Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các loại tàu cao tốc cỡ nhỏ làm bằng vật liệu composite

Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản Số 2/2006<br /> <br /> Trường Đại học Thủy sản<br /> <br /> NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC LOẠI TÀU CAO TỐC CỠ NHỎ<br /> LÀM BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE<br /> TS. Trần Gia Thái<br /> Khoa Cơ khí Đại học Thuỷ sản<br /> 1.TỔNG QUAN<br /> Trong những năm gần đây, nhu cầu đóng mới những loại tàu cao tốc cỡ vừa và nhỏ làm bằng vật<br /> liệu Composite ở nước ta nhằm phục vụ cho công tác tuần tra, kiểm ngư, du lịch v..v…là rất lớn. Nhìn<br /> chung, thiết kế tàu đáp ứng yêu cầu về tốc độ, đặc biệt là tốc độ cao, là bài toán không đơn giản do<br /> đó vấn đề thiết kế và chế tạo loại tàu cao tốc Composite có ý nghĩa lý thuyết và thực tế quan trọng.<br /> Trong loạt bài báo này, chúng tôi sẽ giới thiệu một số kết quả nghiên cứu thiết kế các loại tàu cao<br /> tốc cở nhỏ bằng vật liệu Composite, rút ra từ thực tế thiết kế và chế tạo loại tàu này trong thời gian<br /> qua. Theo như quy định ở điều 2.1.2 của Quy phạm phân cấp và đóng tàu thuỷ cao tốc của Việt nam<br /> TCVN 6451- 2004, tàu cao tốc được hiểu là các tàu có tốc độ lớn nhất tính bằng m/s hoặc bằng hl/h<br /> phải bằng hoặc lớn hơn giá trị tính theo công thức sau :<br /> 0,1667<br /> 0,1667<br /> V ≥ 3,7∆<br /> (m/s)<br /> hoặc V ≥ 7,1922 ∆<br /> (hl/h)<br /> với ∆ là thể tích lượng chiếm nước tương ứng đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất của tàu<br /> 3<br /> (m ).<br /> 2.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Thực tế nhận thấy, khó khăn lớn nhất khi thiết kế tàu cao tốc là cần phải đạt được tốc độ cao,<br /> một yêu cầu không dễ thực hiện khi tính toán, thiết kế các loại tàu nói chung và tàu cao tốc nói riêng<br /> nên việc thiết kế mới tàu cao tốc thường không đơn giản do thiếu các số liệu khi thử nghiệm mô hình.<br /> Vì thế, theo chúng tôi phương pháp nghiên cứu thích hợp nhất trong trường hợp này là sử dụng các<br /> mẫu tàu cao tốc đã được thử nghiệm sẵn và áp dụng các giải pháp kỹ thuật nhằm làm tăng tốc độ tàu<br /> Từ thực tế thiết kế và chế tạo hàng loạt tàu cao tốc bằng vật liệu Composite trong thời gian gần đây,<br /> chúng tôi nhận thấy có ba yếu tố chính có ảnh hưởng lớn đến tốc độ tàu cao tốc, cụ thể như sau :<br /> - Đặc điểm hình học của tàu, bao gồm các đặc điểm hình học và đặc điểm đường hình<br /> - Lắp đặt và bố trí hệ trục tàu<br /> - Khối lượng tàu, bao gồm trọng lượng vỏ tàu và phân bố khối lượng tàu.<br /> Do đó việc nghiên cứu tính toán hợp lý các yếu tố ảnh hưởng nói trên có thể được xem như là<br /> những giải pháp kỹ thuật hiệu quả và khả thi nhất nhằm làm tăng tốc độ tàu đến mức độ cho phép.<br /> 3.KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU<br /> Trong loạt bài này, chúng tôi sẽ giới thiệu kết quả đạt được khi thiết kế loại tàu cao tốc cở nhỏ<br /> bằng vật liệu Composite, trên cơ sở nghiên cứu áp dụng các giải pháp kỹ thuật làm tăng tốc độ tàu.<br /> Riêng bài này sẽ giới thiệu đặc điểm một số mẫu tàu cao tốc Composite cở nhỏ do chúng tôi thiết kế,<br /> gồm nhóm các canô cao tốc có chiều dài lớn nhất khoảng (6 – 8) m với tốc độ khoảng (35 – 40) hl/h<br /> và nhóm các tàu cao tốc có chiều dài lớn nhất khoảng (12 – 16) m với tốc độ khoảng (25 – 30) hl/h.<br /> 3.1.Các mẫu canô cao tốc điển hình<br /> Trong những năm gần đây, nhu cầu thiết kế chế tạo loại canô công vụ (working boat) là rất lớn,<br /> dùng để chở khách du lịch hoặc dùng chở nhân viên công tác thực hiện công việc trên sông, biển.<br /> Yêu cầu chung cho các tàu này là tính ổn định tốt, tính năng hàng hải cao và tốc độ tàu phải lớn.<br /> Đường hình của các loại tàu này thường khá giống nhau, với đáy có dạng tấm phẳng, sườn chữ V,<br /> hai bên mạn và hông có bố trí các gẫy dọc chạy suốt từ mũi đến đuôi để tăng tính năng hàng hải tàu.<br /> Bố trí chung trên tàu thường mang những đặc trưng riêng tuỳ theo sở thích và yêu cầu của chủ tàu,<br /> nhưng cần phải thật đơn giản và hợp lý, nhằm đảm bảo yêu cầu phân bố hợp lý các tải trọng trên tàu.<br /> Đa số tàu thường bố trí bàn lái nằm ở khoảng 1/3 chiều dài tàu, tiếp theo là khoang ghế hành khách,<br /> khoang máy đặt phía sau, thường dùng các loại máy đẩy chuyên dùng của các hãng nổi tiếng thế giới<br /> hiện nay như Volvo Penta (Thuỵ điển), Mercury (Mỹ), Yamaha (Nhật) v..v.. với hệ thống trục - chân vịt<br /> kèm bên trong máy (stern drive), được lắp bên ngoài (Out Board) hoặc lắp bên trong tàu (In Board).<br /> Máy tàu loại này thường được điều khiển từ xa nhờ hệ thống lái thuỷ lực bố trí ngay tại bàn lái tàu.<br /> Chân vịt kèm theo loại máy tàu này thường được đúc từ hợp kim nhôm, có thể chỉ gồm một chân vịt<br /> hoặc có thể là hệ thống chân vịt đôi, tức là gồm hai chân vịt lắp đồng trục và quay ngược chiều nhau.<br /> Phần dưới đây giới thiệu đặc điểm một số mẫu canô cao tốc điển hình được thiết kế và chế tạo<br /> tại Công ty TNHH đóng tàu Sông Lô ở Nha trang đã được khách hàng chấp nhận trong thời gian qua.<br /> <br /> 37<br /> <br /> Trường Đại học Thủy sản<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản Số 2/2006<br /> <br /> Hình 1 là canô cao tốc thiết kế đầu tiên có chiều dài 6,3 m, lắp máy outboard 200 HP, chở 16<br /> khách và khi thử chạy biển đã đạt đến tốc độ 45 hl/h nhờ kết cấu vỏ nhẹ và phân bố các khối lượng<br /> trên tàu hợp lý nên đảm bảo canô có khả năng cất mũi cao khi chạy.<br /> CAÙC THOÂNG SOÁ CÔ BAÛN<br /> Chieàu daøi lôùn nhaát<br /> Lmax =<br /> Chieàu daøi thieát keá<br /> Ltk =<br /> Chieàu roän g lôùn nhaát Bmax=<br /> Chieàu roän g thieát keá Btk =<br /> D<br /> =<br /> Chieàu cao maïn<br /> =<br /> Chieàu chìm trung bình T<br /> Cb =<br /> Heä soá beùo theå tích<br /> Cw =<br /> Heä soá ñöôøng nöôùc<br /> W<br /> =<br /> Löôïn g chieám nöôùc<br /> V<br /> =<br /> Toác ñoä khai thaùc<br /> n<br /> =<br /> Soá löôïn g khaùch<br /> <br /> 6,30 m<br /> 5,50 m<br /> 2,20 m<br /> 2,08 m<br /> 1,10 m<br /> 0,42 m<br /> 0,43<br /> 0,75<br /> 2,50 taán<br /> 40-45 hl/g<br /> 16 ngöôøi<br /> <br /> MECRUSER<br /> <br /> HAÀ M MUÕ I<br /> <br /> GHEÁ NGOÀ I<br /> HAÀM MAÙY<br /> <br /> 1070<br /> <br /> 130<br /> <br /> 2800<br /> <br /> 500<br /> <br /> 1800<br /> <br /> Voâ laêng laùi<br /> <br /> 500<br /> <br /> Gheá phuï<br /> Göông mica<br /> <br /> Naép haà m muõ i<br /> Gheá ngoài<br /> 1600 x 450<br /> <br /> Gheá laùi<br /> <br /> Baûng ñoà ng hoà<br /> <br /> Gheá ngoài<br /> <br /> Hình 1 : Mẫu canô cao tốc chở khách<br /> Từ mẫu canô 6,3 m này, chúng tôi đã thiết kế mẫu canô 7 m trên cơ sở cải tiến hình dáng đường<br /> hình mẫu canô này khi bố trí thêm hai gẫy dọc, chạy suốt từ mũi đến lái để tăng tính năng tàu. Nhờ<br /> các gẫy dọc hướng dòng ở đáy nên tàu có khả năng chuyển sang chế độ lướt sớm hơn mẫu cũ, kết<br /> quả là chất lượng thuỷ động của tàu đã được tăng lên rõ rệt, do đó mặc dù có chiều dài lớn hơn so<br /> với mẫu tàu cũ nhưng tốc độ chạy của mẫu tàu này lại cao hơn và va đập vào sóng được êm hơn.<br /> Hình 2 là canô cao tốc dài 7 m, lắp máy outboard 200 HP, tốc độ (42 – 45) hl/h, chở được 16 khách.<br /> CAÙC THOÂNG SOÁ CÔ BAÛN<br /> Chieàu daøi lôùn nhaát Lmax =<br /> Chieàu daøi thieát keá<br /> Ltk =<br /> Chieàu roän g lôùn nhaát Bmax=<br /> Chieàu roän g thieát keá Btk =<br /> Chieàu cao maïn<br /> D<br /> =<br /> =<br /> Chieàu chìm trung bình T<br /> Cb =<br /> Heä soá beùo theå tích<br /> Cw =<br /> Heä soá ñöôøn g nöôùc<br /> W<br /> =<br /> Löôïn g chieám nöôùc<br /> V<br /> =<br /> Toác ñoä khai thaùc<br /> n<br /> =<br /> Soá löôïn g khaùc h<br /> <br /> 7,00 m<br /> 5,50 m<br /> 2,20 m<br /> 2,08 m<br /> 1,10 m<br /> 0,42 m<br /> 0,43<br /> 0,75<br /> 2,90 taán<br /> 42-45 hl/g<br /> 16 ngöôøi<br /> <br /> MECRUSER<br /> <br /> HA ÀM M UÕ I<br /> <br /> GHEÁ NGOÀ I<br /> HA ÀM M AÙ Y<br /> <br /> 1150<br /> <br /> 130<br /> <br /> 3200<br /> <br /> 600<br /> <br /> 1920<br /> <br /> Voâ l aê n g laùi<br /> <br /> Göông m ic a<br /> <br /> 500<br /> <br /> Ghe á phuï<br /> <br /> Naép haàm m uõi<br /> <br /> G he á ng oài<br /> 1600 x 450<br /> <br /> G he á laùi<br /> <br /> Baûn g ñoà ng hoà<br /> <br /> G he á ng oà i<br /> <br /> Hình 2 : Mẫu canô chở khách<br /> 3.2.Tàu cao tốc<br /> Hình 3 là mẫu tàu cao tốc Composite cở nhỏ đầu tiên được thiết kế, chế tạo khoảng năm 2003<br /> dùng để chở khách du lịch trên biển của Công ty TNHH Du lịch và Thương mại Hòn Tre tại Nha trang.<br /> Tàu có chiều dài lớn nhất 12 m, chiều rộng lớn nhất 3,2 m, chiều cao mạn 1,2 m, chiều chìm 0,45<br /> m lắp máy Inboard công suất 300 HP của hãng Mecruser và khi thử chạy biển đã đạt đến tốc độ 32<br /> hl/h. Để đạt đến tốc độ này, ngoài giải pháp về đường hình tàu thì kích thước của các bộ phận kết cấu<br /> <br /> 38<br /> <br /> Trường Đại học Thủy sản<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản Số 2/2006<br /> <br /> đã được tính toán hợp lý nhằm đảm bảo sao cho trọng lượng toàn bộ vỏ tàu chỉ đạt đến khoảng 2,5<br /> tấn. Bên cạnh đó, việc tính toán và bố trí hợp lý khoang nước và khoang nhiên liệu nằm ở phần đáy<br /> tàu đã góp phần làm cho tàu có khả năng chuyển sang chế độ lướt sớm, đảm bảo đạt được tốc độ<br /> yêu cầu.<br /> THOÂNG SOÁ CHUÛ YEÁU<br /> Chieàu daø i lôù n nhaá t<br /> Lmax= 12,0 m<br /> Chieà u daø i thieát keá<br /> Ltk = 11,0 m<br /> Chieàu roäng lôùn nhaá t Bmax= 3,20 m<br /> Chieàu roäng thieá t keà Btk = 2,87 m<br /> D<br /> = 1,2 m<br /> Chieàu cao maï n<br /> Thuyeàn vieâ n vaø p.v<br /> t<br /> = 2 ngöôøi<br /> Nk = 28 ngöôøi<br /> Haønh khaùc h<br /> Maù y chính : MERCURY (Inboard)<br /> Ne = 300 HP<br /> Coâ n g suaá t<br /> V = 27- 30 hl/h<br /> Toác ñoä<br /> <br /> Keùt thaûi<br /> 0<br /> <br /> Keùt daà u<br /> <br /> 5<br /> <br /> Keùt nöôùc<br /> <br /> 10<br /> <br /> Ñöôøng chuaån<br /> <br /> 15<br /> <br /> 20<br /> <br /> BOONG CHÍNH<br /> <br /> Nhaø beáp<br /> Ca bin laùi<br /> <br /> 5<br /> <br /> 0<br /> <br /> 10<br /> <br /> 15<br /> <br /> 20<br /> <br /> W.C<br /> <br /> Hình 3 : Mẫu tàu cao tốc chở khách du lịch<br /> Việc chế tạo thành công mẫu tàu này đã góp phần giải quyết những khó khăn khi thiết kế loại tàu<br /> cao tốc cở nhỏ, đồng thời khẳng định Composite là loại vật liệu phù hợp nhất đối với loại tàu này, với<br /> khả năng làm việc an toàn trong môi trường nước mặn và chịu tác dụng của tải trọng sóng biển. Từ<br /> mẫu tàu này đã phát triển thêm nhiều mẫu tàu cao tốc khác, trong đó có tàu tuần tra của cảnh sát<br /> giao thông tỉnh Khánh Hoà với chiều dài 9m, lắp máy Inboard 200 HP, chạy tốc độ 32 hl/h (hình 4).<br /> THOÂNG SOÁ CHUÛ YEÁU<br /> <br /> 1550<br /> <br /> Chieàu daø i lôù n nhaát<br /> Lmax= 9,0 m<br /> Chieà u daø i thieát keá<br /> Ltk = 8,22 m<br /> Chieàu roäng lôùn nhaát Bmax= 2,40 m<br /> Chieàu roäng thieá t keà Btk = 2,12 m<br /> Chieàu cao maï n<br /> D<br /> = 0,85 m<br /> t<br /> = 2 ngöôø i<br /> Thuyeàn vieâ n vaø p.v<br /> Nk = 14 ngöôø i<br /> Haø nh khaùch<br /> Maù y chính : MERCRUISER (Inboard)<br /> Ne = 220 HP<br /> Coâng suaá t<br /> V = 27- 30 hl/h<br /> Toá c ñoä<br /> <br /> 500<br /> <br /> 18 00<br /> <br /> 1500<br /> <br /> Keùt nöôùc<br /> <br /> 4 00<br /> <br /> Keùt daàu<br /> <br /> 2250<br /> <br /> 800<br /> <br /> 1850<br /> <br /> Ñöôøng chuaån<br /> <br /> 2 600<br /> <br /> 9000<br /> <br /> BOONG CHÍNH<br /> Giöôøng nguû<br /> <br /> 10<br /> Tuû<br /> <br /> 450<br /> 450<br /> <br /> 45 0<br /> <br /> 600<br /> <br /> 970<br /> <br /> WC<br /> 5<br /> <br /> 0<br /> <br /> 15<br /> <br /> Cabin laùi<br /> <br /> 20<br /> <br /> 25<br /> <br /> Giöôøng nguû<br /> <br /> 1350<br /> <br /> Hình 4 : Mẫu tàu cao tốc làm nhiệm vụ tuần tra<br /> Tuy nhiên sau thời gian sử dụng loại máy đẩy cao tốc nói trên nhận thấy, việc sử dụng loại máy<br /> này gặp phải nhiều bất lợi so với loại máy tàu truyền thống, nhất là trong điều kiện nước ta hiện nay.<br /> Có thể kể một số nhược điểm như sau :<br /> Giá thành của các loại máy cao tốc cao, dẫn đến giá thành chế tạo tàu khá cao (khoảng 50%) so<br /> với các loại tàu lắp máy trục thông thường có cùng công suất.<br /> Loại máy cao tốc có yêu cầu điều kiện sử dụng khắt khe nên chi phí sử dụng cho tàu cao. Mặt khác,<br /> do ít khi đáp ứng được các điều kiện sử dụng khắt khe đã được quy định nên loại máy này thường rất<br /> hay bị hư hỏng và có tuổi thọ thấp nên chi phí sử dụng là khá cao.<br /> <br /> 39<br /> <br /> Trường Đại học Thủy sản<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy sản Số 2/2006<br /> <br /> Các chi phí về bảo dưỡng, sửa chữa, phụ tùng thay thế của các loại động cơ cao tốc v..v… cao hơn<br /> rất nhiều (khoảng 70 %) so với loại máy trục truyền thống.<br /> Do đó trong thời gian gần đây có xu hướng sử dụng máy trục truyền thống có bộ truyền động với<br /> hộp số bố trí dạng chữ V (engine with reverse reduction gearbox in Vee – Drive arrangement). Cách<br /> bố trí hệ truyền động như thế đưa lại hiệu quả khá cao và tiết kiệm khoảng không gian trong tàu và<br /> mặc dù đã được áp dụng khá lâu trên thế giới nhưng hầu như chưa được áp dụng tại Việt nam. Mô<br /> phỏng theo các mẫu tàu đã có sẵn, chúng tôi đã thiết kế và thử nghiệm hệ truyền động kiểu này trên<br /> loại tàu cao tốc 12 m lắp máy Outboard, trên một số loại tàu khác và đã đạt được kết quả khá tốt.<br /> Hình 5 giới thiệu bản vẽ bố trí chung cũng của tàu cao tốc dài 12 m như đã giới thiệu trên hình 3<br /> nhưng thay thế máy Outboard bằng loại máy trục truyền thống là máy CUMMINS 6CTA – 8,3 M (Mỹ)<br /> o<br /> công suất 430 HP, với hộp số dạng chữ V, đường trục chân vịt đặt nghiêng 12 so với đường cơ bản.<br /> Tốc độ tàu đạt được khoảng 20 hl/h, nhìn chung là đáp ứng được yêu cầu về phương diện tốc độ<br /> nhưng có chi phí sử dụng và sửa chữa thấp hơn rất nhiều so với khi trang bị loại máy đẩy cao tốc.<br /> THOÂN G SOÁ CHUÛ YEÁU<br /> Chieàu daøi lôùn nhaát<br /> Lmax = 12,0 m<br /> Chieàu daøi thieát keá<br /> Ltk<br /> = 10,51 m<br /> Chieàu roän g lôùn nhaát<br /> Bmax = 3,20 m<br /> Chieàu roän g thieát keà<br /> Btk<br /> = 2.66 m<br /> Chieàu cao maïn<br /> D<br /> = 1,20 m<br /> ngöôøi<br /> Thuyeàn vieân vaø phuïc vuï t<br /> = 2<br /> Nk<br /> = 20 ngöôøi<br /> Haøn h khaùch<br /> Maùy chính :<br /> CUMMINS 6CTA - 8.3M<br /> Ne = 430 HP<br /> Coâng suaát<br /> V<br /> Toác ñoä<br /> = 22-25 hl/h<br /> <br /> Ñeøn pha<br /> <br /> Buoàng ñöïng haønh lyù<br /> Keùt nöôùcù<br /> <br /> Ñöôøng chuaån<br /> <br /> BOONG CHÍNH<br /> Buoàng ñöïng haønh lyù(1)<br /> <br /> 0<br /> <br /> 5<br /> <br /> Ca bin laùi<br /> 10<br /> <br /> 15<br /> <br /> 20<br /> <br /> 25<br /> <br /> Buoàng ñöïng haønh lyù(2)<br /> <br /> Hình 5 : Bản vẽ bố trí chung tàu du lịch cao tốc 12 m<br /> 4.KẾT LUẬN<br /> Như đã trình bày, do có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ nên việc thiết kế và chế tạo loại tàu<br /> cao tốc nói chung và tàu cao tốc cở nhỏ bằng vật liệu Composite nói riêng là bài toán không đơn giản<br /> và cần phải có các giải pháp kỹ thuật thích hợp để có thể tăng tốc đô tàu trong điều kiện cho phép.<br /> Trong các bài báo tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu các kết quả nghiên cứu đạt được trong quá trình<br /> áp dụng các giải pháp tăng tốc độ tàu cao tốc khi thiết kế các tàu cao tốc.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1.Hayward Leslie, The History of Hydrofoils , Hoverning Craft and Hydrofoil, Vol 5, 1966<br /> Peter du Cane, High speed small craft, 1973, Jonh de Graff, Inc., N.Y.<br /> 2.Trần Công Nghị, Thiết kế tàu cở nhỏ chạy nhanh, 2005, Nhà xuất bản ĐHQG, Tp Hồ Chí Minh.<br /> 3.Hồ sơ thiết kế các mẫu canô và tàu cao tốc Composite<br /> 4.Quy phạm phân cấp và đóng tàu cao tốc Việt nam TCVN 6451 - 1 : đến TCVN 6451 - 6 : 1998.<br /> ABSTRACT<br /> This newspaper is the first one in several newspapers concerning the problem of designing and<br /> building the small composite high speed crafts, which has demands to be built with large quantity in<br /> our country nowaday. With representing solutions of increasing velocity of high speed for small crafts<br /> applied effectly, it introduces some forms of composite high speed crafts that were designed by author<br /> and they were tested with good results.<br /> <br /> 40<br /> <br />