Giáo trình nguyên lý tàu thủy trường đh giao thông vận tải pdf

TÀI LIỆU HỌC TẬP DÀNH CHO SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH NGUN LÝ TÀU THỦY TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH Trang để trống ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH GIÁO TRÌNH NGUYÊN LÝ TÀU THỦY Thành phố Hồ Chí Minh 9/2008 Mục lục Mở đầu CHƯƠNG I: TĨNH HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC TÀU Tính tàu thủy Kích thước hình học thân tàu tỷ lệ chúng Đường hình vỏ tàu Các đường cong tính Các phép tích phân gần Tính cân dọc tàu Thước tải trọng Mạn khô Dung tích tàu 10 Ổn định tàu 11 Phân khoang chống chìm tàu 12 Sức cản vỏ tàu 13 Chân vịt tàu thủy 14 Lắc tàu 15 Tính ăn lái tính quay trở tàu CHƯƠNG II: KẾT CẤU THÂN TÀU Đảm bảo độ bền tàu tính chọn kết cấu Thép đóng tàu Hệ thống kết cấu Đáy đơn Đáy đôi Mạn tàu Boong tàu Cọc chống Vách tàu 10 Vỏ bao 11 Vây giảm lắc 12 Bệ máy CHƯƠNG III: TRANG THIẾT BỊ TÀU Hệ thống lái Hệ thống neo Hệ thống buộc tàu Thiết bị kéo Thiết bị nâng hạ Hệ thống cứu sinh Tài liệu tham khảo Trang 15 19 22 23 30 31 32 34 39 57 64 74 109 129 137 145 150 164 166 167 169 171 173 175 177 178 180 186 190 192 196 205 Ký hiệu AM AW AP B B diện tích sườn tàu - area of midship section diện tích đường nước - area of waterplane trụ lái - aft perpendicular chiều rộng tàu - breadth, beam (moulded) phần chìm - centre of buoyancy BM, BM khoảng cách từ tâm B đến tâm ổn định M mặt cắt ngang - metacentre above centre of buoyancy BML , CB, CB CM, CM CP, CP CW, CW d D,H D, Δ FA Fb G khoảng cách từ tâm B đến tâm ổn định M mặt cắt dọclongitudinal metacentre above centre of buoyancy hệ số đầy thể tích - block coefficient hệ số đầy mặt cắt tàu - midship coefficient hệ số đầy lăng trụ - longitudinal prismatic cefficient hệ số đầy đường nước - waterplane coefficient mớn nước - draught, draft chiều cao tàu - depth moulded lượng chiếm nước - displacement weight trụ mũi - foreward perpendicular mạn khô tàu - freeboard trọng tâm tàu - centre of gravity GM, chiều cao tâm ổn định - metancentric height BM L B GM GML , GM L GZ, GZ chiều cao tâm ổn định doïc - longitudinal metacentric height IL IT IP K tay đòn ổn định - stability level momen quán tính dọc đường nước - longitudinal moment of inertia of waterplane momen quán tính ngang đường nước - tranverse moment of inertia of waterplane momen quán tính hệ độc cực - polar moment of inertia sống - keel KB, KB L Loa Lpp, Lbp Lwl M Sw T V, ∇ α ≡ CW β ≡ CM δ ≡ CB ϕ ≡ CP Δ≡D ∇≡V chiều cao tâm đáy - center of gravity above moulded base chiều dài tàu nói chung - length chiều dài toàn - length over all chiều dài hai trụ - length between perpendiculars chiều dài đường nước - waterplane length tâm nghiêng - metacentre mặt ướt vỏ tàu - wetted surface mớn nước tàu - draft moulded thể tích phần chìm - displacement volume hệ số đầy thể tích hệ số đầy mặt tàu hệ số đầy thể tích hệ số đầy lăng trụ lượng chiếm nước tàu - displacement weight thể tích phần chìm - displacement volume B (keel) CHƯƠNG TĨNH HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC TÀU Tàu thủy đời cách ba, bốn ngàn năm Tàu thủy nghiên cứu, cải tiến nhằm đáp ứng ngày tốt đòi hỏi mặt người Đội tàu ngày chia làm nhóm sau a) Tàu làm việc nguyên tắc khí động học Trong nhóm kể hai kiểu tàu dùng phổ biến Tầu đệm khí (air cushion vehicle - ACV) tựa hẵn “gối khí” áp lực đủ lớn, “váy” mềm bao bọc Tàu hoạt động nhờ lực nâng “gối”, lực đẩy chong chóng Trong lónh vực vận tải người hàng, người ta đóng ACV chở 300 khách, vận tốc 60 HL/h Kiểu tàu thứ hai nhóm không “mặc váy” tận dụng thành cứng kéo dài xuống tàu làm màng giữ khí áp lực lớn Kiểu ngôn từ chuyên môn gọi captured-airbubble vehicle – CAB Biến dạng tên gọi tàu bọt khí, đẩy thiết bị nước chân vịt siêu sủi bọt b) Tàu làm việc nguyên tắc thủy động lực Tàu nhóm làm việc nước nguyên lý thủy động lực Tàu sử dụng lực nâng cánh chìm, chạy nước, để nâng tàu lúc chạy gọi tàu cánh theo cách dùng người Nga, thông thường gọi tầu cánh ngầm Từ chuyên ngành tiếng Anh hydrofoil vehicle Cánh tàu dùng hai dạng khác nhau, dạng thường thấy cánh máy bay, bẻ gập thành chữ V, đỡ thân tàu Bản thân cánh chạy ngầm sát mặt nước Dạng sau người Mỹ gọi cánh ngầm (submerged foils) Tàu lướt thuộc nhóm tàu làm việc theo nguyên tắc thủy động lực Tàu có kết cấu đáy dạng trượt, thường gập thành hình chữ V (deep Vee) Tấm trượt lướt nước chịu lực nâng, lực nhấc phần tàu lên, giảm thể tích phần chìm chạy Từ chuyên môn thường gọi planing craft c) Nhóm đông đúc tàu hoạt động nguyên lý định luật Archimedes, gọi tàu (displacement ships) Trong trạng thái đứng yên trạng thái chạy lực đẩy tàu từ lên, gọi lực nước tác động, cân với trọng lượng toàn tàu trạng thái Trong nhóm bao gồm loại tàu chạy sông, tàu biển tàu chở hàng, tàu chở dầu, tàu khách nói chung, tàu kéo, tàu đánh cá vv… Xét thân tàu, đặc biệt phần thân chìm nước thấy, nhóm có tàu thân, tàu nhiều thân catamaran hai thân, trimaran ba thân Trong số tàu hai thân có dạng đặc biệt, thân thể tích lớn , chìm nước, diện tích mặt đường nước tàu nhỏ Tàu có tên gọi tàu đường nước nhỏ Ngoài tàu có tàu ngầm, hoạt động chủ yếu lòng nước, nguyên tắc tàu nhóm ba vừa nêu Trong phần tiếp tài liệu đề cập đến tàu làm việc theo nguyên lý định luật Archimedes Các hình giới thiệu tàu hoạt động Tàu đệm khí Trimaran SWATH tàu catamaran đường nước nhỏ Tàu vận tải hàng khô Tàu chở khí hóa lỏng kiểu LPG Tàu chở hàng rời (bulk carrier) Tàu chở container Tàu chở sà lan LASH Tàu du lịch đóng 2006 TÍNH NỔI TÀU THỦY Tàu thủy nước, tàu ngầm nước chịu tác động đồng thời hai lực ngược chiều Trọng lực gồm trọng lượng thân tàu, trọng lượng hàng hóa tàu, máy móc thiết bị, dự trữ hành khách tàu vv tác động chiều hút trái đất Lực nước tác động theo chiều ngược lại 1.1 Lực Trong hệ toạ độ gắn liền với tàu, gốc tọa độ đặt trọng tâm G tàu, trục Oz hướng lên trên, ngược với chiều tác động lực hút trái đất, mặt xOy song song với mặt nước trạng thái tónh, trọng lực W có điểm đặt G, tác động hướng xuống hình Thân tàu chìm nước tiếp xúc với nước qua mặt ướt vỏ tàu Như quen môn học chất lỏng, áp lực nước áp đặt lên mặt tiếp xúc mang giá trị: p = pa + γ z (*) Trong pa - áp suất khí đo mặt thoáng nước, z – khoảng cách đo từ mặt thoáng đến điểm xem xét mặt ướt vỏ tàu Hình 1.1: Trọng lực lực Lực thủy tónh tác động lên phần tử dS mặt ướt vỏ tàu trường hợp hiểu là: dP = (pa + γ z)dA (**) Mặt khác dP phân thành thành phần, dPx – tác động theo phương nằm ngang, (pa + γ z)dSX, dPZ tác động theo phương thẳng đứng, (pa + γz)dSZ - (pa + γ )dSZ = γzdSZ Phân tích thành phần lực thủy tónh áp lực gây vỏ tàu thấy rằng, tổng lực thành phần theo phương nằm ngang chúng tự triệt tiêu nhau, lực tác động theo phương thẳng đứng có dạng: dPZ = γ z dSZ (***) Nếu ký hiệu dV – thể tích cột nước cao z, diện tích đáy dSz, (***) có dạng: dF = dPZ = γ.dV dV = z.dSZ công thức (****) Công thức cuối hiểu lực nước tác động lên phần thân tàu chìm nước F = γV Lực tính theo định luật Archimedes, trọng lượng khối nước bị thân tàu choán chỗ, tác động theo hướng từ lên Lực F có tâm đặt lực B, gọi tâm Cần giới thiệu thêm, B viết tắt từ Buoyancy, dùng tài liệu thay cho ký hiệu dùng trước C Lực cố gắng đẩy tàu lên cao vị trí chiếm Máy móc Máy lớn, máy nông nghiệp vv… 5,0 – 7,0 10 – 20 Từ kết thống kê đưa đánh giá sau bàn số lượng cần cẩu sức nâng cẩu Tàu cỡ nhỏ, tàu ven biển sức chở đến 1500dwt trang bị chủ yếu cần cẩu derrick sức nâng – 1,5T lớn song không vượt 3T Tàu vận tải hoạt động biển gần, sức chở trung bình trang bị cần cẩu sức nâng không lớn Tàu 3000dwt thường trang bị cẩu sức nâng - 3T; tàu từ 3000dwt đến 6000dwt thường trang bị cẩu sức nâng 3,0 – – 6T Tàu cỡ lớn trang bị cẩu sức nâng từ 10T Cần cẩu nặng tàu nhóm đề cập chế tạo với sức nâng tương ứng 10T, 15 – 35T 25 – 60T Trên tàu dầu người ta trang bị cần cẩu sức nâng khoảng – 5T phục vụ hệ thống bơm hàng Phục vụ nâng hạ thiết bị phụ tùng đường ống tàu dầu cần có cần cẩu sức nâng không lớn – 3T Cần cẩu nặng tàu chở hàng trang bị theo yêu cầu đặc biệt Những tàu hàng đăïc biệt trang bị cẩu sức nâng đến 300T 600T Cẩu đơn có vị trí quan trọng họ máy nâng hạ tàu Bố trí cẩu đơn mặt làm việc trình bày hình 24 Các thành phần quan trọng hàng đầu tham gia hệ thống gồm: - dây nâng hàng (cargo hoist / hauling), – puly đỡ hàng (hoist block), – đỡ cần (topping lift), – cần cẩu (boom), – puly hướng dây đỡ cần (topping lift block at kingpost), – puly (boom head block), - dây chằng (vang) Cần cẩu (swinging boom) quay mặt thẳng đứng nhờ hệ thống dây nâng cần 3, puly 5, cần nằm xiên so với mặt chừng 15°, tư tầm vươn xa Mặt khác dựng đứng gần vuông góc với mặt tư nghỉ Cần quay sang mạn để vươn nhờ hệ thống dây chằng (vang), điều khiển tay Hàng móc vào móc cẩu bố trí đầu dây để chuyển động lên – xuống theo dây Bản thân dây kéo hàng qua puly để nối với tời cẩu Hình 24 Hình 25 Cẩu đôi Cẩu đơn 197 Hình D Cẩu tàu vận tải name sáu mươi Cần cẩu đôi (doubling up booms) có mặt phần lớn tàu chở hàng, ví dụ minh họa hình 25 Dây nâng hàng từ hai cần nối lại để buộc vào móc hàng Trong tư làm việc móc cẩu nằm thấp hai đầu cần làm cho dây giữ hàng hai cần tạo thành chữ V rõ nét Hai đầu cần nối với cáp, tư cáp nối hai đầu cần, với móc hàng tạo thành tam giác Đầu cần hai cần cẩu đôi bố trí miệng hầm hàng, đầu cần thứ hai vươn mạn Trong trạng thái làm việc hai cần giữ vị trí cố định Hàng móc từ khoang, nâng cao qua miệng hầm hàng sau chuyển mạn, bàn giao đến đầu cần mạn Mỗi vòng làm việc cẩu đôi khoảng nửa phút Hình E 198 Cần cẩu nặng hệ thống dây puly hướng dây nâng cần bố trị xà ngang cột cẩu hay gọi saling theo tiếng Netherlands, giúp chia sẻ tải trọng từ mã hàng, cải biên cần cẩu nặng đây, trình bày hình 26 Khác cách dây so với hệ thống nêu, dây giữ hàng luồn qua puly nằm lòng cần, thường đặt vị trí cách đầu cần khoảng 1,5m Hình 26 Cần cẩu nặng Hình F Hệ thống cẩu Stülken , hình 27, có sức nâng lớn lớn Một cẩu thuộc hệ thống có trách nhiệm phục vụ hai khoang hàng lân cận Sức nâng tối đa người ta ghi nhận từ hệ thống cẩu 300T Đặc điểm hệ thống kết cấu vô bền cột cẩu, cần cẩu, hệ thống dây nhận thấy độ phức tạp bền hệ thống dây nâng cần kiêm quay cần 199 Hình 27 Cần cẩu Stülken Hình G Cần cẩu quay dùng ngày nhiều tàu Hình 28 Cần cẩu quay 200 Hình H Cần cẩu quay Hình I Bố trí cẩu nặng tàu vận tải đời Hình J BỐ TRÍ CẦN CẨU TRÊN TÀU Xác định chiều dài cần cẩu đơn 201 Chiều dài cần phải đủ dài để vươn đến nhấc mã hàng từ khoang hàng, đưa lên cao, qua khỏi miệng hầm hàng đưa hàng mạn, hạ hàng xuống bến cầu cảng phương tiện vận chuyển đợi sẵn bến Khi bốc hàng lên tàu cần cẩu làm theo bước ngược với trình tự kể Cần cẩu đơn làm việc theo cách thường thấy sau: cần nghiêng góc định so với mặt nhờ hệ thống dây nâng cần, bước cần xoay đến vị trí có hàng nhận hàng vào móc Không thay đổi góc nghiêng, cần cẩu với móc hàng nâng lên khỏi quầy miệng hầm hàng khoảng cách tối thiểu xoay mạn Tại hàng hạ xuống để xếp lên phương tiện vận tải chờ Từ cách thao thông số xác định tầm vươn, qui cách kết cấu cột cẩu, cần cẩu vv… sau Góc nghiêng cần cẩu so với mặt thông số cầân để xác định chiều dài cần thỏa mãn yêu cầu tầm vươn Theo yêu cầu này, tầm vươn cần phải trải ¾ chiều dài miệng hầm hàng mà cẩu phụ trách, tính từ miệng quầy hầm hàng gần cột cẩu Chiều cao tối thiểu từ mép miệng hầm hàng hay mép mạn giả khu vực xét đến vị trí puly luồn dây cẩu hàng đầu cần không nhỏ – 5m Góc nghiêng nhỏ thiết kế phương tiện nâng hạ thông lệ nhận khoảng 15 - 20° Khoảng cách từ cột cầu đến thành ngang miệng quầy hầm hàng gần phụ thuộc vào kích cỡ tời nâng hạ đặt hai vị trí đó, phụ thuộc vào kích thước lối cho người sử dụng cẩu Thông lệ tàu cố giành cho khoảng cách chừng 3,5 – 4m Tầm vươn cẩu mạn tàu, tính từ mạn tàu khu vực bố trí cẩu đến nơi hạ hàng, phụ thuộc vào điều kiện bến bãi phương tiện đón hàng Thông lệ tầm vươn mạn không nhỏ 2,0 – 2,5m Tầm vươn nhiều phải tăng đến – 8m nhằm đáp ứng đòi hỏi công việc bốc dỡ hàng Góc quay giới hạn qua bên mạn nói chung góc lớn thuận tiện cho người thao tác bốc dỡ Trong thực tế góc nghiêng phải đảm bảo để móc cẩu hàng đến giới hạn ngang với thành miệng quầy gần cột cẩu Vị trí điểm đặt puly dây nâng cần cột phải tính toán nhằm đảm bảo an toàn thuận lợi cho cẩu làm việc tư góc nghiêng lớn Thông lệ khoảng cách từ vị trí đặt điểm tựa cần đến vị trí đặt puly không 4,5 – 5m Xác định chiều dài cần cẩu đôi Cẩu đôi tuân thủ nguyên tắc chung vừa nêu bố trí tàu Chiều dài cần cẩu phải đủ để móc cẩu treo đầu cần bao quát phần lớn miệng hầm hàng, khoảng không gian mạn Trường hợp cẩu đôi có hai cần đơn nối với nhau, hai cần phải bao quát phần gạch chéo trình bày hình 5.17, chiều dài phần không nhỏ ¾ chiều dài miệng hầm hàng, chiều rộng vùng 202 nhỏ chiều rộng miệng hầm hàng 2m Trường hợp bố trí cần cẩu, chiều dài bắt buộc giảm xuống 2/3 chiều dài miệng hầm hàng Yêu cầu khoảng cách từ mạn tàu đến vị trí xa mà cần vươn tới 4m Dải rộng 4m phải kéo từ đường kéo dài thành ngang miệng quầy đến ¼ chiều dài miệng hầm, xem hình 5.17b, cẩu có hai cần Khoảng cách thay 1/5 cẩu có cần, hình 5.17c Chiều cao tính toán, tính từ mép miệng quầy mép mạn giả, chọn giá trị lớn hơn, đến đầu buộc puly móc cẩu đầu cần không nhỏ giá trị sau: Cần cẩu sức nâng 2T: 4,0m + 0,3W Cần cẩu sức nâng T: 5,0m + 0,3W W – khoảng cách đầu cẩu mặt quảng đường hàng dịch chuyển thao tác cẩu đôi, xem hình 5.17b 5.17c Trong trường hợp góc nghiêng cần so với mặt không nhỏ 15° Cẩu tàu tàu LASH SeeBee Hình K Tàu chở sà lan Hình L 203 Cần cẩu tàu chở container Hình M Tàu chở container Hình N Hình O Tàu cẩu 204 Hệ thống cứu sinh Hệ thống trang thiết bị phục vụ việc cứu người tàu, biển gặp cố gọi chung hệ thống cứu sinh Trong hệ thống thành phần sau phải có mặt: xuống cứu sinh, xuồng cấp cứu, bè cứu sinh, phao, áo cứu sinh Xuồng cứu sinh có mặt tàu có sức chở từ 10 đến 150 người Kích thước vài tàu tiêu biểu sau Sức chở L B H Trọng lương (người) (m) (m) (m) (kG) 10 5,0 1,9 0,8 2000 25 6,5 2,2 0,95 3200 40 7,5 2,4 1,10 4700 50 7,5 2,75 1,10 5500 100 9,5 3,4 1,30 11500 Hình 29 Bố trí xuồng cứu sinh Xuồng cứu sinh dùng tàu chở dầu chức xuồng dùng tàu chở hàng khác phải đảm bảo cứu người trường hợp cố, tàu bị nạn, dầu chảy cháy biển Vùng bị dầu xâm chiếm quanh tàu đến 150 – 200m bán kính Yêu cầu cao với xuồng cứu sinh tàu dầu vận tốc xuồng không thấp Hl/h để vượt quảng đường giả định 200m vòng 55 giây Xuồng phải có hệ thống chống bắt lửa cho vỏ xuồng, đảm bảo xuồng qua bể lửa với nhiệt độ chung quang xuồng 1000 - 1200°C Một xuồng dùng, xức chở 30 người có thông số vỏ taøu sau L =8,6m; B = 2,65m; H = 2,3m; D = 2,95T Xuồng trang bị máy công suất 19 ngựa, đảm bảo vận tốc 6,2 Hl/h 205 Xuồng cứu sinh phải có mặt bên mạn tàu phòng trường hợp phải cứu nạn cho người tàu bị nạn Tàu khách, tàu cá phải bố trí đủ xuồng sức chưa 50% số người, bên mạn Các tàu khác xuồng dự trù chứa đủ số người tàu Hình 30 Bố trí xuồng cứu sinh pha Hình 31 Bố trí xuồng cứu sinh tàu khách Bè cứu sinh dùng phổ biến tàu Trên tàu khách thay xuồng phao bè cho 25% số người Bè tự thổi ngày sản xuất với độ tin cậy cao, dùng hiệu tàu Các bè chứa thùng gọn, nhỏ nhẹ, bố trí boong cao Khi gặp nạn người ta thả chúng xuống nước, bè tự bơm đầy lên chờ khách Trang bị bè đủ để người bị nạn đánh tín hiệu cấp cứu, tự túc sống thời gian hạn định chờ cứu Bè tự thổi trang bị bạt che mưa, gió Bè cứng, ghế bố trí vị trí dễ nhận tiện việc đưa xuống nước Phao cứu sinh treo vị trí dễ tiếp cận Phao có trang bị thiết bị đèn hiệu cố, dây ném Áo cứu sinh cá nhân phải có đủ cho toàn số người tàu, đïc bảo quản nơi dễ nhận thấy dễ dàng lấy gặp cố 206 Hình ảnh bố trí bè cứng, ghế ngồi, phao tròn tàu giới thiệu hình 32 Hình 32a Hình 32b Bè tự thổi Các bè dùng làm phương tiện cứu sinh có dạng sau 207 Hình 33 Bè cứng Hình 34 Phao tròn cứu sinh 208 Hình 35 Bố trí xuồng cứu sinh tàu khách Hình 36 Bố trí xuồng cứu sinh tàu Queen Mary Hình 37 Xuồng cứu sinh tàu cruse 209 Hình 24 Bố trí xuồng cứu sinh tàu khách ngày Hình 24b Tàu khách sông 210 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lewis, E.V., (1988), “The Principles of Naval Architecture”, SNAME , Jersey City, NJ Derrett, D.R., Barrass, C.B., (1999), “Ship Stability for Masters and Mates”, Butterworth-Heinemann, UK Frid E.G., (1978), “Устроиство судна” (Trang thiết bị tàu, tiếng Nga), NXB “Đóngtàu”, Leningrad Hàn Thọ Gia (chủ biên), (1993), “Tạo thuyền đại ý – tạm dịch: kiến thức phổ thông đóng tàu”, NXB “Học viện Vận tải biển Đại Liên” Munro Smith, (1975), “Ship and Naval Architecture”, London Semonov-Tian-Shansky V.V., (1960), “Статика и динамика корабля”, (Tónh học động lực học tàu thủy, tiếng Nga), NXB “Công nghiệp tàu thủy”, Leningrad Rawson K.J., Tupper E.C., (2001), “Basic Ship Theory”, Fifth edition, Butterworth-Heinemann, UK Tupper, E C., (2000), “An Introduction to Naval Architecture”, ButterworthHeinemann, UK