2.2.1. Các kỹ thuật ổn định chuyển động cuộn và cân bằng tàu thuỷ
Những yếu tố đầu tiên dẫn đến việc ổn định chuyển động cuộn SRS (Ship roll stability) tốt là sự phân bố tải trọng và việc thiết kế thân tàu cẩn thận. Froude đã khẳng định yếu tố kích thích chuyển động lắc lư của tàu không phải là chiều cao hay độ dốc của sóng trong tài liệu còn phôi thai của ông về sự lắc lư của tàu thuỷ từ năm 1861. Ông đã chú thích thêm rằng, sóng ngắn xuất hiện dốc hơn sóng dài nên không có ưu điểm nào về việc cố làm giảm chu kỳ lắc lư tự nhiên của tàu. Thay vào đó, chu kỳ này được mở rộng nhiều đến mức có thể để tránh sự đồng bộ hoá (cộng hưởng) với tần số kích thích của sóng. Điều này chỉ có thể đạt được bằng cách :
• Làm tăng mô men quán tính. • Làm giảm tính ổn định bề ngang
Yếu tố thứ nhất hoàn toàn có liên quan đến sự phân bố trọng tải trên tàu, nhưng trái lại yếu tố thứ hai lại liên quan đến hình dáng thân tàu. Về phần hình dáng thân tàu và sự giảm lắc, việc làm tăng đáng kể sự giảm lắc có thể đạt được bởi những thân tàu có thiết kế với bán kính đáy tàu nhỏ, và việc bố trí những trang thiết bị phụ thuộc được định vị càng xa đến mức có thể so với trọng tâm .
Mặc dù những cố gắng tốt đã mở rộng chu kỳ tự nhiên của tàu, nhưng điều đó không thể tránh được những kích thích của sóng gây ra hiện tượng lắc lư ở một vài điều kiên khi đi xa. Hơn nữa sự giảm lắc của thân tàu có thể không đủ để làm giảm chuyển động cuộn đến những mức như mong muốn. Với những nguyên nhân này, tàu cần được trang bị những hệ thống chống chuyển động cuộn.
Như vậy nếu xem xét những mẫu ghi được khi quan sát hiện tượng lắc lư của tàu, có một số lớn những mẫu đưa ra mà từ đó chỉ một một vài đáp ứng được nguyên mẫu ban đầu. Hơn nữa, tác giả còn đưa ra những quan sát và nhận xét rằng, hiệu quả của tất cả những bộ thăng bằng phụ thuộc vào chuyển động của khối lượng và do đó chúng có thể được phân loại theo ba tính chất cơ bản:
a. Kiểu chuyển động
• A (gia tốc). Mô mem rút gọn được đưa ra bởi gia tốc khối lượng .
• D ( trọng lượng rẽ nước của tàu). Mô men rút gọn được đưa ra bởi tác động của trọng tâm trên khối lượng di chuyển.
b. Vị trí
• I ( Bên trong ). Khối lượng ở bên trong tàu • E (bên ngoài). Khối lượng ở bên ngoài tàu c. Kiểu khối lượng
• S (chất rắn). Khối lượng là chất rắn. • F (chất lỏng). Khối lượng là chất lỏng.
Rõ ràng, không phải những sự kết hợp ở trên là có thể. Bằng việc xét khối lượng là chất lỏng hay rắn, những kiểu cơ bản có kết quả theo những phép thử theo thang đầy đủ được chỉ ra trong Bảng 2.1.
Phần dưới đây cung cấp tổng quan về những nguyên lý làm việc của những thiết bị này và thảo luận về những ưu và nhược điểm của chúng.
Bảng 2.1 Kiểu bộ thăng bằng – Ví dụ ứng dụng
Nguyên lý làm việc Ví dụ AIS (Gia tốc của khối lượng chất rắn
bên trong)
Con quay hồi chuyển
AEF (Gia tốc của khối luợng chất lỏng bên ngoài)
Sống đáy tàu, bộ ổn định, bánh lái
DIS (Trọng lượng rẽ sóng của khối lượng chất rắn bên trong)
Chuyển động của trọng lượng
DIF (Trọng lượng rẽ sóng của khối lượng chất lỏng bên trong)
2.2.2. Phương pháp dùng con quay hồi chuyển
Hình 2.5. Sử dụng con quay hồi chuyển trong hệ thống cân bằng tàu
Kiểu con quay hồi chuyển của bộ thăng bằng sử dụng những hiệu ứng hồi chuyển của bánh lái ở tốc độ quay chuyển lớn tạo ra mô men rút gọn. Cách sử dụng những hiệu ứng hồi chuyển đã được đề nghị như là phương pháp để loại bỏ lắc đúng hơn là làm giảm nó. Phương pháp này hiện nay không được sử dụng, nhưng nếu cần quan tâm đến có thể nghiên cứu trong nhiều tài liệu tham khảo.
2.2.3. Phương pháp dùng sống đáy tàu
Hình 2.6 Sự xếp bố trí dằn đáy sống tàu
Sống đáy tàu là dạng đơn giản nhất của bộ thăng bằng. Đây là những sống tàu hẹp dài đã được dựng lên theo sử đổi hướng của đáy tàu. Hình 2.6 chỉ ra sự sắp xếp bố trí thông thường. Mục đích sử dụng những sống đáy tàu được đưa ra trước Fruode ở giữa thế kỷ 19.
Những sống đáy tàu làm tăng độ suy giảm lắc lư của thân tàu bằng cách tạo ra những lực kéo mà tác động vuông góc với sống tàu và chống lại những chuyển động lắc lư. Theo cách này, động năng đã kết hợp với chuyển động lắc lư được biến đổi thành động năng của chất lỏng bởi những hiệu ứng dính (tung ra xoáy nước). Ưu điểm chính của những sống đáy tàu là :
• Tạo được sự suy giảm lắc tương đối hiệu quả, đặc biệt là ở những tốc độ chậm. Hiệu quả đạt được sự suy giảm góc lắc ở trong miền 10 – 20% (RMS) .
• Mức độ cần bảo trì thấp, không cần thiết phải có những thiết kế đặc biệt đối với thân tàu.
• Không chiếm không gian, không làm tăng đáng kể trọng lượng chết. • Giá thành thấp và lắp ráp dễ dàng.
Một vài nhược điểm của sống đáy tàu được chỉ ra như sau:
• Làm tăng sức cản của thân tàu trong những điều kiện nước tĩnh (khi sự làm giảm lắc lư là không cần thiết). Mặc dù điều này đã được làm giảm bớt đi bởi việc điều chỉnh cần thận phù hợp với hình dáng khí động của thân tàu, sự tăng sức cản trong nước tĩnh có thể vẫn là đáng kể .
• Không phải tất cả các loại tàu đều có thể phù hợp với phương pháp giảm lắc kiểu dằn sống đáy tàu. Ví dụ như, chúng có thể là bài toán tiềm tàng khó giải đối với những tàu đánh cá sử dụng lưới, và rất dễ gây nguy hiểm cho những tàu phá băng.
Để chi tiết hơn về việc thực hiện, kích thước của những sống tàu, có thể xem những tài liệu tham khảo trong đó.
2.2.4. Phương pháp ổn định kiểu vây và kiểu quay bánh lái
Hình 2.7 Kết cấu và vị trí lắp đặt các vây hai bên mạn để ổn định tàu
Hệ thống bổ trợ cho việc ổn định cân bằng kiểu vây (fin stabiliser), (Xem Hình 2.7) thường lắp đối xứng hai bên mạn. Mục đích của các hệ thống bổ trợ ổn định kiểu vây hoặc kiểu quay bánh lái (Rudder Roll Stabilization System) chủ yếu là tạo ra các mô men có khả năng làm suy giảm các mô men, gây ra hiện tượng mất cân bằng đối tượng nổi, xuất hiện do chế độ hoạt động của phương tiện, chẳng hạn như mô men xuất hiện do lực ly tâm ở chế độ quay trở, mô men mất cân bằng do sóng gió trên hành trình v.v... Các mô men này được tạo ra bằng cách liên tục dịch chuyển bánh lái theo một chiến lược điều khiển đặc biệt (đối với hệ thống ổn định
ổn định kiểu vây) trên cơ sở tận dụng ảnh hượng đặc biệt vào yếu tố tốc độ của phương tiện. Các hệ thống này được thiết kế để hoạt động độc lập, hoặc có thể phối hợp với nhau. Tuỳ thuộc vào tính năng được thiết kế cho đối tượng, hệ thống bổ trợ cân bằng kiểu quay bánh lái hoặc hệ thống kiểu vây có thể hoặc không được trang bị vì lý do độ phức tạp cũng như giá thành, do điều kiện để ứng dụng được (yếu tố tốc độ).
Trong thực tế, các phương pháp cải thiện ổn định cân bằng có sự trợ giúp của máy lái hoặc kiểu vây được ứng dụng trên các tàu có tốc độ cao như tàu quân sự, tàu tuần tra biển, các tàu khách cao tốc v.v. Hệ thống tiêu biểu hoạt động theo phương thức này được hãng RollRoy phát triển và sử dụng khá phổ biến, cụ thể lắp trên tàu quân sự của Hải quân Hà lan (Royal Netherlands Navy, 1991, 2001) và Hải quân Đức (German Navy, 2003). Tuy nhiên, phương pháp này rất phức tạp, tốn kém ít hiệu quả đối với các phương tiện nổi cỡ lớn có tốc độ di chuyển thấp.
2.2.5. Phương pháp dùng thùng chứa chống cuộn
Thùng chống cuộn, hay thường gọi là chống lắc được sử dụng rộng rãi nhất là thùng có hình ống chử U, đã được phát triển đầu tiên bởi Frahm vào năm 1911. Kiểu thùng này tạo thành hai bể chứa được đặt một ở mạn trái và một ở mạn phải của tàu và các đáy nối với nhau bằng một ống dẫn như đã chỉ ra trong các Hình 2.8 và 2.9. Nguyên lý hoạt động của thùng chống cuộn này là khi tàu lắc, chất lỏng bên trong thùng (thường là nước) chuyển động cùng chu kỳ chuyển động của tàu, nhưng chậm một phần tư chu kỳ so với độ lắc của tàu. Theo cách này, trọng lượng chất lỏng sẽ tạo ra mô men chống lại chuyển động lắc lư. Mô men này đạt được giá trị cực đại khi tàu đi ngang qua vị trí thẳng đứng của nó.
Hình 2.9 Chi tiết về mặt cắt của thùng điển hình và vị trí ngang trên thân tàu
Những thùng chống lắc có thể là chủ động hoặc bị động. Trong những thùng bị động, chất lỏng chảy tự do từ phía này sang phía kia. Theo tỷ trọng và độ nhớt của chất lỏng đã sử dụng, kích thước thùng đã cho, thời gian yêu cầu đối với hầu hết chất lỏng chảy từ phía này sang phía kia bằng chu kỳ lắc lư tự nhiên của tàu. Sự điều chỉnh chính xác có thể đạt được bằng việc điều chỉnh áp suất không khí để cho chất lỏng chảy từ phía này đến phía còn lại qua chiếc van đã chỉ ra trong Hình 2.7. Những thùng thụ động được điều chỉnh sao cho phù hợp giữa tần số tự nhiên của thùng với tần số tự nhiên lắc lư của tàu. Sự suy biến diễn ra từ từ nếu tần số của chuyển động lắc lệch so với tần số tự nhiên của thùng. Điều này xảy ra do những sự biến đổi của tần số kích thích của sóng trong những trạng thái biển khác nhau. Những thùng chủ động hoạt động theo cách tương tự với bộ phận thụ động tương ứng của chúng, nhưng chúng được kết hợp chặt chẽ với hệ thống điều khiển điều chỉnh chu kỳ tự nhiên của thùng để làm phù hợp với chu kỳ lắc lư của tàu.
Như đã biết, tần số của chuyển động lắc lư được xác định bởi sự kết hợp của tần số kích thích của sóng và đáp ứng của tàu theo các điều kiện khi ra khơi. Để thực hiện phương pháp này có hiệu quả tại những tần số thấp, hệ thống điều khiển phải liên tục cập nhật chu kỳ lắc lư, và nếu cần thiết mở rộng chu kỳ của thùng chứa. Điều này có thể thực hiện được, ví dụ như bằng việc điều chỉnh áp suất không khí để điều chỉnh tốc độ dịch chuyển chất lỏng giữa các thùng hoặc bằng việc buộc hoạt động của bơm phù hợp với chuyển động của sóng. Các hệ điều khiển hiện đại hơn khi có sự kết của hệ thống ống bơm, van, khí nén, điều khiển bằng máy tính v.v... sẽ là những lựa chọn khi cần có những yêu cầu cao về chất lượng điều chỉnh. Những ưu điểm chính của thùng chống lắc là :
- Hiệu quả trung bình từ thấp đến cao. Hiệu quả việc giảm lắc lư có thể ước lượng được trong miền 20 – 70% (RMS).
- Hoạt động độc lập với tốc độ của tàu. Điều này tạo cho chúng được ưa thích lựa chọn đối với những tàu thường xuyên hoạt động tại tần số thấp và yêu cầu những thân tàu sạch sẽ đối với các quá trình hoạt động (ví dụ những tàu đánh cá).
- Mức độ yêu cầu bảo trì thấp.
- Chi phí tương đối thấp cho những bộ cân bằng này ở trong dải trung bình. - Bằng việc thêm vào những đặc điểm thích hợp, hệ thống thùng chứa cũng có thể xử lý chống nghiêng để bù cho sự phân bố không đều của tải trọng.
Một vài nhược điểm của thùng chống lắc lư được chỉ ra như sau:
- Sự suy giảm trọng lượng chết được ước lượng trong phạm vi 1– 4% trọng lượng rẽ nước. Điều này có thể được khắc phục bởi việc sử dụng hệ thống xả nước hoặc quá trình tiêu hao nhiên liệu mang theo trên boong tàu.
- Chiếm những không gian lớn.
- Làm ảnh hưởng đến tính ổn định của tàu do những tác động của bề mặt tự do (mặt thoáng). Khi thùng không hoàn toàn đầy sẽ có không gian cho nước chuyển động (bề mặt tự do), có sự mất đi chiều cao khuynh tâm ngang do chuyển động của trọng tâm. Điều này cần phải được chú ý để tránh làm giảm tính ổn định của tàu. Một số hệ thống cân bằng kiểu thùng chứa hay kiểu két dằn (ballast tank).
* Âu nổi 60000 m.t. của Kongsberg Maritime
Hình 2.10: Âu nổi của Kongsberg Maritime
Âu nổi của Kongsberg Maritime Hình 2.10 có chiều dài cả nền: 311,28 m, chiều rộng bên ngoài 63,30 m, bên trong 53,30 m. Tổng số có 34 két dằn, khoảng cách giữa các poontoon (phao) là 1.24m, chiều dài giữa các phao 183,52m, độ sâu của phao ở giữa đường tâm 6,10m, chiều sâu của mức nước khi đánh chìm (đầy tải) là 12m. Tổng khối lượng nước ballast có thể bổ sung để làm chìm (hoặc cân bằng ) là 12.000 tm, sức nâng của phương tiện ở mớn nước 5,6m là 60,000tm với thời gian
làm nổi là 2,5giờ. Hệ thống bơm dằn được trang bị gồm 12 bơm ly tâm có lưu lượng 4000m3 /h ở áp suất 0,9bar và được lắp đặt ở buồng bơm hút khô. Hệ thống ống và van được trang bị để thực hiện thao tác mức nước dằn trong từng két. Các van cánh bướm được kích hoạt để truyền động đóng mở cửa van (thêm hoặc hút nước ra khỏi két) bằng động cơ thủy lực bố trí ở buồng bơm.
* Âu nổi SWM "Pride of San Diego" - 22,000 tấn
Hình 2.11 Âu nổi SWM Pride of San Diego và màn hình hiển thị trạng thái.
Âu nổi SWM 22,000-tấn (Xem hình 2.11) được biết đến như là niềm tự hào của thành phố San Diego (Mỹ) "Pride of San Diego" được trang bị hệ điều khiển tự động mang tên "ADOCS 2." . Các phần tử vật lý của hệ thống "ADOCS 2." bao gồm các đầu đo, các bơm, hệ thống van, bộ điều khiển logic công nghiệp (ILC) và hệ thống máy tính. Có hai máy tính được bố trí bên trong trung tâm điều khiển, được nối mạng với nhau và sẳn sàng thay thế cho nhau nếu máy kia hỏng. Máy tính được nối với hệ thống phần cứng theo phương thức truyền quang gồm 22 bộ điều khiển xử lý thời gian thực liên quan đến hệ thống các đầu đo, bơm, van. Các bộ điều khiển này được lựa chọn bởi tính thuận lợi đối với phần cứng lẫn phần mềm, xử lý nhanh và linh hoạt các số liệu toán phức tạp, bởi độ tin cậy của thiết bị. Thuật toán của các bộ ILC chủ yếu tập trung xung quanh các thông tin thu nhận từ các đầu đo mớn nước, 4 chiếc ở bốn góc, hai chiếc ở giữa nhằm xử lý độ căng và độ chùng (hog & sag : Deflection), hiệu chỉnh độ nghiêng và độ lệch dọc (hell and trim). Với những tính toán này, hệ điều khiển sẽ đưa ra quyết định xem bơm (và/hoặc) van nào được kích hoạt hoặc tắt để bơm nước vào hoặc hút (xả ra) từ 18 két dằn (ballast tank). Các tín hiệu hiệu đầu đo ở mỗi két là những tín hiệu phản hồi cho phép quyết định một cách thông minh việc phân bố nước dằn khi chất tải và giảm tải để làm giảm ứng suất ảnh hưởng lên kết cấu của âu nổi.
Hình 2.12 Hệ thống bơm xả trên xà lan dằn (Barge Ballasting) của hãng JGP
Hình 2.13 Màn hình hiển thị các trạng thái và bàn điều khiển cân bằng trên xà lan
Xà lan dằn chở tải trọng lớn, điều khiển bằng PLC, được cấu thành từ 24 tổ bơm x 1000 mét khối/giờ, thực hiện việc bơm nước dằn vào các két (ballast) và 10 tổ bơm để bơm nước ra khỏi két (de-ballast). Hệ thống này được giới thiệu là có thể