Giáo trình Thiết bị tàu thủy

THIEÁT BÒ TAØU THUÛY TÀI LIỆU HỌC TẬP GIÀNH CHO SINH VIÊN KHOA ĐÓNG TÀU VÀ CÔNG T R ÌNH NỔI TP HỒ CHÍ MINH 6/2009 MỤC LỤC CHƯƠNG I: THIẾT BỊ LÁI 6 1. Giới thiệu các kiểu bánh lái. Lực thủy động tác động lên bánh lái 6 2. Kết cấu bánh lái 27 3. Ống đạo lưu quay 60 4. Hệ thống lái. Máy lái 76 CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ NEO 95 1. Bố trí hệ thống neo trên tàu 95 2. Neo tàu thủy 98 3. Xích neo 116 4. Tính toán đảm bảo độ bền neo 122 5. Buộc đầu xích neo 124 6. Thiết kê lỗ luồn xích neo, giữ neo 127 7. Hãm xích neo 129 8. Ống dẫn xích vào thùng xích 130 9. Thùng xích 132 10. Máy kéo neo 135 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG BUỘC TÀU 139 1. Hệ thống buộc tàu 139 2. Thiết bò bộc dây 147 3. Thiết bò đỡ dây 149 4. Tthiết bò luồn dây 158 5. Trống cuộn dây 164 6. Qủa đệm 166 CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ KÉO 170 1. Bố trí thiết bò lai, kéo trên tàu 171 2. Thiết bò của hệ thống kéo 173 3. Tời kéo 182 CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ CẨU HÀNG 185 1. Bố trí thiết bò cẩu hàng trên tàu chở hàng 186 2. Hệ thống cần cẩu nhẹ 187 3. Hệ thống cẩu nặng 188 4. Bố trí cần cẩu trên tàu 193 5. Tính toán, thiết kế cần cẩu, cột cẩu và các chi tiết hệ thống cẩu 196 6. Tời nâng hạ 226 7. Nắp hầm hàng 227 CHƯƠNG 6: THIẾT BỊ CỨU SINH 230 1. Phương tiện cứu sinh 230 2. Cẩu xuồng 241 3. Tời nâng hạ hệ thống cứu sinh 264 TÀI LIỆI THAM KHẢO Giới thiệu Cuốn sách THIẾT BỊ TÀU soạn theo đề cương môn học “Thiết bò tàu” được Hội đồng Khoa học Khoa Đóng tàu và Công trình nổi thông qua năm 2002. Nội dung trình bày trong sách bao gồm các vấn đề: Hệ thống lái , bánh lái, máy lái, thiết bò neo, các neo tàu, máy kéo neo, hệ thống buộc, chằng tàu, thiết bò kéo tàu, thiết bò nâng hạ dùng trên tàu, từ cần cẩu nhẹ đến cần cẩu nặng, các tời nâng hạ và thiết bò cứu sinh phù hợp các Công ước quốc tế về an toàn hàng hải. Sách được chuẩn bò trong thời gian dài song chưa tránh được các sai sót, trong đó có sai cách dùng thuật ngữ hoặc tiếng nước ngoài. Tuy nhiên để kòp phục vụ bạn đọc Khoa Đóng tàu và Công trình nổi xin phép đưa sách thành tài liệu học tập. Các ý kiến đóng góp để sách đúng và thực tế hơn đề nghò bạn đọc gửi về Khoa Đóng tàu và Công trình nổi, Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh. Mở đầu Thiết bò tàu, hay còn gọi sát nghóa hơn thiết bò trên boong ( deck equipment ) đảm bảo cho tàu khai thác, vậïn hành an toàn và hiệu quả. Những thiết bò nhất thiết phải có mặt trên tàu, không phân biệt kiểu tàu, chức năng : lái, neo, chằng buộc, cứu sinh, kéo, nâng hạ. Ngoài thiết bò chung những tàu chuyên dụng phải được trang bò thêm thiết bò theo công năng tàu. Tàu kéo, đẩy cần thiết đủ phương tiện kéo hoặc đẩy công trình nổi, phương tiện nổi trên nước. Tàu chở container trang bò đủ phương tiện bốc dỡ container nếu tàu phải phục vụ những vùng thiếu cẩu chuyên bốc xếp hàng thùng trên bờ, phải có đủ phương tiện giữ thùng, buộc thùng. Tàu chở sà lan trang bò hệ thống nâng hạ đủ sức nâng để đưa những sà lan nặng hàng trăm tấn vào và ra tàu. Thiết bò tàu RO-RO đảm bảo vận chuyển hàng theo phương thức “lăn vào”, “lăn ra” mà không cần nâng – hạ. Những thiết bò chung đề cập trong giáo trình khoanh vùng trên hình A. Hình A. Bố trí thiết bò chung trên tàu vận tải 1 – thiết bò lái (steering ), 2 - thiết bò kéo (towing) , 3 – thiết bò chằng, buộc tàu (mooring), 4 – thiết bò nâng – hạ hàng (cargo handling), 5 – thiết bò cứu sinh (lifesaving equipment, survival crafts), 6 – thiết bò neo (anchor handling), 7 – chân vòt lái (thrusters). Các hệ thống này trình bày chi tiết hơn trong các chương giáo trình. THIẾT BỊ LÁI 5 CHƯƠNG I THIẾT BỊ LÁI Thiết bò lái đảm bảo cho tàu có tính ăn lái, hiểu theo nghóa tàu có khả năng quay vòng và tính ổn đònh hướng đi. Tàu phải đủ năng lực giữ được hướng đi người điều khiển đã đònh trong suốt hành trình, mặt khác có khả năng quay trở tàu sang trái, phải theo yêu cầu cũng của người điều khiển. Những thiết bò đảm bảo tính ăn lái làm việc cùng trên một nguyên tắc: tạo lực ngang tác động lên tàu bắt tàu quay theo ý người điều khiển. Các thiết bò thông dụng đang dùng trên tàu gồm: 1) bánh lái tàu (rudder), 2) ống đạo lưu quay (ducted propeller), 3) thiết bò chỉnh dòng của máy phụt nước (waterjet) và 4) chân vòt lái (thruster). Bánh lái tàu có dạng tấm phẳng hoặc tấm dạng cánh với mặt cắt ngang profile cánh máy bay, đặt sau tàu, trong vùng chòu tác động dòng chảy sau chân vòt tàu. Dưới tác động dòng chảy đang đề cập, trên bánh lái bò bẻ sang trái hoặc phải xuất hiện lực thủy động R r , vuông góc với mặt bánh lái. Từ lực này có thể phân thành hai thành phần, Y r vuông góc mặt cắt dọc tàu, tác động ngang tàu, X r dọc tàu. Nếu làm bài tập cơ học đơn giản với các thành phần lực có mặt tại hình 1.1 có thể thấy, tại trọng tâm G của tàu đặt hai thành phần lực tác động ngang tàu, ngược chiều nhau, giá trò tuyệt đối bằng Y r , ký hiệu Y r ’ và Y r ’’, mômen ngẫu lực tính bằng tích Y r . LCG sẽ quay tàu quanh trục đứng qua trọng tâm. Thành phần Y r ’ xô tàu sang ngang còn X r bổ sung vào sức cản tàu, làm tàu chạy chậm lại. Trong công thức nêu trên, LCG là khoảng cách từ vò trí đặt lực Y r đến trọng tâm G, tính trên trục dọc tàu. Hình 1.1 Quay vòng tàu Dưới tác động momen ngẫu lực đang nêu, khi bánh lái còn bò bẻ sang góc δ như đang đề cập tàu sẽ quay vòng. Quá trình quay vòng này đạ được xem xét trong “ Động lực học tàu ”. Vòng tròn tàu quay trong chế độ quay vòng ổn đònh có thể làm thước đo tính quay trở của tàu, tùy thuộc vào thiết kế hệ thống lái. Tỷ lệ đường kính quay vòng ổn đònh với chiều dài tàu thay đổi từ 1 đến 7 trên các tàu đang khai thác. Tỷ lệ này mang giá trò nhỏ dùng cho các tàu đòi tính quay trở cao như tàu kéo, tàu sông. Tàu vận tải đi biển có tỷ lệ này khá lớn. 1. Giới thiệu các kiểu bánh lái. Bán lái tàu rất đa dạng. Dựa vào các tiêu chuẩn khác nhau người ta phân loại bánh lái như sau: • Bánh lái cân bằng ( balanced rudder ) 6 Chương 1 • Bánh lái không cân bằng ( unbalanced rudder ) • Bánh lái nửa cân bằng (semi balanced rudder ) Trục quay lbánh lái cân bằng qua điểm gần với điểm đặt lực thủy động, còn trên bánh lái không cân bằng trục nằm xa điểm đặt lực. Tùythuộc bố trí trục quay có thể phân biệt bánh lái quay trên cối hoặc bánh lái treo nếu không quay trên cối. Hình 1.2 Các kiểu bánh lái tàu Đặc trưng hình học tbánh lái trình bày tại hình 1.3. • Diện tích bánh lái, ký hiệu A f hoặc A, là diệ tích hình chiếu bánh lái về mặt cắt dọc giữa tàu. • Chiều cao bánh lái h – khoảng cách từ mép dưới bánh lái đến mép trên. • Diện tích phần trước, tính từ trục quay bánh lái, A b , còn gọi là diện tích cân bằng của bánh lái. • Chiều rộng bánh lái b – khoảng cách tính từ mép trước đến mép sau bánh lái hình chữ nhật. Trường hợp chung b tính theo công thức A/h. • Chiều dài tương đối bánh lái tính từ biểu thức: () A h hA h 2 / == λ • Tỷ lệ A A k b = gọi bằng tên “bù trừ” THIẾT BỊ LÁI 7 Hình 4. Bánh lái chủ độn g Hình 1.3 Đặc trưng hình học bánh lái Ngoài các kiểu bánh lái nêu tại hình 2, kích thước trình bày tại hình 3, người ta còn sử dụng bánh lái chủ động, hống.4. Đặc điểm nổi bật của bánh lái ch3 động là ngay trên bánh lái 1 gắn một chân vòt tàu cỡ nhỏ 2, do động cơ thủy lực, công suất không lớn 3 lai. Đường ống thủy lực 5 luồn trong cần quay bánh lái 4, nối với thiết bò thủy lực của tàu. Chân vòt nhỏ 2 tạo lực đẩy bổ sung, trong trường hợp bánh lái nằm thẳng chính giữa tàu lực bổ sung đẩy tàu về trước, khi bánh lái đang bò bẻ sang bên, lực đẩy này xô đuôi tàu sang cạnh và như vậy tàu phải thực hiện động tác quay trở mà không phụ thuộc vào vận tốc tiến của tàu. 8 Chương 1 Profile cánh dùng làm bánh lái Profile đang dùng thuộc nhóm đối xứng, tọa độ y u trên trục ngang và y d dưới trục ngang như nhau, hình 1.5. Chiều dày profile được hiểu là đại lượng t = |y u | + |y d |. Trong sử dụng chúng ta thường tiếp xúc với tỷ lệ giữa chiều dày lớn nhất t max và chiều rộng b profile, gọi là chiều dày tương đối. b t t max = (1.1) Những profile dùng làm bánh lái tàu thuộc nhóm profile qua thử nghiệm tại các phòng thí nghiệm thủy khí có uy tín NACA, Ц А Г И, JfS, Gưttingen vv… Tên gọi cùng các con số đi liền profile thường mang ý nghóa trình bày đặc tính hình học chính profile đó. Profile đối xứng của NACA, chiều dày tương đối 12% viết dưới dạng NACA0012, trong đó 00 miêu tả đường tâm thẳng, 12 chỉ rõ t = 12%. Profile đang được dùng rộng rãi giới thiệu tại hình 1.5. Toạ độ profile y , %, các profile NCA, ЦА Г И và НЕЖ đọc theo bảng sau, trong đó x, %, tính từ mép trước, y, %, tính từ đường tâm (trục Ox). Nửa chiều dày profile tính theo công thức sau: bt y y ××±= % 100 (1.2) Bảng 1.1 x, % 0 0,5 0,75 1,0 1,25 1,75 2,5 3,25 5,0 7,5 10,0 NACA 0 6,2 10,3 14,1 15,8 18,6 21,8 24,5 29,6 35,0 39,0 ЦА Г И 0 10,3 14,5 20,5 22,7 26,7 31,0 34,8 41,0 46,2 48,3 НЕЖ 0 6,8 10,8 14,8 16,6 19,2 22,6 27,0 31,1 36,9 41,0 Bảng 1.1 tiếp x, % 15,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 95,0 100 NACA 44,6 47,8 50,0 48,8 44,0 38,0 30,5 21,9 12,1 6,7 1,1 ЦА Г И 49,8 49,8 46,1 38,7 29,4 21,8 15,1 9,2 4,5 2,5 1,0 НЕЖ 46,0 49,0 49,5 47,0 40,9 33,4 24,0 15,0 7,5 3,0 0 Hình 1.5. Profile dùng làm bánh lái THIẾT BỊ LÁI 9 Tài liệu [8] trình bày đủ toạ độ các profile IfS, trang 22 và 23, dùng trong khi thiết kế bánh lái cân bằng. Bạn đọc tìm thấy các bảng số tương tự trong bản dòch tiếng Việt, sách [5], trang 28, 29, 30 tập I. Đặc tính thủy động lực bánh lái Các đặc tính thủy động lực thu được từ các phòng thí nghiệm thủy khí khi thử các profile được trình bày dưới dạng các hệ số không thứ nguyên quen thuộc. Từ hai thành phần xuất hiện trên cánh đặt xiên góc α với dòng chảy vận tốc v, gồm 1) lực nâng (Lift - L) và 2) lực cản (Drag – D) có thể tập họp thành lực toàn phần Z. Từ Z có thể phân thành hai thành phần gồm thành phần pháp tuyến bánh lái N và tiếp tuyến T. Mối quan hệ giữa các thành phần như chúng ta đã làm quen khi tìm hiểu lý thuyết chân vòt, hình 1.6. ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ += −= −= += +=+= αα αα αα αα cossin sincos sincos sincos 2222 TND TNL LDT DLN TNDLZ (1.3) Hình 1.7 Đặc tính profile NACA0012 Hình 1.6 Lực tác động lên bánh lái Lực Z tạo momen quay tại điểm cách mép trước bánh lái khoảng cách a: M = N( x – a). Hệ số không thứ nguyên các lực nêu trên được viết dưới dạng. Hệ số lực nâng: r L A L C 2 v 2 ρ = (1.4) Hệ số lực cản: r D A D C 2 v 2 ρ = (1.5) Hệ số momen quay: bA M C r m 2 v 2 ρ = (1.6) 10 Chương 1 Các hệ số thủy động lực các profile cánh dài vô tận có dạng đặc trưng như trình bày tại hình 1.7. Dưới đây giới thiệu tài liệu trích từ công bố công khai của NACA, trình bày đặc tính thủy động lực bánh lái với profile 0012, chiều dày tương đối 12%, tỷ lệ λ = 0,8, thử cho trường hợp tiến và lùi. Hình 1.8. Đặc tính thủy động lực bánh lái hình chữ nhật, profile NACA-0012. Hình 1.9 tiếp tục giới thiệu đường đặc tính thủy động lực bánh lái hình chữ nhật, làm từ profile thoát nước NACA-0012, tỷ lệ λ thay đổi. Thí nghiệm tiến hành cho trường hợp tiến, hình bên trái và chạy lùi, hình bên phải. [...]... ρv 2 2 ARR (1.18) THIẾT BỊ LÁI 17 Ảnh hưởng hoạt động chân vòt, thân tàu đến lực thủy động bánh lái Bánh lái đặt ngay sau tàu chòu ảnh hưởng trực tiếp của thân tàu và thiết bò đẩy tàu, phần lớn trong số đó là chân vòt tàu, đặt tại khu vực này Thân tàu như vật thể kích thước lớn “chạy” trước bánh lái, gây thay đổi hoặc xáo trộn đường dòng đến thiết bò này, và hậu quả là hệ thống lực thủy động tác động... liệu tàu mẫu có thể sử dụng dữ liệu thống kê, sách [3], xác AR đònh diện tích AR Theo tổng kết của Henschke tỷ lệ giữa diện tích AR và Lxd: K = , L×d trong đó L – chiều dài tàu, d – chiều chìm tàu, nằm trong giới hạn sau Tàu một chân vòt 1,6 – 1,9 Tàu hai chân vòt 1,5 – 2,1 22 Chương 1 Tàu dầu Tàu khách cỡ lớn Tàu ven biển Tàu cá biển gần Tàu kéo chạy biển Tàu hoa tiêu, phà Thuyền chạy nhanh Tàu cao... tích bánh lái cho tàu chở dầu và tàu hàng đi biển cỡ trung bình và lớn trình bày tại hình 1.20 Hình 1.20 Đồ thò AR = f(LxT) THIẾT BỊ LÁI 23 Hình 1.21 trình bày khả năng quay trở tàu với bánh lái tàu diện tích AR Cột đứng các đồ thò trình bày quan hệ giữa đường vòng quay ổn đònh tàu với chiều dài tàu, tùy thuộc độ lớn góc bẻ lái δR Hình 1.21 Xây dựng cấu hình bánh lái phù hợp với cơ cấu tàu Bánh lái được... lên bánh lái cũng bò đổi thay theo Thiết bò đẩy tàu đặt ngay trước bánh lái làm cho đường dòng đến bánh lái thay đổi theo hoạt động thiết bò đẩy và gây ra thay đổi lực thủy động của hệ thống Ảnh hưởng thân tàu Các lực thủy động tác động lên bánh lái sau tàu bò đổi thay trong quá trình thân tàu chuyển động do những nguyên nhân trực tiếp: - Thay đổi vận tốc tiến của tàu khi hoạt động - Ảnh hưởng thành... tiến, không làm mất ổn đònh hướng đi của tàu trong quá trình hành trình Mặt cắt ngang Tàu cỡ lớn nên sử dụng profile dày cỡ 0015, 0018 hoặc 0021 vì các profile này có điểm đặt lực thủy động ít đổi thay Chiều dày này góp phần tăng độ bền kết cấu Sơ đồ tính toán thiết kế bánh lái đặt tại mặt giữa tàu, sau chân vòt tại đuôi tàu Thứ tự tính các lực thủy động như đã trình bày tại ví dụ trang 20 Công thức... trên tàu đuôi tuần dương và tàu có đuôi Transom Hình 1.31 Bố trí lái nửa treo a, b và bánh lái treo c, d Hình 1.32 giới thiệu bánh lái tàu vận tải đi biển trọng tải 10.000 dwt Hình 1.33 giới thiệu bánh lái tàu dầu đi biển, tàu hai bánh lái Phương án bố trí bánh lái cho tàu ven biển trình bày tại hình 1.34 Hình 1.32 Bánh lái tàu vận tải 10.000dwt Hình 1.33 Bánh lái treo tàu dầu Hình 1.34 Bánh lái tàu. .. kết với sông đuôi bằng ba chốt 1- bánh lái, 2 – ổ đỡ, 3 – trục qay, 4, 5, 6 – chốt xoay THIẾT BỊ LÁI 27 Hình 1.26 Hình 1.27 28 Chương 1 Hình 1.28 Hình 1.29 Bánh lái kiểu “Simplex” dùng rất phổ biến trên tàu đi biển và tàu sông Hình 1.30 trình bày bản vẽ kết cấu bánh lái tàu vận tải tiêu biểu của Denmark THIẾT BỊ LÁI 29 1- cần quay bánh lái, 2 – trục bánh lái, 3 – tôn bao, 4 – ổ đỡ trên, 5 – ổ đỡ dưới... năng bền, an toàn Người thiết kế bánh lái cần tìm mọi cách tránh rung cho tàu hoặc cho bộ phận thân tàu nếu nguồn rung có xuất xứ từ bánh lái nhiều nhiều nhiều thuộc Thiết kế bánh lái cân bằng cần để ý đến hệ số bù trừ nhằm giữ giá trò không thay đổi cho momen quay bánh lái khi tàu tiến và tàu lùi Điều này dẫn đến kết quả là trong trường hợp phải tăng hệ số bù trừ, để khi lùi tàu, momen quay bánh lái...THIẾT BỊ LÁI 11 Hình 1.9 Đặc tính thủy động lực bánh lái hình chữ nhật, profile NACA-0012 Với cánh có sải ngắn, bánh lái tàu thuộc nhóm đó đặc tính thủy động lực thay đổi khá rõ nét, tùy thuộc chiều dài sải cánh Hình 1.10 trình bày sự đổi thay hệ số lực nâng profile NACA0015, với λ (aspect ratio) thay đổi từ 0,2 đến 5 Hình 1.11 trình bày các hệ số CL, CN, Cm cho các... AP + C NO ρv 2 H 2 ( AR − AP ) (1.30) THIẾT BỊ LÁI 19 Hệ số CNP tính cho phần bánh lái nằm trong vùng tác động của dòng sau chân vòt, CNO tính cho phần nằm ngoài dòng sau chân vòt Công thức tính vx được viết lại như sau: v xm = v R + v m = v R 1 + C R Ví dụ dưới đây trình bày cách tính lực thủy động tác động bánh lái sau tàu trình bày tại hình 17 Bánh lái sau tàu được chọn với các kích thước sau Diện . Các hệ thống này trình bày chi tiết hơn trong các chương giáo trình. THIẾT BỊ LÁI 5 CHƯƠNG I THIẾT BỊ LÁI Thiết bò lái đảm bảo cho tàu có tính ăn lái, hiểu theo nghóa tàu có khả năng quay. Giới thiệu Cuốn sách THIẾT BỊ TÀU soạn theo đề cương môn học Thiết bò tàu được Hội đồng Khoa học Khoa Đóng tàu và Công trình nổi thông qua năm 2002. Nội dung trình bày trong sách bao. lái, máy lái, thiết bò neo, các neo tàu, máy kéo neo, hệ thống buộc, chằng tàu, thiết bò kéo tàu, thiết bò nâng hạ dùng trên tàu, từ cần cẩu nhẹ đến cần cẩu nặng, các tời nâng hạ và thiết bò cứu