Thạc Sĩ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người - Human powered hydrofo

Luận văn thạc sĩ
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người - Human powered hydrofoil


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
Chương 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 nước 26
1.3. PHƯƠNG 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 hưởng đến các hệ số thủy động cánh . 30
Chương 2. THIẾT KẾ THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC NGƯỜI
(HUMAN POWERED HYDROFOIL) 36
2.1. XÂY DỰNG NHIỆM VỤ THƯ VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ . 36
2.1.1. Xây dựng nhiệm vụ thư 36
2.1.2. Phương pháp thiết kế 36
2.2. XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA THUYỀN CÁNH NGẦM 38
2.2.1. Xác định lượng chiếm nước của thuyền cánh ngầm D 38
2.2.2. Xác định các kích thước chính và hệ số hình dáng thân thuyền 40
2.3. THIẾT KẾ ĐƯỜNG 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 thước hình học cánh thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người 54
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) V
TO
. 70
2.5.1. Tính cho cánh sau . 70
2.5.2. Tính cho cánh trước 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 người . 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 trước theo mớn nước. 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 trước . 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
Chương 3. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC
NGƯỜI 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
Chương 4. CHẠY THỬ NGHIỆM THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC
NGƯỜI 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 ưu nhược 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


LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam là một quốc gia thuộc nhóm 10 nước có mạng lưới sông ngòi dày đặc
nhất thế giới nên có tiềm năng trong phát triển kinh tế, du lịch, giao thông vận tải
đường thuỷ nội địa. Tuy nhiên, do đặc điểm của hệ thống sông ngòi ở Việt Nam là
dòng chảy quanh co, tuyến đường thủy nội địa có chiều rộng khoang thông thuyền
nhỏ, chiều cao tĩnh không thấp nên mặc dù bất lợi cho các phương tiện giao thông
đường thuỷ nội địa nói chung nhưng lại thuận lợi để phát triển các phương tiện giao
thông đường 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 người ngồi) để du
lịch khám phá các vùng đất thượng nguồn hẻo lánh, các đảo gần bờ . loại hình du lịch này
đã thu hút được một số lượng lớn du khách trong và ngoài nước. Cùng với sự phát triển du
lịch bằng thuyền Kayak là sự phát triển mạnh các môn thể thao dưới nước như Rowing,
Canoeing . đã làm dấy lên phong trào tham gia những môn thể thao chèo thuyền, nhất là
ở các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh.
Cho đến hiện nay, mặc dù thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người là phương tiện rất
thích hợp cho các hoạt động thể thao, du lịch . đối với vùng sông nước của nước ta.
nhưng hầu như vẫn chưa được nghiên cứu thiết kế, chế tạo hoặc du nhập vào Việt Nam.
Mặc dù là vấn đề phức tạp, nhưng với mong muốn chế tạo loại phương tiện trước tiên
phục vụ nhu cầu thể thao, du lịch và có thể phục vụ nhu cầu đi lại cho nhân dân các
vùng sông nước miền Tây Nam Bộ, nơi hệ thống giao thông đường thuỷ là chủ yếu,
đồng thời đặt cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, phát triển lý thuyết và từng bước chế tạo
được 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”.


Chương 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 đạ t được tới trên 100 km/h.
Tàu thường 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 dưới đáy tàu có tác dụng nâng tàu nổi lên trên mặt nước,
làm giảm sức cản của nước nên tàu có thể đạt tốc độ cao và giảm tiêu hao nhiên liệu.
Trong những năm gần đây, ở nước ta cũng đã nhập khẩu tàu cánh ngầm nhưng chủ yếu
chỉ để vận chuyển khách trên các tuyến đường thuỷ ở Hải Phòng, Hạ Long, Móng Cái
hoặc trên các tuyến phía Nam như tuyến thành phố Hồ Chí Minh, Vũng Tàu.
Riêng trong các lĩnh vực du lịch hoặc thể thao dưới nước, thuyền cánh ngầm đã
được chế tạo và có tên gọi là thuyền Flyak, thực chất là thuyền Kayak có gắn thêm cá c
cánh ngầm ở dưới mũi thuyền và dưới đuôi thuyền. Hệ thống cánh ngầm của loại
thuyền này thường được gắn cứng với thân thuyền và người ngồi trên thuyền sẽ sử
dụng mái chèo để điều khiển và đẩy cho thân thuyền chạy khi người 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 nước, chỉ còn các cánh ngầm trong nước nên làm
giảm đáng kể sức cản của nước đối với chuyển động của thuyền, làm cho thuyền có
thể chuyển động với tốc độ nhanh hơn và lực chèo cũng nhẹ hơn. Tương tự như thuyền
Flyak nhưng thay vì sử dụng mái chèo làm động lực đẩy thuyền , người ta sử dụng
chân vịt và dùng sức người 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 như toàn bộ trọng lượng 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 nước ta hiện nay vẫn chưa thấy xuất
hiện thuyền cánh ngầm chạy bằng sức người nhưng đây là phương tiện rất thích hợp
để phát triển các hoạt động thể thao dưới nước, du lịch khám phá hoặc dùng làm
phương tiện giao thông cá nhân ở vùng sông nước.
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
Trước chiến tranh thế giới lần thứ II
Vào năm 1861, Thomas Moy thử nghiệm cánh máy bay trong nước vì theo ông,
thử nghiệm cánh máy bay trong nư ớc cho được độ chính xác cao hơn trong không khí.
Nhờ vậy, Moy đã phát hiện được đặc tính của cánh chuyển động trong nước. Trong
khoảng thời gian từ năm 1895 đến 1916, anh em nhà Meacham ở Chicago (Mỹ) là
những người 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 được công nhận là tàu cánh ngầm.
Năm 1906, một kỹ sư người Ý tên Enrico Forlanini đã gắn một số cánh bậc thang lên
thân tàu trọng lượng 1,2 tấn, lắp máy công suất 60 HP, chạy trên hồ Maggiore. Tàu
đã nổi lên được và chạy với tốc độ 36,93 HL/h (hình 1.1)


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Đức Ân, Nguyễn Bân (2005), Lý thuyết tàu thuỷ - tập 2, nhà xuất bản
Giao thông vận tải, Hà Nội.
2. Nguyễn Trọng Hiệp – Nguyễn Văn Lẫm (2002), Thiết kế chi tiết máy, NXB
Giáo dục, Ninh Bình.
3. Trần Công Nghị (2004), Sức cản vỏ tàu và Thiết bị đẩy tàu, Nhà xuất bản Đại
học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, thành phố Hồ Chí Minh.
4. Trần Công Nghị (2005), Thiết kế tàu cỡ nhỏ chạy nhanh, Nhà xuất bản Đại học
quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, thành phố Hồ Chí Minh.
5. Trần Công Nghị (2006), Thiết kế tàu thuỷ, Nhà xuất bản Đại học quốc gia
thành phố Hồ Chí Minh, thành phố Hồ Chí Minh.
6. Trần Công Nghị (2008), Sổ tay thiết kế tàu thuỷ, Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội.
7. Nguyễn Cảnh Thanh (2008), Lý thuyết tàu thủy, NXB Khoa học và kỹ thuật,
Hà Nội.
8. Trần Gia Thái (2010), Tính toán, thiết kế kết cấu tàu thủy, NXB Khoa học và
kỹ thuật.
9. Trần Gia Thái (2004), Hướng dẫn sử dụng phần mềm thiết kế tàu Autoship,
Trường Đại học Nha trang.
10. Ray Vellinga (2009), Hydrfoils, design, build, fly, Nhà xuất bản Gig Harbor,
Wa USA.
11. Sighard F.Hoerner (1985), Fluid – Dynamic Lift, copyright 1975 and 1985 by
Mrs Liselotte A. Hoerner and Henry V. Borst, USA.
12. http://lpm_quan.techinfovn.net/wordpress/?p=162
14. http://www.indoflyer.net/forum/tm.asp?m=333093&mpage=1&key=&#335829