Thạc Sĩ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm tàu hoạt động theo nguyên lý khí động học

Luận văn thạc sĩ năm 2011
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm tàu hoạt động theo nguyên lý khí động học

MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU . 1
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ . 2
1.1. TỔNG QUAN VỀĐỀTÀI NGHIÊN CỨU 2
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU ĐỆM KHÍ 4
1.2.1. Lịch sửnghiên cứu tàu đệm khí trên thếgiới 4
1.2.2. Tình hình nghiên cứu tàu đệm khí ởViệt Nam. 10
1.3. PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN PHẠM VI NGHIÊN CỨU 11
1.3.1. Phương pháp nghiên cứu 11
1.3.2. Nội dung nghiên cứu 11
1.3.3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu . 12
Chương 2: MỘT SỐVẤN ĐỀLÝ THUYẾT TÀU ĐỆM KHÍ . 13
2.1. LÝ THUYẾT ĐỆM KHÍ 13
2.1.1. Đặc điểmcủa tàu đệm khí ởtrạng thái tĩnh trên mặt nước 13
2.2.2. Đường đặc tính đệm khí . 16
2.2. ỔN ĐỊNH CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 17
2.2.1. Giới thiệu chung 17
2.2.2. Các trường hợp kiểm tra ổn định 18
2.2.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ ổn định ngang của tàu đệm khí . 21
2.2.4. Vấn đềchúi mũi và lật nhào của tàu đệm khí . 24
2.3. BỐ TRÍ ĐỘNG CƠ TÀU ĐỆM KHÍ 32
2.4. HỆTHỐNG VÁY TÀU ĐỆM KHÍ 34
Chương 3: THIẾT KẾSƠ BỘTÀU ĐỆM KHÍ 36
3.1. NHIỆM VỤVÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ . 36
3.1.1. Xây dựng nhiệm vụthư 36
3.1.2. Lựa chọn phương pháp thiết kế 36
3.1.3. Nội dung thiết kế 36
3.2. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 37
3.2.1. Xác định lượng chiếm nước của tàu đệm khí  38
3.2.2. Xác định các thông sốhình học của đệm khí 41
3.2.3. Xác định các kích thước chính của tàu . 45
3.3. THIẾT KẾPHÁC THẢO BỐTRÍ CHUNG TÀU ĐỆM KHÍ 47
3.3.1. Bốtrí động cơ trên tàu đệm khí 47
3.3.2. Bốtrí sơ bộchỗngồi trên tàu . 48
3.4. THIẾT KẾĐƯỜNG HÌNH TÀU ĐỆM KHÍ 50
3.5. THIẾT KẾKẾT CẤU 52
3.5.1. Lựa chọn vật liệu chếtạo . 52
3.5.2. Lựa chọn Quy phạm áp dụng . 52
3.5.3. Lựa chọn khoảng cách sườn và hệthống kết cấu 52
3.5.4. Tính chọn các kết cấu . 52
3.6. THIẾT KẾHỆTHỐNG TÀU 61
3.6.1. Tính toán hệthống nâng . 61
3.6.2. Tính toán hệthống đẩy . 62
3.7. TÍNH KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỦA TÀU ĐỆM KHÍ 66
3.7.1. Trường hợp mởváy (Skirt on) . 66
3.7.2. Trường hợp tắt váy (Skirt off) 70
Chương 4: CHẾTẠO THỬNGHIỆM MÔ HÌNH 80
4.1. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC MÔ HÌNH TÀU . 80
4.2. XÂY DỰNG BẢN VẼĐƯỜNG HÌNH MÔ HÌNH TÀU . 81
4.3. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ 83
4.3.1. Tính chọn động cơ nâng . 83
4.3.2. Tính chọn động cơ đẩy . 84
4.4. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾHỆTHỐNG VÁY KHÍ . 87
4.4.1. Giới thiệu chung 87
4.4.2. Các thông sốchính của váy 88
4.4.3. Vẽbiên dạng của váy . 89
4.4.4. Tính toán kích thước váy 90
4.4.5. Phóng dạng váy khí 92
4.5. THIẾT KẾHỆTHỐNG ĐIỀU KHIỂN 95
4.5.1. Giới thiệu chung 95
4.5.2. Lựa chọn động cơ Servo 98
4.5.3. Sơ đồnguyên lý hoạt động . 98
4.6. CHẾTẠO VÀ LẮP RÁP TÀU MÔ HÌNH . 101
4.6.1. Lựa chọn vật liệu chếtạo . 101
4.6.2. Quy trình chếtạo và lắp ráp . 101
4.6.3. Chuẩn bị sản xuất . 102
4.6.4. Thi công chếtạo phần vỏtàu mô hình 102
4.6.5. Chếtạo váy 105
4.6.6.Lắp đặt các động cơ và trang thiết bị 107
4.7. THỬNGHIỆM . 108
4.7.1. Mục đích và các nội dung chếtạo thửnghiệm 108
4.7.2. Thửnghiệm tĩnh . 109
4.7.3. Thửnghiệm động . 111
4.7.4. THẢO LUẬN KẾT QUẢTHỬNGHIỆM . 114
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀXUẤT Ý KIẾN 115
5.1. KẾT LUẬN . 115
5.1.1. Phần cơ sởlý thuyết tính toán 115
5.1.2. Chế tạo mô hình thửnghiệm 115
5.2. ĐỀXUẤT Ý KIẾN . 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 117

LỜI NÓI ĐẦU
Việt nam là một trong những quốc gia có bờbiển chạy dọc chiều dài đất nước
nên ngoài việc phát triển đội tàu du lịch và đánh bắt hải sản thông thường như hiện tại,
hiện đang có nhu cầu rất lớn trong việc chếtạo những loại tàu chuyên dụng đặc biệt có
khảnăng chạy êm với tốc độcao và trong các điều kiện địa hình phức tạp nhằm mục
đích phục vụcho các hoạt động như du lịch cao cấp, cứu hộ, cứu nạn v v trong số
các loại tàu hiện nay thì tàu đệm khí, loại tàu hoạt động dựa trên nguyên lý khí động
học, hoàn toàn thích hợp và đáp ứng các yêu cầu đặt ra trên đây nhờchạy trên đệm
không khí nên giảm được sức cản, dẫn đến khảnăng chạy êm ởtốc độcao trên nhiều
địa hình phức tạp khác nhau, kểcảmặt nước, đầm lầy, băng v v vì thếtrong thời
giangần đâyđã có một sốcá nhân và cơ quan du lịch đặt vấn đềnghiên cứu thiết kế,
chếtạo hoặc mua và nhập khẩu các mẫu tàu đệm khí vềViệt nam.
Tuy nhiên do nguyên lý hoạt động phức tạp của loại tàu này nên đến hiện nay,
vấn đềnghiên cứu chếtạo các tàu đệm khí ởViệt Nam thực tế chỉmới đang bắt đầu,
với một vài đềtài đang triển khai nhưng hầu như chưa mang lại kết quảkhảquan.
Nhận thấy tính thực tiễn của tàu đệm khí đối với thịtrường Việt Namkhá rộng mở,
kết hợp với thực tếbản thân chúng tôi là những cán bộkỹthuật đang công tác tại
Công ty Yến sào Khánh Hòa, đơn vịchịu trách nhiệm quản lý khai thác các đảo yến
và hoạt động du lịch cao cấp nên rất quan tâm vềvấn đềđi lại vận chuyển nguyên
liệu vàtuần tra trên các đảo yến cũng như phục vụ tham quan du lịch của du khách.
Đây là vấn đềmà ban Giám đốc Công ty đã và đang rất quan tâmnên khuyến khích
và tài trợcho chúng tôi thiết kếmột mẫu tàu đệm khí có thể chởđược (2 ư3) người,
làm nhiệm vụphục vụdu lịch, vận chuyển và cứu hộngười tai nạn trên các đảo yến.

Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. TỔNG QUAN VỀĐỀTÀI NGHIÊN CỨU
Tàu đệm khí thuộc nhóm những tàu làm việc dựa theonguyên tắc khí động học,
bốtrí một hay nhiều động cơ, gồm động cơ làm nhiệm vụthổi khí và động cơ đẩy.
Động cơ thổi khí có nhiệm vụtạo ra lớp đệm khôngkhí có áp suất cao và được giữlại
giữa đáy tàu và bềmặt chuyển động nhờkết cấu bao xung quanh gọi tên là “váy khí”
đểnâng tàu lên khỏi bềmặt tiếp xúc nhằm làm giảm sức cản khi tàu chuyển động.
Động cơ đẩy với các bộphận điều chỉnh có nhiệm vụđẩy tàu chạy trên lớp đệm khí.
Khi đó tàu chuyển động được nhờlực nâng do gối khí tạo ra và lực của động cơ đẩy.
Một sốtàu sửdụng hệthống ống dẫn để có thể sửdụngmột động cơ thực hiện cùng
lúc hai nhiệm vụnâng và đẩy tàu bằng cách bơm trực tiếp một phần không khí vào váy
khí, phần không khí còn lại sẽđược đẩy ngược ra phía sau đểtạo lực đẩy tàu vềphía
trước. Nhờchạy trên lớp đệm khí nên ưu điểm đặc biệt của loại tàu này so với các tàu
khác là tàu có thểchạy êm ởtốc độcao, có thểlên đến 100 km/h nhờsức cản đã giảm
đáng kểvà ngoài việc chạy trên mặt nước, tàu có thểhoạt động trên nhiều địa hình
khác nhau. Vì thếtàu đệm khí đã được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác
nhau và dùng chạy trên các địa hình phức tạp như vùng nước cạn, vùng băng, rừng
rậm v v riêng ởnước ta hiện nay, nhu cầu thiết kếvà chếtạo loại tàu đệm khí để
phục vụcho các lĩnh vực du lịch, cứu hộ, quân sựv v ngày càng tăng cao và trởnên
cần thiết. Tuy nhiên do tính chất phức tạp về kết cấu và nguyên lý hoạt động của loại
tàu này nên phương pháp thiết kế và các mẫu tàunày hầu như chưa được phổbiến
rộng rãi,thường thuộc bản quyền của một sốít công ty ởcác nước có ngành đóng tàu
phát triển.
Việt Nam là một trong những quốc gia có bờbiển trảidài dọc theo đất nước và
mạng lưới sông ngòi, ao hồdày đặc rất thuận lợi cho việc phát triển du lịch sông nước.
Trong khi đó, các phương tiện phục vụ giao thông đường thủy hiện vẫn chưa đáp ứng
được hết nhu cầu đi lại của người dân, đồng thời sự lỗi thời của các loại phương tiện
hiện có đã làm mất quá nhiều thời gian đi lại, cũng như thời gian vận chuyển hàng hóa.
Hơn nữa, Việt Nam là quốc gia đang chịu sự ảnh hưởng của quá trình biến đổi khí hậu
3
nên bão tố, lũ lụt hàng năm xảy ra thường xuyên, nhất là trong những năm gần đây.
Trong khí đó, do không có các loại tàu chuyên dụng có khảnăng chạy nhiều địa hình
như tàu đệm khí nên việc cứu hộ trên nước thường gặp rất nhiều khó khăn, dẫn đến
quá trình cứu hộ tiến hành chậm trễ, gây những hậu quả đáng tiếc về người và của.
Những thực trạng trên đây cho thấy việc nghiên cứu thiết kế, chếtạo các loại tàu
chuyên dụng như mẫu tàu đệm khí phục vụ giao thông đường thủy là hết sức cần thiết
vì so với các loại tàu thông thường, tàu đệm khí có nhiều ưu điểm cụthểnhư sau:
- Tàu có khảnăng chạy tốc độcao và êm nhờgiảm bớt được lực cản của nước
nên rất thuận lợi trong việc phát triển du lịch đường biển.
- Tính cơ động cao, có thểdi chuyển trên nhiều địa hình phức tạp khác nhau
như mặt đất, mặt băng hoặc trên đầm lầy nên rất thuận lợi cho việc cứu hộ,
tuần tra, du lịch khám phá v v
- Chi phí vận hành và bảo trì ít.
- Khảnăng vận chuyển của tàu đệm khí thuộc mức trung bình (6kg/kW)
Với những ưu điểm kểtrên, kết hợp với những điều kiện về tự nhiên ở Việt Nam
nên nhu cầu sửdụng tàu đệm khí trong nhiều lĩnh vực như cứu hộ, du lịch khám phá,
nuôi trồng thủy sản, vận chuyển hàng hóa, tuần tra v v ởnước ta ngày càng lớn.
Chính vì lý do đónên trong thời gian gần đây đã có nhiều cá nhân, công ty quan tâm
tìm hiểu và có kếhoạch nhập khẩu loại tàu này vềViệt Nam nhưng vì nhiều lý do,
nhất là khảnăng hoạt động phù hợp với điều kiện khai thác thực tế ởnước ta hiện nay
nên hầu như vẫn chưa có mẫu tàu đệm khí thương mại nào xuất hiện tại Việt Nam.
Vì thế, với mục tiêu nghiên cứu vềphương pháp thiết kếvà chếtạo thửnghiệm
loại tàu đệm khí đểcó thể ứng dụng vào Việt Nam, chúng tôi đã đặt vấn đềvà được
Khoa Kỹthuật tàu thủy giao thực hiện luận văn Cao học vềvấn đềnày với tên gọi
“Nghiên cứu thiết kế, chếtạo thửnghiệm tàu hoạt độngtheo nguyên lý khí động học”
nhằm góp phần vào việc phát triển ứng dụng loại tàu này vào thực tếnước ta hiện nay.
Việc chếtạo tàu đệm khí ởViệt Nam hy vọng sẽlàm phong phú thêm các phương tiện
phục vụgiao thông đường thủyvà khẳng định vai trò của ngành đóng tàu Việt Nam.
4
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI TÀU ĐỆM KHÍ
1.2.1. Lịch sử nghiên cứu tàu đệm khí trên thếgiới
Ngay từ đầu thếkỷ18, con người đã có ý tưởng tạo ra một lớp đệm không khí
nằm giữa bềmặt đáy tàu và mặt nước để làm giảm bớt sức cản khi tàuchuyển động.
Năm 1716,Emmanuel Swedenbog, mộtnhà thiết kếvà triết giangười Thụy Điển đã
chếtạo thửnghiệm một sốmô hình tàu đệm khí chạybằng sức người có hình dáng
tương tựnhư một chiếc xuồng nhỏúp ngược, với buồng lái đặtchính giữa(hình 1.1).
Các thiết bị nằmhai bên thân mô hình cho phép người lái nâng lên và hạxuống,một
cặp thiết bịgiống như mái chèovàhành trình chuyển động theo hướng đi xuống này
sẽ ép không khí nén xuống bên dưới thân tàu, do đó có thểnâng tàu lên khỏi mặt nước.
Dựán nàykhông tồn tại lâu và chưa bao giờthực hiện đượcvì ông sớm nhận ra rằng
đểvận hành cỗ máy như vậy phải có nguồn năng lượng lớnmà sức người là không thể.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Đức Ân, Nguyễn Bân (2005), Lý thuyết tàu thuỷ -tập 1,2, nhà xuất bản
Giao thông vận tải, Hà Nội.
[2]. HồQuang Long (2003), Sổtay thiết kếtàu th ủy, NXB Khoa h ọc và k ỹthuật, Hà Nội.
[3]. Trần Công Nghị(2005),Thiết kếtàu cỡnhỏchạy nhanh,Nhà xuất bản Đại học
quốc gia thành phốHồChí Minh, thành phốHồChí Minh.
[4]. Trần Công Nghị(2006), Thiết kếtàu thuỷ, Nhà xuất bản Đại học quốc gia thành
phốHồChí Minh, thành phốHồChí Minh.
[5]. Trần Công Nghị(2008), Sổtay thiết kếtàu thuỷ, Nhà xuất bản Xây dựng Hà nội
[6]. Trần Gia Thái (2010), Tính toán, thiết kếkết cấu tàu thủy, NXB Khoa học và kỹthuật.
[7]. Quy phạm kiểm tra và chếtạo các tàu làm bằng chất dẻo cốt sợi thủy tinh, TCVN
6282 : 2003và Quy phạm phân cấp và đóng tàu thủy cao tốc TCVN 6451: 2004.
[8]. Liang Yun, Alan Bliault. Theory and Design of Air Cushion Craft,
ArnoldPublications, (2000).
[9]. Universal Hovercraft Construction and Operation, (2004).
[10]. Ship Designand Construction Written by an International Group of Authorities
Thomas Lamb, Editor .Hirohiko Emi, Takashi Fujitani and Akinori Abe (Chapter
47): Volume 2.
[11]. http://www.hovercraft.com/content/
[12]. http://www.modelaircraft.org