Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm tàu hoạt động theo nguyên lý khí động học

LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Ngô Văn Quốc, học viên lớp Cao học 2007, ngành Kỹ thuật Tàu thủy, xin cam đoan: Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là trung thực, hợp lệ, chính xác và không vi phạm pháp luật. Nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS.TS. Trần Gia Thái. Nha Trang, ngày tháng năm 2011 Người thực hiện Ngô Văn Quốc LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Trần Gia Thái, người thầy đã hướng dẫn trực tiếp tôi. Với những lời khuyên quý báu về cách nhận định vấn đề, cùng với kiến thức sâu rộng của Thầy và sự tận tâm chỉ bảo đã giúp tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn Ban Giám đốc Công ty TNHH Nhà nước MTV Yến sào Khánh Hòa đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về vật chất và tinh thần trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại học Nha Trang; Gia đình và người thân đã quan tâm, chăm sóc, động viên tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp, những người bạn của tôi ở bộ môn Đóng tàu, bộ môn Cơ học - Khoa Kỹ thuật Tàu thủy đã rất nhiệt tình giúp đỡ, để hoàn thành luận văn của mình. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình tôi và bạn bè, những người luôn quan tâm và động viên tinh thần cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Nha Trang, ngày tháng năm 2011 Người thực hiện Ngô Văn Quốc BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT STT Ký hiệu Đơn vị Tiếng việt 1 A m chu vi lớp đệm khí 2 B c m chiều rộng tàu đệm khí 3 L c m chiều dài tàu đệm khí 4 C B hệ số đầy thể tích chiếm nước 5 C W hệ số đầy diện tích mặt đường nước 6 C M hệ số đầy diện tích mặt cắt ngang giữa tàu 7 d m chiều chìm trung bình 8 dt m độ chúi 9 dt m m gia số chiều chìm mũi 10 dt l m gia số chiều chìm đuôi 11 d m m chiều chìm mũi 12 d l m chiều chìm đuôi 13 D c hệ số co ép miệng vòi 14 H sk m chiều cao váy đệm khí 15 h eg m khoảng cách khe hở đệm khí 16 H m chiều cao mạn 17 h θ m chiều cao tâm ổn định ngang của tàu 18 L cp m cánh tay đòn ổn định cho phép 19 L st m cánh tay đòn ổn định tĩnh 20 L d m cánh tay đòn ổn định động 21 P c Kg/m 2 áp suất đệm khí 22 r m bán kính tâm nghiêng ngang 23 R m bán kính tâm nghiêng dọc 24 R a N lực cản khí động 25 R m N lực cản động lượng 26 R w N lực cản tạo sóng 27 R sk N lực cản do tiếp xúc 28 R 1 m bán kính vòng ngoài của váy khí 29 R 2 m bán kính vòng trong của váy khí 30 Q hệ số lưu lượng 31 Q m 3 /s lưu lượng thể tích của khối khí 32 S c m 2 diện tích đệm khí 33 R S m khoảng cách dịch chuyển ngang trọng tâm 34 V m/s vận tốc tàu 35 V c m/s vận tốc khí thoát ra đệm khí 36 W kg khối lượng tàu 37 x c m hoành độ tâm nổi 38 x f m hoành độ trọng tâm diện tích mặt đường nước 39 z c m cao độ tâm nổi 40 x g m hoành độ trọng tâm 41 z g m chiêu cao trọng tâm tàu 42 z m m cao độ tâm ổn định 43 Z T m tay đòn hứng gió 43  Độ góc nghiêng 44 M ph Nm mômen phục hồi 45  Tấn lượng chiếm nước tàu 46  m 3 thể tích chiếm nước MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 2 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 2 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU ĐỆM KHÍ 4 1.2.1. Lịch sử nghiên cứu tàu đệm khí trên thế giới 4 1.2.2. Tình hình nghiên cứu tàu đệm khí ở Việt Nam 10 1.3. PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU 11 1.3.1. Phương pháp nghiên cứu 11 1.3.2. Nội dung nghiên cứu 11 1.3.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu 12 Chương 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT TÀU ĐỆM KHÍ 13 2.1. LÝ THUYẾT ĐỆM KHÍ 13 2.1.1. Đặc điểm của tàu đệm khí ở trạng thái tĩnh trên mặt nước 13 2.2.2. Đường đặc tính đệm khí 16 2.2. ỔN ĐỊNH CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 17 2.2.1. Giới thiệu chung 17 2.2.2. Các trường hợp kiểm tra ổn định 18 2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ ổn định ngang của tàu đệm khí 21 2.2.4. Vấn đề chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí 24 2.3. BỐ TRÍ ĐỘNG CƠ TÀU ĐỆM KHÍ 32 2.4. HỆ THỐNG VÁY TÀU ĐỆM KHÍ 34 Chương 3: THIẾT KẾ SƠ BỘ TÀU ĐỆM KHÍ 36 3.1. NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 36 3.1.1. Xây dựng nhiệm vụ thư 36 3.1.2. Lựa chọn phương pháp thiết kế 36 3.1.3. Nội dung thiết kế 36 3.2. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 37 3.2.1. Xác định lượng chiếm nước của tàu đệm khí  38 3.2.2. Xác định các thông số hình học của đệm khí 41 3.2.3. Xác định các kích thước chính của tàu 45 3.3. THIẾT KẾ PHÁC THẢO BỐ TRÍ CHUNG TÀU ĐỆM KHÍ 47 3.3.1. Bố trí động cơ trên tàu đệm khí 47 3.3.2. Bố trí sơ bộ chỗ ngồi trên tàu 48 3.4. THIẾT KẾ ĐƯỜNG HÌNH TÀU ĐỆM KHÍ 50 3.5. THIẾT KẾ KẾT CẤU 52 3.5.1. Lựa chọn vật liệu chế tạo 52 3.5.2. Lựa chọn Quy phạm áp dụng 52 3.5.3. Lựa chọn khoảng cách sườn và hệ thống kết cấu 52 3.5.4. Tính chọn các kết cấu 52 3.6. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÀU 61 3.6.1. Tính toán hệ thống nâng 61 3.6.2. Tính toán hệ thống đẩy 62 3.7. TÍNH KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 66 3.7.1. Trường hợp mở váy (Skirt on) 66 3.7.2. Trường hợp tắt váy (Skirt off) 70 Chương 4: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH 80 4.1. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC MÔ HÌNH TÀU 80 4.2. XÂY DỰNG BẢN VẼ ĐƯỜNG HÌNH MÔ HÌNH TÀU 81 4.3. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ 83 4.3.1. Tính chọn động cơ nâng 83 4.3.2. Tính chọn động cơ đẩy 84 4.4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÁY KHÍ 87 4.4.1. Giới thiệu chung 87 4.4.2. Các thông số chính của váy 88 4.4.3. Vẽ biên dạng của váy 89 4.4.4. Tính toán kích thước váy 90 4.4.5. Phóng dạng váy khí 92 4.5. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 95 4.5.1. Giới thiệu chung 95 4.5.2. Lựa chọn động cơ Servo 98 4.5.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động 98 4.6. CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP TÀU MÔ HÌNH 101 4.6.1. Lựa chọn vật liệu chế tạo 101 4.6.2. Quy trình chế tạo và lắp ráp 101 4.6.3. Chuẩn bị sản xuất 102 4.6.4. Thi công chế tạo phần vỏ tàu mô hình 102 4.6.5. Chế tạo váy 105 4.6.6. Lắp đặt các động cơ và trang thiết bị 107 4.7. THỬ NGHIỆM 108 4.7.1. Mục đích và các nội dung chế tạo thử nghiệm 108 4.7.2. Thử nghiệm tĩnh 109 4.7.3. Thử nghiệm động 111 4.7.4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 114 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 115 5.1. KẾT LUẬN 115 5.1.1. Phần cơ sở lý thuyết tính toán 115 5.1.2. Chế tạo mô hình thử nghiệm 115 5.2. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 : Các nguyên nhân gây ra hiện tượng lật tàu 31 Bảng 2.2 : Vùng tốc độ mà có thể xảy ra hiện tượng chúi mũi hoặc lật tàu 31 Bảng 3.1 : Thông số của một số mẫu tàu đệm khí 39 Bảng 3.2 : Thông số hình học của một số mẫu tàu đệm khí 43 Bảng 3.3 : Ảnh hưởng của kích thước chính đến các yếu tố kinh tế - kỹ thuật của tàu 47 Bảng 3.4 : Đặc tính của vật liệu Composite 52 Bảng 3.5 : Trị số C 53 Bảng 3.6 : Tính mômen quán tính mặt cắt ngang sườn mạn 55 Bảng 3.7 : Tính mômen quán tính mặt cắt xà ngang boong 57 Bảng 3.8 : Trị số tối thiểu của gia tốc thẳng đứng ở mút trước 58 Bảng 3.9 : Tính mômen quán tính mặt cắt ngang đà dọc đáy 59 Bảng 3.10 : Tính kiểm tra khối lượng kết cấu tàu 60 Bảng 3.11 : Bảng tính các yếu tố thủy tĩnh 71 Bảng 3.12 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 71 Bảng 3.13 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 72 Bảng 3.14 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 72 Bảng 3.15 : Bảng tính khối lượng và trọng tâm tàu 73 Bảng 3.16 : Tính cân bằng và ổn định ban đầu: 73 Bảng 3.17 : Bảng tính diện tích và tọa độ tâm chịu gió 74 Bảng 3.18 : Bảng tính cánh tay đòn ổn định tĩnh và động 75 Bảng 3.18 : Bảng tính hệ số an toàn 78 Bảng 3.19 : Bảng tính ổn định bổ sung 79 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 : Ý tưởng tàu đệm khí của Emmanuel Swedenbog 4 Hình 1.2 : Thí nghiệm coffee can và mô hình gỗ balsa” của Christopher Cockerell .5 Hình 1.3 : Tàu SR.N1 trong lần chạy thử năm 1959 6 Hình 1.4 : Bản vẽ bố trí chung của SR.N1 7 Hình 1.5 : Tàu SR.N3 trong lần chạy thử năm 1963 7 Hình 1.6 : Bản vẽ bố trí chung tàu SR.N3 8 Hình 1.7 : Mẫu Mark III SR.N4 trong lần chạy năm 2000 9 Hình 1.8 : Tàu vui chơi trên cạn 10 Hình 1.9 : Tàu vui chơi dưới nước 10 Hình 1.10 : Tàu đệm khí phục vụ quân sự 10 Hình 1.11 : Tàu đệm khí chở khách 10 Hình 2.1 : Tàu đệm khí lơ lửng ở trạng thái tĩnh trên mặt nước 13 Hình 2.2 : Sự phân bố lỗ thoát khí 15 Hình 2.3 : Các trạng thái khác nhau của tàu đệm khí 16 Hình 2.4 : Đường đặc tính của đệm khí 17 Hình 2.5 : Tàu đệm khí bị nghiêng trên mặt nước khi chạy trên đệm khí. 19 Hình 2.6 : Ổn định ngang của tàu đệm khí trên các bề mặt khác nhau 21 Hình 2.7 : Ảnh hưởng của khe hở váy lên ổn định ngang 22 Hình 2.8 : Ảnh hưởng trọng tâm tàu lên ổn định ngang 23 Hình 2.9 : Ảnh hưởng của lưu lượng khí đến ổn định ngang 23 Hình 2.10 : Hình dạng mặt nước dưới váy của mô hình đệm khí ở số Froude khác nhau. (a) Fr = 0,40; (b) Fr = 0,44; (c) Fr = 0,50; (d)Fr = 0,70 24 Hình 2.11 : Ổn định ngang của tàu đệm khí phụ thuộc giá trị số Froude 25 Hình 2.12 : Kết quả thực nghiệm về góc nghiêng của tàu theo tốc độ. 25 Hình 2.13 : Giới hạn lật của tàu SR.N6 26 Hình 2.14 : Tàu SR.N6 bị lật do sóng ngang quá lớn 27 Hình 2.15 : Diễn biến của quá trình lật nhào 28 Hình 2.16 : Dòng khí bên trong và bên ngoài của mô hình tàu đệm khí khi chuyển động với tốc độ cao 30 Hình 2.17 : Vấn đề lật nhào trên quan hệ: lớp biên, số Froude, tỉ số lực đẩy/lực nâng 30 Hình 2.18 : Hệ thống plenum chamber. 33 Hình 2.19 : Hệ thống Annular jet 33 Hình 2.20 : Hệ thống Flexible trunks 33 Hình 2.21 : Tàu bố trí một động cơ 34 Hình 2.22 : Tàu bố trí hai động cơ 34 Hình 2.23 : Bag skirt 35 Hình 2.24 : Bag - finger skirt 35 Hình 2.25 : Finger skirt 35 Hình 3.1 : Quá trình thiết kế sơ bộ 37 Hình 3.2 : Các thông số hình học của tàu đệm khí 42 Hình 3.3 : Phương án bố trí động cơ 47 Hình 3.4 : Kích thước trung bình của một người bình thường 48 Hình 3.5 : Không gian ngồi thoải mái cho hai người ngồi dọc và ngang 48 Hình 3.6 : Bố trí chung toàn tàu 49 Hình 3.7 : Bản vẽ đường hình tàu thiết kế 51 Hình 3.8 : Quy cách sườn 54 Hình 3.9 : Bản vẽ kết cấu của tàu đệm khí 60 Hình 3.10 : Động cơ nâng, và cánh quạt nâng 62 Hình 3.11 : Hệ số sức cản sóng 64 Hình 3.12 : Động cơ đẩy tàu thiết kế 65 Hình 3.13 : Sự phụ thuộc của khe hở váy tàu h eg vào lưu lượng quạt nâng 68 Hình 3.14 : Sự thay đổi của chiều cao khe hở khi thay đổi khối lượng tàu 69 Hình 3.15 : Đồ thị ổn định ở các trạng thái tải trọng 77 Hình 4.1 : Bản vẽ và tọa độ đường hình tàu mô hình 82 Hình 4.2 : Động cơ nâng và cánh quạt nâng 84 Hình 4.3 : Hình động cơ đẩy 87 Hình 4.4 : Hình dạng váy 87 Hình 4.5 : Mặt cắt ngang váy khí 88 [...]... kết hợp với việc nghiên cứu lý thuyết khí động học để làm cơ sở thiết kế tàu đệm khí Về mặt phương pháp, để có thể thiết kế, chế tạo thành công mẫu tàu đệm khí nói trên trước tiên cần nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình tàu và thử nghiệm trong bể thử để thu nhận số liệu cần thiết về kích thước, khối lượng, động cơ, kết cấu hệ thống váy, trong đó các thông số khối lượng tàu, bố trí động cơ và kết cấu... Cao học về vấn đề này với tên gọi Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm tàu hoạt động theo nguyên lý khí động học nhằm góp phần vào việc phát triển ứng dụng loại tàu này vào thực tế nước ta hiện nay Việc chế tạo tàu đệm khí ở Việt Nam hy vọng sẽ làm phong phú thêm các phương tiện phục vụ giao thông đường thủy và khẳng định vai trò của ngành đóng tàu Việt Nam 3 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU... nghiên cứu đối với đề tài, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu  Chương 2 : Một số vấn đề lý thuyết tàu đệm khí Trong phần này sẽ trình bày một số vấn đề lý thuyết cơ bản đối với tàu đệm khí, cơ sở để tính toán, thiết kế mẫu tàu đệm khí  Chương 3 : Thiết kế sơ bộ một mẫu tàu đệm khí Nội dung chương trình bày kết quả tính toán, thiết kế một mẫu tàu đệm khí cụ thể  Chương 4 : Chế tạo thử nghiệm. .. thuộc nhóm những tàu làm việc dựa theo nguyên tắc khí động học, bố trí một hay nhiều động cơ, gồm động cơ làm nhiệm vụ thổi khí và động cơ đẩy Động cơ thổi khí có nhiệm vụ tạo ra lớp đệm không khí có áp suất cao và được giữ lại giữa đáy tàu và bề mặt chuyển động nhờ kết cấu bao xung quanh gọi tên là “váy khí để nâng tàu lên khỏi bề mặt tiếp xúc nhằm làm giảm sức cản khi tàu chuyển động Động cơ đẩy với... quan du lịch đặt vấn đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoặc mua và nhập khẩu các mẫu tàu đệm khí về Việt nam Tuy nhiên do nguyên lý hoạt động phức tạp của loại tàu này nên đến hiện nay, vấn đề nghiên cứu chế tạo các tàu đệm khí ở Việt Nam thực tế chỉ mới đang bắt đầu, với một vài đề tài đang triển khai nhưng hầu như chưa mang lại kết quả khả quan Nhận thấy tính thực tiễn của tàu đệm khí đối với thị trường... ĐỀ LÝ THUYẾT TÀU ĐỆM KHÍ Các vấn đề về lí thuyết đệm khí đã được trình bày cụ thể trong một số tài liệu, ở đây chúng tôi chỉ trích giới thiệu một số vấn đề lý thuyết quan trọng cần thiết cho việc tính toán, thiết kế tàu đệm khí 2.1 LÝ THUYẾT ĐỆM KHÍ 2.1.1 Đặc điểm của tàu đệm khí ở trạng thái tĩnh trên mặt nước 1 Xác định áp lực để nâng tàu Tàu đệm khí hoạt động nhờ lực nâng của đệm khí và lực của động. .. phẩm sau này Ngoài ra, do việc thiết kế và chế tạo chủ yếu để phục vụ những nghiên cứu tiếp theo nên một số yếu tố cần thiết về mặt thẩm mỹ và giá thành chế tạo chưa được quan tâm Bên cạnh đó, do công dụng của tàu chủ yếu là phục vụ các hoạt động thể thao, du lịch hoặc hoạt động ở vùng nước sông, hồ ở Việt Nam nên trong quá trình thiết kế, chế tạo chỉ thực hiện tính toán tàu làm việc trong điều kiện... năng bay của tàu trên lớp đệm khí Tuy nhiên do việc mô hình hoá khối lượng và sức cản đối với tàu là khá phức tạp, cùng với việc không có bể thử nghiệm và các thiết bị cần thiết để thu thập các số liệu từ mô hình thử nghiệm nên chúng tôi chọn phương pháp thực hiện tính toán thiết kế, kết hợp chế tạo mô hình thực để hoàn thiện dần thiết kế tàu trong quá trình thử nghiệm Phương pháp thiết kế tàu được thực... phạm tuy nhiên đối với tàu đệm khí, do nguyên lý hoạt động phức tạp của loại tàu này nên các nghiên cứu ổn định hiện rất ít và hầu hết chỉ dựa trên cơ sở thực nghiệm thực tế Khác với các loại tàu thông thường, tàu đệm khí nó có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau cụ thể như sau: - Nổi cân bằng trên mặt nước như các loại tàu thông thường 17 - Chuyển động ở giai đoạn quá độ khi váy tàu vẫn còn chìm trong... chơi, giải trí, thể thao v v Hình 1.8 : Tàu vui chơi trên cạn Hình 1.9 : Tàu vui chơi dưới nước Hình 1.10 : Tàu đệm khí phục vụ quân sự Hình 1.11 : Tàu đệm khí chở khách 1.2.2 Tình hình nghiên cứu tàu đệm khí ở Việt Nam Ở Việt Nam hầu như chưa có công trình nghiên cứu hoàn chỉnh về tàu đệm khí Trong vài năm gần đây, đã có một số nghiên cứu độc lập về tàu đệm khí thực hiện bởi kỹ sư Qua Xa Khánh, một . luận văn Cao học về vấn đề này với tên gọi Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm tàu hoạt động theo nguyên lý khí động học nhằm góp phần vào việc phát triển ứng dụng loại tàu này vào thực. đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoặc mua và nhập khẩu các mẫu tàu đệm khí về Việt nam. Tuy nhiên do nguyên lý hoạt động phức tạp của loại tàu này nên đến hiện nay, vấn đề nghiên cứu chế tạo. Tàu đệm khí thuộc nhóm những tàu làm việc dựa theo nguyên tắc khí động học, bố trí một hay nhiều động cơ, gồm động cơ làm nhiệm vụ thổi khí và động cơ đẩy. Động cơ thổi khí có nhiệm vụ tạo