Các cánh chìm hoạt động đảm bảo đủ lực nâng tàu khi thân tàu hoạt động ở chế độ “bay” trong không khí, chỉ còn các cánh “bay” trong môi trường nước vì thế điều kiện cân bằng đang đề cập đó là:
Ft + Fs = D. Trong đó:
Ft – lực nâng cánh trước. Fs – lực nâng cánh sau.
Để đảm đủ lực nâng các cánh đã được chọn phải có thành phần lực nâng lớn khi hoạt động tại vận tốc xác định (65 km/h ), góc tấn xác định, còn thành phần cản nhỏ trong cùng điều kiện.
Tàu cánh ngầm đang thiết có trọng tâm nằm trong khu vực gần mặt cắt ngang giữa tàu do đó việc bố trí cánh sẽ phân đều lực về hai phía trọng tâm tàu.
Khi tàu đang ở chế độ bay tách thân lên khỏi mặt nước thì toàn bộ trọng lực được đỡ trên hai cánh ngầm do đó lực nâng do các cánh tạo ra phải cân bằng với trọng lượng phân bố trên cánh:
F = P = mg = 103,4.1000.9,81 = 1014354 (N). Trong đó:
m = 103,4 (T) = 103400 (kg) , khối lượng tàu. g = 9,81 (m/s2), gia tốc trọng trường.
Cánh trước và cánh sau của tàu được bố trí cách đều hoành độ trọng tâm tàu vì thế trọng lượng phân bố trên mỗi cánh sẽ gần như bằng nhau với giá trị cụ thể:
Ft = Fs = 50%P = 0,5.1014354 = 507177 (N).
Khi hoạt động thì tổng lực nâng sinh ra trên cánh phải cân bằng với trọng lượng tàu và mô men quay đối với trục qua trọng tâm tàu do lực nâng cánh trước và lực nâng cánh sau tạo ra phải cân bằng, vậy khoảng cách từ trục đi qua trọng tâm tàu đến trọng tâm của cánh trước và cánh sau phải bằng nhau:
P = Ft + Fs (N). 50%at = 50% ac (m).
75 Trong đó:
at - khoảng cách từ điểm đặc lực nâng cánh trước đến trọng tâm tàu. as - khoảng cách từ điểm đặc lực nâng cánh sau đến trọng tâm tàu.
Để đảm bảo cho tàu có tính ổn định dọc tốt cần bố trí hai cánh cách xa nhau nhưng đồng thời phải đảm bảo độ bền dọc cho kết cấu thân tàu.
Chọn at = as = 10 (m).
Khoảng cách giữa hai cánh: at + as = 20 (m).
Các thông số hình học của tàu được tính chọn sơ bộ như sau: Thông số hình học của cánh trước và cánh sau là như nhau.
Việc bố trí cánh sau gần phía đuôi tàu chúng ta có thể tận dụng bệ đỡ cánh để bố trí bánh lái hạn chế kết cấu thừa.
Cánh sau đỡ 50% trọng lượng tàu việc chọn kết cấu phải đảm bảo độ cứng vững khi chịu lực áp lực lớn khi tàu hoạt động điều quan trọng phải đảm bảo đủ lực nâng tàu.
Cánh được thiết kế theo hình cánh cung độ chìm sau lớn nhất 2,7 (m) so với đường cơ bản, bán kính R = 7,5 (m), chiều rộng cánh b = 1,2 (m), ở chế độ bay cánh nâng tàu lên cách mặt nước 1 (m). Việc lựa chọn cánh hình vòng cung có một ưu thế lớn nhất đó chính việc cân bằng ổn đinh ngang khi tàu tiến hành quay trở. Kết cấu chân bệ bệ đỡ để đảm bảo độ cưng vũng nên được bố trí theo hình vẽ và chiều rộng bằng chiều rộng của cánh.
3.7.1 Tính toán vận tốc tàu ở ba chế độ.
-Chế độ làm việc như tàu nổi: Khi tàu chạy ở tốc độ thấp.
-Chế độ bắt đầu cất cánh (lướt): Khi đạt được tốc độ phù hợp tàu sẽ chuyển từ chế độ bình thường sang chế độ lướt, giai đoạn này tàu nổi trên cánh trước và thân còn cánh sau vân chìm trong nước.
Tốc độ cực đại để tàu Vth (mph) để bắt đầu chuyển từ chế độ nổi sang chế độ lướt có thể tính theo chiều dài đường nước thiết kế Ltk (ft) theo công thức:
Vth = 1,5 Ltk1/2 .
76 1 ft = 0,3048 (m).
1 hl = 1,852 (km).
Ltk = 30 (m) = 98,425 (ft).
Vth = 1,5 . Ltk1/2 = 1,5. 98,4251/2 = 14,88 (mph) = 23,95 (km/h) = 12,93 (hl/h).
- Chế độ bay trên cánh: Tàu cánh ngầm vượt qua giai đoạn lướt, với lực nâng
cánh đủ lớn tàu sẽ được nâng lên khỏi mặt nước và làm việc ở chế độ bay với tốc độ bay cao hơn tốc độ lướt.
Chọn tốc độ ở chế độ bay ổn định là 65 (km/h) = 35,1 (hl/h).
3.7.2 Tính lực nâng lên cánh trước và cánh sau.
Lực nâng trên cánh xuất hiện khi cánh bắt đầu chuyển động tương đối trong nước với công thức tính tổng quát:
F = CL ρ.V2.A.FAR.FS (N). Trong đó: CL – hệ số lực nâng cánh. p – mật độ nước, KG.s2/m4. V – Vận tốc dòng (cánh), m/s. A – diện tích mặt cắt profile cánh.
FAR – hệ số tính đến ảnh hưởng tỉ lệ chiều dài và chiều rộng cánh(l/b) đến hệ số lực nâng cánh CL.
FS – hệ số tính đến ảnh hưởng của độ chìm sâu tương đối của cánh h’ đến hệ số lực nâng cánh CL.
Cấu tạo cánh của tàu khá đặt biệt tàu sẽ được đỡ lên hai cánh cung lớn có tiết diện theo biên dạng profile NACA 4112.
Lực nâng của cánh tính toán phải lớn lớn hơn hoặc bằng trọng lượng tác dụng lên cánh nghĩa là Fst≥ 507177 (N).
Biên dạng cánh có chiều rộng dây cung b = 1,2 (m)., được đỡ bằng giá đỡ cánh.
77
- Giá trị của số Reynolds của phần cánh này:
Rn = = Vb.106 = 18,06. 1,2. 106 = 21,672.106 .
Hình 27: Đồ thị hệ số lực nâng của cánh có biên dạng NACA 4412 theo góc tấn và hệ số Reynolds.
Tra đồ thị tính hệ số lực nâng CL của biên dạng cánh NACA 4112 để xác
định hệ số lực nâng CL của cánh với góc tấn α = 50 và Rn = 21,671.106, tại góc tấn α = 50 và giá trị Rn (0,25 3).106 thì giá trị CL thay đổi rất ít nên có thể sử dụng phương pháp nội suy có thể xác định gần đúng hệ số lực nâng CL = 1.
Vì cánh cấu tạo theo kiểu vòng cung nên việc tính toán lực nâng trên toàn bộ cánh tương đối phức tạp hơn cánh có tâm nằm song song với mặt đường nước.
Dựa trên phương pháp tính toán lực nâng trên cánh nghiêng góc so với đường cơ bản. Ta có thể chia nhỏ vòng cung cánh thành những cung nhỏ hơn. Các cánh cung vừa chia có thể xem như là đường thẳng nghiêng so với đường cơ bản một góc β nào đó.
78
Cánh cung có R = 7,5 (m), độ ngập sâu tính toán khi tàu bay với vận tốc 65 (km/h) h = 1,7 (m), chiều rộng prpfile cánh b = 1,2 (m), tính toán sơ bộ chiều dài
cánh cung được giới hạn bởi một góc 800, chia cánh cung thành 8 phần bằng nhau
ứng với gốc giới hạn cung 100 phân bố đều tâm tàu. Tiến hành tính toán lực nâng cánh cho từng phần:
Chiều dài mỗi cánh cung: l = 10.2.R.π/360 = 10.2.7,5.3,14/360 = 1,308 (m). Chiều rộng profile: b = 1,2 (m).
Diện tích nâng của mỗi cánh cung chia: A = l.b= 1,308.1,2 = 1,57 (m2). Tính hệ số ảnh hưởng FAR:
Hệ số ảnh hưởng tính theo công thức:
FAR = AR/(2+AR) = 1,09/(2+1,09) = 0,353.
Trong đó:
AR là tỉ số chiều dài l trên chiều rộng cánh b: AR= l/b = 1,308/1,2 = 1,09. Vì các cánh cung nghiêng có độ chìm sâu thay đổi liên tục làm giá trị hế số tính ảnh hưởng đến độ chìm sâu cho từng đoạn cũng thay đổi theo nên để đơn giản hơn trong tính toán chia thành nhiều đoạn , mỗi đoạn có độ chìm sâu 0,1b theo công
thức đã biết FS = 1- 0,222( . )2
, rồi tính trung bình chung cho từng cung. Bảng 11: Hệ số phụ thuộc độ chìm cho từng cánh cung nghiêng.
79
Giá trị trung binh hế số FS tính cho từng đoạn cung cánh như sau: FS1 = F’S1 =0,76 ; FS2 = F’S2 = 0,82 ; FS3 = F’S3 = 0,89.
Hình 28: Phương pháp chia cung cho cánh. Tính giá trị F1 = F11 + F’12 = 2F11 . h/b b h Fs Trung bình trên từng đoạn Trung bình chung 0 1.2 0.000 0.728 0.1 1.20 0.120 0.737 0.733 0.2 1.20 0.240 0.747 0.742 0.3 1.20 0.360 0.757 0.752 0.4 1.20 0.480 0.767 0.762 0.5 1.20 0.600 0.778 0.773 0.6 1.20 0.720 0.789 0.784 0.7 1.20 0.840 0.801 0.795 0.8 1.20 0.960 0.814 0.808 0.9 1.20 1.080 0.828 0.821 1.0 1.20 1.200 0.843 0.836 1.1 1.20 1.320 0.860 0.851 1.2 1.20 1.440 0.878 0.869 1.3 1.20 1.560 0.901 0.890 1.4 1.20 1.680 0.930 0.915 0.76 0.82 0.89
80
Lực nâng xuất hiện trên cánh tạo ra có phương vuông góc với diện tích mặt
cánh. Trong trường hợp này do hai phần cánh nghiêng cánh một góc β = 350 so với
phương ngang thì lực nâng của phần nghiêng của cánh cung nghiêng một góc β =350.
Phân lực này thành hai thành phần: thành phần lực theo phương ngang và thành phần lực theo phương thẳng đứng.
Hai cánh nghiêng đối xứng nhau nên thành phần lực tác dụng theo phương ngang triệt tiêu nhau khi lực nằm cân bằng.
Thành phần lực theo phương thẳng đứng là lực nâng, bằng lực nâng cánh nhân với cos 350. Vì hai cánh nghiêng đối xứng nhau nên có thể suy ra tính lực nâng trên hai thành phần cạnh nghiêng của cánh sẽ là:
F1 = 2CL ρ.V2.A.FAR.FS1. cos350.
= 2.1. .1000.18,062.1,57.0,353.0,76. cos350 = 112514,2 (N). Tương tự với cánh cung F2 = F21 + F’22 = 2F21, với góc nghiêng β = 250.
F2 = 2CL ρ.V2.A.FAR.FS2. cos250.
= 2.1. .1000.18,062.1,57.0,353.0,82. cos250 = 134292,55 (N). Với cánh cung F3 = F31 + F’32 = 2F31, với góc nghiêng β = 150.
F3 = 2CL ρ.V2.A.FAR.FS3. cos150.
= 2.1. .1000.18,062.1,57.0,353.0,89. cos150 = 155409,29 (N). Với cánh cung F4 = F41 + F’42 = 2F41, với góc nghiêng β = 50.
F4 = 2CL ρ.V2.A.FAR.FS3. cos150.
= 2.1. .1000.18,062.1,57.0,353.0,89. cos50 = 160235,67 (N). Vậy tổng lực nâng của cánh sau: Fst = F1+ F2+ F3+ F4 = 562451,71 (N). Tính chọn cánh trước.
Cánh cung có R = 7,5 (m), độ ngập sâu tính toán khi tàu bay với vận tốc 65 (km/h) h = 1,7 (m), chiều rộng prpfile cánh b = 1,2 (m), tính toán sơ bộ chiều dài
81
cánh cung được giới hạn bởi một góc 800, chia cánh cung thành 8 phần bằng nhau
ứng với gốc giới hạn cung 100 phân bố đều tâm tàu. Do đó giá trị của số Reynolds của phần cánh này:
Rn = . = Vb.106 = 18,06. 1,2. 106 = 21,672.106 .
Tra đồ thị tính hệ số lực nâng CL của biên dạng cánh NACA 4112 để xác
định hệ số lực nâng CL của cánh với góc tấn α = 40 và Rn = 21,671.106, tại góc tấn α α = 40 và giá trị Rn( 0,25÷3).106 thì giá trị CL thay đổi rất ít nên có thể sử dụng phương pháp nội suy có thể xác định gần đúng hệ số lực nâng CL = 0,94.
Quy trình tính toán tương tự như tính cánh sau:
Lực nâng xuất hiện trên cánh tạo ra có phương vuông góc với diện tích mặt
cánh. Trong trường hợp này do hai phần cánh nghiêng cánh một góc β = 350 so với
phương ngang thì lực nâng của phần nghiêng của cánh cung nghiêng một góc β =350.
Phân lực này thành hai thành phần: thành phần lực theo phương ngang và thành phần lực theo phương thẳng đứng.
Hai cánh nghiêng đối xứng nhau nên thành phần lực tác dụng theo phương ngang triệt tiêu nhau khi lực nằm cân bằng.
Thành phần lực theo phương thẳng đứng là lực nâng, bằng lực nâng cánh nhân với cos 350. Vì hai cánh nghiêng đối xứng nhau nên có thể suy ra tính lực nâng trên hai thành phần cạnh nghiêng của cánh sẽ là:
F1 = 2CL ρ.V2.A.FAR.FS1. cos350.
= 2.0,94. .1000.18,062.1,57.0,353.0,76. cos350 =105763,35(N). Tương tự với cánh cung F2 = F21 + F’22 = 2F21, với góc nghiêng β = 250.
F2 = 2CL ρ.V2.A.FAR.FS2. cos250.
= 2.0,94. .1000.18,062.1,57.0,353.0,82. cos250 = 126235 (N). Với cánh cung F3 = F31 + F’32 = 2F31, với góc nghiêng β = 150.
82
F3 = 2CL ρ.V2.A.FAR.FS3. cos150.
= 2.0,94. .1000.18,062.1,57.0,353.0,89. cos150 = 146084,73(N). Với cánh cung F4 = F41 + F’42 = 2F41, với góc nghiêng β = 50.
F4 = 2CL ρ.V2.A.FAR.FS3. cos150.
= 2.0,94. .1000.18,062.1,57.0,353.0,89. cos50 = 150621,53 (N). Vậy tổng lực nâng của cánh sau: Ftt = F1+ F2+ F3+ F4 = 528704,64 (N).
Ta có Fst + Ftt = 562451,71 + 528704,64 = 1091156,35 (N) > P = 1014354 (N). Việc chọn cánh sau có lực nâng lớn hơn mặt dù theo điều kiện lực nâng hai cánh bằng nhau nhằm mục đích tạo ra một mo men phục hồi đủ lớn để tránh hiện tượng cánh trước lướt lên khỏi mặt nước tàu chạy trên cánh sau mất ổn định gây nguy cơ lật dọc.