Thiết kế sơ bộ mô hình tàu đệm khí

Thí nghiệm coffe canCHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tổng quan vể đề tài Hovercraft – tàu đệm khí, là một phương tiện di chuyển đặc biệt, tự tạo cho mình một đệm khí phía dưới và di chuyển trên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

- -

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ SƠ BỘ MÔ HÌNH TÀU

ĐỆM KHÍ

Giảng viên hướng dẫn : ThS ĐỖ VĂN TÁ

Khánh Hòa - 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

BỘ MÔN KỸ THUẬT TÀU THỦY

- -

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ SƠ BỘ MÔ HÌNH TÀU

ĐỆM KHÍ

GVHD: ThS ĐỖ VĂN TÁ SVTH: Nguyễn Phi Hoàn MSSV: 56130687

Khánh Hòa, tháng 7 /2018

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Ngành: Kỹ thuật tàu thủy

Tên đề tài: Thiết kế sơ bộ mô hình tàu đệm khí

Hiện vật: 2 quyển đồ án + 2 CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận:

Nha Trang, ngày……tháng.… năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

ThS ĐỖ VĂN TÁ

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐTTN

Ngành: Kỹ thuật tàu thủy

Tên đề tài: Thiết kế sơ bộ mô hình tàu đệm khí

Hiện vật: 2 quyển đồ án + 2 CD

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Điểm phản biện:

Nha Trang, ngày……tháng.… năm 2018

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

ĐIỂM CHUNG

Bằng số Bằng chữ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Nguyễn Phi Hoàn, mssv: 56130687, sinh viên lớp 56KTTT, Ngành kỹ

thuật tàu thủy, Khoa kỹ thuật giao thông, xin cam đoan:

Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong đề tài này là trung thực, hợp

phương pháp, góp ý, phê bình để tôi có thể làm đồ tài của mình tốt hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Phi Hoàn

MỤC LỤC

Quyết định giao đồ án i

Nhận xét của cán bộ hướng dẫn ii

Phiếu đánh giá chất lượng DTTN iii

Lời cam đoan iV Lời cảm ơn V Mục lục Vi Danh mục hình vẽ Vii Danh mục bảng biểu: Viii PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1 Tổng quan vể đề tài 2

1.2 Mục tiêu, phương pháp và giới giạn phạm vi nghiên cứu 4

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.2.2 Phương pháp thiết kế 4

1.2.3 Giới hạn pham vi nghiên cứu 4

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT TÀU ĐỆM KHÍ 5

2.1 Phân Loại Các Tàu 5

2.1.1 Tàu Một Thân (Monohuls) 5

2.1.2 Tàu cánh ngầm (Hydrofoils ) 7

2.1.3 Tàu nhiều thân (Multihulls ) 8

2.1.4 Tàu đệm khí (Hovercraft) 9

2.1.4.1 Tàu đệm khí ACV (Air Cushion Vehicle) 10

2.1.4.2 Tàu đệm khí SES (Surface Effect Ship) 10

2.2 Tổng Quan Về Tàu Đệm Khí ACV (Air Cushion Vehicle) 11

2.2.1 Nguyên lý hoạt động (The Hovercraft Principle) 11

2.2.1.1 Hoạt động của tàu đệm khí 12

2.2.1.2 Màng động lượng (Momentum Curtain) 12

2.2.1.3 Phân loại hệ thống nâng 13

2.2.2 Động cơ (Engine) 15

2.2.3 Váy khí (Skirt System) 17

2.2.3.1 Các yêu cầu đối với váy khí: 18

2.2.3.2 Cácloại váy khí 18

2.2.4 Ổn định (Stability) 21

2.2.4.1 Lý thuyết ổn định 21

2.2.4.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến ổn định: 23

2.2.4.3 Một số tiêu chuẩn về ổn định của tàu đệm khí 23

2.2.5 Ứng dụng của tàu đệm khí hiện 24

2.2.6 Ưu điểm và nhược điểm của ACV 25

2.2.6.1 Ưu điểm 25

2.2.6.2 Nhược điểm 27

Chương 3 THIẾT KẾ SƠ BỘ TÀU ĐỆM KHÍ 28

3.1 Tổng Quan Về Thiết Kế : 28

3.2 Nhiệm Vụ Thư 29

3.3 Phương Án Thiết Kế 29

3.4 Xác Định Đặc Điểm Hình Học 30

3.5 Thiết Kế Đường Hình Tàu Đệm Khí 34

3.6 Thiết Kế Kết Cấu 35

3.6.1 Lựa chọn kết cấu 35

3.6.2 Lớp vỏ tàu 35

3.6.2.1 Lớp mạn 35

3.6.2.2 Lớp đáy 35

3.6.2.3 Lớp boong 36

3.6.3 Sườn ngang 36

3.6.3.1 Lựa chọn quy cách sườn 36

3.6.3.2 Kích thước sườn: 37

3.6.4 Dầm dọc mạn 39

3.6.5 Xà ngang boong 41

3.6.6 Dầm dọc Đáy 43

3.6.7 Vách kín nước 44

3.6.7.1 Chiều dày của vách 44

3.6.7.2 Nẹp vách 45

3.7 Bố Trí Chung 48

3.8 Lực Nâng 50

3.9 Lực Đẩy 52

3.10 Ổn Định 55

3.10.1 Trường hợp mở váy khí 55

3.10.2 Trường hợp tắt váy khí 55

Chương 4 KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Thí nghiệm coffe can 2

Hình 1.2 Chân dung Christopher Cockerell và mẫu tàu đệm khí SR-N1 3

Hình 1 3 Mô hình tàu đệm khí 3

Hình 1.4 Tàu đệm khí 4

Hình 2.1 Phân loại các loại tàu khác nhau 5

Hình 2 2 So sánh giữ tàu 2 loại tàu của tàu một thân 6

Hình 2.3 Hiện tượng tàu lướt trên mặt nước 6

Hình 2 4 Phân loại 2 loại tàu cánh ngầm 7

Hình 2 5 Cảm biến tốc tộ của tàu có cánh chìm 8

Hình 2 6 Tàu ba thân (tri-catamaran) và Tàu hai thân (catamaran) 9

Hình 2 7 So sánh ổn định của tàu SWATH khi gặp sống lớn 9

Hình 2 8 Tàu SWATH 9

Hình 2 9 Tàu đệm khí SES 9

Hình 2 10 Tàu đệm khí ACV 9

Hình 2.11 Mẫu tàu đệm khí ACV 10

Hình 2 12 Mẫu tàu đệm khí SES 10

Hình 2.13 Nguyên lý hoạt độngc của tàu đệm khí 11

Hình 2 14 Lý thuyết màng động lượng (Momentum Curtain) 13

Hình 2 15 Lý thuyế Open plenum 13

Hình 2 16 Mô hình tàu theo lý thuyết màng động lượng (Momentum Curtain) 13

Hình 2 17 Mô hình tàu theo lý thuyết Open plenum 13

Hình 2.18 Open-Plenum Design 14

Hình 2.19 Phản Lực Ngoại Vi (Peripheral Jet) 14

Hình 2 20 Váy Khí Linh Hoạt (Flexible Skirt) 14

Hình 2.21 Tàu đệm khí sử dụng 1 động cơ 15

Hình 2 22 Tàu đệm khí sử dụng 1 động cơ lai hai cánh quạt 16

Hình 2.23 Tàu đệm khí sử dụng 2 động cơ 16

Hình 2 24 Hệ thống điểu khiển của tàu đệm khí 17

Hình 2 25 Tàu đệm khí có váy khí dạng túi (bag skirt) 19

Hình 2 26 Váy khí dạng túi (bag skirt) loại 1 19

Hình 2 27 Váy khí dạng túi (bag skirt) loại 2 20

Hình 2 28 Tàu sử dụng váy dạng ngón 20

Hình 2 29 Váy dạng ngón (The finger or segment skirt) 20

Hình 2 30 Tàu sử dụng váy dạng túi và ngón hổn hợp (The bag and finger skirt) 21

Hình 2 31 Váy dạng túi và ngón hổn hợp (The bag and finger skirt) 21

Hình 2 32 Ổn định tàu trên cạn 22

Hình 2 33 Ổn định tàu trên mặt nước 22

Hình 2 34 Dịch chuyển của tâm đệm khí khi tàu nghiên 23

Hình 2.35 Một số ứng dụng của tàu đêm khí 25

Hình 2 36 Tàu đệm khí di chuyển trên các địa hình khác nhau 26

Hình 2 37 Váy khí bị hư hỏng 27

Hình 2 38 Các mẫu tàu đệm khí của tương lai 27

Hình 3 1 Tàu UH 16S Hovercraft Kit 31

Hình 3 2 Tàu UH-14P Super Sportsman 31

Hình 3 3 Tàu UH-13P Sportsman 31

Hình 3 4 Kích thước tàu được chọn 34

Hình 3 5 kết cấu sườn kiểu mũ có lõi foam 36

Hình 3.6 Bảng vẽ kết cấu tàu 47

Hình 3 7 Không gian ngồi thoải mái nhất cho hành khách 48

Hình 3 8 Bố trí chung 3D 49

Hình 3 9 Bố trí khu vực luồn hơi 49

Hình 3 10 Các lỗ váy khí 49

Hình 3 11 Động cơ nâng được chọn 51

Hình 3 12 Cách gắn động cơ nâng 51

Hình 3 13 Hệ số sức cản sóng 54

Hình 3 14 Động cơ đẩy được chọn 54

Hình 3 15.Cách gắn động cơ đẩy 54

Hình 3 16 Đồ thị ổn định tĩnh trường hợp 2 57

Hình 3 17 Đồ thị ổn định tĩnh trường hợp 1 57

Hình 3 18Đồ thị ổn định tĩnh trường hợp 3 57

Hình 3 19 Đồ thị ổn định tĩnh trường hợp 4 58

DANH MỤC BẢNG BIỂU:

Bảng 3.1 Các kích thước cơ bản và thông số của một số tàu ACV [1] 30

Bảng 3.2 Bảng xác định kích thước tàu 33

Bảng 3.3 Tổng hợp Quy cách kết cấu 47

Bảng 3.4 Kiểm tra khối lượng kết cấu 48

Bảng 3.5 Bảng tính công suất cần cho lực nâng 50

Bảng 3.6 Bảng tính công suất cần cho lực đẩy 52

Bảng 3.7 Tính ổn định các trường hợp 56

Nhưng một vấn đề hạn chế vẫn còn tồn tại là đối với các phương tiện cứu hộ thông thường như tàu bè hiện nay thì việc tiếp cận đối với những vùng có địa hình phức tạp như những vùng có nước chảy xiết, có đầm lầy, những vùng nước cạn nhưng lại có nhiều hầm hố bị nước phủ thì cực kì khó khăn Vì thế đặt ra một yêu cầu là cần phải có một loại phương tiện thích hợp hơn trong công tác cứu hộ, một loại phương tiện có khả năng di chuyển linh hoạt hơn trong các vùng lũ lụt, giúp cho công tác hỗ trợ đồng bào một cách kiệp thời và hiệu quả hơn Tàu đệm khí là tàu hoạt động dựa trên nguyên lý khí động học, là một loại tàu đa năng, hoạt động trên một vùng rộng, lưỡng cư (thủy, bộ phối hợp) Tàu không chỉ chạy trên mặt nước sâu, mặt nước cạn, nơi có nhiều rong rêu

mà còn lướt trên cả mặt đất nên rất phù hợp trong công tác cứu hộ Trên thế giới tàu đệm khí đã được nghiên cứu từ lâu và đang được sử dụng rất rộng rãi, nhưng giá thành vẫn cao và vẫn còn mang tính chất bản quyền Trong nước thì đã có rất nhiều tổ chức

và cá nhân đang tiến hành nghiên cứu về tàu đệm khí và cũng đã có những thành công bước đầu Nhưng công nghệ này vẫn còn khá lạ lẫm đối với Việt Nam Và chưa nhận được sự quan tâm thích đáng so với tiềm năng của nó Là một sinh viên ngành tàu thủy, tôi muốn được cùng tham gia vào quá trình tìm hiểu và nghiên cứu một phương tiện mới

của thời đại Đây chính là lý do tôi thực hiện đề tài “Thiết kế sơ bộ mô hình tàu đệm

khí” Đề tài sẽ góp phần tạo ra một tiền đề, một cảm hứng cho các sinh viên khóa sau

tiếp tục nghiên cứu và phát triển hơn nữa và có thể chế tạo ra một con tàu đệm khí hoàn

chỉnh để phục vục cho những nhu cấp thiết trên

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Phi Hoàn

Hình 1.1 Thí nghiệm coffe can

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tổng quan vể đề tài

Hovercraft – tàu đệm khí, là một phương tiện di chuyển đặc biệt, tự tạo cho mình một đệm khí phía dưới và di chuyển trên đệm khí đó, tàu có khả năng lơ lửng trên không (hover), nhờ một động cơ quạt thổi khí đều đặn vào trong váy (kết cấu bao quanh tàu)

và tạo ra một lớp đệm không khí có áp suất cao dưới đáy tàu tạo ra lực nâng cho tàu, và một động cơ đẩy thổi không khí về phía sau giúp tàu di chuyển về phía trước Nhờ di chuyển trên lớp đệm khí nên nó có thể di chuyển trên các bề mặt mặt khác nhau có thể

là bằng phẳng, có thể là một con dốc, mặt nước, bề mặt đóng băng mà không hề chạm vào bề mặt đó Tàu đệm khí có một số ưu điểm cơ bản so với các loại tàu khác là:

- Nhờ lớp đệm không khí, giảm được sự ma sát nên tàu có khả năng chạy với tốc độ cao và tiêu hao nhiên liệu ít hơn, cũng đồng thời êm hơn, không say sóng

- Tính cơ động cao, có khả năng di chuyển trên nhiều địa hình phức tạp

Với những ưu điểm kể trên cho thấy tàu đệm khí hứa hẹn là một phương tiện di chuyển tuyệt vời trong tương lai Đặc biệt rất thích hợp cho mục đích cứu hộ cứu nạn ở các vùng

lũ lụt

Nhìn lại lịch sử phát triển của tàu đệm khí, từ khi mà con người có những ý tưởng

sơ khai đầu tiên về tàu đệm khí vào những năm của thế kỉ 18 Trải qua sự phát triển hơn

300 năm của nó, từ bảng phác thảo đầu tiên của Swedenborg, đến mẫu tàu đầu tiên của Thomamühl, tiếp theo là của Kaario, cùng biết bao nhiêu nỗ lực cải tiến của biết bao nhà phát minh trong suốt hàng trăm năm đó Để rồi đến sản phẩm thương mại đầu tiên của Cockerell ra đời

Vào năm 1952, Cockerell nghiên cứu về

hệ thống bôi trơn bằng không khí, sau đó ông

nghiên cứu sâu hơn về ý tưởng tạo ra đệm khí

Ông thực hiện những thí nghiệm đơn giản gọi

là “coffee can” bằng cách dùng động cơ máy

hút bụi và hai hộp hình trụ để tạo ra một động

cơ phản lực, chìa khóa để phát minh ra tàu chạy

trên đệm khí

Hình 1.2 Chân dung Christopher Cockerell và mẫu tàu

Cho đến ngày nay, tàu đệm khí luôn được cải tiến liên tục để có trở nên hoàn thiện hơn và đạp ứng tốt các nhiệm vụ đặt ra với tàu đệm khí

Ở việt nam, nghiên cứu tàu đệm khí đã có những bước đầu thành công

Tốc độ của tàu đạt khoảng 35-40 (km/h) trên mặt nước, và đạt được khoảng 45 km/h trên mặt nước cứng Tàu nổi trên nước ổn định không bị nghiêng ngang, nghiêng dọc Kết cấu váy và kết cấu tàu đảm bảo độ bền không bị biến dạng Nhưng vẫn còn một

số hạn chế khi tàu hoạt động sinh ra áp suất chưa đạt tối ưu, phần tính váy khí còn nhiều mặt hạn chế

Hình 1.4 Tàu đệm khí

do Ts.Lê Đình Tuân cùng các sinh viên thuộc ĐH Bách Khoa

TPHCM chế tạo

Tàu đã chở được 2 người và có thể chạy được trên cạn và trên mặt nước, một bước tiến lớn về thiết kế tàu đệm khí ở Việt Nam Giá mỗi chiếc tàu như vậy sẽ có giá

từ 100 – 150 triệu đồng, tốc độ tàu là khoảng 60 km/giờ

Hiện nay cũng có nhiều cá nhân và các tổ chức khác đang nghiên cứu tàu đệm khí một cách độc lập và chưa được công bố

1.2 Mục tiêu, phương pháp và giới giạn phạm vi nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, thiết kế được một mẫu tàu đệm khí đơn giản, thích hợp cho hoạt động cứu hộ

1.2.2 Phương pháp thiết kế

Tàu đệm khí hoạt động trên nguyên lý khá phức tạp, mặc dù ở nước ngoài được

sử dụng phổ biến, nhưng về mặt thiết kế thì còn mang tính bản quyền khó tiếp cận ở Việt Nam Do đó tôi chỉ có thể dựa vào các hình ảnh, video, các thông tin trên các website nước ngoài, kết hợp với việc nghiên cứu lý thuyết ở một số tài liệu để làm cơ

sở thiết kế tàu đệm khí

1.2.3 Giới hạn pham vi nghiên cứu

Do tàu đệm khí là một đề tài khá mới ở Việt Nam chỉ có một vài cá nhân và tổ chức tham gia nghiên cứu thiết kế và ở nước ngoài thì còn mang tính chất bản quyền nên bị hạn chế rất nhiều về tài liệu nghiên cứu cộng với việc thiết kế chủ yếu dùng để thử nghiệm nên ở đề tài này tôi xin chỉ thiết kế tính toán được kích thước tàu và từ kích thước và khối lượng đó có thể tính được lực nâng và lực đẩy đảm bảo cho tàu có thể chạy được trên đệm khí Tất cả các yếu tố khác như tối ưu về hình dáng kích

thước, ổn định tốt, tính thẩm mỹ… xin được bỏ qua

Hình 2.1 Phân loại các loại tàu khác nhau

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT TÀU ĐỆM KHÍ 2.1 Phân Loại Các Tàu

Sự phát triển các phương tiện tàu thủy nhằm chủ yếu cải thiện dung hòa 3 yếu tố: tốc độ - sự thoải mái - giá thành Đặc biệt là tốc độ, đây là vấn đề cực kỳ khó khăn cho bài toán thiết kế giảm sức cản Lực cản thủy động là nguyên nhân chính hạn chế tốc độ tối đa của tàu thuyền Quá trình cải thiện tốc độ của tàu thuyền gắn liền với sự

phát triển của các loại tàu, sau đây là sự phân loại các loại tàu

2.1.1 Tàu Một Thân (Monohuls)

Đây là loại tàu rất phổ biến hiện nay và được chia thành 2 loại:

-Tàu thông thường (Round bilge semi-displacement Hull) Chúng ta có thể thấy loại tàu này ở các tàu dầu, tàu hàng…(hình 2.2 a, c, e)

-Tàu có các sống dưới đáy tàu (Hard chine planing hull) Loại này thì thường thấy ở các tàu ca nô, các tàu tuẩn tra… (hình 2.2.b, c, d)

Đối với tàu có các sống dưới đáy tàu (Hard chine planing hull), khi tàu chạy với tốc độ cao thì các sống quanh hông tàu sẽ tạo lực nâng, nâng một phần trước của thân tàu lên khỏi mặt nước tạo ra hiện tượng lướt trên mặt nước, làm giảm sức cản của nước đối với tàu giúp tàu đạt tốc độ cao hơn, như hình 2.3

Hình 2 2 So sánh giữ tàu 2 loại tàu của tàu một thân

Hình 2.3 Hiện tượng tàu lướt trên mặt nước

Hình 2.2 c Hình 2.2 d

Hình 2.2 e Hình 2.2 f

Hình 2 4 Phân loại 2 loại tàu cánh ngầm

2.1.2 Tàu cánh ngầm (Hydrofoils )

Tàu có kết cấu đáy dạng tấm trượt, khi tàu chạy ở tốc độ cao các tấm này sẽ tạo ra lực nâng, lực này sẽ nhấc một phần của tàu lên giảm thể tích phần chìm khi chạy, giảm được sức cản và cho tàu có tốc độ lớn hơn Tàu cánh ngầm chia làm 2 loại:

- Tàu có cánh xuyên qua mặt nước (Surface Piercing Foil) ( Hình 2.4 a, c, e)

- Tàu có cánh chìm (Fully Submerged Foil) ( Hình 2.4.b, d, f )

Có thể phân biệt hai loại này bằng 2 cách: một là hình dạng, vị trí cánh và hai là

tính chủ động của cánh Loại tàu có cánh xuyên qua mặt nước (Surface piercing foil) thì cánh thường có dạng chữ V và nhô lên khỏi mặt nước, là loại bị động kết cấu cứng, tự

tạo lực nâng Còn loại tàu có cánh chìm (Fully submerged foil) có kết cấu hình chữ T

và chìm hoàn toàn trong nước, có tính chủ động có cảm biến tốc độ của tàu để thay đổi góc cánh tạo lực nâng phù hợp cho tàu

2.1.3 Tàu nhiều thân (Multihulls )

Tàu được thiết kế thành nhiều thân, giúp tăng tính ổn định cho tàu Cải thiện tốc

độ, loại này chia thành 2 loại

- Tàu hai thân (Catamaran) được thiết kế làm hai thân mảnh, để giảm sức cản ở tốc

độ cao, tăng khả năng ổn đinh, tăng diện tích mặt boog, một phiên bản khác của tàu hai thân (catamaran ) là tàu ba thân (tri-catamaran)

- SWATH ( Small Water plane Area Twin Hull): Có hai thân chìm hoàn toàn trong

nước, phần dưới nước được xem như là một tàu ngầm, giúp giảm diện tích mặt nước của tàu Về kỹ thuật thì là một loại của tàu hai thân (catamaran), hai thân của SWATH giúp cho tàu ổn định hơn trong quá trình đi biển mặc dù là biển động sóng cao và chạy với tốc độ cao

Hình 2 5 Cảm biến tốc tộ của tàu có cánh chìm (Fully submerged foil)

Hình 2 6 Tàu ba thân (tri-catamaran) và Tàu hai thân (catamaran)

- Tàu đệm khí ACV (Air Cushion Vehicles - ACV)

- Tàu đệm khí SES (Surface Effect Ships - SES)

Hình 2.11 Mẫu tàu đệm khí ACV

Hình 2 12 Mẫu tàu đệm khí SES

2.1.4.1 Tàu đệm khí ACV (Air Cushion Vehicle)

Tàu đệm khí ACV chạy bằng cách

di chuyển trên đệm khí có áp lực đủ lớn

và được bao bọc bởi một váy khí mềm,

tàu chạy nhờ lực nâng của đệm khí, và

lực đẩy của chong chóng Tàu có khả

năng di chuyển trên hầu hết các loại địa

hình nước, đất, bùn, đầm lầy, băng

tuyết…

2.1.4.2 Tàu đệm khí SES (Surface Effect Ship)

Là sự kết hợp lực nâng của đệm khí với tàu hai thân, hoạt động như tàu đệm khí ACV nhưng thay vì dùng váy mềm, thì tàu tận dụng ngay thành mạn cứng kéo xuống của tàu và kết hợp với váy mềm ở mũi và đuôi tàu để tạo ra lớp đệm khí Giúp tàu đạt được tốc độ cao, ổn định và khả năng đi biển tốt.Tàu là sự kết hợp những tính năng tốt

nhất của ACV với thiết kế phần vỏ của tàu hai thân (Catamaran), điều này giảm được

công suất cần cho lực nâng so với ACV, vì giảm được lượng không khí thoát ra Và dùng các thiết bị kiểu phụt nước hoặc chân vịt hoặc chong chóng để di chuyển Nhưng tàu không có khả năng di chuyển trên các địa hình đa dạng như ACV

Vì những ưu điểm nổi bật của tàu đệm khí ACV là có khả năng di chuyển trên

tất cả các địa hình nước, đất, bùn lầy, băng tuyết nên rất thích hợp với nhiệm vụ cứu hộ cứu nạn ở vùng lũ lụt như đã đặt ra yêu cầu ở phần đầu Vì vậy trong đề tài này tôi chọn nghiên cứu, tìm hiều sâu hơn về Tàu đệm khí ACV (Air Cushion Vehicle)

Hình 2.13 Nguyên lý hoạt độngc của tàu đệm khí

2.2 Tổng Quan Về Tàu Đệm Khí ACV (Air Cushion Vehicle)

2.2.1 Nguyên lý hoạt động (The Hovercraft Principle)

Chúng ta hãy hình dung là tàu đệm khí tựa như một chiếc ôtô vậy, nhưng thay vì chạy tiếp xúc trên đường thì tàu đệm khí lại bay trên đường, không tiếp xúc với mặt đường, nó vừa có thể nổi được trên mặt nước như một con tàu lại vừa có thể bay như một trực thăng, thật là tuyệt vời Để có thể làm được như vậy thì tàu đệm khí sử dụng quạt để cung cấp một lượng lớn thể tích không khí xuống đáy tàu, tạo nên một lớp đệm khí Và không khí dưới đáy tàu đó sẽ có áp suất cao hơn áp suất không khí bên ngoài tàu Sự chênh lệch áp suất này sẽ tạo ra lực nâng cho tàu, và giúp tàu có thể di chuyển trên lớp đệm khí đó Nhưng như vậy vẫn chưa đủ, để tàu làm việc hiệu quả hơn với hiệu suất cao hơn thì cần phải hạn chế tối đa lượng không khí thoát ra bên dưới đáy tàu Vì thế váy khí đã được phát minh ra để chứa và giữ lại nhiều nhất không khí có thể bên dưới đáy tàu Tàu lúc này đã được nâng lên khỏi bề mặt di chuyển nhưng một yêu cầu được đặt ra nữa là cái khoảng cách đó phải đảm bảo được cho tàu di chuyển và vượt qua được các loại địa hình gồ ghề, phức tạp khác nhau Khoảng cách đó phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng của con tàu và công suất của máy cung cấp cho lực nâng Vì vậy khi tính toán thiết kế phải hết sức lưu ý đến điều này Sau khi tàu đã được nâng lên khỏi bề mặt

di chuyển với một khoảng cách thích hợp rồi, nếu muốn cho tàu di chuyển về phía trước được thì lại cần có thêm một luồng không khí đẩy về phía sau để tàu có thể di chuyển

về trước và điều khiển hướng bởi thiết bị lái phía sau tàu

Do nguyên lý hoạt động đặc biệt như vậy nên tàu đệm khí làm việc khá là hiệu quả hơn so với những con tàu bình thường khác vì nó nổi trên đệm khí nên hầu như không có ma sát gì với bề mặt di chuyển cả, vì vậy ít lực cản hơn nên năng lượng yêu cầu để di chuyển cũng ít hơn Đó là điều kiện cho tàu di chuyển nhanh hơn, ít tiêu tốn nhiên liệu hơn và có thể di chuyển được trên nhiều địa hình phức tạp hơn

2.2.1.1 Hoạt động của tàu đệm khí

- Quạt nâng cung cấp một lưu lượng lớn không khí xuống đáy tàu nơi được bao quanh bởi váy khí, bước đầu tạo ra đệm khí

-Quạt tiếp tục cung cấp không khí xuống, áp xuất trong đệm khí lúc này bắt đầu tăng

- Khi áp suất đệm khí dưới tàu lớn hơn khối lượng của tàu thì tàu bắt đầu được nâng lên khỏi bề mặt di chuyển

- Cuối cùng tàu đã được nâng lên cao, đủ để nâng váy khí lên khỏi mặt đất

- Không khí bắt đầu thoát ra thông qua các khe hở giữa váy và mặt di chuyển

- Đến một thời điểm, tàu đạt được điểm cân bằng tại đó lượng không khí cấp vào đệm khí có thể bằng lượng không khí thoát ra

- Tại điểm cân bằng đó thì tàu đệm khí đạt được chiều cao lớn nhất

- Quạt cung cấp không khí đẩy về phía sau giúp tàu di chuyển về trước và sử dụng bánh lái để điểu khiển hướng

2.2.1.2 Màng động lượng (Momentum Curtain)

Để tàu đệm khí có thể nâng lên và hoạt động được trên đệm khí như ngày hôm

nay là nhờ vào lý thuyết Màng Động Lượng (momentum curtain) của Christopher

Cockerell Những ngày đầu thì các kỹ sư khác đã xây dựng và tính toán các mô hình

dùng lý thuyết “Open plenum”, luồng khí được thổi vào dưới đáy tàu để nâng tàu lên nhưng nó cho thấy nhiều vấn đề về ổn định và hơn nữa là phải yêu cầu một động cơ vô cùng lớn để đảm bảo chiều cao cho tàu đệm khí

Sau đó để giải quyết những vấn đề này thì lý thuyết màn động lượng (momentum curtain) đã được phát triển bởi Christopher cockerell Cockerell đã sử dụng ý tưởng bơm khí vào khoảng trống giữa vỏ bên ngoài và vỏ bên trong của cái hộp

Ông đã phát hiện ra rằng bằng cách tạo ra bức màn (curtain) không khí hướng xuống với tốc độ cao xung quanh cạnh của vỏ bên trong Thì không khí bị rò rĩ ra khỏi hai cạnh bên ngoài sẽ ít đi Do đó tạo được áp suất lớn hơn bên dưới vỏ với cùng một

Hình 2 15 Lý thuyế Open plenum Hình 2 14 Lý thuyết màng động lượng

công suất đầu vào Lực nâng được tăng lên và vỏ tàu có thể nâng lên khỏi bề mặt di

chuyển đủ cao để tàu có thể di chuyển được và có khả năng di chuyển vượt qua nhiều

Phát hiện của kỹ sư cockerell về màn động lượng (momentum curtain) là cách

hiệu quả nhất để giảm sức cản giữa vỏ tàu và bề mặt di chuyển cho tàu đệm khí

2.2.1.3 Phân loại hệ thống nâng

Qua những lý thuyết được nêu ở trên thì ta có thể thấy hệ thống nâng của tàu đệm

khí làm việc theo 3 cách chính:

- Khoang mở (Open-Plenum Design) Không khí sẽ được bơm trực tiếp xuống

đáy tàu tạo áp suất đủ để nâng tàu lên, điều này cần một lượng không khí cực mạnh và

một động cơ cực lớn => không hiệu quả

- Phản Lực Ngoại Vi (Peripheral Jet)

Luồng khí được quạt thổi dọc theo khe hở xuống

đáy tàu Tạo ra vòng không khí chuyển động nhanh

và hình thành nên bức màn động lượng

(Momentum Curtain) không khí lúc này có áp suất

rất cao và với thiết kế này có thể tạo ra một lực

nâng tương tự thiết kế Open-plenum nhưng với

công suất thấp hơn và rất hiệu quả Nhưng nó chỉ

có thể tạo ra một lực nâng tương đối khiêm tốn trừ

khi có một quạt cực kì mạnh

-Váy Khí Linh Hoạt (Flexible Skirt) Mặc

dù bức màn động lượng (momentum curtain) rất

hiệu quả nhưng chiều cao di chuyển vẫn còn quá

thấp trừ khi công suất lớn mà nếu công suất lớn thì

phi kinh tế khi sử dụng Vì vậy người ta sử dụng

thêm váy khí, để giảm thiểu công suất yêu cầu cho

lực nâng tàu Như vậy thì tàu được thiết kế tương

tự thiết kế phản lực ngoại vi nhưng có thêm váy

khí Khi tàu được nâng lên, váy khí kéo dài bên

dưới để giữ một lớp đệm khí sâu hơn, duy trì đủ lực

nâng cho tàu mà không cần động cơ công suất quá

lớn và có thể cho phép tàu vượt qua nhiều loại địa

Hình 2.21 Tàu đệm khí sử dụng 1 động cơ

2.2.2 Động cơ (Engine)

Tàu đệm khí muốn di chuyển được thì nó phải tạo ra được lực nâng và lực đẩy

cho tàu Lực nâng được tạo ra nhờ quạt ly tâm gắn với động cơ, cung cấp không khí

xuống đáy, hình thành nên một lớp đệm khí, lượng không khí này sẽ được giữ lại bởi

váy khí Khi áp lực đủ lớn, lớn hơn khối lượng tàu thì tàu được nâng lên khỏi bề mặt di

chuyển Để tàu có thể di chuyển về phía trước thì cần có thêm lực đẩy Lực đẩy được

tạo ra nhờ quạt, đẩy không khí về phía sau, tạo lực đẩy đưa con tàu di chuyển tới trước

Người ta thường đặt cánh quạt trong các ống dẫn (duct) để tăng hiệu quả lực đẩy và lực

nâng Có thể thiết kế tàu đệm khí với một hoặc nhiều động cơ

Đối với những tàu cỡ nhỏ thì chỉ sử dụng 1 động cơ, cho phép làm cả hai nhiệm

vụ nâng và đẩy, bằng cách chia một lượng không khí cho váy khí và một lượng còn lại

đẩy về phía sau làm lực đẩy Việc này thì hơi khó khăn trong việc cung cấp tối ưu cho

cả 2 nhiệm vụ Trong đó thường 2/3 lượng không khí dùng vào đẩy tàu, 1/3 dành cho

việc nâng tàu Việc phân phối luồng khí này được điều khiển bằng một tấm chia khí

(splitter plate) kết hợp với buồng khí (air box)

Hình 2.21 b Hình 2.21 c Hình 2.21 d

Hình 2 22 Tàu đệm khí sử dụng 1 động cơ lai hai cánh quạt

Hình 2.23 Tàu đệm khí sử dụng 2 động cơ

Một trường hợp hợp đặc biệt của tàu đệm khí dùng 1 động cơ là dùng 1 động cơ nhưng lai cả hai bộ cánh quạt, một bộ cánh quạt làm nhiệm vụ nâng, cái còn lại làm nhiệm vụ đẩy Loại này thường được sử dụng ở các tàu lớn có động cơ công suất lớn

Hầu hết các tàu lớn thì sử dụng 2 động cơ, một dùng cho lực nâng tàu, một dùng cho lực đẩy tàu Hai động cơ có thể cùng bố trí ở phía sau tàu (hình 2.23 d), hoặc bố trí động cơ làm nhiệm vụ nâng phía trước và động cơ làm nhiệm vụ đẩy ở phía sau (hình 2.23 c)

Hình 2.23 a Hình 2.23 b

Hình 2.23 c Hình 2.23d

Hình 2 24 Hệ thống điểu khiển của tàu đệm khí

Hệ thống điều khiển: Tàu đệm khí thường sử dụng bánh lái đặt phía sau tàu, sau

luồng khí được đẩy ra, thay đổi hướng của bánh lái sẽ thay đổi hướng của tàu Ở những tàu lớn đặc biệt là tàu quân sự có thêm hệ thống ống phụt ở phần trước gọi là “bow

thruster” như hình 2.24 c Bow thruster có thể xoay 180 độ từ hướng bình thường của

nó, nó giúp nâng cao khả năng di chuyển, quay trở của tàu đệm khí Ở một số tàu như SRN4 thì sử dụng 4 cánh quạt để để làm lực đẩy di chuyển như hình 2.24 d

2.2.3 Váy khí (Skirt System)

Váy khí (skirt) là một trong những phần rất quan trọng của tàu đệm khí Nó là một kết cấu linh hoạt, được gắn xung quanh đáy tàu, tạo nên không gian kín có nhiệm

vụ giữ không khí có áp lực cao ở dưới đáy tàu Khi đó một lớp đệm khí tạm thời sẽ được

tạo ra Lớp đệm khí này sẽ được duy trì bằng cách thổi không khí vào liên tục vào váy khí, và tàu có thể di chuyển được trên lớp đệm khí đó

Không khí sẽ được giữ lại dưới tàu nhưng tất nhiên sẽ luôn có không khí thoát ra giữa váy khí và bề mặt di chuyển và chính nhờ lượng không khí thoát ra này nên tàu mới có thể di chuyển một cách dễ dàng được Nhưng nếu lượng không khí thoát ra nhiều quá thì sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của tàu đệm khí Nên người thiết kế cố gắng nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp để giữ lượng không khí thoát ra là ít nhất có thể

để giảm tối thiểu công suất yêu cầu cung cấp cho đệm khí

Váy khí cũng có ảnh hưởng khá nhiều đến ổn định và khả năng vượt địa hình của tàu Vì vậy váy khí luôn luôn được cải tiến liên tục để có thể đáp ứng tốt nhất các nhiệm vụ đặt ra đối với tàu đệm khí

2.2.3.1 Các yêu cầu đối với váy khí:

- Chứa được một lớp đệm không khí bên dưới tàu khi cần thiết

- Có khả năng phù hợp về đường biên khi vượt qua chướng ngại vật để không khí thoát ra là tối thiểu

- Trở lại được hình dáng ban đầu sau khi bị biến dạng

- Có sự ổn định đầy đủ

- Tạo ra ít sức cản nhất khi vượt qua các chướng ngại vật

- Có khả năng hấp thụ năng lượng khi va chạm với các vật cản

- Dễ dàng bảo trì váy mà không cần phải nâng con tàu lên, chi phí bảo trì thấp

- Có tuổi thọ cao, chế tạo phải tương đối đơn giản và phù hợp

- Được thiết kế làm sao thậm chí khi con tàu được nâng lên cao trên mặt đất thì

váy vẫn ôm xung quanh con tàu

2.2.3.2 Cácloại váy khí

Cho đến hiện tại có 3 dạng váy khí đang được sử dụng phổ biến hiện nay :

- Váy dạng túi (bag skirt )

- Váy dạng ngón (The finger or segment skirt)

- Váy dạng túi và ngón hỗn hợp (The bag and finger skirt)

Mỗi loại đều có ưu và nhược điểm cũng như những lĩnh vực ứng dụng riêng

Hình 2 26 Váy khí dạng túi (bag skirt) loại 1

- Váy Dạng Túi (bag skirt ): Giúp tàu ổn định rất tốt, chế tạo đơn giản, nhưng lại

gây cản trở khi vượt qua chướng ngại vật Bag shirt là một sự lựa chọn tốt nếu được sử dụng chủ yếu trên mặt nước Váy dạng túi có 2 loại:

+ Loại 1: Hệ thống nâng sẽ đẩy không khí vào váy và thông qua các lỗ thoát khí

đi vào đệm khí (cushion), bằng cách kiểm soát số lượng và kích thươc các lỗ có thể thay đổi sự chênh lệch áp suất giữa vòng bên (the loop) và lớp đệm khí (air cushion)

+ Loại 2: Váy được gắn xung quanh tàu và không có lỗ thoát, hầu hết không khí được đưa vào đệm khí (air cushion) Loại này thì khi chỉ cần một vết rách nhỏ cũng gây mất áp lực và dẫn đến sự mất ổn định nguy hiểm cho tàu

Hình 2 27 Váy khí dạng túi (bag skirt) loại 2

Hình 2 28 Tàu sử dụng váy dạng ngón

Hình 2 29 Váy dạng ngón (The finger or segment skirt)

- Váy Dạng Ngón (The finger or segment skirt)

Váy bao gồm một số lượng lớn các phần riêng biệt (finger) Các finger này được liên kết với nhau bằng một dải băng ở mép trên tàu Nhờ các finger mà tàu có khả năng

di chuyển vượt qua các chướng ngại vật mượt hơn Vì mỗi finger có thể tự mình nó uốn theo, biến dạng theo vật cản khi tàu vượt qua địa hình gồ ghề, điều đó làm giảm lượng không khí bị mất đi Việc sửa chữa thay thế cũng rất dễ dàng Nhưng váy dạng ngón có

ổn định hơi kém, chế tạo khá phức tạp, tốn kém, khối lượng công việc lớn

Hình 2 31 Váy dạng túi và ngón hổn hợp (The bag and finger skirt

- Váy Dạng Túi Và Ngón Hổn Hợp (The bag and finger skirt).

Váy khí dạng này đang được sử dụng khá phổ biến hiện nay, là dạng kết hợp 2

loại váy dạng túi (bag skirt) và váy dạng ngón (The finger or segment skirt) Kết hợp sự linh hoạt của váy dạng ngón (The finger) và tính ổn định của váy dạng túi (bag skirt),

đảm bảo ổn định và vượt các chướng ngại vật tốt, và dễ dàng sửa chữa

2.2.4 Ổn định (Stability)

2.2.4.1 Lý thuyết ổn định

Ổn định là khả năng chống lại tác động của ngoại lực đẩy tàu ra khỏi vị trí cân bằng ban đầu và đưa tàu trở lại vị trí cân bằng khi tác động ngoại lực không còn nữa

Do đó ổn định là một trong những tính năng quan trọng cần quan tâm khi thiết kế tàu

Hình 2 30 Tàu sử dụng váy dạng túi và ngón hổn hợp

(The bag and finger skirt)

đệm khí Do nguyên lý hoạt động phức tạp của tàu đệm khí nên ổn định chủ yếu dựa trên thực nghiệm

Ngoài những trường hợp nguy hiểm về ồn định như đối với các tàu thông thường thì tàu đệm khí còn xảy ra mất ổn định trong các tình huống sau:

+ Khi tàu chuyển từ chế độ dùng áp suất của đệm khí để nổi sang chế độ chạy trên đệm khí nên sẽ tạo ra tải đáng kể lên hệ thống váy làm tàu rất dễ mất ổn định

+ Khi tàu nghiêng, áp suất dưới váy lúc đó không còn phân bố đều và có thể dẫn đến mất áp suất một bên mạn làm tàu mất ổn định

Tàu đệm khí có thể chạy trên cạn lẫn trên mặt nước mà bề mặt của 2 môi trường này rất khác nhau nên khi xét đến ổn định ta phải nghiên cứu cho cả 2 môi trường

+ Trên cạn: Áp suất đệm khí bên

bị nghiên sẽ tăng do giảm dòng khí thoát

ra và áp suất đệm khí sẽ giảm bên còn

lại do bị tăng diện tích thoát khí Do sự

khác biệt của áp suất không khí sẽ cung

cấp một momen phục hồi lại Tâm áp

suất sẽ di chuyển lệch xuống bên

nghiên Khi đó một thành phần lực sẽ

làm tàu trôi dạt sang bên

+ Trên mặt nước: Khi tàu nghiên

thì áp suất đệm khí mỗi bên sẽ khác nhau

Chính sự khác nhau đó tạo ra sự biến

dạng bề mặt nước khác nhau cho mỗi bên

Ví dụ hình 2.33 Khoảng rỗng của nước

bên trái sâu hơn bên phải, và nước được

thay thế vào chổ khoảng rỗng bên phải

làm cho cân bằng áp lực nâng Do đó có

thể thấy rằng mômen hồi phục và lực trôi

dạt là nguyên nhân bởi sự khác nhau của

áp suất mỗi bên

Hình 2 32 Ổn định tàu trên cạn

Hình 2 33 Ổn định tàu trên mặt nước

Tâm của vùng đệm khí sẽ di

chuyển để sang bên nghiên tạo ra

moomen hồi phục cho tàu Khi tàu

được xem là ổn định là khi lực nâng

của tàu tạo ra bởi áp suất dưới váy

phải cân bằng với trọng lượng của

tàu Momen nghiên do tác động của

ngoại lực và phân bố trọng lượng của

tàu phải cân bằng với momen phục

hồi do áp suất dưới váy tạo ra

2.2.4.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến ổn định:

Ngoài ra ổn định của tàu đệm khí còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như bề mặt chịu tải, độ hở của váy khí, trọng tâm tàu

+ Bề mặt chiệu tải: Do sự biến dạng của bề mặt nước nên ổn định của tàu trên

mặt nước kém hơn ổn định của tàu khi ở trên cạn khoảng 20-30%

+ Độ hở váy khí: Từ việc thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng tỷ số giữa độ hở váy

heg và chiều cao váy Hskđến ổn định ngang của tàu đệm khí Nhận thấy khi giá trị tỷ số

eg

sk

h

+ Trọng tâm tàu: Chiều cao trọng tâm tàu có ảnh hưởng đến ổn định và chiều cao của

váy đệm khí lại có ảnh hưởng đến chiều cao trọng tâm Vì thế nếu tăng chiều cao váy khí lên thì ổn định tàu sẽ giảm xuống, do đó khi thiết kế chiều cao váy khí cần phải quan tâm đến mức độ ổn định của tàu

2.2.4.3 Một số tiêu chuẩn về ổn định của tàu đệm khí

Từ kết quả nghiên cứu thực nghiêm đã xây dựng được một số tiêu chuẩn cơ bản

đánh giá ổn định của tàu đệm khí như sau:

c

H B