TÍNH CHU KỲ LẮC NGANG CỦA TÀU HAI THÂN

TÍNH CHU KỲ LẮC NGANG CỦA TÀU HAI THÂN

Mở đầu: Một trong những ưu điểm nổi bật của tàu hai thân là giải quyết được mâu thuẫn cố hữu của tàu một thân: với tàu một thân (nhất là các tàu cỡ nhỏ), tàu càng ổn định (thể hiện qua giá trị của chiều cao ổn tâm ban đầu h0) chu kỳ lắc càng bé, tàu càng lắc nhiều. Trong khi đó, với tàu hai thân, do đặc điểm hình dáng của mình, có thể vừa có tính ổn định cao (cao hơn nhiều so với tàu một thân cùng kích cỡ), vừa có tính lắc êm (chu kỳ lắc lớn, biên độ và gia tốc lắc bé). Bài viết này giới thiệu cho bạn đọc một trong những lý giải cụ thể cho vấn đề trên.

Cơ sở lý thuyết:

Về tổng quát, tính đi biển của catamaran nói riêng và tàu thủy nói chung dựa vào chiều cao ổn tâm ngang ban đầu (h0) của chúng. Đây là thước đo độ ổn định của tàu – h0 càng lớn độ ổn định càng cao. Trong lý thuyết tàu một thân h0 cũng được dùng như một tiêu chuẩn đánh giá chuyển động dao động của tàu. Thực tế cho thấy với catamaran, h0 có giá trị nằm trong khoảng 4 – 30m tùy thuộc kích cỡ tàu, trong khi h0 của tàu một thân thường bé hơn 4m;

Thực tế sử dụng cho thấy catamaran ít lắc hơn rất nhiều so với tàu một thân cùng kích cỡ. Dubrovsky cho rằng một catamaran được thiết kế tốt có biên độ lắc ngang bé hơn từ hai đến ba lần so với tàu một thân có cùng gia tốc dao động. Kết quả hoạt động của các tàu khách hai thân cho thấy gia tốc và dao động trong sóng ngang luôn nằm trong phạm vi cho phép theo tiêu chuẩn của quy phạm tàu cao tốc.

Về bản chất catamaran có giá trị h0 rất cao, do vậy tương ứng là tính ổn định của nó cũng rất cao. Như vậy nếu theo lý thuyết thông thường, chu kỳ lắc của catamaran sẽ bé, và dẫn đến sự khó chịu cho người đi tàu. Nhưng thực tế lại hoàn toàn ngược lại, catamaran có tính lắc êm hơn rất nhiều so với tàu một thân. Mấu chốt của vấn đề nằm ở chỗ phương pháp tính chu kỳ lắc.

Theo [1] chu kỳ lắc riêng của tàu một thân được tính theo biểu thức sau:

CT2

trong đó:           Tθ: chu kỳ lắc ngang tàu, s;

B: chiều rộng thân tàu ở chế độ tải tính toán, m;

zg : Tung độ trọng tâm tàu, m;

h0 : Chiều cao ổn tâm ban đầu có tính đến ảnh hưởng của mặt thoáng hàng lỏng;

Từ công thức 1 cho thấy, với tàu có kích thước cho trước, để tăng chu kỳ lắc, cần giảm giá trị ổn tâm ngang h0 hoặc tăng tung độ trọng tâm zg. Cả hai giải pháp này đều phải trả giá bằng độ ổn định và do vậy không khả thi, điều này càng khó khăn hơn đối với các tàu cỡ nhỏ;

Tuy nhiên, chu kỳ lắc của catamaran không phải tính theo công thức (1).

Với hình dáng và kết cấu đặc thù catamaran có tung độ trọng tâm cao hơn tàu một thân cùng kích cỡ, nhưng do có sự phân tách giữa các thân nên chúng có giá trị h0 cao. h0 là hàm của mô men diện tích mặt đường nước theo phương ngang, do vậy khi tăng khoảng hở giữa các thân sẽ tăng giá trị này. Thuận lợi của điều này là tăng tính ổn định tàu. Nếu vận dụng lý thuyết tàu một thân, khi tăng tính ổn định sẽ làm giảm chu kỳ lắc ngang và do vậy sẽ tăng gia tốc lắc ngang. Điều mà lý thuyết tàu một thân không tính đến đó là khi tăng khoảng hở ngang quán tính lắc ngang bổ sung cũng tăng lên, và làm giảm tần số lắc ngang, nghĩa là tăng chu kỳ lắc ngang.

Dubrovsky cho rằng [2] chiều rộng tổng của tàu hai thân càng lớn thì dao động lắc ngang sẽ càng nhỏ, và catamaran không chỉ lắc ngang như tàu một thân mà còn có chuyển động nhồi (lắc đứng) ở từng thân. Với catamaran ông ta cho rằng quán tính lắc ngang bổ sung tương đương với quán tính lắc đứng, khác với giá trị lắc ngang được sử dụng với tàu một thân. Đối với tàu một thân khi lắc đứng nói chung quán tính bổ sung tương đương với quán tính thật, trong khi quán tính lắc ngang là 25%.

Từ kết quả thử nghiệm mô hình, Martin [2] đề xuất công thức tính chu kỳ lắc ngang của tàu hai thân như sau:

CT1

với:    Boa là chiều rộng toàn phần của catamaran ở mớn nước đang xét, m;

g là gia tốc trọng trường, m/s2;

Biểu thức (2) cho thấy chu kỳ lắc ngang của tàu hai thân chỉ phụ thuộc vào chiều rộng tổng của tàu hai thân, không phụ thuộc vào chiều cao ổn tâm ban đầu h0. Đây có thể nói là điều khác biệt cơ bản về tính lắc của tàu hai thân so với tàu một thân.

Kết quả thử nghiệm của Fancescutto [2], cho thấy khi tăng khoảng hở ngang giữa các thân của tàu hai thân (tăng B­0a) sẽ làm giảm biên độ và gia tốc dao động ngang.

Mặt khác, khi tăng B0a sẽ làm tăng tính ổn định ngang của tàu hai thân.

Nói cách khác, nhận định về tàu hai thân vừa có tính ổn định cao, vừa có tính lắc êm đã được thể giải quyết cụ thể về lý thuyết;

Ví dụ minh họa

Để minh họa cho nhận định trên, bài viết giới thiệu về kết quả tính ổn định của 02 mẫu tàu cá xa bờ vỏ composite, loại một thân và hai thân có sức chở và công suất máy tương đương.

bang1

bang2

Kết luận:

Kết quả trên bảng so sánh cho thấy, tàu hai thân có tính ổn định cao hơn, và tính lắc tốt hơn rất nhiều so với tàu một thân cùng kích cỡ và công dụng.

Thực tế sử dụng tàu Long Phú 17 [3] – Tàu khách hai thân được thiết kế và chế tạo bởi Viện NCCT Tàu Thủy, cho thấy ưu việt của tàu hai thân về tính lắc và tính ổn định: tàu có tính ổn định cao, tính lắc êm, được du khách ưa chuộng;

Tàu Long Phú 17
Tàu Long Phú 17

 

Tài liệu tham khảo:

[1] Nguyễn Đức Ân, Hồ Quang Long, Dương Đình Nguyên; Sổ tay kỹ thuật đóng tàu thuỷ tập I, NXB KHKT Hà Nội, tháng 7/1982;

[2] Incat The Magazine Issue 34, Vol 7, 2008;

[3] Tàu Long Phú 17 – Tàu khách hai thân vỏ composite;

 

UNINSHIP