may tau thuy

Cơ chế lợn vòng của tàu khi bẻ lái Giả sử tàu đang chạy theo hớng thẳng với vận tốc v hình 1.3.a trong điều kiện mặt nớc yên lặng tức không có tác dụng của sóng, gió, dòng chảy và các ng

Chơng 1 Thiết bị lái

1.1 Khái niệm chung về thiết bị lái tàu thuỷ

Một trong những tính năng cơ bản của tàu thuỷ đó là tính ăn lái Tính ăn lái của tàu thuỷ làkhả năng giữ nguyên hoặc thay đổi hớng đi theo ý muốn của ngời lái tàu

1.1.1 Khái niệm

Trên các tàu tự hành (ngay cả một số tàu không tự hành) ngời ta thờng trang bị các thiết bịlái để đảm bảo tính ăn lái cho tàu ở bất kỳ trạng thái nào trong suốt quá trình hành hải

Tính ăn lái của tàu gồm hai tính chất: tính ổn định hớng đi và tính quay vòng

Tính ổn định hớng đi là khả năng tàu giữ nguyên hoặc thay đổi hớng chuyển động

Tính quay vòng là khả năng thay đổi hớng chuyển động và đợc mô tả bởi quỹ đạo cong khi

bẻ lái

Hai tính chất này mâu thuẫn với nhau, một con tàu có tính ổn định hớng đi tốt thì sẽ có tínhquay vòng tồi và ngợc lại Vì vậy phải tuỳ thuộc vào từng loại tàu (công dụng và chức năng),từng vùng hoạt động mà ngời ta u tiên cho 1 trong 2 tính chất trên khi thiết kế Ví dụ, khi tàuchạy ở vùng hoạt động không hạn chế (tàu biển) do điều kiện không gian hoạt động không hạnchế, để đảm bảo cho thời gian hành trình thì phải u tiên cho tính ổn định hớng đi còn đối vớitàu có vùng hoạt động hạn chế (tàu sông) thì ngợc lại

Tính ăn lái cũng phụ thuộc vào các bộ phận cố định, ổn định khác nh: ki hông, ki đuôi, giáchữ nhân (X) hoặc chữ Y, số lợng và chiều dài chong chóng, đoạn trục chóng chóng, số bánhlái cũng nh các thiết bị khác

Trên tàu để đảm bảo tính ăn lái, ngời ta có thể bố trí nhiều loại thiết bị lái hoạt động độclập hoặc phối hợp nh: bánh lái, đạo lu định hớng xoay, chóng chóng (tàu lắp nhiều chongchóng), thiết bị phụt nớc, chân vịt, v.v nhng phổ biến nhất là bánh lái và đạo lu định hớng xoayvì đó là những thiết bị dễ chế tạo, giá thành rẻ, làm việc tin cậy và hiệu quả cao

Bánh lái là một vật thể dạng cánh tấm phẳng hoặc dạng có prôfin thoát nớc nhúng chìmtrong nớc, còn đạo lu định hớng xoay là một vật thể hình trụ tròn xoay có dạng prôfin thoát nớctheo chiều dọc trục của nó, bao quanh chong chóng ở phía sau thân tàu

1.1.2 Phân loại bánh lái

1.1.2.1 Phân loại theo hình dạng prôfin có

Bánh lái tấm

Bánh lái thoát nớc

1.1.2.2 Phân loại theo vị trí đặt trục lái

Bánh lái cân bằng là bánh lái mà trục lái chia bánh lái ra 2 phần

Bánh lái không cân bằng là bánh lái nằm về một phía của trục lái

Bánh lái bán cân bằng

Nếu trên tàu có bố trí chong chóng thì tốt nhất nên đặt bánh lái phía sau và ở giữa luồng n

-ớc do chong chóng đẩy ra để làm tăng hiệu quả làm việc của bánh lái

Với đuôi tàu có lắp một chong chóng thì bánh lái, sống lái, ki đỡ lái tạo thành khung giálái:là khoảng không gian để lắp chong chóng vừa đủ, trị số các khe hở của khung giá lái chọntheo bảng sau:

Trong bảng 1.1, KT - hệ số tải của chong chóng; D - đờng kính chong chóng; tmax- chiều dàylớn nhất của frôfin bánh lái; bP - chiều rộng bánh lái; ϕ - nửa góc tiếp tuyến của sống đuôi với mặt phẳng đối xứng của tàu

Các giá trị trong bảng 1.1 là giá trị nhỏ nhất Trong thực tế sử dụng, để giảm chấn động ở

vùng đuôi, các giá trị đó (a, b, c, d) có thể đợc lấy tăng lên một ít Tuy nhiên khe hở a không

nên lấy quá lớn, nếu không sẽ làm giảm hiệu suất làm việc của bánh lái

Bảng 1.1 Kích thớc cơ bản của khung giá lái tàu một chong chóng.

4 Viện nghiên

cứu Vật lý Anh (0,08 - 0,15).D 0,2.D (0,08 -0,1)D (0,02 -0,03)D

Hình 1.2 Sơ đồ khung giá lái của tàu một chong chóng

Trong mọi trờng hợp bánh lái phải bố trí chìm trong nớc, mép trên bánh lái đặt càng sâutrong nớc càng tốt

Nếu gọi khoảng cách từ mép trên của bánh lái đến mép nớc tự do là tp thì tp đợc lấy nh sau

-để đảm bảo diện tích bánh lái FP)

Tàu biển: tp ≥ 0,25.hp (1.1)Tàu hồ (hoặc pha sông biển): tp≥ 0,125.hp

Tàu sông: tp = (0 - 0,1).hp

với hp- chiều cao bánh lái

Khoảng cách từ mép trên của tấm bánh lái đến vỏ bao tàu càng nhỏ càng tốt song phỉa thoảmãn không bị kẹt khi bẻ lái

ở mọi góc bẻ lái hình chiếu bằng của tấm bánh lái phải nằm trong phạm vi hình chiếu bằngcủa đòng nớc chở hàng mùa hè KWL

Với bánh lái cân bằng và bán cân bằng ,mép dói của bánh lái phải đặt cao hơn đờng cơ bản

và không thấp hơn mép dới của chong chóng

Với bánh lái treo, việc nối giữa bánh lái và trục lái là kết cấu hàn, phải l u ý đến chiều caocủa nó để khi sửa chữa, lắp ráp, tháo bánh lái trên ụ không phải cắt trục lái.

1.2 Tác dụng của bánh lái

1.2.1 Cơ chế lợn vòng của tàu khi bẻ lái

Giả sử tàu đang chạy theo hớng thẳng với vận tốc v (hình 1.3.a) trong điều kiện mặt nớc

yên lặng (tức không có tác dụng của sóng, gió, dòng chảy và các ngoại lực ngẫu nhiên khác),bánh lái nằm ở mặt phẳng đối xứng của tàu hoặc song song với nó Khi đó lực tác dụng lên tàubao gồm:

Lực cản của nớc đến chuyển động của tàu R nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu, cóchiều ngợc với vận tốc của tàu

Lực đẩy của chong chóng T nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu, cùng chiều với vận tốccủa tàu, cân bằng với lực cản của tàu và lực cản của bản thân nó

Giả sử khi đó ta đổi hớng chuyển động của tàu bằng cách bẻ lái một góc αp sang mạn, khi

đó xuất hiện áp lực thuỷ động của nớc tác dụng lên bánh lái P bổ sung vào hệ lực trên, lực P có

điểm đặt tại K - gọi là tâm áp lực của bánh lái

Nếu giữ nguyên góc bẻ lái αp đó thì lực P sẽ làm thay đổi quĩ đạo chuyển động của tàu vàlàm xuất hiện, biến đổi các thành phần lực khác Quĩ đạo chuyển động của tàu khi đó gọi là quĩ

đạo lợn vòng của tàu.

Để xét và biết đợc tác dụng của bánh lái khi bẻ lái ta đi xét tác dụng của lực P, bằng cách

đặt tại trọng tâm tàu G một cặp lực trực đối (bằng nhau về trị số, cùng phơng, ngợc chiều) P’ vàP” cùng phơng, cùng trị số với lực P

Lực P và P’ tạo thành một ngẫu lực có mô men M1 = P.lp, (lp là tay đòn của mô men M1; lp

≅ (L/2).cosαp) có chiều về phía bẻ lái)

Lực P” đợc phân tích thành hai lực P1 và P2, trong đó lực P1 có phơng của mặt phẳng đốixứng của tàu, cùng chiều với lực cản R gọi là lực cản bổ sung, nó cùng với R làm tăng lực cản,giảm tốc độ chuyển động của tàu, khi đó lực cản tổng cộng tác dụng lên tàu là RT = R + P1 Lực

P2 có phơng vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu, làm dạt tàu về hớng ngợc với hớng bẻlái gọi là lực dạt

Do tàu chuyển động dạt, lên xuất hiện lực cản theo phơng ngang R0 cùng phơng, ngợcchiều với P2 Nếu cứ giữ nguyên góc bẻ lái αp sao cho đến thời điểm nào đó, giá trị của R0 tăngbằng giá trị của P2 thì chuyển động dạt kết thúc và khi đó mô men M1 cũng đủ lớn để làm quaytàu về hớng bẻ lái Dới tác dụng của mô men M1, tàu quay quanh trục thẳng đứng đi qua trọngtâm tàu G về hớng bẻ lái Đồng thời sự quay vòng này làm đổi phơng của lực đẩy T mà nhờ đótàu đổi hớng chuyển động

Khi tàu chuyển động trên quĩ đạo cong (hình 1.3.b), lực cản tổng cộng RT có điểm đặt tại

KT trên mặt phẳng đối xứng của tàu, gọi là tâm áp lực của tàu, (với tàu, thông thờng KT nằm ởkhoảng giữa trọng tâm tàu G và đờng vuông góc mũi) Phân tích RT thành Rx và Ry, trong đó Rx

nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu là lực cản của tàu, Ry có phơng vuông góc với mặtphẳng đối xứng của tàu và nói chung không đi qua trọng tâm tàu G Thành phần này phát sinhmô men phụ M2 = Ry.lp’, (lp’ là tay đòn của mô men M2 bằng khoảng cách KTG) cùng chiềuvới mô men M1 làm tăng chuyển động quay của tàu về hớng bẻ lái Khi KT nằm ở khoảng giữatrọng tâm tàu G và đờng vuông góc đuôi thì mô men M2 ngợc chiều với mô men M1, nó cản trởlại sự quay của tàu theo hớng bẻ lái

Khi tàu chuyển động theo hớng thẳng, vận tốc tàu v có phơng của mặt phẳng đối xứng, còn

khi tàu chuyển động trên quĩ đạo cong, mặt phẳng đối xứng của tàu không còn tiếp tuyến vớiquĩ đạo lợn vòng mà nó tạo với tiếp tuyến đómột góc θ và có giá trịtăngdần, θ gọi là góc lệch

hớng của tàu Tốc độ v i và góc lệch hớng θi của điểm i bất kỳ nằm trên mặt phẳng đối xứng của

tàu thay đổi theo chiều dài tàu

Tại thời điểm nào đó của chuyển động, tốc độ v i không giảm, góc lệch hớng θi không tăng

và đạt đến giá trị không đổi thì quĩ đạo của tàu lúc đó ổn định Khi đó coi tàu quay quanh mộttrục thẳng đứng tởng tợng nào đó đi qua điểm O trong không gian với vận tốc góc ω = const.Gọi khoảng cách từ O đến các điểm xác định trên tàu là bán kính Ri , thì quĩ đạo lợn vòng ổn

- + +

-Rx R

Ry K

M 2 =Ry.l'p

K b)

M 1

v

T P

Ro=f(vn)P P'

P'' P

T P

α

v θ T T

P

p

2 1

Hình 1.2 : Các trạng thái chuyển động của tàu trên quỹ đạo quay vòng

Hình 1.2 Các trạng thái chuyển động của tàu trên quỹ đạo quay vòng

a- Khi bắt đầu bẻ lái b- Khi chuyển động trên quỹ đạo cong

Khi tàu chuyển động trên trên quĩ đạo ổn định (hình 1.4), ta xét tại một số điểm đặc biệttrên tàu Tại điểm C (CO vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu), tốc độ tiếp tuyến vC củatàu là nhỏ nhất, tốc độ này tăng dần cả về phía mũi và phía đuôi của tàu, và nó đạt giá trị lớnnhất tại mút đuôi (điểm A) và mút mũi (điểm B) của tàu Góc lệch hớng θ tại C là θC = 0, gócnày có giá trị tăng dần từ điểm C đến các điểm cả về phía mũi và phía đuôi và đạt giá trị lớnnhất tại A và B nhng có chiều ngợc nhau,(góc lệch hớng là góc tạo bởi giữa phơng của mặtphẳng đối xứng tàu với phơng tốc độ tiếp tuyến với quĩ đạo, góc này có chiều cùng với chiềukim đồng hồ cho những điểm nằm giữa C và mút mũi, ngợc chiều kim đồng hồ cho những

điểm nằm giữa C và mút đuôi)

Do đó, khi tàu đang chuyển động trên quĩ đạo ổn định, nếu từ mặt phẳng đối xứng của tàu,tại C ta xét, thì tàu gồm hai chuyển động : chuyển động quay quanh C và chuyển động tịnh tiếntheo mặt phẳng đối xứng của tàu Thật vậy, phân tích các vận tốc vi theo phơng mặt phẳng đốixứng tàu và vuông góc với nó ta đợc vxi và vyi tơng ứng

Khi đó ta có: vxA = vA cosθA = ω RA cosθA = ω.RC (1.2)

vxB = vB cosθB = ω RB cosθB = ω.RC

vxi = vi cosθi = ω Ri cosθi = ω.RC

A yA

Hình 1.3 : Khi chuyển động trên quỹ đạo quay vòng ổn định

1.2.2 Các giai đoạn chuyển động của tàu trong quá trình lợn vòng

Giả sử ban đầu tàu chạy theo hớng thẳng với vận tốc v nào đó trên mặt nớc yên lặng, khibắt đầu bẻ lái một góc αp và giữ nguyên vị trí của bánh lái ở góc bẻ lái đó trong toàn bộ thờigian sau này của quá trình chuyển động của tàu thì quĩ đạo chuyển động của tàu nhận đợc lúc

đó gọi là quĩ đạo lợn vòng của tàu

Từ sơ đồ quĩ đạo và từ sự xuất hiện, biến đổi của các thành phần lực đã phân tích ở trên tathấy, khi bắt đầu lợn vòng tàu chuyển động chậm lại và bị dạt về hớng ngợc với hớng bẻ lái.Sau đó tàu mới bắt đầu chuyển động về hớng bẻ lái theo một quĩ đạo cong có bán kính conggiảm dần Mặt phẳng đối xứng của tàu lúc đầu có phơng của vận tốc tịnh tiến v sau đó nó

nghiêng dần về tâm O của quĩ đạo, góc lệch hớng θ có giá trị tăng dần Quĩ đạo lợn vòng củatàu đợc xem là ổn định khi các đại lợng đặc trng cho chuyển động đạt đến giá trị không đổi,

nh

Vận tốc vi = vmin = const,

Góc lệch hớng θ = θmax = const,

Bán kính quĩ đạo R = Rmin = const

Ngời ta chia toàn bộ quá trình chuyển động của tàu trong thời gian lợn vòng làm ba giai

đoạn, không phải bởi hình dạng của quĩ đạo mà là bởi sự xuất hiện và biến đổi của các lực tácdụng lên tàu (hình 1.4)

Giai đoạn 1: còn gọi là giai đoạn triển khai , đợc tính từ thời điểm bắt đầu bẻ lái đến khi kết

thúc bẻ lái, tức là góc bẻ lái đạt đến giá trị αp, giai đoạn này xảy ra trong khoảng thời gian 10 ữ

15s

Đặc điểm chuyển động của giai đoạn này là, tàu chuyển động chậm lại do lực cản bổ sung

P1, đồng thời tàu bị dạt về hớng ngợc với hớng bẻ lái do lực dạt P2 Quĩ đạo chuyển động códạng chữ S, mũi tàu dần quay về hớng bẻ lái nhờ mô men M1, mặt phẳng đối xứng của tàu tạovới tiếp tuyến của quĩ đạo lợn vòng do trọng tâm tàu G vạch ra một góc lệch hớng θ

v

v v

Rmin=const

Hình 1.4 : Quỹ đạo luợn vòng của tàu

Giai đoạn 2: còn gọi là giai đoạn lợn vòng đợc tính từ thời điểm kết thúc giai đoạn 1 cho

đến khi các đại lợng đặc trng cho chuyển động đạt đến giá trị không đổi ( vi = vmin = const, θ =

θmax = const, R = Rmin = const.), thông thờng thời điểm này đạt đợc khi tàu quay đợc một góc

900ữ 1000 so với hớng đi ban đầu

Đặc điểm chuyển động của giai đoạn này là, vận tốc tàu tiếp tục giảm, góc lệch hớng củatàu tiếp tục tăng, tàu chuyển động trên quĩ đạo cong có bán kính cong giảm dần

Lực tác dụng lên tàu là: lực thuỷ động P, lực cản RT và lực đẩy T, trong mỗi thời điểmchuyển động, chúng cân bằng với các lực quán tính khối lợng của tàu (định luật d’Alambert) Giai đoạn 3: còn gọi là giai đoạn lợn vòng ổn định đợc tính từ thời điểm kết thúc giai đoạn 2

cho đến toàn bộ thời gian sau này của quá trình lợn vòng, nếu vẫn giữ nguyên góc bẻ lái αp đó

Đặc điểm chuyển động của giai đoạn này là, tàu chuyển động ổn định trên một quĩ đạo là

đờng tròn có bán kính không đổi R = Rmin = const, với vận tốc không đổi vi = vmin = const vàgóc lệch hớng không đổi θ = θmax = const

Lực đẩy T của chong chóng thực tế có giá trị không đổi trong quá trình lợn vòng, lực cản

Rx tăng từ thời điểm bắt đầu lợn vòng, gây giảm dần tốc độ tàu, đến lúc mà lực này cân bằngvới lực đẩy T ở thời điểm nào đó, điểm KT dịch về phía sau trọng tâm tàu G, mô men M2 ngợcchiều với mô men M1 Khi trị số hai mô men này bằng nhau điểm KT ngừng dịch chuyển về

đuôi đồng thời xác lập góc lệch hớng θ Góc này thờng có giá trị từ 50 đến hơn 100

Nh vậy ta đã khảo sát quá trình lợn vòng của tàu khi bẻ lái, quĩ đạo lợn vòng đợc xác lậpvới các thông số đặc trng sau:

Đờng kính quĩ đạo lợn vòng ổn định: D = 2.Rmin

Đờng kính lợn vòng ổn định tĩnh ( đờng kính xác lập quay vòng ): DT là khoảng cách giữahai mặt phẳng đối xứng của tàu trớc và sau khi nó quay đợc một góc 1800

Đoạn dịch chuyển tịnh tiến: l1- khoảng cách của trọng tâm tàu khi bắt đầu bẻ lái đến khi tàuquay đợc một góc 900, đo theo hớng đi ban đầu

Đoạn dịch chuyển ngang: l2 - khoảng cách từ trọng tâm tàu khi nó quay đợc góc 900 đến ớng đi ban đầu

h-Đoạn chuyển động dạt: l3 - khoảng cách từ trọng tâm tàu ở vị trí dạt xa nhất đến hớng điban đầu

Các đại lợng trên đợc xác định bởi tính toán cơ bản hoặc thử nghiệm tàu mẫu, tính quay trởcủa tàu (vận tải) đợc xem là đảm bảo nếu chúng thoả mãn liên hệ sau:

Wsin α− Rsin β

T-(Wcos α+ Rcos β)

Φ

Hình 1.5 : Sơ đồ phân bố lục tác dụng lên tàu khi chạy nguợc sóng gió

Tàu chạy trên mặt nớc chịu tác dụng của các ngoại lực nh sóng, gió, dòng chảy, v.v khithời tiết xấu các lực này tăng rất nhanh, làm lệch hớng đi của tàu Đặc tính chống lại các ngoạilực, giữ đợc hớng đi ban đầu đợc gọi là tính ổn định hớng đi của tàu

Những nguyên nhân làm tàu lệch hớng đi trong thời gian sóng, gió lớn là:

áp lực gió lên phần trên đờng nớc vận hành, đặc biệt là phần thợng tầng và lầu

áp lực nớc lên mạn tàu có bản chất chu kỳ do sóng và dòng chảy

áp lực không đều của nớc qua chong chóng khi tàu chòng chành ngang và dọc

Sau đây ta khảo sát hệ lực tác dụng lên tàu khi gió thổi vào mũi tàu, tàu chạy chệch hớngvới góc Φ Bánh lái đợc đặt ở mặt phẳng đối xứng của tàu, tàu chịu tác dụng của các lực (hình1.6).

Lực cản gió W, có điểm đặt tại U và tạo với mặt phẳng đối xứng tàu một góc α

Lực cản của nớc R, có điểm đặt K và tạo với mặt phẳng đối xứng tàu một góc β

Lực đẩy T của chong chóng nằm trong mặt phẳng đối xứng tàu

Phân tích các lực nói trên thành các lực thành phần theo phơng mặt phẳng đối xứng vàvuông góc với nó ta có:

Mô men làm lệch hớng đi của tàu đã chọn

M = R.sinβ.UK (1.5)Lực tác dụng theo hớng chuyển động làm tàu dịch chuyển

Px =T - (W.cosα + R.cosβ) (1.6)Lực ngang làm dạt tàu

Py = W.sinα - R.sinβ (1.7)

So với mặt phẳng đối xứng một góc Φ

tg p = (W.sinα - R.sinβ) / [T - (W.cosα + R.cosβ)] (1.8)

Để cân bằng mô men M, bánh lái cần phải tạo nên mô men ngợc lại Khi tâm gió U và tâmlực cản ngang K trùng nhau thì mô men M = 0, tàu không đi lệch hớng; khi điểm K trớc điểm

U (về phía mũi) thì tàu có khuynh hớng quay theo gió và bánh lái phải bẻ về phía ngợc gió.Nếu điểm K sau điểm U (về phía đuôi) thì tàu có khuynh hớng quay xẻ gió và bánh lái phải bẻ

về phía gió

Tâm gió U thờng di chuyển về phía lái, khi hớng gió thổi từ mũi sự thay đổi này không lớn.Tâm lực cản ngang K thay đổi trong giới hạn rộng phụ thuộc vào góc dạt Φ của tàu Hình dángphần ngâm nớc có ảnh hởng nhiều đến tính ổn định hớng đi hơn là phần trên đờng nớc Để làmtốt tính ổn định hớng đi, tâm gió U và tâm lực cản ngang K càng gần nhau càng tốt

1.2.4 Các thông số xác định đặc trng tính quay trở của tàu

Tuỳ thuộc vào từng loại tàu, vùng hoạt động và công dụng của nó ngời ta định ra các tiêuchuẩn đánh giá tính ăn lái của tàu.Ví dụ, đối với tàu biển, việc quay trở 1800 là không khókhăn, do đó ngời ta u tiên cho tính ổn định hớng đi là chủ yếu, ngợc lại tàu sông phải u tiên chotính quay trở nhiều hơn

Hơn nữa việc đánh giá tính ăn lái của tàu có xét đến tất cả các yếu tố ảnh hởng là khó khăn,

do đó để đánh giá tính ăn lái của tàu, ngời ta thờng dựa vào một số tiêu chuẩn sau:

Hình 1.7 Quĩ đạo chuyển động hình sin của tàu

Tiêu chuẩn 1: là tiêu chuẩn thờng đợc áp dụng nhất: đó là sự liên hệ giữa đờng kính lợn

vòng tĩnh DT và chiều dài tàu L: DT =f(L) Giá trị DT càng nhỏ thì tính quay trở của tàu càng tốt.Thực tế ngời ta thiết lập đợc sự phù hợp giữa DT và L, tính cơ động của tàu đợc xem là đảm bảonếu:

Đối với tàu sông: DT = (1,2 - 2,8).L (1.9)

Đối với tàu biển: DT = (2,8 - 4,0).L

Tiêu chuẩn 2: là tiêu chuẩn vận tốc góc quay của tàu, tính quay vòng của tàu đợc coi là

đảm bảo nếu tốc độ góc quay vòng của trọng tâm tàu G thoả mãn:

Đối với tàu sông: ω = (130 - 290), 0 /phút (1.10)

Đối với tàu biển: ω = (90 - 130), 0 /phút.

Chú ý: Giá trị trên đợc tính từ thời điểm bắt đầu bẻ lái đến lúc bắt đầu quay vòng với thời gian từ khi bánh lái còn nằm ở vị trí mặtphẳng đối xứng đến khi bánh lái sang mạn.

Tiêu chuẩn 3 : Tiêu chuẩn cơ bản nhất để đánh giá tính ăn lái của tàu, là cho tàu chạy

dạng hình sin Giả sử tàu đang chuyển động trên hớng thẳng Ox, khi đó ta bẻ lái sang phải góc

αpF = 300 - 450 ,tới khi mặt phẳng đối xứng của tàu tạo với hớng đi ban đầu một góc θF = 150

-200 thì lại bẻ lái về mạn trái góc αpT = 300 - 450, cho đến khi mặt phẳng đối xứng của tàu tạo vớihớng đi ban đầu một góc θT = 150- 200 thì lại bẻ lái sang phải một góc αpF = 300 - 450, v.v Quátrình trên cứ tiếp diễn nếu tàu di chuyển trên quãng đờng S trong thời gian từ 4 - 5 phút thì tính

ăn lái của tàu đợc coi là đảm bảo

1.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của bánh lái

1- prôfin bánh lái; 2 - càng treo bánh lái; 3 - trụ lái

1.3.2 Chiều cao của bánh lái

Chiều cao của bánh lái là khoảng cách đo theo phơng trục lái giữa điểm cao nhất và điểmthấp nhất của tấm bánh lái

F

b = Σ

Đơn vị: m.

1.3.4 Độ dang của bánh lái

Độ dang của bánh lái là tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng trung bình của tấm bánh lái

Ký hiệu:

P

2 P CP

P P

P

F

h b

h b

Thông thờng λ = 0,5 - 3 Theo Qui phạm, λ không lên lấy quá 2

1.3.5 Prôfin bánh lái và chiều dày của nó

Prôfin bánh lái là đờng biên tiết diện ngang trong mặt phẳng nằm ngang vuông góc vớitrục lái

Giá trị lớn nhất của tung độ prôfin bánh lái đợc gọi là chiều dày lớn nhất của prôfin bánhlái

1.3.6 Hoành độ chiều dày lớn nhất của frôfin

Khoảng cách từ mép trớc của prôfin bánh lái tới tung độ có chiều dày lớn nhất của nó đợcgọi là hoành độ chiều dày lớn nhất của prôfin bánh lái

Ký hiệu:

P

' P F

1.4 Lựa chọn các yếu tố cơ bản của bánh lái.

Lực thuỷ động tác động lên tấm bánh lái

1.4.1 Lựa chọn các yếu tố cơ bản của bánh lái

1.4.1.1 Lựa chọn diện tích bánh lái

Diện tích bánh lái dạng thoát nớc kết cấu bình thờng, không có thiết bị chuyên môn làmtăng áp lực nớc trên tấm bánh lái, có thể đợc tính theo công thức sau:

T L T L A

1

Σ , m 2 (1.12)trong đó: ∑FP - tổng diện tích của các bánh lái, m 2

L - chiều dài giữa hai đờng vuông góc của tàu, m.

T - chiều chìm trung bình của tàu ở trạng thái toàn tải, m.

A, à - hệ số diện tích bánh lái, biểu thị phần trăm của diện tích bánh lái với diện tíchhình chiếu phần vỏ bao ngâm nớc của tàu lên mặt phẳng đối xứng, với à = 1/A, tra

bảng theo thống kê số liệu các tàu biển và tàu nội địa đã đợc chế tạo khai thác trênthế giới.

Hình 1.10 Diện tích của bánh lái.

Diện tích của tấm bánh lái của tàu tự hành phải không nhỏ hơn diện tích đợc tính theocông thức sau:

=

75 L

150 75

, 0 100

T L q p

FPmin , m 2 (1.13)trong đó : L, T - chiều dài thiết kế và chiều chìm của tàu, m

p = 1,2 - cho bánh lái không làm việc trực tiếp sau chong chóng

p = 1 - cho bánh lái làm việc trực tiếp sau chong chóng

q = 1,25 - cho tàu kéo

q = 1 - cho các tàu còn lại

Ví dụ: Prôfin của Viện nghiên cứu hàng không vũ trụ Mỹ NASA có mã số:

NASA 0018; NASA 0015; NASA 0012; v.v

Hai chỉ số : 00 - chỉ đờng trung bình của prôfin Nếu đờng trung bình là 00 thì prôfin làprôfin đối xứng

Các chỉ số 12, 15, 18 chỉ phần trăm (%) chiều dày trung bình của prôfin so với chiều rộngcủa prôfin (tức là: t = 0 , 12 ; 0 , 15 ; 0 , 18 ; v v )

Ngành đóng tàu hiện nay sử dụng phổ biến dạng poôfin đối xứng NASA, N.E.J, XA-GI,v.v Trong đó dạng NASA dùng cho bánh lái của tàu có tốc độ trung bình dạng đuôi tuần dơng,bánh lái đặt trực tiếp sau chong chóng Loại N.E.J dùng cho tàu chạy nhanh Loại XA-GI dùngcho tàu 2 chong chóng, bánh lái đặt trong mặt phẳng dọc tâm, và bánh lái mũi

Hình 1.11 Các dạng prôfin của bánh lái.

1.4.2 Lực thuỷ động tác dụng lên tấm bánh lái

Giả sử tàu đang chuyển động thẳng, ta bẻ lái một góc αP Trên tấm bánh lái xuất hiện lựcthuỷ động P đặt tại tâm áp lực K Phân tích lực P theo phơng pháp tuyến và tiếp tuyến, ta có PN

và PT (P= PN + PT)

trong đó: PN - áp lực pháp tuyến (vuông góc với mặt phẳng đối xứng của bánh lái)

PT - song song và trùng với mặt phẳng đối xứng của bánh lái - áp lực tiếp tuyến.Mặt khác, ta có thể phân tích P thành PX và PY

trong đó: PX - thành phần lực cản của bánh lái

PY - thành phần lực dạt của bánh lái

Y 2 X 2 T 2

Hình 1.12 Lực thủy động tác dụng lên tấm bánh lái

Ngời ta xác định các thành phần lực và mô men thông qua các hệ số không thứ nguyên

nh sau:

P

2 CP X

2 CP

M v F b C

2

1

σ , kG.m (1.19)

trong đó: Cm - hệ số mômen, là đại lợng không thứ nguyên

Fp - diện tích toàn bộ của tấm bánh lái, m 2

x

C = , CD là đại lợng không thứ nguyên.

trong đó: vCP - vận tốc của dòng nớc chảy đến bánh lái, m/s.

Các hệ số: CX, CY, CM,CD xác định thông qua việc thống kê các prôfin bánh lái đã đợc sửdụng, từ đó vẽ nên đồ thị: Ci = f(λ, αP, v.v ) do các cơ quan nghiên cứu đa ra

(1.17)

Các đồ thị đó xây dựng cho hai trờng hợp: tàu chạy tiến và tàu chạy lùi đồng thời chỉ xâydựng cho các bánh lái có độ dang λ = 0,8; 1,0 và 1,5 (đồ thị sẽ tìm thấy trong Sổ tay thiết bịtàu thủy, tập 1, NXB GTVT - 1886).

Trong trờng hợp bánh lái NASA có các độ dang khác với các giá trị cho ở đồ thị, ta có thểtính đợc các hệ số Ci thông qua bánh lái chuẩn có độ dang λ0 = 6

2 Y 1 X

1 1 3 , 57 C

; 1 1 1

trong đó: CXo, CYo, CMo là các hệ số của bánh lái chuẩn λ0 = 6 ở góc bẻ lái αPo

CX, CY, CM là các hệ số của bánh lái có độ dang λ thiết kế ở góc bẻ lái αP

Ngoài ra, với các λ không có trong đồ thị ta có thể tính toán các hệ số C i thông qua cáccông thức thực nghiệm

Hình 1.13 Đồ thị xác định các hệ số lực và mô men thủy động trên bánh lái

1.4.3 Xác định vị trí đặt trục lái tối u

Ta có mômen xoắn thuỷ động lấy đối với mép trớc bánh lái

CP P

2 CP

M v F b C

2

2 CP N P

2

1 x P