khái niệm chung về thiết bị lái tàu thủy

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

Chương 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 là khả năng giữ nguyên hoặc thay đổi hướng đi theo ý muốn của người lái tàu

1.1.1 Khái niệm

Trên các tàu tự hành (ngay cả một số tàu không tự hành) người ta thường trang bị các thiết

bị lái 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 hướng đi và tính quay vòng

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

Tính quay vòng là khả năng thay đổi hướng chuyển động và được mô tả bởi quỹ đạo cong khi bẻ lái

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

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

Trên tàu để đảm bảo tính ăn lái, người ta có thể bố trí nhiều loại thiết bị lái hoạt động độc lập hoặc phối hợp như: bánh lái, đạo lưu định hướng xoay, chóng chóng (tàu lắp nhiều chong chóng), thiết bị phụt nước, chân vịt, v.v nhưng phổ biến nhất là bánh lái và đạo lưu định hướng xoay vì 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 nước nhúng chìm trong nước, còn đạo lưu định hướng xoay là một vật thể hình trụ tròn xoay có dạng prôfin thoát nước theo 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 nước

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

Trong bảng 1.1, KT - hệ số tải của chong chóng; D - đường kính chong chóng; tmax- chiều dày lớn nhất của frôfin bánh lái; bP - chiều rộng bánh lái; - 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 được 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 thước cơ bản của khung giá lái tàu một chong chóng

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

Trong mọi trường hợp bánh lái phải bố trí chìm trong nước, mép trên bánh lái đặt càng sâu trong nước càng tốt

Nếu gọi khoảng cách từ mép trên của bánh lái đến mép nước tự do là tp thì tp được lấy như 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 thoả mãn 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 bằng của đưòng nước chở hàng mùa hè KWL

Với bánh lái cân bằng và bán cân bằng ,mép dưói của bánh lái phải đặt cao hơn đường cơ bản và không thấp hơn mép dưới của chong chóng

Với bánh lái treo, việc nối giữa bánh lái và trục lái là kết cấu hàn, phải lưu ý đến chiều cao của 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 lượn vòng của tàu khi bẻ lái

Giả sử tàu đang chạy theo hướng thẳng với vận tốc v (hình 1.3.a) trong điều kiện mặt nước 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 tàu bao gồm:

Lực cản của nước đến chuyển động của tàu R nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu, có chiều ngược với vận tốc của tàu

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

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

đó xuất hiện áp lực thuỷ động của nước 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 p đó thì lực P sẽ làm thay đổi quĩ đạo chuyển động của tàu và làm xuất hiện, biến đổi các thành phần lực khác Quĩ đạo chuyển động của tàu khi đó gọi là quĩ

đạo lượn vòng của tàu

Để xét và biết được 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 phương, ngược chiều) P’

và P” cùng phương, 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).cos p) có chiều về phía bẻ lái)

Lực P” được phân tích thành hai lực P1 và P2, trong đó lực P1 có phương của mặt phẳng đối xứng 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 phương vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu, làm dạt tàu về hướng ngược với hướng bẻ lái gọi là lực dạt

Do tàu chuyển động dạt, nên xuất hiện lực cản theo phương ngang R0 cùng phương, ngược chiều với P2 Nếu cứ giữ nguyên góc bẻ lái p 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 quay tàu về hướng bẻ lái Dưới tác dụng của mô men M1, tàu quay quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm tàu G về hướng bẻ lái Đồng thời sự quay vòng này làm đổi phương của lực đẩy T mà nhờ đó tàu đổi hướng 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 thường KT nằm ở khoảng giữa trọng tâm tàu G và đường 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 phương vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu vànói chung không đi qua trọng tâm tàu G Thành phần này phát sinh mô men phụ M2 = Ry.lp’, (lp’ là tay đòn của mô men M2 bằng khoảng cách KTG) cùng chiều với mô men M1 làm tăng chuyển động quay của tàu về hướng bẻ lái Khi KT nằm ở khoảng giữa trọng tâm tàu G và đường vuông góc đuôi thì mô men M2 ngược chiều với mô men M1, nó cản trở lại sự quay của tàu theo hướng bẻ lái

Khi tàu chuyển động theo hướng thẳng, vận tốc tàu v có phương của mặt phẳng đối xứng,

với quĩ đạo lượn vòng mà nó tạo với tiếp tuyến đómột góc và có giá trịtăngdần, gọi là góc lệch hướng của tàu Tốc độ vi và góc lệch hướng i 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 vi không giảm, góc lệch hướng i không tăng

và đạt đến giá trị không đổi thì quĩ đạo của tàu lúc đó ổn định Khi đó coi tàu quay quanh một trục thẳng đứng tưởng tượng nào đó đi qua điểm O trong không gian với vận tốc góc = const Gọi khoảng cách từ O đến các điểmxác định trên tàu là bán kính Ri , thì quĩ đạo lượn vòng ổn

định khi Ri = const

G

Quỹ đạo của trọng tâm G

+ + +

+

- +

-+

Rx R

Ry K

 P K

Ro=f(vn)P

P'

P'' P

T P



v



T T

P

p

2 1

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 biệt trên tàu Tại điểm C (CO vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu), tốc độ tiếp tuyến vC của tàu là nhỏ nhất, tốc độ này tăng dần cả về phía mũi và phía đuôi của tàu, và nó đạt giá trị lớn nhất tại mút đuôi (điểm A) và mút mũi (điểm B) của tàu Góc lệch hướng tại C là C = 0, góc này có giá trị tăng dần từ điểm C đến các điểm cả về phía mũi và phía đuôi và đạt giá trị lớn nhất tại A và B nhưng có chiều ngược nhau,(góc lệch hướng là góc tạo bởi giữa phương của mặt phẳng đối xứng tàu với phương tốc độ tiếp tuyến với quĩ đạo, góc này có chiều cùng với chiều kim đồng hồ cho những điểm nằm giữa C và mút mũi, ngược 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 tiến theo mặt phẳng đối xứng của tàu Thật vậy, phân tích các vận tốc vi theo phương mặt phẳng đối xứng tàu và vuông góc với nó ta được vxi và vyi tương ứng

Khi đó ta có: vxA = vA cos A = RA cos A = RC (1.2)

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

Giả sử ban đầu tàu chạy theo hướng thẳng với vận tốc v nào đó trên mặt nước yên lặng, khi bắt đầu bẻ lái một góc p và giữ nguyên vị trí của bánh lái ở góc bẻ lái đó trong toàn bộ thời gian sau này của quá trình chuyển động của tàu thì quĩ đạo chuyển động của tàu nhận

được lúc đó gọi là quĩ đạo lượn 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 ta thấy, khi bắt đầu lượn vòng tàu chuyển động chậm lại và bị dạt về hướng ngược với hướng bẻ lái Sau đó tàu mới bắt đầu chuyển động về hướng bẻ lái theo một quĩ đạo cong có bán kính cong giảm dần Mặt phẳng đối xứng của tàu lúc đầu có phương của vận tốc tịnh tiến v sau đó

nó nghiêng dần về tâm O của quĩ đạo, góc lệch hướng có giá trị tăng dần Quĩ đạo lượn vòng của tàu được xem là ổn định khi các đại lượng đặc trưng cho chuyển động đạt đến giá trị không

đổi, như

Vận tốc vi = vmin = const,

Góc lệch hướng = max = const,

Bán kính quĩ đạo R = Rmin = const

Người ta chia toàn bộ quá trình chuyển động của tàu trong thời gian lượn 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 tác dụng lên tàu (hình 1.4)

Giai đoạn 1: còn gọi là giai đoạn triển khai , được tính từ thời điểm bắt đầu bẻ lái đến khi kết thúc bẻ lái, tức là góc bẻ lái đạt đến giá trị p, giai đoạn này xảy ra trong khoảng thời gian

10 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 hướng ngược với hướng bẻ lái do lực dạt P2 Quĩ đạo chuyển động có dạng chữ S, mũi tàu dần quay về hướng bẻ lái nhờ mô men M1, mặt phẳng đối xứng của tàu tạo với tiếp tuyến của quĩ đạo lượn vòng do trọng tâm tàu G vạch ra một góc lệch hướng

G



 p G

T

o

p

G G

Hình 1.4 : Quỹ đạo luợn vòng của tàu

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

đến khi các đại lượng đặc trưng cho chuyển động đạt đến giá trị không đổi ( vi = vmin = const,

= max = const, R = Rmin = const.), thông thường thời điểm này đạt được khi tàu quay được một góc 900 1000 so với hướng đi ban đầu

Đặc điểm chuyển động của giai đoạn này là, vận tốc tàu tiếp tục giảm, góc lệch hướng của tàu 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 điểm chuyển động, chúng cân bằng với các lực quán tính khối lượng của tàu (định luật d’Alambert)

Giai đoạn 3: còn gọi là giai đoạn lượn vòng ổn định được tính từ thời điểm kết thúc giai

đoạn 2 cho đến toàn bộ thời gian sau này của quá trình lượn vòng, nếu vẫn giữ nguyên góc bẻ lái p đó

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

đường tròn có bán kính không đổi R = Rmin = const, với vận tốc không đổi vi = vmin = const và góc lệch hướng không đổi = max = const

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

Rx tăng từ thời điểm bắt đầu lượn vòng, gây giảm dần tốc độ tàu, đến lúc mà lực này cân bằng với lực đẩy T ở thời điểm nào đó, điểm KT dịch về phía sau trọng tâm tàu G, mô men M2

ngược chiều 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 hướng Góc này thường có giá trị từ 50 đến hơn 100

Như vậy ta đã khảo sát quá trình lượn vòng của tàu khi bẻ lái, quĩ đạo lượn vòng được xác lập với các thông số đặc trưng sau:

Đường kính quĩ đạo lượn vòng ổn định: D = 2.Rmin

Đường kính lượn vòng ổn định tĩnh ( đường kính xác lập quay vòng ): DT là khoảng cách giữa hai mặt phẳng đối xứng của tàu trước và sau khi nó quay được một góc 1800

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

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

Đoạn chuyển động dạt: l3 - khoảng cách từ trọng tâm tàu ở vị trí dạt xa nhất đến hướng đi ban đầu

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

Tàu chạy trên mặt nước chịu tác dụng của các ngoại lực như sóng, gió, dòng chảy, v.v khi thời tiết xấu các lực này tăng rất nhanh, làm lệch hướng đi của tàu Đặc tính chống lại các ngoại lực, giữ được hướng đi ban đầu được gọi là tính ổn định hướng đi của tàu

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

áp lực gió lên phần trên đường nước vận hành, đặc biệt là phần thượng tầng và lầu

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

áp lực không đều của nước 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 hướng với góc Bánh lái được đặt ở mặt phẳng đối xứng của tàu, tàu chịu tác dụng của các lực (hình 1.6)

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

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

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 phương mặt phẳng đối xứng và vuông góc với nó ta có:

Mô men làm lệch hướng đi của tàu đã chọn

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

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

Py = W.sin - R.sin (1.7)

So với mặt phẳng đối xứng một góc

tg p = (W.sin - R.sin ) / [T - (W.cos + R.cos )] (1.8)

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

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

Tâm gió U thường di chuyển về phía lái, khi hướng 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 của tàu Hình dáng phần ngâm nước có ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định hướng đi hơn là phần trên đường nước Để làm tốt tính ổn định hướng đi, tâm gió U và tâm lực cản ngang K càng gần nhau càng tốt

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

Tuỳ thuộc vào từng loại tàu, vùng hoạt động và công dụng của nó người ta định ra các tiêu chuẩn đánh giá tính ăn lái của tàu.Ví dụ, đối với tàu biển, việc quay trở 1800 là không khó khăn, do đó người ta ưu tiên cho tính ổn định hướng đi là chủ yếu, ngược lại tàu sông phải ưu tiên cho tính quay trở nhiều hơn

Hơn nữa việc đánh giá tính ăn lái của tàu có xét đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng là khó khăn, do đó để đánh giá tính ăn lái của tàu, người ta thường dựa vào một số tiêu chuẩn sau:

Hình 1.7 Quĩ đạo chuyển động hình sin của tàu

Tiêu chuẩn 1: là tiêu chuẩn thường được áp dụng nhất: đó là sự liên hệ giữa đường kính lượn 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 người ta thiết lập được sự phù hợp giữa DT và L, tính cơ động của tàu được xem là đảm bảo nếu:

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 được coi là

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

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

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

Chú ý: Giá trị trên được 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 hướng thẳng Ox, khi đó ta bẻ lái sang phải góc pF = 300 - 450 ,tới khi mặt phẳng đối xứng của tàu tạo với hướng đi ban đầu một góc F =

150- 200 thì lại bẻ lái về mạn trái góc pT = 300 - 450, cho đến khi mặt phẳng đối xứng của tàu tạo với hướng đi ban đầu một góc T = 150- 200 thì lại bẻ lái sang phải một góc pF = 300 - 450, v.v Quá trình trên cứ tiếp diễn nếu tàu di chuyển trên quãng đường S trong thời gian từ 4 - 5 phút thì tính ăn lái của tàu được coi là đảm bảo

1.3 Các thông số kỹ thuật cơ bản của bánh lái

Hình 1.8 Kích thước 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 phương trục lái giữa điểm cao nhất và điểm thấp nhất của tấm bánh lái

h

F

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

hb

hb

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

1.3.5 Prôfin bánh lái và chiều dày của nó

Prôfin bánh lái là đường biên tiết diện ngang trong mặt phẳng nằm ngang vuông góc với trục lái

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

Ký hiệu: tmax Đơn vị: m

Chiều dày tương đối của prôfin là tỉ số giữa chiều dày lớn nhất tmax và chiều rộng bP của prôfin

Ký hiệu: 0,1 0,3

b

tt

P max  

Khitcàng lớn thì chất lượng thuỷ động của bánh lái càng giảm rõ rệt Vì vậy thông thườngt 0,10,25, chỉ có trường hợp đặc biệt thì t  0 , 25

1.3.6 Hoành độ chiều dày lớn nhất của frôfin

Khoảng cách từ mép trước của prôfin bánh lái tới tung độ có chiều dày lớn nhất của nó

được gọi là hoành độ chiều dày lớn nhất của prôfin bánh lái

1.3.9 Góc tấn

Góc tấn của bánh lái là góc tạo bởi giữa mặt phẳng đối xứng của prôfin bánh lái và mặt

phẳng đi qua trục lái, song song với phương vận tốc dòng nước chảy tới bánh lái

Ký hiêu: P0

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 nước kết cấu bình thường, không có thiết bị chuyên môn

làm tăng áp lực nước trên tấm bánh lái, có thể được tính theo công thức sau:

T L T L A

1

 , m2 (1.12) trong đó: FP - tổng diện tích của các bánh lái, m2

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

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

A, - hệ số diện tích bánh lái, biểu thị phần trăm của diện tích bánh lái với diện tích

hình chiếu phần vỏ bao ngâm nước của tàu lên mặt phẳng đối xứng, với = 1/A, tra

bảng theo thống kê số liệu các tàu biển và tàu nội địa đã được chế tạo khai thác trên

thế 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 được tính theo

150 75

, 0 100

T L q p

FPmin , m2 (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

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 đường trung bình của prôfin Nếu đường trung bình là 00 thì prôfin là prôfin đối xứng

Các chỉ số 12, 15, 18 chỉ phần trăm (%) chiều dày trung bình của prôfin so với chiều rộng của 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 dương, bánh lái đặt trực tiếp sau chong chóng Loại N.E.J dùng cho tàu chạy nhanh Loại XA-

GI dùng cho 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 P Trên tấm bánh lái xuất hiện lực thuỷ động P đặt tại tâm áp lực K Phân tích lực P theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến, ta có   

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

P

P     , kG (1.14) Góc bẻ lái P = Góc tấn P0 = Góc hợp bởi phương (v,xx) = 0 thì ta có mối quan hệ:

Hình 1.12 Lực thủy động tác dụng lên tấm bánh lái Người ta xác định các thành phần lực và mô men thông qua các hệ số không thứ nguyên như sau:

P

2 CP X

X C v F 2

1

P

2 CP Y

Y C v F 2

1

P

2 CP N

N C v F 2

1

P

2 CP T

T C v F 2

1

trong đó: CX, CY, CN, CT - tương ứng là hệ số lực cản, hệ số lực dạt, hệ số lực pháp tuyến, hệ số lực tiếp tuyến và là những đại lượng không thứ nguyên

(1.17)

2 CP

M v F b C

2

1

 , kG.m (1.19) trong đó: Cm - hệ số mômen, là đại lượng không thứ nguyên

Fp - diện tích toàn bộ của tấm bánh lái, m2

b

x

C  , CD là đại lượng không thứ nguyên

trong đó: vCP - vận tốc của dòng nước 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 được sử dụng, từ đó vẽ nên đồ thị: Ci = f( , P, v.v ) do các cơ quan nghiên cứu đưa ra

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

Trong trường hợp bánh lái NASA có các độ dang khác với các giá trị cho ở đồ thị, ta có thể tính được các hệ số Ci thông qua bánh lái chuẩn có độ dang 0 = 6

2 Y 1 X

113,57C

;111

trong đó: CXo, CYo, CMo là các hệ số của bánh lái chuẩn 0 = 6 ở góc bẻ lái Po

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

Ngoài ra, với các không có trong đồ thị ta có thể tính toán các hệ số Ci thông qua các công thức thực nghiệm

(1.20)