Bài giảng môn học Công nghệ lớp 11 - Chương 1: Thiết bị lái

Chương 1 Thiết bị lái 1.1. Khái niệm chung về thiết bị lái tàu thuỷ Một trong những tính năng cơ bản của tàu thuỷ đó là tính ăn lái. Tính ăn lái của tàu thuỷ là khả năng giữ nguyên hoặc thay đổi hướng đi theo ý muốn của người lái tàu. 1.1.1. Khái niệm Trên các tàu tự hành (ngay cả một số tàu không tự hành) người ta thường trang bị các thiết bị lái để đảm bảo tính ăn lái cho tàu ở bất kỳ trạng thái nào trong suốt quá trình hành hải Tính ăn lái của tàu gồm hai tính chất: tính ổn định hướng đi và tính quay vòng. Tính ổn định hướng đi là khả năng tàu giữ nguyên hoặc thay đổi hướng chuyển động. Tính quay vòng là khả năng thay đổi hướng chuyển động và được mô tả bởi quỹ đạo cong khi bẻ lái. Hai tính chất này mâu thuẫn với nhau, một con tàu có tính ổn định hướng đi tốt thì sẽ có tính quay vòng tồi và ngược lại. Vì vậy phải tuỳ thuộc vào từng loại tàu (công dụng và chức năng), từng vùng hoạt động mà người ta ưu tiên cho 1 trong 2 tính chất trên khi thiết kế. Ví dụ, khi tàu chạy ở vùng hoạt động không hạn chế (tàu biển) do điều kiện không gian hoạt động không hạn chế, để đảm bảo cho thời gian hành trình thì phải ưu tiên cho tính ổn định hướng đi còn đối với tàu có vùng hoạt động hạn chế (tàu sông) thì ngược lại. Tính ăn lái cũng phụ thuộc vào các bộ phận cố định, ổn định khác như: ki hông, ki đuôi, giá chữ nhân (X) hoặc chữ Y, số lượng và chiều dài chong chóng, đoạn trục chóng chóng, số bánh lái cũng như các thiết bị khác. Trên tàu để đảm bảo tính ăn lái, người ta có thể bố trí nhiều loại thiết bị lái hoạt động độc lập hoặc phối hợp như: bánh lái, đạo lưu định hướng xoay, chóng chóng (tàu lắp nhiều chong chóng), thiết bị phụt nước, chân vịt, v.v. nhưng phổ biến nhất là bánh lái và đạo lưu định hướng xoay vì đó là những thiết bị dễ chế tạo, giá thành rẻ, làm việc tin cậy và hiệu quả cao. Bánh lái là một vật thể dạng cánh tấm phẳng hoặc dạng có prôfin thoát nước nhúng chìm trong nước, còn đạo lưu định hướng xoay là một vật thể hình trụ tròn xoay có dạng prôfin thoát nước theo chiều dọc trục của nó, bao quanh chong chóng ở phía sau thân tàu. 1.1.2. Phân loại bánh lái 1.1.2.1. Phân loại theo hình dạng prôfin có Bánh lái tấm Bánh lái thoát nước 1.1.2.2. Phân loại theo vị trí đặt trục lái Bánh lái cân bằng là bánh lái mà trục lái chia bánh lái ra 2 phần. Bánh lái không cân bằng là bánh lái nằm về một phía của trục lái Bánh lái bán cân bằng Hình 1.1. Sơ đồ phân loại bánh lái. 1.1.2.3. Phân loại theo số gối đỡ trên trục lái Sơ đồ 1, các bánh lái có 1 ổ đỡ trên bánh lái trở lên Sơ đồ 2, các bánh lái có 2 ổ đỡ trên bánh lái Sơ đồ 3, bánh lái không có ổ đỡ trên bánh lái Trong các sơ đồ trên được bổ sung các dạng đạo lưu xoay 1.1.2. Vị trí đặt trục lái Nếu trên tàu có bố trí chong chóng thì tốt nhất nên đặt bánh lái phía sau và ở giữa luồng nước do chong chóng đẩy ra để làm tăng hiệu quả làm việc của bánh lái. Với đuôi tàu có lắp một chong chóng thì bánh lái, sống lái, ki đỡ lái tạo thành khung giá lái:là khoảng không gian để lắp chong chóng vừa đủ, trị số các khe hở của khung giá lái chọn theo bảng sau: Trong bảng 1.1, KT - hệ số tải của chong chóng; D - đường kính chong chóng; tmax- chiều dày lớn nhất của frôfin bánh lái; bP - chiều rộng bánh lái; j - nửa góc tiếp tuyến của sống đuôi với mặt phẳng đối xứng của tàu. Các giá trị trong bảng 1.1 là giá trị nhỏ nhất. Trong thực tế sử dụng, để giảm chấn động ở vùng đuôi, các giá trị đó (a, b, c, d) có thể được lấy tăng lên một ít. Tuy nhiên khe hở a không nên lấy quá lớn, nếu không sẽ làm giảm hiệu suất làm việc của bánh lái. Bảng 1.1. Kích thước cơ bản của khung giá lái tàu một chong chóng. T.T Tên tác giả đề nghị a b c d 1 Bể thử Hà Lan Waningen (0,08 - 0,12).D (0,15- 0,2).D (0,1- 0,12)D 0,03.D 2 L. Lloyds (0,08 - 0,15).D 0,15.D 0,08.D - 3 Cơ quan phân cấp tàu Na-uy. 0,73..D (1+ j).kT/D 0,09.D 0,085.D 4 Viện nghiên cứu Vật lý Anh (0,08 - 0,15).D 0,2.D (0,08 -0,1)D (0,02 -0,03)D Hình 1.2. Sơ đồ khung giá lái của tàu một chong chóng Trong mọi trường hợp bánh lái phải bố trí chìm trong nước, mép trên bánh lái đặt càng sâu trong nước càng tốt. Nếu gọi khoảng cách từ mép trên của bánh lái đến mép nước tự do là tp thì tp được lấy như sau - để đảm bảo diện tích bánh lái FP) Tàu biển: tp ³ 0,25.hp (1.1) Tàu hồ (hoặc pha sông biển): tp ³ 0,125.hp Tàu sông: tp = (0 - 0,1).hp với hp- chiều cao bánh lái. Khoảng cách từ mép trên của tấm bánh lái đến vỏ bao tàu càng nhỏ càng tốt song phỉa thoả mãn không bị kẹt khi bẻ lái. ở mọi góc bẻ lái hình chiếu bằng của tấm bánh lái phải nằm trong phạm vi hình chiếu bằng của đưòng nước chở hàng mùa hè KWL. Với bánh lái cân bằng và bán cân bằng ,mép dưói của bánh lái phải đặt cao hơn đường cơ bản và không thấp hơn mép dưới của chong chóng. Với bánh lái treo, việc nối giữa bánh lái và trục lái là kết cấu hàn, phải lưu ý đến chiều cao của nó để khi sửa chữa, lắp ráp, tháo bánh lái trên ụ không phải cắt trục lái. 1.2. Tác dụng của bánh lái 1.2.1. Cơ chế lượn vòng của tàu khi bẻ lái Giả sử tàu đang chạy theo hướng thẳng với vận tốc v (hình 1.3.a) trong điều kiện mặt nước yên lặng (tức không có tác dụng của sóng, gió, dòng chảy và các ngoại lực ngẫu nhiên khác), bánh lái nằm ở mặt phẳng đối xứng của tàu hoặc song song với nó. Khi đó lực tác dụng lên tàu bao gồm: Lực cản của nước đến chuyển động của tàu R nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu, có chiều ngược với vận tốc của tàu. Lực đẩy của chong chóng T nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu, cùng chiều với vận tốc của tàu, cân bằng với lực cản của tàu và lực cản của bản thân nó. Giả sử khi đó ta đổi hướng chuyển động của tàu bằng cách bẻ lái một góc ap sang mạn, khi đó xuất hiện áp lực thuỷ động của nước tác dụng lên bánh lái P bổ sung vào hệ lực trên, lực P có điểm đặt tại K - gọi là tâm áp lực của bánh lái. Nếu giữ nguyên góc bẻ lái ap đó thì lực P sẽ làm thay đổi quĩ đạo chuyển động của tàu và làm xuất hiện, biến đổi các thành phần lực khác. Quĩ đạo chuyển động của tàu khi đó gọi là quĩ đạo lượn vòng của tàu. Để xét và biết được tác dụng của bánh lái khi bẻ lái ta đi xét tác dụng của lực P, bằng cách đặt tại trọng tâm tàu G một cặp lực trực đối (bằng nhau về trị số, cùng phương, ngược chiều) P’ và P” cùng phương, cùng trị số với lực P. Lực P và P’ tạo thành một ngẫu lực có mô men M1 = P.lp, (lp là tay đòn của mô men M1; lp @ (L/2).cosap) có chiều về phía bẻ lái). Lực P” được phân tích thành hai lực P1 và P2, trong đó lực P1 có phương của mặt phẳng đối xứng của tàu, cùng chiều với lực cản R gọi là lực cản bổ sung, nó cùng với R làm tăng lực cản, giảm tốc độ chuyển động của tàu, khi đó lực cản tổng cộng tác dụng lên tàu là RT = R + P1. Lực P2 có phương vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu, làm dạt tàu về hướng ngược với hướng bẻ lái gọi là lực dạt. Do tàu chuyển động dạt, lên xuất hiện lực cản theo phương ngang R0 cùng phương, ngược chiều với P2. Nếu cứ giữ nguyên góc bẻ lái ap sao cho đến thời điểm nào đó, giá trị của R0 tăng bằng giá trị của P2 thì chuyển động dạt kết thúc và khi đó mô men M1 cũng đủ lớn để làm quay tàu về hướng bẻ lái. Dưới tác dụng của mô men M1, tàu quay quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm tàu G về hướng bẻ lái. Đồng thời sự quay vòng này làm đổi phương của lực đẩy T mà nhờ đó tàu đổi hướng chuyển động. Khi tàu chuyển động trên quĩ đạo cong (hình 1.3.b), lực cản tổng cộng RT có điểm đặt tại KT trên mặt phẳng đối xứng của tàu, gọi là tâm áp lực của tàu, (với tàu, thông thường KT nằm ở khoảng giữa trọng tâm tàu G và đường vuông góc mũi). Phân tích RT thành Rx và Ry, trong đó Rx nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu là lực cản của tàu, Ry có phương vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu và nói chung không đi qua trọng tâm tàu G. Thành phần này phát sinh mô men phụ M2 = Ry.lp’, (lp’ là tay đòn của mô men M2 bằng khoảng cách KTG) cùng chiều với mô men M1 làm tăng chuyển động quay của tàu về hướng bẻ lái. Khi KT nằm ở khoảng giữa trọng tâm tàu G và đường vuông góc đuôi thì mô men M2 ngược chiều với mô men M1, nó cản trở lại sự quay của tàu theo hướng bẻ lái. Khi tàu chuyển động theo hướng thẳng, vận tốc tàu v có phương của mặt phẳng đối xứng, còn khi tàu chuyển động trên quĩ đạo cong, mặt phẳng đối xứng của tàu không còn tiếp tuyến với quĩ đạo lượn vòng mà nó tạo với tiếp tuyến đó một góc q và có giá trị tăng dần, q gọi là góc lệch hướng của tàu. Tốc độ vi và góc lệch hướng qi của điểm i bất kỳ nằm trên mặt phẳng đối xứng của tàu thay đổi theo chiều dài tàu. Tại thời điểm nào đó của chuyển động, tốc độ vi không giảm, góc lệch hướng qi không tăng và đạt đến giá trị không đổi thì quĩ đạo của tàu lúc đó ổn định. Khi đó coi tàu quay quanh một trục thẳng đứng tưởng tượng nào đó đi qua điểm O trong không gian với vận tốc góc w = const. Gọi khoảng cách từ O đến các điểm xác định trên tàu là bán kính Ri , thì quĩ đạo lượn vòng ổn định khi Ri = const. Hình 1.2. Các trạng thái chuyển động của tàu trên quỹ đạo quay vòng Khi bắt đầu bẻ lái Khi chuyển động trên quỹ đạo cong Khi tàu chuyển động trên trên quĩ đạo ổn định (hình 1.4), ta xét tại một số điểm đặc biệt trên tàu. Tại điểm C (CO vuông góc với mặt phẳng đối xứng của tàu), tốc độ tiếp tuyến vC của tàu là nhỏ nhất, tốc độ này tăng dần cả về phía mũi và phía đuôi của tàu, và nó đạt giá trị lớn nhất tại mút đuôi (điểm A) và mút mũi (điểm B) của tàu. Góc lệch hướng q tại C là qC = 0, góc này có giá trị tăng dần từ điểm C đến các điểm cả về phía mũi và phía đuôi và đạt giá trị lớn nhất tại A và B nhưng có chiều ngược nhau,(góc lệch hướng là góc tạo bởi giữa phương của mặt phẳng đối xứng tàu với phương tốc độ tiếp tuyến với quĩ đạo, góc này có chiều cùng với chiều kim đồng hồ cho những điểm nằm giữa C và mút mũi, ngược chiều kim đồng hồ cho những điểm nằm giữa C và mút đuôi). Do đó, khi tàu đang chuyển động trên quĩ đạo ổn định, nếu từ mặt phẳng đối xứng của tàu, tại C ta xét, thì tàu gồm hai chuyển động : chuyển động quay quanh C và chuyển động tịnh tiến theo mặt phẳng đối xứng của tàu. Thật vậy, phân tích các vận tốc vi theo phương mặt phẳng đối xứng tàu và vuông góc với nó ta được vxi và vyi tương ứng. Khi đó ta có: vxA = vA. cosqA = w. RA. cosqA = w.RC (1.2) vxB = vB. cosqB = w. RB. cosqB = w.RC vxi = vi. cosqi = w. Ri. cosqi = w.RC vxC = vC = w. RC Suy ra: vxA = vxB = vxi = vxC = w. RC, điều này chứng tỏ tàu chuyển động tịnh tiến theo mặt phẳng đối xứng của tàu. Tương tự ta có: vyA = vA. sinqA = w. RA. sinqA = w.AC (1.3) vyB = vB. sinqB = w. RB. sinqB = w.BC vyi = vi . sinqi = w. Ri. sinqi = w.iC vyC = 0. Điều này chứng tỏ các điểm A, B, i, v.v. quay quanh C với vận tốc góc w. Điểm C gọi là tâm quay tương đối của tàu. 1.2.2. Các giai đoạn chuyển động của tàu trong quá trình lượn vòng Giả sử ban đầu tàu chạy theo hướng thẳng với vận tốc v nào đó trên mặt nước yên lặng, khi bắt đầu bẻ lái một góc ap và giữ nguyên vị trí của bánh lái ở góc bẻ lái đó trong toàn bộ thời gian sau này của quá trình chuyển động của tàu thì quĩ đạo chuyển động của tàu nhận được lúc đó gọi là quĩ đạo lượn vòng của tàu. Từ sơ đồ quĩ đạo và từ sự xuất hiện, biến đổi của các thành phần lực đã phân tích ở trên ta thấy, khi bắt đầu lượn vòng tàu chuyển động chậm lại và bị dạt về hướng ngược với hướng bẻ lái. Sau đó tàu mới bắt đầu chuyển động về hướng bẻ lái theo một quĩ đạo cong có bán kính cong giảm dần. Mặt phẳng đối xứng của tàu lúc đầu có phương của vận tốc tịnh tiến v sau đó nó nghiêng dần về tâm O của quĩ đạo, góc lệch hướng q có giá trị tăng dần. Quĩ đạo lượn vòng của tàu được xem là ổn định khi các đại lượng đặc trưng cho chuyển động đạt đến giá trị không đổi, như Vận tốc vi = vmin = const, Góc lệch hướng q = qmax = const, Bán kính quĩ đạo R = Rmin = const. Người ta chia toàn bộ quá trình chuyển động của tàu trong thời gian lượn vòng làm ba giai đoạn, không phải bởi hình dạng của quĩ đạo mà là bởi sự xuất hiện và biến đổi của các lực tác dụng lên tàu (hình 1.4) Giai đoạn 1: còn gọi là giai đoạn triển khai , được tính từ thời điểm bắt đầu bẻ lái đến khi kết thúc bẻ lái, tức là góc bẻ lái đạt đến giá trị ap, giai đoạn này xảy ra trong khoảng thời gian 10 á 15s. Đặc điểm chuyển động của giai đoạn này là, tàu chuyển động chậm lại do lực cản bổ sung P1, đồng thời tàu bị dạt về hướng ngược với hướng bẻ lái do lực dạt P2. Quĩ đạo chuyển động có dạng chữ S, mũi tàu dần quay về hướng bẻ lái nhờ mô men M1, mặt phẳng đối xứng của tàu tạo với tiếp tuyến của quĩ đạo lượn vòng do trọng tâm tàu G vạch ra một góc lệch hướng q. Giai đoạn 2: còn gọi là giai đoạn lượn vòng được tính từ thời điểm kết thúc giai đoạn 1 cho đến khi các đại lượng đặc trưng cho chuyển động đạt đến giá trị không đổi ( vi = vmin = const, q = qmax = const, R = Rmin = const.), thông thường thời điểm này đạt được khi tàu quay được một góc 900 á 1000 so với hướng đi ban đầu. Đặc điểm chuyển động của giai đoạn này là, vận tốc tàu tiếp tục giảm, góc lệch hướng của tàu tiếp tục tăng, tàu chuyển động trên quĩ đạo cong có bán kính cong giảm dần. Lực tác dụng lên tàu là: lực thuỷ động P, lực cản RT và lực đẩy T, trong mỗi thời điểm chuyển động, chúng cân bằng với các lực quán tính khối lượng của tàu (định luật d’Alambert). Giai đoạn 3: còn gọi là giai đoạn lượn vòng ổn định được tính từ thời điểm kết thúc giai đoạn 2 cho đến toàn bộ thời gian sau này của quá trình lượn vòng, nếu vẫn giữ nguyên góc bẻ lái ap đó. Đặc điểm chuyển động của giai đoạn này là, tàu chuyển động ổn định trên một quĩ đạo là đường tròn có bán kính không đổi R = Rmin = const, với vận tốc không đổi vi = vmin = const và góc lệch hướng không đổi q = qmax = const. Lực đẩy T của chong chóng thực tế có giá trị không đổi trong quá trình lượn vòng, lực cản Rx tăng từ thời điểm bắt đầu lượn vòng, gây giảm dần tốc độ tàu, đến lúc mà lực này cân bằng với lực đẩy T. ở thời điểm nào đó, điểm KT dịch về phía sau trọng tâm tàu G, mô men M2 ngược chiều với mô men M1. Khi trị số hai mô men này bằng nhau điểm KT ngừng dịch chuyển về đuôi đồng thời xác lập góc lệch hướng q. Góc này thường có giá trị từ 50 đến hơn 100. Như vậy ta đã khảo sát quá trình lượn vòng của tàu khi bẻ lái, quĩ đạo lượn vòng được xác lập với các thông số đặc trưng sau: Đường kính quĩ đạo lượn vòng ổn định: D = 2.Rmin . Đường kính lượn vòng ổn định tĩnh ( đường kính xác lập quay vòng ): DT là khoảng cách giữa hai mặt phẳng đối xứng của tàu trước và sau khi nó quay được một góc 1800. Đoạn dịch chuyển tịnh tiến: l1- khoảng cách của trọng tâm tàu khi bắt đầu bẻ lái đến khi tàu quay được một góc 900, đo theo hướng đi ban đầu. Đoạn dịch chuyển ngang: l2 - khoảng cách từ trọng tâm tàu khi nó quay được góc 900 đến hướng đi ban đầu. Đoạn chuyển động dạt: l3 - khoảng cách từ trọng tâm tàu ở vị trí dạt xa nhất đến hướng đi ban đầu. Các đại lượng trên được xác định bởi tính toán cơ bản hoặc thử nghiệm tàu mẫu, tính quay trở của tàu (vận tải) được xem là đảm bảo nếu chúng thoả mãn liên hệ sau: DT = ( 0,9 á 1,2 ).D l2 = ( 0,5 á 0,6 ).D (1.4) l1 = ( 0,6 á 1,2 ).D l3 = ( 0 á 0,1 ). 1.2.3. Tính ổn định hướng đi của tàu Tàu chạy trên mặt nước chịu tác dụng của các ngoại lực như sóng, gió, dòng chảy, v.v. khi thời tiết xấu các lực này tăng rất nhanh, làm lệch hướng đi của tàu. Đặc tính chống lại các ngoại lực, giữ được hướng đi ban đầu được gọi là tính ổn định hướng đi của tàu. Những nguyên nhân làm tàu lệch hướng đi trong thời gian sóng, gió lớn là: áp lực gió lên phần trên đường nước vận hành, đặc biệt là phần thượng tầng và lầu. áp lực nước lên mạn tàu có bản chất chu kỳ do sóng và dòng chảy. áp lực không đều của nước qua chong chóng khi tàu chòng chành ngang và dọc. Sau đây ta khảo sát hệ lực tác dụng lên tàu khi gió thổi vào mũi tàu, tàu chạy chệch hướng với góc F. Bánh lái được đặt ở mặt phẳng đối xứng của tàu, tàu chịu tác dụng của các lực (hình 1.6). Lực cản gió W, có điểm đặt tại U và tạo với mặt phẳng đối xứng tàu một góc a. Lực cản của nước R, có điểm đặt K và tạo với mặt phẳng đối xứng tàu một góc b. Lực đẩy T của chong chóng nằm trong mặt phẳng đối xứng tàu. Phân tích các lực nói trên thành các lực thành phần theo phương mặt phẳng đối xứng và vuông góc với nó ta có: Mô men làm lệch hướng đi của tàu đã chọn M = R.sinb.UK. (1.5) Lực tác dụng theo hướng chuyển động làm tàu dịch chuyển Px =T - (W.cosa + R.cosb) (1.6) Lực ngang làm dạt tàu Py = W.sina - R.sinb (1.7) So với mặt phẳng đối xứng một góc F tg p = (W.sina - R.sinb) / [T - (W.cosa + R.cosb)]. (1.8) Để cân bằng mô men M, bánh lái cần phải tạo nên mô men ngược lại. Khi tâm gió U và tâm lực cản ngang K trùng nhau thì mô men M = 0, tàu không đi lệch hướng; khi điểm K trước điểm U (về phía mũi) thì tàu có khuynh hướng quay theo gió và bánh lái phải bẻ về phía ngược gió. Nếu điểm K sau điểm U (về phía đuôi) thì tàu có khuynh hướng quay xẻ gió và bánh lái phải bẻ về phía gió. Tâm gió U thường di chuyển về phía lái, khi hướng gió thổi từ mũi sự thay đổi này không lớn. Tâm lực cản ngang K thay đổi trong giới hạn rộng phụ thuộc vào góc dạt F của tàu. Hình dáng phần ngâm nước có ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định hướng đi hơn là phần trên đường nước. Để làm tốt tính ổn định hướng đi, tâm gió U và tâm lực cản ngang K càng gần nhau càng tốt. 1.2.4. Các thông số xác định đặc trưng tính quay trở của tàu Tuỳ thuộc vào từng loại tàu, vùng hoạt động và công dụng của nó người ta định ra các tiêu chuẩn đánh giá tính ăn lái của tàu.Ví dụ, đối với tàu biển, việc quay trở 1800 là không khó khăn, do đó người ta ưu tiên cho tính ổn định hướng đi là chủ yếu, ngược lại tàu sông phải ưu tiên cho tính quay trở nhiều hơn. Hơn nữa việc đánh giá tính ăn lái của tàu có xét đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng là khó khăn, do đó để đánh giá tính ăn lái của tàu, người ta thường dựa vào một số tiêu chuẩn sau: Hình 1.7. Quĩ đạo chuyển động hình sin của tàu Tiêu chuẩn 1: là tiêu chuẩn thường được áp dụng nhất: đó là sự liên hệ giữa đường kính lượn vòng tĩnh DT và chiều dài tàu L: DT =f(L). Giá trị DT càng nhỏ thì tính quay trở của tàu càng tốt. Thực tế người ta thiết lập được sự phù hợp giữa DT và L, tính cơ động của tàu được xem là đảm bảo nếu: Đối với tàu sông: DT = (1,2 - 2,8).L (1.9) Đối với tàu biển: DT = (2,8 - 4,0).L Tiêu chuẩn 2: là tiêu chuẩn vận tốc góc quay của tàu, tính quay vòng của tàu được coi là đảm bảo nếu tốc độ góc quay vòng của trọng tâm tàu G thoả mãn: Đối với tàu sông: w = (130 - 290), 0/phút. (1.10) Đối với tàu biển: w = (90 - 130), 0/phút. Chú ý: Giá trị trên được tính từ thời điểm bắt đầu bẻ lái đến lúc bắt đầu quay vòng với thời gian từ khi bánh lái còn nằm ở vị trí mặtphẳng đối xứng đến khi bánh lái sang mạn. Tiêu chuẩn 3 : Tiêu chuẩn cơ bản nhất để đánh giá tính ăn lái của tàu, là cho tàu chạy dạng hình sin. Giả sử tàu đang chuyển động trên hướng thẳng Ox, khi đó ta bẻ lái sang phải góc apF = 300 - 450 ,tới khi mặt phẳng đối xứng của tàu tạo với hướng đi ban đầu một góc qF = 150- 200 thì lại bẻ lái về mạn trái góc apT = 300 - 450, cho đến khi mặt phẳng đối xứng của tàu tạo với hướng đi ban đầu một góc qT = 150- 200 thì lại bẻ lái sang phải một góc apF = 300 - 450, v.v. Quá trình trên cứ tiếp diễn nếu tàu di chuyển trên quãng đường S trong thời gian từ 4 - 5 phút thì tính ăn lái của tàu được coi là đảm bảo. 1.3. Các thông số kỹ thuật cơ bản của bánh lái 1.3.1. Diện tích bánh lái Diện tích bánh lái FP là diện tích mặt phẳng giới hạn bởi đường bao hình chiếu của bánh lái lên mặt phẳng đi qua trục lái và song song với mặt phẳng đối xứng của bánh lái. Ký hiệu: FP. Đơn vị: m2. Phần diện tích bánh lái nằm về phía trước trục lái được gọi là diện tích cân bằng của bánh lái. Ký hiệu: FP’. Đơn vị: m2. Hình 1.8. Kích thước cơ bản của bánh lái. 1- prôfin bánh lái; 2 - càng treo bánh lái; 3 - trụ lái 1.3.2. Chiều cao của bánh lái Chiều cao của bánh lái là khoảng cách đo theo phương trục lái giữa điểm cao nhất và điểm thấp nhất của tấm bánh lái. Ký hiệu: hP. Đơn vị: m. 1.3.3. Chiều rộng bánh lái Chiều rộng của bánh lái là khoảng cách từ mép trước đến mép sau của tấm bánh lái đo theo mặt phẳng nằm ngang vuông góc với trục lái. Ký hiệu: bP. Đơn vị: m. Đối với bánh lái khác hình chữ nhật, người ta đưa ra khái niệm chiều rộng trung bình của bánh lái - là tỷ số giữa diện tích bánh lái và chiều cao của nó. Ký hiệu: . Đơn vị: m. 1.3.4. Độ dang của bánh lái Độ dang của bánh lái là tỷ số giữa chiều cao và chiều rộng trung bình của tấm bánh lái. Ký hiệu: , l là đại lượng không thứ nguyên. Thông thường l = 0,5 - 3. Theo Qui phạm, l không lên lấy quá 2. 1.3.5. Prôfin bánh lái và chiều dày của nó Prôfin bánh lái là đường biên tiết diện ngang trong mặt phẳng nằm ngang vuông góc với trục lái. Giá trị lớn nhất của tung độ prôfin bánh lái được gọi là chiều dày lớn nhất của prôfin bánh lái. Ký hiệu: tmax. Đơn vị: m. Chiều dày tương đối của prôfin là tỉ số giữa chiều dày lớn nhất tmax và chiều rộng bP của prôfin. Ký hiệu: . Khicàng lớn thì chất lượng thuỷ động của bánh lái càng giảm rõ rệt. Vì vậy thông thường, chỉ có trường hợp đặc biệt thì . 1.3.6. Hoành độ chiều dày lớn nhất của frôfin Khoảng cách từ mép trước của prôfin bánh lái tới tung độ có chiều dày lớn nhất của nó được gọi là hoành độ chiều dày lớn nhất của prôfin bánh lái. Ký hiệu: x. Đơn vị: m. Hoành độ chiều dày tương đối của prôfin là tỷ số giữa hoành độ chiều dày lớn nhất và chiều rộng của prôfin. Ký hiệu:, là đại lượng không thứ nguyên. Với mỗi loại prôfin của bánh lái, có chiều dày tương đối và hoành độ tương đối khác nhau, được sử dụng cho các tàu khác nhau. 1.3.7. Hệ số cân bằng của bánh lái Hệ số cân bằng (còn gọi là hệ số cân đối) của bánh lái là tỉ số giữa diện tích phần đối (phía trước trục lái) với toàn bộ diện tích bánh lái. Ký hiệu: , R là đại lượng không thứ nguyên. Thông thường R = (0,25 - 0,35), tuy nhiên để tránh dao động, người ta lấy R Ê 0,25. 1.3.8. Góc bẻ lái aP Góc bẻ lái là góc quay của bánh lái đối với trục lái đo trong mặt phẳng vuông góc với trục lái. Ký hiệu: aP Tàu biển: aP = (35 - 38)0 (1.11) Tàu sông: aP = (40 - 45)0 Hình 1.9. Góc bẻ lái của bánh lái. 1.3.9. Góc tấn Góc tấn của bánh lái là góc tạo bởi giữa mặt phẳng đối xứng của prôfin bánh lái và mặt phẳng đi qua trục lái, song song với phương vận tốc dòng nước chảy tới bánh lái. Ký hiêu: aP0 1.4. Lựa chọn các yếu tố cơ bản của bánh lái. Lực thuỷ động tác động lên tấm bánh lái 1.4.1. Lựa chọn các yếu tố cơ bản của bánh lái 1.4.1.1. Lựa chọn diện tích bánh lái Diện tích bánh lái dạng thoát nước kết cấu bình thường, không có thiết bị chuyên môn làm tăng áp lực nước trên tấm bánh lái, có thể được tính theo công thức sau: , m2. (1.12) trong đó: ồFP - tổng diện tích của các bánh lái, m2. L - chiều dài giữa hai đường vuông góc của tàu, m. T - chiều chìm trung bình của tàu ở trạng thái toàn tải, m. A, m - hệ số diện tích bánh lái, biểu thị phần trăm của diện tích bánh lái với diện tích hình chiếu phần vỏ bao ngâm nước của tàu lên mặt phẳng đối xứng, với m = 1/A, tra bảng theo thống kê số liệu các tàu biển và tàu nội địa đã được chế tạo khai thác trên thế giới. Hình 1.10. Diện tích của bánh lái. Diện tích của tấm bánh lái của tàu tự hành phải không nhỏ hơn diện tích được tính theo công thức sau: , m2. (1.13) trong đó : L, T - chiều dài thiết kế và chiều chìm của tàu, m. p = 1,2 - cho bánh lái không làm việc trực tiếp sau chong chóng p = 1 - cho bánh lái làm việc trực tiếp sau chong chóng q = 1,25 - cho tàu kéo q = 1 - cho các tàu còn lại 1.4.1.2. Dạng prôfin bánh lái Thực ngiệm đã tìm ra nhiều dạng prôfin bánh lái, nhưng tựu trung có hai dạng phổ biến là prôfin đối xứng và prôfin không đối xứng. Tên gọi của prôfin được lấy theo tên gọi của các phòng thí nghiệm, viện hoặc cơ quan nghiên cứu đã tìm ra nó, các prôfin được mã hoá bằng số. Ví dụ: Prôfin của Viện nghiên cứu hàng không vũ trụ Mỹ NASA có mã số: NASA 0018; NASA 0015; NASA 0012; v.v. Hai chỉ số : 00 - chỉ đường trung bình của prôfin. Nếu đường trung bình là 00 thì prôfin là prôfin đối xứng. Các chỉ số 12, 15, 18 chỉ phần trăm (%) chiều dày trung bình của prôfin so với chiều rộng của prôfin (tức là: ) Ngành đóng tàu hiện nay sử dụng phổ biến dạng poôfin đối xứng NASA, N.E.J, XA-GI, v.v. Trong đó dạng NASA dùng cho bánh lái của tàu có tốc độ trung bình dạng đuôi tuần dương, bánh lái đặt trực tiếp sau chong chóng. Loại N.E.J dùng cho tàu chạy nhanh. Loại XA-GI dùng cho tàu 2 chong chóng, bánh lái đặt trong mặt phẳng dọc tâm, và bánh lái mũi. Hình 1.11. Các dạng prôfin của bánh lái. 1.4.2. Lực thuỷ động tác dụng lên tấm bánh lái Giả sử tàu đang chuyển động thẳng, ta bẻ lái một góc aP. Trên tấm bánh lái xuất hiện lực thuỷ động P đặt tại tâm áp lực K. Phân tích lực P theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến, ta có PN và PT () trong đó: PN - áp lực pháp tuyến (vuông góc với mặt phẳng đối xứng của bánh lái). PT - song song và trùng với mặt phẳng đối xứng của bánh lái - áp lực tiếp tuyến. Mặt khác, ta có thể phân tích P thành PX và PY trong đó: PX - thành phần lực cản của bánh lái. PY - thành phần lực dạt của bánh lái. Vậy về trị số: , kG. (1.14) Góc bẻ lái aP = Góc tấn aP0 = Góc hợp bởi phương (v,xx) = a0 thì ta có mối quan hệ: PN = PX.sinaP + P