Arhitectura Navala

CURS 6: ARHITECTURA NAVALA

NAVAL ARCHITECTURE

06.04.2009

10. PROPULSIA10.1 GENERALITATI Puterea efectiva reprezinta puterea necesara tractarii unei nave goale la o viteza data. Reprezinta un punct de plecare pentru studiul propulsiei navei. Mijloacele care produc forta de deplasare a navei sunt interdependente cu spectrul curgerii fluidului in jurul corpului. Este convenabil sa se studieze performantele propulsorului in apa libera si apoi sa se studieze aceleasi performante in spatele si aproape de corpul navei. Sunt multi factori implicati si de aceea este corect sa enumeram principiile generale, inainte de a intra in detalii. 10.2 PRINCIPII GENERALE Cand un propulsor actioneaza in pupa navei, curgerea apei in jurul corpului din pupa navei este modificata. In primul rand rezistenta la inaintare creste. Sunt modificate siajul (wake) in pupa si viteza medie a apei pri propulsor. Aceasta nu va mai fi egala cu viteza navei. Aceste doua efecte pot fi considerate impreuna ca un randament al corpului navei. Un alt efect al combinatiei corp si propulsor este acela ca spectrul curgerii prin propulsor este neuniform si in general nu este orientat dupa axa propulsorului. Raportul dintre eficienta propulsorului in apa libera si a propulsorului in spatele corpului este numit ca randament rotativ relativ.(relative rotative efficiency). In final exista pierderi in transmisia puterii de la motorul principal la propulsor. Aceste efecte pot fi legate de puterile aplicate fiecarui stadiu.

Extinderea conceptului de putere efectiva. Conceptul de putere efectiva (effective power) (PE) poate fi extins la puterea necesara sa fie instalata in scopul obtinerii unei viteze date. Daca puterea instalata este puterea la linia de axe (shaft power) (PS), atunci randamentul propuslsiv total (overall propulsive efficiency) este determinat de coeficientul de propulsie (propulsive coefficient) (PC) = PE / PS. Stadiile intermediare de trecere de la puterea efectiva la puterea la ax sunt:

Puterea efectiva pentru corp cu apendici = PE. Puterea de impingere dezvoltata de propulsoare = PT. Puterea dezvoltata de propulsoare cand deplaseaza nava = PD.

Puterea dezvoltata de propulsoare in apa libera = PD. Cu aceste notatii randamentul de propulsie total poate fi scris sub forma:

Termenul PE / PE este inversul coeficientului de apendici. Ceilalti termeni din expresia de mai sus sunt o serie de randamente care sunt denumiti si notati ca mai jos: PE / PT = randament corp = H. PT / PD = randamentul propulsorului in apa libera = O.

PD / PD = randamentul rotativ relativ = R. PD / PS = randament mecanic de transmisie linie de axe.

Cu aceste notatii randamentele de mai sus se pot scrie:

Expresia dintre paranteze este numita coeficient cuasi propusiv (QPC) si este notat cu D. QPC se obtine din probe cu modele si pentru a permite eroarea de transpunere la nava reala se defineste un factor aditional. Se utilizeaza un factor de incarcare (load factor): factor de incarcare = (1 + x ) = randament de transmisie . Factor QPC x coeficient apendici Ramane de stabilit cum poat fi determinat randamentul corpului, randamentul propulsorului si randamentul rotativ relativ.

10.3 PROPULSOARE Dispozitivele de propulsie pot fi diferite forme. Ele transmit energie maselor de fluid care se transforma in forte care actioneaza asupra navei. Cel mai cunoscut dispozitiv este elicea care poate fi de diferite tipuri. Insa tipul cel mai cunoscut si utilizat este elicea cu pas fix. Dar inainte de a studia acest tip de elice, vom considera cazul unui disc care transmite un moment apei.

Teoria momentului. In aceasta teorie elicea este inlocuita cu un disc cu suprafata A care, presupunem ca actioneaza in fluid ideal. Discul transmite o acceleratie axiala apei, care conform cu principiul lui Bernoulli, cere schimbarea presiunii pe disc, figura 10.1. Se presupune ca apa este initial si in final la presiunea p0. La trecerea prin disc cresterea de presiune este de dp. Viteza apei care trece prin disc va capata o viteza aVa iar la infinit in spatele discului apa va avea o viteza bVa . Discul se misca cu o viteza relativa Va fata de apa linistita. Viteza apei relativa la disc = Va (1 + a) unde a este un factor de intrare axiala ( axial inflow factor). Masa de apa deplasata in unitatea de timp = AVa(1 + a). Deoarece masa in final capata o viteza de bVa , schimbarea de moment cinetic in unitatea de timp este AVa(1 + a) bVa . Egaland aceasta variatie de moment cu impingerea generata de disc T= AVa2 (1 + a) b. Lucrul mecanic dat de impingerea asupra apei este TaVa= AVa3 (1 + a)ab. Aceasta este egala cu energia cinetica in coloana de apa. AVa (1 + a)(bVa)2 / 2. Egaland cele doua expresii obtinem: AVa3 (1 + a)ab = AVa 3 (1 + a)b2 / 2 si a = b /2. Deci viteza castigata de fluid la trecerea prin disc este dubla fata de viteza initiala. Lucrul mecanic util dat de elice este egal cu impingerea multiplicata cu viteza din fata ei. Lucrul mecanic total este acesta plus lucruk dat de apa accelerata astfel incat: Lucrul toatal = AVa3 (1 + a)ab + AVa 3 (1 + a)b. Eficienta discului ca propulsor este raportul intre lucrul mecanic util si lucrul mecanic total:

Aceasta este eficienta ideala. (ideal efficiency). Pentru un randament bun, a trebuie sa fie cat mai mic. Pentru o viteza data, diametrul discului trebuie sa fie cat mai mare. Dar deoarece trebuie sa tinem seama de energia pierduta prin miscarea rotationala a fluidului indusa de disc, formula corecta pentru randament devine: = (1 a) / (1 + a) unde a este un factor de curgere rotationala (rotational inflow factor).

Figura 10.1 (a) Presiunea; (b) Viteza absoluta; (c) Viteza apei relativa la disc.

10.4 ELICEA NAVALA Suprafata elicoidala . Elicea navelor poate fi asimilata unei suprafete elicoidale partiale, care cand este rotita se insurubeaza in apa. In figura 10.2, linia AB este perpendiculara pe AA. Daca AB se roteste cu o viteza unghiulara constanta in jurul axei AA si se deplaseaza in lungul aceleasi axe cu viteza lineara constanta se obtine o suprafata elicoidala. Pasul (pitch) acestei suprafete este distanta parcursa pe AA la o ratatie completa. Daca AB se roteste cu N turatii pe unitatea de timp, atunci viteza de deplasare pe circumferinta a unui punct aflat la distanta r de axa AA este 2 Nr si viteza axiala este NP. Punctul se deplaseaza pe o linie inclinata cu fata de AAastfel ca tan = 2Nr /NP = 2 r/P. (figura 10.3)

Figura 10.2

Figura 10.3 O elice poate avea orice numar de pale, dar uzual se prevad trei, patru sau cinci pale. Caracteristicile elicei Diametrul elicei este diametrul unui cerc tangent la varful palelor elice. La capatul interior palele sunt atasate de un butuc (boss), al carui diametru este cat mai mic posibil. Proiectia palei pe un plan perpendicular pe ax se numeste conturul proiectat (projected outline) iar conturul desfasurat (developed outline) este aria profilului desfasurat, proiectata pe planul perpendicular pe ax. Forma palei este adesea simetrica fata de o linie radiala de numita linie medie (median). La unele elice linia medie este curbata in directie contrara rotatiei definita de unghiul de intoarcere (skew back). La unele elice suprafata elicei nu este normala la ax si elicea are unghi de inclinare (inclinare - raked). Aceasta inclinare permite indepartarea palei de corpul navei. Sectiunea palei. Sectiunea la o raza oarecare prin pala este de fapt intersectia palei cu o suprafata cilindrica. Fiecare elice are o suprafata plata, intrados (flat face) si un extrados, care este o suprafata in forma de arc de cerc. Linia mediama sau linia de curbura (camber) este linia dusa prin mijlocul profilului. Profilul sectiunilor la elice este de obicei un profil de aviatie. Coarda (chord) este linia care uneste muchia de atac cu muchia de fuga a profilului. Grosimea profilului (thickness) este exprimata ca procent din coarda profilului.

Figura 10.4 (a) Vedere transversala din pupa; (b) Vedere laterala (profil)

Figura 10.5 (a) profil plat; (b) profil de aviatie; (c) profil curbat

Raportul de pas. Raportul dintre pasul elicei si diametru este numit raport de pas (pitch ratio). Cand pasul variaza cu raza, trebuie definit corespunzator. Pentru simplificare, pasul nominal se considera cel de la 0,7R Raportul de disc. Raportul de disc este definit ca raport intre aria proictata/aria desfasurata a elicei si aria discului elicei. Directia de rotatie a elicei. Daca privim din pupa elicei iar aceasta se roteste in sensul acelor de ceas pentru a creia impingerea, elicea este pe dreapta. Daca se roteste in sens invers acelor de ceas, elicea este pe stanga. La navele cu doua elice, elicea din tribord este de obicei pe dreapta, iar elicea din babord este pe stanga. In acest caz se spune ca elicele se rotesc spre exterior (outward). Invers, ele se rotesc spre interior. Fortele pe sectiunea de pala. Aplicand analiza dimensionala, fortele pe profilul de aviatie pot fi exprimate functie de aria sa A, coarda si viteza sa V: F / AV2 = f ( / VC ) = f (Rn). Un alt factor care influenteaza forta este unghiul de incidenta sau unghiul de atac . F / AV2 = f (Rn ). Aceasta forta (figura 10.6) se descompune intr-o componenta verticala denumita portanta L (lift) si o forta in directia de curgere a lichidului, numita rezistenta la inaintare D ( drag ).. Cele doua forte se pot adimensionaliza sub forma:

Figura 10.6 Fortele pe sectiunea palei de elice.

Pentru un Re dat , aceste marimi depind de unghiul de incidenta asa cum se arata in figura 10.7. Curba de portanta creste cu unghiul de atac pana la un unghi denumit unghi de stagnare ( stall angle) si apoi incepe sa scada (desprinderea fluidului de pe profil) Generarea portantei. In teoria curgerii in fluid ideal in jurul unui profil circular (figura 10.8), in punctele A si B viteza este zero. Sunt puncte de stagnare (stagnation points). Rezultanta fortelor pe cest cilindru este zero. Curgerea aceasta poate fi transformata in curgerea in jurul unui profil (figura 10.9). Acum punctele de stagnare sunt A si B . Fortele pe profil in acest caz sunt zero. In fluidul vascos, la viteze mari, bordul de fuga creiaza o instabilitate in fluid datorita fortelor taietoare. Curgerea potentiala se rupe si apare un punct de stagnare pe bordul de fuga (figura 10.10). Noul spectru are un vartej suprapus . Se poate arata ca intensitatea ca portant ape acest profil datorita intensitatii circulatiei este: Portanta = L = V. Vascozitatea introduce o rezistenta mica, dar influenteaza in general portanta.

Figura 10.7 Curbele de portanta si rezistenta.

Figura 10.8 - Curentul in jurul unui cilindru Curentul tridimensional. In jurul unui profil de anvergura infinita, spectrul curgerii este tridimensional. Forta ascensionala (portanta) este creata de diferenta de presiune intre intradosul si extradosul profilului. In realitate anvergura este finita si presiunile au tendinta a se egala spre capatul aripii iar portanta sa scada. De aceea anumite suprafete au spre capete o zona plata pentru a evita anularea presiunii. Efectul este cu atat mai mare cu cat rapotul dintre anvergura si coarda este mai mic. Acest raport al anvergurii pe coarda este denumit raport de aspect ( aspect ratio). Cu cat raportul de aspect creste, cu atat caracteristica portantei se apropie de aceea a curgerii bidimensionale.

Figura 10.9 Curgerea in jurul unui profil fara circulatie.

Figura 10.10 Curgerea in jurul unui profil cu circulatie.

Figura 10.11 Distributia presiunii pe un profil de aviatie.

Distributia presiunii in jurul unui profil de aviatie. Conform legii lui Bernoulli, datorita diferentei de viteza pe intrados si extrados apare o crestere de presiune pe intrados si o crestere de presiune pe extrados. Ambele presiuni contribuie la dezvoltarea portantei asa cum se arata in figura 10.11. reducerea maxima a presiunii are loc la mijlocul distantei dintre milocul coardei si muchia de atac. Daca reducerea presiunii este prea mare, fata de presiunea ambientala, are loc formarea de bule umplute cu aer si vapori de apa. Aceste bule se sparg cand patrund in zona de presiune mare Acest fenomen este cunoscut sub numele de cavitatie si este nedorit din punct de vedere al zgomotului si al reducerii randamentului. De asemenea spargerea bulelor pot cauza deteriorarea fizica a elicii.

10.5 IMPINGEREA SI MOMENTUL ELICEI Teoria elementului de pala.