Thiết kế và tối ưu hóa sức cản của tàu dịch vụ hậu cần nghề cá bằng phương pháp bôi trơn bọt khí

Thứ hai, nghiên cứu xây dựng khoang khí dưới đáy tàu một trong những cách thức của phương pháp bôi trơn bọt khí để giảm sức cản cho tàu, nhằm giảm chi phí nhiên liệu hoạt động và lượng k

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 2

1.1 Tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá 2

1.1.1 Thực trạng đội tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá của nước ta hiện nay 2

1.1.2 Sự cần thiết phải phát triển tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá 4

1.2 Sự cần thiết trong việc giảm sức cản tàu thủy và một số phương pháp giảm sức cản cho tàu 6

1.2.1 Khái quát chung về sức cản của tàu 6

1.2.2 Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu 7

1.2.3 Một số phương pháp giảm sức cản cho tàu 9

1.3 Nghiên cứu giảm sức cản cho tàu bằng phương pháp bôi trơn bọt khí 15 1.3.1 Khái quát chung 15

1.3.2 Tạo bọt khí 15

1.3.3 Tạo lớp màng khí 16

1.3.4 Tạo khoang khí 17

CHƯƠNG 2- THIẾT KẾ TÀU DỊCH VỤ HẬU CẦN NGHỀ CÁ 19

2.1 Yêu cầu kỹ thuật của tàu DVHC 19

2.1.1 Yêu cầu về hình dáng, kích thước 19

2.1.2 Yêu cầu về vật liệu, kết cấu 19

2.1.3 Vùng hoạt động, cấp tàu 19

2.1.4 Bố trí, trang thiết bị trên tàu 19

2.1.5 Điều kiện môi trường thiết kế 19

2.2 Thiết kế tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá 19

2.2.1 Tính toán, xây dựng hình dáng và các thông số chính 20

2.2.2 Xây dựng tuyến hình và bố trí chung của tàu 21

2.2.2.1 Xây dựng tuyến hình 21

2.2.2.2 Bố trí chung 22

2.2.3 Tính toán tính năng của tàu 26

2.2.3.2 Tính toán các yếu tố tĩnh thủy lực của tàu 27

2.2.3.3 Kiểm tra ổn định của tàu 30

2.2.3.4 Tính toán Dung tích tàu 50

2.2.3.5 Tính toán mạn khô 51

2.2.3.6 Tính toán chân vịt 54

2.2.4 Tính toán kết cấu của tàu 57

2.2.4.1 Vật liệu 57

2.2.4.2 Bố trí kết cấu 57

2.2.4.3 Quy cách 57

2.2.5 Tính toán hệ thống động lực của tàu 61

2.2.5.1 Một số thông số chính về hệ thống động lực của tàu DVHC 61

2.2.5.2 Tính toán lượng nhiên liệu dự trữ trên tàu 61

2.2.6 Hệ thống bảo quản sản phẩm trên tàu 62

CHƯƠNG 3- TÍNH TOÁN GIẢM LỰC CẢN CHO TÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÔI TRƠN BỌT KHÍ (TẠO KHOANG KHÍ) 64

3.1 Tính toán sức cản của tàu thiết kế theo lý thuyết 64

3.2 Tính toán sức cản của tàu bằng mô phỏng bài toán CFD phương pháp tạo khoang khí cho tàu 72

3.2.1 Cơ sở lý thuyết 72

3.2.2 Nội dung mô phỏng 78

3.2.2.1 Xây dựng mô hình tính toán 79

3.2.2.3 Xây dựng không gian tính toán 79

3.2.3 Mô phỏng bài toán CFD (2D) để xây dựng hình dạng, kích thước khoang khí tối ưu trong việc giảm sức cản cho tàu 80

3.2.3.1 Chia lưới và thiết lập điều kiện tính toán 80

3.2.3.2 Kết quả mô phỏng mô hình 2D 81

3.2.3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng 2D 84

3.2.4 Mô phỏng bài toán CFD (3D) 85

3.2.4.1 Mô hình 3D 85

3.2.4.2 Xây dựng không gian, chia lưới, thiết lập điều kiện mô phỏng 3D 86 3.2.4.3 Kết quả mô phỏng mô hình 3D 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

1

MỞ ĐẦU

Với vị trí địa lý nằm sát biển Đông và có bờ biển dài hơn 3000 km, Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi để phát triển kinh tế biển nói chung và phát triển công nghiệp nghề cá nói riêng Tuy nhiên, hiện nay ở nước ta, tàu cá của ngư dân chủ yếu là tàu vỏ gỗ, kích thước nhỏ, khả năng dự trữ và nhiên liệu trên tàu rất hạn chế do đó gặp nhiều khó khăn trong việc phát triển đội tàu cá xa bờ Để giải quyết vấn đề này, hiện nay Nhà nước đã có nhiều chủ trương phát triển tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá hiện đại với khả năng cung ứng dữ trữ, nhiên liệu cho các tàu khai thác trên các vùng biển và thu mua sản phẩm cho đội tàu này, nhằm tăng cường khả năng bám biển nâng cao hiệu quả sản xuất

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa sức cản tàu dịch vụ hậu cần nghề cá

bằng phương pháp bôi trơn bọt khí” được đặt ra nhằm giải quyết hai vấn đề: Thứ nhất,

thiết kế và chế tạo tàu dịch vụ hậu cần vỏ thép với trang thiết bị hiện đại để đáp ứng nhu cầu phát triển khai thác thủy sản ở nước ta hiện nay Thứ hai, nghiên cứu xây dựng khoang khí dưới đáy tàu (một trong những cách thức của phương pháp bôi trơn bọt khí) để giảm sức cản cho tàu, nhằm giảm chi phí nhiên liệu hoạt động và lượng khí thải của tàu, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường

Luận văn đã đưa ra một mẫu thiết kế tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá (DVHC) thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật và phù hợp với thực tế sản xuất của ngư dân hiện nay Sau

đó, bằng phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng bài toán động học chất lỏng (CFD) với một số mô hình khoang khí khác nhau, luận văn đưa ra được những đánh giá bước đầu về hiệu quả của việc giảm sức cản cho tàu bằng cách thức tạo khoang khí dưới đáy tàu (một trong những biện pháp giảm sức cản cho tàu bằng phương pháp bôi trơn bọt khí đang được thế giới nghiên cứu áp dụng hiện nay), đồng thời cũng đưa ra

đề xuất về hình dạng và kích thước của khoang khí phù hợp để tối ưu hóa sức cản cho

tàu đã thiết kế

2

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 1.1 Tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá

1.1.1 Thực trạng đội tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá của nước ta hiện nay

Hiện nay, theo số liệu thống kê chưa đầy đủ trên cả nước có khoảng 123.000 tàu hoạt động khai thác thủy sản [1] Trong đó, có 2.073 tàu thu mua, dịch vụ hậu cần nghề

cá (DVHC) chiếm tỷ lệ rất nhỏ khoảng 1,68 % trong cơ cấu đội tàu (hình 1.1);

Hình 1.1 Tỷ lệ% tàu DVHC và tàu cá Hình 1.2 Tỷ lệ % tàu DVHC theo khu vực

Phần lớn tàu DVHC ở nước ta có chiều dài nhỏ hơn 20 mét, số tàu vỏ gỗ là

2042 tàu, chiếm 98,5 % tổng số tàu còn lại, có 03 tàu vỏ thép, 22 tàu vỏ composite, 01 tàu vỏ nhôm, 03 tàu vỏ nhựa và 02 tàu vỏ xi măng; chủ yếu là các tàu thu mua hoặc kiêm nghề khai thác thủy sản, số lượng tàu làm nghề dịch vụ hậu cần hạn chế chiếm khoảng 41% trong tổng số tàu thu mua và dịch vụ hậu cần [1]

Bảng 1.1 Số lượng tàu DVHC các tỉnh , thành phố ven biển

PHƯƠNG

SỐ TÀU

NGHỀ KINH DOANH

<12 12÷<20 ≥20 <50 50÷<90 90÷<250 ≥250 DVHC

Thu mua

3

PHƯƠNG

SỐ TÀU

NGHỀ KINH DOANH

<12 12÷<20 ≥20 <50 50÷<90 90÷<250 ≥250 DVHC

Thu mua

bờ, ngư trường chủ yếu là khu vực Vịnh Bắc Bộ, các khu vực khác có ngư trường rộng

và xa hơn, có nhiều tàu lớn hơn nên có điều kiện để phát triển tàu dịch vụ hậu cần Tàu thu mua, dịch vụ hậu cần nghề cá trên biển phần nhiều là các tàu cá kiêm nghề, việc trang bị các trang thiết bị phục vụ hoạt động thu mua, dịch vụ hạn chế; đặc biệt là trang bị hệ thống lạnh bảo quản sản phẩm; chỉ một số ít tàu thu mua, dịch vụ hậu

4

cần trên biển có trang bị hệ thống lạnh với hầm cấp đông đến nhiệt độ - 450c, hầm bảo

ôn đến nhiệt độ -300c như: Thanh Hóa, Bình Thuận

Nhìn chung, tàu thu mua, dịch vụ hậu cần nghề cá tại các địa phương trên cả nước, quy mô hoạt động còn nhỏ lẻ hiện chỉ đáp ứng phần nào nhu cầu thu mua trên biển và cung cấp dịch vụ cho tàu đánh cá; các tàu thu mua chủ yếu là kiêm nghề, một

số ít là tàu dịch vụ hậu cần; phần lớn là các tàu vỏ gỗ, kích thước nhỏ, do đó thiếu không gian cần thiết để có thể trang bị hệ thống bảo quản sản phẩm sau thu hoạch hiện đại; không có tàu chuyên dùng thu mua và chế biến trên biển

1.1.2 Sự cần thiết phải phát triển tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá

Từ thực tế sản xuất tại các địa phương, phát triển tàu dịch vụ hậu cần trên biển trong thời gian tới là xu hướng tất yếu vì nhiều lý do:

Thứ nhất: Hiện nay nguồn lợi hải sản ngày càng cạn kiệt, để đảm bảo khai thác

đủ sản lượng trên một chuyến biển, các tàu cá phải hoạt động xa bờ hơn, dài ngày hơn

Thứ hai: Giá xăng dầu và các chi phí khác ngày càng biến động, đến thời điểm

hiện tại tuy có giảm nhưng vẫn ở mức cao, trong khi giá sản phẩm không tăng hoặc có

xu hướng giảm; để nâng cao chất lượng sản phẩm từ đó nâng cao giá thành cần phải có các biển pháp bảo quản sản phẩm sau thu hoạch hiệu quả, đáp ứng nhu cầu của tiêu thụ trong nước và xuất khẩu

Thứ ba: việc hình thành các tổ đội, hợp tác xã, tập đoàn khai thác thủy sản trên

biển là động lực để các tổ chức, các doanh nghiệp liên kết phát triển tàu dịch vụ hậu cần trên biển

Hiện nay, Nhà nước đã có chủ trương phát triển tàu dịch vụ hậu cần nghề cá qua một số chính sách và văn bản như: Quyết định số 63/2010/QĐ-TTg ngày 15/10/2010

về chính sách hỗ trợ nhằm giảm tổn thất sau thu hoạch đối với nông sản, thủy sản; Quyết định số 65/2011/QĐ-TTg ngày 02/12/2011 về chính sách hỗ trợ nhằm giảm tổn thất sau thu hoạch đối với nông sản, thủy sản trong đó có hỗ trợ: “Máy móc, thiết bị dùng cho sản xuất giống thủy sản; vật tư; thiết bị xây dựng, cải tạo các ao (hồ) nuôi

5

thủy sản; thiết bị, phương tiện phục vụ nuôi trồng, thu hoạch và vận chuyển thủy sản;

thiết bị làm lạnh, cấp đông, thiết bị sản xuất nước đá trên tàu cá, hầm bảo quản phục

vụ khai thác dài ngày trên biển” Với mức tiền vay tối đa để mua máy móc, thiết bị sản

xuất trong nước bằng 100% giá trị hàng hóa, ngân sách nhà nước hỗ trợ 100% lãi suất trong 2 năm đầu, từ năm thứ 3 là 50% lãi suất

Theo Đề án tổ chức lại sản xuất trong khai thác hải sản vừa được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 01/3/2013; định hướng giai đoạn 2013 đến 2015: “Khoảng

25 đến 30 % tàu cá khai thác hải sản trên các vùng biển hoạt động theo các mô hình

liên kết; trong đó, 65 đến 70% tàu cá hoạt động ở vùng khơi được tổ chức lại sản xuất

theo mô hình có tàu dịch vụ nghề cá trên ngư trường”, đề án đã đề xuất nhiều giải pháp

triển khai thực hiện; trong đó có giải pháp “nghiên cứu, xây dựng cơ chế, chính sách

đóng tàu vỏ sắt thay thế tàu vỏ gỗ và thay máy mới”

Trên cơ sở các chủ trương của Nhà nước về phát triển tàu dịch vụ hậu cần nghề

cá, các địa phương đã hình thành các chính sách hỗ trợ ngư dân đóng tàu dịch vụ hậu cần; một số doanh nghiệp, cá nhân đã đóng tàu vỏ thép để phát triển loại hình thu mua, dịch vụ hậu cần trên biển Qua nghiên cứu trao đổi thực tế với các cán bộ làm công tác quản lý thủy sản tại địa phương và ngư dân, phát triển tàu dịch vụ hậu cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Phải là tàu vừa thu mua vừa cung cấp các dịch vụ hậu cần như: Dầu đốt, nước,

đá bảo quản, lương thực, y tế, vv

- Tàu phải được trang bị các hệ thống đông lạnh bảo quản sản phẩm hiên đại, mới đảm bảo tính cạnh tranh với các loại hình tàu dịch vụ, thu mua, vận chuyển sản phẩm hiện nay

- Khu vực hoạt động phải ở những vùng biển xa vì khu vực gần bờ hơn đã có nhiều tàu, với nhiều loại hình dịch vụ hậu cần, thu mua, vận chuyển hải sản tuy còn thô

sơ nhưng ở một số địa phương ít nhiêu đã đảm bảo hoạt động thu mua từ các tàu khai thác

6

- Phải có trọng tải lớn: từ 150 tấn trở lên

Để đáp ứng các yêu cầu trên, cần thiết phải có các mẫu thiết kế tàu Dịch vụ hậu cần vỏ thép với kích thước và trang thiết bị hiện đại đặc biệt là hệ thống bảo quản sản phẩm sau thu hoạch, hơn nữa tàu có trọng tải lớn và đủ khả năng hoạt động trên các vùng biển xa

Luận văn sẽ xây dựng và đề xuất 01 mẫu thiết kế tàu DVHC với chiều dài 34.80 mét, chiều rộng 7.2 mét, mớn nước 2.65 mét, trọng tải trên 400 tấn đã đáp ứng được các yêu cầu trên Chi tiết về mẫu thiết kế này sẽ được trình bày cụ thể trong Chương 2

1.2 Sự cần thiết trong việc giảm sức cản tàu thủy và một số phương pháp giảm

sức cản cho tàu

1.2.1 Khái quát chung về sức cản của tàu

Chuyển động của tàu trên mặt nước, trong nước, bề mặt vỏ tàu phải tiếp xúc với môi trường bao quanh nó: mặt ướt vỏ tàu tiếp xúc với môi trường nước, phần trên mớn nước tiếp xúc với không khí, và bề mặt này chịu tác động của các lực do môi trường gây ra Sức cản của tàu trong thực tế không thể xác định hoặc đo lường một cách trực tiếp, kiến thức về tính toán sức cản của tàu thường được thu thập và xây dựng từ thử nghiệm trên các mô hình tàu Việc xác định sức cản của tàu trong môi trường nước tĩnh thường phân tích trên các thành phần sức cản độc lập, sơ đồ các thành phần sức cản như sau (bảng 1.2):

7

Sức cản ma sát R F :xuất hiện do ảnh hưởng độ nhớt của chất lỏng gây ma sát vào vỏ tàu Sức cản ma sát chiếm phần lớn (80÷90%) sức cản nhớt và chiếm khoảng 50÷70% tổng sức cản tàu Nếu hình dáng tàu càng trơn, dễ thoát nước ảnh hưởng của của hình dáng thân tàu càng nhỏ thì sức cản nhớt hầu như hoàn toàn là sức cản ma sát Sức cản ma sát chịu ảnh hưởng độ cong dọc và ngang thân tàu

Sức cản hình dáng R V : sinh ra bởi ảnh hưởng của lớp biên đối với quy luật phân

bố áp suất trên thân tàu, nó phụ thuộc vào các dạng tách lớp biên, mà hiện tượng này lại ảnh hưởng bởi hình dáng thân tàu Nếu hình dáng thân tàu càng khó thoát nước thành phần sức cản này càng lớn

Sức cản sóng R w: Khi tàu chuyển động trên mặt thoáng của chất lỏng trọng lực

sẽ sinh ra sóng (sóng bản thân), sóng đó sinh ra sức cản sóng Sức cản sóng càng lớn khi vận tốc tàu càng lớn

Sức cản toàn bộ của tàu được xác định là tổng của sức cản ma sát RF và sức cản

dư Rr và các thành phần sức cản bổ sung:

RT = RF + Rr + RA (1.1)

1.2.2 Sự cần thiết trong việc giảm sức cản cho tàu

Như đã biết, chi phí nhiên liệu chiếm phần lớn trong tổng chi phí khai thác của tàu Lượng tiêu thụ nhiên liệu trên một phà cỡ lớn khoảng từ 1000 đến 5000 lít/giờ, lượng tiêu thụ dầu đốt trên tàu này có thể nói nhiều hơn lượng dầu dùng đển sưởi ấm trong cả năm cho một gia đình Chi phí nhiên liệu cho một chiếc phà lớn chạy liên tục

20 giờ/ngày trong một năm có thể lên đến hàng triệu đôla [7] Ở nước ta, trung bình một chuyến biển (khoảng 30 ngày) của một tàu cá cỡ lớn (chiều dài trên 24 mét) chi phí nhiên liệu (dầu đốt) khoảng từ vài chục đến hơn trăm triệu đồng, con số trên là khá lớn so với khả năng kinh tế của ngư dân nước ta hiện nay

Do vậy, giảm một lượng nhỏ dù là một vài phần trăm tiêu thụ nhiên liệu trên tàu cũng có ý nghĩa rất lớn trong vấn đề tiết kiệm chi phí vận hành khai thác của tàu trong

- Mớn nước của tàu (phụ thuộc vào lượng hàng hóa);

Một số biện pháp kỹ thuật được để đạt được hiệu quả trong việc giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu trên tàu (hình 1.3):

Hình 1.3 Một số biện pháp giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu trên tàu

Nhìn chung hầu hết các biện pháp đều tập trung vào việc giảm lực kéo nói cách khác là giảm sức cản của tàu và một số biện pháp khác cố gắng cải thiện hiệu quả của các thiết bị đẩy tàu và vận hành tàu

9

1.2.3 Một số phương pháp giảm sức cản cho tàu

Khi tàu chạy, hầu như toàn bộ năng lượng sinh ra từ thiết bị đẩy tàu tiêu hao cho sức cản tàu, mà chủ yếu là sức cản nhớt và sức cản sóng Do vậy, việc nghiên cứu giảm các thành phần sức cản trên có ý nghĩa lớn trong việc giảm tiêu hao nhiên liệu từ đó giảm được chi phí vận hành tăng hiệu quả khai thác của tàu, giảm lượng khí thải ra môi trường

Việc nghiên cứu giảm sức cản tàu tập trung chủ yếu vào việc giảm sức cản nhớt

và sức cản sóng Sức cản nhớt đóng vai trò chính trong tổng sức cản của tàu, ở những vật chìm hoàn toàn hầu như chỉ có sức cản nhớt Vậy việc tìm các biện pháp giảm sức cản nhớt là điều quan trọng Đối với các vật thể dễ thoát nước chú ý đến việc giảm sức cản ma sát vì thành phần sức cản hình dáng không lớn Còn đối với các vật thể khó thoát nước phải giảm sức cản hình dáng Để giảm sức cản nhớt phải giảm độ nhám chung và độ nhám cục bộ, đặc biệt là độ nhám do việc quét sơn, phòng chống rêu hà bám và độ ăn mòn, áp dụng các dạng tàu tránh hiện tượng tách lớp biên Một số biện pháp công nghệ giảm sức cản đang được nghiên cứu và áp dụng hiện nay trên tàu như sau:

Làm sạch vỏ tàu, bánh lái, chân vịt: biện pháp này có thể áp dụng cho tất cả các

loại tàu bất kể kiểu loại, kích thước và công dụng khai thác Ngay sau khi xuất xưởng,

vỏ tàu, bánh lái, chân vịt và các phần khác cần được giữ sạch Tuy nhiên theo thời gian, các bộ phận này sẽ bị bám bẩn do tảo, hàu và các loài khác làm cho tàu khó khăn khi chạy ở tốc độ định trước do gia tăng sức cản ma sát và làm tăng lượng tiêu hao nhiên liệu Việc làm sạch định kỳ sẽ cải thiện được tình trạng này, nếu như không thể đưa tàu lên triền đà hoặc vào ụ thường xuyên, việc làm sạch chân vịt bằng thợ lặn cũng tỏ ra có hiệu quả nhất định (hình 1.4)

10

Hình 1.4 Làm sạch vỏ tàu để giảm ma sát cho tàu

Sử dụng vật liệu phủ Polyme: bề mặt vỏ tàu được phun phủ một lớp mỏng

Polyme để giảm sức cản của tàu Trong suốt ba thập kỷ qua rất nhiều bài báo trình bày nghiên cứu về sử dụng Polyme trong việc sức cản tàu, các nghiên cứu chỉ ra rằng các phân tử Polime bị kéo căng trong lớp biên rối bởi dòng chảy kết quả làm tăng độ nhớt cục bộ đã làm giảm sức cản chung trên toàn bộ bề mặt vỏ tàu, những nghiên cứu gần đây đã cho thấy các phân tử Polyme còn có tác động vào sự phân bố xoáy trong dòng chảy từ đó làm giảm độ rối trong dòng chảy

Bôi trơn bọt khí: phun bọt khí, tạo khoang khí và tạo lớp màng khí là ba cách

thức của phương pháp bôi trơn bọt khí bằng cách phun khí tạo lớp phủ không thấm nước Cả ba phương pháp đều đã chứng mình là có khả năng giảm một lượng sức cản cho tàu một cách hiệu quả Hiệu quả giảm sức cản trong vấn đề này là công suất đẩy tàu đã giảm nhiều hơn so với công suất của hệ thống cấp khí Qua các thử nghiệm phương pháp này cho việc giảm sức cản đạt trên 5%, phương pháp này rất có tiềm năng trong việc giảm công suất của động cơ hoặc có thể nâng cao vận tốc cho tàu với công suất không đổi Sử dụng biện pháp tạo khoang khí phù hợp với các tàu chạy với một tốc độ ít thay đổi, vì biện pháp này đạt hiệu quả cao nhất ở một phạm vi vận tốc rất

hẹp, biện pháp này sẽ được nói rõ hơn trong phần sau

11

Cải tiến hình dáng tàu: Những tàu béo sức cản hình dáng sinh ra do hiện tượng

tách lớp biên ở phần đuôi tàu và thành phần sức cản này đóng vai trò chính trong sức

cản nhớt (hình 1.5) Để giảm bớt chiều dài phần tách biên người ta có thể dùng cánh có

dộ dang bé và đặt nó vuông góc với vỏ bao phía trước vùng dự kiến tách lớp biên

Hình 1.5 Cải tiến hình dáng thân tàu để giảm sự tách lớp biên

Dưới đây là một số ví dụ trong việc cải tiến hình dạng tàu để giảm sự tạo xoáy sau đuôi tàu do hiện tượng tách lớp biên [9]:

Hình 1.6 Cải tiến phần đỡ ống bao trục chân vịt

Trước

Sau Trước

Sau

12

Hình 1.7 Cải tiến vây giảm lắc theo dạng sóng trên tàu

Hình 1.8 Cải tiến bánh lái theo dạng khí động học

Hình 1.9 Cải tiến hình dạng các tấm kẽm chống ăn mòn lắp trên tàu

13

Hình 1.10 Cải tiến phần gót ky Giảm sức cản sóng: Sức cản sóng RW của tàu chủ yếu phụ thuộc vào số Fr và hình dáng thân tàu Việc giảm số Fr không phải là giảm sức cản sóng theo hướng tích cực, tuy nhiên nhiều trường hợp khi giảm số Fr có thể đạt ưu thế về sức cản sóng và đưa chuyển động vào vùng tốc độ có lợi

Hình 1.11 Nguyên lý hệ thống đệm khí trên tàu

Việc thay đổi số Fr theo hướng có lợi khi giữ nguyên tốc độ chuyển động bằng cách thay đổi chiều dài tàu Việc giảm đột ngột hoặc triệt tiêu hoàn toàn sức cản sóng

Hình 1.12 Nguyên lý giảm sức cản sóng của mũi quả lê

Hiện nay chủ yếu là các tàu vận tải cỡ lớn như tàu hàng, tàu dầu… sử dụng mũi quả lê, các tàu cá đa số là kích thước nhỏ nên số lượng tàu cá lắp mũi quả lê là rất ít, một số nước có nghề ca phát triển như Nhật Bản, Hàn Quốc… đã sử dụng mũi tàu quả

lê trên tàu cá (hình 1.13):

Hình 1.13 Tàu cá mũi quả lê ở Nhật Bản

Sóng sinh ra khi tàu chạy

15

1.3 Nghiên cứu giảm sức cản cho tàu bằng phương pháp bôi trơn bọt khí

1.3.1 Khái quát chung

Bôi trơn bọt khí là một trong những phương pháp hiệu quả trong việc làm giảm sức cản ma sát của tàu, thành phần chiếm khoảng 70% tổng sức cản của tàu đối với các tàu chạy chậm Các nghiên cứu về phương pháp bôi trơn bọt khí trên thế giới tập trung theo 3 cách thức sau: phun bọt khí, tạo khoang khí và tạo lớp màng khí

1.3.2 Tạo bọt khí

Theo cách thức này, dòng khí được phun liên tục qua bộ tạo khí vào lớp biên được hình thành dọc theo chiều dài thân tàu Việc nghiên cứu lý thuyết để giải thích việc giảm sức cản ma sát theo phương pháp này hiện nay vẫn hạn chế, các kết quả đạt được chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm Đến nay, đã có rất nhiều thử nghiệm của các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành để nghiên cứu hiệu quả giảm lực cản bằng phương pháp phun bọt khí đối với các mô hình khác nhau, các nghiên cứu đã cho thấy lực cản ma sát giảm theo từng điều kiện phun khí tối ưu tương ứng, phụ thuộc tuyến hình của tàu vị trí đặt lỗ phun phía trước (mũi tàu) thường cho hiệu quả giảm lực cản cao hơn khi đặt phía sau Với bọt khí có kích thước nhỏ các thí nghiệm đã cho thấy có thể giảm tới 80% lực cản ma sát trên tấm phẳng

Việc nghiên cứu phương pháp phun bọt khí không chỉ được thực hiện trong các

bể thử mô hình thí nghiệm mà đã được tiến hành trên tàu thực: thí nghiệm phun khí cho tàu thực của các nhà khoa học Nhật Bản thực hiện trên tàu Pacific seagull với chiều dài 126 m đã thu được kết quả với tổng sức cản của tàu giảm khoảng 11% [2] Thử nghiệm của hãng Mitsubishi trên mô hình và xác thực lại trên tàu hàng rời có chiều dài 162 mét, vận tốc 13.25 hải lý/giờ đã cho kết kết quả giảm 680 kW công suất đẩy trong khi công suất thiết bị phun bọt khí chỉ 211 kW tức là hiệu quả giảm công suất đẩy là 469 kW (khoảng 12%) khi phun lớp bọt khí chiều dày 7 mm, hiệu quả trên giảm chỉ đạt 10% và 8% khi chiều dày lớp bọt khí giảm còn 5 mm và 3 mm [8]

16

Đặc điểm của phương pháp này chi phí ít, có tính khả thi cao thích hợp với các tàu đáy phẳng cỡ lớn Tuy nhiên, việc tính toán, chế tạo bộ tạo bọt khí với kích thước phù hợp và duy trì lượng bọt khí bám trên bề mặt vỏ tàu là phức tạp, hơn nữa trong quá trình hoạt động bọt khí nhỏ có khả năng kết hợp thành bọt khí có kích thước lớn cũng

có thể làm giảm hiệu quả giảm sức cản cho tàu Việc tính toán thiết kế để bọt khí không ảnh hưởng đến hiệu suất chân vịt cũng là vấn đề khó khăn

Minh họa cho phương pháp pháp phun bọt khí như trên hình 1.14

Hình 1.14 Minh họa phương pháp tạo bọt khí

1.3.3 Tạo lớp màng khí

Có thể coi tạo lớp màng khí là sự kết hợp giữa phun bọt khí và tạo khoang khí Mục đích của việc tạo lớp màng khí là kết hợp các bọt khí được phun ra thành một lớp màng khí mỏng bao quanh đáy tàu Nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp bọt khí với khoảng 0.5mm chiều dày có thể đem lại hiệu quả làm giảm tới 90% sức cản tác dụng lên bề mặt [3] Tuy nhiên, việc tạo một lớp màng khí ổn định trong thực tế là rất khó khăn vì trong quá trình hoạt động tàu chịu nhiều tác động của dòng chảy như sóng, xoáy; khi tàu nghiêng việc duy trì một lớp màng khí như vậy là rất khó khăn đặc biệt là trong các dòng có số Reynolds cao Khi lớp màng khí không ổn định có thể làm tăng sức cản ma sát của tàu

17

1.3.4 Tạo khoang khí

Theo cách thức này khí được điền đầy vào các khoang đặc biệt ra ở phần đáy tàu dễ dàng tạo thành 01 lớp không khí ổn định dưới đáy tàu làm tách một phần đáng

kể đáy tàu tiếp xúc của nước dẫn đến làm giảm sức cản của tàu (hình 1.15):

Hình 1.15 Minh họa phương pháp tạo khoang khí dưới đáy tàu

Phương pháp này dựa trên cơ sở việc sử dụng thành công hệ thống thổi khí dưới đáy tàu để giảm sức cản Tàu 02 thân SeaCoaster [7](hình 1.16) là một tàu hai thân lai

giữa tàu hai thân thông thường với một thủy phi cơ, với sự hỗ trợ của hệ thống trên, công suất đẩy yêu cầu chỉ bằng 60% một tàu hai thân bình thường

Hình 1.16 Khoang khí trên tàu hai thân SeaCoaster

ý là dự án PELS-I với kết quả làm giảm khoảng 20% sức cản ma sát của mô hình thí nghiệm [3] Do tác động trực tiếp đến kết cấu phần đáy tàu do đó nếu sử dụng cách làm này cần có phương án kết cấu hợp lý

Luận văn sẽ sử dụng phương pháp tạo khoang khí để nghiên cứu giảm sức cản cho tàu thiết kế ở chương sau (do tàu có kích thước trung bình, hệ số béo lớn, và đáy tương đối phẳng), nếu dùng phương pháp phun bọt khí lượng khí sẽ dễ bị thất thoát nhiều hơn Việc tính toán thiết kế kết cấu (hình dạng, kích thước) khoang khí và áp suất và lượng cấp bù không khí bị thất thoát trong khoang là cần thiết để có thể đảm bảo hiệu quả của cách thức này trong việc giảm sức cản cho tàu thiết kế

19

CHƯƠNG 2- THIẾT KẾ TÀU DỊCH VỤ HẬU CẦN NGHỀ CÁ

2.1 Yêu cầu kỹ thuật của tàu DVHC

2.1.1 Yêu cầu về hình dáng, kích thước

Yêu cầu chung đối với một tàu DVHC là tàu phải có các khoang chứa hàng (cá, dầu, nước…) lớn, do đó hệ số béo CB của tàu DVHC thường từ 0.6 đến 0.7; chiều dài tàu ở mức trung bình từ 30÷40 m sẽ phù hợp với điều kiện kinh tế của ngư dân hiện nay; vận tốc tàu từ 10 ÷ 12 hải lý/giờ để rút ngắn thời gian thu mua trên biển, và thời gian đi, về của tàu từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế trong quá trình khai thác

2.1.2 Yêu cầu về vật liệu, kết cấu

Tàu đóng bằng vật liệu thép, kết cấu hàn

2.1.4 Bố trí, trang thiết bị trên tàu

Trên tàu bố trí trang thiết bị bảo quản sản phẩm hiện đại (hệ thống cấp đông, bảo quản lạnh) nhằm tăng chất lượng sản phẩm khai thác thu mua trên biển, dự trữ trên tàu phải đáp ứng thời gian hoạt động dài (khoảng 15-20 ngày)…

2.1.5 Điều kiện môi trường thiết kế

Máy móc, trang thiết bị của tàu được thiết kế và hoạt động trong điều kiện nhiệt đới của vùng biển Việt Nam và Quốc tế với các thông số về môi trường như sau:

- Nhiệt độ môi trường + 40oC ; Nhiệt độ trung bình nước biển : tới + 25oC

- Độ ẩm tương đối của không khí : tới 90%

2.2 Thiết kế tàu Dịch vụ hậu cần nghề cá

20

2.2.1 Tính toán, xây dựng hình dáng và các thông số chính

Theo số liệu thống kê tàu DVHC nước ta hiện nay có chiều dài từ 25 ÷ 30 mét, kích thước này so với tàu khai thác nhìn chung là lớn hơn Tuy nhiên như đã trình bày

ở Chương 1, số tàu DVHC hiện nay chủ yếu là tàu vỏ gỗ nên kích thước hạn chế trong khi xu hướng phát triển đòi hỏi chiều dài tàu phải lớn hơn Do vậy, luận văn đề xuất chiều dài tàu DVHC từ 30÷35 mét, với kích thước này tàu có thể trang bị máy chính với công suất lớn hơn, dung tích các khoang chứa hàng lớn hơn mà vẫn phù hợp với điều kiện kinh tế cũng như thực tế khai thác thủy sản của ngư dân hiện nay

Tàu DVHC có hệ số béo lớn nên tỷ lệ chiều dài với chiều rộng tàu L/B không lớn thường từ 3.8÷4.8, do tính chất đặc thù của loại tàu này khác với các tàu khai thác thủy sản nên yêu cầu về khả năng quay trở không cao Với chiều dài đề xuất là từ 35÷40 mét và tỷ lệ L/B như trên, chiều rộng B của tàu đề xuất từ 7.0 ÷ 8 m

Các tỷ lệ hình học khác của tàu DVHC như chiều rộng với chiều cao mạn B/D thường từ 2.0÷2.5, tỷ lệ chiều cao mạn với chiều chìm D/T từ 1.2÷1.5; hệ số béo CBthường từ 0.60 ÷0.67, CW thường từ 0.8÷0.82

Ta có thể tính toán sơ bộ một số kích thước chính của tàu như sau:

Từ phương trình xác định lượng chiếm nước:

 =

D n

P

65 0

280

= 430 tấn

Dựa vào một số mẫu tàu DVHC hiện nay và số liệu thống kê như trên ta chọn sơ

bộ một số tỷ lệ hình học chính của tàu thiết kế như sau: CB =0,68; L/B = 4.5; B/T =2.7; D/T= 1.32 Khi đó từ phương trình sức nổi  = kCB LBT, ta biến đổi thành :

21

 = kCB

T

B B

L B L

B

L B B

L B L

.

.

= kCB

T

B B L L

.

2 3

B B L

.

3

7,2.5,4.430

32 = 7.11 (m) Chọn B = 7.2 m

2 7

Sau khi tính toán các kích thước sơ bộ dựa trên tuyến hình một số tàu mẫu hiện

có, hình dáng 3D bề mặt tàu DVHC được xây dựng, chỉnh trơn bằng phần mềm Autoship (phần mềm chuyên dụng trong thiết kế tàu) hình 2.1 Tuyến hình của tàu ở dạng file Cad được thể hiện như bản vẽ A3 kèm theo:

Hình 2.1 Dựng bề mặt vỏ tàu trên phần mềm AutoShip

60 m3 để cung ứng cho các tàu khai thác thủy sản khác trên biển; Các sản phẩm thu mua trên biển sau khi chế biến làm sạch được đưa ngay vào khoang cấp đông có dung tích 30 m3 làm lạnh tới -40oC sau đó được bảo quản trong 02 khoang cá đá tổng dung tích 90m3, các khoang cá này được bố trí dưới boong chính khu vực phía giữa tàu Để đảm bảo giữ lạnh cho khoang chứa cá, xung quanh khoang có phun foam để cách nhiệt, trong khoang chứa cá có bố trí đèn chiếu sáng Mặt bên trong khoang cá có phủ nhôm hoặc thép không gỉ, bề mặt sàn của khoang chứa cá có lót gỗ cứng chống trượt hoặc tấm PVC chống trượt Ngoài việc cung cấp nhiên liệu, tàu còn bố trí 01 khoang hàng khô để cung cấp nhu yếu phẩm như lương thực, thực phẩm cho tàu khác và để chứa các sản phẩm khô (cá, mực khô…) Cụ thể như sau:

Suốt chiều dài tàu dưới boong chính chia làm 09 vách ngang kín nước tại các sườn: #5, #20, #23, #30, #35, #43, #51, #56, #59

Theo chiều cao gồm các boong: Boong chính, boong cứu sinh và nóc lầu lái

Sườn 20 - mũi: Bố trí nắp miệng khoang cá 1 và 2, nắp miệng kho, cột bít đôi, cần cẩu, tời neo, cầu thang lên boong dâng mũi

Bố trí Boong lầu lái – cứu sinh

Trên boong cứu sinh bố trí 02 bè cứu sinh, 03 phao tròn cứu sinh mỗi bên mạn Xung quanh là lan can bảo vệ Và có 01 cầu thang đỉa đi lên nóc lầu lái, 01 cầu thang đỉa đi xuống boong chính phía đuôi Hai bên mạn có bố trí 02 đèn tín hiệu mạn Bố trí

Góc chiếu sáng (Độ)

Tầm nhìn (Hải lý)

25

Thiết bị cửa và cầu thang, nắp miệng khoang

Cầu thang xuống khoang két: Cầu thang đỉa, nắp miệng các két dạng chữ nhật, kích thước 400x600 Chiều cao nắp két 300 mm Nắp két phải kín nước Cửa ra vào thượng tầng (lầu): 640x1600 mm Cửa sổ : 400x600 và 800x 800 mm

Phòng và chữa cháy

01 rìu chữa cháy; 01 chăn dập cháy kích thước 1600x1400x3,5 mm; 02 xô múc nước có dây đủ dài; 01 câu niêm; 01 xà beng chữa cháy loại nhẹ; 01 thùng đựng cát khô loại 0,25 m3

Trang bị cứu sinh

Phao áo: 16 chiếc (04 chiếc dành cho trực ca); Phao tròn: 04 chiếc (trong đó có

02 chiếc có đèn tự sáng và 02 chiếc có dây ném); Bè cứu sinh: 02 chiếc loại 12 người (Phao tự thổi)

Bố trí chung của tàu được thể hiện trên bản vẽ A3 kèm theo:

26

2.2.3 Tính toán tính năng của tàu

Việc tính toán tính năng của tàu bao gồm tính các yếu tố tĩnh thủy lực của tàu,

kiểm tra ổn định theo quy phạm, tính toán mạn khô, dung tích, tính và kiểm tra độ bền

chân vịt…nhằm đánh giá các tính năng của tàu (tính nổi, ổn định…) trong quá trình tàu

hoạt động Khối lượng tính toán trong thiết kế thiết kế tàu nói chung và tính toán tính

năng của tàu nói riêng là rất lớn, do vậy trong luận văn chỉ trình bày một số tính toán

chủ yếu như sau: tính toán tỷ lệ Bonjean, tính toán các yếu tố thủy tĩnh, kiểm tra ổn

định theo quy phạm, tính toán chân vịt…

2.2.3.1 Tỷ lệ Bonjean

Tỷ lệ Bonjean là tổ hợp của 02 họ đường cong:

- Đường cong diện tích sườn ngâm nước: ω = f(z)

- Mô men tĩnh của diện tích sườn ngâm nước đối với đường cơ bản: Mω = f(z)

2.2.3.2 Tính toán các yếu tố tĩnh thủy lực của tàu

Đường cong thủy lực biểu diễn các trị số tính năng của tàu ở trạng thái tĩnh cho một mớn nước bất kỳ Đường cong thủy lực của tàu DVHC được xây dựng dựa trên phần mềm Autoship Trình tự các bước thực hiện như sau:

- Xây dựng tuyến hình tàu trong modul Autoship

- Nhập tuyến hình vào modul Model maker, tiến hành hiệu chỉnh tuyến hình

- Nhập tuyến hình hiệu chỉnh vào modul Autohydro, thiết lập câu lệnh tính toán và chạy chương trình

Khoảng cách các mớn nước được thiết lập trong câu lệnh tính toán được chia là 0.1 mét nên thuận tiện cho việc tra cứu, kiểm tra Kết quả tính toán các yếu tố thủy lực

28

của tàu DVHC xuất từ phần mềm AutoShip nhƣ sau:

Bảng 2.3 Các yếu tố thủy lực của tàu tương ứng với từng chiều chìm

VCB (m)

LCF (m)

TPcm (MT/c m)

MTcm (MT-m /deg)

KML (m)

KMT (m)

0.100 3.791 0.903a 0.066 0.980a 0.720 61.504 929.527 12.487 1.000 134.834 0.673a 0.567 0.471a 1.655 140.272 59.601 4.825 1.500 220.021 0.575a 0.832 0.378a 1.748 161.411 42.029 3.682 2.000 309.499 0.513a 1.098 0.356a 1.830 183.320 33.934 3.272 2.500 403.507 0.498a 1.367 0.587a 1.935 217.524 30.884 3.145 2.600 422.990 0.504a 1.422 0.688a 1.962 227.156 30.766 3.140 2.650 432.832 0.509a 1.449 0.737a 1.975 232.109 30.722 3.140 3.500 609.223 0.662a 1.922 1.170a 2.152 301.081 28.313 3.270

Hydrostatic Properties at Trim = 0.00, Heel = 0.00

Long Location in m

D r a f t

@ L C F

3.0a 2.5a 2.0a 1.5a 1.0a 0.5a

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

3.5 LCB m

1.000 131.55 0.711 0.609 0.857 0.748 0.814 3.011 188.54 1.500 214.65 0.727 0.656 0.903 0.785 0.836 2.748 220.89 2.000 301.95 0.740 0.685 0.926 0.810 0.845 2.640 253.04 2.650 422.27 0.719 0.677 0.941 0.818 0.827 2.558 299.51 3.000 491.35 0.726 0.688 0.947 0.847 0.812 2.573 326.76 3.500 594.36 0.744 0.709 0.954 0.881 0.805 2.590 362.73

Curv es of Form (w ith appendages)

Coefficient

d r a f t m

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

3.5 Prismati c(Cp)

Cross Curv es

Displacement in Metric Tons

A r m s i n m

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Hình 2.4 Họ đường cong Pantokaren

2.2.3.3 Kiểm tra ổn định của tàu

Ổn định của tàu DVHC đƣợckiểm tra theo Quy phạm phân cấp và đóng tàu cá

31

biển vỏ thép TCVN 6718:2000, với các trường hợp tải trọng kiểm tra như sau:

- Tàu ra ngư trường có 100% dự trữ, đủ đá hoặc chất bảo quản cá;

- Tàu từ ngư trường trở về với toàn bộ cá trong hầm, 10 % dự trữ;

- Tàu từ ngư trường về với 20% cá trong hầm, 70% đá, 10% dự trữ;

- Tàu rời khu vực đánh bắt với toàn bộ cá trong hầm và lượng dữ trữ đảm bảo

chiều chiều chìm thiết kế

Việc tính toán kiểm tra ổn định của tàu cũng được thực hiện trên AutoShip, trình tự thực hiện như sau:

- Chia khoang két trên mô đun Modelmaker;

- Nhập file đã chia khoang két vào modul Autohydro, thiết lập câu lệnh tính toán

và chạy chương trình

Trong đó các giá trị trọng lượng tọa độ trọng tâm tàu không được tính toán sơ

bộ như trong bảng 2.6 dưới đây:

Bảng 2.6 Bảng tính sơ bộ khối lượng và tọa độ trọng tâm tàu không

Stt Hạng mục khối

lượng

KLĐV (tấn)

Số lượng

Khối lượng (tấn)

KG (m)

LCG (m) YG(m)

43,51,56,59 (m3) 7.85 1.874 14.711 2.043 1.550 0.000 Vách 5,20 và phần

tôn đáy, hông tàu 7.85 1.11408 8.746 6.500 -4.000 0.000 Tôn vỏ đáy tàu, hông

tàu ngoài vùng buồng

máy (m3)

7.85 1.18 9.263 0.760 -1.050 0.000

32

Kết cấu dàn đáy tàu

Tôn đáy đỡ ky (m3) 7.85 0.13102 1.029 -0.620 -2.000 0.000 Tôn đáy trên ky (m3

) 7.85 0.19022 1.493 0.334 -1.500 0.000 Tôn két dầu trái, phải

34

Trường hợp 1: Tàu ra ngư trường có 100% dự trữ, đủ đá, chất bảo quản cá

Hình 2.5 Kiểm tra ổn định trường hợp tải trọng 1 trên AutoHydro

Bảng 2.7 Tổng các thành phần tải trọng trường hợp 1

Thành phần tải

trọng

Khối lƣợng (tấn)

LCG (m)

TCG (m)

VCG (m)

LCG (m)

TCG (m)

VCG (m)

LCG (m)

TCG (m)

VCG (m)

LCG (m)

TCG (m)

VCG (m)

LCG (m)

TCG (m)

VCG (m)

Tổng cộng 85.95% 86.82 4.414a 0.058p 1.932

Righting Arms v s Heel - TCVN-6718 2000

Heel angle (Degrees)

A r m s

i n

m

-0 125 0.000 0.125 0.250

0.375 Righting Arm

R Area

Equi libri um

GMt

Hình 2.6 Đồ thị ổn định trường hợp tải trọng 1

37

Bảng 2.8 Đánh giá ổn định của tàu trường hợp tải trọng 1

Tiêu chuẩn ổn định theo

TCVN 6718:2000 Yêu cầu Thực

tế

So sánh Kết quả

Diện tích của đồ thị ổn định tĩnh khi

Góc lặn của đồ tĩnh ổn định tĩnh >60.00 độ 87.45 27.45 Đạt Tiêu chuẩn ổn định thời thiết: tỷ lệ

Righting Arms v s Heel - TIEU CHUAN ON DINH THOI TIET

Heel angle (Degrees)

A r m s i n m

30.0p 20.0p 10.0p 0.0s 10.0s 20.0s 30.0s 40.0s

-0 250 -0 125 0.000 0.125 0.250

0.375 Righting Arm

Heel ing Arm

R Area

Hình 2.7 Đồ thị ổn định theo tiêu chuẩn thời tiết trường hợp 1