Thiết bị tàu thủy

THIẾT BỊ TÀU THỦY MỤC LỤC CHƯƠNG I: THIẾT BỊ LÁI 6 1. Giới thiệu các kiểu bánh lái. Lực thủy động tác động lên bánh lái 6 2. Kết cấu bánh lái 27 3. Ống đạo lưu quay 60 4. Hệ thống lái. Máy lái 76 CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ NEO 95 1. Bố trí hệ thống neo trên tàu 95 2. Neo tàu thủy 98 3. Xích neo 116 4. Tính toán đảm bảo độ bền neo 122 5. Buộc đầu xích neo 124 6. Thiết kê lỗ luồn xích neo, giữ neo 127 7. Hãm xích neo 129 8. Ống dẫn xích vào thùng xích 130 9. Thùng xích 132 10. Máy kéo neo 135 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG BUỘC TÀU 139 1. Hệ thống buộc tàu 139 2. Thiết bị bộc dây 147 3. Thiết bị đỡ dây 149 4. Tthiết bị luồn dây 158 5. Trống cuộn dây 164 6. Qủa đệm 166 CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ KÉO 170 1. Bố trí thiết bị lai, kéo trên tàu 171 2. Thiết bị của hệ thống kéo 173 3. Tời kéo 182 CHƯƠNG 5: THIẾT BỊ CẨU HÀNG 185 1. Bố trí thiết bị cẩu hàng trên tàu chở hàng 186 2. Hệ thống cần cẩu nhẹ 187 3. Hệ thống cẩu nặng 188 4. Bố trí cần cẩu trên tàu 193 5. Tính toán, thiết kế cần cẩu, cột cẩu và các chi tiết hệ thống cẩu 196 6. Tời nâng hạ 226 7. Nắp hầm hàng 227 CHƯƠNG 6: THIẾT BỊ CỨU SINH 230 1. Phương tiện cứu sinh 230 2. Cẩu xuồng 241 3. Tời nâng hạ hệ thống cứu sinh 264 TÀI LIỆI THAM KHẢOGiới thiệu Cuốn sách THIẾT BỊ TÀU soạn theo đề cương môn học “Thiết bị tàu” được Hội đồng Khoa học Khoa Đóng tàu và Công trình nổi thông qua năm 2002. Nội dung trình bày trong sách bao gồm các vấn đề: Hệ thống lái , bánh lái, máy lái, thiết bị neo, các neo tàu, máy kéo neo, hệ thống buộc, chằng tàu, thiết bị kéo tàu, thiết bị nâng hạ dùng trên tàu, từ cần cẩu nhẹ đến cần cẩu nặng, các tời nâng hạ và thiết bị cứu sinh phù hợp các Công ước quốc tế về an toàn hàng hải. Tham gia chuẩn bị giáo trình gồm các thầy: Vũ Ngọc Bích, Huỳnh Văn Chính, và Nguyễn Huy Minh. Sách được chuẩn bị trong thời gian dài song chưa tránh được các sai sót, trong đó có sai cách dùng thuật ngữ hoặc tiếng nước ngoài. Tuy nhiên để kịp phục vụ bạn đọc Khoa Đóng tàu và Công trình nổi xin phép đưa sách thành tài liệu học tập. Các ý kiến đóng góp để sách đúng và thực tế hơn đề nghị bạn đọc gửi về Khoa Đóng tàu và Công trình nổi, Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh. Mở đầu Thiết bị tàu, hay còn gọi sát nghĩa hơn thiết bị trên boong (deck equipment) đảm bảo cho tàu khai thác, vậïn hành an toàn và hiệu quả. Những thiết bị nhất thiết phải có mặt trên tàu, không phân biệt kiểu tàu, chức năng : lái, neo, chằng buộc, cứu sinh, kéo, nâng hạ. Ngoài thiết bị chung những tàu chuyên dụng phải được trang bị thêm thiết bị theo công năng tàu. Tàu kéo, đẩy cần thiết đủ phương tiện kéo hoặc đẩy công trình nổi, phương tiện nổi trên nước. Tàu chở container trang bị đủ phương tiện bốc dỡ container nếu tàu phải phục vụ những vùng thiếu cẩu chuyên bốc xếp hàng thùng trên bờ, phải có đủ phương tiện giữ thùng, buộc thùng. Tàu chở sà lan trang bị hệ thống nâng hạ đủ sức nâng để đưa những sà lan nặng hàng trăm tấn vào và ra tàu. Thiết bị tàu RO-RO đảm bảo vận chuyển hàng theo phương thức “lăn vào”, “lăn ra” mà không cần nâng – hạ. Những thiết bị chung đề cập trong giáo trình khoanh vùng trên hình A. Hình A. Bố trí thiết bị chung trên tàu vận tải 1 – thiết bị lái (steering ), 2 - thiết bị kéo (towing) , 3 – thiết bị chằng, buộc tàu (mooring), 4 – thiết bị nâng – hạ hàng (cargo handling), 5 – thiết bị cứu sinh (lifesaving equipment, survival crafts), 6 – thiết bị neo (anchor handling), 7 – chân vịt lái (thrusters). Các hệ thống này trình bày chi tiết hơn trong các chương giáo trình. THIẾT BỊ LÁI 5 CHƯƠNG I THIẾT BỊ LÁI Thiết bị lái đảm bảo cho tàu có tính ăn lái, hiểu theo nghĩa tàu có khả năng quay vòng và tính ổn định hướng đi. Tàu phải đủ năng lực giữ được hướng đi người điều khiển đã định trong suốt hành trình, mặt khác có khả năng quay trở tàu sang trái, phải theo yêu cầu cũng của người điều khiển. Những thiết bị đảm bảo tính ăn lái làm việc cùng trên một nguyên tắc: tạo lực ngang tác động lên tàu bắt tàu quay theo ý người điều khiển. Các thiết bị thông dụng đang dùng trên tàu gồm: 1) bánh lái tàu (rudder), 2) ống đạo lưu quay (ducted propeller), 3) thiết bị chỉnh dòng của máy phụt nước (waterjet) và 4) chân vịt lái (thruster). Bánh lái tàu có dạng tấm phẳng hoặc tấm dạng cánh với mặt cắt ngang profile cánh máy bay, đặt sau tàu, trong vùng chịu tác động dòng chảy sau chân vịt tàu. Dưới tác động dòng chảy đang đề cập, trên bánh lái bị bẻ sang trái hoặc phải xuất hiện lực thủy động Rr, vuông góc với mặt bánh lái. Từ lực này có thể phân thành hai thành phần, Yr vuông góc mặt cắt dọc tàu, tác động ngang tàu, Xr dọc tàu. Nếu làm bài tập cơ học đơn giản với các thành phần lực có mặt tại hình 1.1 có thể thấy, tại trọng tâm G của tàu đặt hai thành phần lực tác động ngang tàu, ngược chiều nhau, giá trị tuyệt đối bằng Yr, ký hiệu Yr’ và Yr’’, mômen ngẫu lực tính bằng tích Yr. LCG sẽ quay tàu quanh trục đứng qua trọng tâm. Thành phần Yr’ xô tàu sang ngang còn Xr bổ sung vào sức cản tàu, làm tàu chạy chậm lại. Trong công thức nêu trên, LCG là khoảng cách từ vị trí đặt lực Yr đến trọng tâm G, tính trên trục dọc tàu. Hình 1.1 Quay vòng tàu Dưới tác động momen ngẫu lực đang nêu, khi bánh lái còn bị bẻ sang góc như đang đề cập tàu sẽ quay vòng. Quá trình quay vòng này đạ được xem xét trong “Động lực học tàu”. Vòng tròn tàu quay trong chế độ quay vòng ổn định có thể làm thước đo tính quay trở của tàu, tùy thuộc vào thiết kế hệ thống lái. Tỷ lệ đường kính quay vòng ổn định với chiều dài tàu thay đổi từ 1 đến 7 trên các tàu đang khai thác. Tỷ lệ này mang giá trị nhỏ dùng cho các tàu đòi tính quay trở cao như tàu kéo, tàu sông. Tàu vận tải đi biển có tỷ lệ này khá lớn. 1. Giới thiệu các kiểu bánh lái. Bán lái tàu rất đa dạng. Dựa vào các tiêu chuẩn khác nhau người ta phân loại bánh lái như sau: 6 Chương 1 ! Bánh lái cân bằng (balanced rudder) ! Bánh lái không cân bằng (unbalanced rudder) ! Bánh lái nửa cân bằng (semibalanced rudder) Trục quay lbánh lái cân bằng qua điểm gần với điểm đặt lực thủy động, còn trên bánh lái không cân bằng trục nằm xa điểm đặt lực. Tùythuộc bố trí trục quay có thể phân biệt bánh lái quay trên cối hoặc bánh lái treo nếu không quay trên cối. Hình 1.2 Các kiểu bánh lái tàu Đặc trưng hình học tbánh lái trình bày tại hình 1.3. ! Diện tích bánh lái, ký hiệu Af hoặc A, là diệ tích hình chiếu bánh lái về mặt cắt dọc giữa tàu. ! Chiều cao bánh lái h – khoảng cách từ mép dưới bánh lái đến mép trên. ! Diện tích phần trước, tính từ trục quay bánh lái, Ab, còn gọi là diện tích cân bằng của bánh lái. ! Chiều rộng bánh lái b – khoảng cách tính từ mép trước đến mép sau bánh lái hình chữ nhật. Trường hợp chung b tính theo công thức A/h. ! Chiều dài tương đối bánh lái tính từ biểu thức: " # A h hA h 2 / $$% THIẾT BỊ LÁI 7 ! Tỷ lệ A A k b$ gọi bằng tên “bù trừ” Hình 1.3 Đặc trưng hình học bánh lái Hình 4. Bánh lái chủ động Ngoài các kiểu bánh lái nêu tại hình 2, kích thước trình bày tại hình 3, người ta còn sử dụng bánh lái chủ động, hống.4. Đặc điểm nổi bật của bánh lái ch3 động là ngay trên bánh lái 1 gắn một chân vịt tàu cỡ nhỏ 2, do động cơ thủy lực, công suất không lớn 3 lai. Đường ống thủy lực 5 luồn trong cần quay bánh lái 4, nối với thiết bị thủy lực của tàu. Chân vịt nhỏ 2 tạo lực đẩy bổ sung, trong trường hợp bánh lái nằm thẳng chính giữa tàu lực bổ sung đẩy tàu về trước, khi bánh lái đang bị bẻ sang bên, lực đẩy này xô đuôi tàu sang cạnh và như vậy tàu phải thực hiện động tác quay trở mà 8 Chương 1 không phụ thuộc vào vận tốc tiến của tàu. Profile cánh dùng làm bánh lái Profile đang dùng thuộc nhóm đối xứng, tọa độ yu trên trục ngang và yd dưới trục ngang như nhau, hình 1.5. Chiều dày profile được hiểu là đại lượng t = |yu| + |yd|. Trong sử dụng chúng ta thường tiếp xúc với tỷ lệ giữa chiều dày lớn nhất tmax và chiều rộng b profile, gọi là chiều dày tương đối. b t t max$ (1.1) Những profile dùng làm bánh lái tàu thuộc nhóm profile qua thử nghiệm tại các phòng thí nghiệm thủy khí có uy tín NACA, ! " #, JfS, G ttingen vv Tên gọi cùng các con số đi liền profile thường mang ý nghĩa trình bày đặc tính hình học chính profile đó. Profile đối xứng của NACA, chiều dày tương đối 12% viết dưới dạng NACA0012, trong đó 00 miêu tả đường tâm thẳng, 12 chỉ rõ t = 12%. Profile đang được dùng rộng rãi giới thiệu tại hình 1.5. Toạ độ profile y , %, các profile NCA, ! " # và $%& đọc theo bảng sau, trong đó x, %, tính từ mép trước, y, %, tính từ đường tâm (trục Ox). Nửa chiều dày profile tính theo công thức sau: bt y y &&'$ % 100 (1.2) Bảng 1.1 x, % 0 0,5 0,75 1,0 1,25 1,75 2,5 3,25 5,0 7,5 10,0 NACA 0 6,2 10,3 14,1 15,8 18,6 21,8 24,5 29,6 35,0 39,0 ! " # 0 10,3 14,5 20,5 22,7 26,7 31,0 34,8 41,0 46,2 48,3 $%& 0 6,8 10,8 14,8 16,6 19,2 22,6 27,0 31,1 36,9 41,0 Bảng 1.1 tiếp x, % 15,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 95,0 100 NACA 44,6 47,8 50,0 48,8 44,0 38,0 30,5 21,9 12,1 6,7 1,1 ! " # 49,8 49,8 46,1 38,7 29,4 21,8 15,1 9,2 4,5 2,5 1,0 $%& 46,0 49,0 49,5 47,0 40,9 33,4 24,0 15,0 7,5 3,0 0 THIẾT BỊ LÁI 9 Hình 1.5. Profile dùng làm bánh lái Tài liệu [8] trình bày đủ toạ độ các profile IfS, trang 22 và 23, dùng trong khi thiết kế bánh lái cân bằng. Bạn đọc tìm thấy các bảng số tương tự trong bản dịch tiếng Việt, sách [5], trang 28, 29, 30 tập I. Đặc tính thủy động lực bánh lái Các đặc tính thủy động lực thu được từ các phòng thí nghiệm thủy khí khi thử các profile được trình bày dưới dạng các hệ số không thứ nguyên quen thuộc. Từ hai thành phần xuất hiện trên cánh đặt xiên góc ( với dòng chảy vận tốc v, gồm 1) lực nâng (Lift - L) và 2) lực cản (Drag – D) có thể tập họp thành lực toàn phần Z. Từ Z có thể phân thành hai thành phần gồm thành phần pháp tuyến bánh lái N và tiếp tuyến T. Mối quan hệ giữa các thành phần như chúng ta đã làm quen khi tìm hiểu lý thuyết chân vịt, hình 1.6. ) ) ) * ) ) ) + , -$ .$ .$ -$ -$-$ (( (( (( (( cossin sincos sincos sincos 2222 TND TNL LDT DLN TNDLZ (1.3) Hình 1.7 Đặc tính profile NACA0012 Hình 1.6 Lực tác động lên bánh lái Lực Z tạo momen quay tại điểm cách mép trước bánh lái khoảng cách a: M = N( x – a). Hệ số không thứ nguyên các lực nêu trên được viết dưới dạng. Hệ số lực nâng: r L A L C 2 v 2/ $ (1.4) Hệ số lực cản: r D A D C 2 v 2/ $ (1.5) 10 Chương 1 Hệ số momen quay: bA M C r m 2 v2/ $ (1.6) Các hệ số thủy động lực các profile cánh dài vô tận có dạng đặc trưng như trình bày tại hình 1.7. Dưới đây giới thiệu tài liệu trích từ công bố công khai của NACA, trình bày đặc tính thủy động lực bánh lái với profile 0012, chiều dày tương đối 12%, tỷ lệ % = 0,8, thử cho trường hợp tiến và lùi. Hình 1.8. Đặc tính thủy động lực bánh lái hình chữ nhật, profile NACA-0012. Hình 1.9 tiếp tục giới thiệu đường đặc tính thủy động lực bánh lái hình chữ nhật, làm từ profile thoát nước NACA-0012, tỷ lệ % thay đổi. Thí nghiệm tiến hành cho trường hợp tiến, hình bên trái và chạy lùi, hình bên phải. THIẾT BỊ LÁI 11 Hình 1.9 Đặc tính thủy động lực bánh lái hình chữ nhật, profile NACA-0012 Với cánh có sải ngắn, bánh lái tàu thuộc nhóm đó đặc tính thủy động lực thay đổi khá rõ nét, tùy thuộc chiều dài sải cánh. Hình 1.10 trình bày sự đổi thay hệ số lực nâng profile NACA0015, với (aspect ratio) thay đổi từ 0,2 đến 5. Hình 1.11 trình bày các hệ số CL, CN, Cm cho các dạng profile khác nhau song có cùng tỷ lệ = 1. 12 Chương 1 Đặc tính thủy động lực bánh lái làm từ tấm phẳng, chiều dày tương đối tấm khác nhau, theo công bố của tác giả người Đức H. Thieme, năm 1961 và 1962 như sau, bảng 1.2 Hình 1.11 Hệ số lực nâng, lực cản và momen trong quan hệ với góc tấn Hình 1.10 Quan hệ giữa lực nâng và góc tấn THIẾT BỊ LÁI 13 Kết quả thí nghiệm cho phép xác lập quan hệ giữa hệ số momen Cm và hệ số CN, tùy thuộc dạng profile và chiều dày tấm, trường hợp = 1 như tại hình 1.12. Hình 1.12. 14 Chương 1 Đặc tính thủy động lực bánh lái làm việc riêng lẻ tổng kết từ thí nghiệm mô hình được thể hiện dạng công thức gần đúng sau. Kết quả thử giới thiệu tại hình 8 cho phép viết biểu thức xác định hệ số CL,theo [5]: ! ! ! 0" " d dC C LL , trong phạm vi góc tấn đến 10 - 15# (1.6) Nếu ký hiệu $ $"" " a d dCL !! ;0 , công thức tương tự (6) do Prandtl đề nghị có dạng: ! % & " $ 2 1 a CL (1.7) Hệ số CN và Cm tính theo công thức gần đúng: '' ( ) ** + , &" 2 1 3! LN CC với 0,8 < < 2,5 (1.8) Hệ số momen quay bánh lái tính tại vị trí cách mép trước khoảng cách a được biết là: b a CCC Nmma -" 0 (1.9) Hệ số Cm0 – tính tại mép trước, khi a = 0; chiều rộng bánh lái b, tính từ mép trước đến mép sau. Nmm CCC 25,0025,0 -" (1.10) Công thức xác định hệ số lực nâng, lực cản và momen quay tính đến trường hợp phi tuyến, thể hiện tại tài liệu “Principles of Naval Architecture”, SNAME, 1976 và 1980 có dạng: 2 0 ! ! ! ! DL L CC C &' ( ) * + , . . " " (1.11) D L C L m m C C C C C L ! ! ! 2 25,0 3,57 1 2 00 25,0 -' ( ) * + , . . / / / 0 1 2 2 2 3 4 '' ( ) ** + , . . -" "" (1.12) trong đó ! tính bằng radian. ; 4 cos cos8,1 8,1 4 2 0 & 5 5& "' ( ) * + , . . " 6 ! ! LC (1.13) 7 8 / / 0 1 2 2 3 4 & && -"'' ( ) ** + , . . " 2 14555,0 15,0 2 0 ! ! LC L m C C (1.14) THIẾT BỊ LÁI 15 trong đó 5 - góc giữa trụ đứng và ¼ chiều rộng mép dưới, hình 1.13; CD - hệ số cản, hình 1.14. Hình 1.13 Hình 1.14 Mặt khác theo các tác giả Whicker và Fehlner (1958), Johnes (1952) hệ số CD có dạng: e C CC LdD 6! 2 0 &" (1.15) trong đó: Cd0 – hệ số cản bé nhất, = 0,0065 cho NACA 0015, e - hệ số “Oswald” = 0,90 Ảnh hưởng sống đuôi đến đặc tính thủy động lực bánh lái đặt sau Từ các hình 3b, 3c, 3d có thể nhận xét rằng bánh lái treo cân bằng hoặc không cân bằng luôn đặt sau chi tiết thuộc thân tàu gọi là sống đuôi, đóng vai trò phần kéo dài bánh lái về trước. Ảnh hưởng phần cố định này đến các đặc tính thủy động lực bánh lái thể hiện khá rõ ràng. Vẽ lại cấu hình bánh lái từ hình 3 đang nhắc thành hai dạng đặc trưng sau đây khi xem xét lực thủy động tác động lên phần bánh lái quay, hình 1.15a và 1.15b. Hình 1.15 16 Chương 1 Hình 1.16. Trên đồ thị đường cong nằm thấp hơn trình bày lực nâng lúc bánh lái khi góc bẻ lái 30 - 40# do hai thành phần bánh lái, phần cố định không quay chiếm 25% diện tích và phần quay thực tế chiếm 75% diện tích thực hiện. Nếu so với lực nâng do bánh lái có 100% diện tích đang nêu quay, nói cách khác phần cố định được chuyển hóa thành thành phần chính thức của bánh lái đanh thiết kế để bị quay khi bẻ lái, lực nâng bánh lái kể đầu chỉ chiếm 90%. Trên đồ thị đang nêu còn trình bày kết quả tính kiểm tra của các tác giả người Mỹ thực hiện 1959, ghi lại tại các vòng tròn nhỏ, chứng minh đầy đủ, sống lái ảnh hưởng đến đặc tính thủy động bánh lái sau nó. Từ dữ liệu do Bottomley cung cấp có thể viết biểu thức tính hàm kR trình bày quan hệ giữa lực nâng cụm bánh lái có phần cố định CLRR và CLR tính cho bánh lái không có sống đuôi, dạng sau: kR = 1,872a - 0,591a2 - 0,281a3 (1.16) trong đó R RR A A a " ; ARR – diện tích bánh lái sau sống lái cố định và AR – diện tích bánh lái không có sống lái. Công thức gần đúng tính hệ lực nâng bánh lái sau sống đuôi: RR RP LRP RR R LRRLR A A C A A CC -" (1.17) trong đó CLRP tính theo công thức kinh nghiệm, dùng khi tính lực nâng sống đuôi: CLRP = (1,69 - 0,89b)CLRR với b = bm/ btb; bm – chiều rộng trung bình bánh lái, btb - chiều rộng trung bình, tính cả sống đuôi. Để ý đến ảnh hưởng này công thức tính lực nâng trên bánh lái sau sống đuôi có dạng: RRLRRRLRRRR ACkA v CL 2 v 2 22 99 "" (1.18) THIẾT BỊ LÁI 17 Ảnh hư án bánh lái thay đổi theo hoạt động thiết bị đẩy và gây ra của hệ thống. Ảnh hư ái sau tàu bị đổi thay trong quá trình thân tàu chuyển hay đổi hệ số bánh lái tàu do thay đổi góc lái, hình chiếu bánh lái trong vùng đặc biệt na ện bánh lái bị bẻ sang góc nghiêng và góc dạt xác định. Góc tấn được tí (1.19) trong đ số hiệu chỉnh. Mặt khác góc :R tính theo biểu thức: ởng hoạt động chân vịt, thân tàu đến lực thủy động bánh lái Bánh lái đặt ngay sau tàu chịu ảnh hưởng trực tiếp của thân tàu và thiết bị đẩy tàu, phần lớn trong số đó là chân vịt tàu, đặt tại khu vực này. Thân tàu như vật thể kích thước lớn “chạy” trước bánh lái, gây thay đổi hoặc xáo trộn đường dòng đến thiết bị này, và hậu quả là hệ thống lực thủy động tác động lên bánh lái cũng bị đổi thay theo. Thiết bị đẩy tàu đặt ngay trước bánh lái làm cho đường dòng đe thay đổi lực thủy động ởng thân tàu Các lực thủy động tác động lên bánh l động do những nguyên nhân trực tiếp: - Thay đổi vận tốc tiến của tàu khi hoạt động - Ảnh hưởng thành phần vận tốc ngang dòng chảy vào bánh lái - T øy . Ảnh hưởng thân tàu, chủ yếu ảnh hưởng hình dáng phần chìm của tàu, bố trí bánh lái và thao tác tàu, những yếu tố trực tiếp gây ra thay đổi dòng chảy quanh tàu và sau tàu. Trong tính toán tính ăn lái và tính giữ hướng chúng ta đã làm quen cách xác định góc tấn dòng chảy so với bánh lái trong điều ki nh bằng công thức: !R = ; < =R:R ó ; - góc bẻ lái, :R - góc dạt, =R – hệ :> :> : >? : >? :: sin1 cos sin v trong đó : - góc dạt tính ta 1 cos v @& @ & & &" arctgarctgR (1.20) ïi trọng tâm tàu, L "> , l - khoảng cách từ trục lái đến