Propellerskruv

Propellern  är det vanligaste moderna fartygsframdrivningssystemet , liksom den strukturella basen för andra typer av propellrar.

Konstruktion

Alla moderna propeller är bladade och består av ett nav och blad monterade radiellt på navet , på samma avstånd från varandra, roterade i samma vinkel i förhållande till rotationsplanet och representerar vingar med medel eller liten förlängning.

Propellern är monterad på propelleraxeln , driven av fartygets motor. När propellern roterar, fångar varje blad en massa vatten och kastar tillbaka den, vilket ger den ett givet momentum , - reaktionskraften från detta kasserade vatten överför momentum till propellerbladen, bladen i sin tur till propelleraxeln genom navet, och propelleraxeln, vidare, - fartygets skrov genom huvudaxiallagret .

En tvåbladig propeller har högre verkningsgrad än en trebladig propeller, men med ett stort skivförhållande (se nedan) är det mycket svårt att säkerställa tillräcklig styrka hos bladen på en tvåbladig propeller. Därför är trebladiga propellrar vanligast på små fartyg (tvåbladiga propellrar används på racerbåtar , där propellern är lätt lastad, och på segelmotoryachter , där propellern är en hjälpdrivning [1] ). Fyr- och fembladiga propellrar används relativt sällan, främst på stora motoryachter och stora oceangående fartyg för att minska buller och vibrationer i skrovet.

Propellerns diameter - diametern på cirkeln som beskrivs av ändarna på bladen under propellerns rotation - hos moderna propellrar sträcker sig från tiotals centimeter till 5 meter (sådana stora propellrar är typiska för stora oceangående fartyg).

Spoilern  - en böjd utgående kant - på propellrarna hjälper till att öka propellerns förmåga att fånga vatten (detta är särskilt viktigt på båtar med högt monterad motor och stora vinklar för löpande trim ). Spoilern ger också extra lyft för båtens för när den är monterad på bladets stigningslinjer. Användningen av en spoiler på bladets utgående och yttre kanter ökar stigningen. Användningen av en standardspoiler resulterar vanligtvis i en minskning av hastigheten med 200-400 rpm (detta innebär att om du byter ut en konventionell skruv med en skruv med en spoiler, måste du minska stigningen med 2-5 cm). [2]

Det är fördelaktigt att välja propellerns rotationshastighet i intervallet 200-300 rpm eller lägre - på stora fartyg. Vid låg rotationshastighet är dessutom det mekaniska slitaget av belastade motordelar betydligt lägre, vilket är mycket betydande med tanke på deras stora dimensioner och höga kostnader.

Propellern fungerar bäst när dess rotationsaxel är horisontell. För en propeller installerad med en lutning, och därför strömlinjeformad med ett "snett" flöde, kommer effektiviteten alltid att vara lägre - denna effektivitetsminskning påverkar när propelleraxelns lutningsvinkel mot horisonten är större än 10 °.

Propellerns axel på glidflygplan är placerad relativt nära vattenytan, så det är inte ovanligt att luft sugs in i propellerbladen (ytluftning) eller att hela propellern exponeras när man färdas på en våg. I dessa fall sjunker skruvens dragkraft kraftigt, och motorvarvtalet kan överstiga det tillåtna max. För att minska påverkan av luftning görs propellerns stigning variabel längs radien - med början från bladsektionen vid r  = (0,63–0,7) R mot navet, minskar stigningen med 15–20 %.

För att överföra hög effekt används ofta två- och treaxlade installationer, och vissa stora fartyg (till exempel hangarfartyg , slagskepp ) är utrustade med fyra symmetriskt placerade propellrar.

Propellrarna hos marina isbrytare av arktisk klass har alltid ökad styrka, eftersom deras andra funktion är att krossa is när isbrytaren rör sig baklänges.

Variationer av skruvar

Propellrar varierar i:

Beroende på närvaron eller frånvaron av en mekanism för att styra propellerbladens attackvinkel, delas propellrarna in i propellrar med "justerbar stigning" respektive "fast stigning" . Propellrar med fast stigning används på amatörfartyg, små fartyg, såväl som marina fartyg som sällan ändrar sitt rörelsesätt under navigering, och på fartyg som kräver ökad propellerstyrka (särskilt på isbrytare ). Propellrar med justerbar stigning används på fartyg som ofta ändrar rörelsesätt: bogserbåtar, trålare och många flodbåtar.

Beroende på rotationsriktningen roterar propellrar åt höger och vänster. Sett från aktern kallas en medurs roterande propeller en "högerhänt propeller" och moturs roterande, respektive kallas en "vänsterhänt propeller". I det enklaste fallet används en enda högerhänt propeller, installerad längs fartygets horisontella symmetriaxel. På stora fartyg används två, tre eller till och med fyra propellrar med inbördes motsatt rotation för att förbättra manövrerbarheten och tillförlitligheten.

Ringformade vingpropellrar roterar i en öppen ihålig cylinder (sådana propellrar är också kända som impellrar ), som vid låga propellerhastigheter ger en dragkraftsökning på upp till 6 % [3] . Ett sådant munstycke används för ytterligare skydd mot inträngning av främmande föremål i arbetsområdet och för att öka skruvens effektivitet. Används ofta på fartyg som seglar på grunt vatten.

Superkaviterande propellrar med en speciell beläggning och en speciell form på bladen är designade för kontinuerlig drift under kavitationsförhållanden . Används på snabba båtar.

Skruvberäkning

På grund av propellerglidning i ett flytande medium kommer faktiska data att skilja sig från idealiskt beräknade värden. De försöker ta hänsyn till detta, till exempel genom att minska diametern med en viss faktor. Samtidigt ger de matematiska beroenden av skruvens diameter (D) och stigning (H) på kraften (N) och skruvens hastighet (n) i en vätska med en densitet (ρ) en uppfattning om befintliga beroenden. Om vi ​​försummar mediets fluiditet, kan skruven representeras som en ändlös kil som pressas mellan fartyget och mediet, ännu tydligare mellan piren och aktern. Propellern omvandlar krafter på samma sätt som ett lutande plan .

I ett varv flyttar en ideal skruv en vattenvolym med massan: π * ρ * D 2 * H / 4

Jethastighet i meter per sekund: v=H*n

Skruvens dragkraft eller dragkraft i newton : F=v*dm/dt=π*ρ*D 2 * H 2 *n 2/4

Strömförbrukning i watt : N \ u003d π * ρ * D 2 * H 3 * n 3 / 8

Skruvdiameter i meter: D= ((8*H)/(π*ρ*H 3 *n 3 ))

Skruvdelning i meter: H=1/n* ((8*N)/(π*ρ*D 2 ))

Varv per sekund: n=1/H* ((8*N)/(π*ρ**D 2 ))

Att göra propellrar

De största propellrarna når höjden av en trevåningsbyggnad, och deras tillverkning kräver unika färdigheter. Vid den tidpunkt då Storbritanniens skruvångare skapades tog det upp till 10 dagar att tillverka formar till en propeller.

Den traditionella tekniken möjliggör tillverkning av propellrar av solid metall (stål eller kopparlegering) genom gjutning i sandformar erhållna genom manuell eller delvis mekaniserad formning. I det här fallet är formen en uppsättning nedre och övre diabilder som bildar bladens ytor, och formningen utförs enligt en enbladsmodell [4] . Specifika tekniska metoder bestäms av propellerns storlek, design och vikt, samt dess serialisering. Till exempel, närvaron eller frånvaron av ett mitthål i gjutgodset (som kommer att borras ut för propelleraxeln i framtiden) i navet avgör närvaron eller frånvaron av en mittstav i formen. Om propellrarna tillverkas i en stor serie, används återanvändbara stålramar eller specialramar vid formning av sliderna som har en form nära propellerbladens form (vid en enda produktion, tillverkning av så dyr utrustning är opraktisk). För närvarande, i sällsynta fall, för tillverkning av propellergjutgods, används modern utrustning med numerisk kontroll , till exempel med hjälp av ett verktyg installerat på en robotarm, fräs en form omedelbart utan att göra en modellsats. Robotar används också vid fräsning av modeller från olika material, som skum eller MDF . Dessutom används metoder för tredimensionell utskrift av propellermodeller av plast.

Ett helt nytt område inom tillverkningen av propellrar har blivit tredimensionell tryckning av solida propellrar med metallpulver eller trådar. De första sådana experimentpropellrarna har redan tillverkats i Nederländerna [5] och Ryssland [6] . Denna riktning utvecklas främst på grund av det faktum att tillverkningen av högklassiga enkelpropellrar (som kräver fräsning av propellerytan) fortfarande är en mycket kostsam, tidskrävande och långvarig process, och deras tillverkning med hjälp av additiv teknik gör det möjligt att få några kostnadsbesparingar och påskynda tillverkningsprocessen. Men spridningen av denna metod hämmas av de extremt höga kostnaderna för själva 3D-utskriftsprocessen med metaller: det höga priset på själva utrustningen, metallpulver av den erforderliga kvaliteten och utrustning för deras produktion (till exempel finfördelare) och hittills det finns inga utsikter att ersätta gjutna propellrar med sådana som trycks i betydande mängder.

Skruven måste vara tillräckligt stark för att tåla tusentals ton tryck och inte korrodera i salt havsvatten . De vanligaste materialen för tillverkning av propellrar är mässing , brons , stål , även speciallegeringar , till exempel kunallegering - den har stålets  styrka, men motstår korrosion mycket bättre. Cunial kan vara i vatten i årtionden utan att rosta. För att ge legeringen maximal styrka tillsätts 5 % nickel, 5 % aluminium och 10 % andra metaller till 80 % koppar; omsmältning utförs vid en temperatur av 1183 °C. [7]

Sedan mitten av 1900-talet, för att spara pengar, lätta på vikten och förenkla tillverkningsprocessen av propellrar till båtar [4] har även plast använts som huvudmaterial . [åtta]

Fördelar och nackdelar

Den fungerar endast som förflyttare vid konstant eller ökande rotationshastighet, i andra fall - som en aktiv broms .

Propellerverkningsgraden är ~30–50% (teoretiskt sett är det maximalt uppnåbara 75%). En "ideal" skruv kan inte göras på grund av den ständiga förändringen i dess arbetsförhållanden - arbetsmiljöförhållanden.

Propellern tappar fortfarande till åran (verkningsgrad ~ 60-65%) vad gäller verkningsgrad. [9]

Jämfört med ett skovelhjul har propellern en högre verkningsgrad och propellern är mycket kompakt och lätt i förhållande till skeppets storlek. Men ett skadat skovelhjul kan enkelt repareras, propellrar går oftast inte att reparera och en skadad propeller ersätts med en ny. Dessutom är propellern den mest sårbara i jämförelse med alla andra fartygspropellrar och den farligaste för marin fauna och människor som har fallit överbord. Samtidigt ger skovelhjul mer dragkraft från stillastående (vilket är bekvämt för bogserbåtar och även tillät dem att ha ett mindre djupgående). Men när de är grova, exponeras de mycket snabbt (hjulet på ena sidan snurrar tomgång i luften, medan hjulet på den motsatta sidan är helt nedsänkt under vatten, vilket belastar den ledande dragmaskinen till det yttersta), vilket gör dem praktiskt taget olämpliga för sjödugliga fartyg (fram till 1840 -talet användes de i stort sett endast på grund av bristen på ett alternativ, liksom ångmaskinens hjälproll på de årens segel- och ångfartyg ).

Särskilt fördelarna med en skruvpropeller över en hjulförsedd är obestridliga för krigsfartyg  - problemet med artilleriets placering togs bort: batteriet kunde återigen uppta hela utrymmet på brädet. Ett mycket sårbart mål för fientlig eld försvann också - propellern står under vatten.

En separat klass är vattenjetpropellern . Huvudskillnaden här är att vattenstrålen har ett avsmalnande munstycke, vilket ökar hastigheten på strålen till hastigheter som en fri propeller inte kan skapa utan kavitation. Själva propellern i vattenstrålen fungerar under stationära förhållanden, nära idealiska, som inte påverkas av vattenflödet utifrån.

Historik

Vattenlyftande skruv , vars uppfinning tillskrivs Arkimedes, var också ganska lämplig för omvänt arbete - avstötning av själva skruven från vattenmassan. Idén om att använda en propeller som en propeller lades fram redan 1752 av Daniel Bernoulli och senare av James Watt . Propellern fick dock inte omedelbart allmänt erkännande. Även om själva principen för propellerns funktion aldrig var en hemlighet, var det inte förrän 1836 som den engelske uppfinnaren Francis Smith tog det avgörande steget och lämnade bara ett varv från den arkimedeiska skruvens långa spiral. Det finns en historia om att "moderniseringen" inträffade som ett resultat av en slumpmässig händelse: på Smiths ångbåt bröt en del av en träpropeller av när den träffade ett undervattensrev , vilket lämnade en enda sväng, varefter båten ökade märkbart i fart. Smith installerade en propeller på en liten ångbåt med en deplacement på 6 ton. Smiths framgångsrika experiment ledde till bildandet av ett företag, på bekostnad av vilket Archimedes skruvångare byggdes . Med en deplacement på endast 240 ton var Archimedes utrustad med två ångmaskiner igång med en kapacitet på 45 hk vardera. Med. var och en skruv med en diameter på drygt 2 meter (den ursprungliga Smith-skruven var en del av den spiralformade ytan av en rektangulär formation motsvarande ett heltalssteg ) .  

Samtidigt med Smith och oberoende av honom utvecklade den välkände uppfinnaren och skeppsbyggaren svensken John Ericsson användningen av en propeller som framdrivningsanordning . Samma 1836 föreslog han en annan form av propeller, som var ett skovelhjul med blad ställda i vinkel. Han byggde Stockton-skruvångaren (kraften för att köra ångmaskiner är 70 hk) och gjorde 1839 övergången till Amerika på den , där hans idé möttes av sådant intresse att redan 1842 lades den första amerikanska skruvfregatten Princeton ner . ”(deplacement 954 ton, maskineffekt 400 hk, vilket ger den en slaglängd på upp till 14 knop ) med en Erickson designpropeller. På försök utvecklade fartyget en tidigare oöverträffad hastighet på 14 knop. Och när han försökte "pit" honom med den hjulförsedda " Great Western ", drog skruvfregatten hans motståndare, trots mindre slagvolym och lägre motoreffekt. Princeton noterades också i skeppsbyggets historia genom att bära sin tids största kalibervapen - för första gången installerades 12-tumsvapen på skivspelare på den.

I mitten av 1800-talet påbörjades en massiv ombyggnad av segelbåtar till skruvfartyg. Till skillnad från hjulångare, vars ombyggnad krävde mycket omfattande och långvarigt arbete, visade sig moderniseringen av segelbåtar till skruvångare vara mycket enklare. Träskrovet skars ungefär på mitten och en träinsats gjordes med maskinrummet, vars effekt för stora fregatter var 400-800 hk. Med. Samtidigt förbättrades bara viktbelastningen - tunga pannor och maskiner var huvudsakligen placerade under vattenlinjen och det fanns inget behov av att ta emot ballast , vars mängd på segelbåtar ibland nådde hundratals ton. Skruven placerades i en speciell brunn i aktern och försågs med en lyftmekanism, eftersom den bara störde rörelsen under segling och skapade ytterligare motstånd. De gjorde samma sak med skorstenen - för att den inte skulle störa driften av seglen gjordes den teleskopisk (som ett kikare ). Det var praktiskt taget inga problem med vapen - de förblev på sin plats.

Griffiths, efter mycket experimentell forskning på propellrar, föreslog en skruv, med en progressiv stigning, med en relativt större diameter, med en koppling och blad med den största bredden i mitten; änden av bladet är böjd framåt med ungefär 1/25 d, så att generatrisen på dess arbetsyta inte är en rak linje, som en vanlig propeller, utan en kurva. Driften av en sådan skruv visade sig vara mycket smidig och nästan inte åtföljd av slag och skakningar av aktern.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ I det senare fallet är möjligheten att installera skruven i vertikalt läge i det hydrodynamiska spåret av akterstammen viktig för att minska dess motstånd vid segling.
  2. ↑ Propellerval Arkiverad 3 november 2014 på Wayback Machine // vlboat.ru .
  3. ↑ Framdrivning av fartyg och fartyg Arkiverad 20 september 2012 på Wayback Machine // korabley.net, 04/06/2010.
  4. ↑ 1 2 K.P. Lebedev och N.N. Sokolov. Teknik för tillverkning av propellrar/hål. redaktör A.E. Vol, redaktör G.A. Minyaeva, tekniker. redaktör A.M. Usova, korrekturläsare E.V. Linnik. - L . : SUDPROMGIZ, 1951. - S. 119-150. — 372 sid.
  5. ↑ Ett konsortium ledd av Damen gjorde den första propellern med hjälp av 3D-utskrift , Shipbuilding.info  (12 september 2017). Arkiverad från originalet den 14 december 2021. Hämtad 14 december 2021.
  6. ↑ Skeppsbyggare demonstrerar 3D-tryckt propeller , 3D idag  (19 september 2019). Arkiverad från originalet den 14 december 2021. Hämtad 14 december 2021.
  7. ↑ D/f Giant Propellers Arkiverad 2 april 2015 på Wayback Machine (" Hur görs det? ", Discovery Channel ).
  8. ↑ Material för att göra en propeller Arkivkopia daterad 3 november 2014 på Wayback Machine // vlboat.ru.
  9. ↑ RODDRIVNING EFFEKTIVITET . Arkiverad 5 september 2015 på Wayback Machine

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
  • Brockhaus och Efron
  • Militär Sytina
  • Litet Brockhaus och Efron
I bibliografiska kataloger