ANALIZA BRODSKIH PROPULZIJKSKIH SUSTAVA

Транскрипт

1 KINEMIK BROSKOG IJK, prema [] Za razvijanje teorija o radu brodskog vijka važno je poznavati kinematičke odnose strujanja oko vijka. a bi se stvorio uzgon, kao što je poznato to je sila okomita na smjer strujanja, tekućina mora strujati oko krila. o znači da treba ostvariti relativnu brzinu strujanja tekućine prema krilima vijka, koja će imati komponentu u ravnini okomitoj na smjer gibanja broda. ako relativno strujanje može se ostvariti rotacijom vijka, pri čemu glavina, koja povezuje krila, dovodi krila u gibanje i s krila prenosi sle na vijčanu osovinu. ijak se giba zajedno s brodom, to relativno gibanje vijka prema vodi posljedica je istodobne rotacije kutnom brzinom n, zbog koje na polumjeru r postoji obodna komponenta brzine krilnog presjeka prema vodi jednaka r i traslacije relativno prema vodi brzinom. Zbog sustrujanja, koje je posljedica utjecaja brodskog trupa na vodu koja uz njega struji, brzina pritjecanja vode vijku redovito je manja od brzine broda. ijak,djelujući na vodu silom jednakom sili poriva, ali suprotno usmjerenom, mjenja brzinu strujanja. romjena brzine strujanja vode izazvana radom vijka naziva se, kao i kod krila konačnog raspona, induciranom brzinom, a općenito ima aksijalnu U, tangencijalnu U i radijalnu U R komponentu. U = U + U +UR ijak vrteći se brzinom od n okretaja u jedinici vrimena giba se prema obali koja ga okružuje brzinom, pa se apsolutno ili linearno napredovanje definira kao kvocijent apsolutne vrijednosti brzine napredovanja i brzine vrtnje vijka: h p n

2 imenzija linearnog napredovanja je udaljenost (m), tako da se dijeljenjem s promjerom vijka dobiva bezdimenzijski koeficijent napredovanja vijka: J h p n Ovaj koeficijent je osnovna bezdimenzijska kinematička zančajka vijka, a naziva se i koeficijent brzine, o njoj ovisi dinamičko ponašanje vijka, tj. ovise bezdimenzijske hidrodinamičke značajke vijka K i K Q bezdimenzionaliziranini poriv i bezdimenzionaliziranini moment vrtnje. e su značajke za geometrijski slične vijke funkcija koeficijenta napredovanja J. K Q K 4 Q n n 5 Rezultat istodobne vrtnje brzinom n i pritjecanja vode vijku brzinom je relativno strujanje vode prema vijku. Za krilni presjek na polumjer r modul relativne brzine izražen formulom: r Kut smjera te brzine prema ravnini diska zove se norminalni kut napredovanja krilnog presjeka, a određen je izrazom: tg r J nr r r R r

3 r odnosni (relativni) polumjer promatranog krilnog presjeka. Gotovo redovito vijak je tako jako opterećen da se smije zanemariti samo radijalna komponenta inducirane brzine U R, dok se aksijalna i tangencijalna komponenta moraju uzeti u obzir, tada je apsolutna vrijednost rezultatne brzine definirana izrazom: RO U r U O O ok je hidrodinamički kut napredovanja krilnog presjeka dan formulom: tan 1 U O r U O Značajan polumjer porivnog vijka obično iznosi r/r =0,7. Smatra se da u području koje se nalazi na udaljenosti od oko 0,7 R od osi vijka vlada tlak jednak srednjem tlaku diska vijka. o proizlazi iz činjenice da je polovica ukupne površine diska vijka u području 0,7 R. Zbog tog, korak vijka obično se daje za tu vrijednost polumjera, r = 0,7 R. Jednažba za hidrodinamički uspon vijka: 0,7R arctan n arctan 0,7 r 0,7 r

4 U dijagramu na slici prikazan je odnos koeficijenata poriva i momenta prema iskoristivosti vijka u slobodnoj vožnji u odnosu na koeficijent napredovanja, čije su vrijednosti na apcisi, taj dijagram se naziva dijagram vijka u slobodnoj vožnji. ijagram vijka u slobodnoj vožnji (hidrodinamičke značajke modela vijka u slobodnoj vožnji) []

5 Stupanj korisnosti izoliranog vijka: 0 n Q J K K Q Stupanj korisnosti izoliranog vijka je omjer snage poriva koju taj vijak razvija i snage dovedene vijku. o je mjerilo dobrote pretvorbe snage toga vijka. Gore spomenute bezdimenzijske hidrodinamičke značajke dobivaju se tako zvanim pokusom slobodne vožnje vijka ili pokusom izoliranog vijka i ucrtavaju se u dijagram hidrodinamičkih značajki izoliranog vijka. ijagram hidrodinamičkih značajki vijka ovisi o obliku (geometriji), a ne ovisi o konkretnim vrijednostima promjera, brzine napredovanja, brzine vrtnje, gustoće medija, poriva, odnosno momenta. Na taj se način primjenom bezdimenzijskih koeficijenata generalizira dobivene podatke o vijcima, što omogućuje korištenje eksperimentalno dobivenih vrijednosti s modelima za široko područje dimenzije vijka. aleko najrasprostranjeniji sustavni niz modela je Wageningenska WB serija. (Wageningen je nizozemski grad u kojem ima sjedište i laboratorije MRIN jedna od u svijetu najpoznatija ustanova za ispitivanje brodskih modela). a serija obuhvaća danas vijke s do 7 krila, omjerpm raširene ploštine E / 0 od 0,30 d0 1,05, a ispitivani su omjeri uspona / = 0,5;0,6;0,8;1,0;1, i 1,4. Serija je namijenjena trgovačkim brodovima, prvi dijagrami objavljeni godine i to samo za vijke W.B.3.50, W.B.4.40 i W.B U ovim oznakama W se odnosi na Wageningen, B je tip serije, slijedeći jednoznamenkasti broj označava broj krila, a na kraju je decimalni dio omjera ploština E / 0.

6 W.B W- Wageningenu, B je oznaka za B-seriju vijaka, 4 je oznaka za vijak s 4 krilca, a 55 je oznaka za omjer površine krilaca vijka u odnosu na površinu opisanog kruga oko krilaca propelera koji iznosi Kada je brzina vrtnje vijka određena ili poznata, pomoću dijagrama jednostavno je odrediti optimalni promjer vijka. Optimalan promjer treba imati maksimalnu iskoristivost, pritom treba paziti na kriterije kavitacije. Na dijagramima su ucrtane krivulje konstantne vrijednosti iskoristivosti η o kao i konstantne vrijednosti recipročnog omjera napredovanja δ. Na apcisi su prikazane vrijednosti drugog korijena B p, dok su vrijednosti omjera uspona i promjera / prikazane na ordinati. Na apcisi u dijagramu korišten je drugi korijen vrijednosti B p da bi skala bila linearna. B n 1/ 5/, n 1 J n brzina vrtnje vijka - snaga predana vijku [kw], - brzina dostrujavanja vode vijku [m/s], = S (1-w) - promjer vijka [m].

7 ORI I SNG ROULZIJSKOG ISK ropulzijski disk je zamišljena, apstraktna tvorevina nastala pripisivanjem krugu, tj geometijskom liku. aj termin označuje krug postavljen okomito na smjer strujanja koji proizvodi u svakoj svojoj točki, a na račun utrošene snage, skok tlaka u tekućini koja kroz njega protječe. Na slici je prikazan disk ploštine o smješten je u paralelno strujanje tekućine kojoj je brzina konstantna i jednaka brzini napredovanja propulzora. ropulzijski disk je u realnosti neostvarivi idealni rektivni propulzor koji radi s najmanjim mogućim gubitkom snage. U- aksijalna komponenta brzine M - masa u jedinici vremena koja protječe kroz disk ploštine o UR radijalna inducirana brzina - poriv ropulzorski disk: brzine, tlakova i sile [3]

8 eorija idealnog propulzora pretpostavlja nepostojanje poprečnih brzina i sila, pa je stoga dovoljno promatrati samo komponente u smjeru x pojedinih vektora, sve brzine su konstantne po disku, radijalne inducirane brzine U R su zanemarene. ropulzijski disk inducira samo aksijalnu komponentu brzine U, koja je u ravnini diska označena simbolom U 0, a beskonačno daleko iza propulzora U. remda na disku nastaje skok tlaka, brzina mijenja postupno, obrnuto razmjerno sažimanju unutarnje struje. Specifična ukupna mehanička energija tekućine u strujanju, mijenja se skokimice pri prolasku tekućine kroz disk. eorija propulzijskog diska pretpostavlja da su brzina strujanja, tlak tekućine i njezina specifična energija konstantna po presjeku unutarnje struje. ropulzor se giba kroz tekućinu brzinom i pri tom stvar silu poriva, vrši koristan rad. Zato se korisna snaga propulzora, koju se naziva snaga poriva izražava kao : M U ropulzoru predana snaga samo se djelomice troši na stvaranje poriva. Stoga je ta snaga veća od snage poriva i u idealnoj tekućini jednaka mehaničkoj snazi predanoj tekućini. Kroz propulzor struji tekućina brzinom + Uo i na nju propulzor, vršeći rad, prenosi snagu koja mu je predana: U M U U ) 0 ( 0 ksijalni gubitak snage, zbog nazočnosti kinetičke energije translacije mlaza: L U 0

9 ri strujanju vode kroz propulzijski disk polovina njezinog ukupnog prirasta brzine zbiva se ispred, a druga polovina iza diska propulzora. Budući da kroz disk propulzora protječe u jedinici vremena masa M, to je snaga što ostaje u mlazu iza propulzora, a to su upravo aksijalni gubici L : L M U U L Iz opisa strujanja oko idealnog propulzora izlazi da se kod njega pojavjuje samo neizbježivi gubitak snage utrošene na stvaranje kinetičke energije traslacije mlaza. SUNJ KORISNOSI ROULZIJSKOG ISK od stvarnim stupnjem korisnosti ηo propulzora uvjek se smatra odnos snage poriva i propulzora predane snage. 0 Sva ova razmatranja odnose se na propulzor na kojega ne utječu bliža tijela u tekućini pr. trup broda, riječ je dakle o izoliranom propulzoru, odnosno o slobodnoj vožnji propulzora. Idealni stupanj korisnosti η I propulzora definira se kao kvocijent propulzoru predane snage umanjene za snagu aksijalnih gubitaka i propulzoru predane snage: I L

10 Budući da pri radu idealnog propulzora nastaju samo aksijalni gubici, to za njega vrijedi sljedeća relacija: L ako da njegov stvarni stupanj korisnosti ηo jednak idealnom stupnju korisnosti η I. Za svaki se propulzor, bez razlike, u jednolikom polju brzina pritjecanja može definirati Ch koeficijent opterećenja (propulzora) porivom - kojega se pomoću ploštine hidrauličkog presjeka propulzora o (za vijak je to ploština diska), izražava ovako: C h 1 0 Idealni stupanj korisnosti nekog stvarnog propulzora je jednak stupnju korisnosti jednako opterećenog idealnog propulzora. Idealni stupanj korisnosti propulzora smanjuje s povećanjem koeficijenta opterećenja porivom. I 1 1 C h - relacija etčinkina za idealni stupanj korisnosti propulzora.

11 Kod stvarnog se vijka pored gubitaka nastalog zbog postojanja kinetičke energije translacije mlaza, koji je nazočan i kod idealnog propulzora, javjaju još neki dodatni gubici. Njima su izvori: rotacija mlaza vijka, viskoznošću vode uvjetovani otpor vijčanih krila i ponekad kavitacija. Zbog navedenih dodatnih gubitaka kod brodskog vijka obično iznosi od 15 % do 5 %, vrlo rijetko 30 %, tako da se može napisati za brzu procjenu stupnja korisnosti vijka: 0 I (0.15do0,5) U pravilu je najveći ugradivi promjer vijka određen veličinom i oblikom krmenog dijela trupa, pri čemu treba osigurati dovoljne zračnosti između vijka i trupa, kako vibracijska uzbuda ne bi prekoračila podnošljivu razinu. Zato je uz poznati potrebni poriv pri zahtijevanoj brzini napredovanja definiran i najniži koeficijent opterećenja C h. Uvijek se želi postići što je moguće viši stupanj korisnosti vijka, kako bi se smanjili gubici energije, tj. da bi se uštedilo na pogonskoj snazi i gorivu.