Teoria propulsorului - Amoraritei Mihaela.pdf

8/20/2019 Teoria propulsorului - Amoraritei Mihaela.pdf

1/252

PROPULSOAREPROPULSOARE

NAVALENAVALE

SOLUŢII CONSTRUCTIVE

CRITERII DE PERFORMANŢA

DIRECŢII DE DEZVOLTARE


2/252

respectiv deplasarea

acesteia pe drumul dorit

cu viteza impusă , se

realizează cu ajutorul

instalaţiei de propulsie.

PROPULSIA NAVEI,


3/252

Din punct de vedere energetic,

instalaţia de propulsie este alcătuită din:

consumatorul de energiepropulsorul

sursa de energie

maşina principală de propulsie


4/252

După modul în care au evoluat în timp

mijloacele de propulsie ale navelor, istoria

construcţiilor navale şi a navigaţiei se împarte în trei

epoci:

epoca ramelor

epoca velelor

epoca modernă a propulsiei mecanice.

Sursa de energie şi propulsorul au fost

elemente nelipsite ale mijloacelor de navigaţie de

orice tip şi din toate timpurile.


5/252

Timp de milenii rama a reprezentat principalulmijloc de propulsie al navelor.


6/252

O perioadă lungă de timp, navigaţia cu rame s-asuprapus peste cea cu vele.

Propulsia cu vele se foloseşte şi în zilele noastre, întimp ce maşina cu abur a permis propulsarea mecanică a

navelor încă din al doilea deceniu al secolului al XIX-lea.


7/252

Prima traversare a Atlanticului, cu ajutorulpropulsiei cu abur a fost efectuată în anul 1819, de cătrenava Savannah, un velier de 380 t, prevăzut cu roţi cu

zbaturi de aproape 5m diametru, acţionate de o maşină deabur de 72 CP.

Durata călătoriei din portulNew York la Liverpool a fostde 609 ore, dar maşina cu

abur a fost folosită doar 99ore, din teama de a nu

rămâne f ără cărbuni.


8/252

Elicei i-a revenit rolul important de a impune

definitiv navigaţia cu propulsie mecanică , înlăturând

neajunsurile semnalate la folosirea zbaturilor.

Elicea prezintă multe avantaje în comparaţie cu roatacu zbaturi: o greutate mai mică , insensibilitate la variaţiile de pescaj, o turaţie relativă mai mare

posibilitatea acţionării acestora cu motoare uşoare şi rapide


9/252

Un moment important al întrecerii dintre elice şiroata cu zbaturi l-a constituit ziua de 20 iunie 1849.

Două vapoare de dimensiuni apropiate, cu motoarede câte 400 CP, unul acţionat cu roţi cu zbaturi, iar celălalt

cu o elice, au fost legate între ele, la pupa, printr - uncablu.

Vaporul propulsat cu elice şi-a dovedit

superioritatea, reuşind să-şi remorcheze adversarul.


10/252

În 1812, J. Ressel, a patentat o elice cu osingură pală , răsucită pe distanţa unei spire şi

jumătate – 540 grade, pe care a reuşit să o aplicela o şalupă în anul 1829, dar o explozie a unei ţevidin conducta de abur a pus capăt încercărilor înainte de vreme.


11/252

În 1836, fermierul englez, Francis Pettit Smith, a instalat oelice din lemn, de acelaşi tip ca cea a lui Russel, dar alcătuită

din 2 spire. În timpul unei încercări, elicea s-a lovit de unobstacol şi jumătate din ea s-a rupt, întâmplare în urma căreiaviteza navei a crescut simţitor. Acest lucru a atras atenţia luiSmith asupra avantajelor elicei cu o suprafaţă a palelor mai

mică şi din acel moment a construit elice cu mai multe spiremai scurte.


12/252

În a doua jumătate asecolului al XIX-lea, eliceanavală începe să capete oformă cât mai apropiată decea contemporană , în anul1860 Thornikroft construindo elice care în forma sa

generală este utilizată şiastăzi.


13/252

PROPULSOARELE NAVALE

transformă energia mecanică produsăde maşinile principale de propulsie înenergie cinetică a navei, mai precis într-o

forţă de împingere care antrenează nava înmişcare, forţă a cărei mărime depinde devaloarea rezistenţei la înaintare a navei la

viteza dorită.


14/252

Propulsoare activePropulsoare reactive

După modul în care este realizată forţade împingere, propulsoarele navale se

împart în două categorii :


15/252

PROPULSOARELE ACTIVE dezvoltă forţa de împingere

prin acţiunea directă a vântului.

Din această categorie fac parte:

vela ( nu necesită aparat motor ) rotoarele Flettner ( aplicaţie a efectului Magnus).


16/252

ROTOARELE FLETTNER

Sunt cilindri verticali care se rotesc în jurul propriei axe,fiind antrenaţi de motoare de la bordul navei.

Sunt o aplicatie a efectului Magnus


17/252

Deplasarea navei seobţine prin acţiunea vîntuluiasupra cilindrilor

Direcţia de înaintare anavei este perpendicularăpe direcţia vântului,

Forţa de împingere

rezultă din repartiţiapresiunii aerului pesuprafaţa circulară acilindrilor.

ROTOARELE FLETTNER


18/252

PROPULSOARELE REACTIVE produc forţade împingere prin reacţia masei de apă care

este obligată să se deplaseze în sens contrarmişcării navei.

Din această categorie fac parte:ramele,roata cu zbaturi,elicea navală ,propulsorul cu aripioare,propulsorul cu jet.


19/252

ROATA CU ZBATURI

• primul propulsor utilizat în era propulsiei mecanice.

• propulsoare parţial imerse, care se rotesc în jurul uneiaxe orizontale, dispuse transversal în raport cu corpulnavei.

• se amplasează de regulă înpartea centrală a navei, câte una în fiecare bord

• la navele care se deplaseazăprin şenale înguste, roţile se potamplasa în extremitatea pupa.


20/252

ROATA CU ZBATURI

Există două tipuri de roţi cu zbaturi:

• cu zbaturi fixe• cu zbaturi articulate.

Roţile cu zbaturi articulate (rotative) au randament mai bun.

Cu ajutorul unui mecanism specialeste posibilă intrarea şi ieşirea din

apă a zbaturilor lin şi f ără şocuri şiimplicit reducerea pierderilor.


21/252

ELICEA NAVALA

ELICEA este propulsorul reactiv cel mai utilizat în construcţiilenavale datorită simplităţii constructive, siguranţei în exploatare şieficienţei relativ ridicate.

Ca urmare a acţiunii palelor, masele de apă sunt împinse în senscontrar direcţiei de deplasare a navei, palele imprimândparticulelor de apă o viteză suplimentară .

Din punct de vedere al principului de funcţionare o elice poate fiasimilată cu o aripă portantă , forţele care apar pe palele elicei

fiind rezultanta unor forţe hidrodinamice.


22/252

AVANTAJE

randamentul relativ ridicat,

tehnologie de fabricaţie relativ simplă ,

cuplare directă la linia de arbori (elicea se montează direct pearborele portelice)

este posibilă repararea .

DEZAVANTAJE

necesitatea realizării unor etanşări superioare, momentul derotaţie fiind transmis în afara corpului navei

elicea navală funcţionează în siajul navei, într-un curentneuniform, ceea ce conduce la apariţia unor forţe nestaţionare,la fluctuaţii ale forţelor de lagăr şi a pulsaţiilor de presiune pebolta pupa, elicea constituind una din principalele surse dezgomote şi vibraţii de la bordul navei.

ELICEA

NAVALA


23/252

ELICEA CU PAS FIXmonobloc

cu pale demontabile

AvantajeEficienţă ridicată

Cost scăzut

Simplitate constructivă Dezavantaje

Valoarea diametrului poate fi limitată de anumiteconstrângeri de proiectare.

Modificarea diametrului elicei atrage după sine variaţiarandamentului propulsorului.


24/252

Avantaje fiecare pală poate fi executată separat, posibilitatea demontării şi schimbării uşoare a unei pale în

vederea reparării,

posibilitatea corectării pasului prin rotirea palelor pe butuc.

Dezavantajepreţul relativ ridicat,

diametrul mare al butucului conduce la diminuarearandamentului,creşte posibilitatea apariţiei cavitaţiei în vecinătatea butucului,datorită reducerii grosimii palei impusă de necesitatea

asigurării spaţiului necesar pentru montarea şuruburilor.

ELICEA CU PAS FIXCU PALE DEMONTABILE


25/252

Avantajeeficientă pentru un domeniu mai larg de turaţii, pasul poate fi ajustatpentru a absorbi întreaga putere produsă de motor la orice turaţie.elimină necesitatea utilizării unor maşini de propulsie reversibilesau a mecanismelor tip inversor reductor

ELICEA CU PASREGLABIL


26/252

Dezavantajepreţul relativ ridicat,diametrul mare al butucului, conduce la diminuarea randamentului.

lăţimea palelor este limitatăcreşte posibilitatea apariţiei cavitaţiei în vecinătatea butucului,datorită reducerii grosimii palei impusă de necesitatea asigurăriispaţiului necesar pentru montarea şuruburilor.



27/252


Fixed Pitch Propeller (FPP) Controllable-Pitch Propeller (CPP)

ELICE CU PAS FIX (EPF) ELICE CU PAS REGLABIL (EPR)


28/252

ELICEA CU SKEW

Avantajecomportamentul la cavitaţie mai bundiminuarea semnificativă a nivelului fluctuaţiilor de presiune indusepe bolta pupareduc în mare măsură fluctuaţiile de împingere şi moment induse înlinia de arbori, în cazul în care distribuţia unghiului de skew a fostaleasă corespunzător câmpului de siaj în care elicea funcţionează.

Dezavantajemărimea şi distribuţia tensiunilor în pală , variază cu creştereaunghiului de skew,

Elice cu skew Elice fara skew


29/252

ELICE CONTAROTATIVE

Avantaje•recuperarea energiei de rotaţie conţinută în jetul elicelor,•datorită faptului că forţa de împingere şi puterea sunt distribuite

pe două elice, se poate realiza o încărcare mai mare a discurilorelicelor, f ără pierderi de eficienţă.

•mişcarea celor două elice se face în sens contrar, apare o anularea reacţiei momentului, ceea ce duce la îmbunătăţirea stabilităţii

navei.Dezavantaje

mecanism complicat şi costul ridicat al investiţiei iniţiale.pot fi mai zgomotoase decât o elice convenţională care cavitează.


30/252

ELICEA ÎN DUZ Ă

O elice în duză constă dintr-un profil•hidrodinamic circular şi un impeler ( elice),•cele două elemente acţionând ca un sistem•unitar de propulsie.

Avantajesunt utilizate la navele cu elice greu încărcate, duza având în acest

caz, rolul de a mări randamentul de propulsieforţa de împingere sau de remorcare poate creşte cu 30 – 40%

comparativ cu o elice f ără duză care operează în aceleaşi condiţii.utilizarea duzei face posibilă reducerea diametrului elicei. În cazul în

care elicea nu cavitează , apare o îmbunătăţire a caracteristicile legatede vibraţii.


31/252

ELICEA ÎN DUZ Ă

Dezavantajeelicea trebuie perfect centrată în raport cu duza, unspaţiu suficient trebuie păstrat între elice şi duzădacă această distanţă este prea mare, poate aparecavitaţia

la funcţionare în condiţii off-design apar vibraţiiexcesive şi cavitaţia cavitaţia elicei poate cauzaeroziunea la interior a materialului duzei

În duză pot fi montate elice tip B Wageningen, darcele mai preferate sunt elicele seriei Kaplan: “Ka-

series”.


32/252

ELICE SUPRACAVITANTE

Avantaje

eficienţa relativ mare în condiţii de supracavitaţielipsa eroziunii pe spatele palei, întrucât condensareavaporilor are loc departe de bordul de fugă

viteze de rotaţie şi de avans a elicei ridicate

o depresiune constantă pe spatele palelor, uniformdistribuită pe toată lungimea corzii profilului

Elicele supracavitante pot fi:

total imersate

parţial imersate


33/252

ELICE SUPRACAVITANTE

Total imersate Avantaje•eficienţă relativ mare

Dezavantaje

necesită apendici care sporesc rezistenţa la înaintaresunt foarte zgomotaoase datorită prezenţei cavitaţiei

Parţial imersate Avantaje

•eficienţă relativ mare•configuraţie care permite minimizarea rezistenţei apendicilor

Dezavantajeun impact mare al forţelor pe pală când pala intră în apă.


34/252

PROPULSORUL CU ARIPIOARE

Propulsorul cu aripioare se prezintă sub forma unui tambur cu axade rotaţie verticală , tambur amplasat la nivelul fundului navei.

Aripioarele sunt montate vertical şi echidistant la periferiatamburului, ele se rotesc odată cu acesta, executând concomitent

o mişcare de rotaţie locală în jurul axei longitudinale proprii.

Propulsor Kirsten Boeing Propulsor Voith Schneider


35/252

Propulsor Kirsten-Boeing Propulsor Voith-Schneider

PROPULSOARELECU ARIPIOARE

pot fi de două tipuri:• Kirsten-Boeing• Voith-Schneider.

În cazul propulsorului Voith-Schneider, palele execută o rotaţiecompletă în jurul propriei axe la fiecare rotaţie completă a tamburului.

Mişcarea oscilatorie de orientare a palelor se realizează cu ajutorulunui mecanism cu excentric, instalat în interiorul tamburului.

Punctul C se numeşte pol sau centru de comandă şi poate luadiferite poziţii în planul discului.Odată cu schimbarea excentricităţii are loc o variaţie a forţei de

împingere în mărime şi direcţie.


36/252

PROPULSOARELE CU ARIPIOARE

Sunt eficiente pentru propulsia navelor care operează în spaţii limitate,necesitând forţe mari de manevră şi viteze mici: macarale plutitoare,remorchere portuare, feriboturi, drăgi, pasagere fluviale.

Utilizarea lor se justifică atunci când se impun cerinţe cu privire lacalităţile manevriere ale navei şi atunci când datorită limităriipescajului nu se poate instala o elice cu diametrul necesar.

Dezavantaje: complexitatea construcţiei, greutatea mare şivulnerabilitatea mult mai mare în raport cu elice. Randamentul este maimic decât cel al elicei, datorită pierderilor mecanice mari. Utilizareapropulsoarelor cu aripioare necesită o reproiectare a formelor navei,

care să asigure o curgere corespunzătoare acestui tip de propulsor.


37/252

PROPULSORUL CU JETconstituie un serios competitor al elicei navale în cazul

navelor de viteză.

În cazul propulsorului cu jet, împingerea este creată prin refulareaapei de către o pompă sau un impeler situat în interiorul corpuluinavei. Cu ajutorul unor ştuţuri rabatabile, prin care este evacuată apa,

se realizează manevrarea navei.


38/252

PROPULSORUL CU JET

galeria de aspiraţie care materializează traseul apei absorbite dinexteriorul navei prin gura de captare amplasată pe fundul navei până lapompă

pompa care transmite energia de la axul motorului, fluidului delucru care formează jetul

ajutajul sau duza de evacuare pentru accelerarea jetului şievacuarea lui în afara corpului navei,

elemente componente:


39/252

PROPULSORUL

CU JET

Avantaje:poate opera in acvatorii de adâncime foarte redusa, cususceptibilitate minimă de avariere a impelerului, inclusiv datorităcorpurilor plutitoare.rezistenţa apendicilor redusă , andocare usoară.

manevrabilitate excelentă ,zgomot subacvatic mai mic al propulsorului, inclusiv datorită uneicavitaţii reduse.

“semnătura“ magnetică mai stearsă , elementele in rotaţie fiind “ascunse” in corp.

Dezavantajecostul iniţial al investiţiei substanţial mai mare,consumul de combustibil mai mare la viteze mici,accesisbiliatate limitată în vederea intervenţiilor şi reparaţiilor .


40/252

PROPULSOARE AZIMUTALE

Steerable thruster unit - sistem de propulsiecare foloseşte între maşina principală de propulsie şi

elice o transmisie în Z sau în L şi care poate realiza şimanevrarea navei prin rotirea propulsorului.

Z L


41/252

PROPULSOARE AZIMUTALE

realizează împingere maximă în oricedirecţie, indiferent de viteza navei, această

împingere î şi poate modifica direcţia funcţie denecesităţile manevrării navei.


42/252

Sisteme de propulsietip POD şi AZIPOD

Un sistem naval de propulsie are efect direct asupra greutăţii,mărimii, vitezei, manevrabilităţii şi amenajărilor unei nave

Neajunsuri transmisiei în Z şi L legate de limitarea puterii transmisepropulsorului şi de pierderile mecanice pot fi evitate prin montareaunui motor electric într-un carcasă cu forme hidrodinamice (gondolă)amplasată sub navă.

Aici, energia electrică produsă la bordul navei este transferatămotorului electric de curent alternativ care transmite directmomentul de rotaţie propulsorului de tip elice.


43/252

Sisteme de propulsie tip

POD şi AZIPOD

Sistemul de propulsie AZIPOD ( Azimuthing Podded Drive) înlocuieştesistemele clasice de propulsie şi guvernare, asigurând atât propulsianavei cât şi manevrarea acesteia.

Sistemul de propulsie este înglobat într-un modul hidrodinamicoptimizat amplasat sub carena navei care are posibilitatea de a se rotila 360o . Motorul electric de curent alternativ de mare putere esteamplasat în acest modul şi transmite direct mişcarea de rotaţie la una

sau doua elice.


44/252

Sisteme de propulsie tip AZIPOD

Avantaje

Asigură atât propulsia navei cât şi guvernarea şi manevrabilitateaacesteiaElimină componentele clasice ale unei instalaţii de propulsie şiguvernare.

Asigură navei o capacitate manevrieră deosebită în condiţii demare rea precum şi la viteze mici ale navei, acolo unde sistemeleclasice cu cârmă au eficienţă scăzutăReducerea spaţiului ocupat de instalaţia de propulsie la bordulnaveiReducerea nivelului de zgomote şi vibraţiiSiguranţă în exploatare

Consum redus de combustibil, cost redus al operaţiilor de întreţinereConstrucţie simplă şi solidă , montaj simplu

Dezavantajecostul total mare al sistemului


45/252

La alegerea tipului de propulsor pentru o navătrebuie tinut cont de :

destinaţia şi zona de navigaţie a navei

valoarea coeficientului de propulsie care poate fi atinsă

prin instalarea propulsorului alesefectele care însoţesc funcţionarea propulsorului(zgomote, vibraţii )

siguranţa în funcţionare a propulsorului respectiv

costurile pentru proiectarea, fabricarea şi exploatareaacestuia.


46/252


47/252


48/252

transformă energia mecanică produsă demaşinile principale de propulsie în energie

cinetică a navei, mai precis într-o forţă de împingere care antrenează nava în mişcare,forţă a cărei mărime depinde de valoarea

rezistenţei la înaintare a navei la viteza dorită.

PROPULSOARELE NAVALE - recapitulare


49/252

După modul în care este realizată forţade împingere, propulsoarele navale se împart în două categorii :

Propulsoare activePropulsoare reactive


50/252


vela ( nu necesită aparat motor )

rotoarele Flettner ( aplicaţie a efectuluiMagnus).

PROPULSOARELE ACTIVE

dezvoltă forţa de împingere prin acţiunea directă a

vântului.


51/252

produc forţa de împingere prin reacţia maseide apă care este obligată să se deplaseze în

sens contrar mişcării navei.


ramele, roata cu zbaturi, elicea navală ,

propulsorul cu aripioare, propulsorul cu jet.

PROPULSOARELE REACTIVE


52/252

Propulsoarele care produc forţa de împingere prin

reacţia masei de apă în care funcţionează , se împart întrei categorii:

A. Propulsoare cu jet de apă care nu au elemente

propulsive în exteriorul corpului navei, complexul depropulsie fiind alcătuit din canale şi pompe de diferitetipuri care absorb apa din exteriorul navei şi o refuleazăprintr-o conductă de evacuare.


53/252

B. Propulsoare la care reacţiunea apei se manifestă în

principal sub forma unei forţe portante şi doar într-o micămăsură sub forma unei rezistenţe, din această grupăf ăcând parte propulsorul cu aripioare Voith-Schneider şielicea.

C. Propulsoare la care reacţiunea apei se manifestă înprincipal ca o rezistenţă orientată în sens contrar mişcăriimecanismului de propulsie, în această categorie intrând roatacu zbaturi şi propulsorul cu aripioare Kirsten-Boering.


54/252

Împingerea utilă a propulsorelor reactivenavale poate lua naştere:

atât pe palele în mişcare

cât şi pe corpul navei sau pe elemente

fixate rigid pe corp.


55/252

În baza acestui criteriu, propulsorele navalese împart în:

Propulsoare cu pale - împingerea utilă este în principal o componentă a forţelorhidrodinamice dezvoltate pe palelepropulsorului (elice, propulsor cu aripioare)

Propulsoare cu dispozitive de orientare -realizează împingerea utilă pe seama forţelorcare apar pe palele propulsorului cât şi peelementele fixe ale unor dispozitive care fac

parte din corpul navei sau sunt fixate de acesta(duzele elicelor, conductele propulsorului cu jet).


56/252

1

GEOMETRIA ELICEI NAVALE


57/252

2

Numărul de pale – z - se alege deproiectant din consideraţii de vibraţii şi decavitaţie.

Dacă numărul de pale creşte se obţine oscădere nesemnificativă a randamentuluişi o reducere a diametrului optim.

Din punct de vedere al vibraţiile indusede elice, se recomandă creştereanumărului de pale.


58/252

La elicele navale, suprafaţa palei ce se vede din pupa, şi carecontribuie la creşterea presiunii când nava se deplasează înainte,se numeşte intrados (fa ţă , suprafa ţă de refulare sau fa ţă de presiune).

Suprafaţa care se vede din prova se numeşte spate, extrados ,suprafa ţă de aspira ţ ie sau fa ţă de suc ţ iune.

Extrados

Intrados

Suprafetele palei sunt


59/252

4

Intrados

Extrados

Linia de intersectie dintrecele doua suprafete elicoidaleformeaza conturul palei.

Suprafetele palei sunt

portiuni din suprafeteelicoidale.

Bord de atac

Muchie de intrare


60/252

Porţiunea din conturul palei corespunzătoare intrării curentuluide fluid în elice se numeşte muchie de intrare sau bord de atac.

Porţiunea din conturul palei corespunzătoare ieşirii curentuluide fluid din elice se numeşte muchie de ieşire sau bord de fugă.

Bord de fuga

Muchie de iesire

Muchie de intrare

Bord de atac

Muchie de intrare


61/252

Partea palei care este fixată de butuc poartă denumirea derădăcina palei.

Punctul cel mai îndepărtat de butuc se numeşte vârful palei.

Bord de fuga

Muchie de iesire

Muchie de intrare

Radacina palei

Varfulpalei


62/252

7


63/252

8

Cercul descris de vârful palelor la o rotaţie completă senumeşte discul elicei.

D - diametrul elicei

R = D/2 - raza elicei.

Aria suprafeţei discului elicei se calculează cu relaţia:

şi este în acelaşi timp secţiunea hidraulică a propulsorului.4

2

0

D A

Alegerea diametrului elicei se face din considerente energetice


64/252

9

Alegerea diametrului elicei se face din considerente energetice

şi constructive.

Alte recomandări utile în proiectarea preliminară sunt:

D/d 0.65 pentru vrachiere şi tancuri;D/d 0.74 pentru portcontainere.

În proiectarea preliminară se recomandă o valoare araportului diametru elice / pescaj

D/d 0.7.

Sensul de rotatie


65/252

10

Sensul de rotaţie al unei elice se poate determina în felulurmător: se aşează elicea în plan orizontal, dacă observatorulprivind una din pale are în dreapta muchia ridicată a palei, atuncielicea are sens de rotaţie dreapta.

Elicele pot fi cu sens de

rotaţie dreapta (caz în careobservatorul care prive

şte

din pupa, vede elicea

rotindu-se în sensul acelor

de ceasornic) sau cu sens de

rotaţie stânga.

La baza formării unei pale stă o suprafaţă elicoidală


66/252

11

p p ţ

Când linia generatoare AA’ a f ăcut o rotaţie completă , distanţape care a avansat punctul A de-a lungul axei x se numeşte pasgeometric şi se notează cu P.


67/252

12

Functie de modul în care seefectueaza cele doua miscari: derotatie si de translatie, pasulpoate fi constant si variabil.

În cazul miscarilor uniforme de rotatie si de translatie ageneratoarei, se obţine o suprafata elicoidala cu pas constant.


68/252

13

r Ptg

2

Dacă se desf ăşoară linia elicoidală ABC într-un plan, se obţine aşanumitul triunghi de pas.

- unghi de pas.


69/252

14

Dacă una dintre cele două mişcări sau amândouă suntneuniforme, atunci desf ăşurata liniei elicoidale este o curbă alcărui unghi de pas variază şi în acest caz se defineşte un pasmediu.


70/252

Butuc

Pasul elicei

d i a

m e t r u

l

Pasul elicei ( notat cu P sau H ) poate fi definit ca fiinddistanţa pe care se poate deplasa elicea la o rotaţie completă ,dacă se roteşte într-un solid f ără alunecare.

Linia teoretică de pas este linia elicoidală care trece prin cele


71/252

16

Linia teoretică de pas este linia elicoidală care trece prin cele

două margini ale palei la raza r.

Pasul P al liniei elicoidale care trece prin cele două margini

ale palei se numeşte pas de margine.

Elicea al cărei pas de margine are aceeaşivaloare la orice rază relativă este cu pas


72/252

17

valoare la orice rază relativă este cu pas

constant.

Dacă pasul de margine variază pe direcţiarazei, elicea este cu pas variabil.

r

rază relativă - r/R0.20.3

.

.

.0.91

În general pasul elicelor navale variază de-a lungul razeielicei, modificându-şi valoarea de la butuc spre vârf.


73/252

18

elicei, modificându şi valoarea de la butuc spre vârf.

rdr

rdr r P

PR

r

R

r

m

b

b


74/252

19

De obicei, valoarea medie a pasului corespunde cu valoarealocala a pasului la raza relativă r/R =0.7.

Funcţie de condiţiile de proiectare, unei valori optime adiametrului elicei îi corespunde o valoare optimă a pasului.

Raportul dintre pas şi diametru notat P/D sau H/D senumeşte raport de pas.

Observaţii

Forma paleiELICE CU PAS CONSTANT


75/252

Forma palei

ELICE CU PAS FIX

Fixed Pitch

ELICE CU PAS REGLABILControllable Pitch

Constant PitchELICE CU PAS VARIABIL Variable Pitch

Fixarea palei defata de butuc

Masurarea


76/252

21

pasului elicei

1h

2h

α

360P

GEOMETRIA PROFILELOR PALEI


77/252

22

Pentru definirea geometriei palei se analizează secţiunile prinpală f ăcute cu o serie de cilindrii coaxiali cu elicea.

r

r/R - rază relativă


78/252

23


79/252

24

Dacă se secţionează pala cu un cilindru de rază r, prin

desf ăşurare se obţine un profil hidrodinamic numit profilulpalei la raza r.

Bord de atacBord de fuga

Intrados (fata)

Extrados (spate)

Pentru reprezentarea geometrică a profilului palei la raza r se


80/252

25

definesc următoarele caracteristici:

coarda profilului - c sau br – distanţa măsurată pe liniateoretică de pas între bordul de atac şi bordul de fugă –

coarda profilului - reprezintă lăţimea palei corespunzătoarerazei r.


81/252

26

grosimea maximă a profilului – tmax sau er - distanţa maximă măsurată între extrados şi intrados după o linie perpendiculară pe linia teoretică de pas

Grosimea palelor se determină din

condiţii de rezistenţă.Grosimea palei este maximă la rădăcină

şi se micşorează către vârf.


82/252

27

grosimea profilului - t - distanţa măsurată între extrados şiintrados după o linie perpendiculară pe linia teoretică de pas

ordonata intradosului – yi

ordonata extradosului - ye

distanţa de la generatoarea palei la bordul de atac - x A sau bri

distanţa de la bordul de atac faţă de secţiunea de grosimemaximă - xt sau cr

La construcţia elicelor navale se utilizează:


83/252

28

profile standard

profile compozite

plan convexe

biconvexe

forma de pana

Profilele plan convexeprofile segment

Profile standard

Profile in forma de pana

elicele nave rapide elice supracavitante

Profile standardProfilele biconvexe - profile de aviaţie


84/252

29

utilizate la construcţia elicelor din seria B- Wageningen.

Ordonatele extradosului şi intradosului sunt date în general în

procente din grosimea maximă tmax şi sunt măsurate de la liniade pas.

Aşezarea fiecărei secţiuni prin pală în raport cu generatoareaeste dată de distanţa x A măsurată de la bordul de atac.

Profilele compozite


85/252

30

Profilele NACA sunt profile obţinute pornind de la o anumită formă a scheletului (curburii, liniei medii) şi a distribuţiei de

grosimi.Se defineşte curbura profilului (linia medie) dată prin cotele

ym şi se definesc ordonatele intradosului şi extradosului ca înfigura.

cele mai des utilizate pentru elicele navale sunt NACA 16NACA 66

RAPOARTE DE DISC


86/252

31

Proiecţia conturului palei pe un planperpendicular pe axa de rotaţie se numeştecontur proiectat.

AP - aria proiectată a tuturor palelor eliceipe planul YOZ, arie cuprinsă între conturulpalei şi linia de intersecţie a palei cu

butucul.

Raportul de disc proiectat

4

D

A

A

Aa2

P

0

PP

RAPOARTE DE DISC


87/252

32

În practică , pentru a aproxima ariasuprafeţelor palelor, se adoptă aşa numitulraportul de disc expandat Ae/Ao (notat înliteratura rusă cu

)

4D

A

A

Aa

2

E

0

EE

Aria expandată a unei pale este definită de linia care delimitează faţa activă a palei adusă la o formă plană , iar secţiunile prin pală


88/252

33

f ăcute cu cilindrii coaxiali cu elicea, sunt aşezate paralel una faţă de cealaltă la razele respective

Această linie de

contur va cuprindelungimea reală aprofilelor secţiunilorprin pală.

ă ă ă


89/252

34

Elicea trebuie să aibă o arie suficientă apalelor, pentru a evita încărcarea excesivă aacestora şi implicit pentru a evita apariţiafenomenului de cavitaţie.

Nave de vitezaNave mici

>0.650.45


90/252

35

Forma palei depinde de legea de distribuţie adistanţei x A de la generatoare la bordul de atac, la fiecaresecţiune prin pală , întâlnindu-se trei tipuri de contururiexpandate ale palei:

Conturul simetricConturul cu skewContur cu distribuţie simetrică a palei.

Conturul simetric

Conturul cu skewFORMA PALEI


91/252

36

Distribuţia de skew se poate defini prin:coteunghiuriprocente.


92/252

37

Conturul cu distribuţie simetrică a palei se obţine punând

condiţia ca generatoarea palei să treacă prin centrul de

greutate al tuturor secţiunilor palei

Se utilizează în cazul elicelor care lucrează la turaţii mari,

unde pot apare forţe centrifuge şi momente încovoietoaremari ale palei datorită distribuţiei asimetrice a materialului

palei elicei.


93/252

38

Rake-ul reprezintă înclinarea palei

în raport cu un plan perpendicular peaxa elicei.

Se alege astfel încât să se asiguredistanţa minimă necesară între elice şicorpul navei sau cavaleţi.

GEOMETRIA ELICEI

Di t l li i D


94/252

39

Diametrul elicei DNumărul de pale ZPasul P sau H Aria expandata a palelor Ae

Aria discului elicei AoSkewRakeForma profilului palei

Diametrul butucului elicei db

Rapoarte adimensionale Ae/Ao sau

– raportul de disc

P/D sau H/D – raportul de pasdb/D – diametrul adimensional al butucului

Contur expandatContur proiectat Vedere laterala


95/252

40

0 02400 3500 5862 1520 5

0.02820.3500.6012,0500.4

0.3240.3500.6131.8820.3

0.03660.3500.6171.6620.2

x4x3x2x1r/R

Contur expandat


96/252

41

1

0E

r xz

A/A

D b

2r ri x b b

ir r re b b b

4r xDe

0.0030-0-1.0

0.00720.5000.3511.5820.9

0.01140.4790.4631.9800.8

0.01560.4430.5242.1440.7

0.01980.3890.5612.1870.6

0.02400.3500.5862,1520.5


97/252

42Construcţia conturul proiectat şi a vederii laterale


98/252

43

INTERACINTERACŢIUNEAŢIUNEA


99/252

INTERACINTERACŢIUNEAŢIUNEA

CORPCORP -- PROPULSORPROPULSOR

În condiţii reale, elicea navală funcţionează în

pupa navei


100/252

pupa navei.

Între propulsor şi corpul navei există

o legătur ă mecanică

o legătur ă de natur ă hidrodinamică.

Legătura mecanică presupune


101/252

Legătura mecanică presupuneexistenţa unui sistem de transmitere a

mişcării de rotaţie de la motor la elice

şi de transmitere a împingerii realizatede elice la corpul navei.

Motor Reductor

Lagar Etansare

Cavalet

PB PS PD

PT

PE

PI

Interacţiunea hidrodinamică dintre corpul naveişi propulsor este mult mai complexă şi constă în


102/252

şi propulsor este mult mai complexă şi constă îninfluenţa reciprocă dintre: câmpul de viteze induse de propulsor

câmpul de viteze creat de corpul navei înmişcare.

INTERACŢIUNEA CORP PROPULSOR


103/252

Elicea navală funcţionează în dâra navei, dâr ă numită şi siaj, curentul de apă este perturbat de

carena navei ceea ce modifică viteza particulelor defluid care trec prin propulsor.



104/252

Funcţionarea propulsorului în apropierea carenei,modifică câmpul de viteze şi presiuni în jurul pupei

navei, ceea ce conduce la creşterea rezistenţei la înaintare a navei, efect cunoscut sub numele desucţiune.



105/252

Relaţiile dintre împingere, moment şi turaţiepentru elicea în apă liber ă (în curent uniform) nu vor

mai fi aceleaşi în cazul elicei în curent neuniform,perturbat de corpul navei.



106/252

De aceea trebuie f ăcută o diferenţă întrerandamentul elicei în apă liber ă şi randamentul

aceleiaşi elice în spatele corpului navei.

INTERACŢIUNEA CORP PROPULSOR: SIAJ


107/252

Elicea este amplasată în pupa navei şi ea lucrează îndâra hidrodinamică a corpului navei, dâr ă numită siaj.



108/252

O altă accepţiune a termenului de siaj este

mişcarea fluidului în zona în care este amplasată elicea.

În zona dârei de vârtejuri formată la pupa apare uncontracurent, o mişcare de înaintare a apei în acelaşisens cu nava.



109/252

Viteza medie de curgere a apei înplanul discului elicei numită viteză de

avans vA va fi în general mai mică decât viteza de înaintare a navei v.

Teoretic, viteza de siaj estediferenţa v - vA dintre viteza navei şiviteza de avans.

Prin coeficient de siaj w, se înţelege conform definiţiei dată deTaylor, raportul:

V

v1w A


Conform recomandărilor stabilite în 1972 la ConferinţaÎ


110/252

Internaţională a Bazinelor de Încercări – ITTC, după modul în care esteperturbat curentul în pupa navei, siajul poate fi descompus în patrucomponente:

siaj potenţial - datorat curgerii potenţiale de deplasare în jurulcorpului navei

siaj de strat limită - depinde de grosimea stratului limită siaj de desprindere – datorat desprinderii curentului în pupa

navei siaj de val – datorat mişcării particulelor la formarea valurilor în

pupa navei



111/252

În condiţii reale, elicea navală funcţionează în pupanavei, într-un curent neuniform perturbat de corp.

Neuniformitatea curentului la intrarea în elice este

caracterizată prin coeficientul de siaj.

În plus, influenţa unor factori cum ar fi starea mării,caracterul turbulent al curgerii în jurul corpului navei,

giraţia navei, intensifică neuniformitatea curentului incident în discul elicei.

INTERACŢIUNEACORP PROPULSOR:

SIAJ


112/252

Dacă pala elicei seroteşte în pupa navei, lao anumită rază, profilulpalei trece prin vitezediferite caracterizateprin coeficienţi de siajw(r,

) definiţi în punctede coordonate (r,

) în

discul elicei.

INTERACŢIUNEACORP PROPULSOR

Wake factor of a twin screw ship


113/252

CORP PROPULSOR:SIAJ

INTERACŢIUNEA CORP PROPULSOR:SIAJ

Valoarea medie circumferenţială a siajului axial wr la o anumită rază relativă r se calculează funcţie de valoarea locală a siajului


114/252

rază relativă r se calculează funcţie de valoarea locală a siajuluiw(r,

) cu relaţia:

2π

0

ctr r dθθr,w2π

1w

Valoarea globală a siajului în tot discul elicei se defineşte prin:

R

r

R

r

r

n

b

b

rdr 2π

dr wr 2π

w


Î t i t l d d t ili d i t t li i


115/252

mm

1m0

r a βmθcos A AV

v ,

V

v ,βmθcos A

V

vm

m

1m

t

În raport cu sistemul de coordonate cilindrice ataşat elicei,siajul are trei componente:

axială, tangenţială radială.

Prezentarea uzuală a coeficienţilor de siaj se face:

grafic analitic.

Prezentarea analitică se face prin dezvoltarea în serii Fouriera siajului.


Prezentarea grafică se realizează fie prin aşa numitele hăr ţi dei j di î fi i ţii d i j d î dif it t


116/252

siaj - diagrame în care coeficienţii de siaj se dau în diferite puncteale discului elicei, definite prin coordonate polare (pentru siajultangenţial) sau prin linii de egală viteză (pentru siajul axial),


Va/V


117/252

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 60 120 180 240 300 360

Unghi

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Diagrame în care este reprezentată variaţia siajului în senscircumferenţial la diferite raze relative,



118/252

Siajul caracterizează mişcarea fluidului în

imediata apropiere a zonei în care este amplasatăelicea.

Siajul poate fi analizat în absenţa elicei – caz încare poartă numele de siaj nominal, respectiv în

prezenţa elicei - caz în care poartă numele de siaj

efectiv.

Distribuţia de siaj nominal se poate determina



119/252

Distribuţia de siaj nominal se poate determina

experimental prin măsurarea câmpul de viteze în pupa

modelelor de carene, în planul discului elicei, înabsenţa acesteia.



120/252

Prezenţa elicei în pupa modifică distribuţia de

viteze în planul discului elicei.

Siajul efectiv se obţine teoretic prin extragerea

vitezelor induse de elice din câmpul total de viteze ce

rezultă când elicea funcţionează în pupa corpului

navei.


Siajul navei este la

SIAJULNAVEI


121/252

Siajul navei este la

originea fluctuaţiilor for ţelor

şi momentelor nestaţionareinduse de elice şi transmise

navei prin intermediul liniei

de arbori (for ţe de lagăr),este cauza cavitaţiei

nestaţionare şi a pulsaţiilor

de presiune pe bolta pupa

(for ţe de suprafaţă).

FORŢE SIMOMENTE

NESTAŢIONARE

INDUSE DE ELICE

ELICEASURSĂ DEZGOMOTE SI

VIBRAŢII

INTERACŢIUNEA CORP PROPULSOR:SUCŢIUNE

Elicea navală accelerează fluidul în discul propulsorului şi


122/252

Elicea navală accelerează fluidul în discul propulsorului şi

determină crearea unei zone de presiuni reduse în faţa elicei, care

afectează câmpul de presiuni în jurul corpului navei şi determină

creşterea rezistenţei la înaintare R a corpului navei cu mărimea R.

Acest fenomen poartă numele de sucţiune.

În general, sucţiunea se exprimă sub forma unei fracţiuni din

împingerea elicei:

Tt ΔR

INTERACŢIUNEA CORP PROPULSOR:SUCŢIUNE

Elicea trebuie să realizeze o împingere mai mare decât


123/252

Elicea trebuie să realizeze o împingere mai mare decât

rezistenţa la înaintare a navei:

TtR ΔRRT

Coeficientul de sucţiune este:

T

R1T

R-Tt


RANDAMENT RELATIV DE ROTAŢIE


124/252

Randamentul elicei în apă liber ă a fost definit ca fiind:

În spatele corpului navei, la aceeaşi viteză de avans vA , împingerea T şi turaţia n vor fi asociate cu un moment Q, iar

randamentul elicei în pupa navei va fi:

unde vA este viteza de avans, T împingerea realizată de elice, Qomomentul măsurat în apă liber ă la turaţia n.

o

A0

Qn2vT

Qn2

vT AB




125/252

Diferenţa dintre momentul în spatele navei Q şi momentul în

apă liber ă Qo este datorată mişcării de siaj din pupa, curgerea în

jurul palei fiind diferită în cele două situaţii.

Pe de altă parte, turbulenţa apei în spatele corpului navei

este mai mare decât în apă liber ă.




126/252

Raportul dintre randamentul elicei în pupa corpului navei B

şi randamentul elicei în apă liber ă o poartă numele de

randament relativ de rotaţie:

Q

Qo

B

o

o

BR

KK

QQ

Valoarea lui R este apropiată de unitate: pentru navele cu o elice R =1.0-1.1,

pentru navele cu două elice R =0.95 -1.0.

Se defineş

te coeficientul de influenţă

a corpului (randamentulcorpului sau eficienţa corpului):



127/252

AT

EH

vT

vR

P

P

w-1

t-1

w-1vT

vt-1TH



128/252

În fazele preliminare de proiectare coeficienţii de

interacţiune corp - propulsor se determina pe baza

unor formule aproximative şi diagrame recomandate

de literatura de specialitate.



129/252

În practica proiectării elicelor navale, în prezent, cele mai

reale valori ale coeficienţilor de interacţiune corp-propulsor seobţin în urma încercărilor experimentale de autopropulsie, în care

modelul navei este propulsat în bazinul de carene cu ajutorul unei

elice cu caracteristici geometrice şi hidrodinamice apropiate deviitoarea elice finală (caracteristici determinate în etapa de

proiectare preliminar ă).

COEFICIENTUL CVASIPROPULSIV

Coeficientul cvasipropulsiv este definit ca raportul dintreputerea efectivă de remorcare PE şi puterea disponibilă la elice PD.


130/252

nQ2π

vR

Qω

Rv

P

Pη

D

E

D

B

AD

vTnQ2P

oRHoRBB

A

Dw1

t1

w1

t1

vT

vR

Randamentul cvasipropulsiv este dat de relaţia:

oRHD


131/252

DoRHDDE PPP

BredaxBSD PPP

BredaxoRHDoRHE P PP

BDE PPP


132/252

TEORIA PROPULSORULUIIDEAL

Teoria propulsorului ideal


133/252

este cunoscută şi sub numele de teoria discului activ ,

are la bază teoria impulsului

a fost elaborată de RANKINE şi FROUDE.

Propulsorul ideal este asimilat unui disccircular, permeabil, f ără grosime, capabil să accelereze fluidul care îl străbate.

se consideră fluidul ideal (lipsit de viscozitate) şi

IPOTEZE


134/252

incompresibil

se consideră că jetul propulsorului este strict delimitat decurentul principal şi la o distanţă mare de propulsor jetul areformă cilindrică (la o distanţă apreciabilă în faţa şi în spatele

discului activ liniile de curent sunt paralele)

IPOTEZE


135/252

în secţiunile transversale ale curentului de fluid, distribuţia

vitezelor este uniformă ,

suprafaţa discului activ este permeabilă şi normală înfiecare punct al său la linia de curent care trece prin acel

punct

IPOTEZE


136/252

pe suprafaţa domeniului lichid ce delimitează zona de

acţiune a propulsorului, presiunea are aceeaşi valoare egală cu presiunea mediului înconjurător

se neglijează mişcarea de rotaţie a curentului din spatele

propulsorului.

Propulsorul ideal realizează accelerareanumai în sens axial a curentului de fluid care-lstrăbate.


137/252

Viteza la ieşirea dindiscul activ va fi maimare decât cea de laintrare.

Propulsorul va danaştere unei

împingeri , ca urmare


138/252

a reducerii presiunii

curentului de fluid laapropierea de acestaşi a creşterii

presiunii imediat înspatele discului.

Aplicand ecuaţia luiBernoulli între secţiunile


139/252

Bernoulli între secţiunile AA' şi I şi între BB' şi II

A

AAIII v

2

uuρ p pΔ p

A

AA v

2

uuAoρAoΔ pT

Împingerea care ia naştere pe suprafaţa Ao a discului activ

Mărimea forţei de împingere se poate determina şi dinteorema impulsului (teorema cantităţii de mişcare):

AAAA umvmuvmT


140/252

Do vAρm

masa de apă care trece prin unitatea de timp prin discul propulsorului

ADo uvAρT

A

AA v

2

uuAρAΔ pT

AT

2

uvv AAD


141/252

ADo uvAρT

2vvv ADTeorema lui Froude: viteza de trecere afluidului prin discul propulsorului ideal este

media aritmetică a vitezelor la infinit amonteşi aval.

Rezultă că viteza axială indusă creşte pe jumătate în faţa propulsorului şipe jumătate în spatele acestuia.

c

uoi

P

Pη

Randamentul propulsorului ideal

Au vTP


142/252

c

2

u

vTvTP

A

ADc

A

Aoi

2v

u1

1

η

2Ao

T

vAρ2

1

TC

2

AoT vAρC2

1

T


143/252

A

AA v

2

uuAρAΔ pT

2

vAρC

2

1v

2

uuAρT

2A

oTAA

A

2

vAρC

2

1v

2

uuAρT

2A

oTAA

A

)/ v(2x 2A


144/252

0Cv

u 2

v

uT

A

A

2

A

A

1C1v

uT

A

A

A

A

oi

2vu1

1η

T

oiC11

2η


145/252

1C1v

uT

A

A

TC11

T

oiC11

2η

Randamentul propulsorului ideal

este subunitar

depinde de V A , U A , CT

T

oiC11

2η

2Ao

TvAρ

21

TC


146/252

T

2Ao

T

vAρ2

1

TC

2Ao

T

vAρ21

TC

Randamentul propulsorului idealcreşte odată cu:

mărirea vitezei de avans v Amicşorarea vitezei axiale

induse u Amicşorarea împingerii T

mărirea ariei AO asuprafeţei discului (creştereadiametrului).

T

oiC11

2η

2Ao

TvAρ

21

TC


147/252

Se observă că pentru creşterea

randamentului este necesar să se micşorezecoeficientul de încărcare CT , dar, pentru oviteză şi împingere impusă , se constată că singura cale de rezolvare constă în creştereasecţiunii hidraulice de lucru sau mai exact adiametrului discului activ.

Permite determinarea performanţelor hidrodinamiceale elicei pornind de la teorema impulsului

Teoria propulsorului ideal


148/252

Explica dependenţa dintre randament şi încărcareapropulsorului, f ără a ţine seama de frecare.

Propulsorul este asimilat cu un concept teoretic (disc

activ) - capabil să creeze împingere prin accelerareacurentului de lichid.

Din păcate, această teorie nu dă nici o indicaţiereferitoare la proiectarea şi construcţia propulsorului.

Randamentul o al propulsorului real în apă liberă va fi

întotdeauna mai mic decât randamentul oi calculat dupăteoria propulsorului ideal, întrucât această teorie nu ţine contde vitezele tangenţiale induse, de vâscozitatea fluidului, etc.


149/252

oic0 ηη

- coeficient de calitate al propulsorului

c - raportul dintre randamentul propulsorului real şi randamentulpropulsorului ideal, cu condiţia ca în ambele cazuri coeficientul de

încărcarea să aibă aceeaşi valoare.

c =0.7..0.8 (experimental)

Teoria propulsorului ideal nu permite o proiectare reală apropulsorului, dar este un instrument de analiză aperformanţelor posibil de obţinut.


150/252

Modelul discului activ nu ia în considerare pierderileenergetice datorate rotirii curentului de lichid, pierderi careau loc în elicele reale,

ceea ce a condus la dezvoltarea modelului elicei ideale,conceput ca o elice cu un număr infinit de pale, f ără grosime.


151/252

TEORIA ELICEI IDEALE

Teoria propulsorului ideal nu ia înconsiderare pierderile energetice datoraterotirii curentului de lichid care străbate

Teoria elicei ideale


152/252

elicea.

Elice: cu un număr infinit de pale,f ără grosime,

care interacţionează , f ără frecare, cufluidul: ideal

incompresibil.

S-a dezvoltat modelul elicei ideale,

I

II

VA AV + u A


153/252

Înaintea elicei, la o distanţă suficient de mare, liniile decurent sunt paralele, particulele de apă deplasându-se cuviteza v A (viteză de avans).

I

II

DV

I

II

II

VA AV + u A


154/252

• La trecerea prin discul elicei, particulelor de apă li seimprimă o acceleraţie în sens axial dar şi o mişcare derotaţie.

• Jetul de apă care trece prin elice se va roti în acelaşi sensca şi elicea cu viteza unghiulară .

I DV

I

I

II

II

VA

DV

AV + u

A


155/252

Viteza indusă de elice (u) va avea:o componenta axială u Ao componentă tangenţială uT , (care măreşte pierderile

energetice din elice).

Datorită apariţiei vitezelor tangenţiale induse,liniile de curent în spatele elicei devin curbilinii.

Au TuComponentele şi

sunt uniform distribuite pe circumferinţă dar variază după rază.

ale vitezei induse


156/252

Elicele la care vitezele axiale şi tangenţiale induse sunt

comparabile cu valorile corespunzătoare ale vitezelor v A şi rsunt considerate elice greu înc ă rcate .

Elicele la care vitezele axiale şitangenţiale induse sunt mici comparativcu valorile corespunzătoare ale vitezelorv A şi r sunt considerate elice cuînc ă rcare slab ă


157/252

II

I

r I

r IIr


158/252

Fluidul care străbate discul elicei se

mişcă în straturi care au forma unor tuburiinelare de curent coaxiale cu elice.

I

II

dr I

dr dr

II

II

I

r

dr

I

I

r

dr

IIr

dr II


159/252

I

II

dr I II

Creşterea vitezei axiale se produce continuu.

Are loc o comprimare a curentului, cu reducere razei

rII r rI

drII dr drI

Performanţele elicei ideale se determină din teoremeleimpulsului şi momentului cinetic.

Se consideră elementul inelar de curent aparţinând disculuielicei cu un număr infinit de pale, f ără grosime, careinteracţionează cu fluidul ideal, incompresibil, f ără frecare.


160/252


161/252

Se consideră că mişcarea fluidului în tubul inelar dispus

între suprafeţele cilindrice de raze r şi r+dr nu este influenţată de celelalte elemente inelare.

Împingerea dezvoltată de un element inelar de elice

din teorema impulsului


162/252

AAAA umdvmduvmddT

DD vdr r 2πρvdAρdm

unde dm este masa lichidului care trece prin secţiuneaelementului inelar de elice în unitatea de timp:

2

uvv AAD

r d2

uvr ρ2πdm AA

Dvdr r 2πρdm


163/252

dr 2

uvuρr2πdT AAA

AudmdT

Pentru determinarea momentului de rotaţie dQ pentru un

element inelar se foloseşte teorema momentului cinetic , ţinândcont de faptul că în faţa discului elicei nu există vitezetangenţiale induse şi imediat în spatele acestuia, vitezeletangenţiale induse sunt egale cu uT:


164/252

r d2

uvr ρ2πdm AA

Tudmr dQ

dr 2

uvur 2dQ AAT

2

Puterea consumată de elementul inelar al elicei:

Tc udmr dQdP

O parte din această putere este consumată pentru realizarea împingerii


165/252

p g

AAAu vudmvdTdP

Au TuIar o altă parte pentru a imprima fluidului vitezele induse

şi

TAAT dPdPdP

;2

udm dP

2A

A

;

2

udm dP

2T

T

ωudmr dP Tc AAu vudmdP 2

udm dP

2

AA

2

udm dP

2

TT

Ecuaţia de bilanţ energetic este:

TAuATuc

dPdPdPdPdPdP


166/252

2

udm

2

udm

vudmudmr

2T

2A

AAT

2

udm

2

udmvudmudmr

2T

2A

AAT


167/252

2

uvu

2

ur u AAA

TT

2

ur ω

2uv

u

u

T

AA

A

T

Randamentul elementului inelar al elicei ideale

T

AAA

c

uri

udmr

vudm

dQ

vdT

dP

dPη


168/252

2

ur ω

2

uv

u

u

T

AA

A

T

ωr

2

uωr

2

u

v

vη

T

A

A

Ari

ωr 2

uωr

2

uv

vη

T

AA

Ari


169/252

2

uv

vη

A

A

Aa

randament axial alelementului de elice

ţine cont de pierderile energetice

pentru crearea vitezelor axialeinduse

este identic cu randamentul unuipropulsor ideal

ωr

2

uωr

η

T

t

randament tangenţial alelementului de elice

ţine cont de pierderileenergetice pentru creareavitezelor tangenţiale induse(pentru răsucirea curentului):

ωr 2

uωr

2

uv

vη

T

AA

Ari


170/252

2

uv

vη

A

A

Aa

ωr

2

uωr

η

T

t

AuTu

CTrecuperarea energiei de rotaţie

conţinută în jetul elicei

recuperarea energiei de rotaţie conţinută în jetul elicei,prin utilizarea sistemelor de elice contrarotative sau a

roţii Grim.


171/252

V

E

F

C

D

H

J

V

i

UT

UT

2

2

UA


172/252

dP

dF

dT

AB

G

V

V

V =T

i

AV

2

UT

r

dP

dT

V

E

F

C

D

H

J

V

V

i

UT

UT2

AV

2

UA


173/252

dF

AB

GV =

T

i

2

UT

r

2

uωr

2

uv

u

utgβ

T

AA

A

Ti

ATA vr xωuu2

1v

2

t

2

AA

2

uωr

2

uvv

2AAA

R

0

AAA

R

0

πR 2

uvuρdr

2

uvu2ππr dTT


174/252

R

0

AAT

2

R

0

dr 2

uvuρr 2πdQQ


175/252

TEORIATEORIATURBIONARATURBIONARA

Randamentulpropulsoruluiideal

uωr T

2

uv

vη

AA

A0i


176/252

ωr

2uωr

2

uv

vη

T

AA

Ari

Randamentuleliceiideale

i

i

T

AA

Ar

ctgβε1tgβε1

r 2

u-r ω

2

uv

vη

Randamentul

elementuluide pala

Teoria turbionar ă sauteoria circulaţiei se

bazează pe conceptulpotrivit căruia

fenomenul de curgerecu circulaţie în jurul

unui corp conduce laapariţia unei for ţeportante.

TEORIA TURBIONARA


177/252

Curgere uniformă (f ăr ă circulaţie) în jurul unui cilindru

Distribuţia de viteze şi de presiuni în jurul cilindrului estesimetrică, asupra acestuia nu va acţiona nici o for ţă.

TEORIA TURBIONARA


178/252

Curgerea în jurul unui cilindru rotitor

Distribuţia de viteze şi de presiuni în jurul cilindrului esteasimetrică

Datorită diferenţei de presiune de pe suprafaţa cilindrului ianaştere o for ţă portantă

TEORIA TURBIONARA

Conform teoremei Kutta Jukovski for ţa portantă peunitatea de lungime este:


179/252

Unde este circulaţia vitezei V de-a lungul liniei închise S

VL

Vds

TEORIA TURBIONARA


180/252

Portanţa unui profil depinde de dimensiunile şi formaprofilului şi de valoarea circulaţiei existente în jurul acestuia.

Viteza de pe extradosul profilului creşte în timp ce vitezape intrados scade indicând prezenţa unui vârtej care "inf ăşoar ă"profilul.


181/252

TEORIA TURBIONARA

Aripa portantă de anvergur ă finită

intrados - creştere a presiuniiextrados - scădere a presiunii

FORŢĂ PORTANTĂ

La extremităţile aripei diferenţa


182/252

La extremităţile aripei diferenţade presiune produce o deplasare afluidului de la zona cu presiune marela cea de presiune mică.

Această mişcarelaterală iniţiată pe aripă

se continuă în aval şiformează o suprafaţă de vărtejuri libere.

TEORIA TURBIONARA

Aripa portantă poate fi înlocuită cu două sisteme de vârtejuri:

Un sistem de vârtejuri legate de aripă, pe care iau naşterefor ţele şi momentele hidrodinamice care caracterizează interacţiunea aripă portantă - fluid

Un sistem de vîrtejuri libere paralele cu viteza la infinit care


183/252

Un sistem de vîrtejuri libere paralele cu viteza la infinit caresunt antrenate în jos de curent şi pe care nu se dezvoltă for ţehidrodinamice

TEORIA TURBIONARAA ELICEI NAVALE

Având în vedere că pala elicei poate fi asimilată cu o aripă deanvergur ă finită, modelele turbionare, elaborate pentru aripă, pot fi

adaptate şi la elice.


184/252

adaptate şi la elice.

Teoria turbionar ă permite descrierea funcţionării elicei f ăr ă amai fi necesar ă prezenţa fizică a acesteia.

Elicea se înlocuieşte cu o distribuţie de vârtejuri libere şilegate care prin vitezele induse conduc la aceleaşi performanţehidrodinamice cu elicea real

ă.

Elicea se înlocuieşte cu o distribuţie de vârtejuri libere şilegate:

Vârtejurile legate sunt fixe în raport cu palele şi pe ele iau

TEORIA TURBIONARAA ELICEI NAVALE


185/252

Vârtejurile legate sunt fixe în raport cu palele şi pe ele iaunaştere for ţe care caracterizează interacţiunea dinamică întredintre elice şi fluid.

Vârtejurile libere nu sunt fixe în raport cu palele, ele sunt

antrenate în jos de curent, pe ele nu se dezvoltă for ţehidrodinamice iar intensitatea lor depinde de intensitatea

vârtejurilor legate.

În modelele turbionare care utilizează singularităţi

de tip vârtej pentru modelarea curgerii reale în jurul palelor,calculul vitezelor de o linie de vârtej de intensitate = ct. seface cu relaţia lui Biot – Savart:

d l R


186/252

P 3

l

d l R V

4 R

r vuuv AATR 2T2

AA ur uvv

vR – viteza absolută

u A – viteza axială indusă

uT – viteza tangenţială indusă

i – unghi de avans inductiv

- unghi de avans

- unghi de pas

- unghi de atac


187/252

g

iiii tgβε1βdYcosβdXsinβdYcosdT

iiii βtgε1βdYsinβdXcosβdYsindF c

ii βtgε1βdYsindQ cr r dF

dr )r (VdY R


188/252

iiR tgβε1βcosVΓ(r)ρdT

dr V)r ( R ii βctgε1βsinr dQ RT

i v

uωr

cosβ

TiR uωr cosβv

A Ai

uvsinβ


189/252

iiR tgβε1βcosVΓ(r)ρdT

dr )uv()r ( AA iβctgε1r dQ

A AiR uvβsinv

R

iv

s β

dr )ur ( T itgβε1Γ(r)ρdT

dr )uv()r ( AA iβctgε1r dQ

dr )ur ( T itgβε1Γ(r)ρdT

vdTdPη Au


190/252

ωdQdPη

c

i

i

ii

iiActgβε1 tgβε1tgβtgβctgβε1 tgβε1ctgβrωvη

EELICE IN APALICE IN APALIBERALIBERA


191/252

CARACTERISTICI HIDRODINAMICECARACTERISTICI HIDRODINAMICEALE ELICEI NAVALEALE ELICEI NAVALE

În condiţii reale, elicea navală funcţionează în

prezenţa corpului navei, într-un curent neuniformperturbat de corp.


192/252

Performanţele hidrodinamice ale unei elicenavale depind de câmpul de viteze (siajul) în care

elicea funcţionează, astfel încât aceeaşi elice va aveaperformanţe hidrodinamice diferite în spatele a două carene diferite.


193/252

De aceea, în mod uzual, caracteristicile hidrodinamiceale unei elice navale se refer ă la performanţelehidrodinamice ale acesteia în „apă liber ă” sau altfelspus în curent uniform, neperturbat.


194/252

Performanţele hidrodinamice ale unei elice navale

sunt date de:

împingerea dezvoltată de elice - T - for ţă careasigur ă învingerea rezistenţei la înaintare a navei şideplasarea navei


195/252

momentul de rotaţie – Q – care trebuie să fie

echilibrat de momentul de rotaţie al maşinii principalede rotaţie transmis elicei prin linia de arbori

randamentul elicei în apă liber ă - o – definit ca

raportul dintre puterea utilă transformată în împingereşi puterea consumată pentru realizarea momentului Q

PROBE DE ELICEPROBE DE ELICE Î Î N APN APĂĂ LIBERLIBERĂĂ

• Caracteristicile hidrodinamice ale unei elice degeometrie dată se exprimă prin variaţia randamentului

o şi a coeficienţilor adimensionali ai împingerii KT şi

momentului KQ funcţie de valorile avansului relativ J


196/252

42T

Dρn

TK 52Q

Dρn

QK

Dn

V

J A

Q

T

0 K

K

2

J

Z = 4, Ae/Ao=0.68, P/D=0.8

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

KT

10KQ

Rand.


197/252

0

0.1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

J

Aceste curbe se obţin experimental prin încercări pemodele de elice în curent uniform, neperturbat de carena navei -

probe de elice în apă liber ă – si se realizează în:bazine de carenetunele de cavitaţie.


• În cazul executării probei în bazin, modelul elicei semontează pe dinamometrul de elice în apă liber ă, fixatde căruciorul bazinului, asigurându-se imersiunea

corespunzătoare axului elicei.


198/252


• Deplasarea elicei prin apă se va face cu elicea înfaţa dinamometrului. Astfel, viteza de avans în disculelicei în curent uniform (neperturbat) - vA - va fi egală

cu viteza de deplasare a căruciorului faţă de sol.


199/252

Se deplasează căruciorul cu o anumită viteză vA şise roteşte elicea cu o anumită turaţie n.


200/252

Se măsoar ă împingerea T şi momentul Q pentrudiferite valori ale vitezei şi turaţiei, deci pentru diferitevalori ale avansului relativ J.


201/252

PROBE DE ELICE ÎN APĂ LIBERĂ

• La realizarea probelor de elice în apă liber ă în tunelulde cavitaţie, modelul elicei se montează pe axuldinamometrului şi se roteşte cu o anumită turaţie n, în timp ce apa este recirculată în tunel de către

impeller cu o anumită viteză vA.


202/252


203/252


204/252

SIMILITUDINEASIMILITUDINEAEELICELOR NAVALELICELOR NAVALE


205/252

EELICELOR NAVALELICELOR NAVALE

În hidrodinamica navală , numeroase date cu privire laperformanţele elicelor se obţin prin încercări experimentale

pe modele la scară redusă.


206/252


207/252

Rezultatele experimentale pot fi aplicate de la elicea lascară la elicea reală în condiţiile în care sunt îndeplinite oserie de criterii de similitudine de ordin geometric, cinematic,dinamic, etc., criterii deduse cu ajutorul analizeidimensionale.

μ p,n,g,,vD,ρ,f T A

Impingerea elicei T în [N] sau [kg m/s2] :

Densitatea apei [kg/m3]

Diametrul elicei D [m]

Viteza de avans în discul elicei VA [m/s]


208/252

Viteza de avans în discul elicei VA [m/s]

Acceleraţ ia gravita

ţ ional

ăg [m/s2]

Turaţ ia n [s-1]

Presiunea apei p în [N/m2] sau [kg/(ms2)]

Coef. vâscozitate dinamic ă [Ns/m2] sau [kg/(ms)],( = )


Presupunând că f este dezvoltabilă în serie de puteri, abstracţief ăcând de un factor multiplicativ, fiecare termen al acestei seriiare forma:

jiedcA

ba μ pngvDρ


209/252

ji

2

ed

2

c b

a

32 TL

M

TL

M

T

1

T

L

T

LL

L

M

T

LM


j

A

i

2A

e

A

d

2A

2A

2

vDρ

μ

vρ

p

v

nD

v

gDvDρ

D p Dv


210/252

ReEu,Sh,Fr,f vD2ρT 1

2A

2

gD

vFr

Av

DnSh 2

A

vρ

pEu

DvRe A

Froude Strouhal Euler Reynolds

ReEu,Sh,Fr,f vD2

ρT 1

2A

2 2Ao

TvAρ1/2

TC

ReEuShFrfC


211/252

ReEu,Sh,Fr,f C 1T

Dacă parametrii din membrul drept au aceeaşivaloare pentru elicea model şi pentru prototip,curgerea va fi similară pe cele două elice iar valoareacoeficientului de împingere va fi aceeaşi pentruambele elice.

D

Se indexează cu N mărimile referitoare la elicea în natură şicu M – cele referitoare la model.

Similitudinea geometrică între cele două elice se realizează prin păstrarea proporţionalităţii dintre caracteristicilegeometrice ale discului elicei, conturului şi profiluluihidrodinamic al palei.


212/252

M

N

D

D

În practica experimentării elicelor navalenu este posibilă şi uneori nu este necesarsatisfacerea simultană a criteriilor desimilitudine Fr , Sh , Re şi Eu.


213/252

Fr Sh

Re Eu.

gD

vFr

Criteriul Froude

conduce la egalitatea rapoartelor :

vvvNANAMA

M N Fr Fr


214/252

λ vDgDg

v

MA

NA

�

Teoria propulsorului - Amoraritei Mihaela.pdf

Documents

Transcript of Teoria propulsorului - Amoraritei Mihaela.pdf