Bài giảng lý thuyết tàu thủy

HIỆU QUẢ KINH TẾ ĐẢM BẢO AN TOÀN TÍNH NỔI CHỐNG CHÌM TÍNH ỔN ĐỊNH ĐIỀU KHIỂN LẮC TÀU TỐC ĐỘ Thiết kế Đóng tàu Sử dụng tàu HÌNH DÁNG BỐ TRÍ KẾT CẤU Công trình kỹ thuật phức tạp, nổi và chạy trên mặt nước 1.1.ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ HÌNH DẠNG VÀ KẾT CẤU 1.1.1.Đặc điểm hình dạng - Hình dạng quyết định đến tính năng - Dạng thân trụ rỗng phần giữa, thuôn về hai đầu. 1.1.2.Đặc điểm kết cấu Daïng voû moûng goàm hai phần : - Phần tôn bao bên ngoài - Phần gia cường bên trong 1.2.CAÙC HEÄ THOÁNG TREÂN TAØU - Heä thoáng thieát bò naêng löôïng : maùy chính + heä truïc + thieát bò ñaåy taøu - Heä thoáng laùi : maùy laùi + truïc laùi + baùnh laùi - Caùc heä thoáng phuïc vuï : cöùu sinh, cöùu hoaû, veä sinh, daèn taøu v..v… - Heä thoáng thoâng tin lieân laïc 1.1.BẢN VẼ ĐƯỜNG HÌNH LÝ THUYẾT TÀU 1.1.1.Khái niệm Đặc điểm hình học, chủ yếu là đặc điểm hình dạng của phần dưới nước và kích thước hình học ảnh hưởng lớn đến tính năng tàu, do đó trước tiên cần ra đặt vấn đề mô tả hình dạng bề mặt vỏ tàu. Do bề mặt vỏ tàu là mặt cong không gian phức tạp nên thường tìm cách rời rạc hóa bề mặt vỏ và mô tả lại gần đúng dưới dạng công thức toán hoặc là tập hợp tọa độ các điểm của đường cong. Bản vẽ đường hình là bản vẽ biểu diễn hình dáng hình học bên ngoài của bề mặt vỏ tàu Do hình dáng phần vỏ tàu dưới nước có ảnh hưởng lớn đến tính năng hàng hải của tàu nên bản vẽ đường hình chính là công cụ mô tả, thông tin và tính toán các tính năng hàng hải của tàu. Tương tự như biểu diễn vật thể hình học bằng phương pháp chiếu, hình dáng bề mặt vỏ tàu cũng được mô tả trên bản vẽ bằng cách chiếu thẳng góc lên các mặt phẳng chiếu cơ bản. Tuy nhiên, cách làm phổ biến nhất là chiếu bề mặt vỏ tàu lên các mặt phẳng vuông góc nhau và mô tả dưới dạng các đường cong trên bản vẽ 2D, gọi là bản vẽ đường hình lý thuyết tàu. 1.1.2.Các mặt phẳng chiếu cơ bản - Mặt cắt dọc giữa tàu : mặt phẳng thẳng đứng đặt tại vị trí đường tâm dọc giữa tàu, chia tàu thành hai phần đối xứng là mạn phải và mạn trái. - Mặt cắt ngang giữa tàu : mặt phẳng thẳng đứng, vuông góc với mặt phẳng dọc giữa tàu, đi qua điểm giữa chiều dài thiết kế, chia tàu thành phần mũi và đuôi - Mặt phẳng mặt đường nước : mặt phẳng nằm ngang nằm trùng mặt đường nước thiết kế, chia tàu thành hai phần là phần nổi và phần chìm Mặt cắt dọc giữa tàu Mặt cắt ngang giữa tàu Mặt phẳng MĐN Hình 1 : Các mặt phẳng chiếu cơ bản 1.1.3.Các hệ thống hình chiếu Do bề mặt vỏ tàu là mặt cong phức tạp nên để mô tả hết hình dáng vỏ tàu phải dùng hệ thống các mặt cắt phụ song song các mặt phẳng chiếu cơ bản, tạo thành ba hệ thống hình chiếu trên bản vẽ đường hình tàu. 1.Hệ thống mặt cắt dọc Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song mặt cắt dọc giữa tàu, chủ yếu để mô tả độ cong dọc bề mặt vỏ tàu, hình dáng mũi, đuôi v..v… Hình 1.1 : Các hệ thống hình chiếu cơ bản Số lượng các mặt cắt dọc nằm trong khoảng từ 2 - 6, phụ thuộc chủ yếu vào chiều rộng tàu và thường được ký hiệu là CD0, CDI, CDII …, tính từ mặt cắt dọc giữa tàu ra hai bên mạn tàu. CD0 CD I CDII 2.Hệ thống mặt cắt ngang giữa tàu Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song với mặt cắt ngang giữa tàu, chủ yếu để mô tả hình dáng các sườn ngang, độ cong ngang boong v..v… Các mặt cắt ngang (còn gọi là sườn ngang) thường được bố trí cách đều với số lượng 11 hoặc 21, phụ thuộc chủ yếu chiều dài tàu và được đánh số theo thứ tự là 0, 1, 2 …, tính từ mũi đến đuôi. Do tính chất đối xứng nên chỉ biểu diễn nửa mặt cắt ngang, bên trái bố trí các mặt cắt ngang mũi và bên phải bố trí các mặt cắt ngang đuôi. Do vỏ tàu tại mút mũi và đuôi thay đổi nhiều nên để biểu diễn chính xác sườn khu vực này dùng thêm các mặt cắt giữa các mặt cắt chính và ký hiệu thêm 1/2, ví dụ 1 1/2 (đuôi) hoặc 91/2, 101/2 (mũi). Hình 1.2 : Các hệ thống hình chiếu của bản vẽ đường hình CD0 CD I CDII 3.Hệ thống mặt đường nước Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song mặt phẳng mặt đường nước, chủ yếu dùng để mô tả hình dáng bề mặt vỏ tàu theo chiều cao. Hình 1.2 : Các hệ thống hình chiếu của bản vẽ đường hình Các mặt đường nước thường cũng hay được bố trí cách đều nhau với số lượng khoảng từ 4 -10, phụ thuộc chủ yếu chiều cao tàu và được ký hiệu là ĐN0, ĐN1, ĐN2 …, tính từ dưới đáy lên Do tính chất đối xứng nên chỉ biểu diễn nửa mặt đường nước Theo nguyên tắc chiếu, mỗi điểm trên bề mặt vỏ tàu sẽ được thể hiện trên cả ba hình chiếu nên giữa ba hệ thống hình chiếu của bản vẽ đường hình lý thuyết tàu phải phải tương ứng phù hợp lẫn nhau. Các hình chiếu chỉ thể hiện hình dáng thật của tàu trên các mặt phẳng chiếu song song với chính nó, còn trên hai hình chiếu còn lại sẽ chuyển thành các đường thẳng, tạo thành lưới chữ nhật của bản vẽ Hình 1.3 : Sự phù hợp của bản vẽ đường hình CD0 CD I CDII 5 6 10 0 ĐN4 ĐN1 0 1/2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ĐN0 ĐN2 ĐN4 ĐN0 ĐN2 ĐN4 0 1/2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 CD0 CDI CDII CD0 CDI CDII MÔ HÌNH 3D TÀU 2000T MÔ HÌNH 3D TÀU DU LỊCH 2.2.ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC Đặc điểm hình học là những đại lượng đặc trưng về mặt kích thước và hình dáng hình học thân tàu, được xác định đầu tiên trong quá trình thiết kế tàu, là cơ sở để xây dựng bản vẽ đường hình lý thuyết và ảnh hưởng đến các tính năng của tàu nên việc xác định chính xác chúng sẽ có ý nghĩa quan trọng. Các đặc điểm hình học thường được chia thành ba nhóm đại lượng chính như sau. 1.2.1.Các kích thước chính Các kích thước chính gồm các đại lượng mô tả kích thước hình học của tàu như chiều dài, chiều rộng, chiều cao và mớn nước 1.Chiều dài tàu L (Length) : (a) Chiều dài lớn nhất Lmax (Loa : Length over all) : khoảng cách tính từ mút mũi đến mút đuôi (b) Chiều dài hai trụ Ltrụ (Lpp : Length between perpendicular) : khoảng cách giữa trụ mũi và trụ lái, với trụ mũi là trụ đi qua giao điểm của đường nước thiết kế (ĐNTK) với mép ngoài sống mũi và trụ đuôi là trụ bánh lái. (c) Chiều dài thiết kế Ltk (Lwl : Waterplane length) : khoảng cách giữa giao điểm của đường nước thiết kế với mép ngoài sống mũi và sống đuôi, đo theo chiều dài tàu. Hình 1.4 : Cách xác định chiều dài tàu ĐNTK 2.Chiều rộng tàu B (Breadth) : (a) Chiều rộng lớn nhất Bmax (Boa : Breadth over all) : khoảng cách giữa hai mạn tàu, đo ở nơi lớn nhất Hình 1.5 : Cách xác định các đặc điểm hình học của tàu (b) Chiều rộng thiết kế Btk : khoảng cách giữa hai mạn, đo theo đường nước thiết kế tại vị trí MCNGT. Btk 3.Chiều chìm hay mớn nước tàu T (d : draft) : khoảng cách thẳng đứng, tính từ đường cơ bản của tàu (đường thẳng qua đáy tàu) đến đường nước thiết kế, đo tại vị trí mặt cắt ngang giữa tàu. 4.Chiều cao tàu H (depth moulded) : khoảng cách thẳng đứng tính từ đường cơ bản đến mép boong tàu. 5.Chiều cao mạn khô F (Freeboard) : khoảng cách thẳng đứng tính từ ĐNTK đến mép boong tàu. F = H - T Hình 1.5 : Cách xác định các hệ số hình dáng 1.2.2.Tỷ số các kích thước chính Tỷ số giữa các kích thước chính L/B, B/H, H/T là nhóm các đại lượng đặc trưng cho tính năng tàu, do đó việc lựa chọn chính xác các tỷ số kích thước sẽ đảm bảo được tính năng tàu là hợp lý nhất. 1.2.3.Các hệ số hình dáng Các hệ số hình dáng là nhóm các đại lượng đặc trưng cho hình dáng hình học của thân tàu 1.Hệ số diện tích mặt đường nước  (Cw : Waterplane Coefficient) : tỷ số giữa diện tích MĐN đang xét S và diện tích hình chữ nhật ngoại tiếp mặt đường nước đó 2.Hệ số diện tích mặt cắt ngang  (CM : Midship Coefficient) : tỷ số giữa giá trị diện tích MCNGT  và giá trị diện tích của hình chữ nhật ngoại tiếp mặt cắt ngang đó 3.Hệ số đầy thể tích  (Cb : Block Coefficient) : tỷ số giữa thể tích chiếm nước V (thể tích phần chìm dưới nước của tàu) và thể tích hình hộp chữ nhật ngoại tiếp thể tích V 4.Hệ số đầy lăng trụ dọc  (Cp : Longitudinal prismatic Coefficient) : tỷ số giữa thể tích chiếm nước V và thể tích hình hộp lăng trụ dọc ngoại tiếp thể tích này 5.Hệ số đầy lăng trụ đứng  (Cv : Vertical prismatic Coefficient) : tỷ số giữa thể tích chiếm nước V và thể tích hình hộp lăng trụ đứng ngoại tiếp thể tích này T L 1.2.4.Một số khái niệm cơ bản 1.Thể tích chiếm nước V ( ) : thể tích phần thân tàu chìm dưới nước, tính bằng m3 (hệ mét) hoặc bằng cu.ft (hệ Anh - Mỹ) (1 cu.ft = 0,0283 m3) 2.Lượng chiếm nước D ( ) = V : trọng lượng tàu ở trạng thái đang xét, bằng tấn trọng lượng (t, tm) hoặc bằng long ton (hệ Anh - Mỹ) (1 long ton = 1,01605 tm) 3.Sức chở (deadweight : dwt) : trọng lượng hàng trên tàu (trọng tải) cùng hành khách và các dự trữ, lương thực, nhiên liệu, nước ngọt v..v... D = trọng lượng tàu không (Do) + deadweight 4.Tấn đăng ký (tonnage) : không tính bằng trọng lượng mà tính bằng đơn vị đo dung tích với ý nghĩa là tấn đo dung tích tàu (1 tấn đăng ký = 100 cu.ft = 2,832 m3) Tấn đăng ký được dùng chính thức và là đơn vị chính dùng trong thống kê đội tàu, cơ sở tính thuế khi tàu qua kênh, đậu cảng v..v... D = V  - trọng lượng riêng nước 1.3.HỆ TOẠ ĐỘ DÙNG TRONG BÀI TOÁN LÝ THUYẾT TÀU Để xây dựng bản vẽ đường hình và xác định các đặc điểm hình học của tàu, cần phải xác định hệ toạ độ thích hợp và đặt tàu nằm trong hệ toạ độ đó. Trong các bài toán tĩnh học thường sử dụng hệ toạ độ liên kết Oxyz gắn liền với tàu Hình 1.6 : Hệ toạ độ dùng trong bài toán lý thuyết tàu Vị trí tàu Toạ độ (x,y,z) Mớn nước T O x z y MCNGT z x O Ttb   - Mớn nước trung bình Ttb - Góc nghiêng dọc  - Góc nghiêng ngang  z = Ttb + x tg  + y tg  1.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Tính nổi là khả năng tàu nổi cân bằng ở vị trí xác định ứng với chế độ tải trọng đang xét Khi nổi trên mặt nước, tàu chịu tác dụng của hai ngoại lực như sau (hình 3.1) C G Trọng lượng tàu P - Đặt tại trọng tâm G của tàu - Hướng thẳng đứng xuống dưới - P = Pvỏ + Pmáy + Pdt + Phk + … - Đặt tại trọng tâm C của phần chìm tàu (tâm nổi) - Hướng thẳng đứng lên trên - D =  V ( - trọng lượng riêng của nước) Hình dáng phần thân tàu dưới nước Khối lượng và phân bố các tải trọng trên tàu Ảnh hưởng tính nổi Lực nổi D (Lực đẩy Acsimec) C G Trọng lượng tàu P - Đặt tại trọng tâm G của tàu - Hướng thẳng đứng xuống dưới - P = Pv + Pm + Pdt + Phk + … Lực nổi D (Lực đẩy Acsimec) - Đặt tại trọng tâm C của phần chìm tàu - Hướng thẳng đứng xuống dưới - D =  V ( - trọng lượng riêng của nước) Điều kiện nổi cân bằng - Điều kiện cân bằng lực - Điều kiện cân bằng mômen P = D G và C nằm trên đường thẳng đứng vuông góc MĐN đang xét (xG, yG, zG) - toạ độ trọng tâm tàu G (xc, yc, zc) - toạ độ tâm nổi tàu C Đảm bảo tính nổi Phương trình trên gọi là phương trình nổi xác định vị trí nổi của tàu 2.2.XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG VÀ TOẠ ĐỘ TRỌNG TÂM TÀU 2.3.XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ TÍNH NỔI CỦA TÀU Yếu tố tính nổi Thể tích chiếm nước V Toạ độ tâm nổi C(xc , yc , zc) Yếu tố đường hình Các yếu tố mặt đường nước (MĐN) Các yếu tố mặt cắt ngang (MCN) Phương trình nổi Hình 2.2 : Các yếu tố đường hình 2.3.1.Xác định các yếu tố đường hình 1.Tính các yếu tố MĐN Xét một MĐN có diện tích S, chiều dài L và tách ra một phân tố diện tích dS bằng hai đường thẳng song song trục Oy, cách trục Oy đoạn x và cách nhau khoảng vô cùng bé dx Diện tích mặt đường nước S Hoành độ trọng tâm xf của diện tích mặt đường nước S 2.Tính các yếu tố MCN Xét MCN có diện tích  có chiều cao T và tách ra một phân tố diện tích d bằng hai đường thẳng song song trục Oy, cách trục Oy đoạn z và cách nhau khoảng vô cùng bé dz Diện tích mặt cắt ngang Cao độ trọng tâm z  của diện tích mặt cắt ngang  z y O d = y dz z z dz y T dM oy = yz dz 2.3.2.Xác định các yếu tố tính nổi dV = S dz dMVyoz = Sxf dz dMVxoy = Sz dz Tách một phân tố thể tích vô cùng bé dV bằng hai cách : - Hai mặt cắt song song mặt phẳng Oxy - Hai mặt cắt song song mặt phẳng Oyz dV =  dx dMVyoz = x dx dMVxoy = z dx z dz O x z dx x Sử dụng phương pháp tích phân để tính 2.4.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN GẦN ĐÚNG Việc tính toán các tính năng hàng hải nói chung và tính toán tính nổi nói riêng thường dẫn đến việc tính tích phân xác định có dạng tổng quát : Do bề mặt vỏ tàu thường chỉ được biểu diễn dưới dạng các đường cong hình dáng nên để tính được giá trị tích phân nói trên cần phải sử dụng các phương pháp tính gần đúng. 2.4.1.Nguyên tắc chung Chia S thành các hình thành phần Si có thể tính được diện tích và tính S theo công thức 2.4.1.Phương pháp hình thang - Chia diện tích S thành các diện tích thành phần Si bằng các đường thẳng song song cách đều - Thay đường y = f(x) bằng đường gẫy khúc đi qua đỉnh các tung độ kế tiếp nhau yo, y1, ..., yn - Tính tích phân theo giá trị diện tích S 3.4.ỨNG DỤNG CÔNG THỨC HÌNH THANG ĐỂ TÍNH CÁC YẾU TỐ TÍNH NỔI 3.4.1.Tính các yếu tố của mặt đường nước Xét một mặt đường nước tàu có chiều dài L, được chia cách đều bởi n các mặt cắt ngang đánh theo số thứ tự 0, 1, 2, … , n tính từ đuôi cho đến mũi tàu. 1.Diện tích mặt đường nước 2.Hoành độ trọng tâm diện tích mặt đường nước 3.4.2.Tính các yếu tố của mặt cắt ngang Xét một mặt cắt ngang của tàu được chia cách đều bởi k mặt đường nước đánh theo số thứ tự 0, 1, 2, … , k tính từ dưới lên đến mớn nước tàu T. 1.Diện tích mặt cắt ngang 2.Cao độ trọng tâm diện tích mặt cắt ngang 3.4.3.Tính các yếu tố tính nổi 1.Tính thể tích chiếm nước V 2.Tính toạ độ tâm nổi Si, xfi - diện tích và hoành độ trọng tâm mặt đường nước thứ i mi, di - diện tích mặt cắt ngang phía mũi và phía đuôi i, zi - diện tích và cao độ trọng tâm của mặt cắt ngang thứ i 3.5.ĐƯỜNG CONG CÁC YẾU TỐ TĨNH NỔI (Hydrostatic Curves) Trình tự xây dựng : - Tính các giá trị các yếu tố tĩnh thủy lực ở các mớn nước tàu Ti khác nhau - Trong hệ toạ độ Oxy, với trục Oy biểu diễn các mớn nước Ti và tương ứng với các mớn nước lấy theo trục Ox giá trị các yếu tố tính nổi tính cho mớn nước đó theo các tỷ lệ xích nhất định. Giá trị các yếu tố tính nổi ở mớn nước bất kỳ sẽ được xác định bởi giao điểm của mớn nước tính theo tỷ lệ xích của trục tung với các đường cong tính nổi, tính theo tỷ lệ xích trục hoành. - Thường chia 3 nhóm đồ thị có cùng gốc tọa độ là nhóm đường V, D, S = f(T), nhóm xc, xf, zc = f(T), nhóm , ,  = f(T), có ghi tỷ lệ xích trên các đường cong. - Chỉ dùng trong trường hợp tàu không có nghiêng ngang ( = 0) và nghiêng dọc ( = 0) Đồ thị biểu diễn các yếu tố tính nổi theo mớn nước tàu : D, V, S, xc, xf, zc, , ,  = f(T) Chú ý : 3.6.ĐỒ THỊ BONGGIEN Trình tự xây dựng : - Tỷ lệ theo chiều dài và chiều cao tàu khác nhau - Ghi đầy đủ tỷ lệ xích của các đại lượng trên đồ thị Đồ thị gồm các đường  = f(T), biểu diễn sự thay đổi giá trị diện tích các mặt cắt ngang với mớn nước tàu T Chú ý : 3.6. ĐỒ THỊ PHIAXỐP Đồ thị Phia xốp là đồ thị V, xc = f(Tm , Tđ) biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố tính nổi với mớn nước mũi và mớn nước đuôi tàu Trình tự - Vẽ trên đồ thị Bong gien các mớn nước nghiêng dọc (Tmi , Tdj) khác nhau Tương ứng với các mớn nước nghiêng dọc, xác định giá trị các yếu tố tính nổi của tàu Xây dựng trong hệ toạ độ OTmTđ các đường V, xc = const 3.7.CÁC BIỆN PHÁP ĐẢM BẢO AN TOÀN TÍNH NỔI CHO TÀU ĐI BIỂN Tính nổi là phần thể tích kín nước VH nằm phía trên đường nước tàu đang nổi, xác định trọng lượng của tải trọng phụ có thể nhận cho đến khi tàu mất khả năng chạy trên nước. 3.7.1.Biện pháp thiết kế - Lựa chọn các kích thước - Thiết kế hình dáng Đảm bảo dự trữ nổi Dự trữ nổi là phần thể tích kín nước nằm phía trên đường nước thiết kế Chiều cao mạn khô f Dự trữ nổi tương đối V = .100 3.7.2.Biện pháp kết cấu và công nghệ - Đảm bảo độ bền và tính kín nước của tất cả kết cấu, nhất là các kết cấu dưới nước - Sử dụng các vách ngăn kín nước 3.7.3.Biện pháp sử dụng - Đảm bảo mớn nước tai nạn không vượt mớn nước giới hạn, cách mép boong kín nước 76 mm - Đảm bảo mớn nước thực tế không vượt quá dấu tải trọng, dấu hiệu quy định mớn nước tối đa không được vượt quá, tuỳ theo mùa và tuỳ theo vùng 4.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4.1.1.Định nghĩa Khả năng tàu khôi phục vị trí cân bằng ban đầu khi mômen ngoại lực thôi tác dụng Khả năng chống lại mômen ngoại lực 4.1.2.Bản chất của ổn định C C G Mômen nghiêng do gió, do phân bố tải trọng … Mng Mhp = P.lhp D P D Điều kiện cân bằng : Mng = Mhp Mng C G Mng Mhp 10o - 12o Chủ yếu chỉ nghiên cứu ổn định ngang vì nguy hiểm hơn Công thức ổn định dọc hoàn toàn tương tự ổn định ngang 4.2.BIỂU THỨC TÍNH CÁNH TAY ĐÒN HỒI PHỤC VÀ MÔMEN HỒI PHỤC M0 = 0 Tàu nổi cân bằng Mng + zG Psin - yc Dcos - zc Dsin = 0 Mng = P(yc cos + sin zc - zG sin) Điều kiện cân bằng : Mng = Mhp Mng = Plhp = P(yc cos + zcsin - zG sin) lhp = yc cos + zcsin - zG sin G Mhp = P.lhp P zc y z lhd = yc cos + zcsin : cánh tay đòn hình dạng phụ thuộc hình dạng tàu lhp = lhd - ltl ltl = zGsin : cánh tay đòn trọng lượng, phụ thuộc trọng lượng và sự phân bố Xét trường hợp tàu nổi cân bằng, sau đó bị nghiêng dưới tác dụng của mômen ngoại lực 4.3.TÂM NỔI - TÂM ỔN ĐỊNH 4.3.1.Tâm nổi - Tâm ổn định O D C' G P  zG Co zco yc zc y z Wo Lo W1 L1 Khi tàu nghiêng, tâm nổi di chuyển trên đường cong không gian bất kỳ và tiếp tuyến tại mỗi điểm trên đường cong này sẽ song song đường nước tương ứng vị trí tâm nổi đang xét. WoLo  = 0 Co W1L1  C (yc , zc) W1L1  + d C' (yc+dyc , zc+dzc) dyc d C dzc M I d Hai pháp tuyến với đường cong tâm nổi tại C, C' cắt nhau tại tâm nghiêng M (hay tâm ổn định) và r =MC là bán kính tâm nghiêng (b.kính tâm ổn định) dyc = CC'cos = rcos d dzc = CC'sin = rsin d Ix - mômen quán tính diện tích MĐN đang xét đối với trục Ox r = Ix / V V - thể tích chiếm nước của tàu 4.4. ĐỒ THỊ ỔN ĐỊNH TĨNH Đồ thị ổn định tĩnh Mhp = f() hoặc lhp = f() là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mômen hồi phục (hoặc cánh tay đòn ổn định) và góc nghiêng  Mhp (lhp) Góc nghiêng  (độ) O Góc lặn Mmax v Đồ thị ổn định tĩnh được sử dụng trong kiểm tra và đánh giá mức độ ổn định của tàu lhp = yccos + zcsin - zGsin  4.4. ĐỒ THỊ ỔN ĐỊNH TĨNH Đồ thị ổn định tĩnh Mhp = f() hoặc lhp = f() là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa mômen hồi phục (hoặc cánh tay đòn ổn định) và góc nghiêng  Mhp (lhp) Góc nghiêng  (độ) O 1 rad = 57o3' ho = tg Tiếp tuyến Góc lặn  Mmax v Đồ thị ổn định tĩnh được sử dụng trong kiểm tra và đánh giá mức độ ổn định của tàu lhp = yccos + zcsin - zGsin 4.6.LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH BAN ĐẦU Ổn định ban đầu là ổn định ở góc nghiêng nhỏ  = 0,35 (m) 2.l30 >= 0,22 (m) 3.m >= 25 - 30o 4.ld30 >= 0,03 (m) 5.ld40 >= 0,09 (m) 6.ld40 - ld30 >= 0,05 (m) 4.9.THÔNG TIN ỔN ĐỊNH Thông tin ổn định là những tư liệu cần thiết về ổn định nhằm giúp người sử dụng có thể kiểm tra, đánh giá mức độ ổn định của tàu trong điều kiện khai thác thực tế 4.9.1.Khái niệm 4.9.2.Các nội dung chính 1.Giới thiệu chung về tàu : công dụng, vùng hoạt động, quy phạm áp dụng v..v… 2.Thông tin về mức độ ổn định của tàu Mức độ ổn định của tàu được thể hiện dưới dạng các đồ thị ổn định, xây dựng cho các chế độ tải trọng điển hình (chế độ tải trọng nguy hiểm nhất về ổn định) Ví dụ về các chế độ tải trọng nguy hiểm đối với tàu cá (theo Quy phạm Việt nam) Ra ngư trường với 100% dự trữ Tàu từ ngư trường trở về với 100% sản phẩm + 10% dự trữ Tàu từ ngư trường trở về với 20% sản phẩm + 70% đá, muối + 10% dự trữ Tàu đang trên ngư trường với cá và lưới ướt trên boong + 25% dự trữ 3.Kiểm tra ổn định tàu - Kiểm tra theo cao độ trọng tâm tàu zG zG = [ho] [ho] - chiều cao tâm nghiêng giới hạn, xác định tương tự [zG] ho - chiều cao tâm nghiêng tàu tại thời điểm kiểm tra, có thể tính gần đúng từ công thức tính chu kỳ lắc tàu như sau 5.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 5.1.1.Định nghĩa Khả năng tàu đảm bảo được tính nổi và tính ổn định trong trường hợp tàu bị tai nạn thủng khoang, nước dồn vào bên trong 5.1.2.Tính toán tính ổn định Tàu tai nạn Đảm bảo nằm trong giới hạn 5.1.3.Phân loại khoang tai nạn - Khoang loại 1 : nước bên trong không liên hệ nước bên ngoài - Khoang loại 2 : nước bên trong có liên hệ nước bên ngoài 5.1.4.Hệ số ngập nước  = vtt/vlt vtt - thể tích nước dồn vào khoang vlt - thể tích lý thuyết của khoang 5.2.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TÍNH CHỐNG CHÌM 5.2.1.Phương pháp thêm tải Tính tương tự trường hợp tàu nhận thêm một tải trọng p đặt tại vị trí trọng tâm khoang tai nạn với trọng lượng bằng trọng lượng thể tích nước dồn vào khoang đó Áp dụng các công thức tính ảnh hưởng quá trình thêm tải trọng rắn đến ổn định tàu để xác định các đại lượng đặc trưng cho tính nổi và tính ổn định sau khi tàu tai nạn 5.2.2.Phương pháp lượng chiếm nước không đổi Xây dựng trên cơ sở giả thiết khi tàu tai nạn, nước dồn vào trong khoang thì xem như khoang này không còn thuộc tàu nữa. Giả sử khoang tai nạn có toạ độ (xv, yv, zv), diện tích mặt khoang là s với toạ độ (xs, ys) 5.3. ĐƯỜNG CONG PHÂN KHOANG Đảm bảo tính chống chìm Phân khoang x Mớn nước tai nạn dưới đường nước giới hạn (đường nước cách mép boong kín nước 76 mm) vi = Vi - V Vi - mớn nước sau khi tàu tai nạn. vi - thể tích nước trong khoang tai nạn Nếu đường nước tàu trùng với ĐNGH vigh = Vigh - V v - thể tích khoang giới hạn, là khoang mà khi tai nạn tàu nổi theo ĐNGH Đảm bảo tính chống chìm Phân khoang v q 2. Đóng các cửa kín nước để cách ly hầm bị thủng với các hầm kế cận nhằm hạn chế lượng nước tràn vào tàu 3.Tìm cách hạ thấp trọng tâm và khắc phục mặt thoáng của khối chất lỏng trong khoang 4.Tìm cách cân bằng tàu, thậm chí làm tàu nghiêng ngang để giảm giảm bớt tốc độ dòng chảy qua lỗ thủng và bơm nước ra ngoài tàu Di chuyển các tải trọng trên tàu Sử dụng phao nổi gắn vào mạn bị thủng Khi gặp tai nạn, thuyền trưởng cần bình tĩnh tiến hành công việc cứu nạn khẩn trương, phát tín hiệu cấp cứu khi cần thiết, ghi vào nhật ký hàng hải và báo cáo cơ quan chủ quản nội dung, nguyên nhân, địa điểm và thời gian tai nạn, cùng với các biện pháp xử lý. 6.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Khả năng tàu giữ nguyên hoặc thay đổi hướng chuyển động tuỳ theo sự điều khiển Tính điều khiển gồm tính giữ hướng và tính quay trở mâu thuẫn lẫn nhau Tính điều khiển được đảm bảo nhờ hệ thống lái tàu gồm : máy lái + bánh lái 6.2.QUÁ TRÌNH QUAY VÒNG CỦA TÀU Đặt bánh lái nằm trong mặt phẳng dọc giữa tàu : tàu chạy thẳng Đặt bánh lái lệch mạn phải góc quay lái  : tàu quay vòng Chia quá trình quay vòng của tàu thành 3 giai đoạn Xét trường hợp tàu đang chạy tới với tốc độ V 6.2.1. Đặc điểm của quá trình quay vòng của tàu 1.Giai đoạn cơ động : tính từ lúc quay bánh lái ( = 0) đến lúc đặt ở góc quay lái  = o Do bánh lái đặt lệch dòng chảy góc  nên xuất hiện lực nâng F tác dụng vuông góc và đặt tại trọng tâm của bánh lái. Chia lực F thành 2 thành phần : - Lực Fx ngược chiều V : giảm V tàu - Lực Fy vuông góc V : tàu bị trôi ngang Fy Xuất hiện áp lực thuỷ động R tác dụng lên thân tàu Chia lực R thành 2 thành phần : - Lực Rx ngược chiều V : giảm V tàu - Lực Ry vuông góc V : tăng dần theo độ tăng góc dạt đến giá trị lực Fy tại  = o 2.Giai đoạn biến đổi đều : tính từ lúc đặt ở góc  = o đến lúc hệ lực tác dụng cân bằng Tàu chạy với góc dạt o tăng dần lên và lực R được cân bằng do xuất hiện lực quán tính ly tâm khi chuyển động tròn. Giai đoạn hai kết thúc lúc góc dạt ngừng tăng và còn tất cả lực tác dụng lên tàu và bánh lái như : lực đẩy chân vịt, lực thủy động tác dụng trên bánh lái và vỏ tàu, lực ly tâm bắt đầu cân bằng. 3.Giai đoạn chuyển động ổn định Các lực tác dụng lên tàu và bánh lái cân bằng lẫn nhau nên tàu chạy với vận tốc không đổi Quỹ đạo chuyển động của tàu chuyển thành vòng tròn. Quỹ đạo chuyển động tàu thay đổi với tâm cong dịch dần vào trong vòng quay 6.2.2.Các thông số của quá trình quay vòng 1.Đường kính quay vòng D Công thức kinh nghiệm Đường kính của vòng quay ổn định Xác định theo các phương pháp : Công thức gần đúng Thả phao khi thử chạy tàu 2.Đường kính chiến thuật DT Khoảng cách giữa hai trọng tâm sau khi tàu quay 180o 3.Khoảng trôi dạt l 4.Vận tốc tàu khi quay vòng Do sự xuất hiện các lực cản Fx và Rx nên tốc độ tàu khi đi vào quay vòng ổn định nhỏ hơn tốc độ tàu trước khi đi vào quay vòng. Có thể xác định theo các công thức 6.3.XÁC ĐỊNH GÓC NGHIÊNG TÀU KHI QUAY VÒNG Các lực tác dụng lên tàu khi quay vòng Lực nâng Fy - Đặt tại trọng tâm F của bánh lái - Hướng nằm ngang - Fy = Cy Sbl  V2/2 Lực thuỷ động Ry - Hướng nằm ngang - Ry Lực quán tính ly tâm Qy - Hướng nằm ngang - Qy = mVqv2 / R Khi tàu nghiêng góc   MK = Pho - Qy(zG - zK) + Fy(zK - zF) = 0 Xuất hiện thành phần mômen hồi phục Mhp = Pho 9.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 9.1.1.Định nghĩa Dao động lắc là dao động tuần hoàn của tàu khi chạy trên nước tĩnh hoặc trên sóng biển Khi tàu chuyển động trong thực tế Chịu tác dụng của hệ lực rất phức tạp R, P, sóng … Chuyển động của tàu rất phức tạp Vectơ mômen chính bằng tổng các mômen tác dụng Vectơ lực chính bằng tổng các ngoại lực tác dụng 3 chuyển động quay 3 chuyển động tịnh tiến Phân tích chuyển động của tàu Để khảo sát chuyển động phức tạp của tàu thường sử dụng hai hệ toạ độ Hệ toạ độ cố định Oxyz bố trí như trong bài toán tĩnh học đặt cố định tại nơi tàu đậu Hệ toạ độ liên kết GXYZ đặt tại trọng tâm G và gắn cố định với tàu O x Z y MCNGT z Y X G    x y z Trong hai hệ toạ độ này, chuyển động phức tạp của tàu được chia thành 6 chuyển động gồm 3 chuyển động tịnh tiến theo các trục Ox, Oy, Oz đặc trưng bởi độ dịch chuyển x, y z của trọng tâm tàu theo các trục này 3 chuyển động quay xung quanh các trục GX,GY,GZ đặc trưng bởi các góc , ,  quanh các trục này 9.1.2.Hệ phương trình chuyển động của tàu 9.1.3.Các thông số của dao động lắc Chu kỳ lắc T : khoảng thời gian tàu dao động từ vị trí biên này đến vị trí biên kia Tần số lắc n : số dao động toàn phần sau thời gian 2 giây Biên độ lắc  : độ dịch chuyển của tàu từ vị trí cân bằng đến vị trí biên. Độ lắc : độ dịch chuyển toàn bộ từ vị trí biên này đến vị trí biên khác. 9.1.4. Tác hại của dao động lắc Làm giảm tốc độ tàu và tăng chi phí nhiên liệu trên cùng một quãng đường. Ảnh hưởng xấu đến điều kiện làm việc của thiết bị và thuỷ thủ Làm xuất hiện các ứng suất phụ trong các kết cấu vỏ. Có thể gây lật tàu. 9.2.DAO ĐỘNG LẮC CỦA TÀU TRÊN NƯỚC TĨNH 9.2.1.Dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh không tính đến sức cản Phương trình dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh không tính đến sức cản Các hằng số C1, C2 xác định từ điều kiện biên.  = ocos nt Nghiệm phương trình vi phân tuyến tính thuần nhất nói trên có dạng :  (t = 0) = C1 = o  C1= o 9.2.2.Dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh có tính đến sức cản Phương trình dao động lắc ngang của tàu trên nước tĩnh có tính sức cản Các hằng số C1, C2 xác định từ điều kiện biên. Nghiệm phương trình vi phân tuyến tính thuần nhất nói trên có dạng :  (t = 0) = C1 = o  C1= o 9.3.DAO ĐỘNG LẮC CỦA TÀU TRÊN SÓNG BIỂN 9.3.1.Vài nét về sóng biển Sóng biển hình thành do ảnh hưởng của gió gây ra sự mất cân bằng áp suất trên bề mặt, làm các phần tử nước chuyển động trong mặt phẳng đứng,vẽ lên quỹ đạo gần như hình tròn. Sóng biển thực tế rất phức tạp, có dạng sóng không gian ba chiều nhưng để tính đơn giản, có thể xem sóng biển là sóng hai chiều có dạng gần giống dạng Troxoide hay dạng cosin. Phương trình biểu diễn của prophin sóng trong hệ tọa độ (Ozt) có dạng : z = cost t Các thông số của sóng biển Chiều cao sóng hs Chiều dài sóng  Tốc độ truyền sóng C Chu kỳ truyền sóng  Tần số truyền sóng  Góc mặt sóng   = dz/dt = osin t 9.3.2.Phương trình dao động lắc ngang của tàu trên sóng biển Tàu nổi trên mặt nước tĩnh Tàu nổi trên mặt sóng Đây là phương trình vi phân bậc hai không thuần nhất nên nghiệm của nó gồm hai nghiệm  = td + cb = max td e-t cos(t - ) + max cb sin(t - ) td - nghiệm của phương trình thuần nhất (nghiệm tự do) cb - nghiệm riêng của phương trình (nghiệm cưỡng bức) Sau thời gian dao động chỉ còn lại nghiệm thứ hai với biên độ dao động lớn nhất là max cb = = kdo kd = - hệ số động kd = = = kd = 1,0 kd = kd max =1/2  6.1.CÁC THÀNH PHẦN SỨC CẢN Sức cản tổng hợp tác dụng lên tàu khi chuyển động gồm các thành phần : R = Rn + Rkk + Rph trong đó : Rn - sức cản của môi trường nước Rkk - sức cản của môi trường không khí Rph - thành phần sức cản phụ do các thiết bị như chân vịt, bánh lái v..v… gây ra. Sức cản của môi trường nước có vai trò, ý nghĩa quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ cũng như các tính năng khác của tàu khi chuyển động. Khảo sát phân tố diện tích dS trên bề mặt vỏ tàu dưới nước (còn gọi là diện tích mặt ướt S) sẽ nhận thấy phân tố chịu tác dụng của hai lực : và lực pháp tuyến pdS Lực tiếp tuyến dS Lực ma sát Lực pháp tuyến pdS Lực áp suất Sức cản hình dạng Sức cản sinh sóng Rn = Rms + Rhd + Rss 6.2.SỨC CẢN MA SÁT 6.2.1.Bản chất của sức cản ma sát Sức cản ma sát xuất hiện do độ nhớt chất lỏng gây ra ma sát giữa lớp chất lỏng với bề mặt vỏ tàu và giữa các lớp chất lỏng với nhau. Theo lý thuyết cơ chất lỏng, khu vực xung quanh bề mặt vật thể khi chuyển động được chia thành ba vùng chính Vùng lớp biên Vùng ngoài lớp biên Vùng sau lớp biên 6.2.2.Thử nghiệm kéo tấm phẳng xác định sức cản ma sát Để tìm hiểu bản chất hiện tượng và tìm công thức tính sức cản ma sát, từ năm 1870, Froude đã thực nghiệm kéo các tấm phẳng dài 0,3 – 15 m, rộng 0,5 m và dày 5 mm nằm sâu trong bể thử và nhận được kết quả sau : Khi kéo tấm phẳng trong dòng chất lỏng lý tưởng (tức chất lỏng không có độ nhớt), các phần tử chất lỏng lướt qua mà không dính lại bề mặt tấm phẳng nên các lớp nước quanh bề mặt tấm phẳng có tốc độ không đổi, bằng tốc độ kéo tấm phẳng Vo (hình 7.2) Khi kéo tấm phẳng trong chất lỏng thực (có độ nhớt) nhận thấy, do ảnh hưởng của độ nhớt nên các phần tử trong lớp chất lỏng chảy sát tấm phẳng bị dính vào tấm phẳng, làm cho tốc độ lớp chất lỏng sát bề mặt tấm phẳng bằng 0, còn tốc độ các lớp chất lỏng kế tiếp, nằm theo phương vuông góc tấm phẳng tăng dần đến bằng giá trị tốc độ Vo Công thức tổng quát tính sức cản ma sát của tấm phẳng Công thức tính hệ số sức cản ma sát của tấm phẳng phụ thuộc giá trị số Reynolde Dòng chất lỏng trong lớp biên có thể ở chế độ chảy tầng hay chảy rối, phụ thuộc : Kích thước tấm phẳng Tốc độ tấm phẳng Độ nhớt chất lỏng Số Reynold 6.2.3.Sức cản ma sát của vỏ tàu 6.3.SỨC CẢN ÁP SUẤT 6.3.1.Hiện tượng lưu tuyến Là hiện tượng phân bố lại áp lực và tốc độ dòng chất lỏng chảy quanh bề mặt vỏ tàu. Ở khu vực mũi và đuôi, do tiết diện ngang các dòng chảy tăng nên tốc độ dòng chảy giảm và áp lực dòng chảy tăng (định luật Becnuly). Tại phần giữa tàu, do các dòng chất lỏng bị ép lên nhau làm giảm tiết diện ngang nên tốc độ dòng chảy lại tăng và áp lực trong dòng chảy giảm xuống Kết quả của sự phân bố lại áp lực và tốc độ trong dòng chất lỏng quanh bề mặt vỏ tàu là nguyên nhân gây ra sức cản áp suất gồm sức cản hình dạng và sức cản sinh sóng. 7.4.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH SỨC CẢN 7.4.1.Phương pháp giải tích Xây dựng trên cơ sở lý thuyết cơ chất lỏng để thiết lập công thức tính sức cản Chỉ mới thiết lập được công thức tính sức cản ma sát, chưa tính được các thành phần sức cản khác nên chưa được áp dụng rộng rãi. 7.4.2.Phương pháp thử kéo tàu thật Xác định sức cản bằng thử nghiệm kéo tàu thật trong thực tế. Tốn kém nên thường dùng để kiểm tra và đánh giá độ chính xác phương pháp khác. 7.4.3.Phương pháp thử mô hình Xác định sức cản bằng cách : Cho kết quả chính xác và hiện đang được dùng phổ biến tại nhiều nước trên thế giới, nhưng do việc xây dựng bể thử rất tốn kém nên hiện chỉ mới có ở một số nước tiên tiến. Chế tạo mô hình thu nhỏ của tàu thật Thử nghiệm kéo trong bể thử để xác định sức cản của mô hình Chuyển kết quả của mô hình sang tàu thật theo tỷ lệ đồng dạng 7.4.4.Phương pháp tính theo các công thức gần đúng Xây dựng trên cơ sở tổng kết số liệu thực nghiệm dưới dạng công thức gần đúng (hoặc các đồ thị thực nghiệm) khi thử hệ thống seri mô hình tàu trong bể thử. Dễ sử dụng và đạt độ chính xác cần thiết nếu chọn được công thức phù hợp tàu thiết kế Dùng khi thiết kế sơ bộ, không có điều kiện thử mô hình và không cần độ chính xác cao Hiện nay có khá nhiều công thức tính với độ chính xác và phạm vi áp dụng khác nhau. Có thể chia các công thức gần đúng thành 3 nhóm : 1.Nhóm 1 : Tính sức cản toàn phần thông qua tính công suất kéo có ích EPS 2.Nhóm 2 : Chia sức cản tàu thành sức cản ma sát để tính theo công thức giải tích và sức cản áp suất (hay sức cản dư) để tính theo công thức (hay đồ thị) gần đúng 3.Nhóm 3 : Tính theo tàu mẫu 7.5. ĐƯỜNG CONG SỨC CẢN VÀ MỐI QUAN HỆ NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC BỘ PHẬN 7.5.1. Đường cong sức cản R = f(V) Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa sức cản vỏ R và tốc độ tàu V R (KG) R = f(V) V O Ne = f(V) N (ml) N V (hl/h) 7.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI Thiết bị đẩy là bộ phận chuyển đổi năng lượng động cơ thành lực đẩy tàu chuyển động Có nhiều loại thiết bị đẩy nhưng phổ biến nhất là chân vịt vì có khá nhiều ưu điểm như dễ chế tạo, dễ sử dụng và sửa chữa, hiệu suất cao. Phân loại theo kết cấu : chân vịt cánh liền, cánh rời ; chân vịt cánh hẹp, cánh rộng Theo nguyên lý làm việc : chân vịt cánh cố định và chân vịt biến bước, ống đạo lưu … Có nhiều loại chân vịt khác nhau 7.2.1.Đường xoắn ốc và mặt xoắn ốc Đường xoắn ốc là quỹ tích của điểm A di chuyển dọc theo bề mặt hình trụ bán kính r, thực hiện cùng lúc 2 chuyển động, chuyển động tịnh tiến dọc trục hình trụ với tốc độ V và chuyển động quay quanh trục hình trụ với tốc độ góc  (hình 8.2). 7.2.ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CÁNH CHÂN VỊT TÀU THỦY Cánh chân vịt được hình thành từ mặt xoắn ốc có bước xoắn không đổi hoặc thay đổi, do đó để tìm hiểu đặc điểm hình học cánh chân vịt, cần tìm hiểu đặc điểm mặt xoắn ốc. Duỗi thẳng đường xoắn ốc trên mặt phẳng thành tam giác bước xoắn Bước xoắn H là quãng đường điểm A chuyển động được sau khi quay đúng một vòng. Hai thông số đặc trưng cho đường xoắn ốc Mặt xoắn ốc là mặt hình thành khi đoạn thẳng ab thực hiện cùng lúc hai chuyển động, chuyển động dọc theo trục hình trụ bán kính r với vận tốc chuyển động tịnh tiến là và chuyển động xoay quanh trục hình trụ đó với vận tốc góc  không đổi (hình 2.1). Mặt cánh chân vịt là do hai mặt xoắn ốc có chung đường giao nhau tạo nên (hình 2.4). Cánh chân vịt có hai cạnh (mép), cạnh đi trước theo chiều quay chân vịt khi tàu chạy tới là cạnh dẫn, cạnh còn lại là cạnh theo. Mặt cánh nằm về phía đi tới của tàu gọi là mặt hút, mặt còn lại là mặt đẩy (hay mặt đạp). 7.2.2.Các đặc điểm hình học chủ yếu 1.Tỷ số bước xoắn chân vịt H/D 2.Tỷ số mặt đĩa  ( = 0,35 - 1,1) Tỷ số giữa diện tích bề mặt nắn thẳng của tất cả cánh chân vịt A và diện tích vòng tròn ngoại tiếp chân vịt 3.Prophin cánh chân vịt Dạng cánh cung : hiệu suất thấp nhưng ít sinh bọt khí Dạng cánh máy : hiệu suất cao nhưng dễ sinh bọt khí 7.3.ĐẶC ĐIỂM THUỶ ĐỘNG LỰC HỌC CÁNH CHÂN VỊT TÀU THỦY 7.3.1.Nguyên tắc làm việc của chân vịt với chức năng là thiết bị đẩy tàu Cánh chân vịt làm việc theo nguyên lý cánh chịu tải, thực hiện cùng lúc 2 chuyển động chuyển động theo tàu với tốc độ tịnh tiến Vp và chuyển động quay với tốc độ quay n. Do đó khi xét phân tố cánh ở bán kính r và xem chân vịt đứng yên, theo nguyên tắc chuyển động tương đối sẽ thấy các dòng chất lỏng chạy đến phân tố cánh như sau. Dòng chất lỏng chạy với vận tốc VP do chân vịt chuyển động tịnh tiến cùng với tàu Dòng chất lỏng chạy ngược chiều quay chân vịt do chuyển động quay của chân vịt với vận tốc vòng là  = 2 r n (n - tốc độ quay của chân vịt trong 1 giây) Vp  = 2 r n Các dòng chất lỏng phụ V  W Dòng chất lỏng tốc độ V bị đẩy lùi ra sau khi chân vịt hoạt động Dòng chất lỏng tốc độ  bị cuốn theo chuyển động quay của chân vịt Vận tốc tổng hợp W của dòng chất lỏng nghiêng phân tố cánh góc  (góc tiến) Do phân tố cánh chân vịt đặt nghiêng với phương dòng chất lỏng chạy đến góc  nên trên phân tố xuất hiện lực nâng dY vuông góc vận tốc W và lực cản dX song song vận tốc W. dY dX Chiếu các lực này lên hai phương vuông góc dPY dQY dPx dQx Lực đẩy dP = dPY - dPx Lực cản dQ = dQY - dQx Xét trên toàn bộ chân vịt sẽ nhận được lực đẩy P và mômen cản M như sau Trong nghiên cứu thực nghiệm mô hình chân vịt ở bể thử thường tính lực đẩy P và mômen cản M theo hệ số lực đẩy K1 và hệ số mômen K2 như sau 2 ri 7.3.2.Hiện tượng trượt của chân vịt Do cánh chân vịt là một mặt xoắn ốc nên nếu chân vịt làm việc trong môi trường rắn sau khi quay 1 vòng, chân vịt tịnh tiến khoảng cách bằng bước xoắn H của mặt xoắn ốc. Vp = nH Do chân vịt làm việc ở môi trường chất lỏng có tính đàn hồi nên khi quay một vòng, chân vịt tịnh tiến khoảng bước thực hP 0, M > 0 ) : p1 0 ) : p > p2 (P 0 ) : chân vịt làm việc ở chế độ buộc tàu chân vịt làm việc với chức năng thiết bị đẩy chân vịt làm việc ở chế độ ăn bám chân vịt làm việc như tuabin 8.5.PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU CHÂN VỊT Quá trình làm việc thực tế của chân vịt được nghiên cứu bằng phương pháp thử mô hình chân vịt trong ống khí động hoặc bể thử. Để chuyển kết quả từ thử mô hình sang tàu thật cần đảm bảo các điều kiện đồng dạng 8.5.1. Đồng dạng hình học Tỉ số các kích thước tương ứng của mô hình và của chân vịt thật bằng nhau theo tỷ lệ đồng dạng hình học. Các đặc điểm hình học chủ yếu như H/D, , chiều dày tương đối v..v... của chân vịt và mô hình bằng nhau. 8.5.2. Đồng dạng động học Tỉ số các thành phần vận tốc tương ứng của mô hình và của chân vịt thật bằng nhau theo tỷ lệ đồng dạng động học. 8.5.2. Đồng dạng động lực học Tỉ số các thành phần lực tương ứng của mô hình và chân vịt thật bằng nhau theo tỷ lệ đồng dạng động lực học. 8.6.CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHÂN VỊT 8.6.1.Các phương pháp thiết kế chân vịt 1.Thiết kế chân vịt theo công thức gần đúng Thiết kế chân vịt theo các công thức kinh nghiệm hay công thức gần đúng xây dựng trên cơ sở hệ thống hóa số liệu nhận từ thử hàng loạt mô hình. Đơn giản nhưng chưa được sử dụng rộng rãi vì ít chính xác, dùng khi không thể dùng phương pháp khác hoặc đối với chân vịt đặc biệt như chân vịt cánh rộng. 2.Thiết kế chân vịt theo lý thuyết xoáy Dựa vào lý thuyết xoáy tính các hệ số lực nâng và lực cản Chọn được dạng prophin cánh phù hợp nên hiệu suất cao và tránh được bọt khí Tính toán phức tạp và qua nhiều bước trung gian nên ít được sử dụng trong thực tế 3. 3.Thiết kế chân vịt theo phương pháp đồ thị Lựa chọn chân vịt theo các mẫu có sẵn, đã được thử nghiệm mô hình hàng loạt và tổng hợp thành các đồ thị để sử dụng khi thiết kế. Tính toán đơn giản, cho kết quả nhanh và chính xác nên được sử dụng rộng rãi ở nước ta cũng như nhiều nước trên thế giới Phổ biến nhất là đồ thị thiết kế chân vịt của Papmen (Nga) và Taylor (Mỹ) 8.6.2.Thiết kế chân vịt theo đồ thị Papmen 1.Khái niệm về chân vịt tối ưu theo quan điểm của Papmen Đồ thị thiết kế chân vịt của Papmen được xây dựng trên cơ sở đường đặc tính hoạt động của các chân vịt Wageningen nhưng dùng thuận lợi hơn nhờ ý tưởng của Papmen. Thiết kế chân vịt theo đồ thị Papmen cho phép chọn được chân vịt tối ưu chỉ sau 1 lần tính Chân vịt tối ưu - Phù hợp với vỏ tàu - Phù hợp với động cơ - Hiệu suất là cao nhất 2.Trình tự xây dựng đồ thị thiết kế chân vịt của Papmen Tiến hành thử mô hình trong bể thử để xác định đường đặc tính hoạt động của hàng loạt chân vịt cùng mẫu và có số cánh z, tỷ số bước xoắn H/D và tỷ số mặt đĩa  khác nhau. Tính chuyển tất cả đường đặc tính hoạt động chân vịt nhận được ở trên lên đồ thị K1 - p bằng cách xác định mối quan hệ giữa các hệ số K1 và p ở cùng giá trị tỷ số bước xoắn H/D (dựng được các đường H/D = const) và ở cùng giá trị p (dựng được các đường p = const) Như vậy là mỗi điểm trên đồ thị K1 - p sẽ biểu thị cho một chân vịt với đầy đủ các đặc điểm cần thiết khi thiết kế như z, H/D, , K1, p Thiết kế chân vịt theo đồ thị này chưa đảm bảo chân vịt có đường kính D phù hợp với vỏ (hoặc có tốc độ quay n phù hợp với máy) Để chủ động lựa chọn được chân vịt phù hợp với vỏ (hoặc với máy), đưa thêm vào hệ số K'd (chỉ chứa thông số D) hoặc K'n (chỉ chứa n) xác định theo các công thức sau K1 = (1/K'd)2 2p và K1 = (1/K'n)4 4p Để thuận tiện trong sử dụng vẽ luôn các đường K'd = const (đường bậc 2) và các đường K'n= const (đường bậc 4) lên trên đồ thị K1 - p khi có thể trước các giá trị K'd và K'n cụ thể Cho trước D Cho trước n Tính K'n Chọn chân vịt theo đường K'n để đảm bảo n Như vậy có hai trường hợp thiết kế chân vịt Chân vịt xác định theo đường K'd (hoặc K'n) sẽ là chân vịt đã được cho trước đường kính D (hoặc cho trước tốc độ quay n) nhưng chưa đảm bảo chọn được chân vịt có hiệu suất cao nhất Do họ đường cong K'd = const (hoặc K'n) và họ đường cong p = const quay lưng lại nhau nên chân vịt có hiệu suất cao nhất là chân vịt ứng với điểm tiếp xúc giữa hai họ đường cong. Nối các điểm tiếp xúc của họ đường K'd = const (hoặc K'n) và họ đường p = const nhận được đường K'n opt (chứa các chân vịt vừa khống chế D lại vừa có hiệu suất cao nhất) và đường K'n opt (chứa các chân vịt vừa được khống chế n lại vừa có hiệu suất cao nhất) Đường K'n opt (hoặc K'n opt) còn gọi là đường nopt (hoặc Dopt) vì cho phép chọn chân vịt có tốc độ quay n tối ưu (hoặc D tối ưu), đảm bảo được D (hoặc n) lại vừa có hiệu suất cao nhất. 0,6 K1 p H/D = con st H/D = 1,0 p = con st 0,4 0,5 0,6 O K'd = const K'n = const H/D = 0,8 Sau khi vẽ đường K'dopt và K'nopt thì xoá đường K'd = const và K'n = const Cho trước D Chọn theo đường K'dopt Cho trước n p K1 H/D = con st H/D = 1,0 p = con st 0,4 0,5 0,6 O 0,6 0,7 0,8 K'd opt K'n opt 0,6 0,7 0,8 H/D = 0,8 Các bài toán thiết kế chân vịt : Cho cả D, n Chọn theo đường K'nopt 8.6.TƯƠNG TÁC GIỮA VỎ TÀU VÀ CHÂN VỊT Các đặc điểm thủy động lực học nói trên là xét đối với chân vịt làm việc tự do trong nước Khi làm việc sau đuôi tàu, thân tàu sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của chân vịt, thể hiện qua hiện tượng dòng theo và hiện tượng hút 8.6.1.Hiện tượng dòng theo Khi tàu chuyển động, phía sau đuôi tàu xuất hiện dòng chất lỏng, được gọi là dòng theo chạy theo hướng chuyển động của tàu với tốc độ Vth nhằm lấp chỗ trống do thân tàu để lại Sự xuất hiện dòng theo làm cho tốc độ tương đối của chân vịt Vp so với tốc độ tàu Vt giảm Vp = Vt - Vth Hiện tượng dòng theo được đặc trưng bằng hệ số dòng theo  tính theo công thức Có thể tính gần đúng hệ số dòng theo  theo công thức Papmen 8.6.2.Hiện tượng hút Do sự xuất hiện dòng theo nên tốc độ của dòng chất lỏng ở khu vực sau đuôi tàu tăng lên, do đó áp lực ở đuôi tàu giảm làm xuất hiện lực cản phụ P, hướng ngược chiều tàu chạy. Hiện tượng này gọi là hiện tượng hút và lực cản phụ P trong trường hợp này gọi là lực hút. Do sự xuất hiện lực hút nên lực đẩy chân vịt P lúc này không chỉ khắc phục sức cản vỏ tàu R mà còn khắc phục lực hút P, tức là : P = R + P Hiện tượng hút thường được đặc trưng qua hệ số hút t Có thể xác định giá trị hệ số hút t theo công thức gần đúng : 8.6.3.Hiệu suất làm việc của chân vịt phía sau đuôi tàu 8.7.HIỆN TƯỢNG BỌT KHÍ VÀ XÂM THỰC MẶT CÁNH CHÂN VịT 8.7.1.Khái niệm về hiện tượng bọt khí Hiện tượng bọt khí là hiện tượng nước sôi và bốc hơi trong lòng của chất lỏng (sôi lạnh) tại áp suất thấp hơn áp suất bão hòa của nước, hình thành khoang chứa hỗn hợp khí và hơi. Khi chân vịt làm việc, nhất là ở tốc độ cao áp lực trên mặt cánh giảm xuống bằng áp lực bão hoà của nước nên xuất hiện hiện tượng bọt khí 8.7.2.Điều kiện xuất hiện hiện tượng bọt khí Xét một phân tố cánh chân vịt đặt ở độ sâu h, nghiêng với đường nằm ngang góc tiến , phân tố cánh đứng yên và dòng chất lỏng đang chạy đến với tốc độ Vo (hình 8.3). Viết phương trình Becnuly cho 2 điểm A, B ở cùng độ sâu h, với điểm A nằm xa phân tố cánh, điểm B nằm trên cánh Chân vịt làm việc ở tốc độ quay lớn pB giảm bằng áp suất bão hoà pbh của nước Xuất hiện hiện tượng bọt khí Suy ra điều kiện xuất hiện hiện tượng bọt khí 8.7.3.Các giai đoạn bọt khí Bọt khí là hiện tượng có hại và thường xảy ra qua hai giai đoạn : 1.Giai đoạn 1 Giai đoạn này bắt đầu khi áp lực tại một điểm trên cánh chân vịt (thường là mút cánh) bằng áp lực bão hoà của nước, bắt đầu hình thành những trung tâm bọt khí đầu tiên. Các bọt khí vừa hình thành sẽ bị dòng chất lỏng chạy tới cuốn vào vùng có áp lực cao bị nén rồi vỡ ra, tạo thành các khoang trống, sau đó lại được hình thành, bị nén và vỡ ra, gây lực va đập rất lớn làm mặt cánh bị rỗ và xâm thực) và ảnh hưởng đến độ bền cánh. 2.Giai đoạn 2 Giai đoạn hai bắt đầu khi áp lực ở nhiều điểm trên cánh chân vịt giảm bằng áp suất bão hoà của nước, vùng bọt khí lan rộng và chiếm khoảng 60% diện tích mặt hút cánh. Do các bọt khí hình thành không bị cuốn đi và vỡ ra nên ít ảnh hưởng đến độ bền cánh nhưng do chân vịt làm việc trong vùng hơi nên hiệu suất chân vịt bị giảm xuống.  =  : Bắt đầu xảy ra hiện tượng bọt khí  Ndm và nc > ndm Bộ điều tốc hoạt động và điều chỉnh động cơ làm việc theo đường đặc tính điều tốc BT Điểm làm việc T ứng với NT< Ndm và nT  1,1 ndm nT