Tính ăn lá

4.1 Khái niệm cơ bản về tính ăn lái

Mơn học liên quan đến các vấn đề kiểm sốt đường đi của tàu, vận tốc tàu, và định vị tàu mang tên gọi chungđiều khiển tàu, được phần lớn các nước dùng từ chuyên mơnControllability

để diễn đạt. Lĩnh vực này bao gồm khởi động, điều khiển lái, quay trở, hãm tốc độ, dừng tàu, chạy lùi. Chúng ta cĩ thể chia các động tác trên làm ba nhĩm cơng việc:

- Tính ăn lái hay là tính giữ hướng (steering hoặc coursekeeping).

- Thao tác hoặc cịn gọi ma nớp (maneuvering)– thay đổi hướng chuyển động như quay vịng, đổi hướng.

- Thay đổi tốc độ.

Điều khiển tàu bao gồm cả hai tính chất đặc trưng của tàu, các đặc trưng ngược tính nhau: ổn định hướng hay giữ hướng và tính quay trở. Tính ổn định bao hàm nghĩa giữ hướng thẳng, khơng chao đảo qua lại, khi tàu chuyển động trên đường thẳng đã vạch ra. Tính quay trở tốt cĩ nghĩa cho phép tàu nhanh chĩng đổi hướng đi.

Tính ăn láitheo nghĩa tổng quát trên đảm bảo cho tàu làm việc an tồn và hiệu quả trong khai thác. Để đảm bảo tính ăn lái cần phải trang bị cho tàu những thiết bị cần thiết, tạo lực ngang thân tàu để xơ mũi hoặc lái tàu về một bên mà chúng ta đang cần. Thiết bị quan trọng trong phần này là thiết bị lái tàu, được miêu tả tiếp trong tài liệu.

4.2 Các thiết bị đảm bảo tính ăn lái

Bánh lái tàu dùng trên tàu là những tấm cĩ hình dáng gần với hình thang hoặc hình chữ nhật, mặt cắt ngang thường cĩ dạng profil cánh máy bay. Bánh lái quay quanh trục, đặt vuơng gĩc với đường nước. Bánh lái cĩ thể thuộc nhĩm giản đơn (simplex), bánh lái cân bằng, khơng cân bằng, lái treo hoặc nửa treo. Bánh lái cân bằng gồm cĩ hai phần diện tích, phần trước trục quay lái và phần sau, tỷ lệ giữa chúng nằm trong phạm vi 0,2 đến 0,30.

Diện tích bánh lái cĩ vai trị lớn trong tính tốn lực bẻ lái. Tỷ lệ tính bằng % giữa diện tích bánh lái so với mặt chiếu phần vỏ tàu nằm trong nước đến mặt đối xứng dọc giữa tàu nằm trong phạm vi sau:

Tàu vận tải biển 1,8 – 2,7

Tàu dầu 1,8 – 2,2

Tàu khách cỡ lớn 1,7 – 1,9

Tàu ven biển 2,3 – 3,3

Tàu đánh cá 2,5 – 5,5

Tàu kéo chạy biển 3 – 6

Tàu chạy nhanh cỡ nhỏ 4 – 5

Tàu kéo, đẩy chạy sơng 6,5 – 13

Ống đạo lưu quaycĩ tác dụng hướng dịng sau chân vịt sang trái hoặc phải và bằng cách đĩ tạo lực đẩy ngang, xơ phần lái tàu sang phía ngược chiều quay của ống.

Ống quay sau thiết bị đẩy dạng phụt nước(waterjet) cĩ tác dụng như trường hợp vừa nêu. Những thiết kế mới cũa các hãng sản xuất máy chính và thiết bị waterjet đi theo cho phép xoay ống xả 180, và bằng cách đĩ người ta cĩ thể điều khiển tàu chạy lùi trong khi khơng cần đổi chiều quay trục quay bơm, ngồi chức năng quay tàu sang trái, phải với gĩc tùy ý.

Chân vịt lái, được sản xuất dưới dạng thiết bị đẩy ngang cho mũi tàu (bow thruster) hoặc dưới dạng giản đơn hơn là máy đẩy thruster. Các tàu đĩng những năm gần đây người ta trang bị thiết bị này cả ở phía mũi tàu và ở phần lái. Đặc tính của thruster là luơn được bố trí nằm ngang, khả năng tạo lực đẩy sang trái hoặc sang phải như nhau.

4.3 Lượn vịng của tàu

Chúng ta khảo sát chuyển động quay của tàu từ thời điểm lái tàu bị bẻ. Giả sử rằng tàu đang chạy thẳng đến thời điểm t, lúc đĩ chúng ta bẻ lái sang phải gĩc r. Nhờ quán tính tàu cịn theo xu hướng chạy thẳng tiếp. Đồng thời tại bánh lái xuất hiện lực thủy động Rr, cĩ thể coi vuơng gĩc với bánh lái. Lực này được phân thành hai thành phần giúp chúng ta khảo sát các

chuyển dịch tàu dưới tác động lực: lực Yr vuơng gĩc với mặt đối xứng dọc tàu, và lực Xr song song với trục Ox, dọc tàu, cố định trên tàu. Cĩ thể chuyển lực Yrvề trọng tâm G của tàu theo cách làm quen thuộc trong cơ học lý thuyết, kết quả sẽ nhận được thành phần Yr’ với điểm đặt lực tại G, hướng cùng chiều với Yr và momen ngẫu lực Yr.xr, quay tàu theo chiều quay kim đồng hồ.

Dưới tác động của Yr tàu sẽ bị dạt (drift) đồng thời bị xoay quang trục Oz thẳng đứng. Trong chuyển động lắc chúng ta gọi đây là chuyển động số 6, mang tên gọi bằng tiếng Anh “yawing”, gĩc xoay này được ký hiệu  trong tài liệu này, cịn trong sách viết bằng tiếng Anh người ta ký hiệu bằng. Quá trình đĩ xẩy ra từ từ, từ lúc bánh lái bị bẻ sang gĩc rtàu chuyển sang chuyển động theo đường cong, chúng ta gọi là quá trình xoay vịng. Từ kỹ thuật chỉ quá trình này gọi là circulation.

Xoay vịng xẩy ra theo ba giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất khởi đầu từ lúc bánh lái bị bẻ, cho đến khi đạt gĩc xác định. Thơng lệ thời gian thực hiện cơng việc này trên các tàu kéo dài từ 10 đến 15 giây.

Giai đoạn thứ hai mang tên gọi giai đoạn phát triển bắt đầu từ khi gĩc lái đạt giá trị xác định như đã nêu, kết thúc tại thời điểm khi các tham số tham gia chuyển động này đi vào ổn định.

Giai đoạn thứ ba gọi là giai đọan ổn định (steady phase) bắt đầu ngay khi chấm dứt giai đoạn hai, thường sau khi đã xoay thân tàu sang gĩc 90 – 180cho đến khi khơng thay đổi vị trí lái. Giai đoạn này được đánh dấu bằng vịng trịn lượn của tàu trên nước, hình 3.34.

Đường trịn quay tiêu biểu của tàu được trình bày tại hình 3.34. Tại hình các ký hiệu mang ý nghĩa thực tế sau:

D - đường kính quay vịng ổn định (steady turning diameter). Bán kính quay vịng ổn định được tính bằng ½ D. Yêu cầu độ lớn của D được tính bằng đơn vị chiều dài tàu L. Tỷ lệ D/L là thước đo cơ bản cho tính quay trở tàu. Giá trị thơng dụng của tỷ lệ này 1,5 đến 7.

DT – đường kính “chiến thuật” hay “sách lược”, tạm dịch từ tiếng nước ngồi “tactical diameter”, khoảng cách từ mặt cắt dọc tàu tại điểm khởi đầu , khi tàu đang chuyển động thẳng, đến vị trí tương ứng sau khi tàu đã quay 180. DTthường đạt giá trị từ 0,9D đến 1,2D.

L1 - khoảng cách từ trọng tâm tàu, đo tại thời điểm bắt đầu quay lái, đến vị trí tương ứng khi tàu đã quay 90. Từ kỹ thuật trong nghề gọi đây làadvance. L1mang giá trị 0,6 – 1,3D.

L2– chuyển dịch thẳng, tính từ đường xuất phát đến tâm tàu tại thời điểm tàu đã quay 90, mang tên gọi bằng tiếng Anh “transfer”. L2 = (0,25 – 0,50)D.

L3 – chuyển dịch ngược sang trái so với đường xuất phát, cĩ giá trị vào khoảng 0,0 đến 0,10D.

Hình 3.34. Đường quay vịng của tàu

4.4 Lực xuất hiện trên bánh lái tàu và chân vịt tàu

Bánh lái độc lập cĩ dạng giống cánh máy bay, hoạt động trong lịng chất lỏng. Đặc tính thủy động lực bánh lái độc lập cĩ thể biểu diễn qua lực nâng và lực cản. Lực nâng L tác động theo hướng hầu như vuơng gĩc với mặt đối xứng dọc bánh lái, lực cản D vuơng gĩc với L. Cĩ thể phân tích lực tthủy động tác động lên profil cánh dạng sau: Lực thủy động nhận được từ thực nghiệm Z phân làm hai thành phần, lực nâng Y và lực cản X. Nếu ký hiệu  là gĩc tấn của dịng chảy đến profil cánh, các lực trên được hiểu là:

Y = Zcos ; X = Zsin (3.132)

Hệ số lực nâng và hệ số lực cản trong trường hợp này được hiểu là:

A v Y Cy 2 2 1  ; A v X Cx 2 2 1  ; (3.133)

trong đĩ - mật độ nước, v – vận tốc dịng chảy đến profil bánh lái, A – diện tích mặt cắt. Momen do lực Z gây, so với trục quay tại hình được tính bằng cơng thức:

M = (Ycos + Xsin)(x - a) (3.134) Hệ số momen tính theo b A v M Cm . 2 1 2  ; (3.135)

Bánh lái thường được chế tạo cĩ dạng profil chuẩn. Thơng lệ các dạng profil sau được dùng rộng rãi: NASA (Mỹ), Go (Đức), ЧАГИ (Nga). Một số các profil tiêu biểu được giới thiệu dưới đây, hình 3.35.

Hình 3.35. Các profille thường dùng NASA, Go, ЧАГИ

4.5 Thử và thí nghiệm tính ăn lái, tính quay trở

Những thao tác phải được thử nghiệm trên tàu thường gồm:

 Thử vịng spiral, gọi là ma nớp Dieudonne.

 Thử ZigZag, hay viết tắt Z, cịn gọi là Kempf overshoot.

 Thử quay vịng.

Để xác định tính ổn định chuyển động hay cịn gọi tính giữ hướng (coursekeeping) tiến hành các thao tác gọi là thao tác Dieudonne hay là xoắn trơn ốc (spiral). Tàu được chuyển sang trạng thái lượn vịng với gĩc bẻ lái khơng lớn, r = 8  10, sau đĩ tăng dần đường kính lượn vịng D bằng cách thay đổi gĩc lái. Gĩc bẻ lái được chuyển dần về đến 0. Nếu tàu chưa thốt khỏi tình trạng chạy vịng, chuyển bánh lái sang phía ngược với trước đĩ, cho đến gĩc  = cr. Sau mỗi lần thay đổi nhỏ gĩc bẻ lái cần ghi lại kết quả đổi thay của đại lượng.

Kết quả thử được trình bày dạng: biểu đồ thay đổi gĩc hướng theo thời gian, ứng với các gĩc bẻ lái thực tế, gĩc quay , vận tốc quay vv…

Thử ZigZag cho phép đánh giá khả năng của tàu phản ứng nhanh hay chậm, chính xác hay khơng khi chuyển gĩc lái từ nên này sang bên kia. Thứ tự thực hiện như sau.

Với tàu đang đi thẳng tiến hành bẻ lái sang phải với gĩc xác định, thường 0 = 10. Tại thời điểm khi tàu đã lệch khỏi đường thẳng ban đầu gĩc0 = 0, bẻ lái sang trái cũng gĩc bằng

0,

Sau khi tàu đã quay hẵn sang hướng ngược với gĩc0, thựchiện bẻ lái sang phải gĩc0. Quá trình này lặp đi lặp lại cho các gĩc bẻ lái khác nhau, song nằm trong phạm vi 0 =

(10  15). Đồ thị của chuyển động vừa rồi được trình bày trên cùng bản vẽ, trên đĩ tjhể hiện rõ gĩc bẻ lái0(t), hàm thời gian của(t).

Hình 3.36. Thử Zigzag

Hiệu quả làm việc của thiết bị lái tàu được xét qua các chỉ tiêu sau.

Giá trị trung bình vận tốc/tovà vận tốc ma nớpm/tm. Trong đĩ to - thời gian giữ tàu ở trạng thái hiện hữu, tm - thời gian giữa đỉnh max và đỉnh min gần nhau của ,  - hiệu giữa gĩc lớn nhất của hướng đi m và gĩc 0 =0. Hiệu số này trong chuyên mơn gọi bằng cụm từ “overshoot yaw angle”, là một trong các chỉ tiêu được xem xét kỹ lúc phân tích tính ăn lái.

Tĩm lược chương 3