Thiết kế Catamaran

Chuyên đề

THIẾT KẾ CATAMARAN.
Bài 1. LỰA CHỌN ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA CATAMARAN
I/ Giới thiệu chung

Trong những thập niên gần đây, catamaran đã phát triển nhanh chóng và trở thành một dạng giao thông biển khá phổ biến. Khu vực phát triển của loại tàu này là các tuyến biển ngắn, cự ly biểu thị ưu việt vượt trội của catamaran thông qua các thuộc tính như công suất yêu cầu, tính kinh tế, không gian bố trí và tính êm dịu của tàu. Sự phát triển nhanh chóng của thị trường dẫn đến nhu cầu mở rộng phạm vi thiết kế về kích thước, tốc độ và tính đa dạng của tải trọng (hành khách, xe cộ hay công te nơ).

            Tuy nhiên, ngay cả hiện nay, có rất ít công cụ thiết kế catamaran sẵn có. Thực tế này gây trở ngại cho các chủ tàu cũng như nhà thiết kế khi cần thiết lựa chọn mẫu tàu, nếu không có sự trợ giúp của các chuyên gia về lĩnh vực này.
            Đặc tính sức cản và công suất yêu cầu là những đại lượng cơ bản nhất khi thiết kế catamaran, chúng có quan hệ chặt chẽ với tốc độ và tính tiết kiệm nhiên liệu, và do đó liên quan đến hiệu quả hoạt động của tàu.
            Trong bối cảnh của sự phát triển nhanh chóng của nền thương mại thế giới, bài toán tối ưu hoá tốc độ đội tàu chở hàng trở nên cực kỳ quan trọng. Việc duy trì công suất đẩy ở mức độ thấp nhất có thể để đảm bảo tính kinh tế của đội tàu cũng là nhu cầu cấp bách.
            Việc giảm sức cản của tàu đến giới hạn tối thiểu xác định rất khó thực hiện đối với tàu một thân thông thường. Nguyên nhân lầ để giảm sức cản, các tàu một thân cần phải có chiều rộng rất bé, chiều dài rất lớn và thể tích chiếm nước hạn chế. Điều này ảnh hưởng đến tính ổn định và khả năng tải của tàu.
           Catamaran là giải pháp hữu hiệu để giải quyết cả hai vấn đề này. Sự phân tách giữa các phần vỏ bên của catamaran sẽ tạo nên tính ổn định tốt, trong khi sự thanh mảnh của vỏ tàu tạo nên đặc tính sức cản hiệu quả. Sự phân chia lượng chiếm nước và diện tích mặt đường nước giữa hai vỏ dẫn đến hình thành mặt boong rộng, chất lượng ổn định tốt và kết quả là tốc độ lắc và góc lắc nhỏ. Sàn tàu hình chữ nhật, kích thước lớn có thể dùng để bố trí chở khách, chở hàng, hoặc thậm chí dùng cho các mục đích quân sự.
            Gần đây nhiều catamaran đã được chế tạo – chủ yếu bằng nhôm hay composite, để đáp ứng nhu cầu về chủng loại tàu chạy nhanh kinh tế và có đặc tính đi biển tốt. Tuy nhiên hiện nay có rất ít tài liệu về thiết kế catamaran. Thực tế này gây trở ngại cho các chủ tàu cũng như nhà thiết kế khi cần thiết lựa chọn mẫu tàu, nếu không có sự trợ giúp của các chuyên gia về lĩnh vực này.

Khác với loại một thân, sự tồn tại của hai thân sát nhau sẽ tạo nên thành phần sức cản bổ sung. Hiệu ứng Venturi gây ra sự tăng độ nhớt chất lỏng giữa hai vỏ. Điều này dẫn đến một số ảnh hưởng :

  • Thứ nhất, sự gia tăng độ nhớt chất lỏng làm tăng ma sát bề mặt
  • Thứ hai, sự không đối xứng của dòng chảy bên dưới mỗi thân vỏ tạo nên dòng chảy ngang, dẫn đến hình thành lực ngang, và gây thêm một thành phần sức cản.
Ngoài ra cần tính đến sức cản khí động của phần trên mớn nước và sức cản của các phần phụ dưới nước (chân vịt, bánh lái…). Ngược với các loại vỏ tàu thông thường, cả hai thành phần này chiếm phần đáng kể trong tổng sức cản của Catamaran do chúng có kiến trúc thượng tầng lớn. Kết quả thử nghiệm mô hình với tỉ lệ thật cho thấy thành phần này chiếm đến 9% tổng sức cản của catamaran.
            Cũng như tàu một thân, đặc tính hình học (ảnh hưởng đến sức cản và công suất yêu cầu) và kết cấu (liên quan đến sức bền, tính kinh tế) là 2 khía cạnh trọng tâm của việc thiết kế catamaran do chúng có quan hệ mật thiết với tốc độ, khả năng đi biển và tính kinh tế. Mục đích của bài viết là giới thiệu sơ bộ về phương pháp lựa chọn các thông số hình dáng và tính tóan kết cấu các catamaran trong phạm vi từ 15 – 60m, vỏ làm bằng vật liệu composite, hoạt động ven bờ, đáp ứng nhu cầu ngày càng nâng cao của ngành du lịch biển Việt Nam.
II/ Sơ lược về thiết kế catamaran.
Về cơ bản, catamaran bao gồm 3 phần :
-         Phần vỏ dùng để cung cấp lực nổi và lắp đặt thiết bị đẩy.
-         Kết cấu nối hoặc kết cấu ngang để cung cấp sức bền ngang cho tàu
-         Thượng tầng lắp trên kết cấu ngang.
Thiết kế catamaran hòan chỉnh là sự kết hợp hài hòa cả 3 phần trên.
Thiết kế vỏ là phần chủ yếu nhất trong các bộ phận trên, nhằm xác định đặc tính thủy động, sức cản, đặc tính công suất của catamaran. Với các tàu thông thường, sức cản tăng rất nhanh sau điểm ứng với hệ số Fruode. Như vậy để thiết kế tàu cao tốc cần phải giảm tối đa lượng sóng tạo nên trong bề mặt tự do. Catamaran có thể thực hiện điều này do nó có hình dáng thon.
1.1 Phần vỏ catamaran :
1.1.1 Đặc điểm hình học :
a/ Hình dạng phần vỏ :
Hình dạng vỏ Catamaran hiện nay có hai loại chủ yếu :
-         Dạng hông tròn : phần chuyển tiếp giữa đáy và mạn có góc lượn khá lớn. Loại này thường dùng với các catamaran có lượng chiếm nước lớn, tốc độ thấp.
-         Dạng có bẻ góc : phần chuyển tiếp giữa đáy và mạn đựoc giới hạn bởi đường bẻ góc, là loại chế tạo đơn giản. Ở tốc độ thấp có sức cản lớn, tuy nhiên ở tốc độ cao hơn có xuất hiện lực nâng động học, làm giảm diện tích ướt của vỏ. Các catamaran có lượng chiếm nước bé, tốc độ cao thường sử dụng vỏ dạng này.
b/ Bố trí vỏ :
Bao gồm hai cách :
-         Catamaran đối xứng có hai nửa vỏ đối xứng qua đường tâm của nó.
-         Catamaran không đối xứng : hai vỏ không đối xứng qua mặt cắt dọc giữa, loại này được sử dụng với mục đích giảm hiệu ứng tương tác trong các kênh hẹp.
1.1.2       Đặc điểm động học
Về mặt này, catamaran gồm 3 loại : rẽ nước toàn phần, nửa lướt và dạng lướt.
Catamaran hoạt động ở chế độ hệ số Froude thấp (Fn < 0,7) thuộc loại tàu rẽ nước toàn phần (tàu thông thường). Thuộc tính quan trọng trong vùng này là sự giao thoa có hại do của sóng do các nửa vỏ tạo nên. Sự giao thoa xảy ra khốc liệt ở chế độ 0,3 < Fn < 0,4.
Catamaran hoạt động ở chế độ có hệ số Froude cao hơn (Fn > 0,7) có thể tạo nên lực nâng động học từ vùng đáy phẳng ở phía lái của tàu. Các catamaran này được gọi là loại rẽ nước bán phần (tàu nửa lướt). Các vỏ loại này thường có dạng hông tròn ở khu vực phía mũi và đáy phẳng ở phía lái. Ở tốc độ cao hơn, hiệu ứng tương tác giữa các nửa vỏ ít quan trọng hơn.
Khi Catamaran hoạt động ở chế độ Fn > 1,2, lực nâng tăng lên đáng kể, làm giảm lực nổi cần thiết để cân bằng với trọng lượng tàu (lực nổi sẽ bé hơn lượng chiếm nước tàu). Lực đẩy và diện tích ướt giảm, làm giảm đáng kể sức cản sinh sóng và sức cản ma sát. Các tàu này được gọi là tàu hoạt động ở chế độ lướt (tàu lướt), và thường là loại có ky chính.
1.1.3 Các thông số cơ bản cần xác định khi thiết kế Catamaran:

–         Chiều dài toàn bộ, LOA

–        Chiều dài thiết kế, L

–         Chiều rộng toàn bộ, BOA

-         Chiều rộng thiết kế, B
-         Chiều chìm tối đa
-         Lượng chiếm nước tổng. Δ
-         Lượng chiếm nước khi nhẹ tải
-         Trọng tải.
-         Tốc độ, V.
 –         Công suất yêu cầu
-         Chiều dài đường nước, LWL
-         Chiều sâu của vỏ tàu, H
-         Chiều rộng nửa vỏ, BDH
-         Khoảng cách giữa các vỏ, S
Catamaran hiện nay có chiều dài tối đa là 125m. Chiều rộng lớn nhất, chiều chìm, chiều sâu của tàu có quan hệ tỉ lệ tuyến tính với chiều dài tàu. Tỉ số LWL và LOA thường là hằng số và nằm trong khoảng 0,85-0,9; Tỉ số LWL/B thay đổi từ 9-20 biểu thị xu hướng tăng theo chiều dài tàu. Tỉ số phân tách (S/L) từ 0,1-0,3 và không phụ thuộc chiều dài tàu. Tỉ số giữa chiều rộng nửa vỏ và chiều chìm (B/d) thay đổi từ 1,25 – 2,5 và cũng không phụ thuộc chiều dài tàu.
1.2       Thống kê quan hệ giữa các thông số của CAT
Phương pháp sử dụng trong chuyên đề này là dựa vào kết quả thống kê các catamaran đang hoạt động hiệu quả hiện nay chọn các thông số cơ bản – trong giai đoạn thiết kế sơ bộ- của catamaran cũng như mối quan hệ của giữa chúng.
Hinh5
Hinh6
 Chiều cao mạn tàu được tính theo công thức sau:
                        H = T + Hd + Gap
Với :
            T = Chiều chìm của tàu.
            Hd = Chiều cao hộp boong (khoảng cách từ đáy dưới cầu nối đến mạn). Thông thường Hd được xác dịnh theo biểu thức kinh nghiệm:

Hd = B/7.5

            Gap = Chiều cao từ mặt nước đến đáy cầu nối.

Ngoài ra, số liệu thống kê cho thấy Gap được xác định theo công thức gần đúng:

Gap = 0,37L0,56

1.3 Một số dạng Catamaran điển hình
1.3.1 Sêri NPL Southampton.
Các mẫu thuộc sê ri này có dạng hông tròn và transom phía lái. Các loại vỏ này đại diện cho đa số catamaran đang hoạt động hiện nay. Các mẫu được thử nghiệm có các tỉ số L/B, B/T khác nhau và thay đổi rất ít. Mặt cắt ngang của các mẫu được giới thiệu trong hình 3. Tất cả các mô hình đều có hệ số béo CB= 0,397 và hệ số lăng trụ CP = 0,693. Các đặc tính chi tiết của các mẫu này cho trong bảng 1. Tổng sức cản trên nước tĩnh và phân tích loại sóng của các mẫu này được thực hiện trong phạm vi số Froude từ 0,1 đến 1.

Hinh3

Hinh4

Có thể xác định lượng chiếm nước tàu theo biểu thức :

D = 2g(2CB LT)
trong đó :

g : gia tốc trọng trường.

                        BDH: Chiều rộng nửa vỏ

                        T: chiều chìm thiết kế.

                        ρs : Mật độ nước.

                        CB : hệ số béo của một thân.

1.3.2 Sê ri Catamaran VWS’89 (dạng có bẻ góc)

            Sê ri này đề cập đến các catamaran có chiều dài từ 15 – 60m, lượng chiếm nước nhỏ hơn 1000 tấn. Mặt cắt ngang có dạng bẻ góc, hoạt động ở chế độ lướt và nửa lướt. Nguyên nhân là các dạng này có tính tối ưu về sức cản khi số Fn > 0,8. Chúng làm cho dòng chảy và sự tách dòng thuận tiện hơn (nhờ đó giảm sức cản ma sát), làm phát sinh lực nâng thuỷ động (làm giảm áp lực và sức cản ma sát trên toàn bộ phần nổi của vỏ tàu).
Ba dạng mặt cắt ngang khác nhau được nghiên cứu bao gồm:
           – Mặt cắt ngang đối xứng với đường tâm nằm trong nửa vỏ.
           – Mặt cắt ngang bán đối xứng có mặt phẳng trung tâm nằm ở Bnửa vỏ /4 về phía bên trong của từng nửa vỏ.
           – Mặt cắt ngang không đối xứng có mặt phẳng trung tâm nằm ở mép bên cạnh của đường ống catamaran.
Các test được thực hiện trong sê ri VWS cho thấy dạng mặt cắt đối xứng yêu cầu công suất đẩy thấp nhất, ứng với tốc độ cao nhất và có đặc tính hàng hải chấp nhận được, do đó dạng mặt cắt ngang này được lựa chọn trong sê ri VWS’89. Tất cả các vỏ này đều có mặt nghiêng phía sau lái và lan can nhỏ chìa ra bên ngoài. Hình dạng phía sau thân tàu phù hợp với việc lắp chân vịt chìm hoàn toàn trong nước hoặc thiết bị phun nước (WaterJets). Với các vỏ tàu dạng có bẻ góc hiệu ứng giao thoa không nhạy cảm nhiều với khoảng cách giữa hai nửa vỏ ở tốc độ cao, do đó khoảng cách này được duy trì cân xứng với LWL (Sống/LWL = 0,167).
Phạm vi các thông số tàu trong sêri VWS.
·        LWL :         15-60m.
·        Lượng chiếm nước : < 1000 tấn.
·        Tốc độ tương ứng với số Fn : Fn < 1,4
·        LWL/B :     7,55 – 13,55
·        βM(góc nâng của mặt cắt ngang giữa tàu) :        13 – 160
·        δw(góc nghiêng của transom) :   0, 4, 8, 120.
Trên cơ sở đặc điểm hình dáng, các quan hệ kích thước đã nêu trên, kết hợp với loại tàu cần thiết kế, trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, người thiết kế có thể lựa chọn một nhóm thông số phần vỏ phù hợp với chức năng của tàu thiết kế.
Tất nhiên chất lượng của tàu thiết kế phụ thuộc vào khả năng lựa chọn của người thiết kế.
—————–
TS. Nguyễn Văn Đạt. UNINSHIP