Giáo trình Thiết bị tàu thủy

Các thiết bị thông dụng đang dùng trên tàu gồm: 1 bánh lái tàu rudder, 2 ống đạo lưu quay ducted propeller, 3 thiết bị chỉnh dòng của máy phụt nước waterjet và 4 chân vịt lái thruster..

THIẾT BỊ TÀU THỦY

GIÀNH CHO SINH VIÊN KHOA ĐĨNG TÀU VÀ CƠNG TRÌNH NỔI

TP HỒ CHÍ MINH 6/2009

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 bị bộc dây 147

3 Thiết bị đỡ dây 149

4 Tthiết bị luồn dây 158

5 Trống cuộn dây 164

6 Qủa đệm 166

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ KÉO 170 1 Bố trí thiết bị lai, kéo trên tàu 171

2 Thiết bị của hệ thống kéo 173

3 Tời kéo 182

CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ CẨU HÀNG 185 1 Bố trí thiết bị 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 bị 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 bị neo, các neo tàu, máy kéo neo, hệ thống buộc, chằng tàu, thiết bị kéo tàu, thiết bị nâng hạ dùng trên tàu, từ cần cẩu nhẹ đến cần cẩu nặng, các tời nâng hạ và thiết bị cứu sinh phù hợp các Công ước quốc tế về an toàn hàng hải

Sách được chuẩn bị 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 kịp 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 nghị bạn đọc gửi về Khoa Đóng tàu và Công trình nổi, Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh

Thiết bị tàu, hay còn gọi sát nghĩa hơn thiết bị trên boong (deck equipment)

đảm bảo cho tàu khai thác, vậïn hành an toàn và hiệu quả Những thiết bị 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 bị chung những tàu chuyên dụng phải được trang bị

thêm thiết bị 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 bị 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 bị hệ thống nâng hạ đủ sức nâng để đưa những sà lan nặng hàng trăm tấn vào

và ra tàu Thiết bị tàu RO-RO đảm bảo vận chuyển hàng theo phương thức “lăn vào”,

“lăn ra” mà không cần nâng – hạ

Những thiết bị chung đề cập trong giáo trình khoanh vùng trên hình A

Hình A Bố trí thiết bị chung trên tàu vận tải

1 – thiết bị lái (steering ), 2 - thiết bị kéo (towing) , 3 – thiết bị chằng, buộc tàu

(mooring), 4 – thiết bị nâng – hạ hàng (cargo handling), 5 – thiết bị cứu sinh (lifesaving

equipment, survival crafts), 6 – thiết bị neo (anchor handling), 7 – chân vịt lái

(thrusters)

Các hệ thống này trình bày chi tiết hơn trong các chương giáo trình

CHƯƠNG I

THIẾT BỊ LÁI Thiết bị lái đảm bảo cho tàu có tính ăn lái, hiểu theo nghĩa tàu có khả năng quay vòng và tính ổn định hướng đi Tàu phải đủ năng lực giữ được hướng đi người điều khiển đã định 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 bị 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 bị thông dụng đang

dùng trên tàu gồm: 1) bánh lái tàu (rudder), 2) ống đạo lưu quay (ducted propeller), 3) thiết bị chỉnh dòng của máy phụt nước (waterjet) và 4) chân vịt 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 chịu tác động dòng chảy sau chân vịt tàu Dưới tác động dòng chảy đang đề cập, trên bánh lái bị bẻ sang trái hoặc phải xuất hiện lực thủy động Rr, vuông góc với mặt bánh lái Từ lực này có thể phân thành hai thành phần, Yr vuông góc mặt cắt dọc tàu, tác động ngang tàu, Xr 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 trị tuyệt đối bằng

Yr, ký hiệu Yr’ và Yr’’, mômen ngẫu lực

tính bằng tích Yr LCG sẽ quay tàu quanh

trục đứng qua trọng tâm Thành phần Yr’

xô tàu sang ngang còn Xr bổ sung vào sức

cản tàu, làm tàu chạy chậm lại Trong

công thức nêu trên, LCG là khoảng cách từ

vị trí đặt lực Yr 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 bị 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 định 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 định với chiều dài tàu thay đổi từ 1 đến 7 trên các tàu đang khai thác Tỷ lệ này mang giá trị 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)

• Bánh lái không cân bằng (unbalanced rudder)

• Bánh lái nửa cân bằng (semibalanced 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 Af 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, Ab, 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 h A

k = b gọi bằng tên “bù trừ”

Hình 4 Bánh lái chủ động

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 vịt 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 bị thủy lực của tàu Chân

vịt 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 bị 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

Profile cánh dùng làm bánh lái

Profile đang dùng thuộc nhóm đối xứng, tọa độ yu trên trục ngang và yd dưới trục ngang

như nhau, hình 1.5 Chiều dày profile được hiểu là đại lượng t = |yu| + |yd| Trong sử dụng chúng

ta thường tiếp xúc với tỷ lệ giữa chiều dày lớn nhất tmax và chiều rộng b profile, gọi là chiều

dày tương đối

b

t

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 nghĩa 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:

b t

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 dịch 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 vịt, hình 1.6

=

αα

αα

αα

αα

cossin

sincos

sincos

sincos

2 2 2

2

T N

D

T N

L

L D

T

D L

N

T N D

L Z

(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

M C

r m

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

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 dạng profile khác nhau song có cùng tỷ lệ λ = 1

Đặc tính thủy động lực bánh lái làm từ tấm phẳng, chiều dày tương đối tấm khác nhau,

theo công bố của tác giả người Đức H Thieme, năm 1961 và 1962 như sau, bảng 1.2

Hình 1.11 Hệ số lực nâng, lực cản và momen trong quan hệ với góc tấn

Hình 1.10 Quan hệ giữa lực nâng và góc tấn

Kết quả thí nghiệm cho phép xác lập quan hệ giữa hệ số momen Cm và hệ số CN, tùy thuộc dạng profile và chiều dày tấm, trường hợp λ = 1 như tại hình 1.12

Hình 1.12

Đặc tính thủy động lực bánh lái làm việc riêng lẻ tổng kết từ thí nghiệm mô hình được thể

hiện dạng công thức gần đúng sau

Kết quả thử giới thiệu tại hình 8 cho phép viết biểu thức xác định hệ số CL,theo [5]:

∞

=

=

= a d

dC L

λ α

α 0; , công thức tương tự (6) do Prandtl đề nghị có dạng:

αλ

×+

21

=

213

Hệ số Cm0 – tính tại mép trước, khi a = 0; chiều rộng bánh lái b, tính từ mép trước đến

mép sau

N m

Công thức xác định hệ số lực nâng, lực cản và momen quay tính đến trường hợp phi

tuyến, thể hiện tại tài liệu “Principles of Naval Architecture”, SNAME, 1976 và 1980 có dạng:

2

0

αλ

αα

α

D L

L

C C

C L

m

C

C C

L

λ

αα

25,03,57

0 0

cos8,1

8,1

4

2

ΛΛ

,015,0

2

0

αα

trong đó Λ - góc giữa trụ đứng và ¼ chiều rộng mép dưới, hình 1.13; CD - hệ số cản, hình 1.14

Mặt khác theo các tác giả Whicker và Fehlner (1958), Johnes (1952) hệ số CD có dạng:

e

C C

trong đó: Cd0 – hệ số cản bé nhất, = 0,0065 cho NACA 0015,

e - hệ số “Oswald” = 0,90

Ảnh hưởng sống đuôi đến đặc tính thủy động lực bánh lái đặt sau

Từ các hình 3b, 3c, 3d có thể nhận xét rằng bánh lái treo cân bằng hoặc không cân bằng luôn đặt sau chi tiết thuộc thân tàu gọi là sống đuôi, đóng vai trò phần kéo dài bánh lái về trước Ảnh hưởng phần cố định này đến các đặc tính thủy động lực bánh lái thể hiện khá rõ ràng Vẽ lại cấu hình bánh lái từ hình 3 đang nhắc thành hai dạng đặc trưng sau đây khi xem xét lực thủy động tác động lên phần bánh lái quay, hình 1.15a và 1.15b

Hình 1.15

Hình 1.16

Trên đồ thị đường cong nằm thấp hơn trình bày lực nâng lúc bánh lái khi góc bẻ lái 30 -

40° do hai thành phần bánh lái, phần cố định không quay chiếm 25% diện tích và phần quay

thực tế chiếm 75% diện tích thực hiện Nếu so với lực nâng do bánh lái có 100% diện tích đang

nêu quay, nói cách khác phần cố định được chuyển hóa thành thành phần chính thức của bánh

lái đanh thiết kế để bị quay khi bẻ lái, lực nâng bánh lái kể đầu chỉ chiếm 90% Trên đồ thị đang

nêu còn trình bày kết quả tính kiểm tra của các tác giả người Mỹ thực hiện 1959, ghi lại tại các

vòng tròn nhỏ, chứng minh đầy đủ, sống lái ảnh hưởng đến đặc tính thủy động bánh lái sau nó

Từ dữ liệu do Bottomley cung cấp có thể viết biểu thức tính hàm kR trình bày quan hệ

giữa lực nâng cụm bánh lái có phần cố định CLRR và CLR tính cho bánh lái không có sống đuôi,

a= ; ARR – diện tích bánh lái sau sống lái cố định và AR – diện tích bánh lái

không có sống lái

Công thức gần đúng tính hệ lực nâng bánh lái sau sống đuôi:

RR

RP LRP RR

R LRR LR

A

A C A

A C

trong đó CLRP tính theo công thức kinh nghiệm, dùng khi tính lực nâng sống đuôi: CLRP =

(1,69 - 0,89b)CLRR với b = bm/ btb; bm – chiều rộng trung bình bánh lái, btb - chiều rộng trung

bình, tính cả sống đuôi

Để ý đến ảnh hưởng này công thức tính lực nâng trên bánh lái sau sống đuôi có dạng:

RR L

R RR LRR

L

2

v2

Ảnh hưởng hoạt động chân vịt, thân tàu đến lực thủy động bánh lái

Bánh lái đặt ngay sau tàu chịu ảnh hưởng trực tiếp của thân tàu và thiết bị đẩy tàu, phần lớn trong số đó là chân vịt 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 bị này, và hậu quả là hệ thống lực thủy động tác động lên bánh lái cũng bị đổi thay theo Thiết bị đẩy tàu đặt ngay trước bánh lái làm cho đường dòng đến bánh lái thay đổi theo hoạt động thiết bị 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 bị 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 phần vận tốc ngang dòng chảy vào bánh lái

- Thay đổi hệ số λ bánh lái tàu do thay đổi góc lái, hình chiếu bánh lái trong vùng đặc biệt này

Ảnh hưởng thân tàu, chủ yếu ảnh hưởng hình dáng phần chìm của tàu, bố trí bánh lái và thao tác tàu, những yếu tố trực tiếp gây ra thay đổi dòng chảy quanh tàu và sau tàu Trong tính toán tính ăn lái và tính giữ hướng chúng ta đã làm quen cách xác định góc tấn dòng chảy so với bánh lái trong điều kiện bánh lái bị bẻ sang góc nghiêng và góc dạt xác định Góc tấn được tính bằng công thức:

trong đó δ - góc bẻ lái, βR - góc dạt, χR – hệ số hiệu chỉnh

Mặt khác góc βR tính theo biểu thức:

βε

βε

βεϖ

β

εϖβ

β

sin1

cossin

v1

cosv

Ω+

Ω+

ε , l - khoảng cách từ trục lái đến trọng tâm tàu,

L – chiều dài tàu;

Vận tốc dòng chảy thực tế qua bánh lái sau thân tàu tính theo công thức quen thuộc: vR

= vR’(1 - wR), với vR’ – vận tốc cụm thiết bị máy đẩy, wR - hệ số dòng theo Hệ số này tính theo các công thức kinh nghiệm, dựa vào hình 16 dưới đây

Dùng cho hình 16b:

u H

h h w

−

18,043

,068,

Dùng cho hình 16c:

R R

A

w F w F w

2 2 2

2 1

l h w

−

1

218,043

,068,0

u H

l h w

−

2

218,043

,068,0Nếu ký hiệu kH = (1 - wR)2, công thức tính lực pháp tuyến N và momen tính tại trục lái

sẽ mang dạng:

R H

Ảnh hưởng chân vịt

Có mặt chân vịt tại vùng đuôi tàu làm thay đổi bức tranh dòng chảy đến bánh lái, nằm

ngay sau chân vịt Vận tốc trung bình dòng chảy đến bánh lái tính theo lý thuyết chân vịt:

( 1 1)v

8

D

t T

C R

πρ

−

Lực đẩy T tính cho chân vịt đang được dùng trên tàu

Thành phần N và M trong trường hợp này mang dạng:

R xm

2

v2

P R H NO P xm

C

Hệ số CNP tính cho phần bánh lái nằm trong vùng tác động của dòng sau chân vịt, CNO - tính cho phần nằm ngoài dòng sau chân vịt Công thức tính vx được viết lại như sau:

R R

m R

λ = 0,95 Chiều dày tương đối bánh lái =t 0,12

Khoảng cách a từ mép dẫn đến trục lái a = 0,85m, hệ số bù trừ 0,21

Hình 1.18 Bánh lái sau tàu

Vận tốc tàu Vs = 17,5 HL/h

Có thể chọn profile NACA 0012, với các đặc tính thủy động lực nêu tại bảng 1.1 khi tính lực thủy động

Ảnh hưởng thân tàu và chân vịt:

vH = 0,5144.VS.( 1 – wR) = 7,0 m/s, với wR = 0,27

2

v2

1

H P

R

A

T C

ρ

= = 28500/ (51 5,72 6,22) = 2,54

Trong đó ρ = 102, AP = 5,72m2

Hệ số ảnh hưởng bố trí chân vịt có thể xác định bằng đồ thị, trích từ sách của tác giả

người Nga M H Shmakov “Thiết bị lái tàu”, 1968, hình 44, trang 76 như sau

Hình 1.19a Đồ thị k = f( x/DP) theo Shmakov

Với x = 1,5m, DP = 2,7m k = 1,74

Hệ số tăng lực ngang bánh lái, theo đồ thị 43, trang 75, sách đang đề cập và được trích

lại tại đây, mang giá trị 2,3

Hình 1.19b Đồ thị kP = f( CR /2) theo Shmakov

Tỷ lệ giữa diện tích nằm trong vùng tác động dòng sau chân vịt AP và diện tích bánh lái

AR trong trường hợp này bắng 0,84 Hệ số ảnh hưởng dòng chảy được tính theo biểu thức:

2

12

= 0,88 Hệ số ảnh hưởng tác động chân vịt:

A

Lực thủy động tác động lên bánh lái sau tàu đọc theo bảng 1.3 sau

Trong bảng tính sử dụng các thông số bổ sung:

- Khoảng cách từ mép dẫn đến trục bánh lái sau hiệu chỉnh do độ không đồng đều chiều cao mép dẫn h’= 3,0m và chiều cao mép thoát h = 3,30m tính bằng biểu thức: a1 = a (h’ /h) = 0,85.(3,0/3,3) = 0,775m

- Vận tốc chạy lùi của tàu nhận khoảng 70% vận tốc tiến, từ đó vận tốc tính toán khi lùi vlùi = 0,7.0,515 VS.kcv = 0,67 m/s, trong đó hệ số kcv do ảnh hưởng dòng chảy chân vịt tính bằng 1,06 trong trường hợp cụ thể

Xác định diện tích bánh lái

Diện tích bánh lái tỷ lệ thuận lực bẻ lái, công thức (1.24) và (1.25) Chọn giá trị cho diện tích bánh lái tàu đang thiết kế bằng cách chọn từ tàu đồng dạng đã có tính ăn lái và quay vòng tốt Trường hợp không đủ dữ liệu tàu mẫu có thể sử dụng dữ liệu thống kê, sách [3], xác định diện tích AR Theo tổng kết của Henschke tỷ lệ giữa diện tích AR và Lxd: K =

d L

A R

× , trong đó L – chiều dài tàu, d – chiều chìm tàu, nằm trong giới hạn sau

Tàu dầu 1,3 – 1,9

Theo DNV diện tích bánh lái tàu không được nhỏ hơn giá trị tính theo công thứv kinh

nghiệm song mang tính bắt buộc:

×

=

75

15075

,0

d L

,6

023,

B C

L

B B

với CB – hệ số béo thể tích, B – chiều rộng tàu tính tại đường nước thiết kế, đo bằng m

Đồ thị do Landsburg lập năm 1983 giúp chúng ta đánh giá diện 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 thị AR = f(LxT)

Hình 1.21 trình bày khả năng quay trở tàu với bánh lái tàu diện tích AR Cột đứng các đồ thị trình bày quan hệ giữa đường vòng quay ổn định 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 đặt trong khu vực chỉ định, có kích thước phủ bì phù hợp với cơ cấu thân tàu tại đó Một trong những ví dụ thiết kế cấu hình bánh lái phù hợp với kích thước thân tàu tại vùng chỉ định cùng cách bố trí thích hợp cảnh quan trình bày tại hình 1.22

Hình 1.22 Bố trí bánh lái

Những điều quan tâm hàng đầu khi bố trí gồm:

- Khoảng cách thích hợp giữa mép trước bánh lái và chân vịt tàu nhằm đảm bảo dòng

chảy sau chân vịt đến tàu thỏa đáng và có lợi về mặt thủy động lực

- Bánh lái quay trở sang hai bên tự do và thuận lợi

- Tháo lắp bánh lái dễ dàng

Trong mọi trường hợp cố gắng dài tỷ lệ λ Các tàu mớn nước nông khó có thể đảm bảo

yêu cầu này nên chuyển sang phương án sử dụng nhiều bánh lái, nhằm tăng gía trị cho λ Cách

làm này còn là biện pháp không đưa bánh lái ra sau quá xa, tránh hỏng hóc do va đập những vật

lạ ngoài tàu

Bánh lái cần chọn kích thước thích hợp nhằm giảm thiểu tổn thất tốc độ tàu khi tàu tiến

hoặc lùi Nguyên tắc chung về tiết kiệm còn yêu cầu, bánh lái, cần quay bánh lái, trục, các ổ

đỡ phải có kích thước nhỏ nhất, tất nhiên phải đảm bảo tính 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

Thiết kế bánh lái cân bằng cần để ý đến hệ số bù trừ nhằm giữ giá trị không thay đổi

nhiều cho momen quay bánh lái khi tàu tiến và tàu lùi Điều này dẫn đến kết quả là trong

nhiều trường hợp phải tăng hệ số bù trừ, để khi lùi tàu, momen quay bánh lái không lớn hơn

nhiều nếu so với giá trị momen này khi tiến Thông lệ hệ số này khoảng 0,20 đến 0,30 tùy

thuộc chiều cao, chiều rộng bánh lái, hình dạng profile và cả bố trí bánh lái

Từ mặt thủy động lực có thể bàn về cách chọn bánh lái cho tàu như sau

Kiểu bánh lái

Bánh lái thông dụng kiểu “đơn giản”, hoặc gọi theo kiểu những người sử dụng tiếng Anh

là “all-movable rudder” là kiểu tốt nhất cho phép tạo lực quay tàu lớn, như chúng ta đã từng

xem xét Trong khi dùng bánh lái kiểu này, hệ số bù trừ hay còn gọi là “tỷ lệ cân bằng “ nên

nằm trong phạm vi sau

Hệ số béo thể tích C B “hệ số cân bằng”

Từ góc độ kết cấu, giá thành có thể dùng kiểu chân vịt treo, nửa treo, kiểu “horn – sừng“

Vị trí đặt bánh lái

Vị trí thích hợp nhất và quen thuộc với mỗi người đóng tàu là bánh lái đặt sau chân vịt

tàu, tận dụng đầy đủ tính trội của dòng chảy sau chân vịt đến bánh lái Trong thực tế người ta

đặt một bánh lái sau mỗi chân vịt, song nhiều trường hợp chúng ta bố trí sau một chân vịt hai

bánh lái hoặc trước hai bánh lái chỉ một chân vịt

Diện tích bánh lái

Nên chọn bánh lái có diện tích vừa phải, đảm bảo tính quay trở tàu cao song không gây tổn thất tốc độ tiến, không làm mất ổn định 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 vịt tại đuôi tàu

Thứ tự tính các lực thủy động như đã trình bày tại ví dụ trang 20 Công thức tính tóm tắt dưới đây

1) v = 0,5144.vs (1 – w)

2) vận tốc dòng đến bánh lái vR = v.k, với hệ số k tính theo công thức:

)1(

A

3) thay đổi góc tấn α = 5, 10, 15, 20, 30 và 35° và tính các hệ số lực thủy động

4) Xác định lực N, M

1.2 KẾT CẤU BÁNH LÁI VÀ NÚT KẾT CẤU

Bánh lái không cân bằng

Bánh lái kiểu này có thể chỉ dùng một chốt song trong thực tế có bánh lái dùng 2 hoặc 3 chốt Bố trí và kết cấu bánh lái không cân bằng tiêu biểu, dùng trên tàu cỡ nhỏ và trung bình được trình bày tại hình 1.23 Bánh lái luôn nằm sau sống đuôi tàu Bánh lái liên kết với sống này qua chốt Hình đang nêu giới thiếu mối liên kết qua một chốt, ngay tại gót sống đuôi Đầu trên trụ bánh lái dạng mặt bích, bắt chặt với mặt bích cần quay bánh lái

Ổ đỡ cần quay bánh lái thường bố trí không xa mặt bích, làm luôn cả chức năng ổ chặn Bánh lái tựa trên hai chốt trình bày tại hình 1.24, trên ba chốt hình 1.25

Bánh lái cân bằng trên hai gối

Bánh lái dạng này thông dụng trên tất cả cá kiểu tàu chạy sông và chạy biển Bánh lái giới thiệu tại hình 1.26 dùng cho sà lan sông, bánh lái phẳng tàu kéo cỡ nhỏ vẽ lại tại hình 1.27

Bánh lái cân bằng tàu đi biển tại hình 1.28 giới thiệu cách nối cần quay với bánh lái qua mối nối côn, hình 1.29 giới thiệu cách nối bằng bích

Hình 1.23 Kết cấu bánh lái

không cân bằng tựa trên một chốt

Hình 1.24 Bánh lái không cân bằng tựa trên hai chốt

1-chốt dưới, 2 – bánh lái, 3 –trục, 4 – ổ đỡ dưới, 5 – máy lái,

6 – tay quay, 7 – ổ trên, 8 – giá đỡ, 9 – chốt trên

Hình 1.25 Bánh lái không cân

bằng liên kết với sông đuôi

bằng ba chốt

1- bánh lái, 2 – ổ đỡ, 3 – trục qay, 4, 5,

6 – chốt xoay

Hình 1.26

Hình 1.27

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

1- cần quay bánh lái, 2 – trục bánh lái, 3 – tôn bao, 4 – ổ đỡ trên, 5 – ổ đỡ dưới

Hình 1.30 Bánh lái kiểu “Simplex”

Bánh lái nửa treo và bánh lái treo

Khái niệm “nửa treo” được dùng trên rất nhiều tàu kiểu cũ, phổ biến trên tàu vận tải đi biển Bánh lái (rudder) treo vào kết cấu bền thân tàu được gọi “horn” trong tiếng Anh, hình 1.31a, b Từ chuyên ngành bằng tiếng Anh gọi là underhung rudder, trong tiếng Nga người ta dùng cụm từ khi dịch sang tiếng Việt sẽ là nửa treo

Bánh lái treo ngày nay có mặt trên tàu đi biển cỡ lớn, tàu quân sự chạy nhanh và cả

trên các tàu cỡ nhỏ chạy nhanh trên sông, hồ Hình 1.31 c, d giới thiệu bố trí bánh lái treo 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 ven biển

Bánh lái treo tàu biển trình bày tại hình 1.35

Hình 35 Bánh lái treo tàu đi biển

Kết cấu bánh lái

Bánh lái tàu vỏ thép thuộc kết cấu hàn, gồm các thành phần chính: trục lái, nẹp ngang, nẹp đứng, các kết cấu đúc kích thước lớn làm chỗ tựa các chi tiết liên kết với thân tàu và vỏ bánh lái Cần nói rõ hơn, bánh lái với mặt cắt ngang dạng profile cánh máy bay như chúng ta đã gặp, vỏ bọc hai mặt, đè chồng lên các nẹp ngang và nẹp đứng, còn với bánh lái phẳng làm từ tấm chiều dày bánh lái không đổi

Tôn bao bánh lái Tấm bọc bánh lái chịu tác động trực tiếp áp lực thuỷ tĩnh từ phía nước

bao bánh lái và cả áp lực pháp tuyến do lực N theo cách ký hiệu của chúng ta gây ra khi bẻ bánh lái sang bên một góc nhất định Một trong những cách tính độ bền tấm bao bánh lái là dựa vào lý thuyết tấm 1 bạn đọc đã có dịp làm quen Tấm thép trong miền hạn chế bằng nẹp ngang và nẹp đứng được xét như tấm chữ nhật ngàm tại bốn mép, chịu tải trọng phân bố đều hoặc phân bố dạng hình thang theo phương pháp tuyến Theo cách tính trình bày tại sách đã dẫn, công thức tính momen uốn tấm lớn nhất có dạng:

Mmax = k.q.b2

1 Đề nghị xem thêm “Lý thuyết đàn hồi Lý thuyết tấm, vỏ”, Phần I, “Cơ học kết cấu thân tàu và công trình nổi”, NXB ĐHQG 2002

trong đó q – áp lực theo phương pháp tuyến, b – cạnh ngắn tấm chữ nhật

Nếu ký hiệu:

s cr

t

W s = ;

R A

N d

q= + ; k s =k 6có thể tính chiều dày tôn bao theo công thức sau:

5,1

=

cr R

s

b A

N d k

t

Trong công thức khá quen với bạn đọc các ký hiệu có ý nghĩa cụ thể: ks - hệ số phụ

thuộc tỷ lệ a/b, tỷ lệ giữa hai cạnh trực giao tấm chữ nhật Hệ số k mang giá trị 0,554; 0,576;

0,605; 0,633; 0,655; 0,671 và 0,685 khi tỷ lệ a/b mang giá trị tương ứng 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4;

1,5; 1,6; d – chiều chìm tàu, đo bằng áp lực tính theo chiều cao cột áp, N/cm2 Đại lượng lực

pháp tuyến N tính bằng Newton (N), σcr nhận bằng ½ σY, đơn vị đo N/mm2

Công thức dùng trong qui phạm đóng tàu có dạng:

240

3740

t , với chiều dài tàu L tính bằng m

Hàn tôn bao với hệ thống nẹp ngang, nẹp đứng theo cách riêng, trình bày tại hình 1.30 và

hình 1.36 dưới đây Móc để buộc cáp, xích khi cần được hàn vào nẹp bánh lái theo cách trình

bày tại hình 1.37

Hình 1.37

Khoảng cách giữa các nẹp đứng tùy thuộc kích thước bánh lái Khoảng cách lớn nhất

giữa hai nẹp không quá 1,2 lần khoảng sườn ngắn nhất khu vực đuôi tàu Bánh lái tàu cỡ nhỏ,

cho phép rút ngắn khoảng cách này đến 0,60m

Hình 1.36

Nẹp ngang trải đều dọc chiều cao bánh lái Khoảng cách hai nẹp ngang kề nhau không

khác nhiều nếu so với khoảng cách hai nẹp đứng sát nhau

Chiều dày tôn làm nẹp không được phép bé hơn tôn bao

Mép thoát bánh lái thường được viền bằng thép bán nguyệt hoặc thép tròn Trong nhiều trường hợp có thể thay thép thanh vừa nêu bằng các kết cấu tương đương dạng dầm, tấm Phương án viền mép thoát bánh lái tàu trình bày tại hình 1.38

Hình 1.38 Viền mép thoát bánh lái

Kết cấu bánh lái tại vùng trục bánh lái đi qua, tiếng Anh gọi là rudderpiece yêu cầu đủ bền Mô hình tính độ bền kết cấu này giới thiệu tại hình 1.39

Hình 39 Sơ đồ tính độ bền rudderpiece

Trên mô hình tính kết cấu đặc biệt này có thể thay thế kết cấu thực bằng kết cấu khung gồm một hoặc hai nẹp đứng cùng dải tôn mặt rộng ít nhất 1/6 h, chiều cao h được biểu diễn tại cùng hình Trường hợp trục bánh lái tựa hai gối, công thức tính momen uốn lớn nhất sẽ là:

8

h N

Mô đun chống uốn mặt cắt ngang rudderpiece cần thiết tính theo quan hệ:

cr

h N

A N

M = × '×

Khoảng cách y đo từ mép dưới bánh lái đến mặt cắt đang xem xét Diện tích bánh lái A’

chỉ tính phần nằm dưới mặt cắt đang xét, còn A – diện tích toàn bộ bánh lái Công thức tương

đương (b) sẽ phải là:

y A

A N W

Bánh lái sau khi hàn phải trải qua thử áp lực Bánh lái có mặt cắt ngang dạng profile

cánh máy bay chịu thử tải tính bằng công thức:

60

v25,1

2+

p test (m cn)

Vận tốc v công thức cuối tính bằng HL/h

Những kết cấu tiêu biểu bánh lái tàu đi biển trình bày tại hình 1.29, hình 1.30 và các hình

tiếp theo Hình 1.40 giới thiệu kết cấu bánh lái không cân bằng, tựa vào cối gắn tại sống đuôi

(rudderpost) Kết cấu bánh lái dạng này không phổ biến, mang những đặc tính khác thường

Kết cấu đặc biệt rudderpiece được đúc chứ không hàn Mép dưới bánh lái hếch lên cao khác với

những kiểu chúng ta đã gặp Trên bánh lái người ta hàn sẵn móc rõ to, sẵn sàng cho cáp móc

vào để khi máy lái chính bị hỏng người ta dùng hệ thống cáp quay bánh lái Bánh lái bị chặn

trên, ngay tại cần lái

Hình 1.40 Kết cấu bánh lái không cân bằng

Kết cấu tương tự dùng cho tàu dầu trọng tải 30.000dwt đi biển trình bày tại hình 1.41

1 – cần quay lái (redder stock), 2 – ổ chặn bằng vòng bi côn (upper bearing), 3 – ổ đỡ, 4 – hãm chuyển động dọc (stopper), 5 – chốt trên (pintle), 6 – bánh lái, 7 – sống lái (rudderpost), 8 – nắp thăm dò, 9 – chốt dưới (lower pintle)

Hình 1.41 Kết cấu bánh lái kiểi Simplex

Kết cấu bánh lái nửa treo, hình 1.42 và 1.43 giành cho bánh lái cân bằng dùng trên các tàu đi biển nêu tại trang sau dùng như tài liệu tham khảo

Bánh lái nửa treo, không cân bằng, chiều rộng b không lớn có thể thiết kế theo cách nêu tại hình 1.44

Hình 1.42 Kết cấu bánh lái nửa treo

Hình 1.43 Kết cấu bánh lái nửa treo trên tàu biển

Hình 1.44 Bánh lái nửa treo, không cân bằng

Kết cấu bánh lái treo tàu cỡ lớn có dạng như nêu tại hình 1.45

Hình 1.45 Bánh lái treo, cân bằng

Hình 1.46 giới thiệu bản vẽ bánh lái tàu dầu trọng tải 48.000dwt đưa vào hoạt động đầu những năm sáu mươi

Hình 1.46 Bánh lái nửa cân bằng tàu dầu 48.000dwt

Bánh lái tàu sông thường chế tạo đơn giản hơn bánh lái tàu biển cỡ lớn Sà lan không tự hành có thể chỉ trang bị bánh lái dạng tấm Kết cấu bánh lái kiểu này tạo nhiều thuận lợi cho người chế tạo, chi phí sản xuất bánh lái thấp hơn nếu so với bánh lái mặt cắt profile cánh máy bay Trên những phương tiện cỡ lớn hoạt động trên sông người ta vẫn phải chế tạo bánh lái mặt cắt profile nhằm tạo lực bẻ lái đủ lớn và độ bền bánh lái luôn đảm bảo

Hình 1.47 giới thiệu bánh lái phẳng dùng cho sà lan không tự hành chạy sông

Hình 1.47 Bánh lái tàu sơng

Hai hình tiếp 1.48 và 1.49 giới thiệu hai phương án thiết kế bánh lái cho sà lan không tự

hành, mớn nước cạn

Bố trí bánh lái, sec tơ lái trên tàu kéo chạy sông, công suất máy 600 sức ngựa trình bày

tại hình 1.50 như tài liệu tham khảo khi thiết kế tàu sông

Hình 1.48 Bánh lái sà lan sông

Hình 1.49 Kết cấu bánh lái tàu sông