Trong nhiệm vụ th− thiết kế th−ờng cho biết tr−ớc hoặc công suất động cơ (động cơ đã cho), hoặc tốc độ của tμu. Trong tr−ờng hợp thứ nhất, cần thiết kế sao cho tμu sẽ đạt đ−ợc tốc độ tối đa, còn trong tr−ờng hợp thứ hai, công suất sẽ phải tối thiểu mμ tμu vẫn đạt đ−ợc tốc độ yêu cầu.
Trong mọi tr−ờng hợp, ở giai đoạn thiết kế ban đầu khi các kích th−ớc chính vμ l−ợng chiếm n−ớc đã đ−ợc tìm ra cần phải xác định công suất yêu cầu hoặc tốc độ tối đa có thể đạt đ−ợc.
Để đạt đ−ợc mục đích nμy có thể sử dụng các đồ thị khác nhau đ−ợc xây dựng theo các số liệu thống kê hoặc các công thức thực nghiệm vμ bán thực nghiệm gần đúng.
Trên H 3.4 đã chỉ ra rằng tμu l−ớt rất nhạy cảm với tải trọng riêng (p = D/N, kg/kw). Thực tế đã chỉ ra rằng, khi p ≥ 40 kg/kw tμu khó có thể đạt đ−ợc chế độ l−ớt. Có thể coi p=34 kg/kw lμ tải trọng riêng giới hạn, còn để đạt đ−ợc tốc độ cao (v ≥ 17m/s) thì đại l−ợng nμy không cần v−ợt quá từ (14ữ16) kg/kw. Đối với những tμu đua đã từng đạt kỷ lục thì tải trọng riêng p<1 kg/kw.
Theo đồ thị v = f(p) ta có thể dễ dμng xác định đ−ợc tốc độ cực đại có thể nêu đã biết l−ợng chiếm n−ớc vμ công suất hoặc công suất cần thiết tối thiểu ứng với tốc độ vμ l−ợng chiếm n−ớc đã biết.
Đ−ờng cong 2 trên H 3.4 t−ơng ứng với các kết quả cao nhất của những tμu đã đ−ợc đóng vμ khai thác có thể đ−ợc sử dụng khi xác định tốc độ tối đa với các ca-nô có kết cấu re-đan.
Việc đánh giá sơ bộ tốc độ (hoặc công suất yêu cầu) có thể đ−ợc tiến hμnh theo mối quan hệ N= f(v) vμ
Kη = f(FrD) (3.11)
Nếu lực cản đ−ợc biểu diễn d−ới dạng R = g.D/K (ở đây D - khối l−ợng tμu, kg; g- gia tốc trọng tr−ờng, m/s2; K- chất l−ợng thuỷ động), thì công suất cần thiết sẽ đ−ợc tính theo công thức sau:
η . . 10 . . 3 K v D g N = (3.12) Từ đó N v D g K .. 10 . . .η= 3 (3.13)
Tích số chất l−ợng thuỷ động với hệ số η có tính đến hiệu suất có ích của động cơ cũng nh− ảnh h−ởng của thân tμu vμ phần nhô lμ đại l−ợng khá ổn định. Mối quan hệ của tích số K.η = f(FrD) đ−ợc giới thiệu trên H 3.5. Nhờ đồ thị nμy mμ bμi toán xác định tốc độ của tμu thiết kế sẽ đ−ợc giải bằng cách sau: Giả thiết một vμi giá trị của tốc độ (không ít hơn 3) bao hμm cả phạm vi tốc độ có thể đạt đ−ợc; Theo công thức (3.13) sẽ tính đ−ợc tích số K.
η vμ số FrD ứng với mỗi tốc độ đã đ−ợc giả thiết; Trên đồ thị H 3.5 ta xây dựng đ−ờng cong tính toán K.η =f(FrD). Điểm giao nhau của đ−ờng cong thống kê vμ đ−ờng cong tính toán K.η =f(FrD) sẽ lμ giá trị tốc độ của tμu thiết kế.
Để đánh giá sơ bộ tốc độ tμu l−ớt ta cũng có thể sử dụng cả những công thức gần đúng.
Khi sử dụng tμu mẫu khác với tμu thiết kế chỉ công suất ta có thể xác định đ−ợc tốc độ tμu bằng công thức tính chuyển sau đây:
Khi FrD= 2,5- 3,0
v2 = v1(N2 / N1)2 (3.14) Khi FrD≥4,0
v2 = v1(N2 / N1)3 (3.15)
Trong đó v1, N1, v2, N2 - tốc độ vμ công suất t−ơng ứng của tμu mẫu vμ tμu thiết kế. Đối với tr−ờng hợp khi FrD= 2,5-3,0 công thức tính chuyển (3.14) chỉ cho kết quả hợp lý nếu sự sai khác về công suất trong giới hạn từ 15 - 20%. Tại chế độ l−ớt thuần tuý (FrD≥4,0) công thức (3.15) sẽ đ−ợc áp dụng cả khi có sự sai khác lớn về công suất giữa tμu mẫu vμ tμu thiết kế.
Ch−ơng IV
Thiết kế các yếu tố Hình dáng thân tμu l−ớt
4.1 Tμu l−ớt có dạng hông vát nhọn không nhảy bậc (không có kết cấu re-đan)
Dạng đáy phần giữa
Các tμu l−ớt hiện đại th−ờng đ−ợc thiết kế với dạng đáy vát hoặc đáy vát hông l−ợn có điểm uốn. Chúng đ−ợc thể hiện trên hình 4.1 vμ 4.2, bao gồm: dạng đáy phẳng nghiêng với góc nghiêng mép ngoμi tại s−ờn giữa β ≤ 80, nghiêng trung bình β = 9-140, với góc nghiêng lớn β = 15-190, với dạng s−ờn chữ V nhọn β = 20-260, dạng đáy nghiêng lõm, dạng đáy nghiêng lõm có điểm uốn ở hông (dạng “cánh hải âu”): dạng đáy có kết cấu vòm, dạng đáy nghiêng lồi, dạng hình chữ S (lồi - lõm).
Việc lựa chọn hợp lý hình dáng vỏ bao trong điều kiện thiết kế sẽ đảm bảo tốt chất l−ợng thuỷ động, tính hμnh hải, khả năng công nghệ của vật liệu đ−ợc sử dụng để chế tạo thân tμu.
Xét về ph−ơng diện công nghệ thì kiểu hình dáng vỏ bao dạng a vμ c đ−ợc coi lμ đơn giản nhất trong chế tạo.
Chất l−ợng thuỷ động sẽ bị giảm khi tăng độ nghiêng của đáy, bởi vậy, ng−ời thiết kế phải biết lựa chọn hợp lý đại l−ợng trên. Đối với các tμu sông độ nghiêng của đáy đ−ợc lấy trong khoảng 6-100, còn đối với tμu chạy hồ 12- 150. Trên những tμu thể thao có tham gia vμo các cuộc đua trên biển độ nghiêng nμy có thể đạt đến 200 vμ đôi khi còn lớn hơn.
Nhằm mục đích tăng chất l−ợng thuỷ động vμ đảm bảo tính hμnh hải ng−ời ta th−ờng thiết kế dạng s−ờn chữ V lõm, dạng s−ờn hình chữ S có độ uốn ở hông.
Dạng s−ờn nghiêng lõm nh− đã chỉ ra trên H 4.1, b th−ờng đ−ợc áp dụng vμo cuối những năm 90 vμ cho đến ngμy nay. Chất l−ợng thuỷ động của những tμu có hình dáng nh− vậy so với những tμu có dạng đáy nghiêng phẳng đ−ợc tăng lên nh−ng tính hμnh hải lại xấu đi. Bởi vậy, dạng s−ờn nghiêng có góc l−ợn ở hông sẽ tốt hơn. Trong tr−ờng hợp nμy chất l−ợng thuỷ động cũng đ−ợc cải thiện, giảm hiện t−ợng toé n−ớc vμ vận hμnh của tμu trên sông cũng trở nên êm hơn. Đáy tμu đ−ợc l−ợn cong ở vùng sông chính tỏ ra có lợi hơn. Kiểu hình dáng vỏ bao nh− đã chỉ ra trên H 4.1, b cũng có thể cho những chỉ tiêu tốt về chất l−ợng thuỷ động vμ tính hμnh hải. Mô hình tμu l−ớt với dạng vỏ bao đơn giản nh− đã chỉ ra ở H 4.1, c cũng cho kết quả khá tốt về chất l−ợng vận hμnh. Nhμ thiết kế nổi tiếng ng−ời Braxin về thiết kế ca-nô cao tốc X.Bader đã có đánh giá cao về tính hμnh hải của tμu với hình dáng đ−ợc thể hiện trên H 4.1, d.
Việc nâng cao chất l−ợng thuỷ động của các tμu l−ớt có dạng đáy vát với góc nghiêng lớn mμ vẫn đảm bả0 tốt tính hμnh hải có thể đạt đ−ợc nhờ thiết kế đáy dạng nhảy bậc (sẽ đ−ợc khảo sát d−ới đây).
Dạng đáy tμu l−ớt vùng đuôi.
Nếu chú ý đến biểu đồ áp lực theo chiều dμi của tấm l−ớt (H 2.1) ta có thể dễ dμng đi đến kết luận rằng, phần đuôi tμu đóng vai trò thứ yếu trong quá trình tạo nên lực nâng. Trong khi đó hình dáng s−ờn đuôi vμ sống đuôi tỏ ra có ảnh h−ởng rất lớn đến chất l−ợng hμnh hải nói chung.
Hình dạng s−ờn đuôi dạng đáy phẳng-nghiêng hoặc nghiêng-lồi cho tính ổn định trên tuyến rất tốt, đồng thời cũng cải thiện tốt tính quay vòng nhờ giảm đ−ợc bán kính l−ợn vòng. Độ nghiêng của kiểu đáy dạng nhảy bậc trong tr−ờng hợp trên không cần khác nhau nhiều so với độ nghiêng đáy của s−ờn giữa, bởi vì điều đó sẽ dẫn đến sự tạo xoáy của dòng chảy bao quanh đáy vμ sẽ lμm giảm chất l−ợng thuỷ động.
Việc tạo nên độ nghiêng không đổi trên suốt phần đuôi tμu sẽ cải thiện tốt chất l−ợng thuỷ động vμ hμnh hải. Bởi vậy, có thể áp dụng dạng nμy trong quá trình chọn ph−ơng án thiết kế hình dáng đuôi tμu nhằm lμm đơn giản quá trình công nghệ.
Dạng đáy s−ờn vùng mũi.
Hình dáng các s−ờn vùng mũi t−ơng ứng với hình dáng đáy s−ờn vùng giữa chỉ có khác ở chỗ độ nghiêng s−ờn mũi sẽ lớn hơn một cách đáng kể so với độ nghiêng s−ờn đáy ở vùng giữa tμu. Hình dáng vỏ bao vùng mũi tμu (phần đáy) tr−ớc hết có ảnh h−ởng đến tính hμnh hải của con tμu. Rõ rμng rằng, đáy s−ờn vùng mũi nghiêng nhiều (V nhọn) thì va đập của thân tμu vμo sóng cμng êm. Tuy nhiên các s−ờn vùng mũi quá nhọn với độ nghiêng không đủ ở vùng hông vμ trong tr−ờng hợp đuôi béo sẽ gây nên mức độ trμn n−ớc lên vung đuôi, mũi tμu chúi vμo sóng, lμm xấu đi tính ổn định h−ớng. Đặc biệt, khi gặp sóng ng−ợc lúc nμy đuôi tμu sẽ bị nâng lên vμ bị lệch sang trái hoặc sang phải. Từ kinh nghiệm khai thác đã cho thấy rằng, các ca-nô có dạng không nghiêng nhiều kết hợp với phần mũi t−ơng đối béo sẽ đảm bảo tốt tính hμnh hải tốt hơn dạng ca-nô có hông l−ợn tròn. Rõ rμng rằng, để đạt đ−ợc chất l−ợng hμnh hải tốt nhất thì s−ờn vùng mũi cần đ−ợc thiết kế theo kiểu hình chữ S ( H 4.1, f).
Dạng s−ờn mạng
Hình dáng s−ờn mạn đóng vai trò khá quan trọng vμo việc đảm bảo chất l−ợng hμnh hải cho tμu l−ớt, ở vùng mũi của chúng cần có độ nghiêng đủ lớn nhằm lμm tăng tính nổi cho tμu, ngăn ngừa sự trμn n−ớc lên boong, ở đây tốt hơn hết nên áp dụng dạng s−ờn lồi, ở vùng giữa tμu s−ờn mạn sẽ có dạng thẳng vμ thẳng đứng.
Sống đáy, sống mũi, hông vμ mạn tμu
Khi xây dựng bản vẽ tuyến hình lý thuyết tr−ớc hết ng−ời thiết kế cần thể hiện trên các hình chiếu đứng vμ hình chiếu bằng đ−ờng ky đáy kèm
sống mũi, hông vμ đ−ờng bao mạn tμu. Từ việc lựa chọn các đ−ờng nμy kết hợp với mặt cắt ngang tại giữa tμu ( s−ờn giữa) ta sẽ xây dựng đ−ợc hình dáng bao ngoμi của tμu thiết kế.
Trên hình chiếu đứng đ−ờng ky đáy thuộc nửa chiều dμi thân tμu về phía đuôi th−ờng đ−ợc thiết kế d−ới dạng thẳng, sau đó đ−ợc chuyển đều tới đ−ờng sống mũi. ở những tμu đi biển, sống mũi th−ờng có dạng dốc đứng nhằm đảm bảo độ nghiêng cần thiết cho các s−ờn mũi, còn ở những tμu sông sẽ có dạng dốc thoải đôi khi sống mũi vμ ky đáy cũng đ−ợc tạo nên bởi đ−ờng cong trơn đều với một số đoạn thẳng nhỏ của ky đáy vùng đuôi ( H 4.4).
Đ−ờng ky đáy ở vùng sống đuôi th−ờng đ−ợc thiết kế có độ uốn không lớn nhằm giảm độ chúi đuôi tμu khi vận hμnh. Độ uốn của đáy ở vùng sống đuôi sẽ lμm cản trở dòng l−u tuyến của chất lỏng. Kiểu nμy sẽ cho phép lμm tăng lực nâng vμ cải thiện tốt điều kiện lμm việc của chong chóng. Khi lựa chọn hợp lý độ uốn nêu trên tốc độ của tμu có thể đ−ợc nâng thêm khoảng 15%.
Đ−ờng hông tμu trên hình chiếu đứng th−ờng đ−ợc thể hiện d−ới dạng đ−ờng cong trơn, song ở vùng đuôi ( khoảng 1/4 L kể từ sống đuôi) đ−ờng hông tμu gần nh− song song với đ−ờng ky đáy. Độ nghiêng của sống đuôi trong tr−ờng hợp nμy sẽ không khác nhiều so với độ nghiêng ở s−ờn giữa vμ chính điều nμy cũng sẽ cho phép tránh đ−ợc xoáy của dòng chảy bao quanh thân tμu.
Vị trí giao nhau của đ−ờng hông tμu với đ−ờng n−ớc tĩnh th−ờng xấp xỉ (0,75- 0,8)L kể từ sống đuôi. Sự chuyển dịch của điểm nμy tới gần sống mũi sẽ gây khó khăn cho việc nâng hông vμ lμm tiếp giáp nó với sống mũi ở độ cao trên đ−ờng n−ớc. Điểm tiếp giáp của đ−ờng hông ở sống mũi cần nằm cμng cao cμng tốt xét về ph−ơng diện hμng hải. Đôi khi điểm tiếp giáp nμy đ−ợc đ−a lên tới mép boong. Trên hình chiếu bằng đ−ờng hông có dạng
đ−ờng bao lồi trơn đều vμ đ−ợc vuốt nhọn ở phần mũi. Đ−ờng nμy sẽ có một đoạn thân ống không lớn ở vùng giữa tμu vμ đ−ợc thu hẹp dần tới sống đuôi nhằm đảm bả0 sự gián đoạn dòng chảy ng−ợc. Chiều rộng của đ−ờng hông ở sống đuôi th−ờng nằm trong khoảng 0,8- 0,9 so với chiều rộng cực đại của nó. Đối với ca-nô l−ớt chạy biển ta có thể giảm chiều rộng đ−ờng hông ở vùng sống đuôi bởi vì hông quá béo tỏ ra ảnh h−ởng xấu đến tính ổn định của tμu khi gặp sóng ng−ợc. Đ−ờng boong trên hình chiếu bằng cần đ−ợc lựa chọn sao cho đảm bảo độ nghiêng cần thiết của các s−ờn mũi nhằm ngăn ngừa hiện t−ợng toé hoặc trμn n−ớc lên boong tμu. Độ nâng của đ−ờng boong ở phía mũi ( trên hình chiếu đứng) cần đ−ợc chọn một cách hợp lý để không lμm giảm tầm nhìn của tμu khi bị chúi.
4.2 Ca-nô l−ớt kết cấu đáy nhảy bậc (re-đan).
Vị trí điểm nhảy bậc ở phía mũi theo chiều dμi (LP), độ sâu của mép đáy nhảy bậc vùng mũi, đuôi (Tm.Td), hình dáng vμ vị trí của hông ca-nô vùng mũi, đuôi, góc tấn (α1, α2), hình dáng của đáy có kết cấu nhảy bậc phía mũi (trên hình chiếu bằng vμ các mặt cắt ngang) lμ những thông số chủ yếu của thân ca-nô l−ớt có kết cấu đáy nhảy bậc. Khả năng lựa chọn các thông số cơ bản nêu trên bằng ph−ơng pháp giải tích rất hạn chế do tính chất quá phức tạp của các mối quan hệ giữa các thông số. Bởi vậy, trong giai đoạn đầu của việc thiết kế ta cần sử dụng các số liệu thống kê vμ kết quả lựa chọn cuối cùng phải đ−ợc xác định bằng mô hình trên bể thử. Trọng tâm của tμu ở trạng thái l−ớt vμ sự phân bố tải trọng theo các điểm nhảy bậc (H 4.6) đóng vai trò quan trọng trong quá trình lựa chọn các thông số thiết kế hình dáng ca-nô. Rõ rμng rằng, ở chế độ l−ớt ca-nô cần thoả mãn điều kiện cân bằng chủ yếu sau:
D.g = PMP+ PDP (4.1)
ở đây PMP+ PDP - lực nâng thuỷ động ở mũi vμ đuôi.
ΣMo - tổng các mô men lực thuỷ động vμ khối l−ợng của tμu đối với sống đuôi.
Phụ thuộc vμo tỷ số PMP vμ PDP ta có thể phân ca-nô l−ớt kiểu trên thμnh các loại sau:
1. Khi PMP ≥ 0,75D.g vμ re-đan mũi chịu tải lμ chính. TM > TD, α1>α2 , BM ≈ BD.
2. Khi PDP≈ 0,65D.g, với re-đan đuôi chịu tải lμ chính. TM < TD, α1<α2 , BM < BD.
2. Khi PDP= PMP= 0,50D.g.
TM≈ TD, α1≈α2 , BM ≈ BD.
Ng−ời thiết kế cần lựa chọn kiểu ca-nô l−ớt xuất phát từ kinh nghiệm bản thân, từ các tμu mẫu hiện có. D−ới đây sẽ đ−a ra một số lời khuyên cho việc lựa chọn các thông số cơ bản của hình dáng tμu phụ thuộc vμo sự phân bố tải trọng theo re-đan.
Vị trí nhảy bậc ở vùng mũi.
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thống kê vμ thực nghiệm ta cần chú ý các điểm sau đây để lựa chọn hợp lý khoảng cách giữa các điểm nhảy bậc ở đáy ca-nô.
1. Điểm đặt re-đan phía mũi có ảnh h−ởng xấu đến điểm đặt re-đan ở phía đuôi bởi vì nó sẽ phải lμm việc trong dòng chảy rối. Nhằm nâng cao chất l−ợng thuỷ động của tμu l−ớt ta cần tăng khoảng cách giữa các điểm đặt re-đan theo chiều dμi tμu.
2. Thực tế chất l−ợng thuỷ động của vùng đáy có đặt re-đan phía mũi luôn luôn cao hơn ở vùng đuôi, bởi vậy phần lớn tải trọng tải trọng đ−ợc phân bố lên vùng nμy cùng với việc tăng đồng thời chiều rộng của nó. Tuy nhiên, sự tăng tải trọng lên vùng mũi sẽ dẫn tới buộc phải tăng không chỉ
chiều rộng mμ cả chiều dμi của vùng đáy nhảy bậc, vì vậy, ở chiều dμi đã cho ta cân giảm khoảng cách giữa các điểm nhảy bậc ở vùng đáy. Nh− vậy trong mỗi tr−ờng hợp cụ thể ng−ời thiết kế cần tìm ra đ−ợc sự dung hoμ hợp lý nhất. Khoảng cách của điểm dặt re-dan ở phía mũi tính từ sống đuôi đối với tầu hiện đại th−ờng dao động trong khoảng ( 0,35 - 0,6)L. Có thể chọn các giá trị sau đây đối với 3 loại ca - nô l−ớt:
Kiểu 1: 0,51L. Kiểu 2: 0,60L. Kiểu 3: 0,53L.
Trong tr−ờng hợp trên vị trí trọng tâm vμ tâm nổi của chúng cần năm trong giới hạn sau ( Tính từ sống đuôi):
Kiểu 1: (0,35- 0,47)L. Kiểu 2: (0,25- 0,35)L. Kiểu 3: (0,30- 0,41)L.
Độ ngập sâu của mép re-đan đuôi TD đ−ợc xác định bởi các góc re-đan