Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br />
<br />
Số 2/2016<br />
<br />
THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br />
<br />
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT ĐỂ LỰA CHỌN<br />
CÁC MẪU TÀU DU LỊCH CAO TỐC CÓ TÍNH NĂNG TỐT<br />
RESEARCHING OF BUILDING THE TECHNICAL STANDARDS FOR SELECTION<br />
THE MODEL OF HIGH SPEED CRAFTS WITH GOOD NAUTICAL FEATURES<br />
Trần Gia Thái1<br />
Ngày nhận bài: 10/9/2015; Ngày phản biện thông qua: 13/01/2016; Ngày duyệt đăng: 15/6/2016<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Bài báo giới thiệu nghiên cứu xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật dùng để phân tích, lựa chọn mẫu tàu cao tốc<br />
có tính năng tốt, bao gồm (i) Tiêu chuẩn về tính năng thủy động lực học: hệ số chất lượng thủy động K, góc<br />
nghiêng hông β, hoành độ trọng tâm theo chiều dọc tàu<br />
, hệ số tải trọng tĩnh CT, chiều dài tương đối λ, góc<br />
<br />
tấn của tàu khi lướt α và (ii) Tiêu chuẩn về tính năng hàng hải gồm ổn định khi lướt và ổn định ngang. Kết quả<br />
nghiên cứu cũng đã so sánh và lựa chọn được các mẫu tàu du lịch cao tốc có tính năng tốt nhằm phục vụ việc<br />
thiết kế một số mẫu tàu du lịch mang nét văn hóa của tỉnh Khánh Hòa.<br />
Từ khóa: tàu du lịch cao tốc, tiêu chuẩn kỹ thuật, đặc trưng văn hóa của Khánh Hòa<br />
ABSTRACT<br />
This paper presents the researching result of building the technical standards that been used to analyze<br />
and select the high speed crafts with good nautical features. These standards include (i) standards of<br />
hydrodynamic: hydrodynamic qualitative coefficient K, dead rise β, longitudinal centre of gravity<br />
, statical<br />
load coefficient CT, longitudinal length λ, surfing attack angle α, (ii) standard of nautical features: surfing and<br />
transversal stability. From this researching result, we compared and selected the models of high speed craft to<br />
design the cruising boats with the culture characteristics of Khanh Hoa province.<br />
Keywords: high speed craft, technical standard, culture characteristics of Khanh Hoa province<br />
I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Thiết kế tàu du lịch nói chung và tàu du lịch<br />
cao tốc nói riêng là vấn đề không đơn giản,<br />
vì có liên quan nhiều yếu tố phức tạp về tính<br />
năng như ổn định, tốc độ, quay trở, lắc và khả<br />
năng chống ồn, chống rung… Khác với nhóm<br />
tàu làm việc dựa trên cơ sở nguyên lý lực nổi<br />
Archimede thông thường đã biết, tàu cao<br />
tốc thuộc nhóm làm việc theo nguyên lý<br />
<br />
1<br />
<br />
Khoa Kỹ thuật giao thông – Trường Đại học Nha Trang<br />
<br />
76 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br />
<br />
thủy động lực học (hydrodynamic support), do<br />
đó về mặt phương pháp, các công trình nghiên<br />
cứu ở lĩnh vực này chủ yếu dựa trên cơ sở của<br />
lý thuyết chung về thiết kế tàu, kết hợp với lý<br />
thuyết thủy động lực học và kết quả thử mô<br />
hình tàu trong bể thử để tính toán, thiết kế mẫu<br />
tàu chuẩn. Vì thế mà ở hầu hết các nước không<br />
có điều kiện thử nghiệm như nước ta hiện nay,<br />
thiết kế mẫu tàu du lịch cao tốc thường bắt đầu<br />
<br />
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br />
<br />
Số 2/2016<br />
<br />
từ việc phân tích, lựa chọn các mẫu tàu có sẵn<br />
và dựa trên cơ sở đó mới tiến hành các bước<br />
thiết kế tiếp theo về kết cấu, bố trí, ngoại hình,<br />
tính năng... để định hình mẫu phù hợp yêu cầu<br />
đặt ra. Tuy nhiên thực tế khảo sát cho thấy,<br />
ở nước ta hiện đang có khá nhiều mẫu tàu<br />
du lịch cao tốc khác nhau, do đó vấn đề đặt ra<br />
là cần có tiêu chuẩn đánh giá được mẫu tàu<br />
cao tốc có tính năng tốt và phù hợp yêu cầu<br />
của khách hàng nhằm giúp các doanh nghiệp<br />
lựa chọn định hướng phát triển dài hạn sản<br />
phẩm của mình.<br />
<br />
Do hiện nay chưa thấy có một tài liệu kỹ thuật<br />
nào trình bày phương pháp định lượng để<br />
đánh giá chất lượng kỹ thuật của các tàu cao<br />
tốc nên bài báo trình bày phương pháp dưới<br />
đây xem như phương pháp tham chiếu. Với<br />
cách đặt vấn đề như thế, trong bài báo này sẽ<br />
trình bày các nội dung chính sau.<br />
Xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật để đánh<br />
giá các mẫu tàu du lịch cao tốc vỏ Composite.<br />
Lựa chọn mẫu tàu có tính năng tốt trong<br />
các mẫu tàu du lịch hoạt động ở vùng biển Nha<br />
Trang dựa trên các tiêu chuẩn đã xây dựng.<br />
<br />
II. PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ PHẠM VI<br />
NGHIÊN CỨU<br />
Về mặt phương pháp, bài toán này sẽ<br />
được giải quyết trên cơ sở vận dụng những<br />
kết quả lý thuyết đã có để xây dựng các chỉ tiêu<br />
kỹ thuật làm cơ sở so sánh, chọn lựa các mẫu<br />
tàu phù hợp yêu cầu đặt ra. Rõ ràng để đánh<br />
giá chất lượng kỹ thuật của tàu cao tốc cụ thể,<br />
phải dựa vào hàng loạt đại lượng kỹ thuật đã<br />
trình bày cụ thể trong tài liệu viết về tàu cao tốc<br />
[1, 2] trong đó khác với loại tàu hoạt động theo<br />
nguyên lý lực đẩy Archimedes thông thường,<br />
trạng thái chuyển động chính của tàu cao tốc<br />
lại là lướt trên mặt nước. Do đó đối với tàu<br />
cao tốc chỉ chọn các đại lượng có ảnh hưởng<br />
quyết định nhất đến chất lượng kỹ thuật là<br />
các đại lượng phụ thuộc chế độ chạy, tức phụ<br />
thuộc giá trị số Froude thể tích, định nghĩa theo<br />
công thức:<br />
<br />
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU<br />
<br />
(1)<br />
trong đó: V - tốc độ tàu (m/s), ∆ - lượng chiếm<br />
nước của tàu (tấn), g = 9.81 - gia tốc trọng<br />
trường (m/s2)<br />
Còn các đại lượng khác hoặc không có<br />
ảnh hưởng nào hoặc có ảnh hưởng rất ít thì<br />
sẽ không đề cập đến trong nội dung đánh<br />
giá mà chỉ lượng hoá giá trị tối ưu hoặc đạt<br />
yêu cầu từng tiêu chuẩn kỹ thuật tương ứng.<br />
<br />
1. Xây dựng các tiêu chuẩn kinh tế - kỹ thuật<br />
Như đã nêu, khác với các loại tàu thông<br />
thường, do tàu cao tốc hoạt động chủ yếu ở<br />
chế độ “lướt” nhờ lực nâng thủy động nên khái<br />
niệm chất lượng kỹ thuật của tàu cao tốc được<br />
hiểu với hai khái niệm có ý nghĩa khác nhau,<br />
gần như đối lập hoàn toàn với nhau là tính<br />
năng thủy động học và tính năng hàng hải của<br />
tàu [2]<br />
1.1. Các tiêu chuẩn về tính năng thủy động<br />
(a) Hệ số chất lượng thủy động K<br />
Theo lý thuyết thủy động lực học tấm<br />
phẳng lướt trên mặt nước, hệ số chất lượng<br />
thủy động K thể hiện mối quan hệ giữa lực<br />
nâng Py và lực cản toàn phần Px (hay R) [2, 3],<br />
<br />
xác định như sau:<br />
<br />
(2)<br />
trong đó lưu ý : ∆ - lượng chiếm nước của tàu<br />
(KG), R - sức cản vỏ tàu (KG)<br />
Trong thực tế, tàu đáy phẳng là loại<br />
phương tiện có tính năng hàng hải thấp nên<br />
để giảm bớt hiện tượng thân tàu va đập vào<br />
sóng, thường làm các mặt cắt ngang đáy tàu<br />
góc nghiêng hông (góc vát) β nào đó [2, 3].<br />
Tuy nhiên khi đó giá trị hệ số K của tàu giảm so<br />
với tấm phẳng nên ảnh hưởng tính năng, nhất<br />
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 77<br />
<br />
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br />
<br />
Số 2/2016<br />
với ηcv, ηck lần lượt là hiệu suất chân vịt và hiệu<br />
suất cơ khí.<br />
Với nhóm tàu cao tốc, có thể lấy giá<br />
trị trung bình của các hiệu suất nói trên là<br />
ηcv = 0.55, ηck= 0.93. Thay các giá trị này vào<br />
công thức (2) và (3) nhận được công thức tính<br />
hệ số K như sau:<br />
<br />
là sức cản tàu. Từ đó có thể hiểu khái niệm<br />
“chất lượng thủy động” của tàu cao tốc theo<br />
nghĩa, tàu có lượng chiếm nước khi nổi trên<br />
nước tĩnh cố định, trang bị máy chính có công<br />
suất N, hay còn được ký hiệu là BHP nhất<br />
định, đảm bảo tàu có thể đạt tốc độ lớn nhất,<br />
với giá trị hệ số K cao nhất, tương ứng góc<br />
<br />
(4)<br />
<br />
vát đáy β nào đó của tàu. Do đó chỉ xác định<br />
và so sánh giá trị hệ số K của các mẫu tàu<br />
<br />
(b) Góc nghiêng hông β<br />
<br />
cao tốc tương ứng với góc nghiêng β cụ thể,<br />
<br />
Góc nghiêng hông (hay góc nghiêng đáy<br />
<br />
tức là so sánh các tàu cao tốc có cùng công<br />
<br />
tàu) tại mặt cắt ngang giữa tạo nên hình dáng<br />
<br />
năng và vùng hoạt động giống nhau với giá<br />
<br />
các mặt cắt ngang ở đáy và thay đổi suốt chiều<br />
<br />
trị β gần giống nhau. Ý nghĩa vật lý của hệ số<br />
<br />
dài tàu cao tốc (hình 1). Các tài liệu đều xem<br />
<br />
K cũng trùng với thực tế, bởi vì từ công thức<br />
<br />
β là thông số nâng cao tính năng hàng hải của<br />
<br />
(2) có thể nhận thấy, khi so sánh các mẫu tàu<br />
<br />
tàu cao tốc, với hình dáng của mặt cắt giữa<br />
<br />
cao tốc có cùng công dụng và độ vát đáy gần<br />
<br />
thường có dạng uốn cong ở khúc lườn gẫy<br />
<br />
như nhau thì tàu nào có sức cản vỏ tàu R thấp<br />
<br />
góc. Tuy nhiên, ảnh hưởng của góc nghiêng<br />
<br />
nhất (hoặc cùng công suất máy nhưng tốc độ<br />
<br />
β đến sức cản của tàu cao tốc là phức tạp.<br />
<br />
cao nhất) chính là mẫu có hệ số chất lượng<br />
<br />
Kết quả thử mô hình cho thấy, mẫu tàu cao<br />
<br />
thủy động K lớn nhất. Cũng từ công thức (2)<br />
<br />
tốc có sức cản trên nước tĩnh nhỏ nhất có<br />
<br />
nhận thấy, để tính được giá trị hệ số K của tàu<br />
<br />
góc nghiêng hông tối ưu βopt = (14 ÷ 16)o ở giá<br />
<br />
cao tốc, cần xác định được sức cản R. Tuy<br />
<br />
trị số Fr∆ = (2.5 ÷ 4.5) [1, 2]. Hiệu quả giảm sức<br />
<br />
nhiên thực tế thường không có đủ số liệu thử<br />
<br />
cản theo quan hệ ∆/R rút từ thực tế thống kê<br />
<br />
mô hình xác định sức cản R(KG) nên có thể<br />
<br />
cho trong bảng 1.<br />
<br />
xác định sức cản của tàu thông qua xác định<br />
công suất động cơ BHP (ml) theo công thức<br />
tổng quát:<br />
(3)<br />
trong đó: EHP - công suất kéo có ích, tức công<br />
cần thiết khắc phục sức cản R đẩy tàu chuyển<br />
động, ml<br />
η - hiệu suất tổng hợp, tính đến các hao tổn<br />
khi truyền công suất từ động cơ đến chân vịt<br />
η = ηcv ηck<br />
<br />
Hình 1. Góc nghiêng hông tàu b<br />
<br />
Bảng 1. Ảnh hưởng của góc nghiêng hông đến hệ số chất lượng K [2, 3]<br />
Góc nghiêng hông β (độ)<br />
<br />
10<br />
<br />
20<br />
<br />
30<br />
<br />
Hệ số K = ∆/R<br />
<br />
8.5<br />
<br />
6.3<br />
<br />
5.0<br />
<br />
78 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br />
<br />
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br />
<br />
Số 2/2016<br />
<br />
(c) Hoành độ trọng tâm tương đối theo chiều<br />
dọc tàu<br />
Vị trí hoành độ trọng tâm theo chiều dọc<br />
tàu<br />
<br />
được định nghĩa là tỷ số giữa hoành độ<br />
<br />
trọng tâm xG và chiều dài thiết kế Ltk của tàu.<br />
(5)<br />
Các nghiên cứu cho thấy, sự thay đổi<br />
vị trí trọng tâm tàu theo chiều dài ảnh<br />
hưởng lớn đến sức cản tàu R, từ đó<br />
ảnh hưởng đến hệ số chất lượng K, cụ thể như<br />
sau [2].<br />
Ở tốc độ nhỏ và trung bình (Fr∆ < 2.5), do<br />
<br />
Ở chế độ tốc độ nhỏ và trung bình<br />
(Fr∆ < 2.5), sức cản dư chiếm phần chính của<br />
sức cản toàn bộ và hệ số λ = Lc/Bc ảnh hưởng<br />
quyết định sức cản tàu (Lc, Bc - chiều dài, chiều<br />
rộng đường gẫy khúc) Nếu λ giảm, tức ∆ và<br />
CT tăng thì sức cản dư tăng lên, kèm theo hiện<br />
tượng góc nghiêng dọc α của tàu cao tốc tăng<br />
lên theo.<br />
Ở chế độ tốc độ cao (chế độ lướt Fr∆ < 2.5),<br />
góc nghiêng dọc của tàu cao tốc bị giảm<br />
đáng kể và thành phần sức cản ma sát chiếm<br />
tỷ lệ lớn trong sức cản toàn bộ của tàu.<br />
<br />
sức cản dư chiếm phần lớn trong sức cản toàn<br />
<br />
Khi giảm giá trị hệ số CT tỷ lệ sức cản ma sát<br />
<br />
bộ của tàu cao tốc nên việc di chuyển trọng<br />
<br />
và sức cản toàn bộ tăng ở tốc độ Fr∆ = const.<br />
<br />
tâm xG về phía mũi sẽ giảm sức cản do giảm<br />
<br />
Điều đó xảy ra ở chế độ lướt.<br />
<br />
góc nghiêng dọc.<br />
<br />
Kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học<br />
<br />
Ở tốc độ cao (Fr∆ > 2.5), do sức cản ma<br />
sát chiếm ưu thế nên nếu dịch chuyển xG về<br />
phía đuôi sẽ thuận lợi cho sức cản hơn, vì khi<br />
đó chiều dài bị thấm nước của tàu giảm xuống<br />
nên giảm được sức cản ma sát, dẫn đến làm<br />
giảm sức cản toàn phần của tàu.<br />
Kết quả nghiên cứu của chuyên gia<br />
Nga cho thấy, giá trị<br />
<br />
tối ưu trong phạm vi<br />
<br />
2.5 < Fr∆ < 4.5 là [2]:<br />
(<br />
<br />
cho thấy:<br />
(CT)opt > 0.45 khi Fr∆ > 2.5<br />
Về mặt lý thuyết, giá trị tối ưu của hệ số (CT)opt<br />
tăng từ (0.45 ÷ 0.75) khi giá trị số Fr∆ = (2.5 ÷<br />
4.5). Để đạt được yêu cầu này, cần tăng lượng<br />
chiếm nước ∆ và giảm bớt chiều rộng thiết kế<br />
Btk của tàu đang xét. Tuy nhiên khi chọn chiều<br />
rộng tàu cao tốc, người thiết kế phải cố gắng<br />
<br />
)opt = (0.37 ÷ 0.41)<br />
<br />
Thực tế cho thấy, hầu hết các mẫu tàu cao<br />
tốc hiện nay đều đạt được giá trị tối ưu trên.<br />
(d) Hệ số tải trọng tĩnh CT<br />
Hệ số tải trọng tĩnh CT được định nghĩa<br />
theo công thức:<br />
(6)<br />
trong đó: Btk - chiều rộng thiết kế của tàu (m),<br />
γ - khối lượng riêng của nước (tấn/m3)<br />
Ảnh hưởng của hệ số tải trọng tĩnh CT đến<br />
<br />
đảm bảo sao cho chiều rộng Btk không nhỏ hơn<br />
giá trị tối thiểu Bmin để tránh trường hợp mất ổn<br />
định ngang sẽ trình bày ở phần sau và hệ số<br />
CT > 0.45 khi giá trị số Froude của tàu cao tốc<br />
thực tế Fr∆ > 2.5.<br />
(e) Chiều dài tương đối λ<br />
Chiều đài tương đối λ của tàu cao tốc được<br />
định nghĩa theo công thức<br />
(7)<br />
<br />
chất lượng thủy động của tàu cao tốc như sau<br />
<br />
trong đó: l - chiều dài dưới nước của tàu khi<br />
<br />
[2, 3].<br />
<br />
lướt, m ; S - diện tích mặt ướt của tàu, m2<br />
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 79<br />
<br />
Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br />
<br />
Số 2/2016<br />
<br />
Trong tính toán còn thường sử dụng giá trị<br />
<br />
3.25 < Fr∆ < 3.75 - giá trị λopt gần như không<br />
<br />
ngược:<br />
<br />
đổi và có giá trị λopt = (5.0 ÷ 5.5)<br />
Fr∆ > 3.75 - giá trị λopt tăng theo.<br />
(f) Góc tấn của tàu cao tốc khi lướt α<br />
<br />
Như đã đề cập, ảnh hưởng của những<br />
tham số<br />
<br />
Góc tấn α của các tàu cao tốc được hiểu là<br />
<br />
và CT đến sức cản tàu cao tốc khá<br />
<br />
rõ nên cần đặc biệt chú ý chọn các tham số<br />
<br />
góc nghiêng dọc của thân tàu so với phương<br />
<br />
hình học khác như λ. Về nguyên tắc, muốn<br />
<br />
của dòng chảy. Nhà khoa học Zottorf đã tiến<br />
<br />
đánh giá ảnh hưởng của giá trị tham số hình<br />
<br />
hành thực nghiệm xác định ảnh hưởng các<br />
<br />
học nói trên đến sức cản của tàu cao tốc thì<br />
<br />
yếu tố đến giá trị K của tấm phẳng có góc<br />
<br />
cần phải giả định giá trị các đại lượng<br />
<br />
và CT<br />
<br />
nghiêng hông β ở giá trị CT, α khác nhau và<br />
<br />
không đổi. Sử dụng thuật toán tối ưu, kết hợp<br />
<br />
rút ra ảnh hưởng của β đến góc tấn tối ưu<br />
<br />
với kết quả thử nghiệm hàng loạt những mẫu<br />
<br />
αopt [2, 4]:<br />
<br />
tàu cao tốc, các chuyên gia Nga đã cho ra kết<br />
<br />
- Góc tấn tối ưu của tấm đặt nghiêng lớn<br />
<br />
quả tối ưu của tham số λ phụ thuộc giá trị số<br />
<br />
hơn của tấm đặt ngang khá nhiều. Ví dụ, ứng<br />
<br />
Fr∆ dưới dạng hàm λopt = f(Fr∆) khá phức tạp, cụ<br />
<br />
với góc nghiêng β = 20o có góc tấn tối ưu<br />
<br />
thể như sau [2, 4]:<br />
<br />
αopt = 4.3o (bảng 2), trong khi đó đối với tấm<br />
<br />
2.50 < Fr∆ < 3.50 - giá trị tối ưu λopt giảm<br />
<br />
phẳng thì αopt ≈ (2 ÷ 3)o<br />
<br />
rõ rệt<br />
<br />
Bảng 2. Ảnh hưởng của góc nghiêng đến góc tấn tối ưu<br />
Góc nghiêng β (độ)<br />
<br />
0<br />
<br />
5<br />
<br />
10<br />
<br />
15<br />
<br />
20<br />
<br />
25<br />
<br />
30<br />
<br />
40<br />
<br />
Góc tấn tối ưu αopt (độ)<br />
<br />
3<br />
<br />
3.2<br />
<br />
3.5<br />
<br />
3.8<br />
<br />
4.3<br />
<br />
4.9<br />
<br />
5.5<br />
<br />
6.0<br />
<br />
- Ảnh hưởng đáng kể của góc nghiêng<br />
hông là khi tăng góc β thì hệ số chất lượng K<br />
sẽ giảm xuống. Khi β < 10o, giá trị hệ số K giảm<br />
không đáng kể (< 6%), ít phụ thuộc β nhưng<br />
phụ thuộc nhiều vào α. Tiếp tục tăng β, hệ số<br />
K giảm rõ rệt nhưng với α lớn, việc chọn giá<br />
trị góc tấn tối ưu αopt của tấm phẳng lướt sẽ<br />
không có ý nghĩa gì. Ví dụ khi β = 40o, hệ số<br />
K có giá trị gần như không đổi K = 4 và không<br />
đổi khi α = 4o hay α = 10o. Còn một thực tế nữa<br />
là ở góc β lớn, khoảng trên 40°, trong phạm<br />
vi tốc độ thực tế mà các tàu cỡ này khai thác,<br />
<br />
1.2. Các tiêu chuẩn về tính năng đi biển (hay<br />
tính năng hàng hải)<br />
Tính đi biển, hiểu theo nghĩa rộng là toàn<br />
bộ tính năng đảm bảo an toàn và khả năng<br />
sử dụng tàu trong khai thác như tính nổi, ổn<br />
định, ăn lái, độ phủ sóng..., còn theo nghĩa<br />
hẹp là tình trạng tàu khi chạy trên sóng. Tàu<br />
có tính đi biển tốt, thường xác định bằng cách<br />
thử mô hình trong bể thử hay thử tàu thật, nếu<br />
tàu lắc êm, va đập sóng nhẹ và mũi không<br />
chúi vào sóng, đảm bảo ổn định hướng và ổn<br />
định ngang khi gặp sóng đuổi. Cho đến nay,<br />
các nhà khoa học vẫn chưa đưa ra đại lượng<br />
<br />
khó đưa phương tiện này sang chế độ lướt vì<br />
<br />
nào để đánh giá tính năng hàng hải tàu cao<br />
<br />
độ vát đáy tăng sẽ làm tăng khoảng thời gian<br />
<br />
tốc, ngoài tính ổn định của tàu khi lướt và ổn<br />
<br />
để tàu chuyển sang chế độ lướt.<br />
<br />
định ngang.<br />
<br />
80 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br />
<br />