سیستم های رانش پروانه ای ( Propeller ) وحیدرضا جهانمرد 89/12/18

1. هــــوالـحکـیــــم سیستم های رانش پروانه ای (Propeller) وحیدرضا جهانمرد 89/12/18

2. عناوین • معرفی منابع علمی • معرفی انواع سیستم های رانش پروانه ای • هندسه پروانه های دریایی • استانداردهای طراحی • طراحی به روش سری استاندارد B

3. معرفی منابع علمی • Marine Propellers and propulsion • CARLTON • استانداردهای کشتی سازی _ بخش ماشین آلات _ پروانه ABS, BV, GL, DNV, … • PDF: B-series propeller • نرم افزار Persian Gulf (طراحی پروانه به روش B) • کتاب جامع مهندسی معماری دریایی • اصول طراحی زیردریایی • مهندس محمد مونسان • Concepts in Submarine design

4. انواع سیستم های رانش پروانه ای • پروانه های گام ثابت • پروانه های گام متغییر • پروانه های گام آزاد • پروانه های عکس چرخنده • پروانه های متداخل • سیستم دو پروانه ای • پروانه های هم محور • پروانه های دارای غلاف Fixed Pitch Propeller Controllable Pitch Propeller Self Pitching Propeller Contra Rotating Propeller Overlapping Propeller Twin Screw System Tandem Propeller Ducted Propeller

5. پروانه های گام ثابت • رایجترین نوع پروانه در شناورها • زاویه گام در این پروانه ها ثابت می باشد و تغییر نمی کنند. • تعداد پره های پروانه بین 2 تا 12 پره می باشد. جلوگیری از رزونانس • معیار انتخاب تعداد پره ها، فرکانس ارتعاشی موتور و بدنه می باشد. تعداد سیلندرهای فرد تعداد سیلندرهای زوج تعداد سیلندرهای فرد تعداد سیلندرهای زوج

8. پروانه های گام متغییر پروانه هایی با قابلیت تغییر زاویه گام • دارای 3، 4 یا 5 پره می باشند • بالا بودن راندمان (سوختی) شناور • قابلیت توقف سریع شناور بدون نیاز به سیستم کلاچ و ترمز • موتور اصلی احتیاج به کار در جهت عکس ندارد • تامین سرعت های مختلف پیشروی با یک دور ثابت • امکان بکار گیری یک موتور با دور موتور ثابت • پایین بودن راندمان در دور موتور بالا و سرعت پیشروی پایین • نیاز به توپی بزرگ (حدود 0.3D ~ 0.32D) • دقت بالا در ساخت مکانیزم تحریک پره ها 1. مکانیکی 2. هیدرولیکی تغییر نکردن یکسان گام پره ها عدم توازن پروانه و لنگ زدن

10. پروانه های گام آزاد • پره ها می توانند به اندازه 360 درجه حول محور عمود بر توپی پروانه دوران کنند. • زاویه گام پره ها بصورت خودکار توسط نیروهای هیدرودینامیکی و نیرو های گریز از مرکز تنظیم می شوند. • برای قدرت های کم مورد استفاده قرار می گیرند. • پروانه با تغییر گام خود را با تغییرات جریان وفق می دهند. آزادانه زاویه گام پره تغییر می کند. افزایش بازدهی وتراست عمدة کاربرد در قایق های تفریحی کوچک

11. پروانه های عکس چرخنده • زاویه گام پره ها عکس یکدیگر می باشند در نتیجه نیروی تراست هردو رو به جلو می باشد. • قطر پروانه دوم معمولا کوچکتر از پروانه اول می باشد. • دور پروانه ها ممکن است متفاوت باشد، ولی اغلب موارد دور آنها یکسان است. • چرخش پروانه ها با دو شافت تودرتو انجام می شود. • خنثی شدن گشتاورهای ناشی از سیستم رانش. ( استفاده در اژدرها) • استفاده از انرژي جريان چرخشي پروانه اول در ميدان ويك (8-10 درصد افزايش بازدهي) • خنثي شدن گشتاورهاي وارد بر كشتي • كاهش بار روي سطح هر پره و افزايش راندمان و ارتعاش • امكان تامين توان مشخص با قطر كمتر يا دور كمتر • داراي شافت تو در تو و پيچيده – عدم كاربرد در كشتي هاي بزرگ با شافت طولاني • چرخ دنده عكس كننده دور در موتورخانه • مشكل نصب ياتاقان شافت داخلي • خطر كاويتاسيون در پروانه دوم

13. پروانه های متداخل • پروانه های گام ثابتی که به صورت شکل مقابل آرایش داده شوند. • جهت چرخش آنها عکس یکدیگر و به سمت بیرون می باشد. • استفاده پروانه دوم از سرعت سیال خروجی از پروانه اول. (افزایش بازدهی) • فاصله میان دو شافت این پروانه ها معمولا: d= 0.5D ~ 0.8D سیستم دو پروانه ای • استفاده در شناورهایی که نیازمند سرعت بالا هستند یا برای حرکت به تراست بسیار زیادی نیاز دارند. • کاهش اثرات متقابل دو پروانه • ایجاد روبه پایین در پاشنه و افزایش شیب به پاشنه و عمق غوطه وری کاهش کویتاسیون و بازدهی بالا

14. پروانه های هم محور • نیروی تراست فوق العاده ای توسط پروانه ها برای رسیدن به سرعت های بالا ایجاد می شود. • پروانه ها از سرعت سیال خروجی از پروانه های قبلی خود استفاده می کنند. افزایش بازدهی • طول بسیار زیاد شافت در بیرون از بدنه باعث افزایش مقاومت می شود. • اشکال اصلی این پروانه ها، ایجاد ممان رول دهنده بسیار زیاد است که غلبه بر آن نیازمند پایداری بسیار زیاد شناور است

15. پروانه های دارای غلاف • غلاف ها برای افزایش بازدهی پروانه و پایداری مسیر استفاده می شود. (بخصوص برای شناورهایی با شرایط کاری سنگین) • سطح مقطع ورودی غلاف ها همواره بزرگتر از سطح مقطع خروجی آنها می باشد و مقطع آنها بصورت فویل می باشد. 1. غلاف های افزاینده Accelerating Duct انواع غلاف ها 2. غلاف های کاهنده Decelerating Duct

16. غلاف های افزاینده • تراست ناشی از غلاف می تواند تا 30% افزایش یابد. • طراحی برای شرایط کاری سنگین. افزایش سرعت ورودی سیال به پروانه کاهش تراست و گشتاور کاهش فشار ایجاد کویتاسیون جریان اطراف مقطع فویل غلاف ایجاد مولفه افقی روبه جلو (تراست) ایجاد نیروی لیفت مقدار کاهش تراست پروانه تراست ایجاد شده توسط غلاف ایجاد تراست بیشتر در شناورهای کندرو و سرعتهای پایین وشرایط کاری سنگین

17. غلاف های کاهنده کاهش سرعت ورودی سیال به پروانه افزایش تراست پروانه افزایش فشار کاهش کاویتاسیون کاهش سر وصدا کاهش سرعت ورودی سیال به پروانه افزایش تراست پروانه افزایش فشار تراست بیشتر و مناسب برای شناورهای با سرعت بالا و نیازمند حداقل کاویتاسیون و سروصدا مناسب برای مخفی ماندن شناورهای نظامی

18. هندسه پروانه های دریایی • Blade • Face Propeller • Back Propeller • Leading Edge • Trailing Edge • Hub • Root • Tip

19. زاویه های تعریف شده در پروانه 1. زاویه گام Pitch Angle 2. زاویه کجی Rack Angle 3. زاویه شلاقی Skew Angle

20. زاویه گام • پره ها بصورت زاویه دار به هاب پروانه متصل می شوند • زاویه گام موجب پیشروی پروانه در هر دور می شود • مقدار پیشروی افقی پروانه در یک دور را گام پروانه • گویند (P) هر مقطع از پره پروانه مطابق شکل اسلاید بعد یک مسیر منحنی شکل را می پیماید (منحنی هلیکا) اگر مسیر هلیکا طی شده در یک دور پروانه را بصورت یک خط صاف نمایش دهیم زاویه تشکیل شده را زاویه گام می نامیم.

21. معمولا گام پروانه را در 0.7R در نظر می گیرند

22. زاویه کجی (ریک) نصب پره های پروانه بصورت زاویه دار رو به جلو یا عقب • زاویه ریک مثبت: • تامین سطح بیشتر و قطر بیشتر افزایش تراست و کاهش کاویتاسیون • ایجاد فواصل بیشتر بین نوک پره ها و بدنه • زاویه ریک منفی: • تامین استحکام سازه ای پره و پروانه زاویه ریک پره ها بین 0 ~ 15 درجه می باشند

23. زاویه شلاقی (اسکیو) زاویه میان خط مماس بر خط میانی پره با خط واصل میان مرکز توپی با نوک پره • ورود تدریجی بار بر روی پره و ایجاد یکنواختی در نیروی تراست و جلوگیری از وارد آمدن بار ناگهانی بر روی پره که منجر به کاهش کاویتاسیون می شود • کاهش سرو صدا به دلیل کاهش کاویتاسیون استفاده در زیردریایی ها • موجب کاهش بازدهی پروانه می شود. افزایش زاویه شلاقی و افزایش تعداد پره ها موجب کاهش ارتعاش پروانه می شود.

25. هندسه مقطع پروانه در شعاع کمتر از 0.5R مقطع پره شبیه مقاطع فویل NACA می باشد و در شعاع بیشتر از 0.5R مقطع پره به صورت اوجیوال می باشد.

26. تعاریف سطوح پروانه سطح دایره پروانه (AO) سطح تصویر شده (AE) سطح توسعه یافته (AD) سطح گسترش یافته (AP)

27. استانداردهای طراحی پروانه • کاربرد اصلی سری های استاندارد برای استخراج ضرایب تراست و گشتاور و بازدهی پروانه می باشد. • سری های پروانه ها با استفاده از آزمایش مدل در تونل کاویتاسیون بدست آمده اند. • سری های جدول بالا برای پروانه های گام ثابت و بدون غلاف می باشند.

28. سری B - Wageningen • معمولترین و مهمترین سریهای طراحی پروانه می باشند که در آزمایشگاه دریایی لهستان تهیه شده اند. • برای پروانه های گام ثابت و بدون داکت تنظیم شده اند. • این سری پروانه ها بصورت Bzy نام گذاری می شوند. Z تعداد پره و y درصد نسبت سطح گسترش یافته می باشد Z = 2 ~7 AE / A0 = 0.3 ~ 1.05 برای زیردریایی ها تعداد 3، 5 و 7 پره توصیه می شود.

32. طراحی به روش سری استاندارد B اساس طراحی پروانه به روش سری B بر سعی خطا استوار است. با فرض چند پارامتر لوپ طراحی آغاز می شود و تا ارضاء شدن پارامترهای زیر ادامه می یابد. 1. تامین تراست مورد نیاز 2. رسیدن به گشتاور مطلوب 3. رسیدن به بازدهی مناسب 4. عدم وقوع کاویتاسیون پارامترهای مورد نیاز برای شروع لوپ طراحی: مقاومت شناور R تعداد پره های انتخابی Z قطر اولیه (با توجه به محدودیت ها) D فاکتور ویک ω ضریب کاهش تراست t مهمترین فاکتور در طراحی پروانه، بدست آوردن تخمین درستی از مقاومت می باشد.

33. محاسبه فاکتور ویک ماهیت ویک همان تغییرات سرعت سیال می باشد که می تواند عوامل مختلفی داشته باشد. مقدار ویک با رابطه زیر بیان می شود: مطابق نمودار روبرو میتوان ویک را تخمین زد یا از رابطه ی زیر برای زیردریایی های بدنه متقارن محوری استفاده کرد: مرجع: Concepts in Submarine design

34. محاسبه ضریب کاهش تراست این ضریب بیان کننده افزایش مقاومت ناشی از حضور خود پروانه می باشد. مقدار ضریب کاهش تراست بارابطه زیر بیان می شود: مطابق نمودار روبرو می توان ضریب کاهش تراست را تخمین زد یا از رابطه ی زیر برای زیردریایی های بدنه متقارن محوری استفاده کرد: مرجع: Concepts in Submarine design

35. شروع سیکل طراحی برای شروع از رابطه معیار کلر استفاده می کنیم:

36. پارامترهای بی بعد در طراحی پروانه ضریب تراست ضریب گشتاور ضریب پیشروی پروانه

37. در مرحله بعد داریم:

38. نمودارهای سری B

39. نحوی کار با نمودار

40. محاسبه مقدار تراست،گشتاور و دور پروانه