ta sẽ nhận được phương trình chỉ chứa một ẩn số tuỳ chọn

Nhờ sử dụng công thức (6.33) ta có thể nhận được biểu thức sau:

+

− +

Δ +

= Δ

δ α

α δ

α

c T g

T T

k h k k

h k h

T

T B

B b T

B T T

B B b

/

74 , 1

trong đó: Δ h – sự thay đổi của chieu cao tâm nghiêng ngang tương đối

Độ lớn của thành phần thứ hai trong công thức (3.15) chỉ có ý nghĩa khi có sự thay đổi đáng

kể giá trị hT = H/T, có nghĩa là trong trường hợp cần tăng dung tích cho tàu thiết kế Như vậy, trong trường hợp ngược lại vế phải của phương trình (3.15) chỉ còn tồn tại thành phần 6 Δ h

Khi tính đến các yêu cầu vận hành buộc chúng ta phải khảo sát gia số đối với hệ số béo δ Gia số này có thể được biểu diễn dưới dạng hàm số của Δv và ΔL Ví dụ, đối với tàu hàng khô

có Fr ≤ 0,26 , giá trị trung bình của hệ số δ sẽ được xác định theo công thức sau:

δ = 1,09 – a.Fr = 1,09 – 1,68 v / gL

trong đó khi v tính bằng hl/giờ – a = 0,87; khi v tính bằng m/s – a = 1,68

Như vậy gia số Δδ sẽ được tính như sau:

, 2

1 68

, 1

2 1

∂

∂

=

≈ Δ

L

L v

v F

L

dL v

dv aF dL

L

dv v d

r

r

δ δ

δ δ

δ

δ δ

T

T B

B L

L l

d T

dT B

dB L

L l

d T

dT B

dB L

dL L

dL l dl l

3

1 3

2 3

1 3

2

3 1

n

Δ

= Δ

T B

B L

2

(3.17) Giải hệ các phương trình (3.14), (3.15), (3.16), (3.17) ta sẽ tìm được các gia số ΔL, ΔB, ΔT và

Chương 4

PHƯƠNG TRÌNH DUNG TÍCH TÀU

4.1 Dung tích lý thuyết toàn bộ của tàu

Dung tích tàu được sử dụng vào nhiều mục đích: chứa hàng cần chuyên chở, chứa máy móc trang thiết bị cho mọi hoạt động của tàu, nơi sinh hoạt của đoan thuỷ thủ, chỗ sinh hoạt cho hành khách, nơi chứa thiết bị hàng hải, các két nhiên liệu, nước ngọt, nước dằn vv… Trên các tàu đánh bắt cá hoặc bảo quản cá dung tích cần thiết cho thiết bị máy móc công nghệ là đại lượng đáng kể

Dung tích lý thuyết toàn bộ của các loại buồng và khoang trên tàu sẽ được giới hạn bởi các ường lý thuyết của thân vỏ, thượng tầng và kiến trúc lầu :

W = V + WB + WP , (4.1) trong đó: V – lượng chiếm nước thể tích của tàu theo đường nước tính toán, m3;

WB – Dung tích lý thuyết của phần thân chính nằm trên đường nước tính toán, m3;

WP - Dung tích lý thuyết của phần kiến trúc thượng tầng và lầu, m3

WB3 – Phần thể tích được tạo nên bởi độ cong dọc và cong ngang boong

KWL

®cs

V

WB3 t¹i L/2

Ta có

WB1 = S(H – T); (4.4)

WB2 = kB2 (H – T) (SP – S) = kB2 S (H – T) (SP/S –1); (4.5)

WB3 = kB3HCSP , (4.6) trong đó: kB2 và kB3 - hệ số béo thể tích WB2 và WB3 ; S – Diện tích đường nước thiết kế;

SP – Diện tích của đường nước nằm ở độ cao mép boong tại giữa chiều dài tàu;

HC – tung độ độ cong dọc cực đại

Dung tích của phần không gian mạn khô không kể đến độ cong dọc và cong ngang boong cũng như kiến trúc thượng tầng sẽ được viết lại và biến đổi như sau

WB12 = WB1 + WB2 = S(H-T)[1+kB2(SP/S -1)] = kB12S(H-T) (4.7) Trong công thức (4.7) kB12 – hệ số tính đến ảnh hưởng của độ ngả mạn và được xác định theo công thức

B

B (4.8)

Hệ số này có thể tìm được từ việc thống kê và phân tích các số liệu tàu mẫu (các đường

cong diện tích đường nước)

Có một số tác giả cho rằng trên đường cong diện tích đường nước, phần mạn khô được biểu diễn bởi quy luật giải tích như nhau Nếu lấy tứ giác Moriss làm thí dụ ta có thể nhận được mối quan hệ sau (h 4.2)

hoặc

K W L G

T

S T

LB T

δ

δ α

(4.9)

H S

(2

1

2

T

H T

H

S T H S S

−

=

T

H T

H S

W B

δ α

Từ (4.2), (4.6) và (4.7) ta có thể rút ra biểu thức sau:

).

1 )(

( 1

1 ) (

) (

3 2

3 12

B P

C B

P B

P C B B B

k T H S S

S T H

H k S

S k T H S

S

S T H

H k k T H S W

H k S

S k

B

P B B

− +

có thể được xác định cho tàu cụ thể, trong số đó có cả tàu mẫu

Theo số liệu thống kê của Z Arendta, đối với tàu khách có độ cong dọc và cong ngang boong

kB = 0,28 ÷ 0,07 ; Nếu tàu không có độ cong dọc và cong ngang thì kB = 0,22 Đối với những tàu có công dụng khác nhau, hệ số kB sẽ không vợt quá giá trị nêu trên

Đặt vào biểu thức (4.2) WB theo công thức (4.12) ta sẽ nhận được công thức sau:

) 1 ( 1 1

) 1 )(

( 1 ) 1 )(

− +

=

B

B B

K

k T

H V

k T H V

S V k T H S V W

Dung tích của tàu vận tải tiêu biểu được thể hiện trên hình 4.3 :

Hình 4.3 Dung tích tàu vận tải tiêu biểu

1- Nhiên liệu, 2- thùng xích, 3 – dự trữ, 4, 7, 11, 19, 22, 26 – hầm hàng, 5, 8, 12, 23,

27 – hầm hàng trên các boong giữa, 6,9,15,18 – nhiên liệu, 13 – két hồi, 14 – nước,

16, 17 – khoảng cách ly, 24 – nước sinh hoạt, 28 ballast

Biểu đồ dung tích có hình dáng gần giống đường cong diện tích đường sườn trên đó chỉ ra diện tích mặt cắt ngang của sườn Phân tích biểu đồ sẽ cho phép chúng ta thu được các số liệu cần thiết về dung tích các loại khoang và két chứa được bố trí trên tong con tàu cụ thể

4.2 Phương trình dung tích Xác định tỷ số H/T

Phương trình dung tích tàu thông dụng đwocj viết dưới dạng tổng các dung tích thành phần tồn tại trên tàu :

W = ΣWi , (4.14) trong đó:

W - dung tích lý thuyết của thân tàu, kiến trúc thượng tầng và lầu

ΣWi - tổng dung tích lý thuyết cần thiết của tất cả các buồng và phòng trên tàu

Dung tích các khoang hàng Wh ;

Dung tích các buồng chứa khách Wkh ;

Dung tích buồng ở cho thuyền viên Wtv ;

Dung tích các két chứa nhiên liệu Wnl ;

Dung tích buồng bố trí trạm điện Wđ ;

Dung tích buông bố trí thiết bị năng lượng Wbm ;

Dung tích xưởng cơ điện Wcđ ;

Dung tích các kho chứa trang thiết bị phụ tùng Wkhc ;

Dung tích buồng điều khiển tàu Wđk,

Dung tích các két chứa nước dằn Wd;

Dung tích dự trữ Wdt

Như vậy phương trình dung tích có thể được viết lại cụ thể hơn như sau:

W = Σ Wi = Wh + Wkh + Wtv + Wbm + Wcđ + Wnl + Wd + Wđk+ Wdt , (4.15) trong đó: Wh = μhPh = μhγηhV;

μh - dung tích chở hàng riêng; Ph - sức chở hàng tính toán của tàu;

Wtv = μtv n ; μtv - dung tích riêng của buồng ở thuyền viên; n - số lượng thuyền viên;

Wbm = μbmN; μbm - dung tích riêng để bố trí buồng máy

Nếu xác định gần đúng công suất của thiết bị năng lượng bằng công thức N =Vmvn/C ta có thể nhận được công thức sau đây để tính dung tích buồng máy

C

v V W

n m bm

p k k v

r N k

p k

ng nl

nl nl M ng

nl

nl nl

=

=

γ γ

trong đó: γnl - trọng lượng riêng của nhiên liệu; kng - hệ số điền đầy két chứa nhiên liệu;

Dung tích Wcd , Wd , Wdt, Wkhc , Wđk có thể tỷ lệ với thể tích lý thuyết V và thường được biểu diễn dưới dạng sau:

Wcđ = acđV; Wkhc = akhcV; Wdt = adtV ; Wđk = ađkV

Dung tích các két chứa nước dằn tàu Wd = (ηd/kd)V, trong đó ηd = Vd/V - hệ số nước dằn; kd

- hệ số điền đầy khoang dằn

Như vậy phương trình (5.18) sẽ được viết laị dưới dạng

)

(

1

+ +

+ +

+ + +

=

−

tv m ng

nl

n nl nl M

n bm

d

d dt

khc cd

h h

W V C k

r v p k k C v

V k a

a a W

γ μ

η γη

μ

(4.16)

hoặc : W= W(V) + Wđl,

trong đó: W(V) - dung tích phụ thuộc vào V; Wđl - dung tích độc lập

Độ lớn của dung tích độc lập được xác định trước lúc giải phương trình dung tích Tham gia vào thành phần này có thể có cả dung tích cần thiết dùng để bố trí các loại buồng thuyền viên, buồng để bố trí trang thiết bị kỹ thuật-sản xuất Ngoài ra, phụ thuộc vào công dụng của tàu thiết

kế mà thành phần này còn bao gồm các thành phần dung tích khác

Như vậy phương trình dung tích dạng tổng quát được biểu diễn như sau:

1 ( 1 ) 1 P ( ) dl.

V

W T

H k

δ

α

(4.17) Trong trường hợp bố trí buồng điều khiển thuộc khu vực kiến trúc thượng tầng hoặc lầu, dung tích của buồng này sẽ được tách ra khỏi W(V) và phương trình (4.17) sẽ được viết lại

)

( 1 1

1

1

+ +

+

+ + + + + +

−

tv m ng

nl

n nl nl M

n bm d

d

dk dt khc cd h h B

W V C k

r v p k k C

v V

k

a a a

a T

H k V

γ

μ η

γη μ δ

α

(4.18)

Chọn H/T = hT ; kB ; α/δ và thay vào phương trình trên ta sẽ tìm được nghiệm của phương trình dung tích

Đưa (4.18) về dạng phương trình đại số bậc hai, giải nó sẽ tìm được lượng chiếm nước thể tích thoả mãn dung tích chung của tàu thiết kế

Dạng phương trình dung tích được xác định bởi công dụng của tàu

Sau khi tìm được nghiệm V của phương trình, cần so sánh giá trị của V với giá trị của lượng chiếm nước thể tích được xác định từ phương trình trọng lượng Có thể xảy ra 3 trường hợp sau :

Đại lượng H/T đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo dung tích, bởi vậy cần xem xét nó một cách kỹ lưỡng bằng cách giải đồng thời phương trình dung tích và phương trình trọng l-ượng

Rõ ràng rằng, bằng cách giải phương trình trọng lượng sẽ cho phép tìm được lượng chiếm ước Tương ứng với nó, độ lớn của V = D/γ sẽ được đặt vào phương trình (5.18) Nhờ vậy, ta có

W V

V W k

T

B

δ α

từ đó tỷ số H/T sẽ được xác định như sau:

= = + + ⎢⎣⎡ + − −1⎥⎦⎤

)(1

/1

V

W V

W V

V W k T

H

B T

δ α

Trong đó Fb – chiều cao mạn khô

4.3 Phương trình dung tích của tàu hàng khô có khoang máy bố trí giữa tàu

Tàu chở hàng cần đảm bảo dung tích chứa đủ lượng hàng ghi trong mục sức chở Thông thường dung tích hầm hàng tính bằng m3 Trong hệ thống đo dùng trước đây tại Anh người ta sử

dụng đơn vị cub feet (cft) Quan hệ giữa hai hệ thống này là 1m3 đổi thành 35, 315 ctf, hoặc ngược

lại 1 cft = 0,0283m3

Với tàu chở hàng, người ta thường dùng dung tích chở hàng riêng (μ) khi nêu yêu cầu về

dung tích các khoang hàng Dung tích chở hàng riêng được hiểu là tỷ lệ giữa dung tích hầm hàng

với trọng lượng hàng chứa trong đó, tính bằng đơn vị m3/t hoặc cft/t

Dung tích chở hàng riêng của một số tàu thông dụng :

Tàu chở hàng cỡ lớn 1,55

Tàu chở hàng cỡ nhỏ 1,25

Tàu cá 1,85-2,5

Các hệ số trên đây mang ý nghĩa thống kê Trong thiết kế tàu chuyên chở những mặt hàng cụ

thể, cần thiết phải quan tâm đến giá trị của hệ số này áp dụng cho những mặt hàng cụ thể đó Một số

hàng thường được vận chuyển đường biển mang hệ số với giá trị sau:

Khi khoang máy được bố trí ở giữa chiều dài tàu phương trình dung tích sẽ được lập một cách

khá đơn giản

Ký hiệu chiều dài khoang máy Lm

Thể tích được giới hạn bởi boong hở và tôn đáy đôi sẽ được xác định theo công thức

WPP=δPPLBHPP, trong đó δPP – hệ số béo thể tích lý thuyết WPP ; HPP – chiều sâu hầm hàng tính từ

mép boong hở đến đáy đôi Tham gia vào thành phần dung tích WPP có thể có cả dung tích các

quầy miệng hầm hàng

Dung tích lý thuyết của các khoang hàng và buồng máy (kể cả các két chứa trong buồng máy)

được xác định theo công thức sau:

WT = kqmδPPLBHPP (4.21) Trong đó kqm – tỷ số giữa dung tích hầm hàng và khoang máy với thể tích toàn bộ dưới boong của

tàu Hệ số này sẽ tăng nhờ tính đến dung tích các quầy miệng hầm, độ cong dọc và cong ngang

boong

Dung tích buồng máy được xác định theo công thức

Wbm = δbmLmBHPP , (4.22) trong đó δbm – hệ số béo của buồng máy

Dung tích của các hầm hàng đối với tàu có khoang máy đặt ở giữa chiều dài

h T bm PP qm bm m LBH PP

L

L k

W W

T

L

L k

W W

trong đó : Hdd – chiều cao đáy đôi

4.4 Dung tích chở hàng riêng, thể tích riêng của hàng hoá Mối quan hệ giữa dung tích chở

hàng riêng với tỷ số H/T

Thể tích riêng của hàng hoá (μP ) là tỷ số giữa thể tích do hàng chiếm chỗ với trọng lượng hàng; độ lớn của μP (m3/T) phụ thuộc vào bản chất vật lý của vật liệu tạo nên hàng hoá, phương pháp đóng gói và đặc điểm bố trí hàng trong khoang hàng

Tất nhiên dung tích chở hàng riêng μh có thể sẽ không trùng với μP Hãy khảo sát một số ương án sau đây có thể xảy ra :

1) μP = μh – tàu được chất đầy tải theo chiều chìm đã cho trước, dung tích chở hàng được tận dụng triệt để;

2) μP < μh – tàu đạt chiều chìm tính toán song dung tích chở hàng không được tận dụng hết (thừa dung tích );

3) μP > μh và hàng không được phép bố trí trên boong; sức chở hàng của tàu và chiều chìm tính toán không được sử dụng hết ( thiếu dung tích chở hàng)

Như vậy, trường hợp thứ nhất và thứ hai sẽ có lợi hơn trường hợp thứ ba

Tuy nhiên việc sử dụng không triệt để dung tích ứng với trường hợp thứ hai không nên coi là điều mong muốn, vì nó làm tăng kích thước của tàu, đặc biệt chiều cao mạn

Trong mọi trường hợp cần cố gắng tính toán sao cho thể tích chất tải hàng riêng trung bình

μPtb gần với dung tích chở hàng riêng

4.5 Phương trình dung tích có kết cấu mạn kép; tàu chở gỗ trên boong

Đối với các tàu có kết cấu mạn kép, trong công thức (5.24) ta cần thay B bằng (B-2Bmk), trong đó Bmk – chiều rộng trung bình của khoang có kết cấu mạn kép

Whmk = [δPPkqm -δbm(Lm/L)]L(B-2Bmk)(H-Hdd); (4.24) Đối với tàu chở gỗ, có chứa một phần hàng gỗ trên boong phương trình (4.23) được biến đổi lại với chú ý rằng, bộ phận hàng hoá được chở trên boong cần được khảo sát riêng Trong trường hợp này dung tích chở hàng riêng sẽ được xác định như sau:

H n k

L L k

LBH

n P

P htb h

m bm qm PP

P htb

h

hh htb

μ δ γ η

δ δ

μ

4.6 Dung tích tàu chở hàng lỏng

Các tàu chở dầu hiện đại dù lớn hoặc bé đều chứa trong nó không chỉ hàng hoá mà còn có các

hệ thống két chứa nước dằn, nước thải Hiện nay do yêu cầu của luật chống ô nhiễm môi trường các tàu chở dầu bắt buộc phải được thiết kế đáy đôi

Dung tích các khoang hàng được xác định theo công thức sau:

h

γ

η γ

Chiều chìm mũi, đuôi và chiều chìm trung bình khi tàu chạy có dằn sẽ được biểu diễn dưới dạng hàm số của chiều chìm trung bình tương ứng với trạng thái toàn tải T, tức là:

L a T

L a

trong đó: a = 0,028 ± 0,003

Chiều chìm đuôi Td = tdT được xác định bởi độ ngập sâu của chong chóng Có thể lấy

td ≈ 0,70 Còn nếu lấy td =1 thì dung tích các két chứa nước dằn đòi hỏi phải khá lớn

Chiều chìm trung bình của tàu sau khi dỡ tải và chạy có dằn được xác định như sau:

,

2

t t T T

t t T

t t T T

k

D S

k

P P

α

δ η η γ

γ α

δ η

η α

ηh d

d

m t t

t t

α

δ η

η (4.33) Như vậy, lượng dằn mà nó được đặc trưng bởi hệ số ηd sẽ tăng cùng với sự tăng của hệ số ηh , của các hệ số tm, td và sẽ giảm cùng với sự tăng của hệ số béo thẳng đứng χ = δ/α

Nếu cho rằng, ngoài lượng hàng khi tàu chạy có dằn có thể còn tồn tại cả các thành phần khác của trọng tải Pn thì công thức (4.33) có thể được viết lại

t t

α

δ η

η (4.34)

Khi bố trí các két chứa nước dằn cần tính đến vị trí trọng tâm của chúng theo chiều dài tàu Xd

thoả mãn chiều chìm cần thiết khi tàu chạy có dằn

Góc chúi sẽ được xác định theo công thức

L

T t t L

T T

d m d

So sánh vế phải của các phương trình (5.36) và (5.37) sẽ nhận được

( )

M

d h d

m

DH

M M L

T t

, (4.37) trong đó

Mh = ηhD(Xh -Xα); (4.38)

Md = ηd(Xd -Xα); (4.39) với Xα - hoành độ trọng tâm đường nước hiện thời so với sườn giữa

Gần đúng, có thể thay thế chiều cao tâm nghiêng dọc bằng bán kính tâm nghiêng dọc

.

12

2 2

T

L k

X X D X

X D L

T t t

R

d d h

h d

m

12

2 2

δ α

R d m

X X k

t t L

X X

η

η δ

α

− +

4.8 Xác định dung tích theo công ước quốc tế:

Dung tích đăng ký của tàu tính theo công ước về đo dung tích năm 1969 Dung tích tàu tính

bằng tấn đăng ký, gồm tấn đăng ký toàn bộ GT, (còn gọi là tổng dung tích) là tấn đăng ký tinh NT

(gọi khác là dung tích tinh) Nói một cách tổng quát, GT là dung tích tất cả các phòng kín của tàu Tuy nhiên cần hiểu rộng hơn, trong GT còn kể cả phần không kín Trong khi đó NT bao gồm dung tích các phòng kín dùng vào mục đích chứa hàng hoá và hành khách Thông lệ, theo quy định trước đây, để có NT cần trừ đi từ GT các phần sau: Dung tích các phòng giành cho bố trí và phục vụ thuỷ thủ đoàn, các bộ phận đặt thiết bị hàng hải, các két ngoài đáy đôi, các khoang thiết bị năng lượng v.v… các quy định trước đây trên thực tế vô cùng rắc và quá phức tạp Theo công ước 1969 cần thiết tính theo các công thức đã tống nhất

Công thức tính GT và NT, đơn vị tấn đăng ký như sau

GT = k1.V

k n H

n1 – số khách trong các buồng 8 giường trở xuống,

n2- số khách trong buồng từ 9 giường trở lên

V: Toàn bộ thể tích các khoang (m3)

Vcargo : Toàn bộ thể tích hầm hàng (m3)

Giá trị tối thiểu của NT không dưới 0,3 GT

Chương 5

MỐI QUAN HỆ CỦA CÁC ĐẶC TRƯNG CHỦ YẾU VỀ HÌNH DÁNG TÀU

5.1 Quan hệ giữa các hệ số béo theo Normand Đường cong tung độ trung bình

Normand cho rằng, đối với các tàu hàng giá trị trung bình của tỷ số :

Các công thức (5.2) và (5.3) còn có thể đượcviết lại dưới dạng

ĐNTK(KWL)

yiKWL