NO770058L - Skipsskrue. - Google Patents

Description

Skipspropell.

Oppfinnelsen vedrører forbedringer ved en skipspropell og er spesielt rettet mot reduksjon av hvirvler ved bladspissene.

Det er utviklet mange teorier for å forklare drifts-prinsippene for propeller, men hvirvelteorien er blitt mest kjent og er nå benyttet som basis for propellkonstruksjoner av de fleste konstruktører.

Selv de beste propeller som er konstruert i samsvar med hvirvelteorien står overfor problemer med hvirvler ved bladspissene som reduserer propellens skyvekraft og derfor dens effektivitet og kan bevirke alvorlig kavitasjon og vibrasjon. Disse ulemper medfører at propellkonstruktørene benytter en radiell fordeling av den effektive stigning som avviker fra den mestønskelige og reduserer således fremdriftseffektiviteten.

For å unngå hvirvler ved bladspissene ved en vanlig propell som drives i en ideell væske, ville en uendelig propell-diameter være nødvendig med hvilken stigningen ville gå mot null. Det er imidlertid klart at denne løsning ikke er anvendbar .

For å redusere hvirvlene ved bladspissene er det blitt foreslått å drive propellen i en koaksial dyseformet rotasjonskanal, men dette medfører mange problemer og ulemper, ikke bare fordi festingen av slike kanaler til et skipsskrog er dyr, men også fordi de øker skipets oppbremsing oa resulterer i kavi-tasjonsproblemer som en følge av selve kanalen.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å til-veiebringe en skipspropell med en slik konstruksjon at hvirvlene ved bladspissene reduseres i et ønsket forhold uten å måtte gå til en reduksjon av stigningen, krumningen av bladspissdelene eller begge disse parametre samtidig, og hvor det ikke er nødven- dig å avvike fra optimal radiell fordeling av den effektive stigning for bladene under hensyntagen til den totale fremdrifts-effektivitet.

Generelt omfatter oppfinnelsen innføringen av en eller flere barriéreplater med egnet form og dimensjon i et propellblad med standard utforming, idet disse plater anordnes på tvers av bladflaten, enten i spissens omkretsdel for å unngå bladspisshvirvler eller i en hvilken som helst omkretsdel som generelt tjener til å hindre væske i å strømme radielt til propellen.

De nye trekk som kjennetegner oppfinnelsen er angitt

i kravene.

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere forklares med hensyn til oppbygging og anvendelse ved hjelp av utførelses-eksempler som er fremstilt på tegningene, som viser: fig. 1 et skjematisk tverrsnitt av et strømningspro-fil med uendelig spennvidde ved tilstedeværelsen av en fluid-strøm med jevn hastighet,

fig. 2 et skjematisk tverrsnitt av et strømningspro-fil med uendelig spennvidde og med uendelig liten tykkelse,

fig. 3 et skjematisk riss av hvirvelfeltet i et ideelt fluidum, i tilfelle av et strømlinjeprofil med endelig spennvidde i henhold til Helmholtz' teori.

fig. 4 et skjematisk riss av fluidsirkulasjonsfordel-ingen ved et strømlinjeprofil med endelig spennvidde,

fig. 5a og b skjematiske tverrsnitt og lengdesnitt

av en propell som viser en mellomliggende omkretsdel som er ekvivalent i første tilnærming til et strømningsprofil med uendelig spennvidde,

fig. 5c et skjematisk horisontalsnitt av bladet med resulterende hastighetsdiagram,

fig. 6a og b skjematiske tverrsnitt og lengdesnitt

av en propell som viser den nye barriéreplate ifølge oppfinnelsen anordnet på et propellblad,

fig. 7a - 7j skjematiske lengdesnitt av foretrukne alternativer og varianter av oppfinnelsen, tatt langs langsgående snitt av propellen eller propellbladet i krysningen med barriéreplatene, hvilke plater er anordnet på en slik måte at deres indre flate er tangent til sylinderen som rager ut fra propellkonturen med generatriser parallelle til propellakselen,

fig. 8 et langsgående skjematisk delsnitt av en propell som viser påsettingsmuligheten for flere barriéreplater på et propellblad,

fig. 9a og 9b skjematiske riss av barriéreplate-flatekonturer som er utviklet på tangensielle plan til sylindre som rager fra propellkonturene med generatrisene parallelle til propellakselen,

fig. 10a og 10b skjematiske tverrsnitt og lengdesnitt av en propell ifølge oppfinnelsen,

fig. 10c og 10d tilsvarende lengdesnitt av forskjellige utførelser og

fig. 11 et perspektivriss av propellen som er vist på fig. 10a og 10b.

På figurene er det benyttet de samme henvisningstall på de samme deler.

Den underbyggende teori for oppfinnelsen er generelt beskrevet med spesiell henvisning til fig. 1-5.

Når et strømlinjeprofil 1 med uendelig spennvidde, som vist på fig. 1, befinner seg i en fluidumstrøm 2 med jevn hastighet v, dannes en fluidumsirkulasjon 3 rundt profilet. I denne sirkulasjon 3 utvikler fluidumet en høyere hastighet 4, svarende til v + v, på baksiden 5 av profilet i forhold til den aktive flate 6. Hastigheten 4' (svarende til v - v) på den aktive flate 6 er lavere og følgelig vil trykkreftene som virker på flatene 5 og 6 være ubalanserte. En resulterende kraft med to komponenter 7 og 8 (parallelt og vinkelrett til den jevne strømningsretning) fremkommer. Den første av disse krefter 7 (oppbremsing) har en tendens til å forskyve profilet i strøm-ningsretningen 2 (bevegelseskraft), og den andre kraft 8 (løfte) har en tendens til å forskyve profilet vinkelrett til strøm-ningsrentningen 2.

Teoretiske betraktninger fører til den konklusjon at løftekraften ved hvert punkt er proporsjonal til fluidumtetthe-ten, til strømningshastigheten, til fluidumsirkulasjonen ved punktet og til differensialflaten på hvilken den virker.

Når den strømlinjede profil 1' har en uendelig liten tykkelse, som vist på fig. 2, vil den dannede hastighetsfordel-ing kunne betraktes fra et intuitivt synspunkt til å være resul-tatet av overlappingen av et ubestemt antall hvirvelbevegelser 4'' som alle har samme intensitet. Generelt vil antall hvirv ler pr. lineær enhet•9 ikke være jevn langs den gjennomsnittlige tykkelseslinje 1' til strømlinjeprofilet.

Når strømlinjeprofilets spennvidde 1 er uendelig,

vil sirkulasjonen ved hvert abscissepunkt, målt fra profilets fremre kant være den samme i alle tverretninger, men dette er ikke slik når profilet har en endelig spennvidde, da noen hvirvelbevegelser hvis akse er mer eller mindre vinkelrett til de som er tidligere nevnt.fremkommer på profilsidene på grunn av det faktum at fluidumet har en tendens til å strømme fra høy-trykksflaten 6 til lavtrykksflaten 5.

Ifølge Helmholtz kan en hvirvel i et ideelt fluidum

ikke forsvinne. Dette er grunnen til at hvirvlenes akser i de ytterste deler i tilfelle av en strømlinjet profil må utstrekke seg til uendelig. Fig. 3 viser de fremre hvirvler 10 og bladspisshvirvlene 11 i henhold til Helmholtz-teorien. Tilstedeværelsen av disse hvirvler reduserer den totale sirkulasjon på profilet og derfor likeledes dens løftekraft.

Den måte som sirkulasjonen ved et profil med endelig spennvidde er fordelt på er skjematisk vist på fig. 4. I dette tilfelle svarer sirkulasjonene 10', IO<1>' og IO'<1>' til sirkula-

sjonen 12 på fig. 3, og sirkulasjonene 11' svarer til sirkula-

sjonen 11 på fig. 3. Som en første tilnærmelse ved hvirvelteo-

rien er det antatt at ytelsen til en propellomkretsdel (med radius r - angitt som 12 på fig. 5a - med et propellnav 13 og med et blad 14 utstrakt i en retning) er tilsvarende til det som oppnås ved strømlinjeprofilet 15 ved uendelig spennvidde, fig.

5c, i et jevnt hastighetsfelt hvis. retning og størrelse bestem-

mes ved addering av propellens aksialhastighet 16 og propellde-

lens tangensielle hastighet 17 ved en radius r eller punkt 12.

Da hver radialdel 12 har en bredde dr, er denne antagelse ikke riktig, og innføringen av visse retningskoeffisienter og beregninger er vesentlig.

De mest sofistikerte teorier betrakter løftekraften

som stammende fra en bidimensjonal fordeling av radielle og tangensielle hvirvler og tilstedeværelsen av tangensielle hvirv-

ler forårsaket av eksistensen av bladspisshvirvler. Virkningen av bladtykkelsen betraktes i beregninger som overlappende på

hver propellomkretsdel av et hastighetsfelt som bevirkes av for-delingen av kilder og senker. Det kan utledes av fig. 4 at til-

stedeværelsen av bladspisshvirvler 11' reduserer propellens skyvekraft og derfor effektiviteten for propellen. For å forebygge slike hvirvler ved vanlig propelldrift i et ideelt fluidum uten å redusere den effektive stigning i propellens endedeler, vil det være nødvendig med en uendelig diameter ved hvilken stigningen vil nærme seg null. Det er åpenbart at denne løsning ikke er mulig når en propell drives i en viskos strøm.

For å redusere bladspisshvirvlene uten å redusere den effektive stigning, kan propellen drives i en dyselignende koaksial rotasjonskanal. Kanalens langsgående indre kontur kan utformes til å være konvergent, divergent, parallell eller blandet med hensyn til innstrømning. Imidlertid er tilpasningen av slike kanaler til et skipsskrog dyr, og i tillegg vil skipets oppbremsing økes, og kanalen i seg selv gir en vanskelig kavita-s jon.

Oppfinnelsen vedrører tilføyelsen på hvert blad i en vanlig propell av en barriéreplate som motvirker bladspisshvirvlene, vist ved 11' på fig. 4. Forskjellige utførelser for oppfinnelsen er vist på fig. 6-11.

Fig. 6 viser innføringen (på en vanlig propell med nav 13 og blad 14) av en barriéreplate 18 som er anordnet på en sylindrisk flate koaksial med propellen for å forebygge opptre-den av bladspisshvirvler, dvs. for å motvirke hvirvlene av typen 11', vist på fig. 4.

Hele geometrien til barriéreplaten eller elementet 18 og på resten av propellen må eksperimentelt optimaliseres med hensyn til dens fremdrifts- og kavitasjonsegenskaper. Imidlertid er dens ytelse utledbar av konvensjonelle beregninger.

Innføringen av barriéreplatene 18 på propellbladene gir opphav til noe friksjonstap som blir mer enn kompensert av effektivitetsøkningen som propellen oppnår når dens effektive stigning kan fordeles for å øke radielt på en progressiv måte.

De nevnte tap kan reduseres til et minimum ved minimalisering av det utviklede område av platen 18. Enhver propell med element 18 har en reduksjon i stigning for å unngå forandringer i om-dreinings tilpasningen .

Imidlertid kan platene 18 også utformes til å ha et strømlinjeformet profil som kan gi ekstra skyvekraft og således gi en fremre kant form svarende til den for propellbladet. Det betyr at platene 18 (som er innarbeidet i propellbladene) bør ha en utforming som er egnet for hastighetsfeltet i hvilket propellen virker og være klart avhengig av akterendeutformingen for skipet på hvilket propellen anbringes.

Innføringen av barriéreplater 18 vil være fordelaktig hvis de.fordeler som oppnås fra øket skyvekraft som tilføres av propellen og ved å unngå tilstedeværelsen av bladspisshviryler f kompenserer overflatemotstanden som frembringes i bladet ved tilføyelse av barriéreplatene. Alternativt kan tilføyelsen av barriéreplater være fordelaktig hvis de lykkes i å forbedre ka-vitasjonen som fremkommer på propellen og dens tilbakevirkning på trykkforandringen som virker på motstevnen.

Platene' 18 kan festes til propellbladene 14 ved sveis-ing eller ved annen egnet fremgangsmåte eller de kan støpes samtidig med propellkonstruksjonen ved en hvilken som helst kjent teknisk metode og med et hvilket som helst egnet materi-ale. Fig. 7a - 7j viser som alternativ forskjellig mulige relative utforminger mellom barreiéreplatene 18a - 18j og propellblad 14 som platene er festet til. Hver av disse figurer viser en utforming ved snittlinjen mellom blad oa plate i et plan som inneholder aksen for pro<p>ellakselen. Figurene er eksempler på foretrukne utførelser for platene som påsettes bladene. I hvert tilfelle er platen (18a - 18j) på samme måte som platen 18 på fig. 6a, utformet som en sylindrisk koaksial flate med propell-aksel. Det er åpenbart av fig. 8, som viser en annen utførelse, at ved enhver annen propellomkretsdel som svarer til en radius r kan plaseringen av en eller flere barriéreplater ' 19 på bladet 14 gjentas enten de har identisk utforming med hensyn til platen 18 på bladspissen eller ikke. På samme måte kan plater 19 plaseres enten på en eller begge sider av propellbladet 14, sett mot det kanaliserte fluidum som flyter, over propellbladet. Til dette viser fig. 8 et blad med to mellom<p>later 19 og en endepla-te 18 som alle er anbragt på begge bladsider. De tidligere an-førte betraktninger med hensyn til platene 18 kan også anvendes for elementene 19. Fig. 9a og 9b er skjematiske riss av barriére<p>late-flatekonturer som er utviklet på et tangensielt plan til sy-lindrene som rager frem fra propellkonturene med generatrisene parallelle til propellakselen. Henvisningstallet 21 svarer til propellakselen og henvisningstallet 22 til utviklingen av blad-spisskonturen. Platekonturen 20 kan ha en hvilken som helst generisk utforming som er forenlig med det formål som skal oppnås, forutsatt at utformingen er anvendbar sett fra et fremdrifts- og kavitasjonssynspunkt, og dette gjelder også for platene 19. På fig. 9b er det vist en lignende, men kortere og

mer smalt utformet utvikling 20' for en annen plate festet til et blad 22' med et betydelig tykkere ovalt tverrsnitt.

Fig. 10a, 10b og 11 viser barriéreplater 18 anbragt på alle fire blad til en firebladet propell. Fig. 10c og 10d viser varianter av bladene.

Det er åpenbart at barriéreplatene ifølge oppfinnelsen ikke på noen måte begrenser antall propellblad, anordningen av slike blad eller deres geometri. Oppfinnelsens anvendbarhet avhenger bare av tilpasningen av helheten til fluiduminnstrøm-ningen.

Av den ovenstående beskrivelse er det videre åpenbart

at barriéreplatene ifølge oppfinnelsen gir følgende fordeler: Propeller utstyrt med de nye barriéreplater ifølge oppfinnelsen gir bedre ytelse enn vanlige propeller hvis stigning reduseres i deres spissomkretsdeler av kavitasjonsgrunner.

Det er mulig å fremstille propeller med mindre diameter enn vanlige propeller uten tap av fremdriftsvirkning.

Oppfinnelsen tillater eliminasjonen av trykkforand-ringer i et skips stevnoverheng som fremkommer av kavitasjon som utvikles i propellen, da dannelsen av hvirvler mellom kavita-sjonssonen og skipsskroget forhindres, og dette reduserer således vibrasjonsnivået for fartøyet.

Bruken av barriéreplatene gjør det unødvendig å av-laste propellbladene og således det ekspanderte flateforhold (se "Hydrodynamics in Ship Design", H. Sanders, vol. 1, side 453, publisert av The Society of Naval Architects and Marine Engineers) kan reduseres.

Da tilstedeværelsen av bladspisshvirvler unngås ved bruk av barriéreplatene ifølge oppfinnelsen, kan beregningene for konstruksjon av propellen forenkles og således forbedre sammenhengen mellom den forut beregnede og virkelige ytelse for propellen.

Claims (12)

1. Skipspropell omfattende et roterbart nav og ett eller flere blad som utstrekker seg radielt fra navet, karakterisert ved at minst en plate er festet til minst ett av bladene og utstrekker seg på tvers av dette, hvilken plate har en' generatrise som er rotert om navets akse, hvorved platen er effektiv for reduksjon eller å overvinne bladspisshvirvler og forbedre effektiviteten og ytelsen til propellen.

2. Skipspropell ifølge krav 1, karakterisert ved at platen er strømlinjet og gir en belastningsfront for fluidumstrø mmen og ekstra skyvekraft til propellen.

3. Skipspropell ifølge krav 1, karakterisert ved at platen er anordnet på en omkretsdel av bladspissen.

4. Skipspropell ifølge krav 1, karakterisert ved at platen er anbragt på en omkretsdel av bladet innenfor bladspissen.

5. Skipspropell ifølge krav 1, karakterisert ved at platen utstrekker seg utover en side av bladet.

6. Skipspropell ifølge krav 1, karakterisert ved at platen utstrekker seg utover begge sider av bladet.

7. Skipspropell ifølge krav 1, karakterisert ved at minst en av platene er anordnet på hvert av flere blad på propellen.

8. Skipspropell ifølge krav 7, karakterisert ved at platene er anordnet på omkretsdeler av bladspissene.

9. Skipspropell ifølge krav 7, karakterisert ved at platene er anordnet på omkretsdeler av bladene innenfor bladspissene.

10.S kipspropell ifølge krav 7, karakterisert ved at platene utstrekker seg utover en side av bladene som de er festet til.

11. Skipspropell ifølge krav 7, karakterisert ved at platene utstrekker seg utover begge sider av bladene som de er festet til.

12. Skipspropell ifølge krav 7, karakterisert ved at mer enn en av platene er anordnet på hvert av flere blad på propellen.