Vấn đề chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí

L ỜI NĨI ĐẦU

2.2.4.Vấn đề chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí

1. Các trường hợp chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí

Hiện tượng chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khi diễn tiến rất nhanh và phức tạp, xảy ra trong mọi trường hợp khi tàu chạy trên nước tĩnh ở tốc độ cao, tốc độ thấp và khi gặp sĩng.

Hiện tượng chúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí ở tốc độ thấp

Biên dạng mặt nước trong quá trình cất cánh làm giảm khả năng ổn định của váy. Hình 2.10 là đồ thị mơ tả hình dạng mặt nước dưới váy khí của mơ hình tàu đệm khí ở các giá trị số Froude khác nhau. Cĩ thể nhận thấy, hình dạng bề mặt nước lõm sâu nhất khi Fr = (0,5  0,7) điều đĩ thì cĩ tác động xấu đến ổn định ngang (hoặc dọc) của tàu.

Hình 2.10 : Hình dạng mặt nước dưới váy của mơ hình đệm khí ở số Froude khác nhau. (a) Fr = 0,40; (b) Fr = 0,44; (c) Fr = 0,50; (d)Fr = 0,70 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 - 1,5 - 1,0 - 0,5 0 0,5 0 2 - 2 - 4 0 2 - 2 - 4 0 2 - 2 - 4 0 2 - 2 - 4 Tests calculation (a) (b) (c) (d) gBc v pw gz/pc pw gz/pc pw gz/pc pw gz/pc pw gz/pc

Hình 2.11 thể hiện kết quả nghiên cứu của nhà khoa học W.A.Crago đã cho thấy ổn định ngang của tàu đệm khí mất đi khi giá trị số Fr trong khoảng Fr = 0,33  0,56 trong đĩ (1) là tính theo độ chúi của tàu và (2) tính theo phân bố áp suất dưới đệm khí.

Hình 2.11 : Ổn định ngang của tàu đệm khí phụ thuộc giá trị số Froude

Hình 2.12 là đồ thị thể hiện mơmen nghiêng và gĩc nghiêng tăng khi Frl = 0,4 lúc đĩ tàu sẽ bị lật úp nếu như giá trị mơmen lật ngang vượt qua giá trị

c

WB M

= 0,022. Vì lí do này, người điều khiển phải hết sức cẩn thận trong quá trình cho tàu nâng lên do lúc này cịn thiếu lực nâng và lực đẩy hoặc vì một lý do nào đĩ làm cho tàu đệm khí bị giảm tính ổn định, ví dụ như sự dao động của một số chất lỏng cĩ chứa trên tàu. Hơn nữa cũng cần phải hết sức chú ý phải thiết kế váy tàu với cấu hình sao cho cĩ thể đảm bảo ổn định với lực thủy động tương ứng nhiều trường hợp vận tốc tàu khác nhau.

Hiện tượng chúi mũi và lật ngang của tàu khi chạy ở tốc độ cao

Khi di chuyển ở tốc độ cao, sự ổn định của tàu khơng những phụ thuộc vào những yếu tố đã nêu trên mà cịn phụ thuộc vào hình dáng khí động lực học của tàu. Khi nĩi đến hiện tượng chúi mũi (plough-in) là khi phần váy ở phía trước mũi tàu khơng cịn khí thốt ra nữa vì váy đã tiếp xúc với mặt nước bên dưới, thời điểm này rất nguy hiểm vì khi đĩ ma sát ở phía trước váy tàu tăng lên đột ngột trong khi phần thân tàu vẫn giữ nguyên vận tốc khiến cho tàu cĩ xu hướng dễ bị lật nhào về phía trước.

Hiện tượng lật nhào của tàu khi gặp sĩng

Ví dụ điển hình của trường hợp tàu đệm khí lật nhào khi gặp sĩng là tai nạn của tàu khách SR.N6-012 vào tháng 3 năm 1972 khi đang chạy giữa Portsmouth và Ryde, một đảo của vùng Wight nước Anh do gặp giĩ giật và cả sĩng đánh mạnh lên con tàu. Tàu bị nước tràn dẫn đến cắm mũi vào nước và gây ra cái chết của năm hành khách. Đây là tai nạn thảm khốc nhất đối với loại tàu đệm khí, tính cho đến thời điểm này. Do gặp giĩ to và sĩng lớn, thuyền trưởng đã quyết định lái tàu chạy dọc theo bờ biển. Tuy nhiên những ngọn sĩng dọc bờ biển khá lớn, lại kết hợp với giĩ mạnh nên nước đã tràn vào boong tàu và làm tàu lắc dữ dội cho đến khi một bên tàu bị nghiêng theo ngọn sĩng và cắm luơn vào mặt nước như hình 2.13.

Tại thời điểm đĩ, vận tốc giĩ là 100 km/h (60 knots), chiều cao sĩng là 4,6 m, vận tốc sĩng đánh tới là 20 km/h (11 knots) kết hợp với thủy triều là 7 km/h (4 knots). Rõ ràng một phần lỗi là do sự thiếu chính xác trong điều khiển tàu của thuyền trưởng, nhưng ít nhất bài học rút ra được từ tai nạn là khi nào thì nên cho tàu chạy dọc bờ biển, như trong trường hợp này nhận thấy những ngọn sĩng gần bờ hồn tồn cĩ thể làm cho tàu bị lật nhào trong thời tiết xấu (hình 2.14).

Hình 2.14 : Tàu SR.N6 bị lật do sĩng ngang quá lớn

Sau tai nạn này, chính phủ Anh mới mở một cuộc điều tra, trong đĩ bao gồm cả việc nghiên cứu nhằm cải thiện tính ổn định của các tàu đệm khí bằng việc thay đổi các kích thước và thơng số của tàu, mà cụ thể là những thiết kế về hệ thống váy tàu. Các nghiên cứu này đã cho ra những cải tiến đáng kể về kết cấu váy tàu đệm khí như dạng váy bầu vào trịn ra xung quanh (bulbous bow skirt), váy xếp ly (tapered skirt) Nhờ thế ngày nay tàu đệm khí đã cĩ những cải tiến đáng kể về ổn định và điều khiển, tuy nhiên vấn đề ổn định của tàu đệm khí cho đến hiện nay vẫn chưa được giải quyết một cách triệt để, nguyên nhân do cách thức hoạt động khá đặc biệt của nĩ.

2. Diễn biến của quá trình lật nhào

Diễn biến quá trình lật nhào của tàu đệm khí trong các tình huống được thể hiện trên hình 2.15, cụ thể như sau:

Các hình vẽ mơ tả cụ thể như sau:

- Hình a: tàu đệm khí đang di chuyển với gĩc chúi dương, tàu ngĩc đầu lên, khí vẫn thốt ra phía dưới váy trước mũi tàu.

- Hình b: khi tàu đệm khí tăng tốc, gĩc chúi dương của tàu giảm xuống dần khi áp lực đẩy của khơng khí tăng. Khi tàu chạy xuơi hướng giĩ hoặc gặp giĩ giật, lực đẩy tăng đột ngột làm tàu chúi về phía trước và váy tàu tiếp xúc với nước. Tuy nhiên khơng khí vẫn cĩ thể thổi ra qua khe hở dưới váy phía trước tàu, tức là tàu vẫn chạy với ổn định mang giá trị dương.

- Hình c: khi diện tích váy tiếp xúc nước tăng, lực cản thủy động cũng tăng lên, áp suất động lực của dịng vào tại điểm dừng sẽ cân bằng với áp suất đệm khí, làm cho váy tàu bị biến dạng là nguyên nhân váy khơng thể thốt khí ra được. Khi lực cản thủy động tăng lên, khe hở dưới váy khí khơng cịn nữa sẽ làm cho đệm khí ở phía mũi tàu bị căng lên và làm giảm diện tích của đệm khí. Khi đĩ, tổng lực từ đệm khí giảm trong khi áp suất của đệm khí lại tăng lên và váy tàu tiếp xúc với nước nhiều hơn, khiến lực cản ngay mũi tàu càng tăng. Ổn định dọc trục của tàu giảm đáng kể.

- Hình d: váy tàu càng chìm xuống nước nhiều hơn, tàu tiếp tục chúi mũi. Trong khi sự cân bằng động học vẫn tiếp diễn, thì ổn định dọc giảm đáng kể. Đây chính là lúc hiện tượng tàu chạy rẽ sĩng và lật nhào (plough – in) xảy ra. Nếu như người điều khiển tàu nhận biết sớm được điều này và cĩ được những điều chỉnh thích hợp để làm giảm mơmen nhào như giảm tay ga động cơ đẩy, đồng thời tăng cơng suất quạt nâng, thì cĩ thể tránh làm tàu lật.

- Hình e: lúc này tồn bộ phần váy ở mũi tàu đã chạm nước, lực cản váy tăng đột ngột, trong khi đĩ áp suất ở mũi tàu giảm do dịng khí tại đĩ bị xáo trộn, tất cả khiến cho mơmen lật tàu tăng lên và tàu bị cắm mũi vào nước.

- Hình f: trong khi bị cắm mũi vào nước, tàu vẫn sẽ trượt về phía trước theo quán tính do lúc đĩ vận tốc của tàu vẫn lớn, lực cản thủy động vẫn tiếp tục tăng lên đến lúc cân bằng với lực quán tính tàu thì tại vị trí tiếp xúc tàu sẽ là điểm tựa khiến cả con tàu lật nhào và cắm mũi xuống nước.

3. Những nguyên nhân chính của hiện tượng chúi mũi và lật nhào

- Khi tàu tăng tốc, khí đi vào khe hở phía trước tàu cĩ xu hướng cân bằng với khí thốt ra, gây sự xáo trộn dịng khí ngay tại mũi tàu làm áp suất ở mũi tàu giảm xuống trong khi áp suất phía đuơi tăng do tàu tăng tốc; làm tâm áp của tàu dịch chuyển ra sau. Đây cĩ lẽ là một nguyên nhân dẫn đến hiện tượng tàu bị cắm mũi vào nước (hình 2.16)

Hình 2.16 : Dịng khí bên trong và bên ngồi của mơ hình tàu đệm khí khi chuyển động với tốc độ cao

- Chong chĩng thường đặt ở phía trên sàn tàu hoặc tại các nơi cĩ kết cấu đặc biệt do đĩ đường lực đẩy nằm trên cao so với mặt nước và tạo mơmen lật tàu khi tăng tốc. Đặc biệt khi chạy xuơi giĩ, mơmen này tăng đột ngột làm tàu dễ bị chúi mũi về trước. Hình 2.17 thể hiện kết quả thực nghiệm mơ hình tàu đệm khí khi chuyển động. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

- Váy ở mũi tiếp xúc và chìm vào trong nước khi tàu tăng tốc hoặc đi xuơi giĩ, làm diện tích váy giảm trong khi lực cản thủy động ở mũi tàu tăng đột ngột làm tăng mơmen lật tàu. Đây là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng lật nhào của tàu đệm khí. Bảng 2.1 trình bày các số liệu thực nghiệm tình huống gây ra hiện tượng lật nhào của tàu đệm khí.

Bảng 2.1 : Các nguyên nhân gây ra hiện tượng lật tàu

Thời gian Gĩc nhào Áp suất mũi Áp suất đuơi Tình huống

1 - bắt đầu 1,780 1160 1130 Đang di chuyển

2 1,080 1200 1100 Mép váy chạm nước

2.5 0,900 1180 1100 Mép váy chìm xuống nước

3 0,620 1150 110 Mép váy chìm xuống nước

3.5 0,030 1050 1040 Mép váy chìm xuống nước

4 – 0,050 900 950 Tàu mất ổn định

4.5 – 1,160 250 630 Hiện tượng plough-in

5 – 3,940 – 1200 350 Mũi tàu chạm nước

5,5 – 1,140 – 1000 600 Phục hồi hình dạng váy

9 - kết thúc + 1,60 1200 1130 Di chuyển bình thường

- Trong trường hợp tàu vừa bị chúi mũi, vừa kết hợp với chuyển động trơi dạt sẽ càng làm tăng khả năng bị lật nhào, nhất là khi tàu đang di chuyển với tốc độ cao. Bảng 2.2 cho thấy vùng tốc độ mà cĩ thể xảy ra hiện tượng chúi mũi hoặc lật tàu. Bảng 2.2 : Vùng tốc độ mà cĩ thể xảy ra hiện tượng chúi mũi hoặc lật tàu

Vận tốc cao Vận tốc trung bình Vận tốc thấp

Số Froude FrB > 1,7 0,5 ÷ 1,7 < 0,5

Cắm mũi vào nước Cĩ thế Khơng thể Khơng thể

Lật nhào Cĩ thể trong

trường hợp gĩc dạt lớn hơn 50o

Khả năng thấp Cĩ thể nhưng cịn tùy thuộc vào quỹ đạo tàu di chuyển

4. Các giải pháp khắc phục hiện tượng chúi mũi lật nhào của tàu đệm khí

Cải tiến hệ thống cung cấp khí cho đệm khí và váy tàu

- Sử dụng riêng một quạt để cung cấp lưu lượng xác định cho dịng khí vào và tăng vịng quay quạt, khe hở thốt khí, nhất là cung cấp lưu lượng ở mũi tàu. Thiết kế một hệ thống ống đặc biệt cung cấp áp suất cho đệm khí tại mũi. - Sử dụng một hệ thống ống phân chia áp suất khí cung cấp cho phía trước và

phía sau của đệm khí và váy.

- Dùng váy cĩ chia khoang, chủ yếu áp dụng cho tàu lớn.

Cải tiến hệ thống váy

- Tăng cường độ cứng phần váy tàu ở mũi bằng cách sử dụng loại váy chữ D - Giảm bớt thành phần lực cản xuất hiện do sự tiếp xúc giữa váy khí với nước.

Ví dụ tàu SR.N6 đã thiết kế nhiều lỗ thốt khí ngay gần mép váy ở mũi tàu giúp khí vẫn cĩ thể thốt ra được khi một phần mép váy đã chạm vào nước. Phần khí thốt ra này đã giúp “bơi trơn” làm giảm ma sát giữa váy với nước. - Gia cơng thật kỹ phần váy, nhất là những mối nối, việc này giúp giảm bới

lực cản động khi di chuyển, cũng như giảm bớt khối lượng váy cho tàu. - Dùng hệ thống dịch chuyển váy giúp điều khiển trọng tâm váy và chiều cao

váy tàu, cũng như gĩc chúi của tàu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Điều chỉnh hợp lý trọng tâm tàu theo phương dọc trục để mơmen lật cân bằng trước và sau, cĩ thể sử dụng thêm các thùng đối trọng, các vây ngang và ống thổi khí ngang để điều chỉnh gĩc nhào của tàu trong khi di chuyển.

Người lái tàu đệm khí phải cĩ kinh nghiệm và kỹ thuật lái thuần thục để cĩ thể nhận biết được những dấu hiệu khi tàu đệm khí sắp bị cắm mũi hoặc lật nhào. Để làm được điều này, người điều khiển tàu phải thực tập nhiều.

Kết cấu khung tàu cũng cĩ ảnh hưởng đếm tính ổn định của tàu đệm khí, do đĩ người thiết kế phải hết sức chú trọng trong việc thiết kế khung cho tàu đệm khí.