NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HYSUCAT
1. GIỚI THIỆU
Catamaran có hỗ trợ cánh ngầm (Hydrofoil Supported Catamaran – Hysucat) là một sản phẩm kết hợp giữa catamaran và một hệ thống cánh ngầm, catamaran cung cấp độ ổn định cao và diện tích mặt boong rộng, cánh ngầm làm giảm sức cản và yêu cầu công suất đẩy thấp.
Hệ thống cánh ngầm cố định với bộ thăng bằng dọc tự động cho các catamaran cao tốc đã được xây dựng ở trường đại học Stellenbosh, Nam Phi, từ năm 1980, khi ứng dụng cho các thử nghiệm mô hình ban đầu cho thấy sức cản có thể giảm đến 40%.
Các tàu cánh ngầm đầu tiên được thiết kế bằng cách sử dụng lý thuyết cánh máy bay, dữ liệu thân tàu lướt và thử nghiệm mô hình hệ thống. Cánh và thân được thử nghiệm riêng rẽ và sau đó thử nghiệm dưới dạng kết hợp; Việc thử nghiệm một số loạt mô hình hệ thống được thực hiện để xây dựng dữ liệu cơ sở.
Theo cách đó, đã thiết kế mẫu Hysucat và đã chế tạo khoảng 100 tàu với kích cỡ từ 5,6m đến 36m. Nhiều catamaran đang hoạt động đã được trang bị thêm hệ thống cánh ngầm, tất cả các tàu cải tiến này cho thấy sự giảm mạnh công suất yêu cầu, cũng như có tính đi biển tuyệt vời trong thời tiết xấu. Để tối ưu hơn nữa, cần xây dựng hệ thống thiết kế hoàn chỉnh, cho phép xác định ảnh hưởng của từng thông số liên quan đến sức cản Hysucat, nhằm giúp người thiết kế chọn lựa sự kết hợp tốt nhất các biến của cánh và thân tàu.
Các dữ liệu phản hồi từ thực tế cho thấy Hysucat là một trong những nguyên lý tàu cao tốc hiệu quả và ít phức tạp nhất
2. NGUYÊN LÝ CỦA HYSUCAT
2.1 Định dạng thân tàu
Nguyên lý bố trí hệ thống cánh nâng đối với catamaran đáy phẳng có đặc tính mặt cắt ngang dạng chữ V sâu như thể hiện trên hình 1 và hình 2. Cánh chính được lắp hơi dịch về phía trước trọng tâm tàu và mở rộng qua khoảng trống giữa các nửa thân không đối xứng, gần ky tàu.
Cánh phụ (stern foils) được bố trí gần mặt sau tàu cách ky tàu một khoảng cách xác định để có vị trí gần mặt nước khi tàu hoạt động ở tốc độ vận hành. Hệ thống cánh có thể tự điều chỉnh độ thăng bằng ở tốc độ tương ứng và duy trì góc nghiêng dọc ưa thích của các mặt phẳng. Chi tiết hơn về điều này được trình bày bởi Hoppe (1982).
Những hệ thống cánh ngầm khác cũng được phát triển và được gọi là sự bố trí cánh kiểu Canard, có ưu điểm hơn Hysucat ở chế độ số Froude thấp. Theo cách bố trí này, cánh nhỏ hơn bố trí ở phía trước LCG và cánh chính bố trí phía sau nó.
2.2 Nguyên lý cơ bản
Các Hysucat được thiết để mang tải lớn nhất ở tốc độ định mức, nâng một phần các nửa thân tàu khỏi mặt nước. Các thân mang một phần tải để tạo nên đủ ổn định dọc, ngang và quay vòng. Ở tốc độ thấp, trọng lượng Hysucat chủ yếu do lực nổi mang trong khi ở tốc độ cao, các cánh mang hầu hết tải trọng tàu. Ở tốc độ cao lực nổi tác động lên thân tàu bé, các lực thủy động chiếm ưu thế.
Cường độ của các thành phần lực nâng thay đổi đáng kể theo tốc độ. Điều này có ảnh hưởng rất lớn đến tính ổn định động dọc của Hysucat, và được bù đắp bởi sự bố trí đặc thù các cánh theo chiều dài tàu. Khi hoạt động, các cánh sẽ tạo nên lực nâng L và lực cản R. Tỉ số lực cản/lực nâng là hiệu suất của cánh (e= R/L). Với các cánh được thiết kế tốt, tỉ số này rất thấp : e = 0,03 – 0,05 (vẫn cao hơn dạng tàu hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng bề mặt).
Thân tàu thông thường có tỉ số e cao hơn khoảng 5-10 lần so với các cánh ngầm. Do đó sự kết hợp thân tàu với cánh ngầm tạo nên Hysucat có tỉ số e nằm giữa thân tàu và cánh. Khi đó lực nâng tàu lớn hơn, thân tàu nhẹ hơn sẽ làm cho thành phần sức cản thấp hơn. Người thiết kế có xu hướng lắp đặt càng nhiều tải trên cánh càng tốt, tuy nhiên thân tàu cũng cần duy trì một trong lượng nhất định để thực hiện chức năng tàu.
Lực nâng cánh giảm dần lúc thiết bị nâng tiếp cận đến mặt nước từ phía dưới khi tốc độ tăng cao. Khi đó hiệu ứng bề mặt cánh xuất hiện sẽ ngăn cản thiết bị nâng rời khỏi mặt nước ở tốc độ quá giới hạn. Cánh sẽ làm việc ở một chiều chìm nhất định, ở đó các lực nâng cánh và lực nâng thân tàu kết hợp với nhau để cân bằng tổng trọng lượng D của tàu.
Sức cản cánh tăng ở khu vực gần bề mặt và đòi hỏi cánh có độ bền cao. Để hiệu quả, nên vận hành tàu ở tỷ số hw/lc = 0,2 (hw là chiều chìm mặt trên cánh; lc là chiều dài dây cung cánh). Hysucat với cánh quá lớn sẽ có sức cản lớn.
Việc tính toán thiết kế thiết bị nâng theo lý thuyết đã được phát triển trong ngành hàng không và trong thiết kế tàu cánh ngầm (xem EV. Lewis, 1988). Hiệu ứng giảm lực nâng gần khu vực bề mặt vận hành phải bao gồm cả giới hạn xuất hiện bọt khí ở tốc độ cao.
Sự lưu thông quanh cánh tạo nên các áp lực, các lực này kết hợp với trường áp suất của các mặt phẳng theo hiệu ứng dương, dẫn đến cánh và thân tàu làm việc hiệu quả hơn. Tỉ số mặt hiệu dụng của cánh, Areff, tăng do hiệu ứng của tương tác này. Nó lớn hơn nhiều tỉ số mặt hình học AR = Bf/lc, với Bf là sải cánh.
Hiệu suất cánh tăng theo tỉ số mặt. Thân tàu lướt cũng kinh qua sự cải thiện tương tự. Sự hình thành lực nâng cánh được phụ thêm bởi lưu lượng dòng theo (vận tốc theo). Với cánh có sự phân bố lưu số dạng elip, trong trường hợp hiệu suất cao nhất, khối lượng dòng theo bằng tích của tốc độ V và diện tích mặt cắt ngang của đường tròn có đường kính bằng bước cánh. Khối lượng dòng theo càng lớn thì hiệu suất cánh càng lớn. Hình 4 giải thích cách thức tăng khối lượng dòng theo trong bố trí của Hysucat. Khi kết hợp với thân tàu cánh sẽ thực hiện chức năng của mình hiệu quả hơn so với cánh hoạt động tự do. Bằng cách sử dụng khối lượng dòng theo, có thể xác định được tỉ số mặt hiệu dụng của cánh.
Hình 4b cũng cho thấy khi cánh ở gần bề mặt, lực nâng tạo ra sẽ giảm do khối lượng dòng chảy giảm (phần diện tích gạch chéo). Sự tương tác của dòng chảy giữa thân tàu và cánh là nhân tố đóng góp chủ yếu đến hiệu suất cao của Hysucat.
Vận tốc theo của cánh chính sẽ tác động đến cánh phụ ở phía lái. Các cánh này vận hành dưới một góc nghiêng so với dòng vào, hậu quả là tăng sức cản. Do đó, các cánh phụ ít hiệu quả hơn, và được định kích thước càng nhỏ càng tốt, chỉ cần hoàn thành nhiệm vụ cân bằng dọc là được. Diện tích cánh lái bằng khoảng 25% diện tích cánh chính.
Với các Hysucat thấp tốc, thường sử dụng bánh lái nghiêng trải rộng qua hai thân. Với các Hysucat cao tốc, cánh nâng sẽ nhỏ hơn, và cánh nghiêng mở rộng qua hết khoảng trống giữa hai thân sẽ không đủ cứng, do đó cần phải lắp thêm thanh giằng giữa. Với các tàu cao tốc cỡ nhỏ, tốt hơn nên dùng một cặp cánh có gia cường thanh giằng;
Các cánh trong bố trí của Hysucat sẽ tạo nên hiệu ứng giảm xóc khi hoạt động trong sóng như được trình bày bởi Hoppe (1991, 1991a, 1992). Điều này tạo nên tính đi biển và tính thân thiện đáng kinh ngạc của các Hysucat trong thời tiết xấu.
Các cánh nâng được thiết kế với một góc quét nhỏ nhằm tạo ra sự cắt sóng êm khi tàu hoạt động;
HYSUCAT “NORDBLIZT” (L = 22m)
Trên đây chỉ trình bày sơ lược về nguyên lý hoạt động của Hysucat, chi tiết sâu hơn về vấn đề này cũng như một số kết quả thực nghiệm sẽ được lần lượt giới thiệu trong những chuyên khảo tiếp theo.
————
UNINSHIP
