Nghiên cứu thiết kế du thuyền chở 6 khách du lịch, chạy bằng động cơ diesel kết hợp buồm hoạt động trên vịnh hạ long

TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI - VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ DU THUYỀN
CHỞ 6 KHÁCH DU LỊCH, CHẠY BẰNG ĐỘNG CƠ DIESEL

KẾT HỢP BUỒM HOẠT ĐỘNG TRÊN VỊNH HẠ LONG
Kỹ sư :
Lớp/Khoá:

Phạm Mạnh Tuấn
Kỹ thuật tàu thủy /2012-2014

Người hướng dẫn : PGS.TS. TRƢƠNG SĨ CÁP
HẢI PHÒNG - 2015

1


NỘI DUNG
MỞ ĐẦU

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

2

MỞ ĐẦU
- Tính cấp thiết của đề tài
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu.
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

1. Tính cấp thiết của đề tài
 Việt Nam có tiềm năng rất lớn trong phát triển du lịch biển. Đặc
biệt Vịnh Hạ Long là một điểm đến lý tưởng của khách du lịch.
 Hiện nay, Vịnh Hạ Long du khách chủ yếu lựa chọn các tàu vỏ gỗ
không đảm bảo an toàn. Gần đây đã có nhiều du thuyền được nhập

khẩu hoạt động trên vịnh. Tuy nhiên giá thành thường cao.
3


MỞ ĐẦU

 Một yêu cầu nữa là phát triển du lịch bền vững. Chúng ta cần có

những chiếc tàu chạy bằng năng lượng tự nhiên thân thiện với
môi trường. Chính vì lý do đó tác giả lựa chọn du thuyền chạy
máy kết hợp với buồm để hoạt động trên Vịnh Hạ Long.

4


MỞ ĐẦU

2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
 Đề tài tập trung nghiên cứu các mẫu du thuyền buồm có chiều

dài dưới 10m và chở được từ 4 tới 9 du khách. Từ đó tính toán

lý thuyết để lựa chọn du thuyền phù hợp chở 6 người.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài.

 Tổng hợp các mẫu du thuyền có buồm cỡ nhỏ trên thế giới
 Phân tích các đặc trưng thiết kế du thuyền.
 Lựa chọn mẫu du thuyền phù hợp
 Thiết kế du thuyền theo yêu cầu của quy chuẩn và quy phạm
Việt Nam.

5


MỞ ĐẦU

4. Ý nghĩa.
 Ý nghĩa khoa học.

 Tính toán thiết kế du thuyền và kiểm nghiệm thỏa mãn các
quy định của quy phạm đảm bảo hoạt động an toàn.
 Ý nghĩa thực tiễn.
 Tạo ra những du thuyền tiết kiệm nhiên liệu, thân thiện với
môi trường, thúc đẩy du lịch phát triển bền vững.

6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
Tình hình phát triển du thuyền trên thế giới và ở Việt Nam
 Thế giới: Xu hướng du thuyền trên thế giới là thiết kế du thuyền

cỡ nhỏ ứng dụng công nghệ mới, lượng khí thải thấp như du
thuyền chạy bằng năng lượng mặt trời, gió. Du thuyền buồm phục

vụ du lịch và thể thao đã được nhiều nước quan tâm và phát triển
từ rất lâu.
 Tại Việt Nam: Có rất nhiều khách hàng tư nhân muốn sở hữu du

thuyền cỡ nhỏ, phục vụ những kỳ nghỉ ngắn ngày và phù hợp với
điều kiện neo đậu tại Việt Nam. Hiện đã có rất nhiều bến du
thuyền quy mô lớn được xây dựng ở Vịnh Hạ Long.
7


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

- Các thuyền buồm hiện có chủ yếu dùng vỏ gỗ và buồm được chế tạo
theo kinh nghiệm dân gian. Một số tàu, buồm chỉ mang tính trang trí.

- Hệ thống tài liệu quy chuẩn thiết kế buồm chưa được đầy đủ.
- Qua tìm hiểu các mẫu tàu ở Việt Nam và thế giới tác giả đã phân tích

lựa chọn mẫu tàu phù hợp điều kiện ở Vịnh Hạ Long. Sau đó tính toán
thiết kế phù hợp với quy định an toàn của Quy phạm.
8

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ
1. Đặc điểm thuyền buồm
2. Một số lưu ý khi sử dụng thuyền buồm.
3. Cơ sở thiết kế cơ bản
4. Sức cản
5. Cơ sở tính áp lực gió và nghiệm sơ bộ tốc độ tàu
6. Tính ổn định
2.1 Đặc điểm thuyền buồm

Thuyền buồm di chuyển được là do áp lực gió tác dụng vào buồm tạo
nên sự tăng áp và giảm áp giữa mặt trước và sau của cánh buồm.
Chính sự chênh lệch áp suất này đã tạo ra lực đẩy đẩy tàu di chuyển.

9


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

Tại sao thuyền buồm có thể chạy ngƣợc gió?
- Thuyền buồm không thể di ngược

hướng gió hoàn toàn nhưng chếch
một góc nhỏ so với hướng gió thì hoàn toàn có thể.
- Vậy gió tác dụng lên thuyền buồm nhƣ thế nào? Dù gió có thổi
theo hướng nào thì nó cũng chỉ đẩy buồm theo phương thẳng góc với
mặt phẳng của buồm mà thôi.

- Nguyên tắc chung là: để lợi thế về tốc độ thì mặt phẳng của buồm
chia góc kẹp giữa mặt cắt dọc du thuyền và hướng gió ra làm đôi.

10


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

2.3 Cơ sở thiết kế cơ bản
2.3.1 Lựa chọn tàu mẫu và các thông số cơ bản
- Khi chưa tích lũy đủ kiến thức và kinh nghiệm thiết kế thì việc sử
dụng số liệu của tàu mẫu là biện pháp tốt nhất
2.3.2 Cơ sở bố trí chung toàn tàu
Bố trí những không gian tốt nhất cho hành khách, các phương
tiện an toàn, cứu sinh được trang bị đầy đủ và bố trí hợp lí.
2.3.3 Cơ sở lựa chọn hình dáng buồm
- Hiện nay có nhiều loại buồm khác nhau. Ở Việt Nam thường sử

dụng một số loại buồm phổ biến như buồm tai trâu, buồm cánh dơi.
11


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

 - Ở vùng vịnh bắc bộ buồm cánh dơi

được sử dụng phổ biến. Nhờ có hệ

thống khung xương mà buồm cánh dơi
có ưu điểm hơn hẳn so với các buồm
khác đó là có thể chạy được cả trong
trường hợp gió quẩn, gió giật và

ngược gió. Buồm cánh dơi có hình

dáng rất đẹp.
 - Ở đây lựa chọn buồm kết hợp buồm

cánh dơi và buồm tai trâu.

12


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

2.3.4 Cơ sở tính diện tích buồm và kích thƣớc buồm
Có 2 phương pháp tính diện tích buồm:
 Phƣơng pháp tính theo lý thuyết
So sánh với diện tích mặt ướt của thuyền
SA / W = 2  2,5
Trong đó:
W là diện tích ngâm nước của thuyền (m2)
SA : Tổng diện tích của buồm (m2)
k = 2 với thuyền nhỏ, k = 2,5 thuyền lớn
 Tính dựa theo thống kê tàu mẫu.
Trong phạm vi đề tài tác giả lựa chọn kết hợp cả 2 phương pháp để tính
tổng diện tích buồm và tính nghiệm ổn định sau khi chọn diện tích buồm.

13


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

2.4 Sức cản
Việc tính toán sức cản dựa trên phần mềm NAPA.
2.5 Cơ sở tính áp lực gió và nghiệm sơ bộ tốc độ tàu
2.5.1 Áp lực gió :

Q = P.S (KG)

Trong đó:

Q là lực đẩy của gió theo phương tác dụng đẩy thuyền về phía trước
P là áp lực của gió (KG/m2).
S là diện tích hứng gió của thuyền (m2).
Ở các hướng gió khác nhau áp lực gió sẽ thay đổi, sau đây ta tính với
tàu chạy xuôi gió

14


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

2.5.2 Cơ sở tính tốc độ thuyền chạy xuôi gió

Tổng diện tích hứng gió của cả thuyền được tính như sau:
S = S a + St

S (m2): là tổng diện tích hứng gió của cả thuyền.
Sa = là diên tích hứng gió của buồm.
St = là diện tích hứng gió của thân thuyền.
2.5.3 Cơ sở tính tốc độ thuyền chạy bằng máy
𝑅𝑉

𝑁=
75𝜂ℎ𝑠 𝜂𝑡 𝜂𝑚𝑡 𝜂𝑐𝑣
R là sức cản của thuyền (KG)

V là vận tốc thuyền (m/s)
15


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

2.6 Cơ sở tính ổn định
Dùng Quy phạm để kiểm tra ổn định. Nội dung kiểm tra như sau:
2.6.1 Các trạng thái kiểm tra
- Trạng thái I: Trạng thái tàu đầy tải và 100% dự trữ (Có buồm)

- Trạng thái II: Trạng thái tàu đầy tải và 10% dự trữ (Có buồm)
- Trạng thái II: Trạng thái tàu không tải và 10% dự trữ (Có buồm)

- Trạng thái IV: Trạng thái tàu đầy tải và 100% dự trữ (Không buồm)
- Trạng thái V: Trạng thái tàu đầy tải và 10% dự trữ (Không buồm)

16


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

2.6.2 Kiểm tra ổn định theo tiêu chuẩn thời tiết
Mchp ≥ Mng
Trong đó: Mng : Mômen nghiêng do tác dụng của gió.
Mchp: Mômen cho phép giới hạn.

Với :

Mng = 0,001.P.A.(Z +a1a2d)
P: Áp suất gió

A: Diện tích mặt chịu gió m2.

Z: chiều cao tâm hứng gió

d : chiều chìm trung bình.

a1: hệ số lấy theo tỷ số B/d.
a2: hệ số lấy theo tỷ số Zg/d.
Đối với tàu lưu trú du lịch ngủ đêm, nhà hàng nổi, khách sạn nổi:
Mchp/ Mng ≥ 2
17


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
3.1 Lựa chọn tàu mẫu và các thông số cơ bản
LOA
L
B
T
STT
TÊN TÀU
(m) (m) (m) (m)

D

tấn

Số
khách

1

ALBATROS 570

5.70

4.95 2.00 1.15

0.4

4

2

J/70

6.93

5.99 2.25

1.5

0.81

4

3

ACCENT 26 (ALBIN)

8.05

6.25 2.77 1.54

2.5

5

4

ALBATROZ 27

7.85 6.40

1.40

2.2

6

5

SUN 2500 (JEANNEAU)

7.50

7.15 2.90 1.75

2.69

5

6

HUNTER 27-2

8.10

6.83 2.74 1.07

2.26

6

7

COMPROMIS 888

8.70

7.60 3.00 1.50

3.40

8

8

HALLBERG-RASSY 34

10.28 8.53 3.40 1.70

5.30

9

9

HUNTER 306

9.12 8.21 3.28 1.62

3.24

6

2.8

18


Trên cơ sở giả thiết, tính toán và kiểm chứng có thể lựa
chọn kích thước cuối cùng như sau.
 Chiều dài lớn nhất
Lmax =

9.85 m
 Chiều dài thiết kế
L
=
8.00 m
 Chiều rộng lớn nhất
Bmax =
2.50 m
 Chiều rộng thiết kế
B
=
1.90 m
 Chiều cao mạn
D
=
1.00 m
 Mớn nước
d
=
0.51 m
 Hệ số
CB = 0.36
 Hệ số
CM = 0.7
 Hệ số
CWP= 0.65
19


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

3.2 Tính toán buồm
Diện tích buồm
SA = 2  2,5W
Với hệ số k = 2 được diện tích buồm là: SA = 2* 12.9 = 25. 8 (m2)
Dựa vào kích thước buồm theo tàu mẫu và tính nghiệm ổn định theo
quy phạm ta lựa chọn kích thước buồm có diện tích là: SA = 16.5 (m2)
Kích thƣớc buồm
- Buồm lòng: Diện tích buồm lòng: 11 m2

I = 6.34 m

J = 2.67 m

- Buồm mũi: Diện tích buồm mũi: 5.5 m2
P = 5.5 m

E = 2.02 m

Cột buồm lòng đặt tại giao điểm mặt phẳng dọc tâm tàu và sườn #6+350
20


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

3.4 Sức cản và nghiệm tốc độ tàu
Nhập trị số tuyến hình tàu thiết kế vào phần mềm NAPA và xuất dữ
liệu ta được bảng lực cản :
STT Vận tốc Vs Sức cản Rt (Kg)

STT

Vận tốc Vs Sức cản Rt (Kg)

1

2.0

20

10

5.6

125

2

2.4

36

11

6.0

132

3

2.8

46

12

6.4

141

4

3.2

56

13

6.8

157

5

3.6

67

14

7.2

182

6

4.0

82

15

7.6

211

7

4.4

95

16

8.0

242

8

4.8

105

17

8.4

276

9

5.2

118

18

8.8

312

21


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Tốc độ thuyền chạy xuôi gió( Các chế độ khác tính tƣơng tự)
Tổng diện tích hứng gió có tác dụng đẩy thuyền được tính như sau:
S = S a + St

Trong đó:
Sa = 11 (m2): là diên tích hứng gió của buồm, lấy theo diện tích buồm lòng.
St = 2,88 (m2): là diện tích hứng gió của thân thuyền.
Ta được: S = 13,88 (m2)
Bảng 3.4: Vận tốc thuyền khi xuôi gió.
Vận tốc gió

Áp lực gió P

Lực đẩy của gió

Vận tốc

m/s

(KG/m2)

Q = P.S (KG)

thuyền Hl/h

2

2.5

2.1

29.15

2.4

3

4.5

4.5

62.46

3.4

4

6.5

8.3

115.20

5.0

Cấp gió

22


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

3.5 Tính ổn định
Các trường hợp tải trọng tính toán

- Trạng thái I: Trạng thái tàu đầy tải và 100% dự trữ
- Trạng thái II: Trạng thái tàu đầy tải và 10% dự trữ
- Trạng thái III: Trạng thái tàu không tải và 10% dự trữ
* Bảng tính ảnh hƣởng của mặt thoáng
Chiều
STT

Tên gọi

Khối lượng
(Tấn)

Chiều

rộng bể cao bể
(m)

(m)

Hệ số ΔMh=gIqv
Cb

^0.5)
Tbt (Cb

0.01Dmin

1

Két dầu

0.2

1.3

0.40

0.37

0.01

0.045

2

Két nước ngọt

0.20

0.5

0.40

1.11

0.006

0.045

Ta chỉ xét những bể chứa có ΔMh>0.01Dmin vậy ta bỏ qua ảnh hưởng của

mặt thoáng đối với ổn định

23


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

* Bảng tính khối lƣợng trọng tâm tàu

Trạng thái I: Tàu đầy tải với 100% dự trữ
Thành phần khối
STT
%
lượng
1 Tàu không
2 Thuyền viên
3 Khách
4 Két dầu
98%
5 Két thải
10%
6 Két nước ngọt
98%
7 Dằn cứng đáy tàu
8 Xiếm ổn định tàu
9
Tổng
Lượng chiếm nước
Hoành độ trọng tâm
Cao độ trọng tâm

Pi
[Tấn]
1.69
0.14
0.42
0.15
0.02
0.20
1.20
0.70
4.52

Xi
Zi
[m]
[m]
3.26
0.50
1.28
1.73
4.50
1.0
1.01
0.20
5.650 0.070
0.250 0.600
4.650 0.100
3.800 -0.850

D =
XG =
ZG =

Mx
[Tm]
5.51
0.18
1.89
0.15
0.11
0.05
5.58
2.66
16.13

Mz
[Tm]
0.85
0.24
0.42
0.03
0.00
0.12
0.12
-0.60
1.18

4.52 T
3.569 m

0.262 m
24


CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

* Tính cân bằng dọc và chiều cao ổn định ban đầu
STT
1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

Tên gọi
Công thức
Đ.Vị

Lượng chiếm nước
D
T
Mớn nước trung bình
d
m
Hoành độ trọng tâm
XG
m
Hoành độ tâm nổi
XC
m
Momen nghiêng dọc trên 1 cm
MCT
Tm/cm
Trị số nghiêng dọc
dd = (XG - Xc)D/100MCT m
Hoành độ trọng tâm mặt nước
Xf
m
Số gia mớn nước mũi
ddm =(L-Xf)*dd/L
m
Số gia mớn nước lái
ddl =Xf*dd/L
m
Mớn nước mũi
dm = ( d + ddm)
m
Mớn nước lái

dl = ( d - ddl )
m
Chiều cao trọng tâm
ZG
m
Chiều cao tâm nổi
ZC
m
Bán kính tâm nghiêng ngang
r
m
Chiều cao tâm nghiêng
Zm = r + Z c
m
Momen quán tính mặt thoáng
S Mh
m4
Hiệu chỉnh mặt thoáng
dho = S Mh / D
m
Chiều cao ổn định ban đầu
ho = Zm - ZG - dho
m

TT I
4.52
0.515
3.569
3.453
0.100

0.053
3.349
0.031
0.022
0.55
0.49
0.262
0.310
1.150
1.460
0.0
0.0
1.198

TT II
4.37
0.502
3.881
3.457
0.100
0.185
3.345
0.108
0.077
0.61
0.42
0.267
0.303
1.150
1.453

0.0
0.0
1.186

TT III
3.95
0.469
3.8151
3.469
0.100
0.137
3.347
0.079
0.057
0.55
0.41
0.189
0.284
1.140
1.424
0.0
0.0
1.235
25