Đồ án Lập chương trình tính toán thủy động học bánh lái

CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI. - Thiết bị lái tàu thủy là bộ phận quan trọng trong hệ thống thiết bị tàu thủy, đảm bảo tính năng hàng hải cho một con tàu. - Trong thực tế, việc giải quyết bài toán thiết kế thiết bị lái tàu thủy qua đó tính bền cho thiết bị lái là nhu cầu cấp thiết mà ngành tàu thuyền nói chung và bộ môn tàu thuyền nói riêng đặt ra. - Tính toán thủy động học bánh lái là một bộ phận cấu thành trong quá trình tính toán thiết bị lái, sử dụng các công thức gần đúng từ thực nghiệm. - Việc tính toán thủy động học bánh lái sử dụng các công thức gần đúng với thời gian dài cộng với việc tra đồ thị phức tạp nên ảnh hưởng không nhỏ đến độ chính xác của bài toán. - Vì những lý do trên nên đề tài này sẽ thực hiện công việc “Lập chương trình tính toán thủy động học bánh lái”, giải quyết vấn đề thời gian cũng như độ chính xác khi tính toán thủy động học bánh lái, phục vụ cho việc thiết kế thiết bị lái tàu thủy. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI. - Đề tài “Lập chương trình tính toán thủy động học bánh lái” sử dụng phần mềm Visual Basic 6.0, sau khi đi số hoá đồ thị các hệ số đặc tính thuỷ động đưa kết quả về dạng bảng phục vụ cho việc tính lực và mômen thuỷ động tác dụng lên bánh lái trên cơ sở lý thuyết đã được hướng dẫn và nghiên cứu. - Đề tài không đi sâu vào đánh giá độ chính xác của các công thức tính toán mà chỉ tập trung vào giải quyết bài toán rút ngắn thời gian tính toán thủy động học bánh lái với độ chính xác cao phục vụ nhu cầu thiết kế thiết bị lái tàu thủy. - Bố cục của đề tài bao gồm: Chương 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 3. LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY ĐỘNG HỌC BÁNH LÁI SỬ DỤNG PHẦN MỀM VISUAL BASIC (VB) 6.0 Chương 4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI. Một số khái niệm cơ bản và thuật ngữ chính. Tính ăn lái của tàu và nhiệm vụ của thiết bị lái. - Tính ăn lái của tàu thuỷ là khả năng giữ nguyên hoặc thay đổi hướng đi của tàu theo ý người lái. Tính ăn lái bao gồm hai lĩnh vực chính liên hệ mật thiết với nhau là tính ổn định hướng và tính quay trở. + Tính ổn định hướng là khả năng giữ hướng đi của tàu mà không có sự tham gia giữ hướng của người lái hoặc chỉ với góc nghiêng bánh lái rất nhỏ. + Tính quay trở là khả năng thay đổi hướng đi về một phía bất kỳ của tàu. Qua đó ta thấy, tính ổn định hướng và tính quay trở là hai khái niệm tương phản nhau, một con tàu có tính ổn định hướng tốt thì sẽ có tính quay trở kém và ngược lại. Tính ăn lái của tàu phụ thuộc rất nhiều vào kích thước (L, B) và hình dáng thân tàu, nhất là phần đuôi. Không những thế, tính ăn lái còn phụ thuộc rất nhiều vào những bộ phận ổn định cố định như ky hông, ky đuôi…vào độ lớn và số lượng chân vịt cũng như vị trí đặt chúng trên tàu. - Thiết bị lái có nhiệm vụ đảm bảo tính ăn lái của tàu, bằng cách tạo ra mô men quay làm quay tàu quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm tàu. Quá trình quay vòng của tàu. - Định nghĩa: Quá trình quay vòng của tàu là quỹ đạo chuyển động của trọng tâm tàu khi quay bánh lái đi một góc ( và giữ nguyên bánh lái ở vị trí đó. - Các giai đoạn của quá trình quay vòng tàu: gồm 3 giai đoạn: + Giai đoạn 1: Là giai đoạn quay lái. Bánh lái từ vị trí nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu được quay đi một góc ( (gọi là góc quay lái). Áp lực thuỷ động P tác động lên bánh lái tăng dần thành phần P2 của P ngược với chiều quay lái và làm tàu dạt sang ngang. Thành phần P1 của P hướng ngược chiều tiến của tàu sẽ làm giảm vận tốc của tàu. Mômen Mt = P* l bắt đầu làm quay mũi tàu theo chiều quay lái. Lực đẩy chân vịt Pcv bị đổi hướng, đẩy tàu đi lệch khỏi hướng đi lúc quay lái. + Giai đoạn 2: Là giai đoạn chuyển động quá độ. Bánh lái được giữ cố định ở góc (. Tàu quay dần quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm tàu. Góc giữa mặt phẳng đối xứng của tàu và hướng vận tốc chuyển động của trọng tâm tàu gọi là góc lệch hướng (. Góc ( tăng đến (max còn đường kính quay vòng quá độ D giảm đến giá trị Dmin. + Giai đoạn 3: Là giai đoạn chuyển động xác lập, bắt đầu từ lúc góc lệch hướng ( và đường kính quay vòng D đạt được giá trị cố định kéo dài đến khi bánh lái còn giữ được ở góc quay lái (. Trọng tâm tàu chuyển động trên một đường tròn gọi là đường kính quay vòng xác lập với đường kính Dmin = D0. Giá trị đường kính đó có thể được thống kê như sau: Với tàu cá thì D = ( 4( 6)* L Với tàu vận tải và các tàu khác thì D = ( 6( 8)* L Quá trình quay vòng tàu được thể hiện bằng hình vẽ dưới đây: Các loại thiết bị lái và các bộ phận chính của thiết bị lái. Các loại thiết bị lái. - Thiết bị lái dùng bánh lái là loại thiết bị lái đơn giản và phổ biến nhất. Bánh lái có dạng tấm phẳng hoặc tấm có prôfin lưu tuyến. Khi tàu chạy thẳng bánh lái nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu hoặc song song với mặt phẳng đó. - Thiết bị lái dùng bánh lái chủ động để tăng tính quay trở của tàu, nhất là khi tàu chạy ở tốc độ thấp. Với loại bánh lái này người ta lắp thêm vào nó một chân vịt phụ. - Thiết bị lái dùng đạo lưu quay: Đạo lưu quay là một ống có profin lưu tuyến đặt bao quanh chân vịt. Ngoài tác dụng lái tàu, đạo lưu còn là một bộ phận của thiết bị đẩy, có tác dụng cải thiện chất lượng đẩy của chân vịt - Ngoài các thiết bị lái kể trên còn có thiết bị lái kiểu phụt nước. Trong giới hạn của đề tài, tôi không đi sâu nghiên cứu đến đặc điểm, phân loại, ưu nhược điểm của bộ phận thiết bị lái này mà chỉ đi sâu nghiên cứu về thiết bị lái dùng bánh lái. Các bộ phận chính của thiết bị lái. - Bánh lái (hoặc đạo lưu quay): trực tiếp chịu áp lực thuỷ động để lái tàu. - Trụ lái: là phần của sống đuôi tàu, có các bản lề để lắp bánh lái. - Trục lái: truyền mômen lái từ máy lái tới làm quay bánh lái hoặc đạo lưu. - Bộ phận tạo lực lái gồm nguồn động lực, hệ truyền động, hệ điều khiển. - Các thiết bị an toàn tín hiệu: thiết bị chỉ góc quay lái, thiết bị giới hạn góc quay lái, thiết bị hãm… Phân loại bánh lái và yêu cầu bố trí bánh lái trên tàu thuỷ. Phân loại bánh lái. - Theo cách liên kết giữa bánh lái và vỏ tàu: + Bánh lái đơn giản (kiểu 1, 3): là bánh lái có ít nhất một gối đỡ ở phía trên và một gối đỡ ở phía dưới bánh lái. Ngoài ra có thể thêm các gối đỡ trung gian. + Bánh lái nửa treo (kiểu 2): là bánh lái có nửa phần dưới làm việc như một đoạn công xôn. + Bánh lái treo (kiểu 4): là bánh lái liên kết với vỏ tàu qua các gối của trục lái. - Theo vị trí bánh lái so với đường tâm quay: + Bánh lái cân bằng: là bánh lái có đường tâm quay chia bánh lái thành hai phần. Mômen do áp lực thủy động tác dụng lên phần sau sẽ được cân bằng bởi áp lực tác dụng lên phần trước. + Bánh lái không cân bằng: là bánh lái có đường tâm quay nằm sát cạnh trước của bánh lái. Mômen do áp lực thuỷ động tác dụng lên bánh lái sẽ truyền hoàn toàn lên trục lái. + Bánh lái bán cân bằng: là bánh lái có phần dưới nhô ra phía trước trục lái gây ra đối trọng. - Theo số chốt liên kết: gồm bánh lái một chốt và bánh lái nhiều chốt. Các bánh lái đơn giản và bánh lái nửa treo có thể liên kết với sống đuôi tàu bằng một hay nhiều chốt bản lề. Có thể tóm tắt việc phân loại bánh lái qua sơ đồ dưới đây: Bố trí bánh lái và yêu cầu đối với vị trí bánh lái. Các kiểu bố trí bánh lái trên tàu: Tàu một chân vịt có các kiểu bố trí sau: + Kiểu 1: Bánh lái đặt sau chân vịt trong mặt phẳng đối xứng của tàu (được sử dụng phổ biến). + Kiểu 2: Bánh lái đặt sau đạo lưu cố định trong mặt phẳng đối xứng của tàu. Tàu hai chân vịt có các kiểu bố trí sau: + Kiểu 1: Mỗi bánh lái đặt trong mặt phẳng đối xứng (không phổ biến). + Kiểu 2: Mỗi chân vịt một bánh lái (kiểu này được dùng cả ở tàu biển và tàu nội thuỷ). + Kiểu 3: Hai bánh lái tiến đặt sau hai bánh lái lùi đặt trước từng chân vịt (ít dùng). + Kiểu 4: Mỗi chân vịt có một đạo lưu cố định và một bánh lái đặt sau đạo lưu. + Kiểu 5: Mỗi chân vịt có một đạo lưu cố định và chung một bánh lái đặt trong mặt phẳng đối xứng. Các yêu cầu đối với vị trí bánh lái trên tàu. + Bánh lái phải nằm trong dòng đẩy của chân vịt. Khoảng cách a giữa mép trước của bánh lái và mép cánh chân vịt không nhỏ hơn 0.3 m (a( 0.3 m) khi chiều dài tàu bằng 120 m (đo cách trục chân vịt một khoảng 0.7* Rcv – Rcv là bán kính chân vịt. Nếu chiều dài tàu lớn hơn 120 m thì khoảng cách a tương ứng tăng hoặc giảm 0.025 m ứng với một đoạn 15 m thay đổi chiều dài. Trị số a càng nhỏ thì dao động của vùng đuôi tàu càng tăng. + Khi tàu toàn tải, bánh lái phải ngập hoàn toàn trong nước. Khoảng cách lớp nước phía trên bánh lái b không nhỏ hơn 0.25* hbl (tàu sông- biển) và 0.125* hbl (tàu chạy trong hồ), với hbl là chiều cao bánh lái. Tàu sông cấp “C” và “D” mặt trên bánh lái có thể cao hơn đường nước chở hàng khoảng (0.05 ( 0.1)* hbl nhưng không quá 350 mm. + Mặt dưới bánh lái cân bằng và nửa cân bằng không được thấp hơn mép dưới cánh chân vịt (c>0). + Ở tàu có tốc độ trung bình, trục quay của bánh lái phải vuông góc với mặt phẳng cơ bản của tàu và nằm trong mặt chứa đường tâm quay của chân vịt. + Ở tàu cao tốc hai chân vịt, bánh lái nên đặt dịch sang phía mạn nếu chân vịt có hướng quay ra ngoài và đặt dịch vào giữa nếu chân vịt có hướng quay vào trong. Khi đó bánh lái sẽ không rơi vào vùng xoáy. + Khi quay hết lái sang một bên mạn, mép sau bánh lái không được vượt ra ngoài giới hạn chiều rộng tàu. + Nếu bánh lái treo cân bằng được hàn với trục lái thì chiều cao bánh lái phải chọn sao cho có thể tháo được bánh lái khi sửa chữa. LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THUỶ ĐỘNG HỌC BÁNH LÁI. Lý thuyết tính toán thuỷ động học bánh lái. Đặt vấn đề. - Việc tính toán thuỷ động học bánh lái là cơ sở quan trọng cho việc tính toán, thiết kế thiết bị lái tàu thuỷ. - Thiết bị lái là thiết bị chịu lực nặng và có tầm quan trọng bậc nhất trong việc đảm bảo an toàn cho tàu. Viêc tính toán thiết bị lái phải theo Quy phạm. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp ta nên tiến hành tính toán kiểm tra theo những sơ đồ tính toán chính xác hơn để kiểm tra lại những số liệu tính toán theo Quy phạm, vì những lý do sau đây: + Quy phạm thường sử dụng các công thức đơn giản, các sơ đồ tính thiên về an toàn, thậm chí không kể đến cả cơ tính vật liệu một cách cụ thể. + Quy phạm chỉ áp dụng cho các thiết bị lái có bánh lái lưu tuyến thông thường ở các loại tàu thông thường. Do đó khi thiết kế các thiết bị lái của các loại tàu nằm ngoài Quy phạm, bắt buộc phải tính theo sơ đồ tính tự chọn. Các trường hợp tính toán: Trường hợp 1: tải trọng tác dụng lên thiết bị lái là các lực và mômen thuỷ động xuất hiện trong các chế độ chuyển động tiêu chuẩn của tàu. Khi tàu chạy tiến, kể đến các tải trọng phụ chưa tính đến, mômen lái tính toán nên lấy tăng 20 ( 30% so với trị số tính được ở phần tính toán thuỷ động. Khi tàu chạy lùi, mômen lái tính toán bằng mômen thuỷ động. Với các thép thường dùng có (ch= 240 ( 260 MPa; hệ số an toàn nhỏ nhất cho phép [n]= 2.6 ( 2.7; [(]= 94 ( 97 MPa; [(]= 56 (58 MPa Trường hợp 2: tải trọng tác dụng lên thiết bị lái là tải trọng ứng với công suất định mức của máy lái (khi công suất đó lớn hơn sông suất cần thiết). Hệ số an toàn nhỏ nhất cho phép lấy nhỏ hơn trường hợp 1 khoảng 20 ( 25%. Trường hợp 3: tải trọng cực đại tác dụng lên thiết bị lái khi động cơ điện quá tải dừng lại không quay được, khi thiết bị bảo vệ quá tải hoạt động hoặc khi áp suất trong hệ thống thuỷ lực (máy lái thuỷ lực) lên tới trị số làm cho van an toàn hoạt động. Mômen xoắn tính toán trên trục lái lấy tương ứng với mômen lớn nhất của động cơ hoặc mômen cho phép bởi thiết bị bảo vệ quá tải. Hệ số an toàn [n] = 1.05 tương ứng với [(] = 0.95* (ch. Thuyết bền dùng trong tính toán là thuyết bền năng lượng (thuyết bền 4). Theo thuyết bền đó: +) Khi thanh chịu xoắn và uốn đồng thời, mômen tính toán quy đổi là: Mt =
(2-1) (Mu là mômen uốn, Mx là mômen xoắn tại cùng mặt cắt) +) Đối với các điểm ở trạng thái ứng suất phức tạp, ứng suất tính toán quy đổi là: ( =
(2-2) (( là ứng suất pháp, ( à ứng suất tiếp tại cùng một điểm). Chú ý: Các hệ số an toàn nói trên rút ra từ các công thức của Quy phạm. Trình tự tính toán thiết bị lái được thực hiện theo các bước sau: Xác định diện tích bánh lái Sbl và các thông số hình học của bánh lái. Tính toán thuỷ động học bánh lái. Tính toán cụm bánh lái. + Tính toán trục lái: trục cong, trục thẳng. + Tính toán trụ lái. + Tính chọn các ổ đỡ, chốt trên, dưới, áp lực. + Tính toán trục lái + bánh lái. Tính toán truyền động lái (máy lái). Từ trình tự tính toán như trên ta nhận thấy công việc tính toán thuỷ động học bánh lái chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong tổng thể tính toán thiết kế thiết bị lái nói riêng và đảm bảo an toàn cho tàu nói chung. Vấn đề đặt ra là nghiên cứu quá trình tính toán thiết bị lái để làm bàn đạp cho phương pháp tính toán thuỷ động học bánh lái sau này. Những yếu tố cần xét đến khi tính toán thuỷ động thiết bị lái. Chế độ tính toán. Mục đích của việc tính toán thuỷ động thiết bị lái là xác định các trị số của lực thuỷ động R và mômen thuỷ động Mtđ để chọn máy lái, tính toán kích thước và kiểm tra độ bền thiết bị lái. Khi góc lái quay góc (, tàu bắt đầu chuyển động trên đường quay vòng với góc lệch hướng (, góc tấn hình học của bánh lái là: (’ = ( ( Góc tấn thực của bánh lái khi dòng chảy tới bánh lái bị lệch hướng làm thay đổi góc tấn hình học do ảnh hưởng của vỏ tàu và của chân vịt là: ( = ( ( (* ( với ( là hệ số kể đến ảnh hưởng của vỏ tàu và chân vịt. Thực nghiệm cho thấy khi tính toán ta cũng chỉ sử dụng với góc tấn tới hạn là ( ( 35 ( 400 Tải trọng thuỷ động cực đại cũng chỉ có thể đạt được trong giai đoạn quay vòng quá độ, khi góc lệch hướng ( còn nhỏ và vận tốc chuyển động của tàu chưa giảm nhiều. Vì vậy trong tính toán có thể xem vận tốc trọng tâm tàu và vận tốc của bánh lái khi tàu chạy trên đường quay vòng quá độ bằng vận tốc của tàu khi chạy thẳng. Các phương pháp tính toán. Khối lượng công việc khi tính toán thiết bị lái phụ thuộc vào cách xác định các đặc tính thuỷ động CL, CD, CM (hoặc CN, CP, CM). Có 4 cách xác định đặc tính thuỷ động học bánh lái như sau: Cách 1: Thử mô hình trong bể thử: Mô hình được kéo chuyển động trong bể thử với vận tốc vm vm = v*
(2-3) Chân vịt của mô hình quay với số vòng quay nm, v/ph nm = ncv*
(2-4) Trong đó: v: là vận tốc chuyển động của tàu, m/s ncv: là số vòng quay chân vịt, v/ph L, Lm: là chiều dài tàu và chiều dài mô hình, m Các điều kiện trên nhằm đảm bảo điều kiện đồng dạng giữa mô hình và tàu. Tuy nhiên, trong thực tế thường không thể đảm bảo đúng cả hai điều kiện đó nên việc áp dụng kết quả thử vào tàu thực cũng có những sai số nhất định. Các tải trọng thuỷ động của bánh lái tàu được tính theo công thức: N = CN*
(kG) (2-5) Mtđ = CM*
(kG.m) (2-6) Cách 2. Thử hệ bánh lái – chân vịt cô lập. Có thể thử riêng hệ bánh lái – chân vịt trong dòng chất lỏng vô hạn ở bể thử hoặc trong dòng khí ở ống khí động. Khi tính toán cần chú ý đến ảnh hưởng của vỏ tàu bằng hệ số kv: N = CN* kv*
(kG) (2-7) Cách 3. Sử dụng kết quả thử các bánh lái cô lập. Các loại bánh lái có prôfin khác nhau thường được thử tại các trung tâm nghiên cứu và kết quả thử được công bố dưới dạng bảng hoặc đồ thị. Lý thuyết của phương pháp thử này có thể tóm tắt như sau: Người ta thổi dòng khí vào một ống khí động học tác động lên bánh lái thay cho dòng nước trong thực tế. Sau đó, gắn các thiết bị đo lực để có thể đo được lực tác dụng của dòng không khí và một thiết bị đo mômen để đo mômen ở cạnh trước của bánh lái. Khi đó kết quả các hệ số lực nâng CL, hệ số lực cản CD, và hệ số mômen CM ứng với góc quay lái (() dưới tác dụng của dòng nước tới bánh lái dạng prôfin sẽ só giá trị được xây dựng dưới dạng bảng hoặc đồ thị và chúng được gọi là đặc tính thuỷ động của bánh lái dạng prôfin. Khi sử dụng các kết quả này cần phải tính đến ảnh hưởng của vỏ tàu và chân vịt bằng các hệ số kv, kcv (ta sẽ nghiên cứu ở phần 2.2.2.2 ý 1): N = CN* kv * kcv*
(2-8) Đây là phương pháp được sử dụng trong chương trình lập trình tính toán thuỷ động học bánh lái sau này. Cách 4. Sử dụng các công thức kinh nghiệm. Nếu không có số liệu theo ba cách trên có thể sử dụng các công thức kinh nghiệm. Khi đó cần chú ý phân tích chọn lựa trong trường hợp có nhiều công thức khác nhau cho cùng một đại lượng. Thông thường công thức nào kể đến nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau hơn thì chính xác hơn. Phương pháp tính toán thuỷ động học bánh lái. Xác định các thông số hình học của bánh lái. Chiều cao bánh lái h: Việc tính chọn tuỳ thuộc tuyến hình phần đuôi tàu. Ở đây tôi chọn giá trị chiều cao bánh lái nằm trong khoảng 0.6* T( h ( 0.9*T, giá trị mặc định chọn là h= 0.8* T. Diện tích bánh lái S: Chọn theo tàu mẫu có tính ăn lái tốt. Chọn theo công thức số liệu thống kê (không có tàu mẫu). S = a* L* T (m2) (2-9) Trong đó: L: chiều dài giữa hai đường vuông góc của tàu, m T: chiều chìm của tàu khi đầy lái, m a: hệ số diện tích bánh lái thống kê (tra bảng 3-3, Lý thuyết tàu thuỷ và công trình nổi, tr.120). Kiểu tàu  a*102   Tàu chở hàng khô: Cỡ nhỏ Vận tốc trung bình Chạy nhanh Tàu chở hàng lỏng: Tàu dầu nhỏ và vừa Tàu cỡ lớn Tàu khách: Nhỏ, tốc độ trung bình Nhỏ, tốc độ lớn Lớn, tốc độ lớn Tàu cá Tàu hoa tiêu Sà lan không tự hành Tàu ven biển Ca nô Tàu sông Xuồng Tàu kéo biển Tàu kéo chạy sông  2.0 – 2.5 1.2 – 2.2 1.4 – 2.0 1.4 – 1.9 1.7 – 2.2 1.7 – 2.2 1.7 – 2.0 1.4 – 2.0 2.5 – 5.5 2.5 – 4. 0 4.0 – 5.0. 2.0 – 3.0 3.0 – 5.0 3.3 – 4.0 4.0 – 6.0 3.0 – 6.0 6.5 – 13   Bảng 2.1. Bảng hệ số ảnh hưởng đến diện tích bánh lái S : diện tích các bánh lái của tàu, m2 Diện tích bánh lái đã chọn phải không nhỏ hơn hoặc bằng 0.8*Smin, với Smin được tính theo công thức: Smin = p* q*
), m2 (2-11) Trong đó: L: chiều dài tàu, m T: chiều chìm tàu, m p: hệ số (bằng 1.2 nếu bánh lái không đặt trực tiếp sau chân vịt; bằng 1.0 nếu bánh lái đặt trực tiếp sau chân vịt); trong tính toán tôi chọn hệ số p= 1.0 q: hệ số (bằng 1.25 đối với tàu kéo; bằng 1 đối với các loại tàu khác), trong tính toán tôi chọn hệ số q= 1.0 Hệ số kéo dài (: ( được xác định theo công thức sau: ( =
(2-12) Thông thường ( = 0.5 ( 3 tuỳ theo kết cấu vùng đuôi tàu. Chiều dày prôfin t: Chiều dày lớn nhất của prôfin t lấy theo đường kính chân vịt Dcv: t = (0.12 ( 0.25).Dcv (m) (2-13) Chiều dày tối ưu nằm trong koảng: t = (0.12 ( 0.15).b (m) (2-14) Trong chương trình lập trình, tôi chọn chiều dày prôfin bánh lái là t= 0.15*b, với b là chiều rộng bánh lái (m), t (m) Hệ số cân bằng k: Bánh lái cân bằng thường được chọn sao cho đường cong mômen thuỷ động Mtđ có dạng đối xứng với trục (, đồng thời Mtđ khi tàu chạy lùi không được lớn hơn Mtđ khi tàu chạy tiến. Thông thường k = 0.25 ( 0.35 Để tránh dao động, bánh lái nên được cân bằng như sau: +) Diện tích phần cân bằng không quá 25% diện tích bánh lái (k ( 0.25). +) Chiều rộng phần cân bằng tại mọi mặt cắt ngang không quá 35% chiều rộng bánh lái tại mặt cắt đó. Hệ số cân bằng k ảnh hưởng không đáng kể đến đặc tính thuỷ động bánh lái cũng như đến quá trình tính toán thuỷ động học bánh lái trong đề tài nên giá trị mặc định tôi chọn là k= 0.25 Sau khi xác định được các thông số hình học của bánh lái thì ta tiến hành tính toán các đặc tính thuỷ động của bánh lái. Đặc tính thuỷ động của bánh lái. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính thuỷ động của bánh lái. Ảnh hưởng của mặt nước và vỏ tàu đến đặc tính thuỷ động của bánh lái: Dòng chảy thực qua bánh lái bị ảnh hưởng bởi mặt thoáng của nước, vỏ tàu, tác dụng của chân vịt… Đa số tàu hiện đại có kết cấu vùng đuôi đảm bảo khi tàu chở đầy, bánh lái vẫn ngập sâu trong nước và hầu như không bị ảnh hưởng của mặt nước. Ở đây, ta chỉ xét đến ảnh hưởng của mặt nước khi thiết kế một số loại tàu sông có bánh lái cắt ngang mặt nước, phà, tàu lướt, tàu cánh ngầm. Vỏ tàu nằm trong dòng chảy qua bánh lái nên ảnh hưởng đến góc tấn thực tế của bánh lái, đến vận tốc dòng chảy, đến sự phân bố các thành phần vận tốc trong dòng chảy…do đó ảnh hưởng đến lực thuỷ động tác dụng lên bánh lái. Thực tế khi tính toán thì ảnh hưởng của vỏ tàu được tính đến bằng hệ số kv, giảm vận tốc dòng chảy qua bánh lái: vbl = v*
(2-15) kv = (1- (v)2 < 1 (2-16) Trong đó: v: vận tốc chuyển động của tàu, m/s (v: hệ số dòng theo của vỏ (tra bảng 1-13, Sổ tay thiết bị phụ tàu thuỷ). Đối với hệ bánh lái + trụ lái thì (v lấy bằng 1.3 hệ số dòng theo của chân vịt. Ở đây, trong chương trình tính toán ta chọn trường hợp “Khe hở giữa vỏ và mép trên bánh lái lớn hơn chiều dày lớn nhất của bánh lái” theo bảng 1-13, Sổ tay thiết bị phụ tàu thuỷ. (v = (0.68* ( - 0.43 + (( + 0.18*
)* u (2-17) Trong đó: (( = 0 đối với tàu có đuôi phẳng (chọn (( trong trường hợp này) (( = 0.18 đối với tàu có đuôi thuần dương hạm u = 1.0 khi bánh lái nằm trong mặt phẳng đối xứng (chọn u trong trường hợp này) u = CB + 0.15 khi bánh lái nằm sang phía mạn (: hệ số béo thể tích của tàu h1, h2, H: hệ số tuỳ chọn phụ thuộc vòm đuôi tàu (hình vẽ 2.8) Trong chương trình tính toán, tôi chọn h2= h (chiều cao bánh lái); h1= 40%* h; H= h1 + h2 + 30%* h Từ đó tôi xác định được hệ số kv theo (2-16) Ảnh hưởng của chân vịt đến đặc tính thuỷ động của bánh lái: Dòng nước được đẩy bởi chân vịt chảy qua bánh lái, có ảnh hưởng lớn đến đặc tính thuỷ động của bánh lái. Mỗi chất điểm trong dòng chảy của chân vịt có 3 thành phần vận tốc: vận tốc dọc vd hướng dọc trục chân vịt, vận tốc tiếp vt hướng vuông góc với bán kính trục chân vịt, vận tốc hướng kính vhk hướng dọc bán kính. Trị số và tương quan của các thành phần vận tốc nói trên phụ thuộc hệ số lực đẩy của chân vịt (cv: (cv =
(2-18) Trong đó: P: lực đẩy của chân vịt, N P =
, N (2-19) R: lực cản chuyển động của tàu, N z: số chân vịt, chiếc (: hệ số hút (: khối lượng riêng của nước, kG/m3 vcv: vận tốc dòng chảy tới chân vịt, m/s vcv = v* (1- (cv) (2-20) v: vận tốc chuyển động của tàu, m/s (cv: hệ số dòng theo của chân vịt (cv = 0.165* (z *
(2-21) hay (cv = 1- (1- (0)* (1- (ms) (2-22) (: hệ số béo thể tích tàu V: thể tích lượng dãn nước của tàu, m3 Dcv: đường kính chân vịt, m (W: lượng hiệu chỉnh theo số Froude; nếu Fr > 2 thì (W = 0.1*(Fr – 0.2), nếu Fr ( 0.2 thì (W = 0); trong trường hợp này tôi chọn (W = 0 (0: hệ số dòng theo của tàu đẩy (0 = 0.13* (z *
(2-23) (ms: hệ số dòng theo do ma sát (ms =
(2-24) Amax: diện tích mặt cắt ngang lớn nhất của sà lan, m2 (’ms: hệ số dòng theo do ma sát tại vùng mũi tàu đẩy (’ms = 0.08*
(2-25) (G: lượng dãn nước của sà lan ở phía trước tàu đẩy, m3 B, T: chiều rộng và chiều chìm tàu đẩy, m Hệ số lực đẩy chân vịt cũng có thể được xác định thông qua bảng thống kê sau: Loại tàu  (v  Bcv   Tàu hàng một chân vịt  1.0 ( 2.5  15 ( 35   Tàu ven biển  2.5 ( 4.0  35 ( 60   Tàu dầu  2.5 ( 5.0  35 ( 70   Tàu đánh cá  4.0 ( 8.0  60 (100   Tàu kéo  8.0  80   Bảng 2.2. Bảng thống kê hệ số (v và Bcv Trong đó: (v là hệ số lực đẩy chân vịt Bcv là hệ số công suất Trị số vhk nhỏ, ảnh hưởng không đáng kể đến đặc tính thuỷ động của bánh lái, trong tính toán có thể bỏ qua. vd làm tăng vận tốc dòng chảy qua bánh lái theo hướng dọc trục chân vịt v’bl: v’bl = vcv + vd (2-26) vt làm thay đổi góc tấn của dòng chảy qua bánh lái (: ( = arctg
(2-27) Trong đó:
: vận tốc tiếp của dòng chảy qua bánh lái khi không có chân vịt, m/s Trong tính toán thực tế thiết bị lái, vận tốc dọc của bánh lái qua dòng chảy được tính theo công thức: v’bl = vcv*
(2-28) Lực pháp tuyến thuỷ động tác dụng lên bánh lái: N = CN*
* S’ + CN*
* (S + S’) (2-29) Trong đó: S’: diện tích phần bánh lái nằm trong dòng đẩy của chân vịt, m2 Công (2-29) có thể được viết lại dưới dạng: N = kv* kcv* CN*
* S (2-30) Trong đó: kv: hệ số kể đến ảnh hưởng của vỏ tàu. kcv: hệ số kể đến ảnh hưởng của chân vịt kcv = 1+
* [(1+(cv)* (
-1] (2-31) Trong đó: S’: diện tích phần bánh lái nằm trong dòng đẩy của chân vịt, m2 S: diện tích bánh lái, m2 (cv: hệ số lực đẩy chân vịt (tra bảng 2-2 ở trên) Với S’ được xác định theo công thức: S’ = h* Dcv*
(2-32) Trong đó: vcv = v* (1- (cv): vận tốc dòng chảy của chân vịt, m/s (2-33) v: vận tốc chuyển động của tàu, m/s h: chiều cao bánh lái, m Dcv: đường kính chân vịt, m va = vcv* (
- 1), m/s (2-34) val = (* va : giá trị tăng tốc độ trung bình do chân vịt tính ở tâm áp suất bánh lái, m/s (2-35) ( =
(2-36) S1: khoảng cách từ mặt đĩa chân vịt đến tâm áp suất, m