TRẦN CÔNG NGHỊ THIẾT KẾ TÀU CỠ NHỎ CHẠY NHANH NXB XXX Trang ñeå troáng TRẦN CÔNG NGHỊ ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÓNG TÀU VÀ CÔNG TRÌNH NỔI THIẾT KẾ TÀU CỢ NHỎ CHẠY NHANH Thành phố Hồ Chí Minh 10/2001 4 Trang naøy ñeå troáng 5 MỤC LỤC Mở đầu CHƯƠNG 1: TÀU NHỎ CHẠY NHANH 1. Tàu nhỏ chạy nhanh 2. Thủy động lực học tàu lướt 3. Thiết kế tàu nhỏ chạy nhanh 4. Hình dáng tàu chạy nhanh 5. Ảnh hưởng đường hình đến tính năng hàng hải 6. Giới thiệu những mẫu tàu cỡ nhỏ 7. Kết cấu tàu nhỏ CHƯƠNG 2: SỨC CẢN TÀU CHẠY NHANH. MÁY ĐẨY TÀU 1. Sức cản tàu nhỏ chạy nhanh 2. Sức cản tàu lướt 3. Vận tốc tàu 4. Công suất cần thiết để tàu đạt vận tốc tính toán 5. Thiết kế máy đẩy tàu chạy nhanh 6. Bố trí buồng máy tàu CHƯƠNG 3: TÀU TRÊN CÁNH NGẦM 1. Tàu trên cánh ngầm 2. Động lực học cánh 3. Sức cản tàu trên cánh 4. Ổn đònh tàu trên cánh 5. Thiết kế tàu trên cánh Tài liệu tham khảo 6 Mở đầu Môn học “Thiết kế tàu” gồm các phần: (1) Lý thuyết thiết kế tàu, (2) Mỹ thuật thiết kế tàu và (3) Thiết kế các tàu chuyên dùng. Hai phần đầu đã được chuyển đến bạn đọc trong lần phát hành trước. Phần thứ ba gồm những chuyên đề liên quan đến các kiểu tàu thông dụng: • Tàu vận tải đi biển, chủ yếu đề cập tàu chở hàng khô, tàu hàng thùng, tàu dầu, tàu chở hàng rời/ hàng tổng hợp, tàu chở sà lan. • Tàu khách. • Tàu kéo, đẩy. • Tàu công trình. • Tàu cỡ nhỏ, chạy nhanh. • Tàu cánh ngầm. • Tàu sông. • Tàu đánh cá. Mỗi chuyên đề được trình bày trong tài liệu riêng, sẽ cung cấp bạn đọc quan tâm đến chuyên đề này những thông tin, hướng dẫn cần cho thiết kế tàu chuyên dùng. Những tư liệu dùng trong biên soạn chúng tôi trích từ các nguồn có điều kiện tiếp xúc. Tư liệu từ các Viện thiết kế , ngày nay gọi là các cơ quan tư vấn – thiết kế , từ Đăng kiểm Việt nam và các thiết kế do Khoa Đóng tàu và Công trình nổi trường Đại học Giao thông Vân tải Tp Hồ Chí Minh thực hiện chúng tôi xin phép được đưa vào tài liệu làm cơ sở cho các thiết kế của đồng nghiệp. Những người viết xin chân thành cám ơn sự đóng góp hữu hiệu trên. Tài liệu in lần đầu này chắc còn nhiều thiếu sót về nội dung và hình thức. Chúng tôi rất mong các bạn đồng nghiệp từ khắp miền đất nước góp ý xây dựng, giúp chúng tôi hoàn chỉnh tài liệu. Chúng tôi rất mong bạn đọc bổ sung, cùng chúng tôi hoàn thiện tài liệu chuyên ngành cần thiết này. Mọi góp ý xây dựng đề nghò gửi về Khoa đóng tàu và Công trình nổi , Đại học GTVT tp Hồ Chí Minh. 7 CHƯƠNG 1 TÀU NHỎ CHẠY NHANH 1 Tàu nhỏ chạy nhanh Tàu cỡ nhỏ, chạy nhanh (high-speed crafts) được dùng phổ biến trong quân sự và dân sự. Tàu dạng này có mặt tại hầu hết các lónh vực kinh tế biển. Số lượng không nhỏ tàu trong nhóm đang là những tàu khách cao tốc, phần lớn tàu nhỏ chạy nhanh làm các nhiệm vụ tuần tra, bảo vệ nguồn lợi thủy hải sản, tàu thể thao, huấn luyện và cả tàu thuyền đua tài. Tàu nhỏ chạy nhanh được sử dụng như tàu tuần tra, tàu phóng ngư lôi, tàu làm các nhiệm vụ đặc biệt khác của các lực lượng vũ trang. Ngày nay, trong đội tàu đang hoạt động chúng ta có thể nhận thấy các nhóm tàu kết cấu khác nhau, làm việc trên những nguyên lý khác nhau. Trong phần bàn về lý thuyết tàu bạn đọc hẵn còn nhớ cách chia nhóm của tàu dựa vào nguyên lý làm việc. Nhóm thứ nhất gồm các tàu nổi với đặc tính lượng chiếm nước của tàu không đổi khi tàu thay đổi vận tốc. Theo nguyên lý Archimedes, lực nổi tác động lên tàu trong trạng thái tónh tính bằng tích của trọng lượng riêng nước với thể tích phần chìm mà thân tàu chiếm chỗ trong nước. Các tàu nhóm này được coi là tàu nổi hay gọi bằng tiếng Anh như người ta vẫn dùng trong ngành đóng tàu là tàu displacement. Vận tốc tuyệt đối các tàu nhóm tàu nổi có khi đến 25 – 30 HL/h. Nhóm thứ hai có thể coi là nhóm tàu làm việc theo nguyên lý thủy động lực học, khác với nguyên lý tónh học, mang tên gọi tàu họ Bernoulli. Sức nâng nhóm tàu này làm việc hoàn toàn theo trạng thái động. Từ chuyên ngành chỉ cách xác đònh lực nâng tàu trong trường hợp này là hydrodynamic support. Trong nhóm này chúng ta thường gặp các tàu mà lượng chiếm nước D = γV của nó lớn nhất khi đứng yên, khi chạy, tùy thuộc vận tốc lớn hay nhỏ lượng chiếm nước giảm đến mức đáng kể. Trong những trường hợp ấy phần chìm trong nước của thân tàu V còn rất nhỏ, D bò nhỏ theo. Những tàu đặc trưng của nhóm thứ hai này là tàu đáy phẳng (planing hull), tàu trên cánh ngầm (hydrofoils). Vận tốc tuyệt đối tàu planning đạt đến 30 – 40 HL/h mặc dầu chiều dài tàu khá khiêm tốn. Tàu cánh ngầm thường khai thác ở vận tốc tuyệt đối 35 – 60 HL/h. Nhóm thứ ba tuy mang tên gọi là “tàu thủy” song phần lớn thời gian hoạt động nó “bay” trong không khí. Đây là nhóm tàu làm việc trên nguyên lý khí động học, aerostatic support. Tàu thường gặp của nhóm là tàu trên đệm khí (air cushion craft) và tàu trên đệm bọt khí (captured air bubble). Vận tốc tàu nhóm gần “máy bay” này thông thường từ 80 đến 100 HL/h. Tàu cỡ nhỏ có thể bao gồm các tàu dài đến 40m. 8 Tùy thuộc vận tốc tương đối của tàu có thể xếp tàu trong nhóm thành các nhóm nhỏ sau đây: Tàu nổi, hoạt động theo nguyên lý Archimedes: F nV ≤ 1 Tàu chạy ở trạng thái quá độ về vận tốc: 1 ≤ F nV ≤ 3 Tàu lướt 1 : F nV ≥ 3 Số Froude tính theo lượng thể tích chiếm nước V được hiểu là: 3 v Vg F nV = (1.1) Trong công thức cuối (1.1), v – vận tốc tàu, tính bằng m/s; g = 9,81 m/s 2 ; V – thể tích phần chìm của tàu, m 3 . Tàu nhanh được đề cập trong tài liệu này thuộc nhóm làm việc trên nguyên lý thủy động lực và nhóm khí động học. Một số tàu tiêu biểu, làm việc có hiệu quả có thể kể đến sau đây. Tàu trên đệm khí rất nhẹ, khi chưa bay toàn thân đã được nâng lên cao khỏi mặt nước nhờ “gối khí” dưới tàu, che chắn bằng váy. Gối khí này có áp lực trong lòng thấp, do các quạt nâng tạo ra. Váy che chắn gối khí được sản xuất từ vật liệu “mềm” song đủ bền. Tàu với váy mềm mang tên gọi “tàu trên gối khí – air cushion vehicle”, viết tắt ACV. Trường hợp thay “váy” bằng vách cứng của tàu khi bảo vệ gối khí chúng ta gặp kết cấu tàu trên đệm bọt khí, người Anh viết là captured air bubble vehicle – CAB. Tàu trên cánh, dựa hoàn toàn trên các cánh rất giống cánh máy bay, được thiết kế theo hai nhóm nhỏ, tàu trên các cánh ngầm (submerged foils) và tàu đặt trên cánh trượt (surface piercing). Tàu đáy bằng là nhóm đa dạng, đang trên đà phát triển. Từ kỹ thuật chuyên ngành gọi đây là những planing boats. Mặt cắt ngang thân tàu nhóm này thường có dạng hình chữ V. Đáy tàu phẳng khi lướt trong nước chẳng khác nào như cánh dạng tấm đang “bay” trong môi trường chất lỏng, hậu quả của hiện tượng này là lực nâng được sinh ra, tàu được đỡ từ dưới lên. Nhờ lực nâng, thân tàu trồi lên, thể tích phần chìm thân tàu khi chạy sẽ nhỏ hơn nhiều so với trường hợp đứng yên. Lực Archimedes bò giảm còn lực thủy động Bernoulli tăng lên. Tàu nhóm này còn có tên gọi tàu họ Bernoulli để phân biệt với họ Archimedes vừa nêu. Thủy động lực học tàu lướt Lực nâng và lực cản tấm phẳng Từ cách phân nhóm nêu trên có thể viết phương trình cân bằng lực cho tàu ở các trạng thái làm việc. Với các tàu chạy chậm và tàu thuộc nhóm tàu nhanh song đang đứng 1 Tàu lướt được hiểu theo cách dùng của người Nga, người Pháp: glisseur. Trong các tài liệu nước ngoài các tàu này được xếp vào nhóm planing crafts nếu xét cấu hình đáy tàu, hoặc gọi chung là tàu cao tốc, high-speed crafts. 9 yên trên nước phương trình cân bằng lực được viết dưới dạng trọng lượng toàn tàu đúng bằng lực nổi. W = γV (1.2) Trong đó W – trọng lượng tàu, trong hệ metric thường đo bằng tấn (1000 kG), V – thể tích phần thân tàu choán chỗ trong nước, gọi là thể tích phần chìm, thể tích choáng chỗ (displacement volume), đo bằng m 3 , còn γ - trọng lượng riêng của nước. Trong tính toán, thiết kế những người sử dụng hệ metric áp dụng thứ nguyên t/m 3 hoặc kG/m 3 cho trọng lượng riêng 2 . Tàu đã chạy, khi sang giai đoạn quá độ lực nâng bắt đầu tham gia vào thành phần các lực tác động lên tàu, phương trình cân bằng sẽ mang dạng: W = γV 1 + L (1.3) Trong đó V 1 – thể tích phần chìm của thân tàu trong trạng thái tàu đang chạy đủ nhanh, trong mọi trường hợp V 1 < V; L – lực nâng, trong hệ metric đo bằng tấn (1000kG) hoặc kG. Tàu chạy càng nhanh, lực L càng lớn, V 1 nhỏ dần song phương trình (1.3) luôn được cân bằng. Lực nâng xuất hiện trong quá trình thân tàu chạy lướt trong nước được giải thích như trường hợp lực nâng tấm lướt. Trên hình 1 chúng ta có dòp quan sát hình ảnh tấm lướt đó. Dưới tác động của ngoại lực tấm đang nghiêng với góc tấn α, “bay” với vận tốc v trên mặt nước. Khi bay tấm làm một việc rất tự nhiên, thay đổi hướng dòng. Vận tốc dòng chảy đến tấm chia dòng làm hai phần, phần dưới và phần trên . Dễ nhận thấy từ đây, với đường dòng bò chia, vận tốc cũng chia thành âm dương, và phải tồn tại điểm tại đó v = 0. Trên hình điểm O nằm tại ranh giới giữa hai miền đó được gọi là điểm giới hạn. Từ đònh luật Bernoulli có thể xây dựng đường phân bố áp lực thủy động, giá trò lớn nhất của đường này phải rơi đúng vào vò trí của O. Từ hình ảnh vừa có người ta có thể xây dựng các cách tính xác đònh lực thủy động tác động lên tấm đang lướt. Tổng cộng tất cả lực pháp tuyến đến tấm trên hình 1 có thể qui tụ thành lực F tác động vuông góc với tấm. Để giúp việc tính toán thuận lợi chúng ta sẽ tiếp tục phân F thành các thành phần cấu thành mang ý nghóa thực tế. Hình 2 tiếp dưới đây được vẽ lại từ hình 1 song có đề cập các chi tiết phụ cận của tấm cùng đường dòng trước và sau tấm. Lực F có thể phân thành hai thành phần F y và F x , theo hướng trục Oy và Ox tương ứng. Cần giải thích ngay, trong kỹ thuật thành phần F x chính là lực cản chuyển động của tấm 2 Lưu ý người đọc về cách viết công thức và sử dụng thứ nguyên trong tài liệu bằng tiếng Nga xuất bản sau những năm chín mươi như sau. Công thức vừa nêu được người Nga viết Dg = γV, với D – khối lượng tàu, đơn vò đo kg, g – gia tốc trường trái đất, m/s 2 , W – thể tích phần chìm, m 3 , còn γ - đo bằng đơn vò kg/m 2 .s 2 . 10 trong nước, thường ký hiệu bằng R (tiếng Anh: Resistance) hoặc D (tếng Anh: Drag). Thành phần Fy thường được gọi là lực nâng, tiếng Anh viết là Lift, ký hiệu L. Công suất kéo cần thiết, theo cách gọi trong ngành tàu được hiểu là: A = P x .v = R.v = Fsinα.v (1.4) Bỏ qua năng lượng tạo sóng lúc chuyển động có thể cho rằng toàn bộ năng lượng được dùng cho việc đẩy tấm về trước đã giành cho việc tạo các tia nước bắn tung ra sau. Tiếng Anh gọi các tia nước bò bắn tung tóe này là sprays. Vận tốc dòng dạng này phải bằng tổng vecto của vận tốc tấm đang lướt và vận tốc dòng so với tấm. v p = 2v cosα/2. Trong khi đó khối lượng nước bò ném về trước trong quá trình chuyển động của tấm, tính bằng ρδv, với ρ - mật độ nước, tính bằng kg/m 3 , δ - chiều dầy dòng các tia nước bò phun (spray), m. Động năng của dòng bò phun tung tóe (spray) có thể tính : A S = ½ mv p 2 = ½ ρδv (2vcosα/2) 2 = 2ρδv 3 cos 2 α/2 (1.5) So sánh (1.4) và (1.5) có thể viết: Fvsinα = 2ρδv 3 cos 2 α/2 (1.6) Từ đó: F = () ( ) ()() 2/sin2/cos2 2/cos2 sin 2/cos2 2 2 2 2 αα α ρδ α α ρδ vv = (1.7) Hoặc là F = ρδv 2 ctgα/2 Lực nâng và lực cản tính theo công thức sau: [...]... Hình 11 2 Thiết kế tàu nhỏ chạy nhanh Các dạng tàu thường gặp Trước khi thiết kế tàu cỡ nhỏ chạy nhanh cần thiết thấy rằng không phải tàu nào đạt FnV ≥ 3 cũng chuyển sang chế độ lướt Trong khi đó nhiệm vụ người thiết kế là phải đưa tàu sang chế độ lướt nhằm giảm bớt công suất máy đẩy tàu Một trong những cách làm đó là chọn đường hình tàu thỏa đáng, có khả năng “bay” khi chạy nhanh Muốn “bay” tàu phải... Phân loại tàu cỡ nhỏ chạy nhanh Tàu cỡ nhỏ chạy nhanh được phân thành các nhóm tùy thuộc công dụng của chúng Thường gặp trong cuộc sống tàu làm các việc cụ thể sau: tàu công vụ (work boats), tàu du lòch, tàu thể thao, tàu hải quan, tàu tuần tra, tàu phục vụ nuôi trồng thủy sản, tàu cứu thương, cứu hộ vv Tùy thuộc hình dáng vỏ tàu có thể phân nhóm các tàu theo cách thông dụng • Tàu hông tròn với đường... hình tàu dạng xe trượt tuyết được giới thiệu tại hình 14 Trong những tàu dạng này chiều rộng tàu không đổi song đáy tàu được chế tác lõm vào nhằm nâng cao khả năng làm việc Hình 15 giới thiệu hai tàu nhỏ trong nhóm vừa nêu, tàu ở hình trên không có step, tàu hình dưới mang một step tại vùng giữa tàu Mặt cắt ngang tiêu biểu của các tàu trên được trình bày tại các vò trí đặc trưng Phân loại tàu cỡ nhỏ chạy. .. đáy khi tàu chạy không đủ độ lớn và hậu quả của nó tàu không nâng nổi mình lên mặt nước dù cố chạy nhanh Trong trường hợp này tàu chỉ dừng ở mức tàu Archimedes” Tàu không nâng nổi mình không thể nào chuyển sang trạng thái lướt Tuy nhiên ưu điểm của dạng này là ổn đònh dọc khá tốt, tính êm của tàu cũng tốt 20 Từ những điều vừa đề cập có thể nêu ý kiến rằng chọn chiều rộng B cho tàu cỡ nhỏ chạy nhanh. .. kín nội đòa 35 – 60 Kích thước chính Thiết kế tàu cỡ nhỏ chạy nhanh có thể bắt đầu từ chọn kích thước có vai trò quan trọng nhất là L, theo đó toàn bộ công việc bố trí tàu, trang trí phương tiện chòu ảnh hưởng trực tiếp Chiều dài tàu ảnh hưởng quyết đònh đến trọng lượng vỏ tàu được thiết kế 19 Trong những trường hợp đặc biệt, đại lượng cần xác đònh đầu tiên cho tàu loại này là chiều rộng B Thông số... Chiều cao tàu H (hoặc viết theo kiểu hiện đại D) là đại lượng đi liền với tỷ lệ L/H Hình dáng tàu chạy nhanh Tàu chạy nhanh, theo cách dùng của nhiều nhà đóng tàu nói tiếng Anh là high-speed crafts, có thể phân thành các nhóm tàu làm việc theo nguyên lý tàu nổi chòu tác động lực Archimedes, nhóm tàu hoạt động trên nguyên lý thủy- khí động và nhóm tàu làm việc trên cơ sở các nguyên lý khí động lực Tàu nhóm... hướng không tốt bằng các dạng tàu khác dạng tàu này được sử dụng khá nhiều trong chế tạo các tàu thuyền đua tài nghiệp dư Tàu hai thân (catamaran) Tàu hai thân cỡ nhỏ khác nhiều nếu so với tàu hai thân thông dụng Một trong các đường hình tàu hai thân được trình bày tại hình 45 Đặc trưng rõ nét nhất của catamaran cỡ 33 nhỏ là tính không đối xứng của thân tàu Đường hình thân tàu thường thuộc dạng đường... phần thiết kế tàu họ Archimedes, khi nhanh hơn tàu chuyển sang giai đọan quá độ chuẩn bò cho trạng thái lướt Giai đoạn sau cùng của tàu nhóm này là tàu chạy ở chế độ “lướt” Trong giai đoạn này chỉ một phần thân tàu chìm trong nước, phần còn lại nổi hoàn toàn trên mặt nước Nhờ giảm bớt diện tích tiếp nước của vỏ tàu, sức cản tàu trong giai đoạn này thay đổi đáng kể so với giai đoạn trước đó Các kiểu tàu. .. nhau trong một tàu, người thiết kế phải cân nhắc rất kỹ trước khi chọn hình dáng và kích thước của các bậc nhảy này Hình dáng của tàu deep Vee Các tàu thuyền nhỏ trong lónh vực thể thao, du lòch thường được thiết kế dạng deep Vee cùng step dọc Cần nói rõ hơn, các tàu thuyền làm các chức năng khác không chọn phương án này khi thiết kế đường hình dáng vì độ ổn đònh của nó kém hơn các tàu khác, lắc khá... giữa tàu Góc nghiêng tại transom không nên quá 4 - 5° Một trong những vấn đề khó của thiết kế tàu chạy nhanh dạng này là chọn hệ số đầy thể thích thích hợp cho phần mũi Hệ số đầy phần mũi nhỏ có nghóa tàu có vẻ nhọn giúp làm giảm tải trọng song mũi tàu dạng này dễ đưa mũi tàu “vùi” vào khôi nước do sóng đánh Ngược lại mũi tàu “béo” với tính nổi khác cao khó cho phép mũi vùi đầu vào sóng Trên các tàu . 1. Tàu nhỏ chạy nhanh 2. Thủy động lực học tàu lướt 3. Thiết kế tàu nhỏ chạy nhanh 4. Hình dáng tàu chạy nhanh 5. Ảnh hưởng đường hình đến tính năng hàng hải 6. Giới thiệu những mẫu tàu cỡ. mẫu tàu cỡ nhỏ 7. Kết cấu tàu nhỏ CHƯƠNG 2: SỨC CẢN TÀU CHẠY NHANH. MÁY ĐẨY TÀU 1. Sức cản tàu nhỏ chạy nhanh 2. Sức cản tàu lướt 3. Vận tốc tàu 4. Công suất cần thiết để tàu đạt vận. tại hình 11. 15 Hình 11 2 Thiết kế tàu nhỏ chạy nhanh Các dạng tàu thường gặp Trước khi thiết kế tàu cỡ nhỏ chạy nhanh cần thiết thấy rằng không phải tàu nào đạt F nV ≥ 3 cũng chuyển