Tài liệu Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người - human powered hydrofoil

  • Số trang: 144 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 96 |
  • Lượt tải: 1
nhattuvisu

Đã đăng 27125 tài liệu

Mô tả:

1 LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi gồm: Đặng Đức Cƣờng và Đặng Văn Phƣớc xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng nhóm chúng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Tác giả luận văn Đặng Đức Cƣờng - Đặng Văn Phƣớc 2 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 1 MỤC LỤC ................................................................................................................... 2 DANH MỤC KÝ HIỆU............................................................................................... 5 DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... 7 LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 12 PHẦN I. THIẾT KẾ .................................................................................................. 13 Chƣơng 1. ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................... 14 1.1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.................................................................. 14 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU CÁNH NGẦM ................................ 15 1.2.1. Tình hình nghiên cứu tàu cánh ngầm trên thế giới........................................... 15 1.1.2. Tình hình nghiên cứu về tàu cánh ngầm trong nƣớc........................................ 26 1.3. PHƢƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU .......... 27 1.4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ LÝ THUYẾT CÁNH ....................................................... 28 1.4.1. Động lực học cánh............................................................................................ 28 1.4.2. Các yếu tố chính ảnh hƣởng đến các hệ số thủy động cánh............................. 30 Chƣơng 2. THIẾT KẾ THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC NGƢỜI (HUMAN POWERED HYDROFOIL) ...................................................................... 36 2.1. XÂY DỰNG NHIỆM VỤ THƢ VÀ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ....................... 36 2.1.1. Xây dựng nhiệm vụ thƣ.................................................................................... 36 2.1.2. Phƣơng pháp thiết kế ........................................................................................ 36 2.2. XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA THUYỀN CÁNH NGẦM ................ 38 2.2.1. Xác định lƣợng chiếm nƣớc của thuyền cánh ngầm D .................................... 38 2.2.2. Xác định các kích thƣớc chính và hệ số hình dáng thân thuyền ...................... 40 2.3. THIẾT KẾ ĐƢỜNG HÌNH THUYỀN ................................................................... 43 2.4. THIẾT KẾ PHẦN CÁNH CỦA THUYỀN CÁNH NGẦM................................... 48 2.4.1. Lựa chọn cách bố trí và dạng kết cấu của hệ thống cánh ngầm ....................... 48 2.4.2. Thiết kế cánh ngầm .......................................................................................... 52 2.4.3. Tính chọn kích thƣớc hình học cánh thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời54 2.4.4. Tính toán động lực học cánh ngầm .................................................................. 57 2.4.5. Thiết kế cánh ngầm, thanh đỡ cánh và thanh đỡ chân vịt ................................ 68 3 2.5.TÍNH TỐC ĐỘ CẤT CÁNH (TAKEOFF) VTO ....................................................... 70 2.5.1. Tính cho cánh sau............................................................................................. 70 2.5.2. Tính cho cánh trƣớc.......................................................................................... 73 2.6. THIẾT KẾ KẾT CẤU VÀ CHỐNG CHÌM............................................................ 74 2.6.1. Kết cấu thân thuyền .......................................................................................... 74 2.6.2. Tính chiều dày kết cấu vỏ thuyền..................................................................... 75 2.7. THIẾT KẾ BỐ TRÍ CHUNG VÀ CÁC HỆ THỐNG THUYỀN CÁNH NGẦM .................................................................................................................................... 78 2.7.1. Bố trí chung thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời ..................................... 78 2.7.2. Thiết kế hệ động lực của thuyền ...................................................................... 79 2.7.3. Thiết kế hệ thống lái ......................................................................................... 81 2.7.4. Thiết kế cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trƣớc theo mớn nƣớc. ...................... 83 2.8. TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA THUYỀN ........................................................................... 86 2.8.1. Đặc điểm ổn định của thuyền cánh ngầm ........................................................ 86 2.8.2. Tính ổn định của thuyền ................................................................................... 91 2.9. TÍNH SỨC CẢN VÀ KIỂM NGHIỆM CÔNG SUẤT........................................... 94 2.9.1. Đặc điểm sức cản của tàu cánh ngầm .............................................................. 94 2.9.2. Tính sức cản của thuyền cánh ngầm ................................................................ 96 2.9.3. Tính kiểm nghiệm công suất của thuyền........................................................ 107 2.10. THIẾT KẾ CHÂN VỊT........................................................................................ 109 2.10.1. Các thông số cho trƣớc................................................................................. 109 2.10.2.Tính các thông số .......................................................................................... 110 2.10.3. Tính các thông số của chân vịt ..................................................................... 112 PHẦN II. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM ............................................................... 114 Chƣơng 3. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC NGƢỜI .................................................................................................................... 115 3.1. LỰA CHỌN VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO .................................... 115 3.1.1. Lựa chọn vật liệu chế tạo ............................................................................... 115 3.1.2. Lựa chọn công nghệ chế tạo vỏ thuyền .......................................................... 115 3.2. CHẾ TẠO VỎ THUYỀN ...................................................................................... 118 3.2.1. Chế tạo khuôn................................................................................................. 118 3.2.2. Chế tạo vỏ thuyền ........................................................................................... 121 4 3.3. CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÁNH NGẦM ............................................................... 124 3.3.1. Chế tạo cánh ................................................................................................... 124 3.3.2. Chế tạo sống chính ......................................................................................... 129 3.3.3 Chế tạo chân vịt ............................................................................................... 130 3.3.4. Chế tạo hệ thống truyền động (bản vẽ số 10 )................................................ 131 Chƣơng 4. CHẠY THỬ NGHIỆM THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC NGƢỜI .................................................................................................................... 133 4.1. THỬ NGHIỆM TÍNH NỔI CỦA THUYỀN ........................................................ 133 4.2. THỬ NGHIỆM TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA THUYỀN............................................... 134 4.3. THỬ NGHIỆM TÍNH NĂNG CỦA CÁNH ......................................................... 134 4.4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ............................................................. 138 4.4.1. Phân tích ƣu nhƣợc điểm của thuyền ............................................................. 138 4.4.2. Đề xuất một số giải pháp khắc phục ............................................................. 139 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 142 1. Kết luận ..................................................................................................................... 142 2. Kiến nghị................................................................................................................... 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 144 5 DANH MỤC KÝ HIỆU A – Diện tích a – Khoảng cách B – Chiều rộng thuyền B – Chiều rộng cánh CL – Hệ số lực nâng cánh CD – Hệ số lực cản cánh CM – Hệ số mô men D – Lƣợng chiếm nƣớc F – Lực nâng cánh FAR – Hệ số phụ thuộc tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng cánh FB – Lực nâng phần cánh nghiêng 2 bên cánh chính FC – Lực nâng cánh chính FD – Lực nâng phần đáy ngang cánh chính FS – Hệ số phụ thuộc độ chìm sâu FT – Lực nâng cánh trƣớc H – Chiều cao L – Chiều dài thuyền l – Chiều dài cánh M – Mô men P – Trọng lƣợng Rn – Số Reynolds T– Chiều chìm V – Vận tốc – Góc tấn cánh – Trọng lƣợng riêng của nƣớc – Thể tích chiếm nƣớc 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng hệ số lực nâng, lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản của cánh Profile NACA 63-412 có số RN = 3.000.000 theo góc tấn Bảng 2.1: Bảng so sánh hệ số lực nâng cánh, hệ số lực cản, tỷ số lực nâng và lực cản một số loại biên dạng cánh thƣờng dùng để chế tạo cánh thuyền cánh ngầm Bảng 2.2: Bảng tính hệ số phụ thuộc độ chìm phần nghiêng cánh sau khi thuyền bay. Bảng 2.3: Bảng tính hệ số phụ thuộc độ chìm sâu phần cánh nghiêng cánh sau khi thuyền “cất cánh” Bảng 2.4: Bảng tổng hợp trọng lƣợng, trọng tâm thuyền Bảng 2.5: Bảng tổng hợp lực nâng, lực cản cánh theo tốc độ Bảng 2.6: Bảng tính lƣợng chiếm nƣớc và chiều chìm thuyền theo tốc độ Bảng 2.7: Kết quả tính sức cản Bảng 2.8: Bảng sức cản thân thuyền theo tốc độ Bảng 2.9: Bảng tổng hợp tính sức cản thuyền theo tốc độ Bảng 3.1: Bảng tổng hợp khối lƣợng thuyền Bảng 4.1: Bảng tính trọng tâm tàu sau khi thay đổi vị trí ghế ngồi. 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Tàu cánh ngầm của Enrico Forlanini Hình 1.2: Phác hoạ tàu HD-4 Hình 1.3: Tàu RHS-160 Rodriquez Hình 1.4: (a) Chiếc trimaran Williwaw của David Keiper. (b) Chiếc Jetfoil tốc độ cao của Boeing chở 400 khách. Hình 1.5: Tàu Bras d'Or của hải quân Canada. Hình 1.6: Tàu XCH-4 của Mỹ Hình 1.7: Tàu Sealegs của hải quân Mỹ Hình 1.8: Tàu Fresh-1 lắp động cơ phản lực của Boeing (Mỹ) Hình 1.9: Tàu High Point, 110 tấn Hình 1.10: Tàu Flagstaff Hình 1.11: Các mẫu thuyền cánh ngầm cá nhân thử nghiệm của Ray Vellinga Hình 1.12: Thuyền Hi-Foil Hình 1.13: Thuyền Dynafoil Hình 1.14: Decavitator của MIT Hình 1.15: Chiếc FlyingKayak thấpcủa Steve Ball Hình 1.16: Chiếc Mach 003 của Dwight Filley Hình 1.17: Tốc độ dòng chảy bao cánh và áp lực trên bề mặt cánh Hình 1.18: Sự phân bố áp lực trên bề mặt cánh Hình 1.19: Một số loại profile cánh Hình 1.20: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản cánh profile NACA 4415 Hình 1.21: Áp lực lên bề mặt cánh thay đổi khi góc tấn thay đổi Hình 1.22: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản cánh theo số Rn và góc tấn Hình 1.23: Đồ thị và bảng hệ số ảnh hƣởng của tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng cánh Hình 1.24: Đồ thị hệ số ảnh hƣởng độ chìm sâu FS Hình 2.1: Quá trình thiết kế sơ bộ Hình 2.2: Các hệ số sử dụng tàu cánh ngầm Hình 2.3: Sơ đồ khối quy trình thiết kế đƣờng hình thuyền bằng AutoShip Hình 2.4: Tạo mặt cong vỏ thuyền bằng phần mềm AutoShip. Hình 2.5: Hiệu chỉnh mặt cong vỏ thuyền trên AutoShip. 8 Hình 2.6: Bề mặt vỏ thuyền sau khi hiệu chỉnh xong. Hình 2.7: Tính nhanh các yếu tố thủy tĩnh vỏ thuyền trên AutoShip Hình 2.8: Đƣờng hình xuất từ AutoShip sang AutoCad Hình 2.9: Tọa độ đƣờng hình xuất sang phần mềm MS Excel và thiết lập bảng toạ độ đƣờng hình hoàn chỉnh Hình 2.10: Tab tính nhanh các yếu tố thủy tĩnh thân thuyền bằng AutoShip Hình 2.11: Cấu hình tàu cánh ngầm Hình 2.12: Tàu cánh ngầm có cánh chìm nông Hình 2.13: Tàu cánh ngầm có cánh chìm trung bình Hình 2.14: Tàu cánh ngầm có hệ thống cánh tầng Hình 2.15: Hệ thống cánh thủy lực Hình 2.16: Hệ thống cánh Aquavion Hình 2.17: Cấu trúc hệ thống cánh thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời Hình 2.18: Kết cấu cánh sau theo tính toán sơ bộ Hình 2.19: Kết cấu cánh sau thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời Hình 2.20: Kết cấu cánh trƣớc thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời Hình 2.21: Các chế độ làm việc của tàu cánh ngầm Hình 2.22: Các phần lực nâng tác động lên cánh sau khi hoạt động Hình 2.23: Đồ thị hệ số lực nâng của cánh có biên dạng NACA 4412 theo góc tấn và số Reynolds. Hình 2.24: Đồ thị hệ số lực nâng, hệ số lực cản và tỷ số lực nâng trên lực cản của cánh có biên dạng NACA 4412 theo góc tấn. Hình 2.25: Kết cấu thanh đỡ cánh trƣớc và cánh sau Hình 2.26: Kết cấu thanh đỡ chân vịt và khung cánh sau. Hình 2.27: Các mặt cắt ngang thể hiện kết cấu của thân thuyền. Hình 2.28: Mặt cắt ngang kết cấu thân thuyền đã chế tạo Hình 2.29: Bố trí chung thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời Hình 2.30: Hệ động lực thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời. Hình 2.31: Sơ đồ cấu tạo hệ thống lái thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời Hình 2.32: Sơ đồ hệ thống lái Hình 2.33: Khi bẻ lái qua phải Hình 2.34: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trƣớc theo mớn nƣớc 9 Hình 2.35: Khi thuyền đứng yên, feelerđiều khiển góc tấn cánh ở mức cực đại - 70 Hình 2.36: Thuyền đang “bay” ở đƣờng nƣớc thiết kế Hình 2.37: Khi thuyền đạt tốc độ 7 HL/h, chạy ở mức nƣớc – 200mm “feeler” điều khiển góc tấn cánh trƣớc ở góc 50 Hình 2.38: Nếu thuyền đạt tốc độ từ 8 HL/h trở lên (thuyền chạy ở mức nƣớc >– 200mm) “feeler” sẽ điều khiển góc tấn cánh trƣớc giảm từ 5 0 về -10 Hình 2.39 : Lực tác động lên tàu cánh ngầm khi tàu nghiêng ngang Hình 2.40 : Lực tác động lên tàu có cánh ngầm cánh gập chữ V khi tàu nghiêng ngang Hình 2.41: Lực tác động lên tàu cánh ngầm cánh hình cung khi tàu nghiêng ngang Hình 2.42: Đồ thị sức cản tàu cánh ngầm Hình 2.43: Các chế độ làm việc của tàu cánh ngầm Hình 2.44: Đồ thị hệ số lực nâng và lực cản cánh NACA 4412 theo số Reynols và góc tấn. Hình 2.45: Đồ thị hệ số lực nâng và lực cản cánh NACA 0021 theo số Reynols và góc tấn. Hình 2.46: Đƣờng cong sức cản thuyền cánh ngầm ở chiều chìm và lƣợng chiếm nƣớc đang xét Hình 2.47: Bảng tính và đồ thị sức cản thân thuyền ở mớn nƣớc 0,105 m tính bằng Auto Power Hình 2.48: Đồ thị sức cản thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời Hình 2.49: Biểu đồ công suất do ngƣời đạp sinh ra do NACA thiết lập Hình 2.50: Đồ thị Bu - chân vịt B.2.30 Hình 3.1 : Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo tàu bằng vật liệu Composite Hình 3.2: Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo thân thuyền cánh ngầm dùng sức ngƣời bằng vật liệu Composite Hình 3.3: Các đƣờng sƣờn của khuôn nửa trên Hình 3.4: Tạo khuôn mặt cong nửa dƣới của vỏ thuyền Hình 3.5: Làm mịn mặt cong thân thuyền Hình 3.6: Hai nửa khuôn sau khi hoàn thành Hình 3.7: Quét lớp chống dính Hình 3.8: Trát lớp gelcoat Hình 3.9: Trát lớp CSM 501-225 Hình 3.10: Tách khuôn Hình 3.11: Ráp hai nửa vỏ thuyền 10 Hình 3.12: Bơm Foam vào vỏ thuyền Hình 3.13: Hình ảnh thân thuyềnsau khi hoàn thiện Hình 3.14: Biên dạng cánh Không phay đƣợc trên máy CNC xyz Hình 3.15: Dƣỡng cánh lái Hình 3.16: Dƣỡng cánh trƣớc Hình 3.17: Cánh đã đƣợc gia công bề mặt cong bằng thủ công Hình 3.18: Cánh lái Hình 3.19: Cánh lái và cánh trƣớc đã hoàn thành Hình 3.20: Cụm cánh sau (Cánh ngang sau, cánh nghiêng, thanh đỡ cánh) Hình 3.21: Thanh đỡ chân vịt Hình 3.22: Sống chính Hình 3.23: Phần đầu sống chính có lỗ gắn trục lái Hình 3.24: Phần giữa sống chính có khe lắp thanh dọc Hình 3.25: Chân vịt Hình 3.26: Bộ truyền xích Hình 3.27: Bộ bánh răng nón 900 Hình 3.28: Bộ bánh răng nón 1200 Hình 3.29: Thuyền đã hoàn thành Hình 3.30: Nguyên lý làm việc của cơ cấu điều khiển góc tấn cánh trƣớc Hình 3.31: Khi thuyền đứng yên, feeler điều khiển góc tấn cánh ở mức cực đại 70 Hình 3.32: Thuyền đang “bay” ở đƣờng nƣớc thiết kế Hình 3.33: Khi thuyền đạt tốc độ 7 HL/h, chạy ở mức nƣớc – 200mm “feeler” điều khiển góc tấn cánh trƣớc ở góc 50 Hình 3.34: Nếu thuyền đạt tốc độ từ 8 HL/h trở lên (thuyền chạy ở mức nƣớc >– 200mm) “feeler” sẽ điều khiển góc tấn cánh trƣớc giảm từ 5 0 về -10 Hình 3.35: Sơ đồ hệ thống lái Hình 3.36: Khi bẻ lái qua phải Hình 3.37: Thành phần lực nâng của cánh khi thuyền cân bằng Hình 3.38: Thành phần lực nâng của cánh khi thuyền bị nghiêng Hình 3.39: Ngƣời điều khiển có thể điều chỉnh trọng tâm bằng cách nghiêng ngƣời Hình 4.1: Thuyền nổi ổn định và quay trở cơ động Hình 4.2: Sức ngƣời đạp thuyền với tốc độ 4 konts, thuyền vẫn chƣa bay đƣợc 11 Hình 4.3: Khi kéo thuyền ở tốc độ 4 HL/h cánh trƣớc nâng đƣợc mũi thuyền lên 250 mm Hình 4.4: Khi kéo thuyền ở tốc độ 5 HL/h thân thuyền bắt đầu đƣợc nâng lên khỏi mặt nƣớc Hình 4.5: Khi kéo thuyền với tốc độ 6 HL/h thân thuyền đƣợc nâng lên khỏi mặt nƣớc 150mm Hình 4.6: Khi kéo thuyền với tốc độ 6,5 HL/h thuyền đã bay ở mớn nƣớc thiết kế 200mm Hình 4.7: Thuyền bay ổn định ở tốc độ 6,5 HL/h Hình 4.8: Bố trí thuyền trƣớc khi thay đổi vị trí ghế ngồi Hình 4.9: Bố trí thuyền sau khi thay đổi vị trí ghế ngồi. 12 LỜI NÓI ĐẦU Việt Nam là một quốc gia thuộc nhóm 10 nƣớc có mạng lƣới sông ngòi dày đặc nhất thế giới nên có tiềm năng trong phát triển kinh tế, du lịch, giao thông vận tải đƣờng thuỷ nội địa. Tuy nhiên, do đặc điểm của hệ thống sông ngòi ở Việt Nam là dòng chảy quanh co, tuyến đƣờng thủy nội địa có chiều rộng khoang thông thuyền nhỏ, chiều cao tĩnh không thấp nên mặc dù bất lợi cho các phƣơng tiện giao thông đƣờng thuỷ nội địa nói chung nhƣng lại thuận lợi để phát triển các phƣơng tiện giao thông đƣờng thuỷ cỡ nhỏ phục vụ các hoạt động thể thao và du lịch. Vì vậy, các công ty du lịch lữ hành ở Việt Nam đã phát triển loại hình du lịch sinh thái, du lịch khám phá... bằng cách sử dụng thuyền Kayak (loại thuyền chèo có một hoặc hai ngƣời ngồi) để du lịch khám phá các vùng đất thƣợng nguồn hẻo lánh, các đảo gần bờ... loại hình du lịch này đã thu hút đƣợc một số lƣợng lớn du khách trong và ngoài nƣớc. Cùng với sự phát triển du lịch bằng thuyền Kayak là sự phát triển mạnh các môn thể thao dƣới nƣớc nhƣ Rowing, Canoeing ... đã làm dấy lên phong trào tham gia những môn thể thao chèo thuyền, nhất là ở các thành phố lớn nhƣ Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh. Cho đến hiện nay, mặc dù thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời là phƣơng tiện rất thích hợp cho các hoạt động thể thao, du lịch... đối với vùng sông nƣớc của nƣớc ta. nhƣng hầu nhƣ vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoặc du nhập vào Việt Nam. Mặc dù là vấn đề phức tạp, nhƣng với mong muốn chế tạo loại phƣơng tiện trƣớc tiên phục vụ nhu cầu thể thao, du lịch và có thể phục vụ nhu cầu đi lại cho nhân dân các vùng sông nƣớc miền Tây Nam Bộ, nơi hệ thống giao thông đƣờng thuỷ là chủ yếu, đồng thời đặt cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, phát triển lý thuyết và từng bƣớc chế tạo đƣợc các loại tàu, thuyền cánh ngầm phục vụ cho các mục đích khác cao và rộng hơn, chúng tôi đã thực hiện đề tài cao học “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người - Human powered hydrofoil”. Nhân dịp này, nhóm thực hiện đề tài xin đƣợc gửi lời cám ơn chân thành đến PGS TS Trần Gia Thái, Trƣởng Khoa Kỹ thuật tàu thuỷ Trƣờng Đại học Nha Trang đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và chỉnh sửa các sai sót trong quá trình thực hiện đề tài. Xin cám ơn các thầy, cô trong Khoa Kỹ thuật tàu thủy Trƣờng Đại học Nha Trang, các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài. Nha Trang, ngày 02 tháng 12 năm 2010 Đặng Đức Cƣờng – Đặng Văn Phƣớc 13 PHẦN I THIẾT KẾ 14 Chƣơng 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Tàu thuyền chạy bằng cánh ngầm nói chung thuộc nhóm tàu chạy tốc độ cao, trong đó tốc độ của một số tàu cánh ngầm hiện đại có thể đạt đƣợc tới trên 100 km/h. Tàu thƣờng dùng trong quân đội làm tàu phóng lôi, tàu tên lửa, tàu tuần tiễu, liên lạc hoặc dùng làm tàu tốc hành để chở hành khách và hàng hoá trên sông, ven biển v..v... Khi chạy, hệ thống cánh gắn dƣới đáy tàu có tác dụng nâng tàu nổi lên trên mặt nƣớc, làm giảm sức cản của nƣớc nên tàu có thể đạt tốc độ cao và giảm tiêu hao nhiên liệu. Trong những năm gần đây, ở nƣớc ta cũng đã nhập khẩu tàu cánh ngầm nhƣng chủ yếu chỉ để vận chuyển khách trên các tuyến đƣờng thuỷ ở Hải Phòng, Hạ Long, Móng Cái hoặc trên các tuyến phía Nam nhƣ tuyến thành phố Hồ Chí Minh, Vũng Tàu. Riêng trong các lĩnh vực du lịch hoặc thể thao dƣới nƣớc, thuyền cánh ngầm đã đƣợc chế tạo và có tên gọi là thuyền Flyak, thực chất là thuyền Kayak có gắn thêm các cánh ngầm ở dƣới mũi thuyền và dƣới đuôi thuyền. Hệ thống cánh ngầm của loại thuyền này thƣờng đƣợc gắn cứng với thân thuyền và ngƣời ngồi trên thuyền sẽ sử dụng mái chèo để điều khiển và đẩy cho thân thuyền chạy khi ngƣời chèo đẩy thuyền Flyak đến vận tốc xác định thì lực nâng của các cánh ngầm đủ lớn sẽ nâng toàn bộ thân thuyền ổn định lên khỏi mặt nƣớc, chỉ còn các cánh ngầm trong nƣớc nên làm giảm đáng kể sức cản của nƣớc đối với chuyển động của thuyền, làm cho thuyền có thể chuyển động với tốc độ nhanh hơn và lực chèo cũng nhẹ hơn. Tƣơng tự nhƣ thuyền Flyak nhƣng thay vì sử dụng mái chèo làm động lực đẩy thuyền, ngƣời ta sử dụng chân vịt và dùng sức ngƣời để đẩy tàu chạy, cụm cánh ngầm phía mũi có nhiệm vụ vừa nâng mũi thuyền và vừa điều khiển thuyền, còn cụm cánh ngầm phía đuôi có nhiệm vụ nâng gần nhƣ toàn bộ trọng lƣợng thuyền. Loại thuyền cánh ngầm này có tên gọi bằng tiếng Anh là “Human powered hydrofoil”, chúng tôi tạm dịch sang tên tiếng Việt là “Thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người”. Ở nƣớc ta hiện nay vẫn chƣa thấy xuất hiện thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời nhƣng đây là phƣơng tiện rất thích hợp để phát triển các hoạt động thể thao dƣới nƣớc, du lịch khám phá hoặc dùng làm phƣơng tiện giao thông cá nhân ở vùng sông nƣớc. 15 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU CÁNH NGẦM 1.2.1. Tình hình nghiên cứu tàu cánh ngầm trên thế giới 1. Tàu cánh ngầm động cơ Trƣớc chiến tranh thế giới lần thứ II Vào năm 1861, Thomas Moy thử nghiệm cánh máy bay trong nƣớc vì theo ông, thử nghiệm cánh máy bay trong nƣớc cho đƣợc độ chính xác cao hơn trong không khí. Nhờ vậy, Moy đã phát hiện đƣợc đặc tính của cánh chuyển động trong nƣớc. Trong khoảng thời gian từ năm 1895 đến 1916, anh em nhà Meacham ở Chicago (Mỹ) là những ngƣời đầu tiên thiết kế và thử nghiệm thành công tàu cánh ngầm đúng nghĩa, thật ra họ đã chế tạo ra một máy bay mà ngày nay đƣợc công nhận là tàu cánh ngầm. Năm 1906, một kỹ sƣ ngƣời Ý tên Enrico Forlanini đã gắn một số cánh bậc thang lên thân tàu trọng lƣợng 1,2 tấn, lắp máy công suất 60 HP, chạy trên hồ Maggiore. Tàu đã nổi lên đƣợc và chạy với tốc độ 36,93 HL/h (hình 1.1). Hình 1.1 : Tàu cánh ngầm của Enrico Forlanini 16 Khi đó, Alexander Graham Bell đã cho phát trên đƣờng dây điện thoại đƣờng dài bài viết anh em nhà Mecham đã đăng tải trên tạp chí Scientific American lúc bấy giờ. Chính bài viết này đã truyền cảm hứng cho các cộng tác viên và một trong số đó là Case Baldwin đã bắt đầu nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm mô hình tàu cánh ngầm. Trong một tour du lịch vào năm 1910 - 1911, hai nhà phát minh đã gặp đƣợc Forlanini tại hồ Maggiore để trao đổi vấn đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo tàu cánh ngầm đầu tiên. Kết quả đến năm 1919, họ đã thiết kế và chế tạo thành công tàu cánh ngầm HD-4 đƣợc đẩy bởi hai cánh quạt có tổng công suất 350 HP dùng trong hải quân Mỹ (hình 1.2), và thiết lập đƣợc kỷ lục thế giới về tốc độ chạy trên mặt nƣớc bây giờ là 61,58 HL/h. Hình 1.2 : Phác hoạ tàu HD-4 Giáo sƣ Oscar Tietjens, một nhà tiên phong trong nghiên cứu tàu cánh ngầm, đã sử dụng các lá thép có bề mặt dạng hình vòng cung sắc cạnh để làm các cánh ngầm. Kết cấu này khá đơn giản, nhƣng lại rất hiệu quả và đảm bảo thuyền có độ ổn định cao Năm 1932, khi thử nghiệm trên dòng sông chảy qua thành phố Philadelphia của Mỹ, chiếc thuyền cánh ngầm 0,23 tấn chế tạo thủ công của ông đã đạt tới tốc độ 21,72 HL/h. Giáo sƣ Oscar Tietjens sau đó đã trở lại nƣớc Đức và tiếp tục các nghiên cứu phát triển tàu cánh ngầm của mình song song với nghiên cứu của Baron von Schertel (Hà Lan). Năm 1938, sử dụng một số đổi mới của Bell và Badwin, Philip L.Rhodes đã chế tạo đƣợc một tàu cánh ngầm Miss USA có chiều dài 10,7 m lƣợng chiếm nƣớc 2,95 tấn, động cơ 650 HP và đã đạt đƣợc kỷ lục thế giới về tốc độ lúc bây giờ là 80 HL/h. 17 Sau chiến tranh thế giới thứ II Sau chiến tranh thế giới thứ II, tàu cánh ngầm đƣợc nghiên cứu và phát triển mạnh và nhà khoa học có vai trò quan trọng trong lịch sử tàu cánh ngầm là Christopher Hook. Năm 1945, tại Cowles nƣớc Anh, ông đã chế tạo hệ thống lực nâng thân tàu bởi các cánh ngầm phía trƣớc, kết nối với thiết bị thăm dò mức nƣớc (Feeler) để có thể liên tục điều chỉnh góc tấn của các cánh nâng phía trƣớc nhằm kiểm soát độ cất cao của mũi tàu. Trong thập niên 1950, Tiến sĩ Vannevar Bush, cố vấn khoa học cho Tổng thống Mỹ bắt đầu công việc nghiên cứu thiết kế tàu cánh ngầm trên con tàu trọng tải 3.500 tấn. Ông tin tƣởng rằng, khi thiết kế tàu cánh ngầm lớn nhƣng nếu có phần ngập hoàn toàn dƣới nƣớc nhỏ sẽ có thể đạt đƣợc tốc độ cao nên sẽ an toàn khi bị ngƣ lôi tấn công. Thật không may, thiết kế của ông đã không đƣợc nhân rộng vì lý do động cơ quá lớn để thực hiện lực đẩy cần thiết đã chiếm dụng hết không gian của khoang chứa hàng. Sau thế chiến II, một ngƣời Đức tên Baron Von Schertel di cƣ đến Thụy Sĩ đã sử dụng kiến thức của mình để thiết kế bề mặt các cánh của tàu cánh ngầm cho hải quân Đức. Tháng 5 năm 1953, tàu cánh ngầm do ông thiết kế là chiếc tàu cánh ngầm chở khách thƣơng mại đầu tiên trên thế giới, vận chuyển hành khách trên hồ Maggiore của Italy. Một năm sau đó, nhà máy đóng tàu Leopoldo Rodriquez tại Messiana Itatly bắt đầu chế tạo các tàu cánh ngầm chở khách theo giấy phép của công ty Baron, Supramar. Các tàu này phổ biến khắp thế giới và nhiều tàu vẫn còn hoạt động cho đến ngày nay. Tiếp sau đó, một số mẫu tàu cánh ngầm cùng kiểu đã đƣợc chế tạo theo giấy phép của Công ty Hatachi Zosen của Nhật bản và công ty Voster Thoryncraft của nƣớc Anh. Lớn nhất trong loạt này là Super Jumbo RHS-200 với sức chở lên đến 254 hành khách, trông tƣơng tự nhƣ các RHS-160 trên hình 1.3. Hình 1.3: Tàu RHS-160 Rodriquez 18 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 Bell ngƣời Canada, sử dụng động cơ hiệu Rolls Royce 1.500 HP có 12 xi-lanh để dẫn động hai cánh quạt. Giống nhƣ mẫu tàu cánh ngầm của Bell - Baldwin, tàu Baddeck có cánh chính gồm các lá mỏng bậc thang đôi, đặt tại vị trí nằm phía trƣớc trọng tâm của tàu một chút. Một lá mỏng bậc thang nhỏ hơn đƣợc đặt tại đuôi tàu gọi là cấu hình dạng “máy bay”. Lúc đó, đây là hình thức bố trí tốt nhất đối với tàu cánh ngầm nhƣng khi thử nghiệm, nó hoạt động không tốt ở các vùng nƣớc có nhiều sóng trong phạm vi hẹp của góc tấn. Mẫu thử nghiệm này khá đắt tiền và đƣợc xem nhƣ là một thất bại lúc bấy giờ nhƣng chính từ mẫu thử nghiệm này, các nhà khoa học đã rút ra đƣợc nhiều kết luận giá trị. Các mẫu thuyền buồm cánh ngầm thƣờng sử dụng cấu hình cánh thông thƣờng, trong đó mẫu thuyền buồm cánh ngầm tốt nhất mang tên Williwaw của David Keiper là một chiếc trimaran (tàu ba thân) có chiều dài 9,75 m , đƣợc đóng năm 1970 (hình 1.4). Tính cho đến nay, chiếc thuyền này đã chạy hành trình đƣợc vào khoảng 32.000 km, chủ yếu là tuyến hàng hải từ California đến Hawaii, New Zealand và ngƣợc lại. (a) (b) Hình 1.4: (a) Chiếc trimaran Williwaw của David Keiper. (b) Chiếc Jetfoil tốc độ cao của Boeing chở 400 khách. 19 Những mẫu tàu cánh ngầm có 3 cánh nhƣ Hobie, thiết kế của Greg Ketterman, tàu Windrider Rave của Tiến sĩ Sam Bradfield, tàu Monitor của Gordon Baker là những ví dụ khác của thuyền buồm cánh ngầm đã đƣợc thiết kế và chế tạo thành công với phần cánh phía trƣớc khá lớn và đƣợc đặt phía trƣớc trọng tâm của thuyền. Từ thành công của các mẫu thuyền buồm cánh ngầm dân sự, hải quân Canada đã có ý tƣởng sử dụng động cơ và bố trí các cánh kiểu “vịt trời”cho thuyền cánh ngầm. Năm 1967, họ đã cho ra đời tàu cánh ngầm Bras d’Or, dài 46 m, trọng lƣợng 200 tấn, có khả năng bay đƣợc ở tốc độ lên đến 63 HL/h ở vùng biển có chiều cao sóng là 1,2 m. Đây là một chiếc tàu cánh ngầm lớn, đẹp với nhiệm vụ chính là chống các tàu ngầm. Tuy nhiên đến năm 1971, do chính sách quốc phòng của chính phủ Canada thay đổi nên theo Hiệp hội tàu cánh ngầm quốc tế, nhiệm vụ chống tàu ngầm đã đƣợc che đậy bằng nhiệm vụ “bảo vệ chủ quyền bờ biển và giám sát lãnh thổ của chính phủ Canada” Vì thế, chiếc Bras d’Or đã ngƣng hoạt động vào năm 1972 và ngày nay đƣợc trƣng bày tại Bảo tàng hàng hải Bernier tại Nova Scotia (hình 1.5). Hình 1.5: Tàu Bras d'Or của hải quân Canada. 20 Ở Mỹ, tàu cánh ngầm đầu tiên XCH-4 của hải quân Mỹ do kỹ sƣ William P.Carl thiết kế và chế tạo vào năm 1954 đã xác lập một kỷ lục tốc độ 64,65 HL/h (hình 1.6). Hình 1.6 : Tàu XCH-4 của Mỹ Bốn năm sau đó, xƣởng đóng tàu của hai nhà khoa học Gibbs và Chris Cox đã chế tạo thành công mẫu tàu tuần tra bờ biển cở nhỏ tên Sealegs làm bằng gỗ, dài 7,62 m, có lắp cánh ngầm, có thể chạy trên sóng biển cao 1,2 – 1,5 m với tốc độ 23 HL/h (hình 1.7) Hình 1.7 : Tàu Sealegs của hải quân Mỹ
- Xem thêm -