Đề tài Thiết kế tàu lướt

Mục lục Lời mở đầu Phần I: Đặc điểm thiết kế tàu lướt Chương I: khái niệm chung về tàu lướt 1.1 Chế độ chuyển động và hình dáng thân tàu lướt 4 1.2 Phân loại tàu lướt, đặc điểm kiến trúc và bố trí của tàu 10 Chương II: thuỷ động lực và tính hàng hải của tàu lướt 2.1 Sự phân bố tốc độ và áp suất của dòng chảy dưới bề mặt lướt 15 2.2 Lực nâng thuỷ động và sức cản 16 2.3 Các đặc trưng thuỷ động lực không thứ nguyên 19 2.4 Tính các đặc trưng thuỷ động của tàu lướt 24 2.5 Tính hàng hải của tàu lướt 26 ChươngIII: thiết kế sơ bộ 3.1 Giới thiệu chung 30 3.2 Xác định trọng lượng tàu 32 3.3 Trọng tâm tàu 33 3.4 Lựa chọn các kích thước chủ yếu và các tỷ số giữa chúng 35 3.5 Xác định gần đúng tốc độ tàu lướt và công suất cần thiết cho động cơ 41 Chương IV: thiết kế các yếu tố hình dáng thân tàu lướt 4.1 Tàu lướt có dạng hông vát nhọn không có kết cấu nhảy bậc 44 4.2 Ca-nô lướt có kết cấu đáy nhảy bậc 48 4.3 Hình dáng sườn kiểu chữ V nhọn, re-đan dọc 55 4.4 Khuynh hướng phát triển của các tàu lướt hiện đại 57 Chương I Khái niệm chung về tàu lướt Chế độ chuyển động và hình dáng thân tàu lướt Khi tàu chuyển động ở trạng thái nước tĩnh khối lượng của nó sẽ hoàn toàn cân bằng với lực thuỷ tĩnh. ở chế độ này cũng bắt đầu xuất hiện lực nâng thuỷ động. Tốc độ chuyển động của tàu càng lớn lực nâng thuỷ động của tàu càng lớn. Thành phần lực này tỏ ra có ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi chiều chìm và độ chúi của tàu. Phụ thuộc vào tỷ số giữa lực nâng thuỷ động và thuỷ động mà ta có thể phân biệt 3 chế độ chuyển động sau đây của tàu lướt: chế độ bơi, chế độ quá độ, chế độ lướt. Chế độ bơi: ở chế độ này các thành phần lực nâng thủy động tỏ ra có ảnh hưởng không đáng kể đến chiều chìm của tàu khi chuyển động. ở chế độ bơi, thực tế tàu sẽ được cân bằng bởi trọng lượng thân tàu với lực nâng thuỷ tĩnh mà nó sẽ được biểu diễn bằng định luật ác-si-mét, Dg = g.V (1.1) ở đây D - khối lượng của tàu, kg; g- gia tốc trọng trường, m/s2; V- lượng chiếm nước thể tích của tàu, m3; g- trọng lượng riêng của nước, kg/m2.s2. Chế độ quá độ: Chế độ này được đặc trưng bởi sự xuất hiện nhanh lực nâng thuỷ động. Tàu tiếp tục chuyển động nhưng thể tích ngâm nước của nó sẽ bị giảm dần phụ thuộc vào sự tăng tốc độ của tàu. Bắt đầu tàu sẽ bị chúi mũi và sau đó sẽ bị chúi đuôi, sóng tàu bắt đầu được tạo ra. ở trạng thái này phương trình cân bằng của tàu sẽ được biểu diễn dưới dạng Dg = g.V1+ Py (1.2) ở đây Py -lực nâng thuỷ động, N; V1- lượng chiếm nước thể tích tương ứng với đường nước vận hành, m3. Chế độ lướt: ở tốc độ cao kết hợp với hình dáng thân tàu hợp lý thành phần lực nâng thuỷ động sẽ là thành phần lực nâng chủ yếu duy trì cho sự chuyển động ổn định của tàu ở chế độ lướt. Tàu sẽ hơi chúi đuôi và bắt đầu lướt trên mặt nước. Lúc này trọng lượng của tàu hoàn toàn được cân bằng nhờ lực nâng thuỷ động. Đặc trưng của chế độ tốc độ có thể được xác định bởi tốc độ tuơng đối mà nó được thể hiện bằng số Frud. Bởi vì khi tàu chuyển động với tốc độ cao thì chiều dài của đường nước tính toán luôn thay đổi vì vậy số Frud trong trường hợp này sẽ được biểu diễn theo lượng chiếm nước (1.3) Sau đây có thể chỉ ra các giới hạn về tốc độ của các chế độ chuyển động khác nhau theo độ lớn của số Frud: Chế độ bơi FrD1 Chế độ quá độ 1 FrD3 Chế độ lướt FrD > 3 Cần phải hiểu rằng, không phải tất cả các tàu lướt đều có thể lướt khi FrD = 3. Để đạt được điều đó người thiết kế cần tạo cho thân tàu có hình dáng hợp lý. Chất lượng thuỷ động của tàu lướt có thể được nâng lên nhờ việc áp dụng dạng sườn có đáy phẳng nghiêng và được nâng dần từ đuôi đến mũi. Để làm gián đoạn dòng chảy bao quanh đáy tàu hông tàu, phía mạn thường được thiết kế với dạng gãy góc, còn đuôi sẽ có dạng hình thang. Các dấu hiệu đặc trưng này đã và đang được áp dụng cho các tàu lướt hiện đại. Hình dáng đơn giản nhất của tàu lướt được chỉ ra trên H 1.1. Khi đạt được tốc độ nhất định tàu lướt kiểu này sẽ lướt trên phần đuôi của đáy phẳng nghiêng. Chiều dài của diện tích lướt càng nhỏ khi tốc độ càng cao. ở tốc độ rất cao đại lượng này sẽ đạt được giá trị tối thiểu. Hiệu quả lướt sẽ đạt được khá cao ở những tàu lướt có kết cấu đáy nhảy bậc (Re-đan) (xem H 1.2), và sẽ còn cao hơn ở những tàu lướt có kết cấu 3 lần nhảy bậc ở vùng đáy. Nếu như tàu lướt có kết cấu kiểu Re-đan có hai phần diện tích chịu tải - mũi và đuôi thì trên những tàu lướt có kết cấu 3 lần nhảy bậc sẽ có 3 phần diện tích chịu tải làm việc trong dòng chảy tự do của nước. Song kiểu tàu này không được áp dụng rộng rãi do tính chất phức tạp trong đóng mới và thiết kế chung. Nhằm cải thiện chất lượng hành hải cho tàu chuyển động ở chế độ trung gian, nguời ta đã tiến hành thiết kế hình dáng vỏ bao kiểu hỗn hợp (xem H 1.5). Phần mũi được thiết kế theo kiểu tàu có lượng chiếm nước với dạng vỏ bao trơn đều nhằm giảm sự va đập của sóng khi tàu chạy ngược sóng, còn đuôi tàu sẽ được thiết kế thuần tuý kiểu tàu lướt. Hình dáng vỏ bao kiểu này được thừa nhận là hợp lí nhất đối với nhữnh ca nô chạy biển cỡ lớn với tốc độ tương đối 1 FrD2,5. Nhằm nâng cao chất lượng hành hải cho các tàu lướt đã xuất hiện các ca-nô lướt với dạng sườn chữ V nhọn (xem H 1.6). Có thể khẳng định rằng, các tàu lướt đi biển với kiểu đáy nghiêng 200 có thể chuyển sang chế độ lướt tương đối dễ dàng nếu theo chiều dài của đáy được đặt thêm các Re-đan dọc. Ca-nô kiểu này có tính ổn định ban đầu nhỏ. Khi tàu chạy với tốc độ cao trên sóng tàu sẽ có chuyển động ổn định và tải trọng động tương đối nhỏ khi tàu va đập vào sóng. Chú ý đến đặc trưng chế độ chuyển động của các tàu lướt ta có thể nhận thấy rõ đặc điểm thay đổi đường cong lực cản phụ thuộc vào tốc độ (xem H 1.7). Trong vùng trị số Frud FrD = 1á2,0 đường cong sẽ có dạng lồi, nó chỉ ra rằng ở chế độ quá độ lực cản của thân tàu lướt sẽ cao hơn một cách đáng kể so với lực cản của tàu có lượng chiếm nước. Sau khi vượt qua được điểm lồi trên đường cong lực cản, tàu sẽ bắt đầu chuyển tới chế độ lướt, và nhờ giảm đi một cách đáng kể sóng tàu lực cản chung sẽ được giảm. Sau đó cùng với sự tăng tốc độ lực cản lại tăng lên do tăng lực cản ma sát. Điểm lồi trên đường cong lực cản sẽ xuất hiện rõ nét ở chuyển động của ca-nô lướt có kết cấu Re-đan và ngược lại là ở ca-nô lướt kiểu thường. Sự thay đổi chiều chìm của tàu lướt được đặc trưng bởi góc chúi j và bởi sự thay đổi chiều chìm DT được chỉ trên H 1.7. Phân loại tàu lướt, đặc điểm kiến trúc và bố trí của tàu Tàu lướt được phân loại theo các dấu hiệu sau: Theo công dụng ta có thể chia tàu lướt thành tàu dịch vụ-tuần tiễu, dạo chơi, du lịch,đua-thể thao, chở khách, ca-nô có công dụng đặc biệt (làm công tác vệ sinh-dịch tễ, cứu hộ, cứu hoả...). Theo đặc điểm kiến trúc và bố trí, tàu lướt được chia thành các nhóm sau: xuồng có kết cấu boong hở, xuồng và ca-nô có kết cấu boong mũi, ca-nô có kiến trúc thượng tầng mũi, ca-nô và tàu có kiến trúc thượng tầng liền, tàu lướt có kết cấu hai thân, tàu có dạng thoát khí động học. Theo hình dáng vỏ bao tàu lướt được chia thành các nhóm sau: Tàu có kết cấu hông nhọn không Re-đan với sườn có dạng đáy nghiêng phẳng, đáy phẳng, nghiêng lồi, dạng chữ S. Tàu không được kết cấu kiểu Re-đan nhưng đáy được kết cấu dạng vòm (1 hoặc 2 vòm). Tàu được kết cấu kiểu Re-đan (kiểu tàu lướt cổ điển). Tàu lướt kiểu 3 Re-đan. Tàu lướt chạy biển với hình dáng vỏ bao hỗn hợp. Tàu lướt với hình dáng sườn chữ V nhọn. Tàu với hình dáng vỏ bao kiểu mới (xem H 1.8). Ngoài ra, tàu lướt có thể được phân loại theo động cơ, theo chong chóng, theo loại vật liệu được sử dụng để chế tạo thân tàu và theo các dấu hiệu khác. Ca-nô dịch vụ-tuần tiễu, dạo chơi và du lịch. Đây là nhóm tàu chiếm số lượng lớn trong đội tàu lướt chạy nhanh. Nhóm tàu này thường được sử dụng rộng rãi trên các sông, hồ chứa nước, hồ và ở các vùng biển gần bờ. Các đại lượng đặc trưng nhất của tàu bao gồm: chiều dài từ 5-7m, lượng chiếm nước từ 900-1500kg. Tuy nhiên, tham gia vào đội tàu này còn có những tàu có chiều dài 9-12m, lượng chiếm nước 6T được dùng để chạy biển. Ngoài ra, còn có cả những tàu cỡ lớn chạy biển với tiện nghi cao, có lượng chiếm nước từ 25-30T. Những tàu cỡ nhỏ thường được chế tạo bằng hợp kim nhôm và được liên kết bằng phương pháp hàn điện, hoặc gỗ dán hàng không, tấm ép ba-ke-lit, tấm ép bằng sợi thuỷ tinh. Tàu đua-thể thao. Phụ thuộc vào hình dáng thân tàu, lượng chiếm nước và động cơ được lắp đặt trên tàu ta có thể phân chúng thành: thuyền đua, xuồng, tàu lướt, ca-nô. Thuyền đua kiểu 1 chỗ ngồi, có một động cơ được liên kết dưới dạng treo. Loại này thường được thiết kế theo kiểu xuồng có 3 Re-đan. Xuồng lướt. Đây là loại tàu cỡ nhỏ không có kết cấu kiểu Re-đan, boong hở và được bố trí 1 động cơ được liên kết theo kiểu treo. Ca-nô. Loại tàu này có động cơ được đặt cố định, không bị giới hạn về hình dáng, kích thước thân tàu và thiết bị đẩy. Tàu lướt chở khách. Loại tàu này có thể được phân thành 3 nhóm sau: Tàu lướt cỡ nhỏ kiểu kết cấu boong hở. Chúng được sử dụng để chuyên chở hành khách hoặc hàng bưu điện trên các sông có mớn nước cạn. Thiết bị đẩy ở đây thường là chong chóng hoặc thiết bị phụt nước. Lượng chiếm nước của nhóm tàu này thường không vượt quá 3T. Sức chứa khách cỡ 12 người. Công suất động cơ cỡ 185kw, tốc độ cỡ 32hl/h. Ngoài ra, trên những tàu cỡ nhỏ hoạt động trên các sông lớn, hồ, hồ chứa nước và vùng biển gần bờ tàu có thể được đặt thiết bị đẩy là chân vịt. Ca nô - ô tô buýt chạy nhanh. Đây là loại tàu chở khách được sử dụng phổ biến trên các tuyến khác nhau. Lượng chiếm nước của chúng có thể đạt đến 25T, với sức chở khoảng 100 khách và tốc độ 22 hl/h. Ca-nô lướt chạy biển. Đây là loại tàu lướt cỡ lớn nhất, có lượng chiếm nước 60- 70 T và lớn hơn, công suất động cơ có thể đạt đến 2200 kw. Chương II Thuỷ động lực và tính đi biển của tàu lướt Hiện tượng vật lý xuất hiện khi thân tàu trượt trên mặt nước là hình ảnh phức tạp của sự thay đổi áp suất và tốc độ của dòng chảy quanh thân tàu với sự thay đổi đột ngột gradient áp suất, sự tạo thành các dòng nước toé ra xung quanh thân tàu, và sự tạo thành sóng. Vì vậy, việc tìm ra lý thuyết chính xác giải thích các định luật lướt là bài toán phức tạp. Phần khó khăn nhất của bài toán trên là việc xác định sự chuyển động của khối lượng nước xung quanh thân tàu lướt, tốc độ và phương chuyển động của khối lượng nước được nêu ở trên. Có nhiều nhà Bác học lỗi lạc đã nghiên cứu các vấn đề về lý thuyết lướt. Trong số đó phải kể đến các nhà Bác học của Liên Xô: X. A. Trap-lư-gin, G.A. Pav-len-cô, N.A.Sô-cô-lốv, L.I.Xê-dốv, N.X.Vô-lô-din, K.P.Kha-ri-tô-nôv. Các nhà Bác học trên trong những năm 30 của thế kỷ qua là những người đầu tiên đưa ra các cơ sở hiện đại của lý thuyết lướt và các phương pháp tính lực cản của tàu lướt. Nhiều công trình trong lĩnh vực nghiên cứu lý thuyết - thực nghiệm đã được các nhà Bác học của các nước khác thực hiện, trong số đó phải kể đến các nhà Bác học như: Zottorf, Vagner, Pabxt, Perring, Murec, Korvin-Krukovxki và các nhà Bác học khác. Dưới đây sẽ đưa ra khái quát về cơ sở lý thuyết lướt nhằm phục vụ cho việc thiết kế tàu lướt. 2.1 Sự phân bố tốc độ và áp suất của dòng chảy dưới bề mặt lướt. Ta nghiên cứu bản phẳng rộng được gắn cố định. Dòng chất lỏng lý tưởng chảy qua bản phẳng với tốc độ v và dưới góc tấn a (xem H 2.1). Bản phẳng làm thay đổi phương và tốc độ dòng và chia dòng thành hai phần: phần cơ sở và phần phía trên. Phần phía trên ngay tại bản phẳng bị hãm lại và sau đó sẽ chuyển động theo bản phẳng ở dạng tia mỏng và hướng về phía ngược lại. Bằng thí nghiệm đơn giản có thể quan sát được hình ảnh tương tự chỉ với sự khác nhau là trong các điều kiện thực tế lớp nước mỏng phía trên bị bắn ra do bản phẳng nhanh chóng biến thành dòng toé ra xung quanh dưới tác dụng của trọng lực. Lưu ý, sự tồn tại hai phần dòng chảy quanh bản phẳng có thể đi đến kết luận về sự tồn tại lớp phân cách hoặc đường phân cách của dòng. Đường phân cách này tạo với bản phẳng một góc 900 và hình thành điểm tới hạn O mà tại đó tốc độ dòng so với bản phẳng bằng 0. Giá trị tốc độ bằng 0 tại điểm O có nghĩa rằng toàn bộ cột vận tốc của dòng biến thành áp suất pháp tới hạn, có nghĩa là lớn nhất về trị số và bằng pv2/2. Bên trái và bên phải bản phẳng tính từ điểm O, áp suất sẽ giảm xuống do tăng tốc độ dòng chảy qua bản phẳng. Chế độ dòng chảy của bản phẳng cố định được xem xét ở trên là thí dụ về chuyển động dừng của dòng mà tại đó tốc độ tại điểm bất kỳ không phụ thuộc vào thời gian. Như vậy, ở đây ta áp dụng được phương trình Ber-nu-li liên hệ giữa áp suất và tốc độ. Theo phương trình này, tại các đường mặt của dòng chảy qua bản phẳng tốc độ của từng phân tử của nước đều bằng v, vì rằng áp suất khí quyển ở xung quanh là không đổi. Điều đó có nghĩa rằng, tốc độ của các tia nước toé ra và tốc độ của dòng chảy qua bản phẳng tại mép sau của bản phẳng bằng tốc độ của dòng. Khi đó dòng chảy qua mép sau của bản phẳng tại chế độ lướt phát triển thành các tia nước được phân bố đều đặn tức là thoả mãn tiên đề Trap-lư-gin-Giu-côv-xki. Hình ảnh chung của sự phân bố áp suất và tốc độ theo chiều dài của bản phẳng được đặt lệch với hướng dòng chảy một góc a có thể được mô tả trên H 2.1. Sơ đồ phân bố áp suất và tốc độ theo phương ngang của bản phẳng lướt được mô tả trên H 2.2. Do áp suất dưới bản phẳng lớn hơn áp suất trên mặt nước nên ở vùng mép hông nước sẽ chảy qua. Vì vậy, áp suất ở dưới bản phẳng tại các mép hông giảm xuống. Sự xuất hiện dòng chảy nói trên ở mép hông sẽ làm giảm hiệu quả lướt của bản phẳng lướt. 2.2 Lực nâng thuỷ động và sức cản Xác định giá trị lực nâng thuỷ động và lực cản của nước khi lướt có thể bằng nhiều phương pháp lý thuyết khác nhau. Thí dụ, lực nâng thuỷ động có thể được xác định bằng cách tích phân đường cong phân bố áp suất theo chiều dài của bản phẳng. Để làm được điều đó ta cần phải biết biểu thức giải tích của đường cong này. Một cách đơn giản, có thể giải bài toán này bằng cách xác định sự tổn thất năng lượng khi bản phẳng chuyển động. Ta nghiên cứu trường hợp chuyển động của bản phẳng theo mặt nước ở trạng thái tĩnh. Thừa nhận tính chất của dòng chảy qua tấm lướt như đã trình bày ở H 2.1. Ta thay áp suất pháp tổng của dòng tác dụng lên tấm bằng lực tương đương PTD đặt tại điểm C (xem H 2.3). Ta có thể dễ dàng xác định được lực cản của nước PX = PTD.sina. Bỏ qua lực cản ma sát ở chế độ chất lỏng lý tưởng, giá trị trên sẽ là lực cản toàn phần. Năng lượng trong một giây cần thiết cho tấm chuyển động với tốc độ v cho trước (công suất kéo) có thể được xác định theo biểu thức: A = PX.v = PTD.v.sina Bỏ qua trọng lực của chất lỏng- có nghĩa là bỏ qua sự tạo sóng, có thể cho rằng toàn bộ năng lượng cần thiết để tấm chuyển động sẽ bị tiêu hao do tạo thành các tia nước toé ra theo phương chuyển động của tấm. Tốc độ của dòng nước toé so với người quan sát được xác định bằng tổng các vec-tơ tốc độ của tấm lướt và tốc độ chuyển động của các tia nước đối với tấm, có nghĩa vP = 2.v.cosa/2. Khối lượng nước bắn về phía trước bằng giá trị p.d.v, trong đó: p- mật độ nước, kg/m3; d- chiều dày lớp nước toé, m. Động năng của các tia nước toé: (2.2) So sánh (2.1) và (2.2) ta nhận được: PTD.v.sina = 2.p.d.v3.cos2a/2 Từ đó Cuối cùng ta tìm được PTD= p.d.v2.ctga/2 (2.3) Từ đó lực nâng và lực cản sẽ được xác định theo các công thức sau: (2.4) Py= PTD. cosa = p.d.v2.ctga/2.cosa Px= PTD.sina = p.d.v2.ctga/2.sina Như vậy, trong điều kiện chất lỏng lý tưởng khi cho trước v và a, lực nâng và lực cản có thể được xác định một cách dễ dàng nếu biết trước chiều dày toé nước. Khi góc tấn nhỏ, chiều dày d có thể được tính theo công thức: (2.5) l - chiều dài mặt ướt của tấm lướt. Trong các điều kiện thực tức là nước có độ nhớt, trên tấm lướt ngoài áp suất pháp còn có lực ma sát tác dụng. Do tác dụng của các lực nhớt, lực cản chung của tấm sẽ tăng, và lực nâng giảm (xem H 2.4). Từ sơ đồ hình học của các lực tác dụng lên tấm lướt theo mặt chất lỏng thực, ta có thể viết các biểu thức sau: (2.6) Vì khi góc tấn nhỏ cosa ằ1 nên Px= Pf + Py.tga (2.7) Trong đó Px- lực cản toàn phần; Pf - lực cản ma sát; Py.tga - lực cản áp suất. Đối với tàu ở chế độ lướt đơn thuần, khi lực khối của tàu thực tế hoàn toàn cân bằng với lực áp suất (Py=Dg), biểu thức (2.7) có thể được viết dưới dạng R = RT+ D.g. tga (2.8) Hoặc: R= RT+ RD (2.9) Trong đó RD- lực cản động lực. Thành phần lực cản này được hình thành do các lực thuỷ động pháp và hệ quả của sự tổn thất năng lượng để tạo thành tia nước toé và tạo sóng. Tỷ số giữa RTvà RD khi cho trước v sẽ được xác định bằng góc tấn a (xem H 2.4). Phần chính của lực cản khi góc a bé là lực cản ma sát và khi a lớn thì ngược lại là lực cản áp suất. Vì rằng, khi a tăng, mặt ướt giảm và do đó lực ma sát giảm. Từ biểu thức RD= D.g. tga ta nhận thấy rằng RD chỉ phụ thuộc và0 khối lượng tàu và góc tấn mà không phụ thuộc vào tốc độ. Song cần lưu ý là góc tấn a đối với tàu cho trước phụ thuộc vào tốc độ và có thể nói rằng khi tốc độ tăng, lực cản RD sẽ giảm. Điều đó có nghĩa rằng, khi vượt qua “bưới” lực cản (xem H 1.7), thì tàu sẽ chuyển sang chế độ lướt thuần tuý. Tiếp tục, khi tốc độ tăng, góc tấn và lực cản động lựccó thể giữ nguyên không đổi. Khi lực cản động lực không đổi (a=const) nếu tốc độ tăng, lực cản tạo sóng giảm và có thể tiến tới không, còn lực cản toé nước sẽ tăng. 2.3 Các đặc trưng thuỷ động lực không thứ nguyên Khi phân tích kết quả thí nghiệm các bề mặt phẳng và bề mặt cong tại bể thử, trong các phương pháp phân tích, tính toán thuỷ động lực và thiết kế hình dáng thân tàu lướt, người ta áp dụng các đặc trưng không thứ nguyên sau: Hệ số chất lượng thuỷ động lực: (2.10) trong đó Py -lực nâng, N; D - khối lượng tấm (tàu), kg; g- gia tốc trọng trường, m/s2; Px=R - lực cản toàn phần, N; Hệ số tải động lực: (2.11) trong đó B - chiều rộng tấm lướt. Hệ số dang tương đối của tấm: (2.12) trong đó l - chiều dài ngâm nước của tấm, m; S - diện tích mặt ướt của tấm, m2. Người ta còn sử dụng giá trị ngược (2.13) Hệ số mô men của các lực thuỷ động (2.14) trong đó MD - mô men của lực nâng thuỷ động đối với mép sau của tấm, Nm; lD= 0,785l -khoảng cách từ điểm đặt hợp lực của các thành phần lực thuỷ động đến mép sau tấm đuôi, m. Hoành độ tương đối của trọng tâm tấm (tàu): (2.15) trong đó xG - khoảng cách trọng tâm khối lượng tấm so với mép sau tấm, m. Trong lần gần đúng thứ nhất có thể xem mD= mD. Tất cả các đặc trưng thuỷ động lực có sự liên quan chặt chẽ với nhau và được thay đổi phụ thuộc và0 số Frud, góc tấn và các đặc trưng hình học của mặt lướt. Hệ số chất lượng K là chỉ tiêu cơ bản đặc trưng cho hiệu quả lướt của tàu và khi thiết kế luôn luôn mong muốn nhận được giá trị lớn nhất. Tính chất cơ bản của hệ số K như là hàm của a, FrD và l1=B/l được mô tả ở H 2.5. Bằng phương pháp thí nghiệm người ta đã xác định được giá trị lớn nhất của hệ số K đối với tấm phẳng = 13,2 khi a = 2020’, l1>10 và FrDằ3. Trên H 2.6 đã chỉ ra các đường cong K và a phụ thuộc vào l. Đường cong K = f(l) -góc tấn tối ưu mà tại đó có thể nhận được giá trị K lớn nhất tại các giá trị l khác nhau. Từ đồ thị trên ta có nhận xét là K càng lớn khi l càng bé. Điều đó có nghĩa là mặt lướt ngắn và rộng thì có lợi chứ không phải mặt lướt hẹp và dài. Song điều đó chỉ đúng tại các giá trị nhất định của hệ số tải riêng CB, MD và số FrD. Thay đổi CB, MD có ảnh hưởng đến giá trị của K. Các đồ thị trình bày ở H 2.7 có thể được sử dụng để tính các đặc trưng động lực của tàu thiết kế (xem H 2.4). Tàu lướt đáy phẳng có tính đi biển kém. Để tăng độ êm khi tàu va đập và0 sóng ta cần phải chọn đáy vát. Nhưng khi tăng độ vát thì hệ số K sẽ giảm. Trên H 2.8 a, d trình bày vùng thay đổi K cảu tấm phẳng có độ vát với hệ số tải riêng CB=(0,07á0,15) tại các giá trị góc tấn khác nhau (a= 4á10)0 và đường cong góc tấn tối ưu phụ thuộc vào góc vát b. Đồ thị được xây dựng theo các số liệu thí nghiệm của Zottorf. Từ đồ thị trên ta có thể rút ra các kết luận: Góc tấn tối ưu đối với tấm vát lớn hơn so với tấm phẳng. Khi góc vát dưới 100, K sẽ bị giảm không lớn (Ê6%) nhưng phụ thuộc đáng kể và0 góc tấn. Tăng góc vát tiếp, K sẽ bị giảm rõ rệt, chọn góc tấn tối ưu không có ý nghĩa đáng kể (khi a=400, K=4) và K không thay đổi khi a=40 và K=10. Sự giảm chất lượng của tấm vát đặc biệt xuất hiện tại các giá trị CB nhỏ. Khi CB lớn sự giảm chất lượng sẽ không lớn. Khi CB= 0,03 trong vùng thay đổi góc vát từ 00á250, K sẽ bị giảm đến 40% (từ 10 đến 6,1), còn khi CB= 0,15 thì K sẽ không giảm hơn 15%. Cần phải hiểu thêm rằng, khi góc vát 400 trong các điều kiện thực, có nghĩa là trong các giới hạn của tốc độ thông thường thực tế tàu không đạt được chế độ lướt. Độ vát đáy tăng sẽ làm tăng khoảng thời gian chuyển sang chế độ lướt. Hình cắt ngang phức tạp, thí dụ cong võng-vát hoặc lồi-võng (H2.8, b) ngoài sự tăng tính đi biển còn có thể đảm bả0 chất lượng thuỷ động lực gần như chất lượng của tấm phẳng, đôi khi còn cao hơn. Tăng chất lượng thuỷ động lực của bề mặt lướt có thể đạt được bằng prôphin dọc. Nếu tấm đáy phẳng được uốn cong đều ở phần đuôi thì góc tiếp xúc của đáy với dòng chảy giảm xuống từ đó giảm khả năng toé nước và giảm lực cản động lực. Dưới tác dụng của lực ly tâm quán tính của dòng chuyển động cong lực nâng tăng tức là tăng chất lượng thuỷ động lực. Thực tế, bằng cách uốn cong đáy có thể tăng chất lượng thuỷ động lên 20% và lớn hơn. Hiệu quả trên có thể đạt được bằng cách ứng dụng tấm chắn quay. Song cần lưu ý là độ cong quá lớn của đáy hoặc góc tấn lớn của tấm chắn ngang có thể làm mất ổn định của chế độ lướt. 2.4 Tính các đặc trưng thuỷ động lực của tàu lướt Trong bài toán tính thuỷ động lực gồm xác định lực cản toàn phần, chiều chìm, góc tấn, chiều dài mặt ướt tại các tốc độ chuyển động khác nhau khi cho trước lượng chiếm nước, trọng tâm và chiều rộng của tàu. Dựa vào kết quả tính toán ta xây dựng các đường cong R, a, l, t = f(v). Tổng hợp các đường cong trên là hồ sơ thuỷ động lực của tàu thiết kế. Tính thuỷ động lực dựa trên cơ sở sử dụng các dạng đồ thị như ở H 2.7 và hàng loạt các biểu thức bổ sung khác, cũng như dựa vào các số liệu thu được khi thí nghiệm mô hình và tàu mẫu thực (nếu có). Ta hãy khảo sát trình tự tính toán các đặc trưng thuỷ động của tàu lướt không có kết cấu nhảy bậc ở đáy( không có kết cấu re-đan). Các số liệu cho trước gồm: Chiều rộng trung bình của ca-nô lướt: Độ vát trung bình của đáy: Khối lượng tàu D. Khoảng cách của trọng tâm đến vách mút đuôi xG. Giả thiết các giá trị của tốc độ v1, v2, v3. Quá trình tính toán sẽ được thực hiện theo bảng (2.16) Trước tiên cần tính số FrD theo chiều rộng B ứng với mỗi giá trị của tốc độ theo công thức. Sau đó theo sơ đồ lực tác dụng lên ca-nô (H 2.9) tính mô men các lực thuỷ động đối với điểm O: MDằ Py.lD. Theo sơ đồ của chúng ta MD= g.D.xG - T. lD. Nhưng ở đây lực đẩy của chong chóng T coi như chưa được biết. Trong lần gần đúng đầu tiên có thể cho trước hệ số chất lượng thuỷ động K và do đó T= g.D/K hoặc hoàn toàn có thể bỏ qua mô men lực đẩy của chong chóng và lúc đó MDằ g.D.xG (2.17) Lúc này hệ số mô men các lực thuỷ động lực được tính theo biểu thức mD= xG/B Sử dụng giá trị mD theo đồ thị H 2.7, a đối với tất cả các số FrD ta sẽ tìm được l và từ l theo đồ thị H 2.7, b tính thông số CD/a. Sau khi tính hệ số tải trọng theo công thức Các giá trị l, a vừa tính được chưa kể đến độ vát nên phải tính điều chỉnh. Ta có thể áp dụng công thức của I. P. Liu-bô-mi-rôv. (2.18) (2.19) trong đó lb và ab - độ dang tương đối và góc tấn đối với đáy vát. Sau đó xác định RD=g.D.tgab, chiều dài ngâm nước l =lb.B và diện tích mặt ướt S = lb.B2. Tính lực cản ma sát khi biết diện tích mặt ướt thực hiện theo phương pháp thông thường. Lực cản toàn phần được tính R = Rl + RD và sau cùng có thể tính chiều chìm tại vách mút đuôi theo công thức (2.20) Tính toán thuỷ động lực của ca-nô lướt có nhảy bậc ở đáy là bài toán khá phức tạp. Các tài liệu về vấn đề này có thể tìm được trong sách của A.I.Ma-tư-nôv “Tàu lướt”, M.Re-ti-zđat 1940. Các vấn đề chung của thuỷ động lực và các phương pháp thực tiễn tính tàu lướt nhiều thân và hai thân có thể đọc được trong các sách khác. 2.5 Tính đi biển của tàu lướt Tính đi biển của tàu lướt theo nghĩa rộng của từ này là tập hợp các tính hành hải đảm bảo sự an toàn và thuận lợi trong sử dụng tàu ở các điều kiện khai thác cụ thể (tính nổi, tính ổn định, tính ăn lái, tính di động, tính không bị hắt nước lên boong khi gặp sóng...). Nói hẹp hơn, tính đi biển của tàu là trạng thái của tàu khi chuyển động trên nước có sóng. Tàu được xem là có tính đi biển nếu nó có tính lắc êm, không bị chúi vào nước khi gặp sóng, đi êm trên sóng, ổn định trên tuyến và ổn định trên sóng theo. Tàu lướt là loại tàu có chế độ chuyển động nghiêm ngặt mà tại đó cần phải giữ tỷ số của các kích thước cơ bản không đổi khi lướt. Tàu lướt là loại tàu có tính đi biển kém và vấn đề cơ bản của sự phát triển công nghiệp đóng tàu hiện naylà chế tạo được tàu lướt có tính đi biển tốt mà vẫn giữ được chất lượng thuỷ động cao. Tiêu chuẩn cơ bản của tính đi biển đối với tàu lướt là ổn định khi chuyển động trên sóng và giá trị của các tải trọng đứng do va đập thân tàu