Đánh giá ảnh hưởng của góc vát đáy đến chất lượng thủy động của tàu lướt

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> <br /> ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC VÁT ĐÁY<br />  <br /> ĐẾN CHẤT LƯỢNG THỦY ĐỘNG CỦA TÀU LƯỚT<br /> ASSESSMENT THE IMPACT OF THE HEEL ANGLE<br /> ON THE QUALITY OF HIGH-SPEED BOAT<br /> Đỗ Quân Tùng, Lưu Quang Hưng, Dương Thị Hà<br /> Email: drtunghd@gmail.com<br /> Trường Đại học Sao Đỏ<br /> Ngày nhận bài: 25/12/2017<br /> Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 23/3/2018<br /> Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2018<br /> Tóm tắt<br /> Chất lượng thủy động ảnh hưởng lớn đến các yếu tố tính năng của tàu lướt, trong đó có yếu tố tốc độ<br /> của tàu; Do đó, việc nâng cao chất lượng thủy động của tàu lướt có ý nghĩa vô cùng quan trọng, nhằm<br /> nâng cao tính năng và tốc độ tàu, đáp ứng yêu cầu tuần tra ven biển và đảm bảo an toàn hàng hải.<br /> Trong bài báo này, tác giả sử dụng phần mềm Maxsulf để xác định phương án tính toán lực cản phù<br /> hợp và khai thác hiệu quả công suất máy tính đến ảnh hưởng của góc vát đáy của tàu theo phương<br /> pháp Savitsky nhằm cải thiện chất lượng thủy động của tàu. Qua đó ứng dụng tính nghiệm cho tàu lướt<br /> tuần tra ven biển PR13.<br /> Từ khóa: Tàu lướt; Maxsulf; động lực học tàu thủy; PR13; phương pháp Savitsky.<br /> Abstract<br /> <br /> Hydrodynamic quality greatly affects the speed of the high-speed craft; therefore, improving the quality of<br /> its hydrodynamic plays an important role to improve the speed boat to meet the requirements of coastal<br /> patrol. In this paper, the authors use the Maxsulf software to calculate engine output of vessels based<br /> on Savitsky method that give the suitable parameters of resistance force and operate into effective<br /> output to improve the quality of hydrodynamics for high-speed craft. The result is used for calculating<br /> the coastal patrol PR13.<br /> Keywords: Patrol; Maxsulf; hydrodynamics; PR13; Savitsky method.<br /> <br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU CHUNG tối ưu. Tuy nhiên, việc thiết kế tàu mẫu, thử mô<br /> Trong chiến lược phát triển kinh tế biển hiện nay, hình trong bể thử cũng là vấn đề không đơn giản<br /> song song với việc đầu tư xây dựng các đội tàu do điều kiện khó khăn về bể thử. Vì vậy, việc ứng<br /> hùng mạnh đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng dụng phần mềm chuyên dụng vào tính toán, thiết<br /> hóa, chúng ta đã và đang chú trọng phát triển đội kế những mẫu tàu này đã phần nào khắc phục<br /> tàu tuần tra cỡ nhỏ và vừa để tuần tra kiểm soát được những khó khăn trên.<br /> quá trình vận chuyển hàng hóa, đồng thời góp<br /> phần đảm bảo an toàn hàng hải. Trong bài báo, tác giả đã sử dụng phần mềm<br /> Maxsurf vào tính toán lực cản của một con tàu<br /> Thiết kế tàu lướt thường rất phức tạp vì ta phải<br /> cụ thể là tàu PR13, một dạng tàu lướt, được thi<br /> phân tích, tính toán nhiều yếu tố phức tạp về tính<br /> công đóng mới tại Công ty Đóng tàu 189 với mục<br /> năng hàng hải của tàu như tính ổn định, tốc độ tàu,<br /> đích sử dụng cho công tác tuần tra ven biển, đảm<br /> tính quay trở, lắc [1]… Tàu lướt thuộc nhóm tàu<br /> bảo an ninh, dùng cho cảnh sát biển Singapore.<br /> làm việc theo nguyên lý thủy động lực học, do đó<br /> về mặt phương pháp, các công trình nghiên cứu ở Tác giả đã thay đổi các góc nghiêng hông β, khi<br /> lĩnh vực này chủ yếu dựa trên cơ sở của lý thuyết thay đổi góc nghiêng hông β ta sẽ nhận thấy các<br /> chung về thiết kế tàu, kết hợp với lý thuyết thủy giá trị lực cản cũng thay đổi. Qua đó lựa chọn góc<br /> động lực học và kết quả thử mô hình tàu trong nghiêng hông phù hợp nhất, là cơ sở cho việc thiết kế<br /> bể thử để tính toán, thiết kế được những mẫu tàu tàu lướt cỡ nhỏ phục vụ công tác tuần tra ven biển.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 25<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> 2. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC VÁT ĐÁY RRe e==v.lv.l/ υ/ υ<br /> •<br /> (8)<br /> ĐẾN CHẤT LƯỢNG THỦY ĐỘNG CỦA TÀU LƯỚT<br /> Lực cản toàn phần được xác định theo biểu thức Hệ số ma sát theo công thức:<br /> sau [2]: (9)<br /> R = RT + RΔ (1) Vậy lực ma sát được tính theo công thức như sau:<br /> trong đó: RT: lực cản ma sát; RΔ: lực cản động lực<br /> (10)<br /> Để tính toán lực cản tàu lướt cỡ nhỏ ta giả thiết<br /> như sau:<br /> Các số liệu cho trước gồm:<br /> - Chiều rộng trung bình của tàu lướt:<br /> <br /> (2)<br /> - Độ vát trung bình của đáy:<br /> <br /> (3) Hình 1. Sơ đồ lực tác dụng lên tàu khi lướt<br /> <br /> trong đó: Lực cản toàn phần được tính theo công thức:<br /> <br /> : chiều rộng tàu đo trên mặt phẳng cơ bản; R = RT + RΔ (11)<br /> <br /> : chiều rộng tàu đo theo hình lăng trụ. Vậy:<br /> <br /> Khoảng cách của trọng tâm đến vách mút đuôi xG. (12)<br /> <br /> Giả thiết các giá trị của tốc độ v1, v2, v3. Ta thấy rằng góc nghiêng hông β có ảnh hưởng<br /> quyết định đến lực cản toàn phần R, hay nói cách<br /> Trước tiên cần tính số Froude theo chiều rộng FrB<br /> khác là có ảnh hưởng quyết định đến việc cải<br /> ứng với mỗi giá trị của tốc độ theo công thức:<br /> thiện chất lượng thủy động của tàu lướt.<br /> (4) 3. TÍNH TOÁN LỰC CẢN TÀU LƯỚT THEO<br /> PHƯƠNG ÁN THAY ĐỔI GÓC NGHIÊNG HÔNG β<br /> Sau khi tính hệ số tải trọng theo công thức: 3.1. Phần mềm Maxsurf<br /> g .∆ CD<br /> CD = và α = (5) Maxsurf là một trong những phần mềm chuyên<br /> 1 2 2 CD<br /> ρv B α dụng dùng trong thiết kế tàu cao tốc tại các nhà<br /> 2<br /> máy đóng tàu trong và ngoài nước. Để áp dụng<br /> Các giá trị ; vừa tính được chưa kể đến độ vát được phần mềm Maxsurf vào tính toán lực cản<br /> đáy nên phải tính điều chỉnh. Áp dụng công thức tàu lướt theo các góc nghiêng hông β, tác giả sử<br /> của I.P. Liubômirôv: dụng hai module chính đó là module Maxsurf Pro<br /> và module Hullspeed.<br /> <br /> Sử dụng module Maxsurf Pro với thao tác chính<br /> đó là dựa vào bản vẽ tuyến hình, bố trí chung đi<br /> (6)<br /> xây dựng bề mặt vỏ bao thân tàu nhờ tọa độ các<br /> điểm kiểm soát (control point và Marker) được lấy<br /> từ bản vẽ tuyến hình tàu.<br /> (7)<br /> trong đó: Sử dụng module Hullspeed với thao tác chính<br /> và : độ dang tương đối và góc tấn đối với đáy vát. đó là dựa vào vỏ bao thân tàu được dùng trong<br /> module Maxsurf Pro, rồi gán lượng chiếm nước,<br /> Sau đó xác định RΔ = g·Δ·tg , chiều dài ngâm<br /> chiều chìm, các giá trị vận tốc của tàu và xuất ra<br /> nước l = B và diện tích mặt ướt S = B2.<br /> các giá trị về lực cản, công suất đẩy của tàu theo<br /> Tính hệ số Reynol theo công thức: phương pháp Savitsky planing.<br /> <br /> <br /> 26 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> 3.2. Các phương án thay đổi góc nghiêng hông Savitsky planing Power<br /> TT Speed<br /> (hp)<br /> Bảng 1. Bảng các phương án thay đổi các giá trị<br /> góc nghiêng hông 22 38,12 914,35<br /> 23 38,75 932,86<br /> Các giá trị góc nghiêng hông<br /> Phương án 24 39,37 953,32<br /> (độ)<br /> 25 40 977,01<br /> 1 17<br /> 26 40,62 995,56<br /> 2 15<br /> 27 41,25 1014,34<br /> 3 20<br /> 28 41,87 1038,32<br /> 4 25<br /> 29 42,5 1059,42<br /> So sánh kết quả tính bởi phần mềm Maxsurf<br /> 30 43,12 1082,93<br /> và kết quả cung cấp bởi nhà thiết kế tàu PR13<br /> 31 43,75 1104,59<br /> như sau:<br /> 32 44,37 1128,48<br /> 33 45 1154,03<br /> 34 45,62 1166,32<br /> 35 46,25 1184,94<br /> 36 46,87 1203,72<br /> 37 47,5 1221,14<br /> 38 48,12 1239,92<br /> 39 48,75 1258,51<br /> 40 49,37 1277,76<br /> 41 50 1299,67<br /> Phương án 2: Kết quả tính toán với góc nghiêng<br /> Hình 2. Đồ thị so sánh công suất khi tính hông 15o như sau:<br /> bằng phần mềm Maxsurf và kết quả tính toán Bảng 3. Lực cản và công suất kéo của tàu ứng với<br /> được cung cấp bởi nhà thiết kế các gí trị khác nhau của vận tốc tại góc nghiêng<br /> Phương án 1: Kết quả tính toán với góc nghiêng hông 15o.<br /> hông 17o như sau:<br /> TT Speed Savitsky planing Power (hp)<br /> Bảng 2. Lực cản và công suất của tàu ứng với<br /> các giá trị khác nhau của vận tốc tại góc nghiêng 1 25 --<br /> hông 170o 2 25,62 587,37<br /> 3 26,25 597,16<br /> Savitsky planing Power<br /> TT Speed 4 26,87 603,24<br /> (hp)<br /> 5 27,5 652,31<br /> 1 25 --<br /> 2 25,62 613,31 6 28,12 663,48<br /> 3 26,25 624,12 7 28,75 673,47<br /> 4 26,87 637,58 8 29,37 698,13<br /> 5 27,5 649,51 9 30 707,15<br /> 6 28,12 667,42 10 30,62 732,27<br /> 7 28,75 680,86 11 31,25 748,99<br /> 8 29,37 692,61 12 31,87 690,36<br /> 9 30 706,01 13 32,5 710,39<br /> 10 30,62 720,23<br /> 14 33,12 731,10<br /> 11 31,25 735,08<br /> 15 33,75 752,53<br /> 12 31,87 747,24<br /> 16 34,37 774,68<br /> 13 32,5 761,23<br /> 14 33,12 776,19 17 35 818,07<br /> 15 33,75 792,67 18 35,62 821,27<br /> 16 34,37 809,72 19 36,25 845,74<br /> 17 35 822,02 20 36,87 871,02<br /> 18 35,62 835,27 21 37,5 897,12<br /> 19 36,25 851,74 22 38,12 902,18<br /> 20 36,87 868,42 23 38,75 921,86<br /> 21 37,5 891,54 24 39,37 945,38<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 27<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> <br /> TT Speed Savitsky planing Power (hp) Savitsky planing<br /> TT Speed<br /> Power (hp)<br /> 25 40 961,98<br /> 29 42,5 1072,37<br /> 26 40,62 983,69<br /> 27 41,25 1021,98 30 43,12 1094,55<br /> 28 41,87 1022,31 31 43,75 1116,42<br /> 29 42,5 1047,59 32 44,37 1138,68<br /> 30 43,12 1071,82 33 45 1179,96<br /> 31 43,75 1084,04 34 45,62 1191,46<br /> 32 44,37 1108,24 35 46,25 1213,78<br /> 33 45 1140,62 36 46,87 1224,28<br /> 34 45,62 1148,67 37 47,5 1238,81<br /> 35 46,25 1157,92 8 48,12 1258,89<br /> 36 46,87 1168,22 39 48,75 1279,93<br /> 37 47,5 1159,57 40 49,37 1302,48<br /> 38 48,12 1163,99 41 50 1324,62<br /> 39 48,75 1187,49<br /> Phương án 4: Kết quả tính toán với góc nghiêng<br /> 40 49,37 1230,09<br /> hông 25o như sau:<br /> 41 50 1257,63<br /> Phương án 3: Kết quả tính toán với góc nghiêng Bảng 5. Lực cản và công suất kéo của tàu ứng với<br /> hông 20o như sau: các gí trị khác nhau của vận tốc tại góc nghiêng<br /> hông 25o.<br /> Bảng 4. Lực cản và công suất kéo của tàu ứng với<br /> các gí trị khác nhau của vận tốc tại góc nghiêng Savitsky planing<br /> TT Speed<br /> hông 20o. Power (hp)<br /> 1 25 --<br /> Savitsky planing 2 25,62 651,35<br /> TT Speed<br /> Power (hp) 3 26,25 662,42<br /> 1 25 -- 4 26,87 673,63<br /> 5 27,5 685,47<br /> 2 25,62 614,56<br /> 6 28,12 697,13<br /> 3 26,25 627,96<br /> 7 28,75 712,92<br /> 4 26,87 641,42<br /> 8 29,37 725,56<br /> 5 27,5 653,72 9 30 739,76<br /> 6 28,12 667,25 10 30,62 753,44<br /> 7 28,75 684,45 11 31,25 764,83<br /> 8 29,37 697,97 12 31,87 780,28<br /> 9 30 712,03 13 32,5 793,18<br /> 10 30,62 724,94 14 33,12 810,31<br /> 11 31,25 738,16 15 33,75 825,36<br /> 12 31,87 749,68 16 34,37 841,93<br /> 13 32,5 763,78 17 35 858,04<br /> 14 33,12 778,94 18 36,25 865,71<br /> 15 33,75 794,46 35,62 77,19 884,75<br /> 16 34,37 812,83 19 36,25 891,94<br /> 17 35 829,97 20 36,87 910,74<br /> 18 35,62 846,39 21 37,5 928,34<br /> 22 38,12 948,96<br /> 19 36,25 865,71<br /> 23 38,75 968,38<br /> 20 36,87 884,75<br /> 24 39,37 989,36<br /> 21 37,5 904,78 25 40 1010,92<br /> 22 38,12 926,32 26 40,62 1036,32<br /> 23 38,75 946,82 27 41,25 1059,03<br /> 24 39,37 967,83 28 41,87 1082,84<br /> 25 40 987,02 29 42,5 1112,06<br /> 26 40,62 1008,46 30 43,12 1136,16<br /> 27 41,25 1029,63 31 43,75 1165,83<br /> 28 41,87 1051,89 32 44,37 1193,27<br /> <br /> <br /> <br /> 28 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> <br /> Savitsky planing khi β = 15o thì P = 1140,62 (hp), khi khi β = 17o thì<br /> TT Speed P = 1154,03 (hp), khi β = 20o thì P = 1179,62 (hp),<br /> Power (hp)<br /> 33 45 1221,76 khi β = 25o thì P = 1221,76 (hp). Do đó, chất lượng<br /> 34 45,62 1248,53 thủy động của tàu có sự thay đổi và càng giảm khi<br /> 35 46,25 1275,34 góc β càng tăng.<br /> 36 46,87 1301,44<br /> Vậy đối với tàu PR13 kết luận rằng góc nghiêng<br /> 37 47,5 1328,38<br /> hông β từ 15o đến 17o là hợp lý nhất vì chất lượng<br /> 38 48,12 1351,94<br /> thủy động được cải thiện tốt nhất. Tuy nhiên, khi<br /> 39 48,75 1376,51<br /> giảm hoặc tăng góc β thì đều ảnh hưởng đến tính<br /> 40 49,37 1402,47<br /> 41 50 1426,52 năng hàng hải của tàu [1]. Như vậy, khi thiết kế tàu<br /> lướt tùy theo điều kiện hoạt động và tính năng của<br /> Từ các kết quả tính lực cản, công suất kéo của tàu tàu ta cần chọn góc nghiêng hông β hợp lý để tàu<br /> tại các giá trị khác nhau của góc nghiêng hông β vừa có chất lượng thủy động tốt, vừa có tính năng<br /> ứng với các giá trị khác nhau của vận tốc và đồ thị hàng hải tốt hơn<br /> công suất kéo của tàu PR13 theo kết quả tính toán<br /> thiết kế ta xây dựng được đồ thị so sánh công 4. KẾT LUẬN<br /> suất kéo của tàu PR13 tại các giá trị khác nhau - Bài báo đã phân tích và đánh giá ảnh hưởng của<br /> của góc nghiêng hông β tương ứng với các giá trị góc nghiêng hông đến chất lượng thủy động của<br /> vận tốc (hình 3). tàu lướt.<br /> - Bằng bốn phương án thay đổi các giá trị góc<br /> nghiêng hông, bài báo đã phân tích ảnh hưởng<br /> của góc nghiêng β đến chất lượng thủy động của<br /> tàu PR13.<br /> - Đối với tàu PR13 với góc nghiêng hông β từ 15o<br /> đến 17o thì chất lượng thủy động của tàu được cải<br /> thiện tốt nhất.<br /> - Sử dụng phần mềm Maxsulf làm cơ sở trong<br /> thiết kế hình dáng tàu lướt cỡ nhỏ phục vụ công<br /> tác tuần tra ven biển.<br /> - Lựa chọn đường hình dáng của tàu PR13 và<br /> áp dụng phần mềm Maxsurf vào tính toán công<br /> Hình 3. Đồ thị so sánh công suất kéo của tàu<br /> PR13 tại các giá trị khác nhau của góc nghiêng suất của tàu tại các giá trị góc nghiêng hông β<br /> hông β tương ứng với các giá trị vận tốc khác nhau, từ đó đánh giá mức độ cải thiện chất<br /> lượng thủy động của tàu PR13 khi ở các giá trị β<br /> Từ đồ thị hình 3 và các kết quả tính toán trên có khác nhau.<br /> nhận xét như sau: Đồ thị chia ra làm hai miền để<br /> đánh giá so sánh:<br /> - Khi tốc độ tàu dưới 36 knots: Sự thay đổi góc TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> nghiêng hông β có ảnh hưởng không nhiều đến [1]. Trần Công Nghị (2005). Thiết kế tàu cỡ nhỏ chạy<br /> công suất kéo của tàu tức là chất lượng thủy động<br /> nhanh. NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh.<br /> của tàu có được cải thiện nhưng không đáng kể. Ở<br /> miền này công suất kéo của tàu cũng xấp xỉ bằng [2]. Trương Sỹ Cáp (2005). Thiết kế tàu cao tốc. Phần<br /> nhau tại các giá trị khác nhau của góc nghiêng I - Tàu lướt.<br /> hông β, cụ thể là: Tại tốc độ 34 knots, khi β = 15o thì<br /> P = 794 (hp), khi khi β = 17o thì P = 794,5 (hp), [3]. Nguyễn Tiến Lai (2006). Động lực học tàu thủy.<br /> khi β = 20o thì P = 801 (hp), khi β = 25o thì Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.<br /> P = 832,42 (hp). Điều đó khẳng định khi β = 15o thì<br /> [4]. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phân cấp và đóng<br /> chất lượng thủy động là tốt hơn.<br /> tàu thủy cao tốc (2013). NXB Bộ Giao thông Vận<br /> - Khi tốc độ tàu trên 36 knots: Sự thay đổi góc tải, Hà Nội.<br /> nghiêng hông β có ảnh hưởng rõ nét hơn, khi tốc<br /> độ càng cao nếu thay đổi góc β thì công suất kéo [5]. B.R Clayton and R.E.D Bishop (1981). Mechanics<br /> có thay đổi rõ rệt, cụ thể là: Tại tốc độ 45 knots, of marine vehiles. University College London.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 29<br />