Propelskrue

Propellen er det mest almindelige moderne skibsfremdriftssystem , såvel som det strukturelle grundlag for andre typer propeller.

Konstruktion

Enhver moderne propel har blade og består af et nav og blade monteret radialt på navet , i samme afstand fra hinanden, roteret i samme vinkel i forhold til rotationsplanet og repræsenterer vinger med middel eller lille forlængelse.

Propellen er monteret på propelakslen , drevet af skibets motor. Når propellen roterer, fanger hver vinge en masse vand og kaster den tilbage, hvilket giver den et givet momentum , - reaktionskraften fra dette kasserede vand overfører momentum til propelbladene, bladene igen til propelakslen gennem navet, og propelakslen, yderligere, - fartøjets skrog gennem hovedakslen .

En tobladet propel har en højere effektivitet end en trebladet propel, men med et stort skiveforhold (se nedenfor) er det meget vanskeligt at sikre tilstrækkelig styrke af bladene på en tobladet propel. Derfor er trebladede propeller mest almindelige på små fartøjer (tobladede propeller bruges på kapsejladsbåde , hvor propellen er let lastet, og på sejlende motoryachts , hvor propellen er en hjælpefremdrift [1] ). Fire- og fembladede propeller bruges relativt sjældent, hovedsageligt på store motoryachter og store oceangående fartøjer for at reducere støj og vibrationer i skroget.

Propellens diameter - diameteren af cirklen beskrevet af enderne af bladene under propellens rotation - af moderne propeller varierer fra snesevis af centimeter til 5 meter (sådan store propeller er typiske for store oceangående fartøjer).

Spoileren - en buet udgående kant - på propellerne er med til at øge propellens evne til at fange vand (dette er især vigtigt på både med højt monteret motor og store vinkler af kørende trim ). Spoileren giver også ekstra løft til bådens stævn, når den er monteret på bladets stigningslinjer. Brugen af en spoiler på de udgående og ydre kanter af klingen øger stigningen. Brugen af en standard spoiler resulterer normalt i en reduktion i hastigheden på 200-400 rpm (dette betyder, at hvis du udskifter en konventionel skrue med en skrue med en spoiler, skal du reducere stigningen med 2-5 cm). [2]

Det er en fordel at vælge propellens rotationshastighed i området 200-300 rpm eller lavere - på store skibe. Derudover er det mekaniske slid på belastede motordele ved lav omdrejningshastighed væsentligt lavere, hvilket er meget væsentligt i betragtning af deres store dimensioner og høje omkostninger.

Propellen fungerer bedst, når dens rotationsakse er vandret. For en propel installeret med en hældning, og derfor strømlinet med en "skrå" strømning, vil effektiviteten altid være lavere - dette fald i virkningsgraden påvirker, når skråakslens hældningsvinkel til horisonten er større end 10°.

Propellens akse på svævefly er placeret relativt tæt på vandoverfladen, så det er ikke ualmindeligt, at der suges luft ind i propelbladene (overfladebeluftning) eller hele propellen bliver blottet, når man rejser på en bølge. I disse tilfælde falder skruens tryk kraftigt, og motorhastigheden kan overstige det tilladte maksimum. For at reducere påvirkningen af beluftning gøres propellens stigning variabel langs radius - startende fra vingesektionen ved r = (0,63–0,7) R mod navet, falder stigningen med 15–20 %.

For at overføre høj effekt bruges ofte to- og treakslede installationer, og nogle store skibe (for eksempel hangarskibe , slagskibe ) er udstyret med fire symmetrisk placerede propeller.

Propellerne på isbrydere af arktisk klasse har altid øget styrke, da deres anden funktion er at knuse is, når isbryderen bevæger sig baglæns.

Varianter af skruer

Propeller varierer i:

trin - afstanden, som skruen rejser i en omdrejning, eksklusive slip;
diameter - en cirkel beskrevet af enderne af knivene, der er fjernest fra midten;
skiveforhold - forholdet mellem det samlede areal af bladene og arealet af en cirkel med en radius svarende til propellens radius;
antallet af lapper - fra 2 til 7 (indimellem flere, men oftest 3-4 lapper);
strukturelt materiale - kulstof eller legeret (for eksempel rustfrit) stål, aluminiumlegeringer, plast, bronze, titanlegeringer;
navstrukturer (gummidæmper, udskiftelig bøsning, udskiftelige blade);
udstødningspassage - udstødning gennem navet eller under anti-kavitationspladen;
nav diameter;
antallet af slidser i bøsningen.

Afhængigt af tilstedeværelsen eller fraværet af en mekanisme til styring af angrebsvinklen af propelbladene, er propellerne opdelt i henholdsvis "justerbar pitch" propeller og "fast pitch" propeller. Propeller med fast pitch bruges på amatørfartøjer af mindre størrelse såvel som marinefartøjer, der sjældent ændrer deres bevægelsesmåde under navigation, og på fartøjer, der kræver øget propelstyrke (især på isbrydere ). Propeller med justerbar stigning bruges på fartøjer, der ofte ændrer deres bevægelsesmåde: slæbebåde, trawlere og mange flodbåde.

Afhængigt af omdrejningsretningen roterer propellerne til højre og venstre. Set fra agterstavnen kaldes en med uret roterende propel for en "højrehåndspropel", og roterende mod uret kaldes henholdsvis en "venstrehåndspropel". I det enkleste tilfælde bruges en enkelt højrehåndet propel, installeret langs fartøjets vandrette symmetriakse. På store skibe bruges to, tre eller endda fire propeller med indbyrdes modsat rotation for at forbedre manøvredygtigheden og pålideligheden.

Ringformede vingepropeller roterer i en åben hul cylinder (sådanne propeller er også kendt som skovlhjul ), som ved lave propelhastigheder giver en trykstigning på op til 6 % [3] . En sådan dyse bruges til yderligere beskyttelse mod indtrængen af fremmedlegemer i arbejdsområdet og for at øge skruens effektivitet. Bruges ofte på skibe, der sejler på lavt vand.

Superkaviterende propeller med en speciel belægning og en speciel form på bladene er designet til kontinuerlig drift under kavitationsforhold . Brugt på hurtige både.

Skrueberegning

På grund af propellerglidning i et flydende medium vil faktiske data afvige fra ideelt beregnede værdier. Det forsøger de at tage højde for, for eksempel ved at reducere diameteren med en vis faktor. Samtidig giver de matematiske afhængigheder af skruens diameter (D) og stigning (H) af kraften (N) og hastigheden (n) af skruen i en væske med en tæthed (ρ) en idé om de eksisterende afhængigheder. Hvis vi forsømmer mediets fluiditet, så kan skruen repræsenteres som en endeløs kile presset mellem skibet og mediet, endnu tydeligere mellem molen og agterstavnen. Propellen omdanner kræfter på samme måde som et skråplan .

I en omdrejning flytter en ideel skrue et volumen vand med en masse: π * ρ * D 2 * H / 4

Jethastighed i meter pr. sekund: v=H*n

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

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

Skruediameter i meter: D= ((8*H)/(π*ρ*H 3 *n 3 )) ${\sqrt {\quad))$

Skruestigning i meter: H=1/n* ((8*N)/(π*ρ*D 2 )) ${\sqrt[ {3\,}]{\quad ))$

Omdrejninger pr. sekund: n=1/H* ((8*N)/(π*ρ**D 2 )) ${\sqrt[ {3\,}]{\quad ))$

Fremstilling af propeller

De største propeller når højden af en tre-etagers bygning, og deres fremstilling kræver unikke færdigheder. På det tidspunkt, hvor Storbritanniens skruedamper blev skabt , tog det op til 10 dage at lave forme til en propel.

Den traditionelle teknologi giver mulighed for fremstilling af solide metal (stål eller kobberlegering) propeller ved støbning i sandforme opnået ved manuel eller delvist mekaniseret støbning. I dette tilfælde er formen et sæt af nedre og øvre dias, der danner bladenes overflader, og støbning udføres efter en enkeltbladsmodel [4] . Specifikke teknologiske metoder bestemmes af propellens størrelse, design og vægt samt dens serialisering. For eksempel bestemmer tilstedeværelsen eller fraværet af et centerhul i støbningen (som vil blive boret ud for propelakslen i fremtiden) i navet tilstedeværelsen eller fraværet af en centerstang i formen. Hvis propellerne er produceret i en stor serie, så bruges genanvendelige stålrammer eller specielle rammer, der har en form tæt på formen af propelbladene (i tilfælde af en enkelt produktion, fremstilling af så dyrt udstyr) er upraktisk). På nuværende tidspunkt, i sjældne tilfælde, til fremstilling af propelstøbegods bruges moderne udstyr med numerisk kontrol , for eksempel ved hjælp af et værktøj installeret på en robotarm, fræses en form med det samme uden at lave et modelsæt. Robotter bruges også til fræsning af modeller af forskellige materialer, såsom skum eller MDF . Derudover anvendes metoder til tredimensionel udskrivning af propelmodeller lavet af plast.

Et helt nyt område inden for fremstilling af propeller er blevet tredimensionel udskrivning af solide propeller med metalpulver eller tråde. De første sådanne eksperimentelle propeller er allerede blevet fremstillet i Holland [5] og Rusland [6] . Denne retning udvikler sig primært på grund af det faktum, at fremstillingen af enkeltpropeller af høj klasse (som kræver fræsning af propeloverfladen) stadig er en meget omkostningskrævende, tidskrævende og langvarig proces, og deres fremstilling ved hjælp af additive teknologier gør det muligt at opnå nogle omkostningsbesparelser og fremskynde fremstillingsprocessen. Men udbredelsen af denne metode hæmmes af de ekstremt høje omkostninger ved selve 3D-printprocessen med metaller: den høje pris på selve udstyret, metalpulvere af den nødvendige kvalitet og udstyr til deres produktion (for eksempel forstøvere) og indtil videre der er ikke udsigt til at udskifte støbte propeller med dem, der er trykt i væsentlige mængder.

Skruen skal være stærk nok til at modstå tusindvis af tons tryk og ikke korrodere i salt havvand . De mest almindelige materialer til fremstilling af propeller er messing , bronze , stål , også specielle legeringer , for eksempel kunallegering - det har stålets styrke, men modstår korrosion meget bedre. Cunial kan være i vandet i årtier uden at ruste. For at give legeringen ultimativ styrke tilsættes 5% nikkel, 5% aluminium og 10% andre metaller til 80% kobber; gensmeltning udføres ved en temperatur på 1183 °C. [7]

Siden midten af det 20. århundrede er plastik også blevet brugt som hovedmateriale for at spare penge, lette vægten og forenkle produktionsprocessen af propeller til både [4] . [otte]

Fordele og ulemper

Den fungerer kun som trækkraft ved konstant eller stigende omdrejningshastighed, i andre tilfælde - som en aktiv bremse .

Propeleffektiviteten er ~30-50% (teoretisk set er den maksimalt opnåelige 75%). En "ideel" skrue kan ikke laves på grund af den konstante ændring i dens arbejdsforhold - arbejdsmiljøforhold.

Propellen taber stadig til åren (effektivitet ~ 60-65%) med hensyn til effektivitet. [9]

Sammenlignet med et skovlhjul har propellen en højere effektivitet, og propellen er meget kompakt og let i forhold til skibets størrelse. Men et beskadiget skovlhjul kan nemt repareres, propeller kan oftest ikke repareres, og en beskadiget propel udskiftes med en ny. Desuden er propellen den mest sårbare sammenlignet med alle andre skibspropeller og den farligste for marine fauna og mennesker, der er faldet over bord. Samtidig giver skovlhjul mere trækkraft fra stilstand (hvilket er praktisk for slæbebåde og også tillod dem at have et mindre træk). Men når de er ru, blotlægges de meget hurtigt (hjulet på den ene side drejer tomgang i luften, mens hjulet på den modsatte side er helt nedsænket under vand, hvilket belaster den førende trækmaskine til det yderste), hvilket gør dem praktisk talt uegnede for sødygtige skibe (op til 1840'erne blev de stort set kun brugt på grund af manglen på et alternativ, samt dampmaskinens hjælperolle på disse års sejl- og dampskibe ).

Især fordelene ved en skruepropel frem for en på hjul er ubestridelige for krigsskibe - problemet med placeringen af artilleri blev fjernet: batteriet kunne igen optage hele brættets plads. Et meget sårbart mål for fjendens ild forsvandt også - propellen er under vand.

En separat klasse er vandstrålepropellen . Den væsentligste forskel her er, at vandstrålen har en tilspidsende dyse, som øger hastigheden af strålen til hastigheder, som en fri propel ikke kan skabe uden kavitation. Selve propellen i vandstrålen fungerer under stationære forhold, tæt på ideelle, som ikke påvirkes af vandstrømmen udefra.

Historie

Vandløfteskrue , hvis opfindelse tilskrives Archimedes, var også ret velegnet til omvendt arbejde - afvisning af selve skruen fra vandmassen. Ideen om at bruge en propel som en propel blev fremsat så tidligt som i 1752 af Daniel Bernoulli og senere af James Watt . Propellen fik dog ikke umiddelbart universel anerkendelse. Selvom selve princippet om propellens drift aldrig var en hemmelighed, var det først i 1836, at den engelske opfinder Francis Smith tog det afgørende skridt og efterlod kun en omgang fra den lange spiral af den arkimedeiske skrue. Der er en historie om, at "moderniseringen" skete som et resultat af en tilfældig begivenhed: På Smiths dampbåd brød en del af en træpropel af, da den ramte et undervandsrev , hvilket efterlod et enkelt sving, hvorefter båden mærkbart steg i hastighed. Smith installerede en propel på en lille damper med et slagvolumen på 6 tons. Smiths vellykkede eksperimenter førte til dannelsen af et firma, på bekostning af hvilket Archimedes - skruedamperen blev bygget . Med et slagvolumen på kun 240 tons var Archimedes udstyret med to kørende dampmaskiner med en kapacitet på hver 45 hk. Med. hver og en enkelt skrue med en diameter på lidt over 2 meter (den originale Smith-skrue var en del af den spiralformede overflade af en rektangulær formation svarende til et heltalstrin ) .

Samtidig med Smith og uafhængigt af ham udviklede den kendte opfinder og skibsbygger svensker John Ericsson brugen af en propel som fremdriftsanordning . I samme 1836 foreslog han en anden form for propel, som var et skovlhjul med blade sat i en vinkel. Han byggede Stockton-skruedamperen (kraften ved at køre dampmaskiner er 70 hk) og foretog i 1839 overgangen til Amerika på den , hvor hans idé blev mødt med en sådan interesse, at allerede i 1842 blev den første amerikanske skruefregat Princeton lagt ned . ”(slagvolumen 954 tons, maskineffekt 400 hk, hvilket giver den en slaglængde på op til 14 knob ) med en Erickson-designpropel. På forsøg udviklede skibet en hidtil hidtil uset 14 knobs hastighed. Og da han forsøgte at "pit" ham med den hjuldrevne " Great Western ", trak skruefregatten hans modstander, på trods af det mindre slagvolumen og lavere motorkraft. Princeton blev også bemærket i skibsbygningens historie ved at bære dens tids største kaliber kanoner - for første gang blev 12-tommer kanoner installeret på pladespillere på den.

I midten af 1800-tallet begyndte en massiv ombygning af sejlbåde til skrueskibe. I modsætning til hjuldampere, hvis ombygning krævede meget omfangsrigt og langvarigt arbejde, viste moderniseringen af sejlbåde til skruedampere sig at være meget enklere. Træskroget blev skåret cirka i halve og der blev lavet en træindsats med maskinrummet, hvis effekt til store fregatter var 400-800 hk. Med. Samtidig blev vægtbelastningen kun forbedret - tunge kedler og maskiner var hovedsageligt placeret under vandlinjen , og der var ikke behov for at modtage ballast , hvis mængde på sejlbåde nogle gange nåede hundredvis af tons. Skruen blev placeret i en speciel brønd i agterstavnen og forsynet med en løftemekanisme, da den under sejlads kun forstyrrede bevægelsen og skabte yderligere modstand. De gjorde det samme med skorstenen - så den ikke forstyrrer sejldriften, blev den lavet teleskopisk (som en kikkert ). Der var praktisk talt ingen problemer med våben - de forblev på deres plads.

Griffiths, efter megen eksperimentel forskning på propeller, foreslog en skrue, med en progressiv stigning, med en relativt større diameter, med en kobling og blade med den største bredde i midten; enden af bladet er bøjet fremad med ca. 1/25 d, således at generatrixen af dens arbejdsflade ikke er en lige linje, som en almindelig propel, men en kurve. Betjeningen af en sådan skrue viste sig at være meget glat og næsten ikke ledsaget af slag og rystelser af agterstavnen.

Se også

Noter

↑ I sidstnævnte tilfælde er muligheden for at installere skruen i lodret position i det hydrodynamiske kølvand af agterstævnen vigtig for at reducere dens modstand under sejlads.
↑ Propelvalg Arkiveret 3. november 2014 på Wayback Machine // vlboat.ru .
↑ Fremdrift af skibe og fartøjer Arkiveret 20. september 2012 på Wayback Machine // korabley.net, 04/06/2010.
↑ 1 2 K.P. Lebedev og N.N. Sokolov. Teknologi til fremstilling af propeller/huller. redaktør A.E. bind, redaktør G.A. Minyaeva, tech. redaktør A.M. Usova, korrekturlæser E.V. Linnik. - L . : SUDPROMGIZ, 1951. - S. 119-150. — 372 s.
↑ Et konsortium ledet af Damen lavede den første propel ved hjælp af 3D-print , Shipbuilding.info (12. september 2017). Arkiveret fra originalen den 14. december 2021. Hentet 14. december 2021.
↑ Skibsbygger demonstrerer 3D-printet propel , 3D i dag (19. september 2019). Arkiveret fra originalen den 14. december 2021. Hentet 14. december 2021.
↑ D/f Giant Propellers Arkiveret 2. april 2015 på Wayback Machine (" Hvordan gøres det? ", Discovery Channel ).
↑ Materiale til fremstilling af en propel Arkivkopi dateret 3. november 2014 på Wayback Machine // vlboat.ru.
↑ EFFEKTIVITET FOR RO-FRAMMIDDEL . Arkiveret 5. september 2015 på Wayback Machine

Links

Fremdrift af skibe og fartøjer // korabley.net
Krylov A.N. Propeller // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.

Ordbøger og encyklopædier	Brockhaus og Efron Militær Sytina Lille Brockhaus og Efron
I bibliografiske kataloger	NKC : ph284006