2.7.1. Bố trí chung thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời
Khi tính toán sức cản và công suất đẩy thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời, ngoài sức cản thân thuyền còn có sức cản cánh, thanh đỡ cánh, thanh đỡ chân vịt v..v.. Vì vậy phải thiết kế sơ bộ kết cấu và bố trí chung để có cơ sở tính toán sức cản. Thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời có các bộ phận đƣợc bố trí chung sơ bộ nhƣ mô tả trên hình 2.29.
Hình 2.29: Bố trí chung thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người
1- Thân thuyền ; 2- Thanh đỡ cánh trước ; 3- Cánh trước ; 4- Feeler 5- Thanh đỡ chân vịt ; 6- Chân vịt ; 7- Cánh sau ; 8- Thanh đỡ cánh sau ; 9- Thanh đỡ ngang ; 10- Ghế ngồi ; 11- Tay lái ; 12- Thanh bộ truyền xích; 13- Bộ truyền xích.
2.7.2. Thiết kế hệ động lực của thuyền
Thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời chuyển động nhờ lực đạp của một ngƣời với tốc độ đạp trung bình khoảng 60 vòng/phút, đạp nhanh từ (80 – 100) vòng/phút. Để đơn giản, chúng tôi sử dụng cơ cấu truyền động dạng xích giống nhƣ của xe đạp và qua các bộ truyền để tăng tốc độ quay chân vịt nhằm đạt tốc độ 5,5 HL/h khi cất cánh. Để thuận lợi trong quá trình chế tạo thử nghiệm và thƣơng mại hóa sản phẩm sau này, chúng tôi sử dụng cơ cấu truyền động xích của xe đạp và một số các thiết bị, máy móc có tính năng phù hợp nhƣ trục truyền và bộ truyền bánh răng của máy cắt cỏ, ô tô… Sức đạp ngƣời tác dụng lên pedan qua bộ truyền xích, đến bộ truyền bánh răng côn 90o qua trục truyền đến bộ bánh răng côn 120o, đến trục chân vịt và chân vịt (hình 2.30). Tỷ số truyền của các bộ truyền có trong hệ động lực thuyền đƣợc tính sơ bộ nhƣ sau: bộ truyền xích ix = 3,71 ; bộ truyền bánh răng côn 900 là: i90 = 1,60 và bộ truyền bánh răng côn 1200
là i120 = 0,76, suy ra tỷ số truyền chung của cả hệ thống là : i = ix . i90 . i120 = 3,71.1,60.0,76 = 4,50
Khi đó, nếu tốc độ đạp pedan npd = 80 vòng/phút thì tốc độ quay chân vịt ncv là : ncv = i.npd = 80. 4,50 = 360 (vòng/phút).
Hình 2.30: Hệ động lực thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người. 1- Bộ truyền xích; 2- Giá đỡ bộ truyền xích; 3- Bộ truyền bánh răng côn 900; 4- Trục truyền; 5- Thanh đỡ chân vịt; 6- Chân vịt; 7- Bộ truyền bánh răng côn 1200
Do đang trong quá trình chế tạo thử nghiệm, đồng thời vấn đề quan trọng đối với thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời là thiết kế, chế tạo phần thân thuyền và cánh, kết hợp với lƣu ý về việc thƣơng mại hóa sản phẩm sau này nên đối với hệ động lực, chúng tôi không thiết kế, chế tạo mới mà chỉ tính chọn và sử dụng các bộ phận, chi tiết có sẵn trên thị trƣờng và thiết kế, hiệu chỉnh lại cho phù hợp để sử dụng vào thuyền. Trên cơ sở đó, sử dụng bộ truyền xích của xe đạp để làm bộ truyền xích của thuyền, sử dụng bộ vi sai xe Jeep làm bộ truyền bánh răng côn trong hệ truyền động thuyền. Chân vịt tự chế tạo trên cơ sở tính toán, thiết kế và hiệu chỉnh lại dần khi thử nghiệm. Hệ động lực và các chi tiết bộ phận của hệ động lực đƣợc trình bày trong các bản vẽ, cụ thể nhƣ sau :
- Sơ đồ hệ động lực bản vẽ số 10 - Chân vịt bản vẽ số 11 - Ổ đỡ bộ giò dĩa bản vẽ số 12 - Bánh răng dẫn bộ bánh răng côn 900 bản vẽ số 13 - Bánh răng bị dẫn bộ bánh răng côn 900 bản vẽ số 14 - Gối đỡ phía phải trục bộ bánh răng côn 900 bản vẽ số 15 - Gối đỡ phía trái trục bộ bánh răng côn 900 bản vẽ số 16 - Bộ truyền bánh răng côn 900 bản vẽ số 17 - Giá đỡ bộ truyền xích bản vẽ số 18
Ngoài ra, còn có một số bộ phận khác cấu thành thuyền cũng đƣợc thiết kế và trình bày ở các bản vẽ của Phần Phụ lục nhƣ sau :
- Ghi đông, phóc tăng bản vẽ số 19. - Trục lái bản vẽ số 20. - Ghế ngồi bản vẽ số 21.
- Cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trƣớc theo mớn nƣớc – bản vẽ số 22. Bản vẽ số 23 trình bày bố trí chung thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời.
2.7.3. Thiết kế hệ thống lái
Để giảm bớt các bộ phận chi tiết, giảm khối lƣợng, giảm sức cản cho thuyền, thanh đỡ cánh trƣớc thiết kế biên dạng cánh và làm luôn nhiệm vụ bánh lái (cánh lái). Hình 2.31 mô tả sơ đồ cấu tạo hệ thống lái thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời, trong đó cánh lái phía mũi của thuyền đƣợc bố trí nằm cách khá xa vị trí chổ ngồi của ngƣời điều khiển nên sử dụng truyền động bằng dây cáp để nhẹ và giảm bớt tiếng ồn. Còn tay lái thuyền đƣợc thiết kế đơn giản nhƣ dạng tay lái xe đạp.
Hình 2.31: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người 1- Tay lái 2- Cáp truyền động lái 3- Trục lái 4- Cánh lái
Nguyên lý làm việc của hệ thống lái :
Muốn thuyền quay vòng về phía nào, ngƣời điều khiển sẽ xoay tay lái về phía đó. Thông qua hệ thống tay đòn và cáp truyền động lái sẽ kéo xoay trục của bánh lái và bánh lái về phía đó, và thuyền quay vòng theo hƣớng muốn lái, cụ thể nhƣ sau :
Thuyền có cánh lái đặt phía trƣớc, hệ thống lái thuận gồm các chi tiết ở hình 2.32
Hình 2.32: Sơ đồ hệ thống lái
1-Tay lái; 2-Trục lái sơ cấp; 3-Dây lái phải; 4-Trục lái thứ cấp; 5-Dây lái trái
Khi muốn lái thuyền cánh ngầm, bẻ tay lái 1 về hƣớng muốn quay mũi thuyền. Khi quay tay lái, trục sơ cấp 2 làm quay thanh lái, kéo dây cáp 3 quay trục thứ cấp 4. Do trục thứ cấp gắn chặt với cánh lái nên khi trục quay sẽ làm quay cánh lái và làm quay mũi thuyền. Muốn thuyền quay về hƣớng nào ta bẻ lái về hƣớng đó (hình 2.33).
Hình 2.33: Khi bẻ lái qua phải
1
3 2
2.7.4. Thiết kế cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trƣớc theo mớn nƣớc.
Để đảm bảo cho thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời có thể “bay” ổn định, nghĩa là sau khi cất cánh, lực nâng phải ổn định trong khi tốc độ thuyền luôn thay đổi. Để thực hiện điều này, thuyền đƣợc thiết kế cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trƣớc dựa theo hệ thống Christopher Hook gồm có một que thăm dầu (feeler) và hệ thống cơ khí. Hệ thống điều khiển sự thay đổi góc tấn của cánh theo sự thay đổi mớn nƣớc thuyền hoạt động dựa theo nguyên lý là khi thuyền đã “bay”, nếu tốc độ của thuyền càng tăng, dẫn đến lực nâng cánh tăng lên, mớn nƣớc giảm xuống, để ổn định lực nâng cánh thì cần phải giảm bớt góc tấn của cánh (hình 2.34).
Hình 2.34: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trước theo mớn nước 1- Phao feeler; 2- Thanh feeler; 3- Đũa đẩy; 4- Cánh trước
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu điều khiển góc tấn của hệ thống cánh trƣớc thông qua que thăm dầu (Feeler) nhằm thăm dò sự thay đổi của mớn nƣớc thuyền và liên tục điều chỉnh góc tấn cánh trƣớc theo tốc độ để kiểm soát độ bay cao mũi thuyền, cụ thể nhƣ sau.
Khi thuyền đứng yên, phao 4 nổi lên gần mặt nƣớc, thanh feeler xoay ngƣợc chiều kim đồng hồ (nhìn từ mạn trái sang) tác động lên đũa đẩy 6 đẩy mép thoát của cánh trƣớc chìm sâu xuống, làm góc nâng cánh trƣớc ở vị trí cực đại (70
Hình 2.35: Khi thuyền đứng yên, feelerđiều khiển góc tấn cánh ở mức cực đại 70
Khi thuyền bắt đầu chuyển động, cùng với gia tốc thuyền và góc nâng cực đại, lực nâng cánh trƣớc sẽ bắt đầu nâng phần mũi thuyền lên dần, làm tăng góc tấn cánh ngang, cánh nghiêng sau, lực nâng của hệ thống cánh tăng dần theo vận tốc và góc tấn.
Hình 2.36: Thuyền đang “bay” ở đường nước thiết kế
Do phao 4 luôn nổi và lƣớt trên mặt nƣớc nên khi thuyền nâng lên thì mớn nƣớc hạ xuống nên phao hạ theo và qua kết cấu cần đẩy làm góc tấn cánh trƣớc giảm dần. Nhƣ vậy, khi tốc độ của thuyền tăng lên sẽ làm cho lực nâng trên các cánh tăng lên, nhƣng góc tấn của cánh trƣớc giảm xuống cũng sẽ làm cho lực nâng cánh giảm xuống. Hai yếu tố vận tốc thuyền và mớn nƣớc sẽ điều khiển góc tấn của cánh trƣớc sao cho lực nâng cân bằng với trọng lƣợng thuyền ở thời điểm tốc độ và mớn nƣớc xác định. Bằng cách nhƣ thế, thanh feeler sẽ điều khiển góc tấn của cánh trƣớc để sao cho khi tốc độ thuyền tăng, góc tấn của cánh giảm và ngƣợc lại, tốc độ giảm thì góc tấn tăng.
Vấn đề đặt ra là làm sao để tốc độ thuyền cứ tăng mà cánh không bay khỏi mặt nƣớc? Nếu tốc độ thuyền càng tăng, dẫn đến lực nâng cánh càng tăng, mớn nƣớc giảm xuống nên góc tấn cánh trƣớc giảm xuống và nếu góc tấn bằng - 40
thì cánh bị mất lực nâng. Nếu góc tấn cánh tiếp tục giảm xuống dƣới - 40
thì lực nâng của cánh có giá trị âm, tức là lực nâng trở thành lực hút hƣớng từ trên xuống làm cho mũi thuyền hạ xuống.. Góc tấn cánh trƣớc đƣợc thay đổi nhờ thanh feeler điều khiển theo thay đổi mớn nƣớc. Còn góc tấn của cánh sau sẽ thay đổi đƣợc do sự thay đổi của góc nghiêng dọc thuyền, trong khi góc nghiêng dọc của thuyền cũng lại do cánh trƣớc của thuyền điều khiển. Khi mũi thuyền nâng lên thì góc tấn của cánh sau cũng tăng lên, mũi thuyền hạ xuống thì góc tấn của cánh sau cũng giảm xuống do đó nếu bố trí góc nâng cánh phù hợp thì có tăng vận tốc thuyền lên rất cao thì cánh thuyền vẫn không bay lên khỏi mặt nƣớc. Hình 2.37, 2.38 mô tả hoạt động của thanh feeler theo thay đổi tốc độ và mớn nƣớc.
Hình 2.37: Khi thuyền đạt tốc độ 6 HL/h, chạy ở mức nước – 200mm “feeler” điều khiển góc tấn cánh trước ở góc 50
Hình 2.38: Nếu thuyền đạt tốc độ từ 8 HL/h trở lên (thuyền chạy ở mức nước >– 200mm) “feeler” sẽ điều khiển góc tấn cánh trước giảm từ 50
2.8. TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA THUYỀN
2.8.1. Đặc điểm ổn định của thuyền cánh ngầm
Nhƣ đã trình bày ở phần trên, tàu cánh ngầm thƣờng có hai chế độ làm việc chính chế độ nổi làm việc giống nhƣ một tàu nổi thông thƣờng và chế độ chạy trên các cánh. Ở chế độ làm việc nhƣ tàu nổi, phép tính ổn định tàu cánh ngầm giống nhƣ của tàu nổi, còn ở chế độ chạy trên cánh, do tàu nâng khỏi mặt nƣớc, các lực môi trƣờng tác động lên tàu không nhƣ ở chế độ nổi, nên ổn định tàu cánh ngầm không giống tàu nổi nữa.
1. Ổn định ngang
Ở chế độ thân tàu đƣợc nâng lên hẳn khỏi mặt nƣớc, các thành phần mômen tham gia vào quá trình nghiêng ngang tàu cánh ngầm nhƣ sau:
M = MRF + MRA + MRUD + MAPP (2.14) trong đó : MRF, MRA - mômen phục hồi từ cánh trƣớc và cánh sau
MRUD, MAPP - mômen gây nghiêng từ bánh lái và các chi tiết lồi
Trong thực tế, các thành phần MRUD, MAPP có thể có giá trị dƣơng và cùng chiều với mô men hồi phục nhƣng cũng có thể có giá trị âm, cùng chiều mômen nghiêng tàu. Giá trị hai thành phần này không lớn nên có thể bỏ qua nó khi tính ổn định ngang của tàu cánh ngầm, chỉ tính thành phần mômen phục hồi do cánh tạo ra khi nghiêng tàu. - Với cánh chìm nông, lực tác động lên tàu khi nghiêng ngang có dạng hình 2.39.
Hình 2.39: Lực tác động lên tàu cánh ngầm khi tàu nghiêng ngang a- khi chạy trên cánh; b- khi chuyển chế độ làm việc
Lực P tính từ áp lực nƣớc tác động lên cánh đƣợc phân thành hai thành phần, thành phần lực thẳng đứng cân bằng với trọng lƣợng của tàu tại thời điểm tính toán và thành phần lực nằm ngang làm dạt tàu. Nếu bỏ qua lực cản chuyển động ngang tàu, mômen ổn định ngang của tàu tính theo dạng tƣơng tự nhƣ đối với các tàu bất kỳ: M = W.l (2.15) Tuy nhiên khác với các tàu nổi thông thƣờng, cánh tay đòn ổn định của tàu trên cánh l phụ thuộc vào độ không đối xứng của phân bố áp lực nƣớc trên các cánh ngầm. Độ lớn cánh tay đòn l có thể tăng lên nếu tăng chiều dài cánh hoặc giảm độ chìm sâu. Việc hạ thấp trọng tâm của tàu cánh ngầm cũng là giải pháp để tăng tay đòn ổn định l. Trƣờng hợp tàu chuyển chế độ làm việc, cánh bị chìm sâu hơn, ảnh hƣởng mặt thoáng đến cánh ít, phân bố áp lực trên cánh đều hơn, thành phần lực nâng cánh P không lệch một phía nhƣ trƣờng hợp nghiêng khi chạy trên cánh mà ở gần vị trí giữa của cánh. Từ đó làm tay đòn ổn định giảm hoặc có thể chuyển sang mang dấu âm nhƣ hình 2.39b Trƣờng hợp này là đặc trƣng cho ổn định của tàu cánh ngầm khi chuyển từ chế độ nổi sang chế độ chạy trên cánh hoặc ngƣợc lại. Quá trình này diễn ra trong thời gian ngắn, thân tàu gần nhƣ không tham gia còn cánh phản ứng yếu với tác động của ngoại lực nên với tàu có cánh chìm nông cần có thiết bị bổ sung cho ổn định tàu nhƣ tấm lƣớt, cánh phụ đặt cao hơn cánh chính để đảm bảo ổn định khi tàu chuyển chế độ làm việc. Chiều cao tâm nghiêng tƣơng đối của tàu g = GM/B có hệ thống cánh chìm nông m trong trạng thái chạy trên cánh đƣợc tính theo công thức kinh nghiệm.
g = 0,2 m 2 f(y) - zG (2.16) trong đó : = l/B - sải cánh tƣơng đối
l - chiều dài sải cánh B - chiều rộng thuyền
f(y) - hàm biểu diễn thay đổi hệ số lực nâng CL theo độ chìm sâu. f(y) = Fs = 1 - 0,222 2 b h b 5 , 1
y = yG G/B - chiều cao trọng tâm tàu tƣơng đối tính từ mặt nƣớc khi chuyển sang chế độ chạy trên cánh.
Khi khảo sát các tàu cánh ngầm sản xuất ở Liên Xô cho thấy, với l = (1,4 1,5)B (l - sải cánh, B- chiều rộng tàu), ZG 0,35B thì tàu đảm bảo ổn định.
- Trƣờng hợp cánh gập hình chữ V
Trong trƣờng hợp cánh gập của tàu cánh ngầm có dạng chữ V, sự phân bố áp lực thủy tĩnh ở hai phía cánh và lực tổng hợp P đƣợc xác định nhƣ trên hình 2.40.
Hình 2.40: Lực tác động lên tàu có cánh ngầm cánh gập chữ V khi tàu nghiêng ngang
Kết quả phân tích các lực tác dụng lên tàu trong trƣờng hợp này có thể nhận thấy, thành phần lực ngang ảnh hƣởng trực tiếp đến trôi dạt tàu nhỏ, có thể bỏ qua khi tính. Khi tính toán độ lớn chiều cao tâm nghiêng ngang của tàu GM có thể nhận xét thấy, khi vận tốc tàu tăng, chiều cao tâm nghiêng ngang giảm, nghĩa là độ ổn định tàu giảm. Chiều cao tâm nghiêng ngang tƣơng đối g của tàu cánh ngầm có cánh gập hính chữ V m có thể xác định theo công thức gần đúng.
g = 0,5 .cotg - m y (2.17) G trong đó : - sải cánh tƣơng đối, = l
B
- góc nghiêng đáy tàu trƣờng hợp đáy gập hình chữ V y - chiều cao tƣơng đối của trọng tâm tàu, C C
C y y
- Trƣờng hợp cánh làm dạng hình cung
Trƣờng hợp các cánh ngầm của tàu cánh ngầm đƣợc làm dạng hình cánh cung, trong mọi tƣ thế nghiêng của tàu, thành phần lực P đều hƣớng về tâm đƣờng tròn mà cánh là một cung của nó nhƣ mô tả trên hình 2.41.
Hình 2.41: Lực tác động lên tàu cánh ngầm cánh hình cung khi tàu nghiêng ngang