NO336514B1 - Innretning for å motvirke dannelse av strømningsvirvler i det fluid som omgir propellers og/eller propelldrevs navområde - Google Patents

Abstract

Innretning til motvirkning av strømvirvler som blir dannet i fluidet i omgivelsene i navområdet til propeller og/eller propelldrivverk som har minst en skovl, hvorved krumningen på skovlen er rettet inn motsatt krumningen på propellen, karakterisert ved at skovlen (12) forløper fra en konusformet overgangsdel (9) over en sylindrisk navdel (10) til igjen konusformet divergerende avslutningsdel (11), hvorved den utvendige avslutningen på skovlen (12) foregår med en sylindrisk kappe (13) på 10 % til 50 % av lengden av skovlflaten.

Description

Innretning til motvirkning av strømvirvler som blir dannet i fluidet i omgivelsene i navområdet til propeller og/eller propelldriwerk. Her handler det om en rotasjonssymmetrisk overgangsdel (Hub Vortex Vane) mellom en propell og fluidet som grense opp mot den i stråleretningen (ikkekomprimerbart medium) på den samme rotasjonsaksen som propellen. Avhengig av hver utforming av propelldrivverket (bølgeanlegg, motorgondol, drivverksgondol) og mulige andre anheng (f.eks. ror eller ledeinnretninger) kan innretningen dreie med propellen eller bli utformet faststående. Anvendelsesområdene er fortrinnsvis mulig i skips- og flymaskinsbygging.

Propellene som skips- og luftskruer danner i ende på navsiden og likedan på den ytterste kanten av propellbladene energirike kantvirvler. Til forskjell fra de ytre kantvirvlene til de enkelte propellbladene forener de indre kantvirvlene på alle propellblader seg til en nawirvel i det omgivende fluidet i stråleretningen bak propellen, hvorved det geometriske stedet til navvirvelen veldefinert faller sammen med omdreiningsaksen til propellen. Her er det for utformingen av navvirvelen uten betydning om det bak den egentlige propellen befinner seg et strømningslegeme eller ikke. Høyt belastede propeller med forholdsvis store navdiametere danner for det meste sterkere nawirvler enn svakt belastede propeller med forholdsvis små navdiametere. I US 4 212 586 [2], 1978, EP 255 136 [3], 1987, EP 758 606, 1996 [4] blir forskjellige varianter til reduksjon av nawirvelandelen presentert. I trykksaken [1]: "An investigation into effective boss cap designs to eliminate propeller hub vortex caviation" av Atlar, M.; Patience, G. (Osterveld, M.W.C.; Tan, S.G. editors: Practical Design of Ships and Mobile Units, 1998 Elsevier Science B.V.) blir det gitt en utførlig oversikt over teknikkens stand. I [2] blir en variant av reduksjonen for nawirvler undersøkt hvor avgassene fra en forbrenningsmotor blir ledet gjennom navet og så blir det forsøkt å eliminere undertrykksområdet som blir dannet gjennom navvirvelen. I [3] blir i interaksjon med hvert enkelt propellblad det på navutløpet i tillegg anbrakt vinger som skal ha en nawirvelreduserende effekt. For støyreduksjon på marineskip, spesielt på U-båter, ble det hittil ved propellutkast forsøkt gjennom spesielle stignings- og Imjrnningsfordelinger på propellen å motvirke dannelsen av denne virvelen.Men dette kunne bare bli oppnådd med tydelige virlcningsgradstap.

Mens det med den metoden til reduksjon av de negative påvirkningene av navvirvelen som baserer seg på [2], som er relativt hyppig anvendt innen sportsektoren, hvor bare trykkforholdene i omgivelsesområdet til propellnavet ble påvirket, kan med denne utformingen hverken den egentlige virvelstyrken til navvirvelen eller en dreiemomentreduksjon foregå. En annen avgjørende ulempe den sterke støyemisjonen i tillegg i området til propellen og å opprettholde nawirvelkavitasjonen. Dessuten er det stilt spørsmål ved miljøfordrageligheten.

For navkappefinnene ifølge [3] befinner det seg på navutløpskappen til propellen nøyaktig like mange tilleggsvinger som propellen har blader og står i direkte vekselvirkning med disse. De er i alt vesentlig anbrakt utenfor grenseradien som skal betraktes senere (sammenlign figurene 1-3 i [3]) og kan utfolde sin optimale virkning bare for et relativt lite fremskrittsgradsområde (belastningsområde), da posisjonene til den indre kantvirvelen forandrer seg avhengig av fremskrittsgraden. Tross sin virvelreduserende effekt kan spesielt ved høyere belastninger ennå parasittiske kavitasjonsfenomener opptre med sin negative effekt på støyutstrålingen.

I [4] er lede finnene til reduksjon av navvirvelen allerede anbrakt innenfor grenseradien som blir forklart senere etter konsentrasjon av kantvirvelen til en enhetlig nawirvel og gir en virkningsgradsøkende effekt med sitt for det meste større antall en propellvingetallet, men kan ennå ikke helt undertrykke de parasittiske kavitasjonsfenomenene med sin negative effekt på støyutstrålingen.

Oppgaven som ligger til grunn for oppfinnelsen å utvikle en løsning for en tydelig reduksjon av energitap gjennom dannelsen av navvirvelen, for en støyreduksjon gjennom fluktuerende fenomener i området ved navvirvelen i propellavstrømmen og spesielt for støyreduksjonen ved kavitasjonsfenomener forårsaket av navvirvelen.

Hva oppfinnelsen angår blir denne oppgaven løst gjennom innledningen til krav 1. Fordelaktige utforminger av oppfinnelsen finnes i kravene 2 og 3.

Oppfinnelsen går ut fra en innretning til motvirkning av strømningsvirvler i fluidet i omgivelsene som dannes av propeller og/eller propelldriwerk i navområdet, som minst har en skovl, hvorved laumningen på skovlen er rettet inn motsatt krumningen på propellen.

Skovlen forløper hva oppfinnelsen angår fra en konusformet overgangsdel gjennom en sylindrisk navdel til igjen en konusformet divergerende avslutningsdel, hvorved den ytre avslutningen for skovlen foregår gjennom en sylinderformet kappe på 10 % til 50 % av lengden av skovlflaten.

Ifølge et utvalgt kjennetegn er flere skovler fordelt regelmessig i meridional anordning på overflaten til innretningen.

Ifølge et spesielt utvalgt kjennetegn begynner skovlene i sin radiale utstrekning i rotasjonsaksen til propellen og overskrider ikke en grenseradius Rq, innenfor hvor tangensialkomponenten Vtfor hastigheten Vw for virvelstrømmen er større enn periferihastigheten Vu som er forårsaket av propellomdreiningen.

Til grunn for oppfinnelsen ligger erkjennelsen at gjennom tilsvarende utforming hhv formgivning av innretningen kan dannelsen av virvler gjennom propellen i navomgivelsene bli motvirket, da trykkforholdene i disse omgivelsene gjennom utformingen av innretningen blir forandret målrettet.

Da det geometriske stedet for navvirvelen (indre kantvirvel) i motsetning til spissvirvelen (ytre kantvirvel) er godt kjent (omdreiningsaksen til propellen) og er uavhengig av propellens omdreiningstall og skipets hastighet kan med sekundære forholdsregler bare utviklingen av navvirvelen bli motvirket.

Med utformingen av innretningen som angår oppfinnelsen kan i det minste i navområdet energi bli vunnet tilbake fra virvlene og kavitasjonsdannelsen mest vidtgående bli forsinket, hvorved virkningsgraden til et skipsdriwerk kan bli nevneverdig forbedret rekkevidden for stedsbestemmelse av et marinefartøy betydelig redusert.

Fordelen ved oppfinnelsen beror på den hva oppfinnelsen angår første gang realiserte kombinasjonen av en tydelig virkningsgradsøkende virkning og en mest mulig vidtgående forhindring av et hvert kavitasjonsfenomen (med sin negative effekt på støyutstrålingen). I forsøksrekkene viste det seg sammenlignet med andre typer navfinner den høyeste virkningsgradsgevinsten for innretningen som angår oppfinnelsen. Ytterligere en gevinst blir det på sidene for propellutkastet for kavitasjonsfrie utforminger at man ikke lenger må gripe til noen virkningsgradssenkende forholdsregler for å forhindre nawirvelkavitasjon. D.v.s. allerede utkastet til propell har selv en høyere virkningsgrad som også blir forstørret gjennom energigevinsten gjennom HVV fra nawirveltapene.

Oppfinnelsen skal i det nedenstående bli nærmere beskrevet ved hjelp av et utformingseksempel. Tegningene viser i figur 1: virveldannelse etter propell langs en Hub Vortex Vane (i det etterfølgende kalt HVV), figur 2: en applikasjon 6 av en HVV som erstatning for et normalt navforløp, hvor HVV roterer med propellen, figur 3: en HVV 6 er fiksert til rorbladet 7 på et skip, figur 4: HVV er fast montert i enden av et motorgondol/pod/driwerkshus 8, figur 5: skjematisk fremstilling av en mulig utforming av en Hub Vortex Vane, figur 6: skjematisk fremstilling av ettervindkomponentene til hastighetsfordelingen i nærheten av propellbladene for radieforholdene 0,1 som sylinderavviklinger, figur 7: skjematisk fremstilling for ettervindkomponentene til hastighetsfordelingen i nærheten av propellbladene for radieforholdene 0,15 som sylinderavviklinger, figur 8: viser avhengigheten av kvalitetsgraden til fremdriften (propulsjonen) i forhold til Reynoldstallet.

Ifølge en fremstillingsteknisk enkel utforming av innretningen som angår oppfinnelsen omfatter Hub Vortex Vane minst en skovl 12 som i drift sørger for en reduksjon av nawirvelstyrken og navvirvelkavitasjonen forbundet med denne. En HVV kan til en hver tid etterutrustes, til dette må ingen andre komponenter bli byttet ut, snarere kan alle øvrige komponenter i driwerksystemet bli beholdt uforandret.

Fortrinnsvis er det forutsatt flere skovler regelmessig fordelt på omkretsen til HVV som er anordnet i meridional innretning. Antallet skovler er uavhengig av antall propellblader og ytterdiameter til HVV er begrenset til omtrent 0,16nav propell diameteren (ved medroterende HVV). Den indre begrensningen av skovlene blir dannet av et rotasjonslegeme med form ifølge henvisningene 9, 10, 11 og den ytre begrensningen av en ring med form 13. De spesielle indre og ytre begrensningene tjener en vidtgående undertrykking av mulige sekundære kavitasjonsfenomener ved den indre og ytre enden av skovlen(e).

Gjennom motsatt innretting av den sterke krumningen til navskovlene og Icrumningen til propellbladene er det mulig å avbøye de høye tangensialhastighetene i nærheten av navet til stråleretningen, slik at det blir skapt ytterligere skyvkraft. Dreiemomentet som opptrer her gjennom avbøyningen er likerettet med motormomentet som driver propellen, noe som er det samme som effektinnsparing. Dessuten fører den fullstendige eliminasjonen av navvirvelen til en reduksjon av støyutstrålingen.

HVV som angår er anvendbar såvel for skrupropeller som arbeider som trykkpropeller, som også for trekkpropeller.

Spesielt egnet er anvendelsen på propeller for høyere grader av skyvbelastninger, f. eks. på propeller som skaper en høy skyvkraft på forholdsvis liten flate og derved tvangsmessig forårsaker en forsterket navvirveldannelse. Her er det oppnåelige forbedringspotensialet tilsvarende stort.

Figurene 2-4 viser forskjellige applikasjonsmuligheter for HVV.

Skruepropellen ifølge figur 2 som arbeider som trykkpropell 1 med propellnav 2 har en meddreiende HVV 6 som i stråleretningen ligger bak propellen 1. Virvelen som danner seg bak propellen 1 langs HVV 6 består først av flere virvler som så meget raskt former seg sammen til en eneste virvel som etterlater seg sitt spor i et trangt begrenset område langs omdreiningsaksen til propellen. Dette forholdet er vist i figur 1. Omdremmgsretningen til denne virvelen faller her sammen med omdreiningsretningen til propellen og tangensialhastighetene til virvelen er størst innerst (i virveløyet potensialteoretisk uendelig stor) og avtar utover.

På grunn av økningen av tangensialhastighetene Vti fluidet inn mot virveløyet (ved nawirvel identisk med propellens omdreining sakse) ifølge en rent potensialteoretisk lov VT= IV (2 • n • r) (hvor TB er nawirvelstyrke), hhv ved å ta hensyn til seighetsbetingede påvirkninger (Oseen-virvel) tilnærmelsesvis med en egnet verdi for virvelalderen t.

opptrer innenfor en grenseradius Rq V [rB/ (2 • n • n)] (-0,16 RPmed RP= 1/2 DPpropellradius) tangensialhastighetene Vtsom er tydelig høyere enn periferihastigheten Vu for et punkt som roterer med propellomdreiningstallet n i avstanden r fra omdreiningsaksen. Inntil grenseradien RGer en energigjenvinning mulig for en medroterende HVV. For en fast montert HVV (sammenlign figurene 3 og 4) finnes ikke denne grenseradien.

Skovlene 12 på HVV strekker seg på grunn av dette fra propellaksen til maksimalt grenseradien RGfor å utnytte virkningen av skovlene fullt ut. Krumningen på skovlflatene er motsatt den på propellflatene. På denne måten blir virvelstrømningene i stråleretningen avbøyd, hvorved ytterligere skyvkraft blir skapt. I det viste utformingseksemplet er det vist åtte skovler fordelt på periferien av HVV (figur 5) som strekker seg fra enden 9 som vender mot propellnavet pos. 2 i figur 1 til enden av HVV ved 11 fra figur 5.

Spesielt fordelaktig i forhold til kjente løsninger med hensyn til å unngå nawirvler er den indre og ytre avslutningen på skovlflatene. Den indre tilknytningen for skovlflatene foregår fra en konusformet overgangsdel 9 fra trykksiden i propellnavenden 2 over den sylindriske navdelene 10 på HVV til igjen konusformet divergerende avslutningsdel 11 i navet til HVV. Den ytre avslutningen for skovlflatene til HVV foregår gjennom en sylinderformet kappe 13 på 10 % til 50 % av skovlflatene.

Den hydrodynamiske nytten av oppdelingen av navet til HVV i de tre avsnittene 9 til 11 består i konsentrasjonen av de enkelte (på navsiden) kantvirvelandelene for propellbladene til en konsentrert nawirvel, avbøyningen av den tangensiale hastighetskomponenten i hele området til skovlene 12 og oppsplittingen av en mulig restvirvelandel i området ved den divergente koniske avslutningsdelen 11. Diameteren til det sylindriske mellomstykket 10 skulle sammenfalle med diameteren til den seighetsbetingede virvelkjernen (virvelalder). Den dynamiske nytten av den sylindriske kappeflaten 13 rundt skovlene består i en forhindring av mulige parasittære kavitasjonsfenomener på den ytterste enden av skovlene.

Figurene 6 og 7 tjener til å vise avledningen av formen på skovlflatene. Her er vist ettervindkomponentene 14 for hastighetsfordelingen i nærheten av propellbladene 1 som er den vesentlige årsaken til at tangensialhastighetene oppstår bak propellen. Gjennom den i alminnelighet tilstedeværende økningen av stigningsvinkelen for propellbladene mot omdreiningsaksen og gjennom den virvelbetingede økningen av tangensialhastighetene må krumningen til skovlene 12 forandre seg avhengig av radien, slik at strømningslinjene blir avbøyd mest mulig til stråleretningen 15. I figurene 6 og 7 er disse forholdene for forskjellige radieforhold vist for sylinderawiklingene for radieforholdene 0,10 og 0,15.

Anvendelsesmulighetene og utformingene av HVV er vist i figurene 2 til 4. For trykkpropellanordninger i forbindelse med normale bølgeanlegg eller på driwerksgondoler eller på pods eller på andre motorgondoler er den meddreiende utformingen tilsvarende figur 2 en fordel. For propellanordninger hvor det bak propellen følger anheng som f.eks. et rorblad er en faststående utforming, som skissert i figur 3, hydrodynamisk fordelaktig. For trekkpropellanordninger på driwerksgondoler, Pods eller motorgondoler er en faststående utforming i enden av gondolen tilsvarende figur 4 fordelaktig.

Anvendelsen av spesielt utformede HVV er spesielt viktig på propeller for høyere grader av skyvbelastning. Slike propeller skaper en høy skyvkraft på forholdsvis liten flate og dermed tvangsmessig forsterket nawirvel. På grunn av det store tapet kan ved anvendelse av en HVV utformet som angår oppfinnelsen bli oppnådd en stor forbedring.

For en trykkpropellanordning ifølge figur 2 blir i figur 8 den oppnåelige nytten ved hjelp av en HVV "HVV" vist ved hjelp av målinger. Sammenlignet med en normal hyppig brukt navavslutning "normal" gjennom en enkel konisk navkappe stiger virkningsgradgevinsten tydelig med Reynoldstallet. Nawirvelkavitasjonen kunne gjennom anvendelse bli undertrykket fullstendig. Blir det til undertrykkingen av nawirvelkavitasjonen som ellers vanlig brukt divergente navforløp "divergent", stiger ved anvendelsen av HVV virloiingsgradgevinsten enda tydeligere.

Claims (3)

1. Innretning til motvirkning av strømvirvler som blir dannet i fluidet i omgivelsene i navområdet til propeller og/eller propelldriwerk som har minst en skovl, hvorved loumningen på skovlen er rettet inn motsatt krumningen på propellen,karakterisert vedat skovlen (12) forløper fra en konusformet overgangsdel (9) over en sylindrisk navdel (10) til igjen konusformet divergerende avslutningsdel (11), hvorved den utvendige avslutningen på skovlen (12) foregår med en sylindrisk kappe (13) på 10 % til 50 % av lengden av skovlflaten.

2. Innretning ifølge krav 1,karakterisert vedat flere skovler (12) er fordelt regelmessig i meridional anordning på overflaten til innretningen.

3. Innretning ifølge foregående krav,karakterisert vedat skovlene i sin radiale utstrekning begynner i rotasjonsaksen til propellen og ikke overskrider en grenseradius (Rg), innenfor hvor tangensialkomponenten (VT) for hastigheten (Vw) for virvelstrømmen er større enn periferihastigheten (Vu) som er forårsaket av propellomdreiningen.