Tại sao một số cánh quạt tàu có 3 cánh quạt trong khi số khác có 5 cánh quạt

Tại sao một số cánh quạt tàu có 3 cánh quạt trong khi số khác có 5 cánh? Câu trả lời nằm ở chi tiết

Bạn đã bao giờ đứng ở bến tàu, nhìn những con tàu khởi hành và nhận thấy những "đôi cánh quay" khuấy động mặt nước bên dưới đuôi tàu chưa? Đây chính là “trái tim đẩy” của con tàu – chân vịt. Một con mắt tinh ý sẽ nhận thấy một sự khác biệt đáng kể: tàu chở hàng thường có bốn hoặc năm cánh, tàu chiến hải quân thường có năm đến bảy cánh, và tàu cao tốc nhỏ có thể chỉ có ba cánh.

Con số này có phải là ngẫu nhiên không? Hoàn toàn không. Đó là kết quả của thiết kế hải quân tỉ mỉ, trong đó sự hiện diện của mỗi cánh quạt là một quyết định được tính toán ảnh hưởng đến hiệu quả, hiệu suất và sự an toàn. Hãy giải mã các yếu tố đằng sau số lượng cánh quạt.

Nền tảng: Cánh quạt hoạt động như thế nào

Đầu tiên, hãy hiểu nguyên tắc cơ bản. Cánh quạt hoạt động giống như một chiếc quạt chìm. Khi động cơ chính quay, các cánh quạt đẩy nước về phía sau. Theo Định luật thứ ba của Newton, hành động này tạo ra một phản lực bằng nhau và ngược chiều—lực đẩy—đẩy con tàu về phía trước. Tuy nhiên, việc “đẩy nước” này rất phức tạp. Hình dạng, góc và số lượng cánh quạt có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả—quãng đường di chuyển trên một đơn vị nhiên liệu—và ảnh hưởng đến độ rung, tiếng ồn và độ ổn định. Số lượng lưỡi cắt là “giải pháp tối ưu” cân bằng các yếu tố này.

Yếu tố cốt lõi 1: Hiệu suất đẩy – Cân bằng tiết kiệm nhiên liệu

Hiệu quả là điều quan trọng nhất do chi phí vận hành đáng kể của nhiên liệu. Số lượng lưỡi dao ảnh hưởng đến hiệu suất thông qua "tải lưỡi" và "sự cản trở dòng chảy".

Tải lưỡi là khối lượng công việc lực đẩy trên mỗi lưỡi. Đối với tổng lực đẩy cố định, ít cánh hơn có nghĩa là tải trọng riêng lẻ cao hơn; nhiều lưỡi dao phân phối tải.

·

Thuyền cao tốc nhỏ: Ưu tiên khả năng tăng tốc bùng nổ và tốc độ cao. Với kích thước cánh quạt hạn chế, việc sử dụng 2-3 cánh quạt cho phép mỗi cánh có khả năng "kẹp" nước hoàn toàn, chuyển đổi công suất động cơ thành lực đẩy một cách hiệu quả. Nhiều lưỡi dao hơn sẽ gây nhiễu trong không gian hạn chế, làm giảm hiệu quả.

·

·

Tàu chở hàng lớn: Ưu tiên tính kinh tế, yêu cầu lực đẩy cao, bền bỉ ở tốc độ vừa phải (12-18 hải lý/giờ). Các cánh quạt lớn của chúng (thường có đường kính 5-6 mét) có thể sử dụng 3 cánh quạt, nhưng điều này đòi hỏi diện tích cánh quạt lớn, làm tăng khó khăn trong sản xuất và nguy cơ tạo bọt khí—khi áp suất thấp tạo thành các bong bóng xẹp xuống, làm xói mòn các cánh quạt và giảm hiệu suất. Do đó, 4-5 cánh là tiêu chuẩn, phân bổ tải trọng, giảm thiểu hiện tượng xâm thực và đảm bảo tiết kiệm nhiên liệu.

·

Điều quan trọng là số lượng lưỡi dao phù hợp với nhu cầu. Vượt quá giới hạn đó, chẳng hạn như lắp 5 cánh trong đó 4 cánh là đủ, sẽ làm tăng sự cản trở dòng chảy giữa các cánh, giảm hiệu suất và tăng mức tiêu thụ nhiên liệu.

Yếu tố cốt lõi 2: Hồ sơ hoạt động – “Mô tả công việc” của tàu

Mục đích của con tàu là một yếu tố quyết định quan trọng khác.

·

Tàu hải quân (Tàu khu trục, Frigate): Từ khóa: tốc độ cao, khả năng cơ động, độ ồn thấp. Cánh quạt nhiều cánh (5-7 cánh) là tối ưu. Nhiều lưỡi dao hơn tạo ra các rung động có tần số cao hơn, mượt mà hơn và tiếng ồn có cường độ cao hơn, giúp giảm nhanh hơn trong nước, tránh bị phát hiện bằng sóng siêu âm. Chúng cũng cho phép lực đẩy cao trong đường kính nhỏ gọn, phù hợp với thiết kế thân tàu chật hẹp. Ví dụ, tàu khu trục lớp Arleigh Burke của Mỹ sử dụng cánh quạt 5 cánh để đạt tốc độ cao và ít tiếng ồn.

·

·

Thuyền làm việc (Kéo, Tàu nạo vét): Cấu hình của chúng bao gồm tốc độ thấp, lực kéo cao và khởi động/dừng thường xuyên. Cánh quạt phải chịu được tải trọng va đập đáng kể. Thông thường sử dụng 4-5 lưỡi dao, chúng cân bằng khả năng chống va đập với khả năng tạo lực đẩy hiệu quả ở tốc độ thấp.

·

·

Tàu khách và tàu du lịch: Sự thoải mái là điều tối quan trọng. Độ rung và tiếng ồn phải ở mức tối thiểu. Cánh quạt nhiều cánh (4-5) giúp cân bằng lực tốt hơn trong quá trình quay, đảm bảo chuyển động êm ái, ưu tiên sự thoải mái hơn là tiết kiệm nhiên liệu ở mức cao nhất.

·

·

Thuyền và du thuyền đánh cá nhỏ: Chi phí thấp và bảo trì dễ dàng là yếu tố then chốt. Cánh quạt 2 hoặc 3 cánh đơn giản, rẻ tiền để chế tạo và sửa chữa là đủ.

·

Yếu tố cốt lõi 3: Độ rung và tiếng ồn – Những mệnh lệnh vô hình

Số lượng lưỡi dao ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ rung và tiếng ồn, rất quan trọng cho sự thoải mái và an toàn.

Khi chân vịt quay, các cánh quạt định kỳ đi qua “trường hoạt động” của thân tàu—một vùng nước chuyển động chậm hơn. Mỗi mục nhập gây ra một dao động lực đẩy, một "lực dao động".

·

Ít lưỡi hơn (ví dụ: 3) có nghĩa là khoảng thời gian giữa các xung dài hơn (cứ sau 120 độ), gây ra rung động tần số thấp đáng chú ý và căng thẳng về mặt cấu trúc.

·

·

Nhiều lưỡi dao hơn (ví dụ: 5) có nghĩa là khoảng thời gian ngắn hơn (cứ sau 72 độ), dẫn đến độ rung tần số cao hơn, biên độ thấp hơn để mang lại cảm giác lái mượt mà hơn.

·

Tiếng ồn tuân theo một nguyên tắc tương tự. Ít lưỡi hơn tạo ra tiếng ồn tần số thấp hơn, truyền đi xa hơn dưới nước. Nhiều cánh hơn tạo ra tiếng ồn tần số cao hơn và tiêu tan nhanh hơn—lý do chính cho thiết kế nhiều cánh trong các ứng dụng hải quân và tàu ngầm. Tuy nhiên, có sự cân bằng; Ngoài 7 lưỡi dao, khoảng cách chật hẹp có thể gây ra tiếng ồn hỗn loạn mới và làm trầm trọng thêm độ rung do những khiếm khuyết nhỏ trong sản xuất.

Yếu tố cốt lõi 4: Sản xuất & Bảo trì – Kiểm tra thực tế

Tính khả thi thực tế là rất quan trọng. Nhiều lưỡi dao hơn đòi hỏi độ chính xác sản xuất cao hơn và việc bảo trì phức tạp hơn.

Cánh quạt là cấu trúc cong phức tạp. Nhiều lưỡi dao hơn đòi hỏi sự nhất quán cao hơn về góc và hình dạng. Cánh quạt 5 cánh có thể yêu cầu sản xuất cao hơn 30% và đắt hơn 20-30% so với cánh quạt 3 cánh.

Việc bảo trì tốn nhiều công sức hơn. Việc kiểm tra cánh quạt 3 cánh rất đơn giản. Kiểm tra một cánh 7 cánh bao gồm việc kiểm tra từng cánh và khoảng trống giữa chúng, làm tăng đáng kể thời gian và chi phí. Đây là lý do tại sao các tàu nhạy cảm với chi phí lựa chọn thiết kế đơn giản hơn, trong khi lực lượng hải quân và các hãng tàu du lịch hướng tới hiệu suất chấp nhận chi phí cao hơn.

Kết luận: Một thỏa hiệp toàn diện

Tóm lại, số lượng cánh quạt không bao giờ là tùy ý. Đó là “giải pháp tối ưu” từ sự dung hòa toàn diện giữa:

·

Nhu cầu hiệu quả đẩy

·

·

Hồ sơ hoạt động

·

·

Yêu cầu về độ rung và tiếng ồn

·

·

Chi phí sản xuất và bảo trì

·

Hướng dẫn tham khảo nhanh:

·

2-3 Lưỡi: Tàu cao tốc nhỏ, tàu đánh cá, du thuyền. Ưu tiên tốc độ, chi phí thấp, bảo trì dễ dàng. Khả năng chịu rung/tiếng ồn thấp.

·

·

4-5 Blades: Tàu chở hàng lớn, tàu chở hàng rời. Ưu tiên kinh tế, lực đẩy cao. Cân bằng hiệu quả và cavitation. Có ý thức về chi phí.

·

·

4-5 Lưỡi: Tàu khách, thuyền làm việc. Ưu tiên sự thoải mái, ổn định. Cân bằng hiệu quả và độ rung.

·

·

5-7 Lưỡi dao: Tàu chiến hải quân, tàu ngầm. Ưu tiên tốc độ, độ ồn thấp, khả năng cơ động cao. Ưu tiên hiệu suất, chấp nhận chi phí cao hơn.

·

Mặc dù chỉ là một bộ phận nhưng cánh quạt thể hiện trí tuệ sâu sắc của kỹ thuật hàng hải—mọi chi tiết đều đáp ứng nhu cầu và mọi lựa chọn đều cân bằng hiệu suất với chi phí. Lần tới khi bạn nhìn thấy một con tàu, hãy quan sát chân vịt của nó; bạn có thể đoán được mục đích của nó từ số lượng lưỡi dao nó quay.