Giáo trình Thiết kế tàu lướt

.. 16 2.3 Các đặc tr−ng thuỷ động lực không thứ nguyên ........................ 19 2.4 Tính các đặc tr−ng thuỷ động của tμu l−ớt................................. 24 2.5 Tính hμng hải của tμu l−ớt ......................................................... 26 Ch−ơngIII: thiết kế sơ bộ 3.1 Giới thiệu chung ........................................................................ 30 3.2 Xác định trọng l−ợng tμu .......................................................... 32 3.3 Trọng tâm tμu ............................................................................ 33 3.4 Lựa chọn các kích th−ớc chủ yếu vμ các tỷ số giữa chúng ........ 35 3.5 Xác định gần đúng tốc độ tμu l−ớt vμ công suất cần thiết cho động cơ............................................................................................. 41 Ch−ơng IV: thiết kế các yếu tố hình dáng thân tμu l−ớt 4.1 Tμu l−ớt có dạng hông vát nhọn không có kết cấu nhảy bậc..... 44 4.2 Ca-nô l−ớt có kết cấu đáy nhảy bậc ........................................... 48 4.3 Hình dáng s−ờn kiểu chữ V nhọn, re-đan dọc ........................... 55 4.4 Khuynh h−ớng phát triển của các tμu l−ớt hiện đại ................... 57 Ch−ơng I Khái niệm chung về tμu l−ớt 1.1 Chế độ chuyển động vμ hình dáng thân tμu l−ớt Khi tμu chuyển động ở trạng thái n−ớc tĩnh khối l−ợng của nó sẽ hoμn toμn cân bằng với lực thuỷ tĩnh. ở chế độ nμy cũng bắt đầu xuất hiện lực nâng thuỷ động. Tốc độ chuyển động của tμu cμng lớn lực nâng thuỷ động của tμu cμng lớn. Thμnh phần lực nμy tỏ ra có ảnh h−ởng rất lớn đến sự thay đổi chiều chìm vμ độ chúi của tμu. Phụ thuộc vμo tỷ số giữa lực nâng thuỷ động vμ thuỷ động mμ ta có thể phân biệt 3 chế độ chuyển động sau đây của tμu l−ớt: chế độ bơi, chế độ quá độ, chế độ l−ớt. Chế độ bơi: ở chế độ nμy các thμnh phần lực nâng thủy động tỏ ra có ảnh h−ởng không đáng kể đến chiều chìm của tμu khi chuyển động. ở chế độ bơi, thực tế tμu sẽ đ−ợc cân bằng bởi trọng l−ợng thân tμu với lực nâng thuỷ tĩnh mμ nó sẽ đ−ợc biểu diễn bằng định luật ác-si-mét, Dg = γ.V (1.1) ở đây D - khối l−ợng của tμu, kg; g- gia tốc trọng tr−ờng, m/s2; V- l−ợng chiếm n−ớc thể tích của tμu, m3; γ- trọng l−ợng riêng của n−ớc, kg/m2.s2. Chế độ quá độ: Chế độ nμy đ−ợc đặc tr−ng bởi sự xuất hiện nhanh lực nâng thuỷ động. Tμu tiếp tục chuyển động nh−ng thể tích ngâm n−ớc của nó sẽ bị giảm dần phụ thuộc vμo sự tăng tốc độ của tμu. Bắt đầu tμu sẽ bị chúi mũi vμ sau đó sẽ bị chúi đuôi, sóng tμu bắt đầu đ−ợc tạo ra. ở trạng thái nμy ph−ơng trình cân bằng của tμu sẽ đ−ợc biểu diễn d−ới dạng Dg = γ.V1+ Py (1.2) ở đây Py -lực nâng thuỷ động, N; V1- l−ợng chiếm n−ớc thể tích t−ơng ứng với đ−ờng n−ớc vận hμnh, m3. Chế độ l−ớt: ở tốc độ cao kết hợp với hình dáng thân tμu hợp lý thμnh phần lực nâng thuỷ động sẽ lμ thμnh phần lực nâng chủ yếu duy trì cho sự chuyển động ổn định của tμu ở chế độ l−ớt. Tμu sẽ hơi chúi đuôi vμ bắt đầu l−ớt trên mặt n−ớc. Lúc nμy trọng l−ợng của tμu hoμn toμn đ−ợc cân bằng nhờ lực nâng thuỷ động. Đặc tr−ng của chế độ tốc độ có thể đ−ợc xác định bởi tốc độ tuơng đối mμ nó đ−ợc thể hiện bằng số Frud. Bởi vì khi tμu chuyển động với tốc độ cao thì chiều dμi của đ−ờng n−ớc tính toán luôn thay đổi vì vậy số Frud trong tr−ờng hợp nμy sẽ đ−ợc biểu diễn theo l−ợng chiếm n−ớc yDgg VFrD /3 = (1.3) Sau đây có thể chỉ ra các giới hạn về tốc độ của các chế độ chuyển động khác nhau theo độ lớn của số Frud: Chế độ bơi ........................................................ FrD≤1 Chế độ quá độ..............................................1≤ FrD≤3 Chế độ l−ớt ......................................................FrD > 3 Cần phải hiểu rằng, không phải tất cả các tμu l−ớt đều có thể l−ớt khi FrD = 3. Để đạt đ−ợc điều đó ng−ời thiết kế cần tạo cho thân tμu có hình dáng hợp lý. Chất l−ợng thuỷ động của tμu l−ớt có thể đ−ợc nâng lên nhờ việc áp dụng dạng s−ờn có đáy phẳng nghiêng vμ đ−ợc nâng dần từ đuôi đến mũi. Để lμm gián đoạn dòng chảy bao quanh đáy tμu hông tμu, phía mạn th−ờng đ−ợc thiết kế với dạng gãy góc, còn đuôi sẽ có dạng hình thang. Các dấu hiệu đặc tr−ng nμy đã vμ đang đ−ợc áp dụng cho các tμu l−ớt hiện đại. Hình dáng đơn giản nhất của tμu l−ớt đ−ợc chỉ ra trên H 1.1. Khi đạt đ−ợc tốc độ nhất định tμu l−ớt kiểu nμy sẽ l−ớt trên phần đuôi của đáy phẳng nghiêng. Chiều dμi của diện tích l−ớt cμng nhỏ khi tốc độ cμng cao. ở tốc độ rất cao đại l−ợng nμy sẽ đạt đ−ợc giá trị tối thiểu. Hiệu quả l−ớt sẽ đạt đ−ợc khá cao ở những tμu l−ớt có kết cấu đáy nhảy bậc (Re-đan) (xem H 1.2), vμ sẽ còn cao hơn ở những tμu l−ớt có kết cấu 3 lần nhảy bậc ở vùng đáy. Nếu nh− tμu l−ớt có kết cấu kiểu Re-đan có hai phần diện tích chịu tải - mũi vμ đuôi thì trên những tμu l−ớt có kết cấu 3 lần nhảy bậc sẽ có 3 phần diện tích chịu tải lμm việc trong dòng chảy tự do của n−ớc. Song kiểu tμu nμy không đ−ợc áp dụng rộng rãi do tính chất phức tạp trong đóng mới vμ thiết kế chung. Nhằm cải thiện chất l−ợng hμnh hải cho tμu chuyển động ở chế độ trung gian, nguời ta đã tiến hμnh thiết kế hình dáng vỏ bao kiểu hỗn hợp (xem H 1.5). Phần mũi đ−ợc thiết kế theo kiểu tμu có l−ợng chiếm n−ớc với dạng vỏ bao trơn đều nhằm giảm sự va đập của sóng khi tμu chạy ng−ợc sóng, còn đuôi tμu sẽ đ−ợc thiết kế thuần tuý kiểu tμu l−ớt. Hình dáng vỏ bao kiểu nμy đ−ợc thừa nhận lμ hợp lí nhất đối với nhữnh ca nô chạy biển cỡ lớn với tốc độ t−ơng đối 1≤ FrD≤2,5. Nhằm nâng cao chất l−ợng hμnh hải cho các tμu l−ớt đã xuất hiện các ca-nô l−ớt với dạng s−ờn chữ V nhọn (xem H 1.6). Có thể khẳng định rằng, các tμu l−ớt đi biển với kiểu đáy nghiêng 200 có thể chuyển sang chế độ l−ớt t−ơng đối dễ dμng nếu theo chiều dμi của đáy đ−ợc đặt thêm các Re-đan dọc. Ca-nô kiểu nμy có tính ổn định ban đầu nhỏ. Khi tμu chạy với tốc độ cao trên sóng tμu sẽ có chuyển động ổn định vμ tải trọng động t−ơng đối nhỏ khi tμu va đập vμo sóng. Chú ý đến đặc tr−ng chế độ chuyển động của các tμu l−ớt ta có thể nhận thấy rõ đặc điểm thay đổi đ−ờng cong lực cản phụ thuộc vμo tốc độ (xem H 1.7). Trong vùng trị số Frud FrD = 1ữ2,0 đ−ờng cong sẽ có dạng lồi, nó chỉ ra rằng ở chế độ quá độ lực cản của thân tμu l−ớt sẽ cao hơn một cách đáng kể so với lực cản của tμu có l−ợng chiếm n−ớc. Sau khi v−ợt qua đ−ợc điểm lồi trên đ−ờng cong lực cản, tμu sẽ bắt đầu chuyển tới chế độ l−ớt, vμ nhờ giảm đi một cách đáng kể sóng tμu lực cản chung sẽ đ−ợc giảm. Sau đó cùng với sự tăng tốc độ lực cản lại tăng lên do tăng lực cản ma sát. Điểm lồi trên đ−ờng cong lực cản sẽ xuất hiện rõ nét ở chuyển động của ca-nô l−ớt có kết cấu Re-đan vμ ng−ợc lại lμ ở ca-nô l−ớt kiểu th−ờng. Sự thay đổi chiều chìm của tμu l−ớt đ−ợc đặc tr−ng bởi góc chúi ϕ vμ bởi sự thay đổi chiều chìm ΔT đ−ợc chỉ trên H 1.7. 1.2 Phân loại tμu l−ớt, đặc điểm kiến trúc vμ bố trí của tμu Tμu l−ớt đ−ợc phân loại theo các dấu hiệu sau: Theo công dụng ta có thể chia tμu l−ớt thμnh tμu dịch vụ-tuần tiễu, dạo chơi, du lịch,đua-thể thao, chở khách, ca-nô có công dụng đặc biệt (lμm công tác vệ sinh-dịch tễ, cứu hộ, cứu hoả...). Theo đặc điểm kiến trúc vμ bố trí, tμu l−ớt đ−ợc chia thμnh các nhóm sau: xuồng có kết cấu boong hở, xuồng vμ ca-nô có kết cấu boong mũi, ca-nô có kiến trúc th−ợng tầng mũi, ca-nô vμ tμu có kiến trúc th−ợng tầng liền, tμu l−ớt có kết cấu hai thân, tμu có dạng thoát khí động học. Theo hình dáng vỏ bao tμu l−ớt đ−ợc chia thμnh các nhóm sau: • Tμu có kết cấu hông nhọn không Re-đan với s−ờn có dạng đáy nghiêng phẳng, đáy phẳng, nghiêng lồi, dạng chữ S. • Tμu không đ−ợc kết cấu kiểu Re-đan nh−ng đáy đ−ợc kết cấu dạng vòm (1 hoặc 2 vòm). • Tμu đ−ợc kết cấu kiểu Re-đan (kiểu tμu l−ớt cổ điển). • Tμu l−ớt kiểu 3 Re-đan. • Tμu l−ớt chạy biển với hình dáng vỏ bao hỗn hợp. • Tμu l−ớt với hình dáng s−ờn chữ V nhọn. • Tμu với hình dáng vỏ bao kiểu mới (xem H 1.8). Ngoμi ra, tμu l−ớt có thể đ−ợc phân loại theo động cơ, theo chong chóng, theo loại vật liệu đ−ợc sử dụng để chế tạo thân tμu vμ theo các dấu hiệu khác. Ca-nô dịch vụ-tuần tiễu, dạo chơi vμ du lịch. Đây lμ nhóm tμu chiếm số l−ợng lớn trong đội tμu l−ớt chạy nhanh. Nhóm tμu nμy th−ờng đ−ợc sử dụng rộng rãi trên các sông, hồ chứa n−ớc, hồ vμ ở các vùng biển gần bờ. Các đại l−ợng đặc tr−ng nhất của tμu bao gồm: chiều dμi từ 5-7m, l−ợng chiếm n−ớc từ 900-1500kg. Tuy nhiên, tham gia vμo đội tμu nμy còn có những tμu có chiều dμi 9-12m, l−ợng chiếm n−ớc ≤6T đ−ợc dùng để chạy biển. Ngoμi ra, còn có cả những tμu cỡ lớn chạy biển với tiện nghi cao, có l−ợng chiếm n−ớc từ 25-30T. Những tμu cỡ nhỏ th−ờng đ−ợc chế tạo bằng hợp kim nhôm vμ đ−ợc liên kết bằng ph−ơng pháp hμn điện, hoặc gỗ dán hμng không, tấm ép ba-ke-lit, tấm ép bằng sợi thuỷ tinh. Tμu đua-thể thao. Phụ thuộc vμo hình dáng thân tμu, l−ợng chiếm n−ớc vμ động cơ đ−ợc lắp đặt trên tμu ta có thể phân chúng thμnh: thuyền đua, xuồng, tμu l−ớt, ca-nô. Thuyền đua kiểu 1 chỗ ngồi, có một động cơ đ−ợc liên kết d−ới dạng treo. Loại nμy th−ờng đ−ợc thiết kế theo kiểu xuồng có 3 Re-đan. Xuồng l−ớt. Đây lμ loại tμu cỡ nhỏ không có kết cấu kiểu Re-đan, boong hở vμ đ−ợc bố trí 1 động cơ đ−ợc liên kết theo kiểu treo. Ca-nô. Loại tμu nμy có động cơ đ−ợc đặt cố định, không bị giới hạn về hình dáng, kích th−ớc thân tμu vμ thiết bị đẩy. Tμu l−ớt chở khách. Loại tμu nμy có thể đ−ợc phân thμnh 3 nhóm sau: 1. Tμu l−ớt cỡ nhỏ kiểu kết cấu boong hở. Chúng đ−ợc sử dụng để chuyên chở hμnh khách hoặc hμng b−u điện trên các sông có mớn n−ớc cạn. Thiết bị đẩy ở đây th−ờng lμ chong chóng hoặc thiết bị phụt n−ớc. L−ợng chiếm n−ớc của nhóm tμu nμy th−ờng không v−ợt quá 3T. Sức chứa khách cỡ 12 ng−ời. Công suất động cơ cỡ 185kw, tốc độ cỡ 32hl/h. Ngoμi ra, trên những tμu cỡ nhỏ hoạt động trên các sông lớn, hồ, hồ chứa n−ớc vμ vùng biển gần bờ tμu có thể đ−ợc đặt thiết bị đẩy lμ chân vịt. 2. Ca nô - ô tô buýt chạy nhanh. Đây lμ loại tμu chở khách đ−ợc sử dụng phổ biến trên các tuyến khác nhau. L−ợng chiếm n−ớc của chúng có thể đạt đến 25T, với sức chở khoảng 100 khách vμ tốc độ ≥ 22 hl/h. 3. Ca-nô l−ớt chạy biển. Đây lμ loại tμu l−ớt cỡ lớn nhất, có l−ợng chiếm n−ớc 60- 70 T vμ lớn hơn, công suất động cơ có thể đạt đến 2200 kw. Ch−ơng II Thuỷ động lực vμ tính đi biển của tμu l−ớt Hiện t−ợng vật lý xuất hiện khi thân tμu tr−ợt trên mặt n−ớc lμ hình ảnh phức tạp của sự thay đổi áp suất vμ tốc độ của dòng chảy quanh thân tμu với sự thay đổi đột ngột gradient áp suất, sự tạo thμnh các dòng n−ớc toé ra xung quanh thân tμu, vμ sự tạo thμnh sóng. Vì vậy, việc tìm ra lý thuyết chính xác giải thích các định luật l−ớt lμ bμi toán phức tạp. Phần khó khăn nhất của bμi toán trên lμ việc xác định sự chuyển động của khối l−ợng n−ớc xung quanh thân tμu l−ớt, tốc độ vμ ph−ơng chuyển động của khối l−ợng n−ớc đ−ợc nêu ở trên. Có nhiều nhμ Bác học lỗi lạc đã nghiên cứu các vấn đề về lý thuyết l−ớt. Trong số đó phải kể đến các nhμ Bác học của Liên Xô: X. A. Trap-l−-gin, G.A. Pav-len-cô, N.A.Sô-cô-lốv, L.I.Xê-dốv, N.X.Vô-lô-din, K.P.Kha-ri-tô- nôv. Các nhμ Bác học trên trong những năm 30 của thế kỷ qua lμ những ng−ời đầu tiên đ−a ra các cơ sở hiện đại của lý thuyết l−ớt vμ các ph−ơng pháp tính lực cản của tμu l−ớt. Nhiều công trình trong lĩnh vực nghiên cứu lý thuyết - thực nghiệm đã đ−ợc các nhμ Bác học của các n−ớc khác thực hiện, trong số đó phải kể đến các nhμ Bác học nh−: Zottorf, Vagner, Pabxt, Perring, Murec, Korvin- Krukovxki vμ các nhμ Bác học khác. D−ới đây sẽ đ−a ra khái quát về cơ sở lý thuyết l−ớt nhằm phục vụ cho việc thiết kế tμu l−ớt. 2.1 Sự phân bố tốc độ vμ áp suất của dòng chảy d−ới bề mặt l−ớt. Ta nghiên cứu bản phẳng rộng đ−ợc gắn cố định. Dòng chất lỏng lý t−ởng chảy qua bản phẳng với tốc độ v vμ d−ới góc tấn α (xem H 2.1). Bản phẳng lμm thay đổi ph−ơng vμ tốc độ dòng vμ chia dòng thμnh hai phần: phần cơ sở vμ phần phía trên. Phần phía trên ngay tại bản phẳng bị hãm lại vμ sau đó sẽ chuyển động theo bản phẳng ở dạng tia mỏng vμ h−ớng về phía ng−ợc lại. Bằng thí nghiệm đơn giản có thể quan sát đ−ợc hình ảnh t−ơng tự chỉ với sự khác nhau lμ trong các điều kiện thực tế lớp n−ớc mỏng phía trên bị bắn ra do bản phẳng nhanh chóng biến thμnh dòng toé ra xung quanh d−ới tác dụng của trọng lực. L−u ý, sự tồn tại hai phần dòng chảy quanh bản phẳng có thể đi đến kết luận về sự tồn tại lớp phân cách hoặc đ−ờng phân cách của dòng. Đ−ờng phân cách nμy tạo với bản phẳng một góc 900 vμ hình thμnh điểm tới hạn O mμ tại đó tốc độ dòng so với bản phẳng bằng 0. Giá trị tốc độ bằng 0 tại điểm O có nghĩa rằng toμn bộ cột vận tốc của dòng biến thμnh áp suất pháp tới hạn, có nghĩa lμ lớn nhất về trị số vμ bằng pv2/2. Bên trái vμ bên phải bản phẳng tính từ điểm O, áp suất sẽ giảm xuống do tăng tốc độ dòng chảy qua bản phẳng. Chế độ dòng chảy của bản phẳng cố định đ−ợc xem xét ở trên lμ thí dụ về chuyển động dừng của dòng mμ tại đó tốc độ tại điểm bất kỳ không phụ thuộc vμo thời gian. Nh− vậy, ở đây ta áp dụng đ−ợc ph−ơng trình Ber-nu-li liên hệ giữa áp suất vμ tốc độ. Theo ph−ơng trình nμy, tại các đ−ờng mặt của dòng chảy qua bản phẳng tốc độ của từng phân tử của n−ớc đều bằng v, vì rằng áp suất khí quyển ở xung quanh lμ không đổi. Điều đó có nghĩa rằng, tốc độ của các tia n−ớc toé ra vμ tốc độ của dòng chảy qua bản phẳng tại mép sau của bản phẳng bằng tốc độ của dòng. Khi đó dòng chảy qua mép sau của bản phẳng tại chế độ l−ớt phát triển thμnh các tia n−ớc đ−ợc phân bố đều đặn tức lμ thoả mãn tiên đề Trap-l−-gin-Giu-côv-xki. Hình ảnh chung của sự phân bố áp suất vμ tốc độ theo chiều dμi của bản phẳng đ−ợc đặt lệch với h−ớng dòng chảy một góc α có thể đ−ợc mô tả trên H 2.1. Sơ đồ phân bố áp suất vμ tốc độ theo ph−ơng ngang của bản phẳng l−ớt đ−ợc mô tả trên H 2.2. Do áp suất d−ới bản phẳng lớn hơn áp suất trên mặt n−ớc nên ở vùng mép hông n−ớc sẽ chảy qua. Vì vậy, áp suất ở d−ới bản phẳng tại các mép hông giảm xuống. Sự xuất hiện dòng chảy nói trên ở mép hông sẽ lμm giảm hiệu quả l−ớt của bản phẳng l−ớt. 2.2 Lực nâng thuỷ động vμ sức cản Xác định giá trị lực nâng thuỷ động vμ lực cản của n−ớc khi l−ớt có thể bằng nhiều ph−ơng pháp lý thuyết khác nhau. Thí dụ, lực nâng thuỷ động có thể đ−ợc xác định bằng cách tích phân đ−ờng cong phân bố áp suất theo chiều dμi của bản phẳng. Để lμm đ−ợc điều đó ta cần phải biết biểu thức giải tích của đ−ờng cong nμy. Một cách đơn giản, có thể giải bμi toán nμy bằng cách xác định sự tổn thất năng l−ợng khi bản phẳng chuyển động. Ta nghiên cứu tr−ờng hợp chuyển động của bản phẳng theo mặt n−ớc ở trạng thái tĩnh. Thừa nhận tính chất của dòng chảy qua tấm l−ớt nh− đã trình bμy ở H 2.1. Ta thay áp suất pháp tổng của dòng tác dụng lên tấm bằng lực t−ơng đ−ơng PTD đặt tại điểm C (xem H 2.3). Ta có thể dễ dμng xác định đ−ợc lực cản của n−ớc PX = PTD.sinα. Bỏ qua lực cản ma sát ở chế độ chất lỏng lý t−ởng, giá trị trên sẽ lμ lực cản toμn phần. Năng l−ợng trong một giây cần thiết cho tấm chuyển động với tốc độ v cho tr−ớc (công suất kéo) có thể đ−ợc xác định theo biểu thức: A = PX.v = PTD.v.sinα Bỏ qua trọng lực của chất lỏng- có nghĩa lμ bỏ qua sự tạo sóng, có thể cho rằng toμn bộ năng l−ợng cần thiết để tấm chuyển động sẽ bị tiêu hao do tạo thμnh các tia n−ớc toé ra theo ph−ơng chuyển động của tấm. Tốc độ của dòng n−ớc toé so với ng−ời quan sát đ−ợc xác định bằng tổng các vec-tơ tốc độ của tấm l−ớt vμ tốc độ chuyển động của các tia n−ớc đối với tấm, có nghĩa vP = 2.v.cosα/2. Khối l−ợng n−ớc bắn về phía tr−ớc bằng giá trị p.δ.v, trong đó: p- mật độ n−ớc, kg/m3; δ- chiều dμy lớp n−ớc toé, m. Động năng của các tia n−ớc toé: 2/cos...2)2/cos.2(.. 2 1. 2 1 2322 αδαδ vpvvpvmA ptn === (2.2) So sánh (2.1) vμ (2.2) ta nhận đ−ợc: PTD.v.sinα = 2.p.δ.v3.cos2α/2 Từ đó 2/sin.2/cos.2 2/cos.2... sin 2/cos.2... 2 2 2 2 αα αδα αδ vpvpPTD == Cuối cùng ta tìm đ−ợc PTD= p.δ.v2.ctgα/2 (2.3) Từ đó lực nâng vμ lực cản sẽ đ−ợc xác định theo các công thức sau: Py= PTD. cosα = p.δ.v2.ctgα/2.cosα (2.4) Px= PTD.sinα = p.δ.v2.ctgα/2.sinα Nh− vậy, trong điều kiện chất lỏng lý t−ởng khi cho tr−ớc v vμ α, lực nâng vμ lực cản có thể đ−ợc xác định một cách dễ dμng nếu biết tr−ớc chiều dμy toé n−ớc. Khi góc tấn nhỏ, chiều dμy δ có thể đ−ợc tính theo công thức: 2.. 4 απδ l= (2.5) l - chiều dμi mặt −ớt của tấm l−ớt. Trong các điều kiện thực tức lμ n−ớc có độ nhớt, trên tấm l−ớt ngoμi áp suất pháp còn có lực ma sát tác dụng. Do tác dụng của các lực nhớt, lực cản chung của tấm sẽ tăng, vμ lực nâng giảm (xem H 2.4). Từ sơ đồ hình học của các lực tác dụng lên tấm l−ớt theo mặt chất lỏng thực, ta có thể viết các biểu thức sau: α α α αα cos sin. cos 1. sin.cos. yfX yfX PPP PPP += += (2.6) Vì khi góc tấn nhỏ cosα ≈1 nên Px= Pf + Py.tgα (2.7) Trong đó Px- lực cản toμn phần; Pf - lực cản ma sát; Py.tgα - lực cản áp suất. Đối với tμu ở chế độ l−ớt đơn thuần, khi lực khối của tμu thực tế hoμn toμn cân bằng với lực áp suất (Py=Dg), biểu thức (2.7) có thể đ−ợc viết d−ới dạng R = RT+ D.g. tgα (2.8) Hoặc: R= RT+ RD (2.9) Trong đó RD- lực cản động lực. Thμnh phần lực cản nμy đ−ợc hình thμnh do các lực thuỷ động pháp vμ hệ quả của sự tổn thất năng l−ợng để tạo thμnh tia n−ớc toé vμ tạo sóng. Tỷ số giữa RTvμ RD khi cho tr−ớc v sẽ đ−ợc xác định bằng góc tấn α (xem H 2.4). Phần chính của lực cản khi góc α bé lμ lực cản ma sát vμ khi α lớn thì ng−ợc lại lμ lực cản áp suất. Vì rằng, khi α tăng, mặt −ớt giảm vμ do đó lực ma sát giảm. Từ biểu thức RD= D.g. tgα ta nhận thấy rằng RD chỉ phụ thuộc vμ0 khối l−ợng tμu vμ góc tấn mμ không phụ thuộc vμo tốc độ. Song cần l−u ý lμ góc tấn α đối với tμu cho tr−ớc phụ thuộc vμo tốc độ vμ có thể nói rằng khi tốc độ tăng, lực cản RD sẽ giảm. Điều đó có nghĩa rằng, khi v−ợt qua “b−ới” lực cản (xem H 1.7), thì tμu sẽ chuyển sang chế độ l−ớt thuần tuý. Tiếp tục, khi tốc độ tăng, góc tấn vμ lực cản động lựccó thể giữ nguyên không đổi. Khi lực cản động lực không đổi (α=const) nếu tốc độ tăng, lực cản tạo sóng giảm vμ có thể tiến tới không, còn lực cản toé n−ớc sẽ tăng. 2.3 Các đặc tr−ng thuỷ động lực không thứ nguyên Khi phân tích kết quả thí nghiệm các bề mặt phẳng vμ bề mặt cong tại bể thử, trong các ph−ơng pháp phân tích, tính toán thuỷ động lực vμ thiết kế hình dáng thân tμu l−ớt, ng−ời ta áp dụng các đặc tr−ng không thứ nguyên sau: - Hệ số chất l−ợng thuỷ động lực: R gD P P K x y .== (2.10) trong đó Py -lực nâng, N; D - khối l−ợng tấm (tμu), kg; g- gia tốc trọng tr−ờng, m/s2; Px=R - lực cản toμn phần, N; - Hệ số tải động lực: 22 ...2/1 . Bvp gDCB = (2.11) trong đó B - chiều rộng tấm l−ớt. - Hệ số dang t−ơng đối của tấm: S l B l 2==λ (2.12) trong đó l - chiều dμi ngâm n−ớc của tấm, m; S - diện tích mặt −ớt của tấm, m2. Ng−ời ta còn sử dụng giá trị ng−ợc l B t == λλ 1 (2.13) - Hệ số mô men của các lực thuỷ động B l BDg Dl BDg Mm DDDD === .. . .. (2.14) trong đó MD - mô men của lực nâng thuỷ động đối với mép sau của tấm, Nm; lD= 0,785l -khoảng cách từ điểm đặt hợp lực của các thμnh phần lực thuỷ động đến mép sau tấm đuôi, m. - Hoμnh độ t−ơng đối của trọng tâm tấm (tμu): B xm G=Δ (2.15) trong đó xG - khoảng cách trọng tâm khối l−ợng tấm so với mép sau tấm, m. Trong lần gần đúng thứ nhất có thể xem mD= mΔ. Tất cả các đặc tr−ng thuỷ động lực có sự liên quan chặt chẽ với nhau vμ đ−ợc thay đổi phụ thuộc vμ0 số Frud, góc tấn vμ các đặc tr−ng hình học của mặt l−ớt. Hệ số chất l−ợng K lμ chỉ tiêu cơ bản đặc tr−ng cho hiệu quả l−ớt của tμu vμ khi thiết kế luôn luôn mong muốn nhận đ−ợc giá trị lớn nhất. Tính chất cơ bản của hệ số K nh− lμ hμm của α, FrD vμ λ1=B/l đ−ợc mô tả ở H 2.5. Bằng ph−ơng pháp thí nghiệm ng−ời ta đã xác định đ−ợc giá trị lớn nhất của hệ số K đối với tấm phẳng = 13,2 khi α = 2020’, λ1>10 vμ FrD≈3. Trên H 2.6 đã chỉ ra các đ−ờng cong K vμ α phụ thuộc vμo λ. Đ−ờng cong K = f(λ) -góc tấn tối −u mμ tại đó có thể nhận đ−ợc giá trị K lớn nhất tại các giá trị λ khác nhau. Từ đồ thị trên ta có nhận xét lμ K cμng lớn khi λ cμng bé. Điều đó có nghĩa lμ mặt l−ớt ngắn vμ rộng thì có lợi chứ không phải mặt l−ớt hẹp vμ dμi. Song điều đó chỉ đúng tại các giá trị nhất định của hệ số tải riêng CB, MΔ vμ số FrD. Thay đổi CB, MΔ có ảnh h−ởng đến giá trị của K. Các đồ thị trình bμy ở H 2.7 có thể đ−ợc sử dụng để tính các đặc tr−ng động lực của tμu thiết kế (xem H 2.4). Tμu l−ớt đáy phẳng có tính đi biển kém. Để tăng độ êm khi tμu va đập vμ0 sóng ta cần phải chọn đáy vát. Nh−ng khi tăng độ vát thì hệ số K sẽ giảm. Trên H 2.8 α, δ trình bμy vùng thay đổi K cảu tấm phẳng có độ vát với hệ số tải riêng CB=(0,07ữ0,15) tại các giá trị góc tấn khác nhau (α= 4ữ10)0 vμ đ−ờng cong góc tấn tối −u phụ thuộc vμo góc vát β. Đồ thị đ−ợc xây dựng theo các số liệu thí nghiệm của Zottorf. Từ đồ thị trên ta có thể rút ra các kết luận: Góc tấn tối −u đối với tấm vát lớn hơn so với tấm phẳng. Khi góc vát d−ới 100, K sẽ bị giảm không lớn (≤6%) nh−ng phụ thuộc đáng kể vμ0 góc tấn. Tăng góc vát tiếp, K sẽ bị giảm rõ rệt, chọn góc tấn tối −u không có ý nghĩa đáng kể (khi α=400, K=4) vμ K không thay đổi khi α=40 vμ K=10. Sự giảm chất l−ợng của tấm vát đặc biệt xuất hiện tại các giá trị CB nhỏ. Khi CB lớn sự giảm chất l−ợng sẽ không lớn. Khi CB= 0,03 trong vùng thay đổi góc vát từ 00ữ250, K sẽ bị giảm đến 40% (từ 10 đến 6,1), còn khi CB= 0,15 thì K sẽ không giảm hơn 15%. Cần phải hiểu thêm rằng, khi góc vát 400 trong các điều kiện thực, có nghĩa lμ trong các giới hạn của tốc độ thông th−ờng thực tế tμu không đạt đ−ợc chế độ l−ớt. Độ vát đáy tăng sẽ lμm tăng khoảng thời gian chuyển sang chế độ l−ớt. ≥ Hình cắt ngang phức tạp, thí dụ cong võng-vát hoặc lồi-võng (H2.8, b) ngoμi sự tăng tính đi biển còn có thể đảm bả0 chất l−ợng thuỷ động lực gần nh− chất l−ợng của tấm phẳng, đôi khi còn cao hơn. Tăng chất l−ợng thuỷ động lực của bề mặt l−ớt có thể đạt đ−ợc bằng prôphin dọc. Nếu tấm đáy phẳng đ−ợc uốn cong đều ở phần đuôi thì góc tiếp xúc của đáy với dòng chảy giảm xuống từ đó giảm khả năng toé n−ớc vμ giảm lực cản động lực. D−ới tác dụng của lực ly tâm quán tính của dòng chuyển động cong lực nâng tăng tức lμ tăng chất l−ợng thuỷ động lực. Thực tế, bằng cách uốn cong đáy có thể tăng chất l−ợng thuỷ động lên 20% vμ lớn hơn. Hiệu quả trên có thể đạt đ−ợc bằng cách ứng dụng tấm chắn quay. Song cần l−u ý lμ độ cong quá lớn của đáy hoặc góc tấn lớn của tấm chắn ngang có thể lμm mất ổn định của chế độ l−ớt. 2.4 Tính các đặc tr−ng thuỷ động lực của tμu l−ớt Trong bμi toán tính thuỷ động lực gồm xác định lực cản toμn phần, chiều chìm, góc tấn, chiều dμi mặt −ớt tại các tốc độ chuyển động khác nhau khi cho tr−ớc l−ợng chiếm n−ớc, trọng tâm vμ chiều rộng của tμu. Dựa vμo kết quả tính toán ta xây dựng các đ−ờng cong R, α, l, t = f(v). Tổng hợp các đ−ờng cong trên lμ hồ sơ thuỷ động lực của tμu thiết kế. Tính thuỷ động lực dựa trên cơ sở sử dụng các dạng đồ thị nh− ở H 2.7 vμ hμng loạt các biểu thức bổ sung khác, cũng nh− dựa vμo các số liệu thu đ−ợc khi thí nghiệm mô hình vμ tμu mẫu thực (nếu có). Ta hãy khảo sát trình tự tính toán các đặc tr−ng thuỷ động của tμu l−ớt không có kết cấu nhảy bậc ở đáy( không có kết cấu re-đan). Các số liệu cho tr−ớc gồm: - Chiều rộng trung bình của ca-nô l−ớt: )( 2 1 TPSG BBB −= - Độ vát trung bình của đáy: )( 2 1 TPSGTB BBB −= - Khối l−ợng tμu D. - Khoảng cách của trọng tâm đến vách mút đuôi xG. - Giả thiết các giá trị của tốc độ v1, v2, v3. Quá trình tính toán sẽ đ−ợc thực hiện theo bảng Bg vFTB . = (2.16) Tr−ớc tiên cần tính số FrD theo chiều rộng B ứng với mỗi giá trị của tốc độ theo công thức. Sau đó theo sơ đồ lực tác dụng lên ca-nô (H 2.9) tính mô men các lực thuỷ động đối với điểm O: MD≈ Py.lD. Theo sơ đồ của chúng ta MD= g.D.xG - T. lD. Nh−ng ở đây lực đẩy của chong chóng T coi nh− ch−a đ−ợc biết. Trong lần gần đúng đầu tiên có thể cho tr−ớc hệ số chất l−ợng thuỷ động K vμ do đó T= g.D/K hoặc hoμn toμn có thể bỏ qua mô men lực đẩy của chong chóng vμ lúc đó MD≈ g.D.xG (2.17) Lúc nμy hệ số mô men các lực thuỷ động lực đ−ợc tính theo biểu thức mD= xG/B Sử dụng giá trị mD theo đồ thị H 2.7, a đối với tất cả các số FrD ta sẽ tìm đ−ợc λ vμ từ λ theo đồ thị H 2.7, b tính thông số CD/α. Sau khi tính hệ số tải trọng theo công thức α B B B C Cava Bvp DgC == ...., ... 2 1 . 22 Các giá trị λ, α vừa tính đ−ợc ch−a kể đến độ vát nên phải tính điều chỉnh. Ta có thể áp dụng công thức của I. P. Liu-bô-mi-rôv. ( )[ ] ( ) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ +−= B D Fr m.sin35,11.sin29,01 cos 1. 44,028,03,0 βββλλβ (2.18) ( ) βλ βλβααβ cos. cos.17,01 .sin15,0 3,0 8,0 −+= BFr (2.19) trong đó λβ vμ αβ - độ dang t−ơng đối vμ góc tấn đối với đáy vát. Sau đó xác định RD=g.D.tgαβ, chiều dμi ngâm n−ớc l =λβ.B vμ diện tích mặt −ớt S = λβ.B2. Tính lực cản ma sát khi biết diện tích mặt −ớt thực hiện theo ph−ơng pháp thông th−ờng. Lực cản toμn phần đ−ợc tính R = Rl + RD vμ sau cùng có thể tính chiều chìm tại vách mút đuôi theo công thức ββ β λλ α += l B t . . (2.20) Tính toán thuỷ động lực của ca-nô l−ớt có nhảy bậc ở đáy lμ bμi toán khá phức tạp. Các tμi liệu về vấn đề nμy có thể tìm đ−ợc trong sách của A.I.Ma-t−-nôv “Tμu l−ớt”, M.Re-ti-zđat 1940. Các vấn đề chung của thuỷ động lực vμ các ph−ơng pháp thực tiễn tính tμu l−ớt nhiều thân vμ hai thân có thể đọc đ−ợc trong các sách khác. 2.5 Tính đi biển của tμu l−ớt Tính đi biển của tμu l−ớt theo nghĩa rộng của từ nμy lμ tập hợp các tính hμnh hải đảm bảo sự an toμn vμ thuận lợi trong sử dụng tμu ở các điều kiện khai thác cụ thể (tính nổi, tính ổn định, tính ăn lái, tính di động, tính không bị hắt n−ớc lên boong khi gặp sóng...). Nói hẹp hơn, tính đi biển của tμu lμ trạng thái của tμu khi chuyển động trên n−ớc có sóng. Tμu đ−ợc xem lμ có tính đi biển nếu nó có tính lắc êm, không bị chúi vμo n−ớc khi gặp sóng, đi êm trên sóng, ổn định trên tuyến vμ ổn định trên sóng theo. Tμu l−ớt lμ loại tμu có chế độ chuyển động nghiêm ngặt mμ tại đó cần phải giữ tỷ số của các kích th−ớc cơ bản không đổi khi l−ớt. Tμu l−ớt lμ loại tμu có tính đi biển kém vμ vấn đề cơ bản của sự phát triển công nghiệp đóng tμu hiện naylμ chế tạo đ−ợc tμu l−ớt có tính đi biển tốt mμ vẫn giữ đ−ợc chất l−ợng thuỷ động cao. Tiêu chuẩn cơ bản của tính đi biển đối với tμu l−ớt lμ ổn định khi chuyển động trên sóng vμ giá trị của các tải trọng đứng do va đập thân tμu với sóng. Khi ổn định chuyển động thể hiện ở các dạng khác nhau không mong muốn đối với tμu khi chuyển động vμ xuất hiện do nhiều nguyên nhân khác nhau thậm chí cả trong điều kiện sóng bé. Có hμng loạt yếu tố có ảnh h−ởng đến sự mất ổn định chuyển động của tμu: vị trí trọng tâm theo chiều dμi vμ chiều cao; hình dáng thân tμu; tỷ số các kích th−ớc chủ yếu, mô men chúi gây ra do lực đẩy của thiết bị đẩy vμ mô men xoắn phản lực của nó; hình dáng vμ vị trí của bánh lái; tác dụng của các lực khí động học... Cần phân biệt ổn định chuyển động của tμul−ớt trên tuyến vμ ổn định khi l−ớt. Mất ổn định chuyển động của tμu trên tuyến đ−ợc thể hiện ở hai dạng sau: - Đảo lái - hiện t−ợng tμu đi lệch h−ớng về phía trái hoặc phải so với h−ớng cho tr−ớc khi bánh lái đ−ợc đặt cố định ở mặt phẳng đối xứng. Điều nμy đòi hỏi phải bẻ lái liên tục vμ giảm tốc độ. - Bị quay đột ngột khi chuyển động: quay hoμn toμn 1800 với bán kính l−ợn vòng rất bé khi góc bẻ lái nhỏ. Hiện t−ợng nμy phụ thuộc rất nhiều vμo vị trí giữa trọng tâm vμ tâm lực cản của tμu l−ớt. Nếu tâm lực cản chung nằm phía tr−ớc trọng tâm thì sự mất ổn định chuyển động trên tuyến hoμn toμn có khả năng xảy ra. Đối với tμu l−ớt có nhảy bậc ở đáy (re-đan) vị trí t−ơng đối giữa trọng tâm vμ tâm lực cản chung ảnh h−ởng đến tính ổn định trên tuyến, đặc biệt khi re-đan ở phần mũi chịu tải trọng chủ yếu, còn tốc độ của tμu t−ơng đối bé. Trong truờng hợp nμy thμnh phần lực khí động đóng vai trò tiêu cực trong việc dịch chuyển tâm lực cản chung về phía tr−ớc. Lực khí động ở tốc độ cao có giá trị đáng kể, còn tâm đặt lực sẽ nằm ở khoảng 1/3 chiều dμi tμu. Mất ổn định l−ớt - còn gọi lμ ổn định dọc động lực của chuyển động thể hiện ở dạng nhảy bật trở lại hoặc tr−ợt. Hiện t−ợng lật trở lại - lμ chế độ chuyển động đặc biệt mμ tại đó tμu đ−ợc nâng không phải bằng các lực ổn định (không phụ thuộc vμo thời gian), mμ nhờ đó các lực xuất hiện khi tμu bị va đập vμo n−ớc theo ph−ơng chéo. ở chế độ nμy đáy tμun chỉ chạm n−ớc có tính chu kỳ. Hiện t−ợng nhảy bật lại xuất hiện đối với các tμu có tải trọng riêng bé (CD< 0,02), chuyển động với tốc độ lớn trên mặt sóng. Khi đáy tμu gặp sóng diện tích bề mặt l−ớt tăng lên đột ngột, gây nên sự tăng đột ngột lực nâng vμ tμu bị nhảy khỏi mặt n−ớc. Tμu so bứt khỏi n−ớc vμ đáy đập vμo n−ớc tăng lên khi tốc độ tăng. Tải trọng va đập đứng trong tr−ờng hợp nμy có giá trị lớn vμ sự va đập của đáy với n−ớc nh− sự va đập trên mặt cứng. Lực va đập của đáy vμo n−ớc phụ thuộc vμo độ vát của tμu (độ vát cμng lớn thì sự va đập cμng yếu), tốc độ va đập (tỷ lệ thuận với bình ph−ơng tốc độ) vμ chiều cao sóng. Hiện t−ợng nhảy bật lại gây cảm giác khó chịu (có khi không chịu nổi) đối với những ng−ời ngồi trên tμu, lμm hỏng kết cấu vμ giảm tốc độ đến 50% vμ lớn hơn. Hiện t−ợng nhảy bật lại tại sóng t−ơng đối lớn vμ tốc độ cao lμ do chiều dμi bay tμu từ sóng đến sóng lớn vμ trong thời gian đó có khả năng xuất hiện nghiêng vμ chúi tμu vμ do vậy tại lần gặp sóng tiếp theo tμu có thể bị đổ ngang. Hiện t−ợng tr−ợt - chuyển động không ổn định của tμu l−ớt với độ lắc đều liên tục có tính chu kỳ xung quanh trục ngang, đôi khi với biên độ tăng dần. ở tr−ờng hợp sau cùng quá trình chuyển động không ổ