77 Ch ơng11 Lựccảnchuyển độngcủatàucánhngầm và tàu đệmkhí Chuyển độngcủatàutrêncáccánhngầmcóthể thựchiện ở nhữngvậntốclớn,khi lựcnângthuỷđộng R z sinhratrêncáccánh đủđể thắngtrọng l ợngtàu đ atàusang chếđộ chuyển động,màởđó chỉ có cáccánh,cộtchống,bánhlái,chongchóngbị ngập trong n ớc, còn thân tàu ở trên mặt n ớc. Khichuyển độngtrêncánhsaukhithântàunhô lênkhỏimặt n ớcthì mặt ớtsẽ không lớn lắm, lực cản đơn vị giảm đáng kể so với tàu l ớt. 0 0,4 5 10 15 Fr= R/D 10 2 20 0,60,81,01,21,41,6 v gL 1 2 3 4 Hình 11.1. Lực cản đơn vị. 1 tàu nổi tĩnh 2 tàu l ớt không bậc 3 tàu l ớt có bậc 4 tàu cánh ngầm KhitínhFrchotàucánhngầmtaphảilấychiềudàibằngkhoảngcáchgiữacánh mũivà cánh đuôi. Từ hình11.1chứngtỏtàucánhngầmcóchất l ợngthuỷđộngcaonhất.Tính đi biểncủatàucánhngầmcaohơntàu l ớtvìnócóthể giảmhoặctránh đ ợcsựva đập củasóng.Khitàuchuyển độngtrênsôngvớivậntốc50 80 km/h sóngsinhrakhông đáng kể và không làm sói lở bờ sông. Kết cấu của các cánh của tàu cánh ngầm có thể chia thành: -Cánh ngầm sâu -Cánh ngầm cạn -Cánh cắt mặt thoáng. 78 a) b) c) d) Hình 11.2. Sơ đồ các cánh ngầm. Cáccánhngầmsâuth ờnglàcáccánhcóđiềukhiển để thay đổigóc,bằngcách quaycáccánhtạolựcnângcầnthiếttuỳ theochếđộ chuyển độngcủatàu, điềunàyhết sức quan trọng khi tàu chạy trên sóng (Xem H11.2.c,d). Cáccánhngầmcạncóchiềusâu t ơng đốih/b<15(XemH11.2.a) đểđảmbảo lực nâng không đổi. Cáccánhngầmcắtmặtthoáng(XemH11.2.b) đảmbảolựcnângkhông đổi,góc gấp của cánh 30 35 o để lực nâng thay đổi nhịp nhàng. Để cảithiệnkhả năngdi độngtrênsóngthì trêncáctàucócánhngầmngậpsâu (Xem 11.2.c,d) cần phải tăng khoảng cách giữa thân tàu và cánh. Cácprôfincủacánhngầmchọnsaocho đảmbảochất l ợngthuỷđộngcao,trị số C y đủ lớn, tránhxâm thực. Th ờng cánh của các tàu cánh ngầm có các dạng sau: a) b) c) Hình 11.3. Sơ đồ prôfin cánh của tàu cánh ngầm. Các prôfin mảnh tròn (Xem H11.3.a) dùng cho cánh ngầm cạn Các prôfin phẳng lồi (Xem H11.3.b) dùng cho tàu có v s 60 hlý/h Cácprôfinhìnhnêm(XemH11.3.c)chochất l ợngthuỷđộngcaohơndạngbình th ờng từ 20 40% và cho phép tránhxâm thực. Dọctheochiềudàitàuth ờng đặthaicánh, đó là cánhmũivàcánh đuôi.Thântàu phảicóhìnhdángthíchhợpđể dễ chuyểnvàochuyển độngtrêncáccánhvàđảmbảo tính đi biển tốt nên ng ời ta sử dụng dạng hông nhọn gãy góc, đôi khi đáy có nhảy bậc. Lựccảncủatàucánhngầmbaogồmcácthànhphầnsau:lựccảncánh R KP ,lựccản phần nhô R AP và lực cản của không khí R AA . R = R KP + R AP + R AA . 79 Trong đó: lực cản cánh ngầm đ ợcxác định: R KP = R V + R W + R i + R c . Để giảmlựccảnnhớt R V thì bề mặtcủacánhphải đ ợcgiacôngtốt,nghĩalàbề mặt phải nhẵn thuỷ động. vậntốclớnthì lựccảnsóng R W không đángkể(đó là u điểmcủatàucánh ngầm). Lựccảncảmứng R i phụ thuộcchiềudài t ơng đốicủacánh = l 2 /Scũngnh sự t ơng tác thuỷ động giữa các cánh. Để giảm R i ng ời ta lấy = 4 6. Lựccảnxâmthựcchỉ tăngkhicóhiện t ợngtáchdòngbaoxâmthựccủacác cánh. Các thành phần lực cản đ ợc phân chia (Xem H11.4) 302010 12 2 R/D10 v 9 6 3 0 S 1 2 3 4 Hình 11.4. Các thành phần lực cản 1 lực cản thân tàu 2 lực cản các cánh 3 lực cản phần nhô 4 lực cản không khí Góc chúi của tàu (Xem H11.5) S -1 v 10 20 30 0 1 2 3 0 Hình 11.5. Sơ đồ góc chúi của tàu phụ thuộc vận tốc v s . KhiFr V =1,5 1,8tàuchạytrêncánhmũi.Taphảicó l ợngdựtrữ côngsuất đủ lớn để v ợt qua đ ợc gồ trên đ ờng cong lực cản. KhiFr V =2,25thântàutáchphảimặt n ớcvàchuyểnvàochếđộ chuyển động trên các cánh. KhiFr V =2,5 3,0 đ ờngconglựccảncóđiểmcựctiểu ứngvớichất l ợngthuỷ động tốt nhất. Các cột giữ cánh cắt mặt thoáng chọn dạng prôfin đối xứngvà đầu nhọn. Sự phânbốtảitrọnggiữacáccánhcóthể xác địnhbằngcáchlậpph ơngtrìnhcân bằng đơn giản lực và mô men của các lực đó với đuôi cụt của tàu. R yH + R yK = D; R yH H + R yK K = D Trong đó: - khoảng cách từ trọng tâm tàu tới đuôi cụt H - khoảng cách từ trọng tâm tàu tới mép tr ớc cánh mũi 80 K - khoảng cách từ trọng tâm tàu tới mép tr ớc cánh đuôi R yH và R yK - lực nâng thuỷ động trên cánh mũi và đuôi D- trọng l ợng tàu. Từ cácph ơngtrìnhtrêngầnđúngtacóthể xác định đ ợcdiệntíchcủacánhmũi S H và đuôi S K . Các đặctínhthuỷđộnglựccơbảncủacáccánhngầmlàcáchệsốlựccảnCvàhệ sốlựcnâng C y ,chất l ợngthuỷđộngk= C y / C x ,hệsốápsuất P trênmặthútvàđạp củaprôfincánh, h ớnglựcnângkhông đ ợcxácđịnhquagóc o tạovớidâycungb củaprôfin,hìnhdạngcánh ở hìnhchiếunằmchiềudài t ơng đối =l/b,trị số Re, độ ngập sâu t ơng đối bhh / , số Fr = v/ gb hoặc Fr H = v/ gh và số xâm thực . Hình ảnh dòng bao cánh d ới mặt thoáng nh sau: KhiFr H 1trênmépsaucủacánhxuấthiệnmộttrụcbọt t ơngtựnh n ớc nhảy, đ ợcsinhrakhidòngchảyquavậtchắnnằmtronglòngsônghở,tạiđâytrị số lực nâng không ổn định và lực cản sóng tăng cao nhất. Khi Fr H > 1 sau cánhxuất hiện một con sóng thoai thoải (Xem H11.6) l b A A x x h v y A- A F>1 y z rh Hình 11.6 KhiFr>56mặt n ớclõmxuốngkèmtheocácrìamépdânglên,khi đó hệ số C y không phụ thuộc Fr. Bảnchấtcủaquá trìnhxâmthựclàsựxuấthiệncácđiểmtáchchấtlỏngtrong dòngchảygầnbềmặtvậtthể khivậntốcchuyển độnglớn.Cácđảobọthìnhthànhtrên mặtvậtchứa đầyhơi n ớcvàkhí hỗnhợptừ n ớctáchra. psuấttrongdảibọtgần bằng ápsuấthơi n ớcbãohoà P v ở nhiệt độđã cho.Hiện t ợngxâmthựcxuấthiệnkhi số xâm thực = | P min |vàvận tốc là v K . Trong đó: P min - hệ số áp suất tối thiểu trên mặt vật thể. 81 I II III IV v v v v C C y IV III-II I C,C y Hình 11.7. Sơ đồ xuất hiện xâm thực và các hệ số C, C y phụ thuộc theo nó. Việc ápdụngnguyêntắcchuyển độngcủatàutrên đệmkhôngkhí khôngnhững cho phép giảm đ ợc lực cản mà còn làm cho tàu chạy nhanh. Trongquá trìnhchuyển độngtàuhoàntoàncáchlykhỏimặtmặt n ớc,nênnócó khả năng chuyển động trên mặt n ớc rất cạn, trên bùn, đất khô và băng. Đệmkhí là mộtvùng ápsuấtlớnkíhiệulà P n , đ ợchìnhthành d ới đáytàu,nó chophéptàutáchlyhoàntoàn,hoặcmộtphần n ớc,vàcóthể bayliệngtrênmặt n ớc, mặt đất. Hiệnnayng ờita ápdụnghainguyêntắctạođệmkhí, đó là:buồngkhí và vòi phun (Xem H11.8). Năm1935 đã đ aravàápdụngthànhcôngsơđồ kiểubuồngkhí. áp suất P n trong đệm đ ợctạonênbằngcáchcấpkhôngkhí vàobuồng ở d ớithântàu, sau đó khôngkhí thoátkhỏibuồngquakhehởgiữathântàuvàmặt n ớc. Đệmkhí này tách biệt với môi tr ờng là nhờ có một phần thân tàu mang chức năng tấm che chắn. Sơđồ vòiphun-Khôngkhí đ ợccấpvàobuồngphânphốitừđó cácluồngkhông khí thoát ra cácvòi phun nằm theo chu vi đáy tạo thành vùng áp suất cao P n . CáctàukiểubuồngcóL/B=1,5 2,7vàkhối l ợngtới300T,sốFrtínhtheo chiều dài đệm nhỏ hơn 2,0 vàáp suất trong đệm P n = (1000 4000) N/m 2 . 82 P n a) b) Hình 11.8. Nguyên lý tạo đệm khí a kiểu buồng b kiểu vòi phun Lựccảnchuyển độngcủatàukiểubuồngsinhrabởiápsuấtvàcácứngsuấttiếp tácdụnglênthântàu.Cácápsuấtnàyđềurabởiluồngkhôngkhí phíangoài,trong đệm,trongcácốngdẫnkhí.Lựccảnkhôngkhí R AA vớihệsố C AA =f(Re).Docấp khôngkhí bằngquạt để tạoravàduytrìđệmkhôngkhí nên còn xuất hiện lực cản xung của không khí R I = A vQ. Trong đó: Q- l u l ợngkhôngkhí doquạttạonên.Hệsốlựccảnxungxácđịnhtheodiện tích S n của đệm, đ ợcxác định bằng công thức C I = 2Q/ vS n . Chuyển độngcủađệmkhí,cũngcónghĩalàchuyển độngcủavùng ápsuấtcao trênmặt n ớcvàlànguyênnhângâyrahệthốngsóngnênxuấthiệnlựccảnsóng R W , nó truyềnchothântàunhờ việcphânphốilạiápsuấttrong đệmvàlàmtàuchúi,với góc chúi di động là . Trị số R W phụ thuộcL/B,sốFr,chiềusâuluồnglạchH.Trong n ớccạnkhiFr 1 thì R W tăng đáng kể. Tổng lực cản của tàu đệm khí: R = R AA + R I + R W + R R Hình 11.9. Tỉ lệ các thành phần lực cản kiểu buồng. Khi góc bé là C AA = (0,1 0,2) R W + R R = R HD - lực cản thuỷ động. Theo kết quả thử mô hình thì: R HDH = R HDM /k 3 . 83 Hình 11.10. Sơ đồ lực và mô men tác dụng lên tàu đệm khí kiểu buồng. R HD + R AA + R I = R = - T M HD + M AA + M I + M D = TZ T Đặc tr ng tàu đệm khí kiểu phun L/B = 2 8 KhiL/B = 2 2,5 thì Fr < 2, 0 tính theo chiều dài đệm KhiL/B > 5 thì Fr =0,6 0,8 Lựccản đ ợcchiathành:lựccảnsóngcủađệm R W ,lựccảnphầnnhô R AP ,lựccản khôngkhí R AA ,lựccảnxung R I doquạtgió sinhra để duytrìđệm.Lựccảnđơnvị (Xem H11.11). Hình 11.11. Các thành phần lực cản đơn vị của tàu đệm khí. 84 . (Xem H 11. 4) 302 010 12 2 R/D10 v 9 6 3 0 S 1 2 3 4 Hình 11 .4. Các thành phần lực cản 1 lực cản thân tàu 2 lực cản các cánh 3 lực cản phần nhô 4 lực cản không khí Góc chúi của tàu (Xem H 11. 5). Lựccản đ ợcchiathành:lựccảnsóngcủađệm R W ,lựccảnphầnnhô R AP ,lựccản khôngkhí R AA ,lựccảnxung R I doquạtgió sinhra để duytrìđệm.Lựccảnđơnvị (Xem H 11. 11) . Hình 11 .11 . Các thành phần lực cản. lớn lắm, lực cản đơn vị giảm đáng kể so với tàu l ớt. 0 0,4 5 10 15 Fr= R/D 10 2 20 0,60, 81, 01, 21, 41, 6 v gL 1 2 3 4 Hình 11 .1. Lực cản đơn vị. 1 tàu nổi tĩnh 2 tàu l ớt không bậc 3 tàu l ớt