CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO ĐỘNG TÀU
1.2 Bài toán dao động trong tàu đệm khí
1.2.1 Sơ lược về tàu đệm khí
Tàu đệm khí hoạt động dựa trên sự tự nâng tàu trên mặt nước hay mặt đất bằng cách tạo ra áp lực dưới dạng một đệm khí. Cấu tạo bao gồm thân tàu, quạt nâng, chong chóng đẩy, váy đệm khí, hệ thống lái…Quạt nâng cung cấp khí làm căng váy và duy trì áp lực đệm khí trong không gian được vây bởi váy khí, bánh lái đặt ở phần đuôi tàu đảm nhiệm việc điều khiển tàu. Váy đệm khí, được gắn chặt với phần thân tàu, giúp duy trì đệm khí dưới tàu. Chong chóng đẩy, thực tế ở xa đuôi tàu, đóng góp lực đẩy chính cho tàu (Hình 1.7) [4] .
Hình 1. 7 - Nguyên lý hoạt động của tàu đệm khí
Khi hoạt động, tàu luôn cách ly với mặt nước hay mặt đất và không có phần chìm vào nước, vì vậy nó có thể hoạt động cả trên mặt đất và mặt nước. Một tàu như thế về lý thuyết có thể đạt tốc độ cao hơn tàu hiệu ứng mặt hay tàu cánh ngầm; tuy nhiên, hệ thống váy lại gây ra thêm nhiều thành phần lực cản do tương tác giữa nó với mặt nước.
Khi hoạt động trên sóng, diện tích váy tàu phía trước và chuyển động thẳng đứng do phản ứng đàn hồi của váy tạo ra thêm sức cản đáng kể, do đó từ tốc độ 60 knots trên nước tĩnh, tốc độ làm việc có thể giảm xuống còn khoảng 30-40 knots (~ 55-75 km/h) trên sóng. Các loại váy thích ứng và các phát triển kỹ thuật khác được áp dụng để cải thiện tính năng tàu đệm khí những năm gần đây; tuy vậy, đặc trưng quan trọng nhất của chúng vẫn được duy trì chính là khả năng lưỡng cư thuỷ bộ chứ không phải nhằm duy trì tốc độ cao khi chạy trên sóng. Khả năng lao xuống nước của tàu đệm khí là rất đáng giá nhưng khả năng phóng lại lên bờ lại càng đáng giá hơn. Chúng không cần cầu cảng được đầu tư tốn kém như các tàu truyền thống, chưa kể chi phí nạo vét duy trì mớn nước định kỳ trong khu vực.
Từ 2006, một số giảng viên từ hai bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy và Kỹ thuật Hàng không - Đại học Bách khoa - ĐHQG Tp.HCM đã bắt đầu nghiên cứu về đề tài tàu đệm khí và từ đó đến nay đã có gần 10 mẫu thiết kế với nhiều thiết lập tính toán về thủy khí động lực học, sức bền kết cấu, ổn định, điều khiển, thiết kế tàu [6] …xung quanh vấn đề tàu đệm khí. Cụ thể:
MSHV: 1670760 16 HV: Phạm Hồng Thanh - 12/2007, đề tài nghiên cứu khoa học cấp ĐHQG “Thiết kế thi công tàu đệm khí” (mã số B2007-20-28, do TS. Lê Đình Tuân chủ trì) được đăng ký và thực hiện, đã báo cáo nghiệm thu trong 2009.
- Nhóm nghiên cứu cũng đã chế tạo một mô hình tàu đệm khí tỉ lệ 1/5 với chiều dài 829 mm nhằm kiểm nghiệm nguyên lý họat động của tàu đệm khí và lập các phương án kết cấu thân tàu, kết cấu váy, bố trí hệ thống động lực...Nó họat động rất tốt.
- Từ 2009, nhóm nghiên cứu trên khởi động nghiên cứu chế tạo tàu đệm khí 3 chỗ và đến 8/2011 thì cho xuất xưởng tàu đệm khí 3 chỗ đầu tiên của mình với đề tài cấp Đại học Quốc gia trọng điểm B2010-20-10TĐ. Nó chạy được trên các địa hình dự tính, trên mặt nước (Hình 1.8).
Hình 1. 8 - Tàu đệm khí Bách Khoa chạy trên nhiều địa hình
- Từ 2012 - nay, nhóm này đã thực hiện các nghiên cứu thiết kế tàu đệm khí 6 chỗ, 9 chỗ, 12 chỗ và thực hiện các mô hình tỉ lệ nhằm kiểm nghiệm thiết kế (Hình 1.9).
MSHV: 1670760 17 HV: Phạm Hồng Thanh Hình 1. 9 - Thiết kế tàu đệm khí BAKVEE-6 và BAKVEE-12
Thiết kế gần đây nhất trong giai đoạn 2017 đến nay tập trung vào loại tàu 12 chỗ sử dụng 2 động cơ riêng biệt: động cơ đẩy dùng chong chóng và động cơ nâng dùng quạt. Hình 1.10 chỉ rõ bố trí các động cơ này với khung đỡ động cơ riêng biệt.
Hình 1. 10 - Bố trí hệ thống động lực hệ thống đẩy và hệ thống nâng của tàu BAKVEE12
Các khung đỡ động cơ đẩy và động cơ nâng này được thiết kế với thép ống có bố trí giảm chấn tại các chân nối vào thân chính tàu được chế tạo bằng vật liệu composite kết cấu tổ ong (Hình 1.11).
MSHV: 1670760 18 HV: Phạm Hồng Thanh Hình 1. 11 - Khung đỡ động cơ đẩy và động cơ nâng
1.2.2 Bài toán dao động
Có nhiều nguồn gây ra dao động tàu đệm khí như từ máy chính là động cơ đẩy và động cơ nâng, do chong chóng đẩy và quạt nâng, các máy phụ trợ (thông gió, bơm hút khô, hệ thống điều hòa không khí…), và lực thủy động, khí động gây ra dao động cho thân tàu và dao động các kết cấu cục bộ. Tuy vậy vấn đề dao động nghiêm trọng nhất lại đến từ các động cơ và chong chóng, quạt. Như trên Hình 1.11, chong chóng đẩy tạo ra lực đẩy khí động tác động lên động cơ và truyền đến thân tàu qua khung đỡ động cơ làm rung thân tàu. Nguồn gây ra dao động khác đến chính từ động cơ. Cơ chế kích động gây dao động thân tàu nhìn chung phức tạp. Chưa kể đến các lực do mất cân bằng chi tiết quay, mất cân bằng cơ cấu (do hoạt động sinh công của động cơ với các chuyển động đặc trưng của piston, thanh truyền, cơ cấu cam…) cũng gây ra dao động đáng kể cho cả hệ thống. Đặc trưng của tàu đệm khí hiện nay, hệ trục thường được nâng cao sao cho hệ trục và chong chóng đẩy đồng tâm. Hiện tượng dao động từ động cơ, cụm hộp số và chong chóng đẩy truyền xuống kết cấu đỡ động cơ gắn chặt với kết cấu vỏ thân tàu đệm khí cần được khảo sát như một thể thống nhất. Mô hình như thế thường rất phức tạp về mặt mô hình hóa cho bài toán động lực học kết cấu với lực kích thích được mô tả phức tạp.
MSHV: 1670760 19 HV: Phạm Hồng Thanh Hình 1. 12 - Tác động gây ra dao động từ hệ thống động cơ – chong chóng đẩy
Bài toán dao động do các tác nhân vừa kể trên trong tàu đệm khí có thể tìm thấy sự tương tự khi xử lý bài toán dao động đối với tàu thủy thông thường (Hình 1.13).
Theo đó, các lực tác động từ máy chính dưới dạng các moment mất cân bằng, lực lái, moment lái và lực đẩy (unbalanced moments, guide forces, guide moments, thrust fluctuation) so với đường tâm trục, sẽ truyền từ băng máy chính hoặc từ gối đẩy đến đáy đôi buồng máy và cuối cùng gây ra dao động cho thân tàu hay thượng tần của con tàu [16] .
Hình 1. 13 - Cơ chế tác động gây dao động trên tàu thủy truyền thống [16]
MSHV: 1670760 20 HV: Phạm Hồng Thanh 1.2.3 Thiết kế để tránh dao động
Để tránh dao động cho tàu thủy nói chung hay tàu đệm khí theo nghiên cứu này nói riêng, các kết cấu thường được thiết kế sao cho tránh được cộng hưởng hay hạn chế biên độ dao động của kết cấu đến dưới giới hạn cho phép căn cứ theo các tiêu chuẩn kiểm soát dao động tàu. Điều này được thực hiện bằng cách đánh giá biên độ dao động trong điều kiện cộng hưởng trong trường hợp cộng hưởng đối với kết cấu thiết kế không tránh khỏi.
(1) Tránh hiện tượng cộng hưởng: Trong trường hợp tần số riêng của kết cấu trùng với tần số kích thích của lực ngoài, kết cấu sẽ bị dao động quá mức tại vùng cộng hưởng. Do đó, để tránh dao động do cộng hưởng, kết cấu thường được thiết kế chú ý đến việc tránh cộng hưởng này nhờ việc giải bài toán trị riêng (tìm tần số riêng và dạng dao động). Cách thức thiết kế như vậy thường tuân theo các quy trình sau:
- Thiết lập miền tần số làm việc của động cơ, chong chóng đẩy, quạt nâng để tránh dãy tần số cộng hưởng;
- Thiết kế kết cấu có các tần số riêng nhỏ hoặc lớn hơn dãy tần số cộng hưởng.
(2) Đánh giá đáp ứng dao động: Nếu cộng hưởng do tần số riêng của kết cấu trùng hay quá gần tần số kích thích không tránh khỏi, cần thiết phải đánh giá được đáp ứng dao động của kết cấu do lực kích thích gây ra. Theo đó, đầu tiên biên độ dao động hay ứng suất dao động (thường với bài toán xoắn trục) của kết cấu do lực kích thích gây ra được tính toán bằng phương pháp thích hợp (giải tích, phương pháp số), tiếp theo các giá trị này được kiểm tra đánh giá xem có thỏa mãn các giới hạn cho phép hay không.
Thiết kế kết cấu được chấp nhận khi đáp ứng được đánh giá là đạt các tiêu chuẩn (thường định trong quy phạm).
Việc kết luận kết cấu được thiết kế tránh dao động tốt hay không tùy thuộc vào phương pháp và độ chính xác của tính toán dao động bởi vì phương pháp đánh giá đáp ứng chỉ tin cậy chỉ khi các đặc trưng khối lượng, độ cứng và giảm chấn của kết cấu, của gối cao su…được xác định phù hợp và biên độ của lực kích thích được tính toán chính xác. Điều này dẫn đến việc đảm bảo cả kỹ thuật phân tích tiên tiến và kinh nghiệm thực tiễn trong đóng mới, lắp đặt hệ thống động lực là hết sức cần thiết khi áp dụng phương pháp đánh giá trên cho các thiết kế thực.