Lập chương trình tính toán thủy Động học bánh lái

1

CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.

- Thiết bị lái tàu thủy là bộ phận quan trọng trong hệ thống thiết bị tàu thủy, ñảm
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 ñó tính
bền cho thiết bị lái là nhu cầu cấp thiết mà ngành tàu thuyền nói chung và bộ môn
tàu thuyền nói riêng ñặt ra.
- Tính toán thủy ñộng học bánh lái là một bộ phận cấu thành trong quá trình tính
toán thiết bị lái, sử dụng các công thức gần ñúng từ thực nghiệm.
- Việc tính toán thủy ñộng học bánh lái sử dụng các công thức gần ñúng với thời
gian dài cộng với việc tra ñồ thị phức tạp nên ảnh hưởng không nhỏ ñến ñộ chính
xác của bài toán.
- Vì những lý do trên nên ñề tài này sẽ thực hiện công việc “Lập chương trình
tính toán thủy ñộng học bánh lái”, giải quyết vấn ñề thời gian cũng như ñộ chính
xác khi tính toán thủy ñộng học bánh lái, phục vụ cho việc thiết kế thiết bị lái tàu
thủy.

1.2.

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI.

- Đề tài “Lập chương trình tính toán thủy ñộng học bánh lái” sử dụng phần
mềm Visual Basic 6.0, sau khi ñi số hoá ñồ thị các hệ số ñặc tính thuỷ ñộng ñưa kết
quả về dạng bảng phục vụ cho việc tính lực và mômen thuỷ ñộng tác dụng lên bánh
lái trên cơ sở lý thuyết ñã ñược hướng dẫn và nghiên cứu.

- Đề tài không ñi sâu vào ñánh giá ñộ chính xác của các công thức tính toán mà
chỉ tập trung vào giải quyết bài toán rút ngắn thời gian tính toán thủy ñộng học bánh
lái với ñộ chính xác cao phục vụ nhu cầu thiết kế thiết bị lái tàu thủy.
- Bố cục của ñề tài bao gồm:


2

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


3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI.

2.1.1. Một số khái niệm cơ bản và thuật ngữ chính.

2.1.1.1.

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 ñổi hướng ñi của tàu

theo ý người lái. Tính ăn lái bao gồm hai lĩnh vực chính liên hệ mật thiết với nhau
là tính ổn ñịnh hướng và tính quay trở.
+ Tính ổn ñịnh hướng là khả năng giữ hướng ñi 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 ñổi hướng ñi về một phía bất kỳ của tàu.
Qua ñó ta thấy, tính ổn ñịnh hướng và tính quay trở là hai khái niệm tương phản
nhau, một con tàu có tính ổn ñịnh 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 ñuôi. Không những thế, tính ăn lái còn phụ thuộc rất nhiều vào
những bộ phận ổn ñịnh cố ñịnh như ky hông, ky ñuôi…vào ñộ lớn và số lượng chân
vịt cũng như vị trí ñặt chúng trên tàu.
- Thiết bị lái có nhiệm vụ ñảm bảo tính ăn lái của tàu, bằng cách tạo ra mô men
quay làm quay tàu quanh trục thẳng ñứng ñi qua trọng tâm tàu.

2.1.1.2.

Quá trình quay vòng của tàu.

- Định nghĩa: Quá trình quay vòng của tàu là quỹ ñạo chuyển ñộng của trọng
tâm tàu khi quay bánh lái ñi một góc α và giữ nguyên bánh lái ở vị trí ñó.
- Các giai ñoạn của quá trình quay vòng tàu: gồm 3 giai ñoạn:


4

+ Giai ñoạn 1: Là giai ñoạn quay lái. Bánh lái từ vị trí nằm trong mặt phẳng ñối
xứng của tàu ñược quay ñi một góc α (gọi là góc quay lái). Áp lực thuỷ ñộng P tác
ñộng 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 ñầu làm quay mũi tàu theo chiều quay lái.
Lực ñẩy chân vịt Pcv bị ñổi hướng, ñẩy tàu ñi lệch khỏi hướng ñi lúc quay lái.
+ Giai ñoạn 2: Là giai ñoạn chuyển ñộng quá ñộ. Bánh lái ñược giữ cố ñịnh ở
góc α. Tàu quay dần quanh trục thẳng ñứng ñi qua trọng tâm tàu. Góc giữa mặt
phẳng ñối xứng của tàu và hướng vận tốc chuyển ñộng của trọng tâm tàu gọi là góc
lệch hướng β. Góc β tăng ñến βmax còn ñường kính quay vòng quá ñộ D giảm ñến
giá trị Dmin.
+ Giai ñoạn 3: Là giai ñoạn chuyển ñộng xác lập, bắt ñầu từ lúc góc lệch hướng
β và ñường kính quay vòng D ñạt ñược giá trị cố ñịnh kéo dài ñến khi bánh lái còn
giữ ñược ở góc quay lái α. Trọng tâm tàu chuyển ñộng trên một ñường tròn gọi là
ñường kính quay vòng xác lập với ñường kính Dmin = D0.
Giá trị ñường kính ñó có thể ñược 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 ñược thể hiện bằng hình vẽ dưới ñây:


5

D
β

A

.α

α.

.

v

III

R

II

v

βmax.

β=βmax=const

Rmin=const

.

I

v

.

α

Dmin
R

Pcv

α

R

β.

V

V

P
R0

M

P2

R2

l

.

.

K2

P1

R

ϕ
r0

.

P
Pcv

Pcv

α

R

Hình 2.1. Quá trình quay vòng của tàu

2.1.2. Các loại thiết bị lái và các bộ phận chính của thiết bị lái.

2.1.2.1.

Các loại thiết bị lái.


6

- Thiết bị lái dùng bánh lái là loại thiết bị lái ñơn 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 ñối xứng của tàu hoặc song song với mặt phẳng ñó.

- Thiết bị lái dùng bánh lái chủ ñộng ñể tăng tính quay trở của tàu, nhất là khi
tàu chạy ở tốc ñộ thấp. Với loại bánh lái này người ta lắp thêm vào nó một chân vịt
phụ.

Hình 2.2. Bánh lái chủ ñộng với chân
vịt lái phụ.
1. Gối ñỡ dưới
2. Bánh lái
3. Ống ñạo lưu
4. Đường trục
5. Trục lái
6. Động cơ ñiện quay chân vịt
7. Máy lái
8. Mấu lắp ráp
9. Ổ ñỡ chịu lực
10. Mấu lắp ráp
- Thiết bị lái dùng ñạo lưu quay: Đạo lưu quay là một ống có profin lưu tuyến
ñặt bao quanh chân vịt. Ngoài tác dụng lái tàu, ñạo lưu còn là một bộ phận của thiết
bị ñẩy, có tác dụng cải thiện chất lượng ñẩy của chân vịt
- Ngoài các thiết bị lái kể trên còn có thiết bị lái kiểu phụt nước.
Trong giới hạn của ñề tài, tôi không ñi sâu nghiên cứu ñến ñặc ñiểm, phân loại,
ưu nhược ñiểm của bộ phận thiết bị lái này mà chỉ ñi sâu nghiên cứu về thiết bị lái
dùng bánh lái.

2.1.2.2.

Các bộ phận chính của thiết bị lái.

- Bánh lái (hoặc ñạo lưu quay): trực tiếp chịu áp lực thuỷ ñộng ñể lái tàu.
- Trụ lái: là phần của sống ñuôi tàu, có các bản lề ñể lắp bánh lái.

7

- Trục lái: truyền mômen lái từ máy lái tới làm quay bánh lái hoặc ñạo lưu.
- Bộ phận tạo lực lái gồm nguồn ñộng lực, hệ truyền ñộng, hệ ñiều khiển.
- Các thiết bị an toàn tín hiệu: thiết bị chỉ góc quay lái, thiết bị giới hạn góc quay
lái, thiết bị hãm…

2.1.3. Phân loại bánh lái và yêu cầu bố trí bánh lái trên tàu thuỷ.

2.1.3.1.

Phân loại bánh lái.

- Theo cách liên kết giữa bánh lái và vỏ tàu:
+ Bánh lái ñơn giản (kiểu 1, 3): là bánh lái có ít nhất một gối ñỡ ở phía trên và
một gối ñỡ ở phía dưới bánh lái. Ngoài ra có thể thêm các gối ñỡ trung gian.

Hình 2.3. Bánh lái ñơn giản
+ Bánh lái nửa treo (kiểu 2): là bánh lái có nửa phần dưới làm việc như một

Hình 2.5. Bánh lái treo

Hình 2.4. Bánh lái nửa treo


8

ñoạn 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 ñường tâm quay:
+ Bánh lái cân bằng: là bánh lái có ñường tâm quay chia bánh lái thành hai phần.
Mômen do áp lực thủy ñộng tác dụng lên phần sau sẽ ñược cân bằng bởi áp lực tác
dụng lên phần trước.
+ Bánh lái không cân bằng: là bánh lái có ñường tâm quay nằm sát cạnh trước
của bánh lái. Mômen do áp lực thuỷ ñộng 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 ñối trọng.
- Theo số chốt liên kết: gồm bánh lái một chốt và bánh lái nhiều chốt.
Các bánh lái ñơn giản và bánh lái nửa treo có thể liên kết với sống ñuôi tàu bằng
một hay nhiều chốt bản lề.
Có thể tóm tắt việc phân loại bánh lái qua sơ ñồ dưới ñây:
Bánh lái

Bánh lái ñơn giản

Không cân bằng

Bánh lái nửa treo

Cân bằng

Một chốt

Một chốt

Hai chốt

Hai chốt

Nhiều chốt

Trụ lái rời

Bánh lái treo

Cân bằng

Hình 2.6. Phân loại bánh lái

Cân bằng

Một chốt

Hai chốt


9

Bố trí bánh lái và yêu cầu ñối với vị trí bánh lái.

2.1.3.2.

-

Các kiểu bố trí bánh lái trên tàu:

Tàu một chân vịt có các kiểu bố trí sau:

+ Kiểu 1: Bánh lái ñặt sau chân vịt trong mặt phẳng ñối xứng của tàu (ñược sử
dụng phổ biến).
+ Kiểu 2: Bánh lái ñặt sau ñạo lưu cố ñịnh trong mặt phẳng ñối xứng của tàu.
Tàu hai chân vịt có các kiểu bố trí sau:
+ Kiểu 1: Mỗi bánh lái ñặt trong mặt phẳng ñối xứng (không phổ biến).
+ Kiểu 2: Mỗi chân vịt một bánh lái (kiểu này ñược dùng cả ở tàu biển và tàu
nội thuỷ).
+ Kiểu 3: Hai bánh lái tiến ñặt sau hai bánh lái lùi ñặt trước từng chân vịt (ít
dùng).
+ Kiểu 4: Mỗi chân vịt có một ñạo lưu cố ñịnh và một bánh lái ñặt sau ñạo lưu.
+ Kiểu 5: Mỗi chân vịt có một ñạo lưu cố ñịnh và chung một bánh lái ñặt trong
mặt phẳng ñối xứng.
Các yêu cầu ñối với vị trí bánh lái trên tàu.

-

+ Bánh lái phải nằm trong dòng ñẩy của chân vịt.
Khoảng cách
a

giữa

mép

lái và mép cánh

b

trước của bánh

nhỏ hơn 0.3 m

hbl

chân vịt không

chiều

dài

tàu

bằng 120 m (ño
cách trục chân

c

(a≥ 0.3 m) khi
a

Hình 2.7. Yêu cầu ñối với vị trí bánh lái


10

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 ñoạn 15 m thay
ñổi chiều dài. Trị số a càng nhỏ thì dao ñộng của vùng ñuôi 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 ñường 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 ñược thấp hơn mép dưới
cánh chân vịt (c>0).
+ Ở tàu có tốc ñộ trung bình, trục quay của bánh lái phải vuông góc với mặt
phẳng cơ bản của tàu và nằm trong mặt chứa ñường tâm quay của chân vịt.
+ Ở tàu cao tốc hai chân vịt, bánh lái nên ñặt dịch sang phía mạn nếu chân vịt có
hướng quay ra ngoài và ñặt dịch vào giữa nếu chân vịt có hướng quay vào trong.
Khi ñó bánh lái sẽ không rơi vào vùng xoáy.
+ Khi quay hết lái sang một bên mạn, mép sau bánh lái không ñược vượt ra
ngoài giới hạn chiều rộng tàu.
+ Nếu bánh lái treo cân bằng ñược hàn với trục lái thì chiều cao bánh lái phải
chọn sao cho có thể tháo ñược bánh lái khi sửa chữa.

2.2.

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THUỶ ĐỘNG HỌC
BÁNH LÁI.

2.2.1. Lý thuyết tính toán thuỷ ñộng học bánh lái.

2.2.1.1.

Đặt vấn ñề.

- Việc tính toán thuỷ ñộng học bánh lái là cơ sở quan trọng cho việc tính toán,
thiết kế thiết bị lái tàu thuỷ.

11

- Thiết bị lái là thiết bị chịu lực nặng và có tầm quan trọng bậc nhất trong việc
ñảm 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 ñồ tính
toán chính xác hơn ñể kiểm tra lại những số liệu tính toán theo Quy phạm, vì những
lý do sau ñây:
+ Quy phạm thường sử dụng các công thức ñơn giản, các sơ ñồ tính thiên về an
toàn, thậm chí không kể ñến 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 ñó khi thiết kế các thiết bị lái của các loại tàu nằm
ngoài Quy phạm, bắt buộc phải tính theo sơ ñồ 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 ñộng
xuất hiện trong các chế ñộ chuyển ñộng tiêu chuẩn của tàu.
Khi tàu chạy tiến, kể ñến các tải trọng phụ chưa tính ñến, mômen lái tính toán
nên lấy tăng 20 ÷ 30% so với trị số tính ñược ở phần tính toán thuỷ ñộng.
Khi tàu chạy lùi, mômen lái tính toán bằng mômen thuỷ ñộng.
Với các thép thường dùng có σch= 240 ÷ 260 MPa; hệ số an toàn nhỏ nhất cho
phép [n]= 2.6 ÷ 2.7; [σ]= 94 ÷ 97 MPa; [τ]= 56 ÷58 MPa
Trường hợp 2: tải trọng tác dụng lên thiết bị lái là tải trọng ứng với công suất
ñịnh mức của máy lái (khi công suất ñó 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 ñại tác dụng lên thiết bị lái khi ñộng cơ ñiện quá tải
dừng lại không quay ñược, khi thiết bị bảo vệ quá tải hoạt ñộng hoặc khi áp suất
trong hệ thống thuỷ lực (máy lái thuỷ lực) lên tới trị số làm cho van an toàn hoạt
ñộng.

Mômen xoắn tính toán trên trục lái lấy tương ứng với mômen lớn nhất của ñộng
cơ hoặc mômen cho phép bởi thiết bị bảo vệ quá tải.
Hệ số an toàn [n] = 1.05 tương ứng với [σ] = 0.95* σch.


12

Thuyết bền dùng trong tính toán là thuyết bền năng lượng (thuyết bền 4). Theo
thuyết bền ñó:
+) Khi thanh chịu xoắn và uốn ñồng thời, mômen tính toán quy ñổi là:
Mt =

M u2 + 0.75 * M x2

(2-1)

(Mu là mômen uốn, Mx là mômen xoắn tại cùng mặt cắt)
+) Đối với các ñiểm ở trạng thái ứng suất phức tạp, ứng suất tính toán quy ñổi
là:
σ = σ 2 + 3 *τ 2

(2-2)

(σ là ứng suất pháp, τ à ứng suất tiếp tại cùng một ñiểm).
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 ñược thực hiện theo các bước sau:

a. Xác ñịnh diện tích bánh lái Sbl và các thông số hình học của bánh lái.

b. Tính toán thuỷ ñộng học bánh lái.
c. Tính toán cụm bánh lái.
+ Tính toán trục lái: trục cong, trục thẳng.
+ Tính toán trụ lái.
+ Tính chọn các ổ ñỡ, chốt trên, dưới, áp lực.
+ Tính toán trục lái + bánh lái.
d. Tính toán truyền ñộng lái (máy lái).
Từ trình tự tính toán như trên ta nhận thấy công việc tính toán thuỷ ñộng học
bánh lái chiếm một vị trí ñặc biệt quan trọng trong tổng thể tính toán thiết kế thiết bị
lái nói riêng và ñảm bảo an toàn cho tàu nói chung. Vấn ñề ñặt ra là nghiên cứu quá
trình tính toán thiết bị lái ñể làm bàn ñạp cho phương pháp tính toán thuỷ ñộng học
bánh lái sau này.

2.2.1.2.

Những yếu tố cần xét ñến khi tính toán thuỷ ñộng thiết bị lái.

1. Chế ñộ tính toán.


13

Mục ñích của việc tính toán thuỷ ñộng thiết bị lái là xác ñịnh các trị số của lực
thuỷ ñộng R và mômen thuỷ ñộng Mtñ ñể chọn máy lái, tính toán kích thước và
kiểm tra ñộ bền thiết bị lái.
Khi góc lái quay góc α, tàu bắt ñầu chuyển ñộng trên ñường quay vòng với góc
lệch hướng β, góc tấn hình học của bánh lái là:
α’ = ± β
Góc tấn thực của bánh lái khi dòng chảy tới bánh lái bị lệch hướng làm thay ñổi
góc tấn hình học do ảnh hưởng của vỏ tàu và của chân vịt là:

α = α ± χ* β
với χ là hệ số kể ñến 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
α ≤ 35 ÷ 400
Tải trọng thuỷ ñộng cực ñại cũng chỉ có thể ñạt ñược trong giai ñoạn quay vòng
quá ñộ, khi góc lệch hướng β còn nhỏ và vận tốc chuyển ñộng 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 ñường quay vòng quá ñộ bằng vận tốc của tàu khi chạy thẳng.

2. Các phương pháp tính toán.
Khối lượng công việc khi tính toán thiết bị lái phụ thuộc vào cách xác ñịnh các
ñặc tính thuỷ ñộng CL, CD, CM (hoặc CN, CP, CM). Có 4 cách xác ñịnh ñặc tính thuỷ
ñộng học bánh lái như sau:
Cách 1: Thử mô hình trong bể thử:
Mô hình ñược kéo chuyển ñộng trong bể thử với vận tốc vm
vm = v*

Lm
L

Chân vịt của mô hình quay với số vòng quay nm, v/ph

(2-3)


14

L
Lm

nm = ncv*

(2-4)

Trong ñó:
v: là vận tốc chuyển ñộng 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 ñiều kiện trên nhằm ñảm bảo ñiều kiện ñồng dạng giữa mô hình và tàu. Tuy
nhiên, trong thực tế thường không thể ñảm bảo ñúng cả hai ñiều kiện ñó nên việc áp
dụng kết quả thử vào tàu thực cũng có những sai số nhất ñịnh.
Các tải trọng thuỷ ñộng của bánh lái tàu ñược tính theo công thức:
N = CN*

ρ *v2

Mtñ = CM*

*S

2

ρ * v2
2

* S *b

(kG)

(2-5)

(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 ñộng. Khi tính toán cần chú ý ñến ảnh hưởng của vỏ
tàu bằng hệ số kv:
N = CN* kv*

ρ *v2
2

*S

(kG)

(2-7)

Cách 3. Sử dụng kết quả thử các bánh lái cô lập.
Các loại bánh lái có prôfin khác nhau thường ñược thử tại các trung tâm nghiên
cứu và kết quả thử ñược công bố dưới dạng bảng hoặc ñồ thị. Lý thuyết của phương
pháp thử này có thể tóm tắt như sau: Người ta thổi dòng khí vào một ống khí ñộng
học tác ñộng lên bánh lái thay cho dòng nước trong thực tế. Sau ñó, gắn các thiết bị
ño lực ñể có thể ño ñược lực tác dụng của dòng không khí và một thiết bị ño mômen
ñể ño mômen ở cạnh trước của bánh lái. Khi ñó kết quả các hệ số lực nâng CL, hệ số
lực cản CD, và hệ số mômen CM ứng với góc quay lái (α) dưới tác dụng của dòng
nước tới bánh lái dạng prôfin sẽ só giá trị ñược xây dựng dưới dạng bảng hoặc ñồ
thị và chúng ñược gọi là ñặc tính thuỷ ñộng của bánh lái dạng prôfin. Khi sử dụng

15

các kết quả này cần phải tính ñến 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*

ρ *v2
2

(2-8)

*S

Đây là phương pháp ñược sử dụng trong chương trình lập trình tính toán
thuỷ ñộng 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 ñó cần chú ý phân tích chọn lựa trong trường hợp có nhiều công thức
khác nhau cho cùng một ñại lượng. Thông thường công thức nào kể ñến nhiều yếu
tố ảnh hưởng khác nhau hơn thì chính xác hơn.
2.2.2. Phương pháp tính toán thuỷ ñộng học bánh lái.

2.2.2.1.

Xác ñịnh các thông số hình học của bánh lái.

1. Chiều cao bánh lái h:
Việc tính chọn tuỳ thuộc tuyến hình phần ñuôi tàu.

Ở ñây tôi chọn giá trị chiều cao bánh lái nằm trong khoảng 0.6* T≤ h ≥
0.9*T, giá trị mặc ñịnh chọn là h= 0.8* T.

2. 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)

Trong ñó:
L: chiều dài giữa hai ñường vuông góc của tàu, m

(2-9)


16

T: chiều chìm của tàu khi ñầy 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

2.0 – 2.5

-

Vận tốc trung bình

1.2 – 2.2

-

Chạy nhanh

1.4 – 2.0

Tàu chở hàng lỏng:
-

Tàu dầu nhỏ và vừa

1.4 – 1.9

-

Tàu cỡ lớn

1.7 – 2.2

Tàu khách:
-

Nhỏ, tốc ñộ trung bình

1.7 – 2.2

-

Nhỏ, tốc ñộ lớn

1.7 – 2.0

-

Lớn, tốc ñộ lớn

1.4 – 2.0

Tàu cá

2.5 – 5.5

Tàu hoa tiêu

2.5 – 4. 0

Sà lan không tự hành

4.0 – 5.0.

Tàu ven biển

2.0 – 3.0

Ca nô

3.0 – 5.0

Tàu sông

3.3 – 4.0

Xuồng

4.0 – 6.0

Tàu kéo biển

3.0 – 6.0

Tàu kéo chạy sông

6.5 – 13

Bảng 2.1. Bảng hệ số ảnh hưởng ñến diện tích bánh lái
S : diện tích các bánh lái của tàu, m2

17

Diện tích bánh lái ñã chọn phải không nhỏ hơn hoặc bằng 0.8*Smin, với Smin
ñược tính theo công thức:
Smin = p* q*

L *T
150
* (0.75 +
), m2
100
L + 75

(2-11)

Trong ñó:
L: chiều dài tàu, m
T: chiều chìm tàu, m
p: hệ số (bằng 1.2 nếu bánh lái không ñặt trực tiếp sau chân vịt; bằng 1.0 nếu
bánh lái ñặt trực tiếp sau chân vịt); trong tính toán tôi chọn hệ số p= 1.0
q: hệ số (bằng 1.25 ñối với tàu kéo; bằng 1 ñối với các loại tàu khác), trong
tính toán tôi chọn hệ số q= 1.0
3. Hệ số kéo dài λ:
λ ñược xác ñịnh theo công thức sau:
λ=

h h2
S
=
= 2

b S
b

(2-12)

Thông thường λ = 0.5 ÷ 3 tuỳ theo kết cấu vùng ñuôi tàu.

4. Chiều dày prôfin t:
Chiều dày lớn nhất của prôfin t lấy theo ñường kính chân vịt Dcv:
t = (0.12 ÷ 0.25).Dcv

(m)

(2-13)

(m)

(2-14)

Chiều dày tối ưu nằm trong koảng:
t = (0.12 ÷ 0.15).b

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)

5. Hệ số cân bằng k:


18

Bánh lái cân bằng thường ñược chọn sao cho ñường cong mômen thuỷ ñộng
Mtñ có dạng ñối xứng với trục α, ñồng thời Mtñ khi tàu chạy lùi không ñược lớn hơn
Mtñ khi tàu chạy tiến.
Thông thường k = 0.25 ÷ 0.35
Để tránh dao ñộng, bánh lái nên ñược 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 ñó.
Hệ số cân bằng k ảnh hưởng không ñáng kể ñến ñặc tính thuỷ ñộng bánh lái
cũng như ñến quá trình tính toán thuỷ ñộng học bánh lái trong ñề tài nên giá trị mặc
ñịnh tôi chọn là k= 0.25
Sau khi xác ñịnh ñược các thông số hình học của bánh lái thì ta tiến hành
tính toán các ñặc tính thuỷ ñộng của bánh lái.

2.2.2.2.

Đặc tính thuỷ ñộng của bánh lái.

1. Các yếu tố ảnh hưởng ñến ñặc tính thuỷ ñộng của bánh lái.

-

Ảnh hưởng của mặt nước và vỏ tàu ñến ñặc tính thuỷ ñộng 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 ñại có kết cấu vùng ñuôi ñảm bảo khi tàu chở ñầy, bánh lái vẫn
ngập sâu trong nước và hầu như không bị ảnh hưởng của mặt nước.
Ở ñây, ta chỉ xét ñến 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 ñến góc tấn thực tế của
bánh lái, ñến vận tốc dòng chảy, ñến sự phân bố các thành phần vận tốc trong dòng
chảy…do ñó ảnh hưởng ñến lực thuỷ ñộng tác dụng lên bánh lái.


19

Thực tế khi tính toán thì ảnh hưởng của vỏ tàu ñược tính ñến bằng hệ số kv,
giảm vận tốc dòng chảy qua bánh lái:
vbl = v*

(2-15)

kv

kv = (1- ψv)2 < 1

(2-16)

Trong ñó:
v: vận tốc chuyển ñộng của tàu, m/s
ψv: 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 ψv lấy bằng 1.3 hệ số dòng theo của chân vịt.
Ở ñây, 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.
ψv = (0.68* δ - 0.43 + ∆ψ + 0.18*

2 * h1 + h2
)* u

H

(2-17)

Trong ñó:
∆ψ = 0 ñối với tàu có ñuôi phẳng (chọn ∆ψ trong trường hợp này)
∆ψ = 0.18 ñối với tàu có ñuôi thuần dương hạm
u = 1.0 khi bánh lái nằm trong mặt phẳng ñối xứng (chọn u trong trường hợp này)
u = CB + 0.15 khi bánh lái nằm sang phía mạn
δ: hệ số béo thể tích của tàu
h1, h2, H: hệ số tuỳ chọn phụ
thuộc vòm ñuôi tàu (hình vẽ 2.8)

h2

chọn h2= h (chiều cao bánh lái);

H

Trong chương trình tính toán, tôi

h1= 40%* h; H= h1 + h2 + 30%* h
kv theo (2-16)

Ñöôøng cô baûn

h1

Từ ñó tôi xác ñịnh ñược hệ số

Hình 2.8. Khe hở giữa vỏ và mép trên bánh lái
lớn hơn chiều dày lớn nhất của bánh lái.


20

-

Ảnh hưởng của chân vịt ñến ñặc tính thuỷ ñộng của bánh lái:

Dòng nước ñược ñẩy bởi chân vịt chảy qua bánh lái, có ảnh hưởng lớn ñến ñặc
tính thuỷ ñộng của bánh lái.
Mỗi chất ñiểm 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
ñẩy của chân vịt σcv:
σcv =

8* P
π * ρ * vcv2 * Dcv2

(2-18)

Trong ñó:
P: lực ñẩy của chân vịt, N
P=

R
,N

z * (1 − θ )

(2-19)

R: lực cản chuyển ñộng của tàu, N
z: số chân vịt, chiếc
θ: hệ số hút
ρ: khối lượng riêng của nước, kG/m3
vcv: vận tốc dòng chảy tới chân vịt, m/s
vcv = v* (1- ψcv)

(2-20)

v: vận tốc chuyển ñộng của tàu, m/s
ψcv: hệ số dòng theo của chân vịt
ψcv = 0.165* δz *

3

V
− ∆W
Dcv

hay ψcv = 1- (1- ψ0)* (1- ψms)
δ: hệ số béo thể tích tàu
V: thể tích lượng dãn nước của tàu, m3
Dcv: ñường kính chân vịt, m

(2-21)
(2-22)

21

∆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
ψ0: hệ số dòng theo của tàu ñẩy
3

V
Dcv

ψ0 = 0.13* δz *

(2-23)

ψms: hệ số dòng theo do ma sát
'
ψ ms

ψms =

'
1 + 2ψ ms
*

(2-24)

L
Amax

Amax: diện tích mặt cắt ngang lớn nhất của sà lan, m2
ψ’ms: hệ số dòng theo do ma sát tại vùng mũi tàu ñẩy
ψ’ms = 0.08*

3

∆G
BT

(2-25)

∆G: lượng dãn nước của sà lan ở phía trước tàu ñẩy, m3
B, T: chiều rộng và chiều chìm tàu ñẩy, m
Hệ số lực ñẩy chân vịt cũng có thể ñược xác ñịnh thông qua bảng thống kê sau:
σv

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 ñánh cá

4.0 ÷ 8.0

60 ÷100

8.0

80

Loại tàu

Tàu kéo

Bảng 2.2. Bảng thống kê hệ số σv và Bcv
Trong ñó: σv là hệ số lực ñẩy chân vịt
Bcv là hệ số công suất
Trị số vhk nhỏ, ảnh hưởng không ñáng kể ñến ñặc tính thuỷ ñộng của bánh lái,
trong tính toán có thể bỏ qua.


22

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 ñổi góc tấn của dòng chảy qua bánh lái α:
−

v +v
α = arctg t t
v' bl

(2-27)

Trong ñó:
−

vt : 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 ñược
tính theo công thức:
v’bl = vcv* 3 1 + σ cv

(2-28)

Lực pháp tuyến thuỷ ñộng tác dụng lên bánh lái:
N = CN*

ρ * vbl2
2

* S’ + CN*

ρ * v'bl2
2

* (S + S’)

(2-29)

Trong ñó:
S’: diện tích phần bánh lái nằm trong dòng ñẩy của chân vịt, m2
Công (2-29) có thể ñược viết lại dưới dạng:
N = kv* kcv* CN*

ρ *v2
2

*S

(2-30)

Trong ñó:
kv: hệ số kể ñến ảnh hưởng của vỏ tàu.
kcv: hệ số kể ñến ảnh hưởng của chân vịt
kcv = 1+

S'
1 − ψ cv 2
* [(1+σcv)* (
) -1]

S
1 −ψ v

(2-31)

Trong ñó:
S’: diện tích phần bánh lái nằm trong dòng ñẩy của chân vịt, m2
S: diện tích bánh lái, m2
σcv: hệ số lực ñẩy chân vịt (tra bảng 2-2 ở trên)
Với S’ ñược xác ñịnh theo công thức:


23

va
2
vcv + v al
v cv +

S’ = h* Dcv*

(2-32)

Trong ñó:
vcv = v* (1- ψcv): vận tốc dòng chảy của chân vịt, m/s

(2-33)

v: vận tốc chuyển ñộng của tàu, m/s
h: chiều cao bánh lái, m

Dcv: ñường kính chân vịt, m
va = vcv* ( 1 + σ cv - 1), m/s

(2-34)

val = χ* va : giá trị tăng tốc ñộ trung bình do chân vịt tính ở tâm áp suất bánh
lái, m/s

(2-35)


1  2 * S1
1
χ = * 1+
*

2
Dcv
2 * S1 2

1 .0 + (
)
Dcv










(2-36)

S1: khoảng cách từ mặt ñĩa chân vịt ñến tâm áp suất, m
Sau khi xác ñịnh ñược các hệ số ảnh hưởng của vỏ tàu và chân vịt ñến ñặc tính
thuỷ ñộng của bánh lái ta ñi xác ñịnh giá trị các lực và mômen thuỷ ñộng tác dụng
lên bánh lái.
- Giá trị lực nâng ñược xác ñịnh:
L = CL* kv* kcv*

ρ *v2
2

* S, kG

(2-37)

* S, kG

(2-38)

- Giá trị lực cản ñược xác ñịnh:
D = CD* kv* kcv*

ρ *v2
2

- Tổng hợp lực tác dụng lên bánh lái:
R=

L2 + D 2 , kG

(2-39)

- Mômen thuỷ ñộng:
Mtd = CM* kv* kcv*

ρ *v2
2

* S* b, kG.m (2-40)


24

- Mômen lái trên trục lái ñược xác ñịnh:
M1 = k0* Mtd + Mms, kG.m

(2-41)

Trong phạm vi ñề tài ñi lập chương trình tính toán thuỷ ñộng học bánh lái, ta
không ñi xác ñịnh giá trị mômen lái trên trục lái mà chỉ ñi xác ñịnh giá trị mômen
thuỷ ñộng tính từ tâm áp lực (tâm áp suất) ñến cạnh dẫn Mtd.
2. Đặc tính thuỷ ñộng của bánh lái:
Việc tính toán thuỷ ñộng học bánh lái, tức là ñi xác ñịnh 2 thông số lực thuỷ
ñộng R và mômen thuỷ ñộng Mtñ thông qua các ñặc tính thuỷ ñộng của bánh lái.
Khi quay bánh lái một góc α so với phương dòng chảy, trên bánh lái xuất
hiện hợp lực thuỷ ñộng R ñặt tại một ñiểm gọi là tâm áp lực của bánh lái.
Để

tiện

tính

toán, R thường ñược

N

taâm quay

R

L

phân thành các thành

αt

vuông góc với hướng

.

phần: Lực nâng L
xc

D

dòng chảy; Lực cản D

T

xa

theo hướng dòng chảy;
lực

pháp

tuyến

vs

P

N

taâm aùp löïc

vuông góc với mặt
Hình 2.9. Lực thuỷ ñộng tác dụng lên bánh lái.

phẳng tạo bởi các dây

cung prôfin và lực tiếp tuyến T nằm trong mặt phẳng ñó (hình 2.9).
Hợp lực thuỷ ñộng ñược xác ñịnh như sau:
R=

L2 + D 2

(kG)

(2-42)

hay P cũng có thể phân ra 2 hợp lực sau:
-

Lực thẳng góc: N = L* cosα + D* sinα

(kG)

(2-43)

-

Lực tiếp tuyến: T = L* sinα - D* cosα

(kG)

(2-44)


25

Các lực ñó ñặt tại tâm áp lực (tâm áp suất) và gây nên mômen thuỷ ñộng với
cạnh dẫn là:

Mtñ = N* (xa – xc)

(2-45)

Trong chương trình lập trình tính toán thuỷ ñộng học bánh lái phần tính hiệu
chỉnh, tôi kí hiệu xa= e, xc = a.
Trong ñó:
xa: khoảng cách tâm áp suất tính từ cạnh dẫn, m
CM
*b
CN

(2-46)

(với CN = L* cosα + D* sinα)

(2-47)

xa =

xc: khoảng cách từ tâm quay của bánh lái ñến cạnh dẫn.
Các lực và mômen thuỷ ñộng ñược biểu diễn qua các hệ số không thứ
nguyên sau:
- Hệ số lực nâng:

CL =

- Hệ số lực dọc:

CD =

- Hệ số lực pháp:

CN =

- Hệ số lực tiếp:

CT =

- Hệ số mômen:

CM =

- Hệ số tâm áp lực:

Cp =

L
ρ * vbl2
*S
2
D
ρ * vbl2
*S
2
N
ρ * vbl2
*S
2
T
ρ * vbl2
*S
2

M td
ρ * vbl2
* S *b
2
xa
b

Trong ñó:
ρ - khối lượng riêng của nước, kG/m3
vbl - vận tốc dòng chảy trên bánh lái, m/s

(2-48)

(2-49)

(2-50)

(2-51)

(2-52)

(2-53)