Thiết kế sơ bộ tàu cánh ngầm chở 70 khách phục vụ du lịch biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
  

TRẦN NGỌC TIẾN

THIẾT KẾ SƠ BỘ TÀU CÁNH NGẦM
CHỞ 70 KHÁCH PHỤC VỤ DU LỊCH BIỂN
TẠI VIỆT NAM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐÓNG TÀU







Nha trang, tháng 7 năm 2013
i

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ, Tên SV: Trần Ngọc Tiến Lớp: 51ĐT1
Ngành: Đóng tàu thủy Mã ngành: 102
Tên đề tài: “Thiết kế sơ bộ tàu cánh ngầm chở 70 khách phục vụ du lịch biển tại
Việt Nam”

Số trang: Số chương: Tài liệu tham khảo:
Hiện vật:

NHẬN XÉT


KẾT LUẬN


Nha trang, ngày ……tháng……năm 2013
Cán bộ hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)

KS. Đỗ Văn Tá
ii

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ, Tên SV: Trần Ngọc Tiến Lớp: 51ĐT1
Ngành: Đóng tàu thủy Mã ngành: 102
Đề tài: “Thiết kế sơ bộ tàu cánh ngầm chở 70 khách phục vụ du lịch biển tại
Việt Nam”.
Số trang: Số chương: Tài liệu tham khảo:
Hiện vật:

NHẬN XÉT


KẾT LUẬN

Nha trang, ngày ……tháng……năm 2013
Cán bộ hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)


KS.Đỗ Văn Tá
iii

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐATN

Họ, Tên SV: Trần Ngọc Tiến Lớp: 51ĐT1
Ngành: Đóng tàu thủy Mã ngành: 102
Đề tài:“Thiết kế sơ bộ tàu cánh ngầm chở 70 khách phục vụ du lịch biển tại
Việt Nam”.
Số trang: Số chương: Tài liệu tham khảo:
Hiện vật:

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN



Điểm phản biện

Nha trang, ngày ……tháng……năm 2013
Cán bộ hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)



KS.Đỗ Văn Tá

ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ




iv

MỤC LỤC
MỤC LỤC iv
DANH MỤC CÁC BẢNG v
DANH MỤC CÁC HÌNH vi
LỜI NÓI ĐẦU viii
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1
1.1 Đặt vấn đề. 1
1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của tàu cánh ngầm trên thế giới. 1
1.3 Phạm vi nghiêm cứu đề tài. 9
1.4 Phương pháp thiết kế. 9
CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU TÀU CÁNH NGẦM 10
2.1 Động lực học cánh. 10
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thủy động cánh. 12
2.3 Sức cản của tàu cánh ngầm và chế độ làm việc. 13
2.4 Ổn định tàu trên cánh. 15
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ TÀU CÁNH NGẦM SỨC CHỞ 70 KHÁC PHỤC VỤ
DU LỊCH BIỂN TẠI VIỆT NAM 17
3.1 Nhiệm vụ thư. 17
3.2 Xác định các đặc điểm hình học của tàu tàu cánh ngầm. 18
3.3 Tính toán các yếu tố thủy tĩnh. 22
3.4 Thiết kế bố trí chung. 35

3.5 Tính toán trọng lượng. 38
3.6 Tính toán kết cấu thân tàu theo quy phạm. 40
3.7 Thiết kế cánh ngầm. 74
3.8 Tính ổn định. 82
3.9 Tính sưc cản tàu. 104
3.10 Tính chọn máy chính và chân vịt. 109
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO 115
v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Thống kê một số tàu thực tế. 18
Bảng 2: Tính diện tích ω và momen diện tích của các mặt cắt ngang M
ωiox
đối với
trục Ox. 22
Bảng 3: Tính yếu tố thủy tĩnh 30
Bảng 4: Xác định các đại lượng a, b, y 42
Bảng 6: Giá trị hệ số C. 43
Bảng 10: Bảng tính chiều dày tôn vách. 46
Bảng 12: Tọa độ sườn Tchebyshev. 83
Bảng 13: Tính hoành độ trọng tâm tàu ở chế độ 100% dự trữ và đủ khách 84
Bảng 14: Bảng tính bán kính tâm ổn định ngang theo phương pháp Krylov-
Dargniers ở chế độ 100% dự trữ và đủ khách. 85
Bảng 15: Tính tay đòn ổn định hình dáng ở chế độ 100% dự trữ và đủ khách. 91
Bảng 16: Tay đòn ổn định động ở chế độ 100% dự trữ và đủ khách. 92
Bảng 17: Tính hoành độ trọng tâm tàu ở chế độ 50% dự trữ và đủ khách. 93
Bảng 18: Tính hoành độ trọng tâm tàu ở chế độ 10% dự trữ và đủ khách. 94
Bảng 19: Tính bán kính tâm ổn định ngang theo phương pháp Krylov-Dargniers ở

chế độ 10% dự trữ và đủ khách 95
Bảng 20: Tay đòn ổn định tĩnh ở chế độ 10% dự trữ và đủ khách, 100
Bảng 21: Tay đòn ổn định động ở chế độ 10% dự trữ và đủ khách. 100
Bảng 22: Tay đòn ổn định từ 0 – 30. 103_Toc361179269
Bảng 23: Xác định vận tốc tàu khi thay đổi một lượng ∆D. 105
Bảng 24: Tính sức cản thân tàu khi thay đổi vận tốc và thể tích chiếm nước 106
Bảng 25:Tính sức cản cánh trước của tàu. 107
Bảng 26: Tính sức cản cánh sau của tàu. 107
Bảng 27: Tính sức cản tổng hợp cánh trước và cánh sau của tàu. 107
Bảng 28: Tính sức cản tổng hợp thân và cánh. 108
Bảng 29: Tính chọn công suất yêu cầu máy. 113
vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1: A-4 vận tốc 30 km/h do nhà thiết kế Nga Aleksev đưa ra 1943. 3
Hình 2: Tàu cánh ngầm A-5, vận tốc chạy trên sông 87 km/h. 3
Hình 3: Tàu cánh ngầm A-5, 1949. 3
Hình 4: Hệ thống điều khiển bằng khí. 4
Hình 5: Hệ thống cánh thủy lực. 4
Hình 6: Hệ thống Supramar. 5
Hình 7: Hệ thống Aquavion. 5
Hình 8: Volga-red hydrofoil. 6
Hình 9: “Victorian styled” hydrofoil. 6
Hình 10: Morden hydrofoil “aliscafo”, seen in Italy. 7
Hình 11: Raketa “Rheinpfeil” trên sông Rhine ở Đức, 1986 7
Hình 12: Soviet Army hydrofoils. 7
Hình 13: The USS Planview (USA). 8
Hình14: The USS Pegasus (USA) 8
Hình 15: U.S.Navy(Fresh). 8

Hình 16: Quan hệ hệ số lực nâng và lực cản. 11
Hình 17: Quan hệ C
m
, C
L
, C
D
. 11
Hình 18: Đồ thị lí thuyết sức cản trên cánh. 14
Hình 19: Mô phỏng chế độ chế độ làm việc của tàu cánh ngầm. 15
Hình 20: Đồ thị Bonjean. 28
Hình 21: Đồ thị thủy tĩnh. 35
Hình 22: Bố trí chung toàn tàu. 38
Hình 23: Sơ đồ bố trí các kết cấu của vách ngang giữa tàu. 46
Hình 24: Khung dàn mạn. 54
Hình 25: Kết cấu khung dàn đáy. 58
Hình 26: Kết cấu vách ngăn khu vực mũi tàu 66
vii

Hình 27: Đồ thị hệ số lực nâng của cánh có biên dạng NACA 4412 theo góc tấn và
hệ số Reynolds. 77
Hình 28: Phương pháp chia cung cho cánh. 79
Hinh 29: Chia khoản sườn Tchebyshev. 84
Hình 30: Góc nghiêng trong khi tính ổn định ở chế độ đủ khách và 100% dự trữ 90
Hình 31: Đồ thị ổn định tĩnh và đồ thị ổn định động ở chế độ 100% dự trữ ,khách. 92
Hình 32: Góc nghiêng trong khi tính ổn định ở chế độ đủ khách và 10% dự trữ. 99
Hình 33: Đồ thị ổn định tĩnh và ổn định động trường hợp 10% dự trữ và đủ khách.
101
Hình 34: Tay đòn ổn định chế độ bay. 102
Hình 35: Đồ thị ổn định trên cánh tại vận tôc thiết kế. 103

Hình 36: Đồ thị sức cản tàu. 108

















viii





LỜI NÓI ĐẦU
Xin chân thành cảm ơn thầy KS.Đỗ Văn Tá và bạn Nguyễn Thành Tài lớp
51DT1 đã hết lòng hỗ trợ để tôi hoàn thành xong đề tài: “Thiết kế sơ bộ tàu cánh
ngầm chở 70 khách phục vụ du lịch biển tại Việt Nam”.
Đây là một đề tài khá hấp dẫn lôi cuốn những ai muốn tìm hiểu cái mới. Mới
ở đây chính là khi chúng ta tìm ra được một phương pháp làm tăng tốc độ giảm sức

cản cho tàu. Việc thiết kế tàu cánh ngầm sẽ được tiến hành thiết kế như tàu bình
thường và tính toán lắp đặt thêm cánh theo lí thuyết cánh thủy động học.
Hi vọng trong tương lai không xa chúng ta có thể làm chủ được công nghệ thiết kế
và chế tạo loại tàu này phục vụ nhu du lịch biển.
Nha trang, ngày tháng năm 2013
Sinh viên thực hiện





1

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Đặt vấn đề.
Trong bối cảnh nhu cầu duy chuyển bằng phương tiện đường thủy ngày càng
lớn. Đặc biệt ngành du lịch biển đang nở rộ trong những năm gần đây đòi hỏi cần có
thêm nhiều phương tiện thủy nội địa có tốc độ cao, vận chuyển nhiều hành khách
giảm đáng kể thời gian di chuyển giữa vùng. Vì thế nhiều công ty lữ hành đã tìm
hiểu và nhập khẩu các loại tàu được trang bị hệ thống cánh nâng với tốc độ cao vận
chuyển khách đã góp phần hình thành một loại phương tiện đường thủy mới, lạ mắt
ở Việt Nam.
Tại sao những phương tiện thủy này có hình dáng giống như những chiếc
tàu bình thường lại hoạt động không giống như tàu bình thường chúng có thể bay
được trên mặt nước. Vậy cái gì làm nên sự khác biệt đáng kinh ngạc đó? Đây là một
câu hỏi đã có đáp án nhưng việc tiến hành tìm hiểu ngọn ngành về đáp án này
không hề đơn giản. Vấn đề cần giải quyết ở đây chính là thiết kế một con tàu tàu có
thể bay trên mặt nước được trang bị hệ thống cánh ngầm bằng việc kết hợp lí thuyết
thiết kế tàu thông dụng với lí thuyết cánh, thủy khí động lực học.

1.2 Lịch sử ra đời và phát triển của tàu cánh ngầm trên thế giới.
1.2.1 Lịch sử phát triển tàu trên cánh được phát triển từ cuối thế kỉ XIX.
Năm 1861, Thomas Moy thử nghiệm cánh máy bay trong nước theo ông thử
nghiệm cánh máy bay trong nước cho kết quả chính xác cao hơn trong không khí.
Nhờ vậy, Moy đã phát hiện được đặc tính của cánh chuyển động trong nước.
Năm 1895 đến 1916, anh em nhà Meacham ở Chicago (Mỹ) là những người
đầu tiên thiết kế và thử nghiệm thành công tàu cánh ngầm theo đúng nghĩa, thật ra
họ đã chế tạo ra một máy bay mà ngày nay được công nhận là tàu cánh ngầm.
Năm 1906, một kĩ sư người Ý tên Enrico Forlanini đã gắn một số cánh bậc
thang lên thân tàu trọng lượng 1,2 tấn, lắp máy công suất 60 HP, chạy trên hồ
Maggiore. Tàu đã nổi lên được và chạy với tốc độ 36,93 HL/h.
2

Năm 1919, anh em nhà Mecham cùng với Forlanini đã thiết kế và chế tạo
thành công tàu cánh ngầm HD-4 được đẩy bởi hai cánh quạt có tổng công suất 350
HP dùng trong hải quân Mỹ và thiết lập được kỷ lục thế giới về tốc độ chạy trên mặt
nước thời bấy giờ là 61,58 HL/h.
Năm 1932, Giáo sư Oscar Tietjens khi thử nghiệm trên dòng sông chảy qua
thành phố Philadelphia của Mỹ, chiếc thuyền cánh ngầm 0,23 tấn chế tạo thủ công
đã đạt tới tốc độ 21,72 Hl/h về sau thiết kế và chế tạo chiếc Miss USA có chiều dài
10,7 m lượng chiếm nước 2,95 tấn, động cơ 650 HP và đã đạt được kỷ lục thế giới
về tốc độ bấy giờ là 80 HL/h.
Tháng 5 năm 1953, chiếc tàu chở khách thương mại đầu tiên trên thế giới ra
đời do một người Đức tên Baron Von Schertel thiết kế, vận chuyển hành khách trên
hồ Maggiore của Italy.
Năm 1958, chính phủ Canada đã tài trợ việc thiết kế và chế tạo tàu cánh
ngầm có trọng tải 17 tấn, thân nhôm tên Baddeck để vinh danh dòng họ Bel người
Canada, sử dụng động cơ hiệu Rolls Royce 1.500 HP có 12 xi-lanh để dẫn động hai
cánh quạt. Mẫu thử này khá đắc tiền và được xem như là một thất bại lúc bấy giờ
nhưng chính mẫu thử này, các nhà khoa học đã rút ra được nhiều kết luận giá trị.

Năm 1967 hải quân Canada cho ra đời tàu cánh ngầm Bras d’Or, dài 46 m,
trọng lượng 200 tấn, có khả năng bay được ở tốc độ lên đến 63 HL/h ở vùng biển có
chiều cao sóng là 1,2 m.
Năm 1954 tàu cánh ngầm đầu tiên XCH-4 của hải quân Mỹ do kỹ sư
William P.Carl thiết kế và chế tạo đã xác lập kỷ lục tốc độ 64,65 HL/h.
Đến đầu năm 1960, hãng Boeing (Mỹ) chế tạo tàu Fresh-1 lập kỷ lục tốc độ
80 HL/h, thiết kế cánh ngầm theo mô hình bề mặt cánh của Canada.
Một số tàu cánh ngầm chế tạo thời gian này vẫn còn hoạt động mãi cho đến
ngày nay: Sealegs (R&D), High Point 110 tấn, Little squirt (R&D), PHM-1 USS
Pegasus 235 tấn…
3

Hiện tại ở Việt Nam vẫn đang có những bước dịch chuyển trong nghiêm cứu
về loại tàu này hi vọng trong tương lai không xa chúng ta sẽ làm chủ công nghệ tiến
hành đưa vào thử nghiệm và chế tạo.
1.2.2 Giới thiệu một số hệ thống tàu cánh ngầm trên thế giới.
- Hệ thống tàu cánh ngầm của Nga: Hệ thống này được thiết kế với tỉ lệ 0,1
h/b 0,5 thích hợp cho tàu chạy sông, hồ và những vùng sóng không cao. Hệ thống
cánh gắn chặt với thân tàu nằm dưới thân nhưng không quá sâu. Các cánh gắn với
thân tàu bằng các mối nối đủ vững, độ tin cậy cao và không cần quá nhiều thanh đỡ.

Hình 1: A-4 vận tốc 30 km/h do nhà thiết kế Nga Aleksev đưa ra 1943.

Hình 2: Tàu cánh ngầm A-5, vận tốc chạy trên sông 87 km/h.

Hình 3: Tàu cánh ngầm A-5, 1949.
4

- Hệ thống điều khiển bằng khí (air –feed system): Phương cách điều khiển
góc nghiêng cánh bằng hệ thống khí. Hệ thống này do do hãng Supramar (Thụy

Điển) đề suất và thực hiện. Khí được thổi khắp mặt trên cánh với áp suất khí quyển
qua hệ thống van điều khiển.

Hình 4: Hệ thống điều khiển bằng khí.
- Hệ thống cánh thủy lực: Hệ thống điều khiển cánh đầu tiên ra đời theo hệ
thống Christopher Hook. Bộ phận điều khiển chế độ nghiêng cánh là “feeler” (que
thăm dầu) và hệ thống cơ khí. Trong trạng thái tĩnh tàu không hoạt động cánh chìm
trong nước không khác gì phao nên được đẩy lên. Khi tàu tăng tốc phao rơi xuống
và nghiêng trong nước dưới góc tấn tính toán, tạo lực nâng thân tàu. Mỗi sự thay
đổi trên đường nước thiết kế do sóng, do chuyển động tàu đều gây ra hiệu chỉnh
tương ứng cho lực nâng.

Hình 5: Hệ thống cánh thủy lực.
- Hệ thống Supramar: Tàu cánh ngầm sử dụng cánh chìm nước trung bình có
đặt tính gần trùng với cánh chìm nông là cánh có khả năng tự điều chỉnh. Hệ thống
5

mang tên gọi Schertel-Sachsenberg từ thế chiến thứ hai phục vụ cho tàu trên cánh
có điểm đặc trưng, mặt cắt ngang hệ thống cánh có thể mang hình chữ V rõ nét,
hình thang, cánh cung. Hệ thống Supramar có tính ổn định tốt ở vùng ven bờ.

Hình 6: Hệ thống Supramar.
- Hệ thống Aquavion: Hình thức hợp tác công nghiệp giữa các ông chủ người
Nertherlands và UK nhằm sản suất tàu trên cánh ngầm .Hệ thống nhắm cho khách
hàng các kiểu và lượng chiếm nước từ 1,5T đến 10T. Tàu lớn nhất của hãng thực
hiện ‘Aquastroll’ được thử nghiệm 1957, hệ thống này tỏ ra khá ưu việt cho tàu cỡ
nhỏ, tính đi biển của tàu cải thiện rất cao so với các nhóm tàu khách. Hệ thống này
có đặc điểm 10-15% trọng lượng tàu được đỡ bằng cánh trước, phần còn lại cho
cánh sau.

Hình 7: Hệ thống Aquavion.
- Hệ thống cánh Canada: đó là sự kêt hợp tính tốt của hai hệ thống Supramar
và Aquavion . Trong hệ thống kết hợp này người ta sử dụng ‘ cấu hình vịt trời’ và
6

nhờ vậy giảm thiểu tải trọng tác động trên cánh trước. Cánh trước được bố trí để có
thể đỡ được trên 90% trọng lượng tàu.
- Hệ thống Bell- Baldwin: Hệ thống cánh chìm được làm nhiều thang leo bậc.
Tùy tải tác động lên hệ thống cánh thay đổi vận tốc, cánh cho phép nhiều hoặc ít
bậc thang này chìm trong nước. Vận tốc càng nhanh số bậc thang chìm càng ít và
cách làm này đóng vai trò thiết bị này đóng vai trò thiết bị điều chỉnh lực nâng cánh.
- Hệ thống tự điều chỉnh của hải quân Hoa Kì: Loại tàu cánh ngầm này vẫn
đang dẫn đầu về khả năng làm việc trên biển có sóng sâu. Có hệ thống điều khiển tự
động nhằm thay đổi góc tấn cánh bằng hệ thống truyền thủy lực.
1.2.3 Hình ảnh về một số tàu cánh ngầm trên thế giới.
Hình 8: Volga-red hydrofoil.

Hình 9: “Victorian styled” hydrofoil.
7

Hình 10: Morden hydrofoil “aliscafo”, seen in Italy.

Hình 11: Raketa “Rheinpfeil” trên sông Rhine ở Đức, 1986.

Hình 12: Soviet Army hydrofoils.
8


Hình 13: The USS Planview (USA).

Hình14: The USS Pegasus (USA).

Hình 15: U.S.Navy(Fresh).
9

1.3 Phạm vi nghiêm cứu đề tài.
Thiết kế tàu cánh ngầm sức chở 70 khách phục vụ du lịch biển, mức độ đề tài
giải quyết là thiết kế sơ bộ.
1.4 Phương pháp thiết kế.
Việc sử dùng phương pháp nào để giải quyết đề tài sẽ bị hạn hẹp trong phạm
vi nghiên cứu tính toán lí thuyết dựa vào lí thuyết cánh kết hợp với phương pháp
thiết kế tàu truyền thống và kế thừa những kết quả nghiên cứu về tàu hoạt trên cánh
trên thế giới.Trong quá trình tính toán việc tìm tuyến hình tàu mẫu của loại tàu này
không phổ biến ở nước ta nên sẽ gặp trở ngại, vì thế việc thiết kế chỉ có thể sử dụng
phương pháp tính gần đúng. Điều quan trọng ta nhận thấy điểm khác biệt lớn nhất
giữa tàu hoạt động ở chế độ nổi trên mặt nước với tàu bay trên mặt nước (tàu cánh
ngầm) đó là hệ thống cánh ngầm, còn tuyến hình tàu của thân vẫn không nhận thấy
sự khác biệt lớn. Vì thế việc thiết kế phần thân của tàu cánh ngầm vẫn theo phương
pháp thiết kế truyền thống. Tính toán các thông số hình học chính của tàu, thiết kế
tuyến hình, thiết kế kết cấu, bố trí chung và tính toán tính năng của tàu. Tính toán
cánh sẽ dựa vào công thức lí thuyết với những kết quả khảo sát của một số loại cánh
phổ biến. Tàu cánh ngầm vẫn thuộc loại tàu chạy nhanh vì vậy tuyến hình tàu sẽ
thuyên về tàu tuyến hình tàu lướt để có sức cản thân tàu thấp rất có lợi cho tàu trong
việc chuyển từ chế độ lướt sang chế độ bay.

10

CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU TÀU CÁNH NGẦM
Cơ sở quan trọng nhất trong thiết kế tàu cánh ngầm phải dựa trên lí thuyết
thủy động lực cánh kết hợp với lí thuyết tàu thiết kế tàu.
2.1 Động lực học cánh.
Lực nâng cánh xuất hiện khi cánh được đặt trong dòng chảy bao cánh, do
chênh lệch áp lực thủy động giữa hai cánh. Theo định luật Bernoulli sự khác nhau
giữa tốc độ của dòng bao cánh, tính cho mặt trên và mặt dưới, dẫn đến thay đổi áp
lực tại hai mặt đó, nếu so với áp lực p
0
tại vị trí cách xa profile cánh. Từ thí nghiệm
người ta có thể xác định các thành phần lực nâng và momen tác động lên profile
cánh trong dòng chảy.
Phân bố áp lực này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó các thành phần
quan trọng nhất là:
- Biên dạng (profile) cánh.
- Góc tấn α.
- Chiều chìm tương đối h’= h/b, h là chiều chìm cánh và b là chiều rộng cánh.
Theo lý thuyết cánh, các thành phần lực và momen tác động lên cánh trong
nước được tính theo các công thức tổng quát:
Lực nâng: F = C
L


ρV

2
A
Lực cản : R = C
D


ρV
2
A
Momen : M = C
m


ρV
2
Ab

Ký hiệu trong công thức trên:
ρ- mật độ nước, (kG.s
2
/m
4
.)
V - vận tốc dòng (cánh), (m/s).
A - diện tích mặt cắt của profile cánh (m
2
).
b-chiều rộng cánh,( m).
C
L

-hệ số lực nâng.
C
D
- hệ số lực cản.
C
m
-hệ số momen.
11

Các hệ số thủy động C
L
, C
D
, C
m
phụ thuộc vào góc tấn của profile , phụ
thuộc vào hệ số Froude, giá trị số Reynols. Đồ thị đặc trưng miêu tả quan hệ các hệ
số đang đề cập với góc tấn α được trình bày dưới đây:

Hình 16: Quan hệ hệ số lực nâng và lực cản.
Từ đồ thị người ta có thể trình bày quan hệ giữa hệ số lực nâng và lực cản
tùy thuộc vào góc tấn α
1
, i=1, 2… Đồ thị dạng sau đươc dùng để xây dựng đồ thị
quan hệ K=C
L
/C
D
, gọi là hệ số chất lượng thủy động lực cánh. Theo định nghĩa,
quan hệ K chính là tanβ - góc giữa trục C

D
với đoạn thẳng vẽ qua gốc tọa độ và
điểm xác định góc tấn trên đường cong đang nêu.
Các hệ số C
L
, C
D
, C
m
phụ thuộc vào kiểu dáng profile, tỉ lệ chiều dài trên
chiều rộng λ = l/b, chiều chìm tương đối, h’ = h/b , h là chiều chìm đầu cánh trong
nước.
Hình 17: Quan hệ C
m
, C
L
, C
D
.
12

Từ hình trên ta có thể nhận xét rằng trong giới hạn nhât định của góc tấn α,
quan hệ giữa C
L
, C
m
với góc này gần như tuyến tính, Qui luật này chỉ bị phá bỏ khi
α vượt quan giới hạn αgh gọi là góc tấn giới hạn, tại đây C
L
đạt giá trị C

Lmax
. Sau
góc tấn giới hạn lực nâng giảm nhanh chóng, thành phần sức cản tăng nhanh và như
vậy hệ số K giảm đáng kể.
Từ lí thuyết cánh, trường hợp dòng chảy bao cánh hệ số C
L
tính từ công thức
thực tế:
CL =2πsinα≈2πα, với góc tấn nhỏ, sinα ≈ α.
C
m
=
π

sin2α.
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số thủy động cánh.
2.2.1 Góc tấn α.
Góc tạo bởi dây cung cánh và phương chuyển động của dòng bao. Góc tấn α
có ảnh hưởng rất lớn đến hệ số lực nâng, lực cản và momen cánh khi góc tấn thay
đổi sẽ làm thay đổi sự phân bố áp lực tác động lên bề mặt cánh. Với trị số Rn nhất
định mỗi loại profile cánh sẽ có có một góc tấn α mà tại đó giá hệ số lực nâng đạt
cực đại và có một giá trị đạt cực tiểu.
2.2.2 Số Reynolds (Rn).
Số Reynolds là đại lượng không thứ nguyên dùng biểu thị cho độ lớn tương
đối giữa ảnh hưởng gây ra bởi quán tính và tính nhớt đối đến sự cản trở cản trở
dòng chảy.
Hệ sô Reynolds đối với cánh ngầm của tàu được xác định theo công thức:
Rn =



=
ρ
μ
.
Trong đó:
V - vận tốc dòng chảy bao quanh cánh, lấy bằng vận tốc cánh ( m/s).
d - chiều dài dây cung cánh, lấy bằng chiều rộng cánh b (m).
 – độ nhớt động học của nước lấy  = 10
-6
(m
2
/s),  = /.
 – độ nhớt động lực học của nước,  = 10
-3
(N.s/m
2
).
 – mật độ nước,  = 1000 (kg/m
3
).
13

Công thức hệ số Reynolds rút gọn: Rn = 10
6
Vb.
Trong đó: V – vận tốc cánh (m/s), b – chiều rộng cánh (m).
Hệ số Reynolds có thể phân loại các dòng chảy thành chảy tầng hay chảy rối:
- Dòng chảy có Rn ≤ 2300 là dòng chảy tầng.
- Dòng chảy có 2300≤ Rn≤ 104 , dòng chảy chuyển tiếp từ dòng chảy
tầng sang chảy rối.

- Dòng chảy có Rn ≥ 104 , là dòng chảy rối.
2.2.3 Tỉ lệ chiều dài trên chiều rộng (AR).
Tỉ lệ AR = l/b (l – chiều dài cánh, b – chiều rộng cánh) có ảnh hưởng đến hệ
số lực nâng. Tỉ lệ này càng lớn thì ảnh hưởng của nó đến hệ số lực nâng càng ít. Để
xác định sự ảnh hưởng AR đến hệ số lực nâng C
L
ta dùng sử dụng hệ số phụ thuộc
F
AR
tính theo công thức: F
AR
=


.
2.2.4 Độ chìm sâu tương đối h’.
Độ chìm sâu tương đối h’ = h/b càng nhỏ càng làm giảm hệ số lực nâng C
L
.
Để xác định sự ảnh hưởng của h’ đến hệ số lực nâng cánh, có thể sử dụng hệ số phụ
thuộc độ chìm sâu F
s
theo công thưc: F
s
= 1 - 0,222(
,

)2.
Hệ số lực nâng cánh C
L

xét đến sự phụ thuộc vào góc tấn và số Reynolds
thì lực nâng cánh có xét đến tỉ số chiều dài trên chiều rộng, độ chìm sâu tương đối,
công thức tính lực nâng cánh: F = C
L
ρ


V
2
AF
AR
F
S
.
2.3 Sức cản của tàu cánh ngầm và chế độ làm việc.
Khác với tàu nổi chạy chậm đường công sức cản tàu biểu diễn trong hệ tọa
độ sức cản – vận tốc có đặc tính sau, tại vận tốc lớn, tương ứng trường hợp thân tàu
nổi hẳn trên mặt thoáng, chỉ còn cánh chìm trong nước, sức cản toàn bộ tàu giảm
đáng kể nếu so với trường hợp tàu chưa nổi. Khi tàu đã chạy trên cánh, vận tốc tàu
tăng kéo theo tăng sức cản tăng song độ tăng không lớn như tàu nhóm chạy chậm.
Điều này có thể lý giải, khi tàu nổi diện tích tiếp nước của tàu, trong thực tế đây chỉ
là mặt tiếp nước của cánh ngầm, sức cản nước đến tàu bằng áp lực tính toán tại vận
14

tốc nhất định nhân vời diện tích của cánh, không thể quá lớn. Mặt khác ta có thể
thấy rằng, sức cản sóng là thành phần chủ yếu của sức cản toàn bộ tính cho tàu chạy
nhanh bất kì như chúng ta đã quen, trong trường hợp này không hẵn chiếm được vai
trò chủ yếu. Trong phạm vi vận tốc tương đối của tàu khoảng Fn = (1,0 - 1,5) sức
cản tàu trên cánh thường đạt giá trị lớn nhất, thậm chí lớn hơn tàu cùng cỡ song
thiết kế cho chế độ chạy chậm hoặc trung bình. Điều này có thể lí giải bằng tư thế

tàu khi chạy trên nước, trong vùng vận tốc này chưa nổi hẵn song không nằm cân
bằng trên nước. Dưới tác động lực thủy động phần lái tàu chìm sâu, phần mũi nhô
lên cao hơn, dòng chảy bao thân tàu không mấy thuận lợi cho hoạt động tàu, sức
cản tàu tăng. Chỉ khi vượt qua khỏi ‘đỉnh’ sức cản, tàu nổi hẵn, diện tích tiếp nước
tàu còn lại rất nhỏ, tàu trở lại vị trí cân bằng trên hai hệ thống cánh, sức cản tàu
giảm đáng kể.
Hình 18: Đồ thị lí thuyết sức cản trên cánh.
Từ độ thị ta có thể tính sức cản ở ba chế độ làm việc như sau:
- Chế độ làm việc như tàu nổi: Trong phạm vi chế độ thấp số Froude chưa
vượt qua đơn vị.
Với F
nD
=
R = R
HULL
+ R
APP
+ .
15

- Chế độ bắt đầu nổi: Phần thân trước nổi khỏi mặt nước, cánh trước, cánh sau
còn chìm trong nước.
F
nD
1 2,3
R = R
HULL
+ R
FOIL
+ R

APP
+ R
Hình 19: Mô phỏng chế độ chế độ làm việc của tàu cánh ngầm.
- Chế độ tàu chạy trên cánh.
FnD 2 3
R = R
FOIL
+ R
APP
+ R
AIR
+ R
- Sức cản không khí cần tính theo công thức cải biên sau đây.
R
AIR
= C
WIN
ρ
A
(V+2).2.A
1
.

Hệ số C
win
dùng cho tàu đang đề cập C
win
0,4 0,6; ρ
A
– mật độ không khí,

tính bằng 0,125 kg.s
2
/m
4

Trong đó:
R
FOIL
– Sức cản vỏ tàu.
R
APP
– Sức cản các chi tiết lồi.
R
AIR
– Sức cản không khí.
∆R - Sức cản bổ sung khi chạy trên sóng .
2.4 Ổn định tàu trên cánh.
Trong chế độ làm việc như tàu nổi các phép tính ổn định dành cho tàu nằm
trên cánh không khác như tính cho tàu thông dụng.
16

Tại chế độ chạy trên cánh, thân tàu nổi hẳn lên mặt nước, các lực tác động
lên tàu không giống nhau như mô hình sử dụng cho giai đoạn trước lực nổi không
mang giá trị như ban đầu do vậy tính ổn tàu không xét như tàu nổi thông dụng. Các
mô men tham gia quá trình nghiêng ngang tàu trên cánh, xét cho chế độ tàu nổi trên
nước như sau:
M = M
R,F
+ M
R,A

+ M
RUD
+ M
APP
.
Trong đó:
M
R,F
và M
R,A
– Momen phục hồi từ cánh trước và cánh sau, đang chìm trong
nước, M
RUD
– momen nghiêng từ phía bánh lái.
M
APP
- Momen nghiêng do tác động chi tiết lồi.
Trong thực tế hai thành phần sau có thể mang giá trị dương và cùng hướng
với momen phục hồi, cũng có thể mang giá trị âm cùng hướng với momen nghiêng
tàu. Hai giá trị thành phần này không lớn do vậy trong phép tính ổn định có thể bỏ
qua hai thành phần cuối, chỉ giữ lại hai thành phần momen phục hồi do cánh tạo ra
do nghiêng tàu.