Lực tác động lên bánh lái để thay đổi hƣớng đi tàu thủy (lực bẻ lái), đƣợc hình thành do sự chênh áp suất giữa hai bề mặt bánh lái tàu thủy. Lực này phụ thuộc vào diện tích mặt tiếp xúc của bánh lái, góc bẻ bánh và vận tốc dịng chảy bao quanh bánh lái.
Khi tàu thủy hoạt động, với diện tích mặt tiếp xúc của bánh lái là cố định, lúc này lực bẻ lái phụ thuộc vào hai thơng số là vận tốc dịng chảy bao quanh bánh lái và góc bẻ lái. Vận tốc dịng chảy bao quanh bánh lái chính là vận tốc dòng sau chân vịt, phụ thuộc chặt chẽ vào số vòng quay chân vịt (ký
41
hiệu là ni). Nếu gọi góc bẻ lái là αi thì tổ hợp (ni,αi) sẽ quyết định độ lớn của lực bẻ lái tàu thủy (ký hiệu R). Hình 2.1 mơ tả dịng chảy bao quanh bánh lái tàu thủy.
Hình 2.1. Mơ hình dịng chảy bao quanh chân vịt - bánh lái tàu thủy Mặt khác, dòng chảy sau chân vịt bao quanh bánh lái và sự hình thành lực bẻ lái ở các góc quay bánh lái khác nhau, có thể thu gọn về bài tốn dịng chảy bao chân vịt và bánh lái, hay dòng chảy bao quanh profil cánh nói chung, mơ tả theo hình 2.2 [13, 18, 23, 63, 65].
Hình 2.2. Mơ hình bài tốn dịng chảy bao chân vịt và bánh lái tàu thủy Trong đó: U - vận tốc dịng tới (vận tốc dòng chảy sau chân vịt); α - góc bẻ lái (độ).
42
Các thông số làm việc của profil nhƣ hệ số áp suất, hệ số lực nâng, hệ số lực cản,…đƣợc xác định theo các công thức sau [6, 8, 13, 16]:
Hệ số áp suất: 1 2 2 U V Cp (2.3) Hệ số lực nâng: CL = 1 2U c (2.4) Với là lƣu số vận tốc: U L
Trong đó: L - lực bẻ lái hay lực nâng (N/m2);
- khối lƣợng riêng của chất lỏng (kg/m3); c - chiều dài dây cung (m).
Với tồn cánh có diện tích làm việc là S, khi đó lực bẻ lái đƣợc xác định theo công thức:
L = 0,5.CL..U2
.S (2.5) Đây đƣợc gọi là bài toán nghịch (bài toán ngƣợc), tức là khi đã có biên dạng profil, cần tìm các thơng số làm việc thỏa mãn. Hơn nữa, đây chính là dạng bài toán đƣợc nghiên cứu sinh quan tâm, nghiên cứu và sử dụng trong đề tài luận án. Đối với bài toán thuận là cần thiết kế biên dạng profil phù hợp, sao cho thỏa mãn các điều kiện làm việc đặt ra.
Về vấn đề này có nhiều phƣơng pháp mà các tác giả đã công bố: Phƣơng pháp tƣơng tự hình học (đồng dạng), phƣơng pháp một tọa độ, phƣơng pháp lực nâng, phƣơng pháp phƣơng trình tích phân của Voznheexenski - Pekin, phƣơng pháp phân bố xoáy của Lexokhin - Ximonov, phƣơng pháp các điểm kỳ dị của Lexokhin,…