Giáo trình Thiết bị tàu thủy

THIEÁT BÒ
TAØU THUÛY
TÀI LIỆU HỌC TẬP
GIÀNH CHO SINH VIÊN KHOA ĐÓNG TÀU VÀ CÔNG T
R
ÌNH NỔI











TP HỒ CHÍ MINH 6/2009

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: THIẾT BỊ LÁI 6
1. Giới thiệu các kiểu bánh lái. Lực thủy động tác động lên bánh lái 6

2. Kết cấu bánh lái 27
3. Ống đạo lưu quay 60
4. Hệ thống lái. Máy lái 76
CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ NEO 95
1. Bố trí hệ thống neo trên tàu 95
2. Neo tàu thủy 98
3. Xích neo 116
4. Tính toán đảm bảo độ bền neo 122
5. Buộc đầu xích neo 124
6. Thiết kê lỗ luồn xích neo, giữ neo 127
7. Hãm xích neo 129
8. Ống dẫn xích vào thùng xích 130
9. Thùng xích 132
10. Máy kéo neo 135
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG BUỘC TÀU 139
1. Hệ thống buộc tàu 139
2. Thiết bò bộc dây 147
3. Thiết bò đỡ dây 149
4. Tthiết bò luồn dây 158
5. Trống cuộn dây 164
6. Qủa đệm 166
CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ KÉO 170
1. Bố trí thiết bò lai, kéo trên tàu 171
2. Thiết bò của hệ thống kéo 173
3. Tời kéo 182
CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ CẨU HÀNG 185
1. Bố trí thiết bò cẩu hàng trên tàu chở hàng 186
2. Hệ thống cần cẩu nhẹ 187
3. Hệ thống cẩu nặng 188
4. Bố trí cần cẩu trên tàu 193

5. Tính toán, thiết kế cần cẩu, cột cẩu và các chi tiết hệ thống cẩu 196
6. Tời nâng hạ 226
7. Nắp hầm hàng 227
CHƯƠNG 6: THIẾT BỊ CỨU SINH 230
1. Phương tiện cứu sinh 230
2. Cẩu xuồng 241
3. Tời nâng hạ hệ thống cứu sinh 264
TÀI LIỆI THAM KHẢO

Giới thiệu

Cuốn sách THIẾT BỊ TÀU soạn theo đề cương môn học “Thiết bò tàu” được
Hội đồng Khoa học Khoa Đóng tàu và Công trình nổi thông qua năm 2002. Nội dung
trình bày trong sách bao gồm các vấn đề: Hệ thống lái , bánh lái, máy lái, thiết bò neo,
các neo tàu, máy kéo neo, hệ thống buộc, chằng tàu, thiết bò kéo tàu, thiết bò nâng hạ
dùng trên tàu, từ cần cẩu nhẹ đến cần cẩu nặng, các tời nâng hạ và thiết bò cứu sinh
phù hợp các Công ước quốc tế về an toàn hàng hải.
Sách được chuẩn bò trong thời gian dài song chưa tránh được các sai sót, trong
đó có sai cách dùng thuật ngữ hoặc tiếng nước ngoài. Tuy nhiên để kòp phục vụ bạn
đọc Khoa Đóng tàu và Công trình nổi xin phép đưa sách thành tài liệu học tập.
Các ý kiến đóng góp để sách đúng và thực tế hơn đề nghò bạn đọc gửi về Khoa
Đóng tàu và Công trình nổi, Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh.



Mở đầu
Thiết bò tàu, hay còn gọi sát nghóa hơn thiết bò trên boong (
deck equipment
)
đảm bảo cho tàu khai thác, vậïn hành an toàn và hiệu quả. Những thiết bò nhất thiết

phải có mặt trên tàu, không phân biệt kiểu tàu, chức năng : lái, neo, chằng buộc, cứu
sinh, kéo, nâng hạ. Ngoài thiết bò chung những tàu chuyên dụng phải được trang bò
thêm thiết bò theo công năng tàu. Tàu kéo, đẩy cần thiết đủ phương tiện kéo hoặc
đẩy công trình nổi, phương tiện nổi trên nước. Tàu chở container trang bò đủ phương
tiện bốc dỡ container nếu tàu phải phục vụ những vùng thiếu cẩu chuyên bốc xếp
hàng thùng trên bờ, phải có đủ phương tiện giữ thùng, buộc thùng. Tàu chở sà lan
trang bò hệ thống nâng hạ đủ sức nâng để đưa những sà lan nặng hàng trăm tấn vào
và ra tàu. Thiết bò tàu RO-RO đảm bảo vận chuyển hàng theo phương thức “lăn vào”,
“lăn ra” mà không cần nâng – hạ.
Những thiết bò chung đề cập trong giáo trình khoanh vùng trên hình A.


Hình A.
Bố trí thiết bò chung trên tàu vận tải

1 – thiết bò lái (steering ), 2 - thiết bò kéo (towing) , 3 – thiết bò chằng, buộc tàu
(mooring), 4 – thiết bò nâng – hạ hàng (cargo handling), 5 – thiết bò cứu sinh (lifesaving
equipment, survival crafts), 6 – thiết bò neo (anchor handling), 7 – chân vòt lái
(thrusters).
Các hệ thống này trình bày chi tiết hơn trong các chương giáo trình.
THIẾT BỊ LÁI 5
CHƯƠNG I
THIẾT BỊ LÁI
Thiết bò lái đảm bảo cho tàu có tính ăn lái, hiểu theo nghóa tàu có khả năng quay vòng
và tính ổn đònh hướng đi. Tàu phải đủ năng lực giữ được hướng đi người điều khiển đã đònh
trong suốt hành trình, mặt khác có khả năng quay trở tàu sang trái, phải theo yêu cầu cũng của
người điều khiển. Những thiết bò đảm bảo tính ăn lái làm việc cùng trên một nguyên tắc: tạo
lực ngang tác động lên tàu bắt tàu quay theo ý người điều khiển. Các thiết bò thông dụng đang
dùng trên tàu gồm: 1) bánh lái tàu (rudder), 2) ống đạo lưu quay (ducted propeller), 3) thiết bò
chỉnh dòng của máy phụt nước (waterjet) và 4) chân vòt lái (thruster).

Bánh lái tàu có dạng tấm phẳng hoặc tấm dạng cánh với mặt cắt ngang profile cánh
máy bay, đặt sau tàu, trong vùng chòu tác động dòng chảy sau chân vòt tàu. Dưới tác động dòng
chảy đang đề cập, trên bánh lái bò bẻ sang trái hoặc phải xuất hiện lực thủy động R
r
, vuông góc
với mặt bánh lái. Từ lực này có thể phân thành hai thành phần, Y
r
vuông góc mặt cắt dọc tàu, tác
động ngang tàu, X
r
dọc tàu.
Nếu làm bài tập cơ học đơn giản
với các thành phần lực có mặt tại hình 1.1
có thể thấy, tại trọng tâm G của tàu đặt
hai thành phần lực tác động ngang tàu,
ngược chiều nhau, giá trò tuyệt đối bằng
Y
r
, ký hiệu Y
r
’ và Y
r
’’, mômen ngẫu lực
tính bằng tích Y
r
. LCG sẽ quay tàu quanh
trục đứng qua trọng tâm. Thành phần Y
r
’
xô tàu sang ngang còn X

r
bổ sung vào sức
cản tàu, làm tàu chạy chậm lại. Trong
công thức nêu trên, LCG là khoảng cách từ
vò trí đặt lực Y
r
đến trọng tâm G, tính trên
trục dọc tàu.

Hình 1.1 Quay vòng tàu
Dưới tác động momen ngẫu lực đang nêu,
khi bánh lái còn bò bẻ sang góc δ như đang
đề cập tàu sẽ quay vòng. Quá trình quay
vòng này đạ được xem xét trong “
Động lực
học tàu
”.
Vòng tròn tàu quay trong chế độ quay vòng ổn đònh có thể làm thước đo tính quay trở
của tàu, tùy thuộc vào thiết kế hệ thống lái. Tỷ lệ đường kính quay vòng ổn đònh với chiều dài
tàu thay đổi từ 1 đến 7 trên các tàu đang khai thác. Tỷ lệ này mang giá trò nhỏ dùng cho các tàu
đòi tính quay trở cao như tàu kéo, tàu sông. Tàu vận tải đi biển có tỷ lệ này khá lớn.
1. Giới thiệu các kiểu bánh lái.
Bán lái tàu rất đa dạng. Dựa vào các tiêu chuẩn khác nhau người ta phân loại bánh lái
như sau:
• Bánh lái cân bằng (
balanced rudder
)
6 Chương 1
• Bánh lái không cân bằng (
unbalanced rudder

)
• Bánh lái nửa cân bằng (semi
balanced rudder
)
Trục quay lbánh lái cân bằng qua điểm gần với điểm đặt lực thủy động, còn trên bánh lái
không cân bằng trục nằm xa điểm đặt lực.
Tùythuộc bố trí trục quay có thể phân biệt bánh lái quay trên cối hoặc bánh lái treo nếu
không quay trên cối.

Hình 1.2
Các kiểu bánh lái tàu

Đặc trưng hình học tbánh lái trình bày tại hình 1.3.
• Diện tích bánh lái, ký hiệu A
f
hoặc A, là diệ tích hình chiếu bánh lái về mặt cắt dọc
giữa tàu.
• Chiều cao bánh lái h – khoảng cách từ mép dưới bánh lái đến mép trên.
• Diện tích phần trước, tính từ trục quay bánh lái, A
b
, còn gọi là diện tích cân bằng của
bánh lái.
• Chiều rộng bánh lái b – khoảng cách tính từ mép trước đến mép sau bánh lái hình chữ
nhật. Trường hợp chung b tính theo công thức A/h.
• Chiều dài tương đối bánh lái tính từ biểu thức:
()
A
h
hA
h

2
/
==
λ

• Tỷ lệ
A
A
k
b
=
gọi bằng tên “bù trừ”
THIẾT BỊ LÁI 7


Hình 4.
Bánh lái chủ độn
g

Hình 1.3
Đặc trưng hình học bánh lái

Ngoài các kiểu bánh lái nêu tại
hình 2, kích thước trình bày tại hình 3,
người ta còn sử dụng bánh lái chủ động,
hống.4. Đặc điểm nổi bật của bánh lái
ch3 động là ngay trên bánh lái 1 gắn một
chân vòt tàu cỡ nhỏ 2, do động cơ thủy
lực, công suất không lớn 3 lai. Đường ống
thủy lực 5 luồn trong cần quay bánh lái 4,

nối với thiết bò thủy lực của tàu. Chân
vòt nhỏ 2 tạo lực đẩy bổ sung, trong
trường hợp bánh lái nằm thẳng chính giữa
tàu lực bổ sung đẩy tàu về trước, khi
bánh lái đang bò bẻ sang bên, lực đẩy
này xô đuôi tàu sang cạnh và như vậy
tàu phải thực hiện động tác quay trở mà
không phụ thuộc vào vận tốc tiến của
tàu.

8 Chương 1
Profile cánh dùng làm bánh lái
Profile đang dùng thuộc nhóm đối xứng, tọa độ y
u
trên trục ngang và y
d
dưới trục ngang
như nhau, hình 1.5. Chiều dày profile được hiểu là đại lượng t = |y
u
| + |y
d
|. Trong sử dụng chúng
ta thường tiếp xúc với tỷ lệ giữa chiều dày lớn nhất t
max
và chiều rộng b profile, gọi là chiều
dày tương đối.
b
t
t
max

=
(1.1)
Những profile dùng làm bánh lái tàu thuộc nhóm profile qua thử nghiệm tại các phòng
thí nghiệm thủy khí có uy tín NACA, Ц А Г И, JfS, Gưttingen vv…
Tên gọi cùng các con số đi liền profile thường mang ý nghóa trình bày đặc tính hình học
chính profile đó. Profile đối xứng của NACA, chiều dày tương đối 12% viết dưới dạng
NACA0012, trong đó 00 miêu tả đường tâm thẳng, 12 chỉ rõ
t
= 12%.
Profile đang được dùng rộng rãi giới thiệu tại hình 1.5. Toạ độ profile
y
, %, các profile
NCA, ЦА Г И và НЕЖ đọc theo bảng sau, trong đó x, %, tính từ mép trước, y, %, tính từ
đường tâm (trục Ox). Nửa chiều dày profile tính theo công thức sau:
bt
y
y ××±= %
100
(1.2)
Bảng 1.1
x, % 0 0,5 0,75 1,0 1,25 1,75 2,5 3,25 5,0 7,5 10,0
NACA 0 6,2 10,3 14,1 15,8 18,6 21,8 24,5 29,6 35,0 39,0
ЦА Г
И
0 10,3 14,5 20,5 22,7 26,7 31,0 34,8 41,0 46,2 48,3
НЕЖ
0 6,8 10,8 14,8 16,6 19,2 22,6 27,0 31,1 36,9 41,0
Bảng 1.1 tiếp
x, % 15,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 95,0 100
NACA 44,6 47,8 50,0 48,8 44,0 38,0 30,5 21,9 12,1 6,7 1,1

ЦА Г
И
49,8 49,8 46,1 38,7 29,4 21,8 15,1 9,2 4,5 2,5 1,0
НЕЖ
46,0 49,0 49,5 47,0 40,9 33,4 24,0 15,0 7,5 3,0 0






Hình 1.5.
Profile dùng làm bánh lái


THIẾT BỊ LÁI 9
Tài liệu [8] trình bày đủ toạ độ các profile IfS, trang 22 và 23, dùng trong khi thiết kế
bánh lái cân bằng. Bạn đọc tìm thấy các bảng số tương tự trong bản dòch tiếng Việt, sách [5],
trang 28, 29, 30 tập I.
Đặc tính thủy động lực bánh lái
Các đặc tính thủy động lực thu được từ các phòng thí nghiệm thủy khí khi thử các profile
được trình bày dưới dạng các hệ số không thứ nguyên quen thuộc. Từ hai thành phần xuất
hiện trên cánh đặt xiên góc α với dòng chảy vận tốc v, gồm 1) lực nâng (Lift - L) và 2) lực cản
(Drag – D) có thể tập họp thành lực toàn phần Z.
Từ Z có thể phân thành hai thành phần gồm thành phần pháp tuyến bánh lái N và tiếp
tuyến T. Mối quan hệ giữa các thành phần như chúng ta đã làm quen khi tìm hiểu lý thuyết chân
vòt, hình 1.6.
⎪
⎪
⎪

⎭
⎪
⎪
⎪
⎬
⎫
+=
−=
−=
+=
+=+=
αα
αα
αα
αα
cossin
sincos
sincos
sincos
2222
TND
TNL
LDT
DLN
TNDLZ
(1.3)

Hình 1.7
Đặc tính
profile NACA0012

Hình 1.6
Lực tác động lên bánh lái

Lực Z tạo momen quay tại điểm cách mép trước bánh lái khoảng cách a: M = N( x – a).
Hệ số không thứ nguyên các lực nêu trên được viết dưới dạng.
Hệ số lực nâng:
r
L
A
L
C
2
v
2
ρ
= (1.4)
Hệ số lực cản:
r
D
A

D
C
2
v
2
ρ
= (1.5)
Hệ số momen quay:
bA
M
C
r
m
2
v
2
ρ
=
(1.6)
10 Chương 1
Các hệ số thủy động lực các profile cánh dài vô tận có dạng đặc trưng như trình bày tại
hình 1.7.
Dưới đây giới thiệu tài liệu trích từ công bố công khai của NACA, trình bày đặc tính thủy
động lực bánh lái với profile 0012, chiều dày tương đối 12%, tỷ lệ λ = 0,8, thử cho trường hợp
tiến và lùi.

Hình 1.8.
Đặc tính thủy động lực bánh lái hình chữ nhật, profile NACA-0012.
Hình 1.9 tiếp tục giới thiệu đường đặc tính thủy động lực bánh lái hình chữ nhật, làm từ
profile thoát nước NACA-0012, tỷ lệ λ thay đổi. Thí nghiệm tiến hành cho trường hợp tiến, hình

bên trái và chạy lùi, hình bên phải.
THIẾT BỊ LÁI 11


Hình 1.9
Đặc tính thủy động lực bánh lái hình chữ nhật, profile NACA-0012

Với cánh có sải ngắn, bánh lái tàu thuộc nhóm đó đặc tính thủy động lực thay đổi khá rõ
nét, tùy thuộc chiều dài sải cánh. Hình 1.10 trình bày sự đổi thay hệ số lực nâng profile
NACA0015, với λ (
aspect ratio
) thay đổi từ 0,2 đến 5.
Hình 1.11 trình bày các hệ số C
L
, C
N,
C
m
cho các dạng profile khác nhau song có cùng
tỷ lệ λ = 1.
12 Chương 1

Đặc tính thủy động lực bánh lái làm từ tấm phẳng, chiều dày tương đối tấm khác nhau,
theo công bố của tác giả người Đức H. Thieme, năm 1961 và 1962 như sau, bảng 1.2

Hình 1.11
Hệ số lực nâng, lực cản và momen
tron
g

qu
an he
ä
với
g
óc tấ
n

Hình 1.10
Quan hệ giữa lực nâng và góc tấn

THIẾT BỊ LÁI 13

Kết quả thí nghiệm cho phép xác lập quan hệ giữa hệ số momen C
m
và hệ số C
N
, tùy
thuộc dạng profile và chiều dày tấm, trường hợp λ = 1 như tại hình 1.12.

Hình 1.12.





14 Chương 1
Đặc tính thủy động lực bánh lái làm việc riêng lẻ tổng kết từ thí nghiệm mô hình được thể
hiện dạng công thức gần đúng sau.
Kết quả thử giới thiệu tại hình 8 cho phép viết biểu thức xác đònh hệ số C
L,
theo [5]:
α
α
α
0=
=
d
dC
C
L
L
, trong phạm vi góc tấn đến 10 - 15° (1.6)
Nếu ký hiệu
∞
∞==
= a
d
dC

L
λα
α
;0
, công thức tương tự (6) do Prandtl đề nghò có dạng:
α
λ
×
+
=
∞
2
1
a
C
L
(1.7)
Hệ số C
N
và C
m
tính theo công thức gần đúng:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

+=
2
1
3
α
LN
CC
với 0,8 < λ < 2,5 (1.8)
Hệ số momen quay bánh lái tính tại vò trí cách mép trước khoảng cách a được biết là:
b
a
CCC
Nmma
−=
0
(1.9)
Hệ số C
m0
– tính tại mép trước, khi a = 0; chiều rộng bánh lái b, tính từ mép trước đến
mép sau.
Nmm
CCC 25,0
025,0
−=
(1.10)
Công thức xác đònh hệ số lực nâng, lực cản và momen quay tính đến trường hợp phi
tuyến, thể hiện tại tài liệu “
Principles of Naval Architecture
”, SNAME, 1976 và 1980 có dạng:
2

0
α
λ
α
α
α
DL
L
CC
C +
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
=
=
(1.11)
D
L
C
L
m
m
C
C
C

C
C
L
λ
α
α
α
2
25,0
3,57
1
2
0
0
25,0
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢

⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
−=
=
=
(1.12)
trong đó α tính bằng radian.
;
4
cos
cos8,1
8,1
4
2
0
+
Λ
Λ+

=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
=
λ
πλ
α
α
L
C
(1.13)
()
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
+
++
−=
⎟

⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
=
2
14555,0
15,0
2
0
α
α
L
C
L
m
C
C
(1.14)
THIẾT BỊ LÁI 15
trong đó Λ - góc giữa trụ đứng và ¼ chiều rộng mép dưới, hình 1.13; C
D
- hệ số cản,
hình 1.14.

Hình 1.13 Hình 1.14
Mặt khác theo các tác giả Whicker và Fehlner (1958), Johnes (1952) hệ số C
D
có dạng:
e
C
CC
L
dD
πα
2
0
+= (1.15)
trong đó: C
d0
– hệ số cản bé nhất, = 0,0065 cho NACA 0015,
e - hệ số “Oswald” = 0,90
Ảnh hưởng sống đuôi đến đặc tính thủy động lực bánh lái đặt sau
Từ các hình 3b, 3c, 3d có thể nhận xét rằng bánh lái treo cân bằng hoặc không cân bằng
luôn đặt sau chi tiết thuộc thân tàu gọi là sống đuôi, đóng vai trò phần kéo dài bánh lái về
trước. Ảnh hưởng phần cố đònh này đến các đặc tính thủy động lực bánh lái thể hiện khá rõ
ràng. Vẽ lại cấu hình bánh lái từ hình 3 đang nhắc thành hai dạng đặc trưng sau đây khi xem
xét lực thủy động tác động lên phần bánh lái quay, hình 1.15a và 1.15b.

Hình 1.15
16 Chương 1

Hình 1.16.
Trên đồ thò đường cong nằm thấp hơn trình bày lực nâng lúc bánh lái khi góc bẻ lái 30 -
40° do hai thành phần bánh lái, phần cố đònh không quay chiếm 25% diện tích và phần quay

thực tế chiếm 75% diện tích thực hiện. Nếu so với lực nâng do bánh lái có 100% diện tích đang
nêu quay, nói cách khác phần cố đònh được chuyển hóa thành thành phần chính thức của bánh
lái đanh thiết kế để bò quay khi bẻ lái, lực nâng bánh lái kể đầu chỉ chiếm 90%. Trên đồ thò đang
nêu còn trình bày kết quả tính kiểm tra của các tác giả người Mỹ thực hiện 1959, ghi lại tại các
vòng tròn nhỏ, chứng minh đầy đủ, sống lái ảnh hưởng đến đặc tính thủy động bánh lái sau nó.
Từ dữ liệu do Bottomley cung cấp có thể viết biểu thức tính hàm k
R
trình bày quan hệ
giữa lực nâng cụm bánh lái có phần cố đònh C
LRR
và C
LR
tính cho bánh lái không có sống đuôi,
dạng sau:
k
R
= 1,872a - 0,591a
2
- 0,281a
3
(1.16)
trong đó
R
RR
A
A
a =
; A
RR
– diện tích bánh lái sau sống lái cố đònh và A

R
– diện tích bánh lái
không có sống lái.
Công thức gần đúng tính hệ lực nâng bánh lái sau sống đuôi:
RR
RP
LRP
RR
R
LRRLR
A
A
C
A
A
CC −=
(1.17)
trong đó C
LRP
tính theo công thức kinh nghiệm, dùng khi tính lực nâng sống đuôi: C
LRP
=
(1,69 - 0,89b)C
LRR
với b = b
m
/ b
tb
; b
m

– chiều rộng trung bình bánh lái, b
tb
- chiều rộng trung
bình, tính cả sống đuôi.
Để ý đến ảnh hưởng này công thức tính lực nâng trên bánh lái sau sống đuôi có dạng:
RRLRRRLRRRR
ACkA
v
CL
2
v
2
22
ρρ
== (1.18)

THIẾT BỊ LÁI 17
Ảnh hưởng hoạt động chân vòt, thân tàu đến lực thủy động bánh lái
Bánh lái đặt ngay sau tàu chòu ảnh hưởng trực tiếp của thân tàu và thiết bò đẩy tàu,
phần lớn trong số đó là chân vòt tàu, đặt tại khu vực này. Thân tàu như vật thể kích thước lớn
“chạy” trước bánh lái, gây thay đổi hoặc xáo trộn đường dòng đến thiết bò này, và hậu quả là hệ
thống lực thủy động tác động lên bánh lái cũng bò đổi thay theo. Thiết bò đẩy tàu đặt ngay trước
bánh lái làm cho đường dòng đến bánh lái thay đổi theo hoạt động thiết bò đẩy và gây ra thay
đổi lực thủy động của hệ thống.
Ảnh hưởng thân tàu
Các lực thủy động tác động lên bánh lái sau tàu bò đổi thay trong quá trình thân tàu
chuyển động do những nguyên nhân trực tiếp:
- Thay đổi vận tốc tiến của tàu khi hoạt động
- Ảnh hưởng thành phần vận tốc ngang dòng chảy vào bánh lái
- Thay đổi hệ số λ bánh lái tàu do thay đổi góc lái, hình chiếu bánh lái trong vùng đặc

biệt này .
Ảnh hưởng thân tàu, chủ yếu ảnh hưởng hình dáng phần chìm của tàu, bố trí bánh lái và
thao tác tàu, những yếu tố trực tiếp gây ra thay đổi dòng chảy quanh tàu và sau tàu. Trong tính
toán tính ăn lái và tính giữ hướng chúng ta đã làm quen cách xác đònh góc tấn dòng chảy so với
bánh lái trong điều kiện bánh lái bò bẻ sang góc nghiêng và góc dạt xác đònh. Góc tấn được tính
bằng công thức:
α
R
= δ ± χ
R
β
R
(1.19)
trong đó δ - góc bẻ lái, β
R
- góc dạt, χ
R
– hệ số hiệu chỉnh.
Mặt khác góc β
R
tính theo biểu thức:
βε
βε
β
εϖ
β
εϖ
ββ
sin1
cos

sin
v
1
cos
v
Ω+
Ω
+
+
+= arctgarctg
R
(1.20)
trong đó β - góc dạt tính tại trọng tâm tàu,
L
l
=
ε
, l - khoảng cách từ trục lái đến trọng tâm tàu,
L – chiều dài tàu;
0
v
L
ωϖ
=
- vận tốc góc không thứ nguyên,
0
v
v
v =
- giảm tốc tương đối, và

v
v
ϖ
ω
==Ω
L
.
Vận tốc dòng chảy thực tế qua bánh lái sau thân tàu tính theo công thức quen thuộc: v
R

= v
R
’(1 - w
R
), với v
R
’ – vận tốc cụm thiết bò máy đẩy, w
R
- hệ số dòng theo. Hệ số này tính
theo các công thức kinh nghiệm, dựa vào hình 16 dưới đây.


18 Chương 1
(
)
uHhwCw
BR
/18,025,068,0
1
+

Δ
+
−
=
(1.21)

Hình 1.17
Δw = 0 giành cho tàu đuôi Transom; = 0,18 cho đuôi tuần
dương,; u = 1,0 khi bánh lái đặt tại mặt cắt dọc giữa; u = C
B
+ 0,15
gìanh cho bánh lái đặt lệch tâm.
Dùng cho hình 16b:
u
H
hh
wCw
BR
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
+Δ+−=
21
2
18,043,068,0
(1.22)

Dùng cho hình 16c:
() ()
R
R
A
wFwF
w
2
22
2
11
11
1
−+−
−=
(1.23)
trong đó:
u
H
lh
wCw
B
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
+Δ+−=

11
1
2
18,043,068,0

u
H
lh
wCw
B
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
+Δ+−=
22
2
2
18,043,068,0

Nếu ký hiệu k
H
= (1 - w
R
)
2
, công thức tính lực pháp tuyến N và momen tính tại trục lái

sẽ mang dạng:
RHN
AkCN
2
v
2
ρ
= (1.24)
RHm
bAkCM
2
v
2
ρ
= (1.25)
Ảnh hưởng chân vòt
Có mặt chân vòt tại vùng đuôi tàu làm thay đổi bức tranh dòng chảy đến bánh lái, nằm
ngay sau chân vòt. Vận tốc trung bình dòng chảy đến bánh lái tính theo lý thuyết chân vòt:
(
)
11vv −+=
RPm
C
(1.26)
trong đó v
P
- vận tốc dòng đến chân vòt ; C
R
– hệ số tải chân vòt tính bằng biểu thức:
2

8
J
K
C
T
R
π
=
(1.27)
hoặc
22
v
)1/(8
D
tT
C
R
πρ
−
=
(1.28)
Lực đẩy T tính cho chân vòt đang được dùng trên tàu.
Thành phần N và M trong trường hợp này mang dạng:
R
xm
NP
ACN
2
v
2

ρ
= (1.29)
)(
2
v
2
v
2
2
PR
H
NOP
xm
NP
AACACM −+=
ρ
ρ
(1.30)
THIẾT BỊ LÁI 19
Hệ số C
NP
tính cho phần bánh lái nằm trong vùng tác động của dòng sau chân vòt, C
NO
-
tính cho phần nằm ngoài dòng sau chân vòt. Công thức tính v
x
được viết lại như sau:
RRmRxm
C+=+= 1vvvv

Ví dụ dưới đây trình bày cách tính lực thủy động tác động bánh lái sau tàu trình bày tại
hình 17. Bánh lái sau tàu được chọn với các kích thước sau.
Diện tích bánh lái A
R
= 11,4 m
2
. Chiều cao h = 3,30m; chiều rộng b = 3,6m; Chiều dài
tương đối
R
A
h
2
=
λ
= 0,95. Chiều dày tương đối bánh lái
=t
0,12.
Khoảng cách a từ mép dẫn đến trục lái a = 0,85m, hệ số bù trừ 0,21.

Hình 1.18
Bánh lái sau tàu

Vận tốc tàu V
s
= 17,5 HL/h.
Có thể chọn profile NACA 0012, với các đặc tính thủy động lực nêu tại bảng 1.1 khi
tính lực thủy động.
Ảnh hưởng thân tàu và chân vòt:
v
H

= 0,5144.V
S
.( 1 – w
R
) = 7,0 m/s, với w
R
= 0,27 .
2
v
2
1
HP
R
A
T
C
ρ
=
= 28500/ (51. 5,72. 6,2
2
) = 2,54.
Trong đó ρ = 102, A
P
= 5,72m
2
.
20 Chương 1
Hệ số ảnh hưởng bố trí chân vòt có thể xác đònh bằng đồ thò, trích từ sách của tác giả
người Nga M. H. Shmakov “
Thiết bò lái tàu

”, 1968, hình 44, trang 76 như sau.

Hình 1.19a
Đồ thò k = f( x/D
P
) theo Shmakov
.
Với x = 1,5m, D
P
= 2,7m k = 1,74.
Hệ số tăng lực ngang bánh lái, theo đồ thò 43, trang 75, sách đang đề cập và được trích
lại tại đây, mang giá trò 2,3.

Hình 1.19b.
Đồ thò k
P
= f( C
R
/2) theo Shmakov
.
Tỷ lệ giữa diện tích nằm trong vùng tác động dòng sau chân vòt A
P
và diện tích bánh lái
A
R
trong trường hợp này bắng 0,84. Hệ số ảnh hưởng dòng chảy được tính theo biểu thức:
2
12
2
2

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
+=Δ
R
C
kk
= 0,88
Hệ số ảnh hưởng tác động chân vòt:
(
11 −Δ+=
P
R
P
k
A
A
χ
)
= 1,86
Lực thủy động tác động lên bánh lái sau tàu đọc theo bảng 1.3 sau.

THIẾT BỊ LÁI 21

Bảng 1.3
Góc bẻ lái, (°)
Công thức
5 10 20 25 30 35
TIẾN
C
L
0,150 0,311 0,695 0,90 1,12 1,34
C
D
0,018 0,042 0,159 0,250 0,384 0,60
C
dR
0,190 0,210 0,267 0,285 0,303 0,320
sinα
0,087 0,173 0,342 0,423 0,500 0,573
cosα
0,995 0,984 0,939 0,906 0,866 0,819
C
N
= C
D
sinα +
C
L
cosα
0,150 0,310 0,711 0,921 1,170 1,440
C
Z

22
DL
CC +

0,150 0,314 0,713 0,935 0,185 1,470
N, (kG) 8000 16400 37700 48800 62000 76300
Z, (kG) 8000 16600 37800 49500 63000 78000
l
1,
(m)

0,685 0,775 0,960 1,025 1,090 1,150
l= l
1
– a
1
, (m) -0,090 -0,020 0,185 0,250 0,315 0,375
M = N.l, (kG.m) -720 -330 7000 12200 19500 28600
M
t
= 1,3M,
(kG.m)
-720 -360 9100 15800 25300 37000
LÙI
C
L
0,286 0,541 0,740 0,860 1,03
C
D
0,060 0,207 0,340 0,530 0,720

C
dR
0,844 0,770 0,700 0,678 0,636
C
N
= C
D
sinα +
C
L
cosα
0,290 0,580 0,814 1,010 1,260
N= 2600C
N
, (kG) 7500 15100 21200 26300 33000
l= C
dR
(b-a), (m) 2,19 1,93 1,67 1,59 1,43
M=N.l, (kG.m)

16400 29200 35400 41600 47000
Trong bảng tính sử dụng các thông số bổ sung:
- Khoảng cách từ mép dẫn đến trục bánh lái sau hiệu chỉnh do độ không đồng đều chiều
cao mép dẫn h’= 3,0m và chiều cao mép thoát h = 3,30m tính bằng biểu thức: a
1
= a. (h’ /h) =
0,85.(3,0/3,3) = 0,775m.
- Vận tốc chạy lùi của tàu nhận khoảng 70% vận tốc tiến, từ đó vận tốc tính toán khi
lùi v
lùi

= 0,7.0,515. V
S
.k
cv
= 0,67 m/s, trong đó hệ số k
cv
do ảnh hưởng dòng chảy chân vòt tính
bằng 1,06 trong trường hợp cụ thể.
Xác đònh diện tích bánh lái
Diện tích bánh lái tỷ lệ thuận lực bẻ lái, công thức (1.24) và (1.25). Chọn giá trò cho
diện tích bánh lái tàu đang thiết kế bằng cách chọn từ tàu đồng dạng đã có tính ăn lái và quay
vòng tốt. Trường hợp không đủ dữ liệu tàu mẫu có thể sử dụng dữ liệu thống kê, sách [3], xác
đònh diện tích A
R
. Theo tổng kết của Henschke tỷ lệ giữa diện tích A
R
và Lxd: K =
dL
A
R
×
,
trong đó L – chiều dài tàu, d – chiều chìm tàu, nằm trong giới hạn sau.
Tàu một chân vòt 1,6 – 1,9
Tàu hai chân vòt 1,5 – 2,1
22 Chương 1
Tàu dầu 1,3 – 1,9
Tàu khách cỡ lớn 1,2 – 1,7
Tàu ven biển 2,3 – 3,3
Tàu cá biển gần 2,5 – 5,5

Tàu kéo chạy biển 3,0 – 6,0
Tàu hoa tiêu, phà 2,5 – 4,0
Thuyền chạy nhanh 4,0 – 5,0
Tàu cao tốc deep vee 5,0 – 12,0
Theo DNV diện tích bánh lái tàu không được nhỏ hơn giá trò tính theo công thứv kinh
nghiệm song mang tính bắt buộc:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
+
×
=
75
150
75,0
100
l
dL
A
R
, (m
2
)
Theo tác giả người Nga G.V. Sobolev, tỷ lệ K phải thỏa mãn bất đẵng thức:
33
2,7

03,0
2,6
023,0
−
×
<<
−
× BC
L
K
BC
L
BB

với C
B
– hệ số béo thể tích, B – chiều rộng tàu tính tại đường nước thiết kế, đo bằng m.
Đồ thò do Landsburg lập năm 1983 giúp chúng ta đánh giá diện tích bánh lái cho tàu
chở dầu và tàu hàng đi biển cỡ trung bình và lớn trình bày tại hình 1.20.

Hình 1.20.
Đồ thò A
R
= f(LxT)
THIẾT BỊ LÁI 23
Hình 1.21 trình bày khả năng quay trở tàu với bánh lái tàu diện tích A
R
. Cột đứng các đồ
thò trình bày quan hệ giữa đường vòng quay ổn đònh tàu với chiều dài tàu, tùy thuộc độ lớn góc
bẻ lái δ

R
.

Hình 1.21.
Xây dựng cấu hình bánh lái phù hợp với cơ cấu tàu
Bánh lái được đặt trong khu vực chỉ đònh, có kích thước phủ bì phù hợp với cơ cấu thân
tàu tại đó. Một trong những ví dụ thiết kế cấu hình bánh lái phù hợp với kích thước thân tàu tại
vùng chỉ đònh cùng cách bố trí thích hợp cảnh quan trình bày tại hình 1.22.

Hình 1.22
Bố trí bánh lái

24 Chương 1
Những điều quan tâm hàng đầu khi bố trí gồm:
- Khoảng cách thích hợp giữa mép trước bánh lái và chân vòt tàu nhằm đảm bảo dòng
chảy sau chân vòt đến tàu thỏa đáng và có lợi về mặt thủy động lực.
- Bánh lái quay trở sang hai bên tự do và thuận lợi .
- Tháo lắp bánh lái dễ dàng
Trong mọi trường hợp cố gắng dài tỷ lệ
λ. Các tàu mớn nước nông khó có thể đảm bảo
yêu cầu này nên chuyển sang phương án sử dụng nhiều bánh lái, nhằm tăng gía trò cho
λ. Cách
làm này còn là biện pháp không đưa bánh lái ra sau quá xa, tránh hỏng hóc do va đập những vật
lạ ngoài tàu .
Bánh lái cần chọn kích thước thích hợp nhằm giảm thiểu tổn thất tốc độ tàu khi tàu tiến
hoặc lùi. Nguyên tắc chung về tiết kiệm còn yêu cầu, bánh lái, cần quay bánh lái, trục, các ổ
đỡ phải có kích thước nhỏ nhất, tất nhiên phải đảm bảo tính năng bền, an toàn.
Người thiết kế bánh lái cần tìm mọi cách tránh rung cho tàu hoặc cho bộ phận thân tàu
nếu nguồn rung có xuất xứ từ bánh lái.
Thiết kế bánh lái cân bằng cần để ý đến hệ số bù trừ nhằm giữ giá trò không thay đổi

nhiều cho momen quay bánh lái khi tàu tiến và tàu lùi. Điều này dẫn đến kết quả là trong
nhiều trường hợp phải tăng hệ số bù trừ, để khi lùi tàu, momen quay bánh lái không lớn hơn
nhiều nếu so với giá trò momen này khi tiến. Thông lệ hệ số này khoảng 0,20 đến 0,30 tùy
thuộc chiều cao, chiều rộng bánh lái, hình dạng profile và cả bố trí bánh lái.
Từ mặt thủy động lực có thể bàn về cách chọn bánh lái cho tàu như sau.
Kiểu bánh lái
Bánh lái thông dụng kiểu “đơn giản”, hoặc gọi theo kiểu những người sử dụng tiếng Anh
là “
all-movable rudder
” là kiểu tốt nhất cho phép tạo lực quay tàu lớn, như chúng ta đã từng
xem xét. Trong khi dùng bánh lái kiểu này, hệ số bù trừ hay còn gọi là “tỷ lệ cân bằng “ nên
nằm trong phạm vi sau.
Hệ số béo thể tích C
B
“hệ số cân bằng”
0,60 0,250 đến 0,255
0,70 0,256 đến 0,260
0,80 0,265 đến 0,270
Từ góc độ kết cấu, giá thành có thể dùng kiểu chân vòt treo, nửa treo, kiểu “
horn
– sừng“.
Vò trí đặt bánh lái
Vò trí thích hợp nhất và quen thuộc với mỗi người đóng tàu là bánh lái đặt sau chân vòt
tàu, tận dụng đầy đủ tính trội của dòng chảy sau chân vòt đến bánh lái. Trong thực tế người ta
đặt một bánh lái sau mỗi chân vòt, song nhiều trường hợp chúng ta bố trí sau một chân vòt hai
bánh lái hoặc trước hai bánh lái chỉ một chân vòt.
Diện tích bánh lái
THIẾT BỊ LÁI 25
Nên chọn bánh lái có diện tích vừa phải, đảm bảo tính quay trở tàu cao song không gây
tổn thất tốc độ tiến, không làm mất ổn đònh hướng đi của tàu trong quá trình hành trình.

Mặt cắt ngang
Tàu cỡ lớn nên sử dụng profile dày cỡ 0015, 0018 hoặc 0021 vì các profile này có điểm
đặt lực thủy động ít đổi thay. Chiều dày này góp phần tăng độ bền kết cấu.
Sơ đồ tính toán thiết kế bánh lái đặt tại mặt giữa tàu, sau chân vòt tại đuôi tàu
Thứ tự tính các lực thủy động như đã trình bày tại ví dụ trang 20. Công thức tính tóm tắt
dưới đây.
1) v = 0,5144.v
s
. (1 – w)
2) vận tốc dòng đến bánh lái v
R
= v.
k
, với hệ số
k
tính theo công thức:
)1(1 −Δ+=
p
R
P
k
A
A
k
;
3) thay đổi góc tấn α = 5, 10, 15, 20, 30 và 35° và tính các hệ số lực thủy động.
4) Xác đònh lực N, M.
1.2 KẾT CẤU BÁNH LÁI VÀ NÚT KẾT CẤU
Bánh lái không cân bằng
Bánh lái kiểu này có thể chỉ dùng một chốt song trong thực tế có bánh lái dùng 2 hoặc 3

chốt. Bố trí và kết cấu bánh lái không cân bằng tiêu biểu, dùng trên tàu cỡ nhỏ và trung bình
được trình bày tại hình 1.23. Bánh lái luôn nằm sau sống đuôi tàu. Bánh lái liên kết với sống
này qua chốt. Hình đang nêu giới thiếu mối liên kết qua một chốt, ngay tại gót sống đuôi. Đầu
trên trụ bánh lái dạng mặt bích, bắt chặt với mặt bích cần quay bánh lái.
Ổ đỡ cần quay bánh lái thường bố trí không xa mặt bích, làm luôn cả chức năng ổ chặn.
Bánh lái tựa trên hai chốt trình bày tại hình 1.24, trên ba chốt hình 1.25.
Bánh lái cân bằng trên hai gối
Bánh lái dạng này thông dụng trên tất cả cá kiểu tàu chạy sông và chạy biển. Bánh lái
giới thiệu tại hình 1.26 dùng cho sà lan sông, bánh lái phẳng tàu kéo cỡ nhỏ vẽ lại tại hình
1.27.
Bánh lái cân bằng tàu đi biển tại hình 1.28 giới thiệu cách nối cần quay với bánh lái qua
mối nối côn, hình 1.29 giới thiệu cách nối bằng bích.