Giáo trình Thiết bị tàu thủy - Chương 1: Thiết bị lái

t. 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 + PY.cosaP (1.15) PT = PX.cosaP - PY.sinaP Tâm áp lực K là giao điểm của áp lực thuỷ động P và mặt phẳng đối xứng của prôfin bánh lái, cách mép trước bánh lái một khoảng xP. Mômen xoắn thuỷ động tác dụng lên trục lái là: Ms = PN.(xP - a), kG.m. (1.16) trong đó: a - khoảng cách từ trục lái đến mép trước của prôfin bánh lái còn gọi là vị trí đặt trục lái, m. Hình 1.12. Lực thủy động tác dụng lên tấm bánh lái Người ta xác định các thành phần lực và mô men thông qua các hệ số không thứ nguyên như sau: ,kG (1.17) , kG. , kG. , kG. trong đó: CX, CY, CN, CT - tương ứng là hệ số lực cản, hệ số lực dạt, hệ số lực pháp tuyến, hệ số lực tiếp tuyến và là những đại lượng không thứ nguyên. Từ đó ta có quan hệ : CN = CX.sinaP + CY.cosaP (1.18) CT = CX.cosaP - CY.sinaP Ngoài ra người ta cũng tính được mômen xoắn thuỷ động với mép trước prôfin bánh lái là: , kG.m. (1.19) trong đó: Cm - hệ số mômen, là đại lượng không thứ nguyên. Fp - diện tích toàn bộ của tấm bánh lái, m2. r - mật độ của nước (lấy ở 200C), kG.s2/m4. Điểm đặt của lực P xác định thông qua hệ số tâm áp lực Cd, là tỷ số giữa khoảng cách từ mép trước prôfin bánh lái đến điểm đặt lực P với chiều rộng trung bình của prôfin bánh lái. Ký hiệu: , CD là đại lượng không thứ nguyên. trong đó: vCP - vận tốc của dòng nước chảy đến bánh lái, m/s. Các hệ số: CX, CY, CM,CD xác định thông qua việc thống kê các prôfin bánh lái đã được sử dụng, từ đó vẽ nên đồ thị: Ci = f(l, aP, v.v. ) do các cơ quan nghiên cứu đưa ra. Các đồ thị đó xây dựng cho hai trường hợp: tàu chạy tiến và tàu chạy lùi đồng thời chỉ xây dựng cho các bánh lái có độ dang l = 0,8; 1,0 và 1,5. (đồ thị sẽ tìm thấy trong Sổ tay thiết bị tàu thủy, tập 1, NXB GTVT - 1886). Trong trường hợp bánh lái NASA có các độ dang khác với các giá trị cho ở đồ thị, ta có thể tính được các hệ số Ci thông qua bánh lái chuẩn có độ dang l0 = 6. ((1.20) với: - các hệ số. trong đó: CXo, CYo, CMo là các hệ số của bánh lái chuẩn l 0 = 6 ở góc bẻ lái aPo. CX, CY, CM là các hệ số của bánh lái có độ dang l thiết kế ở góc bẻ lái aP. Ngoài ra, với các l không có trong đồ thị ta có thể tính toán các hệ số Ci thông qua các công thức thực nghiệm. Hình 1.13. Đồ thị xác định các hệ số lực và mô men thủy động trên bánh lái 1.4.3. Xác định vị trí đặt trục lái tối ưu Ta có mômen xoắn thuỷ động lấy đối với mép trước bánh lái , kG.m. (1.21) Mặt khác, ta có: , kG.m. (1.22) Từ đó ta có : CM.bCP = CN.xP hay: xP = (CM/CN).bCP. (1.23) Bảng1.2. Xác định vị trí đặt trục tối ưu Góc bẻ lái aP, độ. Cx Cy CY.cosaP CX.sinaP CN=(4)+(5) CM m. 1 2 3 4 5 6 7 8 50 100 150 ... 300 350 Để mô men xoắn thủy động toàn phần tác dụng lên trục lái là nhỏ nhất, thì vị trí đặt trục a phải lân cận với xP (điều lý tưởng là a = xP). Khi đó ta lập bảng để tính giá trị a theo xP. ứng với mỗi góc bẻ lái aP ta có hệ số tâm áp lực CD. Do vậy ta đi xác định a bằng giá trị lân cận sự biến đổi của xP theo công thức: (1.24) Để tránh hiện tượng cướp lái (áp lực ở phần diện tích phía trước trục lái lớn hơn áp lực ở phần diện tích phía sau trục, Ms < 0), người ta xác định a chính xác bằng trung bình cộng của gía trị cực trị của xP, ứng với aP trong giới hạn bẻ lái của nó, cụ thể: Đối với tàu biển aPmax = 350, còn đối với tàu sông aPmax = 450 1.5. Các yếu tố cơ bản của bánh lái ảnh hưởng tới lực và mô men thuỷ động 1.5.1. Độ dang của bánh lái Hình 1.14. Ảnh hưởng của độ dang bánh lái đến chất lượng thủy động của nó. Thực nghiệm, người ta xây dựng được đồ thị CY =f(l,aP) ứng với mỗi bánh lái có độ dang khác nhau có một điểm (CYmax;aPt.h). Từ đồ thị ta có nhận xét sau: ở góc bẻ lái nhỏ, aP = 100 - 150 thì sự gia tăng của hệ số lực dạt CY trên những bánh lái có độ dang lớn, có tính chất tuyến tính. Bánh lái có l càng lớn thì CYmax nhận được càng lớn, do đó bánh lái có độ dang càng lớn thì càng dễ cơ động. Còn ở những bánh lái có độ dang nhỏ, đường cong CY mất đi tính tuyến tính, mặc dù đạt được góc bẻ lái aP khá lớn, ta vẫn chỉ nhận được các giá trị CY nhỏ và thay đổi không đáng kể, do đó bánh lái có độ dang càng nhỏ thì càng khó cơ động. Tại một giá trị của l, đầu tiên aP tăng thì CY tăng, nhưng sự tăng của CY theo aP chậm dần, tới một giá trị nào đó của aP thì giá trị Cy đạt lớn nhất (CY = CYmax , ta gọi góc bẻ lái ứng với giá trị CY = CYmax là góc bẻ lái tới hạn. Ký hiệu: aPth), sau đó nếu bẻ lái góc aP tăng qua góc aPth thì CY giảm rất nhanh. 1.5.2.Ảnh hưởng của chiều dày tương đối Thực nghiệm chứng tỏ rằng bánh lái có chiều dày lớn nhất tmax càng lớn thì CY càng giảm và khi có tung độ tmax càng dịch về phía mép trước (x càng nhỏ) thì giá trị Cy càng lớn. Hiệu quả lái tốt nhất khi tmax = (0,15 - 0,18).bCP. Theo chiều cao của bánh lái nếu chiều dày tmax ở phía trên lớn hơn chiều dày tmax của tiết diện ở phía dưới, hay bánh lái thon dần từ trên xuống dưới, thì hiệu quả lái tốt hơn. Cụ thể ta có: 0 , ứng với đường (1) = 0,05, ứng với đường ( 2) = 0,09, ứng với đường (3 ) trong đó : bCP - chiều rộng trung bình của prôfin bánh lái, m. tB, tH : chiều dày lớn nhất của prôfin ở mép trên và mép đưới bánh lái. Hình 1.15. ảnh hưởng của chiều dày tương đối của bánh lái. 1.5.3. ảnh hưởng của mặt nước tự do Mặt nước tự do có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm việc của bánh lái Nếu gọi tP là khoảng cách từ mép trên bánh lái đến mép nước tự do thì khi bánh lái làm việc gần mặt thoáng, độ dang hiệu chỉnh của nó là : lF = m.l trong đó: m - hệ số phụ thuộc vào tốc độ Fr = và độ ngập sâu tương đối , giá trị m tra đồ thị dạng như sau: Với bánh lái có càng nhỏ thì m biến thiên thất thường (hP nhỏ), khi càng lớn thì m càng ít thay đổi thất thường hơn. Hay nói một cách khác khi tP càng tăng (bánh lái càng ngập sâu trong nước) thì m càng nhỏ ở giá trị Fr nhỏ. Vì vậy, nếu đánh giá về chất lượng làm việc của bánh lái thì bánh lái càng ngập sâu trong nước càng tốt. Từ đó người ta đưa ra giới hạn ngập sâu như sau: Với tàu biển: Với tàu hồ: Với tàu sông: , đặc biệt có thể (do luồng lạch hạn chế). Hình 1.16. ảnh hưởng của mặt thoáng. 1.5.4. Ảnh hưởng của trụ lái 1.5.4.1. Các kích thước cơ bản của hệ bánh lái, trụ lái Diện tích trụ lái: FPp là diện tích mặt phẳng hình chiếu giới hạn bởi đường bao trụ lái trên mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng của trụ lái, m2. Diện tích của hệ bánh lái-trụ lái: FK là phần diện tích mặt phẳng hình chiếu của hệ trên mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng của hệ được giới hạn bởi mép trước của trụ lái, mép sau, mép trên và mép dưới của bánh lái, m2. Chiều rộng trụ lái: bPp là khảng cách đo theo phương vuông góc với trục lái giữa mép trước và mép sau của trụ lái, m. Hình 1.17. Các kích thước cơ bản của hệ bánh lái - trụ lái. 1.5.4.2. ảnh hưởng của trụ lái Hình 1.18. ảnh hưởng của trụ lái đến chất lượng thủy động của bánh lái Chiều rộng toàn bộ của hệ bánh lái-trụ lái: bK là khoảng cách đo theo phương vuông góc với trục lái giữa mép trước của trụ lái và mép sau của bánh lái trên tiết diện đó, m. Độ dang của hệ bánh lái-trụ lái: lK là tỉ số giữa chiều cao của bánh lái và chiều rộng trung bình của hệ bánh lái-trụ lái Ký hiệu: (1.25) Bánh lái có đặt trụ lái, sau khi bẻ lái góc aP, người ta coi cả hệ bánh lái - trụ lái như một bánh lái có prôfin không đối xứng. Nếu gọi hệ số lực dạt của hệ bánh lái-trụ lái là CYp+pp thì ta có quan hệ CYp+pp < CYp, trong đó: CYp- là hệ số lực dạt của bánh lái (nhưng không đặt sau trụ lái) và có kích thước tương tự hệ bánh lái-trụ lái đó. Để đặc trưng cho sự khác sai này, người ta đưa ra hệ số hiệu chỉnh rP = CYp+pp /CYp. Hệ số rP cho dạng đồ thị, khi A = (16 - 20)% diện tích của hệ bánh lái để đưa vào trụ lái. Có thể tính rP theo công thức thực nghiệm như sau : rP = 1,872.A - 0,39.A2 - 0,281.A3. (1.26) trong đó: 1.6. Xác định lực thuỷ động trên tấm bánh lái và mô men thuỷ động trên trục lái 1.6.1. Xác định lực thuỷ động trên bánh lái và mô men thuỷ động trên trục lái của bánh lái đặt tại mặt phẳng dọc tâm tàu không tự hành. Các số liệu chủ yếu sử dụng để tính toán: Các thông số chủ yếu của tàu (L, B, H, T, d, b, a, v.v.) FP - diện tích bánh lái, m2. hP - chiều cao bánh lái, m. l = h2p/FP - độ dang của bánh lái. Kiểu prôfin bánh lái (NASA, N.E.J, ...) - chiều dày tương đối của prôfin bánh lái. a - vị trí đặt trục, m. R - hệ số cân đối. vS - tốc độ tiến của tàu, hl/g. Tốc độ của dòng nước chảy đến bánh lái là : vCP = 0,515.vS.(1-wR) , m/s. (1.27) trong đó: vS - tốc độ tàu chạy tiến, hl/g. wR - giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt bánh lái, có thể tính theo công thức Papmiel: (1.27.1) với: z - số lượng bánh lái. d - hệ số béo thể tích của tàu V = d.L.B.T - lượng chiếm nước thể tích của tàu, m3. hP - chiều cao bánh lái, m. Công thức Papmiel ở trên tính cho prôfin bánh lái dạng thoát nước, còn đối với prôfin dạng tấm, wR tính theo công thức sau: wR = 0,5.d - 0,18. (1.27.2) Quá trình tính lực và mômen thuỷ động được thực hiện dưới dạng bảng 1.3. Bảng 1.3. Tính lực và mô men thủy động tác dụng lên bánh lái tàu không tự hành. TT Các đại lượng cần tính Đơn vị Giá trị tính được theo góc bẻ lái aP, độ. 5 10 15 ... 35 1 CX (Đồ thị) - 2 CY (Đồ thị) - 3 CD (Đồ thị) - 4 CY.cosaP - 5 CX.sinaP - 6 CN = (4) + (5) - 7 xP = CD.bCP m 8 l = xP - a m 9 Pn = 1/2.PN.r.CN.v2CP.FP kG 10 M’s = PN.l kG.m 11 Ms = k0.M’s kG.m Trong bảng 1.2, có: k0 = (1,2 -1,3) - hệ số tăng thêm để thắng mô men cản quán tính ban đầu. Nếu Ms < 0 thì không cần nhân với k0. l - tay đòn của áp lực thủy động, m. 1.6.2. Xác định lực thuỷ động trên tấm bánh lái và mô men thuỷ động trên trục lái của tàu tự hành bánh lái đặt trực tiếp sau chong chóng 1.6.2.1. Tàu chạy tiến Tốc độ trung bình của dòng nước chảy đến bánh lái là: vCP = 0,515.(1- wr ).c.vS, m/s. (1.28) với: vS - tốc độ chạy tiến của tàu, hl/g. wR = 0,8.w0 - gía trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt bánh lái. w0 - giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt chong chóng, tính theo Papmiel: Tàu sông: . (1.28.1) Tàu biển: . (1.28.2) trong đó: D - đường kính chong chóng, m. V - Lượng chiếm nước thể tích tàu, m3. d - hệ số béo thể tích của tàu. z - số lượng chong chóng. Dw : Giá trị hiệu chỉnh do kể đến sự tạo sóng, phụ thuộc vào tốc độ tương đối: Fr = . Nếu Fr Ê 0,2 thì Dw = 0, còn Fr > 0,2 thì Dw = 0,3.d.(Fr-0,2) c - hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của dòng nước chảy ra rừ chong chóng đến bánh lái, được tính theo công thức N.A. Petrov: . (1.28.3) trong đó: F”P là phần diện tích bánh lái bị bao phủ bởi dòng nước do chong chóng đạp ra, m2. FP - diện tích của tấm bánh lái, m2. Hình 1.19. Vị trí của bánh lái so với chong chóng kB - là hệ số kể đến sự gia tăng thêm của lực dạt do cánh chong chóng đặt trực tiếp trong dòng nước của chong chóng. Hình 1.20. Để xác định hệ số kB với: kB = f() - tra đồ thị sB = - hệ số tải của chong chóng. PB - lực đẩy của chong chóng, kG. PB = vP - vận tốc dòng nước chảy đến chong chóng, m/s. vP = 0,515.vS.(1- w0) FB = pD2/4 - diện tích thuỷ lực của chong chóng, m2. w0 - hệ số dòng theo tại vị trí đặt chong chóng. Hình 1.21. Để xác định hệ số K D - hệ số tính đến ảnh hưởng toàn phần của tốc độ kích thích chiều trục đến bánh lái và được tính theo công thức sau: (1.28.4) trong đó: k - hệ số phụ thuộc vào khảng cách tương đối từ đĩa thiết bị đẩy đến mép trước bánh lái và đường kính của chong chóng D, được tra theo đồ thị. Sau đó tính lực và mô men thuỷ động theo dạng bảng 1.4 (với: k0 = 1,2 -1,3). Bảng 1.4. Tính lực và mô men thủy động tác dụng lên bánh lái và trục lái. TT Các đại lượng cần tính Đơn vị Kết quả tính theo aP, độ. 5 10