Trong những trường hợp đặc biệt, đại lượng cần xác đònh đầu tiên cho tàu loại này là
chiều rộng B. Thông số ảnh hưởng lớn đến quyết đònh chọn B là hệ số CDL, gọi là hệ số tải
trọng động.
Hai đại lượng L và B thông lệ được thể hiện qua các quan hệ kích thước chính L/B,
B/d hoặc (B/T), L/D (L/H).
Công thức gần đúng, rút ra từ kết quả thống kê xác đònh L/B mang dạng:
L / B = 1,45 L 0,002 L2
Công thức này được cải biên cho tàu nhỏ, ca nô, xuồng đóng vào những năm gần đây:
L / B = (0,1L + 2,3) ± 0,25
Đồ thò tại hình 19 trình bày quan hệ giữa L/B và chiều dài tàu L, xây dựng cho các tàu
đã đưa vào sử dụng trong những năm cuối thế kỷ XX. Tại hình đường đánh dấu bằng 1 và 2
chỉ đường giới hạn trên và dưới cho quan hệ này. Đường 3 xây dựng như đường mang giá trò
trung bình.
Các chữ số đề ngay bên cạnh dấu hiệu o chỉ vận tốc tàu, tính bằng km/h. Những
dấu ghi bằng X chỉ rõ đây là những tàu có hông tròn.
Với tàu đáy nhiều bậc nên chọn tỷ lệ L/B tùy thuộc vận tốc tuyệt đối của phương tiện.
Theo ý những chuyên gia lớn tuổi tỷ lệ L/B thích hợp nên như sau:
Vận tốc tàu đến 11 m/s
L/B 3
Vận tốc tàu 11 m/s - 16 m/s
L/B = 3 ÷4
Vận tốc tàu 17 m/s 28 m/s
L/B 4
Tỷ lệ L/B có ảnh hưởng lớn đến chọn chiều rộng B của tàu. Như đã nêu trong các
phần trước, chiều rộng B có ảnh hưởng quyết đònh đến tính năng tàu. Tàu có B lớn chất lượng
động lực học K sẽ lớn. Tuy nhiên kết luận trên chỉ đúng cho trường hợp tàu cân bằng trên
nước tónh, trong phạm vi nhất đònh của tải trọng động CDL. Như chúng ta thấy từ biểu thức
xác đònh CDL, khi B tăng, mẫu số trong biểu thức tăng rất nhanh và hệ số này giảm theo nhòp
độ đó. Điều này cho thấy độ ổn đònh chuyển ộng dọc trở nên xấu, tàu nhảy cóc trên nước.
Điều có thể hình dung tiếp là sức cản tàu có khả năng tăng, theo đó K sẽ giảm.
Chiều rộng tàu B không quá lớn trên tàu loại này làm cho việc cân bằng dễ hơn, ổn
đònh chuyển động tốt hơn và có thể mong đơò, hệ số K khá hơn trên tàu với B rộng quá.
Chiều rộng B nhỏ đưa đến những điều tệ hại cho phương tiện. B nhỏ quá không đảm
bảo ổn đònh ban đầu như mong đợi, ổn đònh động của tàu sẽ rất kém. Tàu với B quá hẹp sẽ
làm cho lực nâng tấm 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 là công việc mang tính dung hòa, theo đó B được chọn trên cơ sở thỏa mãn rất
nhiều điều kiện khá ngược nhau. Từ kết quả thống kê có thể thấy B thích hợp nên chọn trong
phạm vi đònh trên đồ thò hình 20.
Ví dụ minh họa cách sử dụng đồ thò. Giả sử rằng xuồng có lượng chiếm nước Δ = 1000
kG, trọng tâm tàu cách vách transom LCG = 3m, góc nghiêng hông β = 5°, phát huy vận tốc v
= 12,5 m/s.
Hệ số tải trọng tính theo công thức:
CD =
1
2
Δ
= 0,014
ρv LCG 2
2
Hệ số này tương ứng chiều dài tương đối λ1 = 0,272. Từ đồ thò LCG/B có thể đọc
LCG/B = 3 khi ứng với λ1 đã xác đònh. Giá trò B thích hợp trong trường hôp này sẽ là: B =
LCG 3
= = 1 . Có thể nêu thêm trong trường hợp này K = 6,9.
3
3
Giả sử tiếp theo, B = 1m thoả mãn điều kiện của chủ tàu, trong phạm vi này có thể
lắp đặt máy chính, thiết bò, người ở vv.. . Nếu vậy công việc tiếp theo sẽ là kiểm tra tính ổn
đònh tàu theo dạng, chiều rộng B vừa tính phải lớn hơ hoặc bằng chiều rộng tối thiểu Bmin.
Chiều rộng Bmin xác đònh theo tài liệu thống kê, trên cơ sở xem xét kỹ các yêu cầu ghi
trong các qui phạm đóng tàu:
47 D
Bmin = 5 + 0,465 0,01β
10
trong đó D tính bằng kG, góc nghiêng hông β, đo bằng độ.
Trường hợp ví dụ này Bmin tí`nh bằng 0,885m.
Như vậy B = 1 > Bmin, thỏa mãn các yêu cầu về ổn đònh tàu.
Kiểm tra ổn đònh tàu chạy nhanh theo tiêu chuẩn Schtolz như sau:
LCG/B = 0,017P + 0,85
Trong đó P =
0,628D
- hệ số Stolz.
B3β
Nếu tỷ lệ LCG/B trong thực tế lớn hơn giá trò vừa tính, tàu nhanh này được coi là ổn
đònh khi lướt.
Thực tế cho thấy tỷ lệ LCG/B trong mọi trường hợp phải lớn hơn 1,25 để đảm bảo tàu
khai thác ở trạng thái ổn đònh.
Đồ thò tại hình 21 giúp bạn đọc xác đònh chiều rộng B tối ưu cho xuồng chạy nhanh.
Các bước thực hiện như sau:
21
Chọn ba giá trò của B, giá trò chính bằng trò giá chiều rộng từ phép tính sơ bộ, hai giá
trò kia lệch so với B vừa nêu khoảng ±30%,
Với mỗi giá trò vừa chọn của B xây dựng ít nhất ba phương án cân bằng,
const,
Tính toán các đặc trưng thủy động lực cho tất cả phương án, với D = const và v =
Xây dựng đường cong K = f(LCG/B) và lập đường Kopt giá trò tối ưu cho K.
Vẽ đường thẳng đứng qua LCG/B = 1,25, cắt Kopt, xác đònh giá trò lớn nhất của chất
lượng thủy động, với điều kiện đảm bảo ổn đònh cho tàu đang được thiết kế,
Xây dựng đồ thò thay đổi đặc tính thủy động và góc tấn theo quan hệ với B, hình 21.
Góc tấn tối ưu xác đònh trên đường tối ưu , đường cách quảng trên đồ thò.
Cần lưu ý thực tế sau, nếu B tính từ phép tính tối ưu như trên không thỏa mãn yêu cầu
về ổn đònh tàu, cần thiết tăng chiều rộng tàu mặc dù sẽ kéo theo hạ thấp giá trò K.
Tỷ lệ B/T. Hệ số đầy thể tích
Tỷ lệ B/T theo lý thuyết tàu có ảnh hưởng lớn đến sức cản dư trong giai đoạn đầu của
chuyển động tàu. Điều này ảnh hưởng đến thời gian và độ dài quảng đường ds9ể chuyển
sang chế độ chạy lướt. B/T lớn đưa tàu nhanh chóng chuyển sang chế độ lướt, mặc dầu cấu
hình này dẫn đến tình trạng xấu nếu xét về mặt lắc .
Kết quả thống kê cho thấy rằng tỷ lệ B/T các tàu đang hoạt động nằm trong phạm vi
rộng từ 4 đến 10. Tàu biển có dãy tỷ lệ thấp, tàu sông thuộc hệ B/T lớn. Có thể hình dung tỷ
lệ B/T trên các kiểu tàu không vượt quá dữ liệu thống kê sau.
Trimaran, xe trượt, cano chạy sông
9,5 10,5
Ca nô công tác trên sông, hồ
7,5 8,5
Xuồng đua, đáy có bậc
67
Thuyền đua chạy biển
5 5,5
Hệ số đầy thể tích CB tàu xuồng lớp này thay đổi trong giải rộng, từ 0,30 đến 0,60. Cụ
thể hơn, các xuồng đua có CB trong vòng 0,42 0,43 còn xuồng du lòch 0,36 0,37. Các xuồng
với đáy có bậc hệ số này nằm trong giới hạn 0,47 0,48.
Giữa các đại lượng CB và B/T có mối quan hệ gần gũi sau.
CB = 0,28
B
0,234
T
B/T = 12,6(CB + 0,234)2.
22
Tỷ lệ L/H hoặc L/D. Chiều cao mạn H (D)
Tỷ lệ L/H, viết theo cách mới là L/D với D depth moulded, có ảnh hưởng lớn đến độ
bền chung tàu. Với tàu cỡ nhỏ, vấn đề liên quan độ bền chung không quá phức tạp, trong thực
tế tỷ lệ L/H tàu nhóm này mang giá trò thấp, khoảng từ 5,5 đến tối đa 11. Công thức kinh
nghiệm sau đây giúp xác đònh tỷ lệ L/H tùy thuộc chiều dài L của tàu:
L/H = 2/3 L + a
Giá trò a được tổng kết từ tàu đang hoạt động.
Xuồng chạy sông, hồ dài khoảng 3 8m
36
Thuyền đua dài khoảng 7 12m
2 3,5
Thuyền chạy biển
1 0,5
11 17m
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 đầu gồm tàu một thân và tàu nhiều thân. Tàu một thân trong nhóm tàu
chạy nhanh có hông tròn , thuật ngữ chuyên ngành bằng tiếng Anh là round-bottom hull, hoặc
23
đáy phẳng, có mép bẻ góc tại hông, thành phẳng, tiếng Anh gọi là hard-chine planing. Thân
tàu kiểu sau này có mặt cắt ngang dạng chữ V.
Tùy thuộc vận tốc tàu, các tàu chạy ở trạng thái chậm, không khác gì tàu thông
dụng chúng ta đã làm quen trong các 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 chạy nhanh một thân.
24
Tàu nhiều thân trong nhóm tàu chạy nhanh biến tướng từ catamaran hoặc trimaran.
Tàu đáy bằng (không có bậc gẫy)
Chúng ta tìm hiểu kỹ hơn nhóm tàu có mặt cắt ngang hình V hình 24, đáy tàu phẳng
(không có bậc gẫy khúc). Giới thiệu đầy đủ hơn có thể thấy hình dáng nét cắt ngang đáy,
đường sườn của tàu không giống nhau trên các kiểu. Thông thường hai cạnh của đáy chữ V
thẳng, tuy nhiên trong thực tế chúng ta thấy trên nhiều tàu chữ V biến dạng. Cạnh của chữ V
có thể lõm như hình b, trên, bên phải, hoặc lồi như tại hình c, d, e. Hình f giới thiệu mẫu hình
kết hợp cả lồi và lõm. Góc giữa chữ V lớn, tương ứng góc nghiêng hông nhỏ, β 8°, như
vẫn thấy trên phần lớn tàu, được ghi lại tại hình a, b, e song góc giữa chữ V có thể nhỏ, còn
góc nghiêng hông lớn, β 20 - 30°, như tại hình f. Trường hợp cuối trong chuyên ngành
người ta gọi là cấu hình dạng deep Vee.
Đặc trưng thủy động lực tàu phụ thuộc vào góc nâng hông khá rõ nét. Tổng quát có
thể phát biểu, góc β lớn đặc tính thủy động lực giảm. Vì lẽ đó người ta thường chọn cách
thiết kế để đáy tàu gần phẳng. Xin nhắc lại, với tàu chạy sông góc này chỉ vào khoảng 6 10°, tàu xuồng trên hồ góc có thể đạt 12 - 15°. Tàu đua đi biển có góc nghiêng hông đến 20°
hoặc hơn, hình 25.
Đường ki chính tàu chạy nhanh gần như giống nhau cho các kiểu tàu trong nhóm. Ki
chỉ cong một phần thuộc mũi tàu, phần cón lại dưới dạng đoạn thẳng kéo đến vách transom.
Vách đôi dạng transom gần như là kiểu độc nhất trên tàu nhóm này. Khi hoạt động trong
nước đuôi transom trở thành công cụ tạo thêm chiều dài ảo cho tàu. Phần a trên cùng của
hình 26 trình bày hình dáng ki chính và đoạn sống mũi tàu cỡ nhỏ chạy nhanh thường gặp.
25
Đường gẫy khúc trên đường hình khi thể hiện tại mặt chiếu ngang có thể thấy tại hình
b. Nhận xét chung đường gẫy khúc mạn bắt đầu từ sống mũi, kết thúc rất sớm trong phạm
khu khu vực mũi tàu. Các đường này thông lệ thuộc kiểu đường lồi lõm nếu chiếu về mặt
chiếu ngang.
Trong mặt chiếu bằng các đường gẫy khúc thường đóng vai trò giới hạn đoạn ống trụ
thân tàu, tính đến vách đuôi, tỏ ra đa dạng trên các kiểu tàu. Hình chiếu các đường tại đáy
luôn là đường dạng lõm, chiều rộng của cung này chiếm tới 80% - 90% chiều rộng tàu. Để
tăng tính hàng hải tàu, tại phần đuôi tàu hình chiếu các đường này tóp vào.
Tàu với đường đáy có bậc (step)
Đáy tàu nhóm này có ít nhất là một bậc gẫy khúc, thông thường nằm tại vùng giữa
chiều dài tàu. Trong thức tế chíng ta gặp những tàu có rất nhiều bậc gẫy khúc tại đáy, hình .
Hình 27
Mặt chiếu các bậc gẫy khúc tại mặt bằng khá đa dạng, hình b.
Những thông số từ tàu có đáy nhiều bậc cần cho công việc tính toán , thiết kế như
sau. Vò trí bố trí bậc gẫy, tính từ vách đuôi lp ( theo cách ký hiệu của người Nga, p ký tự mở
đầu của redan, như chữ cái Nga) là đại lượng cần được quan tâm hàng đầu. Chiều chìm mũi
Tf và chiều chìm đuôi ký hiệu bằng Ta. Hìng dáng và vò trí của đường gẫy khúc mũi, lái, góc
tấn bước gẫy mũi và lái ký hiệu α1, α2, hình dáng bậc gẫy mũi là những thông số được
quan tâm khi thiết kế.
Như đã đề cập, cân bằng tàu đóng vai trò quan trọng trong thiết kế tàu chạy nhanh.
Điều kiện cân bằng tàu được trình bày trong phần tónh học, phải là:
fi = 0
mi = 0
Với tàu đang xét, hình trong trạng thái ổn đònh hệ phương trình trên đây có dạng:
Δ = L1 + L2
m
i
=0
trong đó L1, L2 - lực nâng các bậc mũi và lái.
26
đây:
Tùy thuộc độ lớn các lực L1, L2 có thể phân biết ba dạng tàu với đáy có bậc gẫy sau
Với L1 0,75Δ:
Tf > Ta, α1 > α2, βf βa
Với L1 0,65Δ:
Tf < Ta, α1 < α2, βf < βa
Với L1 = L2 = 0,50Δ:
Tf Ta, α1 α2, βf βa
Bố trí bậc mũi
Bậc mũi với cấu tạo như một nêm đặt trong nước, khi tàu chạy sẽ gây ra ra hện
tượng nhiễu dòng. Dòng chảy bò nhiểu này tiếp tục chảy qua bậc sau, làm cho các đặc tính
thủy lực của bậc sau bò xấu đi. Trong thiết kế cố gắng hạn chế ảnh hưởng xấu này bằng
cách kéo dài khoảng cách giữa hai bậc.
Trong thực tế, đặc tính thủy động lực bậc trước luôn cao hơn nếu so với bậc sau.
Nếu vậy người thiết kế cần tìm cách áp đặt phần lớn tải trọng mà tàu phải gánh chòu lên bậc
trước. Về mặt kết cấu chúng ta có thể điều chỉnh bậc trước theo cách tăng chiều rộng tấm
đáy. Tuy nhiên nếu làm theo cách đó, điều bắt buộc kèm theo là phải giảm khoảng cách
giữa các bậc. Bài toán thực tế do vậy chỉ có thể giải bằng con đường thỏa hiệp.
Khoảng cách bậc trước, tính từ vách đuôi, trên các tàu đang hoạt động nằm trong giới
hạn 0,35L đến 0,6L. Giá trò có thể áp dụng khi thiết kế tàu như sau:
Kiểu thứ nhất
Kiểu thứ hai
0,6L
Kiểu thứ ba
sau:
0,51L
0,53L
Trong trường hợp đó tâm nổi của các kiểu tàu , tính từ vách đuôi không xa các con số
Kiểu thứ nhất
0,35 - 0,47L
Kiểu thứ hai
0,25 0,35L
Kiểu thứ ba
0,30 0,40L
Chiều chìm các mép dưới của bậc gẫy
Chiều chìm này thường tính theo chiều rộng tàu. Trên các kiểu tàu chiều chìm Tf có
thể là Tf = 0,08 0,1B. Chiều rộng tàu được hiểu trong trường hợp cụ thể là chiều rộng
phần mũi. Giới hạn thấp dùng cho tàu đua vô cùng nhẹ, giới hạn trên cho tàu đi biển, kích
cỡ lớn hơn. Bạn đọc lưu ý đến điều này, tàu chìm đuôi nhiều quá, giống hiện tượng người
27
nặng nề quá, rất khó thoát khỏi cảnh tù túng để bay. Tuy vậy trong thực tế có những tàu đã
đưa vào hoạt động vẫn mang giá trò Tf = 0,13B.
Chiều chìm sau Ta xác đònh góc nghiêng mép bậc nhảy αcr.
Trên các tàu đáy chỉ một bậc gẫy góc này chỉ vào khoảng từ 0 đến 1°, hình . Góc
trên đây cũng có thể mang giá trò từ 0 đến -1° với tàu bố trí kiểu tandem. Tàu lướt kiểu thứ
nhất như nêu trên đây có thể có αcr từ 2 đến 8°.
Góc tấn tấm đáy dưới bậc
Góc tấn tấm làm chức năng step phụ thuộc vào tải trọng tác động lên nó, chiều dài
tương đối tấm trượt. Với tải trọng lớn, chiều dài tấm ngắn góc này lớn. Nói chung, mỗi kiểu
tàu lướt có góc tấn phù hợp tương thích với nó. Chọn góc tấn chính xác luôn là vấn đề khó
và phức tạp. Bước đầu nên chọn góc tấn trung bình cho step mũi theo công thức kinh nghiệm:
αm0 = alp + b
trong đó lp - khoảng cách từ step mũi đến transom, tính bằng % so với L.
Các hệ số a và b công thức cuối chọn theo bảng sau.
a
b
Tàu lướt với step mũi chòu tải chính
11,5
-1,45
Tàu lướt với tep lái chòu tải chính
7,8
-0,45
Tàu lướt dạng tandem
3,7
-0,73
Góc tấn dùng cho step lái được chọn với giá trò bé hơn khoảng 30 40 so với góc
tương ứng dùng cho bậc nhảy phía mũi.
Chiều cao bậc gẫy
Chiều cao bậc nhảy phải đảm bảo dòng chảy bứt khỏi phần lớn tấm đáy sau nó mà
không phải tràn khắp vùng vừa nêu. Chiều cao này tại mạn tàu còn phải đảm bảo để khí
dễ dàng thâm nhập vào vùng sau step. Thông lệ chiều cao step không bé hơn 50mm.
Tùy thuộc vào chiều rộng bậc nhảy, nên nhận chiều cao vào khoảng 0,05Bp. Chiều
cao tính theo tỷ lệ với chiều dài tàu, nên nằm trong phạm vi sau đây:
Tàu lớn
0,008 0,01L
Tàu cỡ nhỏ:
Tính tại mặt dọc giữa tàu
Tính tại đường gẫy khúc
Hình dáng bậc gẫy
0,011 0,17L
0,010 0,20L
Hình dáng của bậc nhảy trong thực tế rất đa dạng: phẳng, lồi, lõm, nghiêng Với
tàu cỡ nhỏ, dùng làm phương tiện đua góc nghiêng hông nên vào khoảng 4 - 6°.
28
|
