Chương 4: Đặc tính thủy động của bánh lái II.2.2.2.1. Lực thủy động tác dụng lên bánh lái. - Khi quay bánh lái một góc α t so với phương của dòng chảy, trên bánh lái xuất hiện hợp lực thủy động P đặt tại một điểm gọi là tâm áp l ực của bánh lái. - Để tiện cho việc tính toán, P được phân thành các thành ph ần sau: Lực nâng P y vuông góc với phương d òng chảy, lực dọc P x theo hướng dòng chảy, lực pháp tuyến P n vuông góc với mặt phẳng tạo bởi các dây cung profin và lực pháp tuyến P t nằm trong mặt phẳng đó. - Lực thủy động tạo nên moomen thủy động M tđ : M tđ = P n .(x a – x t ) x a ,x t - Biểu diễn trên hình vẽ (II.7). - M tđ dương nếu cản bánh lái quay từ mặt phẳng đối xứng của tàu sang bên mạn. Hình II-7. Lực thuỷ động tác dụng lên bánh lái. - Các lực và mômen thủy động được biểu diễn qua các hệ số không thứ nguyên sau: -H ệ số lực nâng C y : C y = bl bl y A v P . 2 2 -Hệ số lực dọc C x : C x = bl bl x A P . 2 2 -Hệ số lực pháp C n : C n = bl bl n A v P . 2 2 -Hệ số lực tiếp C t : C t = bl bl t A v P . 2 2 -Hệ số mômen C m : C m = bl bl tđ A v M . 2 2 -Hệ số tâm áp lực C p : C p = bl a b x Trong các công thức trên: - khối lượng riêng của nước (kg/m 3 ). v bl - vận tốc dòng chảy trên bánh lái (m/s). A bl - diện tích bánh lái (m 2 ). B bl - chiều rộng bánh lái (m). Các lực đo bằng kN, mômen - kN.m. T ừ các công thức trên ta có: C n = C y .cosα t + C x .sinα t C t = C x .cosα t + C y .sinα t C y = C n .cosα t + C t .sinα t C x = C n .sinα t + C t .cosα t C m = C n (C p – k) Trong đó: α t - góc tấn thực của bánh lái (là góc giữa phương dòng chảy và mặt phẳng đối xứng của bánh lái). k - hệ số cân bằng của bánh lái. Các hệ số trên gọi là các đặc tính thủy động của bánh lái được xác định bằng thí nghiệm. II.2.2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính thủy động của bánh lái. 1. Ảnh hưởng của mặt nước và vỏ tàu đến đặc tính thủy động của bánh lái. - Dòng chảy thực qua bánh lái không phải là dòng chảy vô hạn. Dòng chảy thực bị ảnh hưởng bởi mặt thoáng của nước, bởi vỏ tàu, bởi tác dụng của chân vịt… - Đa số các tàu hiện đại có kết cấu vùng đuôi đảm bảo khi tàu ch ở đầy bánh lái ngập đủ sâu để hầu như không còn chịu ảnh hưởng của mặt nước. - Ảnh hưởng của mặt nước cần phải tính đến khi thiết kế một số loại tàu sông có bánh lái cắt ngang mặt nước, phà, tàu lướt và tàu cánh ng ầm. - Vỏ tàu nằm trong dòng chảy qua bánh lái nên ảnh hưởng đến góc tấn thực tế của bánh lái, đến vận tốc d òng chảy, đến sự phân bố các thành phần vận tốc trong dòng chảy…do đó ảnh hưởng đến lực thủy động tác dụng l ên bánh lái. - Trong tính toán th ực tế thiết bị lái, ảnh hưởng của vỏ tàu được tính đến bằng hệ số k, giảm vận tốc dòng chảy qua bánh lái: v bl = v. v k , (1) k v = (1 - ψ v ) 2 < 1 , (2) Trong đó: v - vận tốc chuyển động của tàu. ψ v - hệ số dòng theo của vỏ tàu. Đối với hệ bánh lái + trụ lái, ψ v lấy bằng 1,3 hệ số dòng theo của chân vịt. - Khi đặt bánh lái dưới vòm đuôi tàu, hệ số kéo dài hiệu dụng λ h của bánh lái tăng lên thùy thuộc vào khe hở giữa mặt trên bánh lái và v ỏ tàu (có thể gấp 2 lần hệ số kéo dài hình học λ khi khe hở giữa mặt trên bánh lái và vỏ tàu bằng không). Ở các tàu có vòm đuôi không phẳng tại chỗ đặt bánh lái, λ h tăng rất ít và có thể coi như không đổi (λ h = λ). Ở các tàu có tuyến hình đơn giản, vòm đuôi phẳng, khe hở giũa mặt trên bánh lái và vỏ tàu nhỏ thì cần tính đến ảnh hưởng của vỏ t àu tới λ. 2. Ảnh hưởng của chân vịt đến đặc tính thủy động của bánh lái. - Dòng nước được đẩy bởi chân vịt, chảy qua bánh lái, có ảnh hưởng lớn đến đặc tính thủy động của bánh lái. Mỗi điểm chất lỏng trong dòng đẩy của chân vịt có 3 thành phần vận tốc: vận tốc dọc v d hướng dọc trục chân vịt; vận tốc tiếp v t hướng vuông góc với bán kính trục chân vịt; vận tốc hướng kính v hk hướng dọc bán kính. - - Trị số và tương quan của các thành phần vận tốc nói trên phụ thuộc hệ số lực đẩy của chân vịt σ cv : σ cv = 22 8 cvcv Dv P Trong đó: P - lực đẩy của chân vịt: P = )1( z R , N R - l ực cản chuyển động của tàu; N. z - s ố chân vịt. θ - hệ số hút. ρ - khối lượng riêng của nước (kg/m 3 ). v cv - vận tốc dòng chảy tới chann vịt (m/s). v cv = v(1 - ψ cv ), (3) v - v ận tốc chuyển động của tàu (m/s). ψ cv - hệ số dòng theo của chân vịt. D cv - đường khính chân vịt (m). - Trong tính toán thực tế thiết bị lái, vận tốc dọc của dòng ch ảy qua bánh lái được tính theo công thức: v ’ bl = v cv cv 1 , (4) - L ực pháp tuyến thủy động P n tác dụng lên bánh lái: P n = C n . ).( 2 . 2 . ' ' ' 2 blbl bl nbl bl AA v CA v Trong đó, A ’ bl - diện tích phần bánh lái nằm trong dòng đẩy của chân vịt. - Biến đổi biểu thức trên, chú ý đến (1), (2), (3) và (4) ta được: P n = k v .k cv .C n . bl A v . 2 . 2 Trong đó: k v - hệ số kể đến ảnh hưởng của vỏ tàu (công thức 2). k cv - hệ số kể đến ảnh hưởng của chân vịt. k cv = 1 + 1 1 1 )1( 2 ' v cv cv bl bl A A C n - hệ số lực pháp của bánh lái cô lập. . Trong tính toán thực tế thiết bị lái, vận tốc dọc của dòng ch ảy qua bánh lái được tính theo công thức: v ’ bl = v cv cv 1 , (4) - L ực pháp tuyến thủy động P n tác dụng lên bánh lái: P n . Chương 4: Đặc tính thủy động của bánh lái II.2.2.2.1. Lực thủy động tác dụng lên bánh lái. - Khi quay bánh lái một góc α t so với phương của dòng chảy, trên bánh lái xuất hiện. thủy động tác dụng l ên bánh lái. - Trong tính toán th ực tế thiết bị lái, ảnh hưởng của vỏ tàu được tính đến bằng hệ số k, giảm vận tốc dòng chảy qua bánh lái: v bl = v. v k , (1) k v = (1 -