Sprawność śruby okrętowej w zależności od liczby łopat

Techniczne zagadnienia okrętowe

Moderatorzy: Marmik, crolick

Awatar użytkownika
CIA
Posty: 1657
Rejestracja: 2004-01-18, 12:46
Lokalizacja: Gdansk

Sprawność śruby okrętowej w zależności od liczby łopat

Post autor: CIA »

Ponoć największą sprawność ma śruba napędowa z jedną łopatą. Ze względu na wibracje konieczne są przynajmniej dwie łopaty. Najpopularniejsze były jednak trzy łopaty. Ma ktoś może jakąś prostą tabelkę w układzie procentowym ze sprawnościami śruby w zależności od liczby łopat? Zdaje się, że gdzieś w necie taką widziałem, ale mi wsiąkła :( Rozumiem , że zjawisko jest złożone, ale chodzi mi o szacunkowe wartości.

Znalazłem coś, ale to nie to co chciałem...
SRUBY.jpg
SRUBY.jpg (14.48 KiB) Przejrzano 7024 razy
oskarm
Posty: 1407
Rejestracja: 2012-08-30, 18:23

Re: Sprawność śruby okrętowej w zależności od liczby łopat

Post autor: oskarm »

Cos mi sie wydaje, ze nie da rady takiego porownania zrobic, by mialo ono jakiekolwiek naukowa wartosc. Za duzo zmiennych, takich jak: srednica, predkosc obrotowa, predkosc statku, ksztalt itd. Troche jak ocena atrakcyjnosci kobiety po rozmirze piersi...?
Awatar użytkownika
CIA
Posty: 1657
Rejestracja: 2004-01-18, 12:46
Lokalizacja: Gdansk

Re: Sprawność śruby okrętowej w zależności od liczby łopat

Post autor: CIA »

Chodzi o ten sam okręt i o te same turbiny.
Konkretnie - co mogli Amerykanie zyskać zmieniając na ostatnich pancernikach śruby z trój- na cztero- i pięciołopatowe a co stracić. Wiadomo, ze główną przyczyną dla której kombinowano z ilością łopat były wibracje (możliwe, ze z uwagi na nierówną długość wałów, a w przypadku typu Iowa może też i ze względu na kawitację).
Sprawa do rozstrzygnięcia: czy obniżając wibracje nie stracili mocy (na stożku śruby)?

Na stronkach o doborze śruby na małych jednostkach piszą tak:
3-łopatkowe śruby napędowe:
- Najpowszechniej używane
- Dobrze przenoszą moc w normalnych warunkach
- Pozwalają uzyskać najwyższą prędkość maksymalną
- Dobre ogólne osiągi

4-łopatkowe śruby napędowe:
- Szybsze wejście w ślizg , także przy niższej prędkości obrotowej slinika
- Lepsza manewrowość łodzi przy niższych prędkościach obrotowych silnika
- Zwiększona prędkość w średnim zakresie (w porównaniu do śruby trójłopatkowej) przy takich samych obrotach silnika
- Pracuje spokojniej/mniej wibracji niż śruba trójłopatkowa.
Hmmm.... pancerniki w ślizg raczej nie wchodziły :mrgreen: , ale moze chodzić o przyspieszenie :)
Awatar użytkownika
Maciej
Posty: 2035
Rejestracja: 2004-10-21, 21:40
Lokalizacja: Puszczykowo
Kontakt:

Re: Sprawność śruby okrętowej w zależności od liczby łopat

Post autor: Maciej »

Mam plany modelarskie Vanguarda, dość rzetelne, na których widać, że posiadał śruby zarówno 3-łopatowe jak i 5-łopatowe.
Podejrzewam, że miały tu znaczenia kwestie, o których piszesz.
Czyli, pierwsza para (zewnętrzna, blisko artylerii głównej) to śruby 5-łopatowe.
Druga para, wewnętrzna i za pierwszą to śruby 3-łopatowe.
Być może właśnie, ze względu na gorsze warunki pracy i dla polepszenia sprawności - nawet kosztem wibracji.

Pozdrawiam,
Maciej
Awatar użytkownika
Orlik
Posty: 825
Rejestracja: 2008-12-15, 18:14

Re: Sprawność śruby okrętowej w zależności od liczby łopat

Post autor: Orlik »

CIA pisze:Ma ktoś może jakąś prostą tabelkę w układzie procentowym ze sprawnościami śruby w zależności od liczby łopat?
To nie jest takie proste, bo jest wiele rodzajów śrub i dużo więcej parametrów, wpływających na sprawność śruby napędowej. Wujek gugieł pomoże, od str. 40: http://mechatronika.am.szczecin.pl/down ... yklady.pdf
Ostatecznie nie kadłub, działa, czy torpedy, ale ludzie decydują o wartości okrętu.
Colonel
Posty: 509
Rejestracja: 2010-03-31, 08:29
Kontakt:

Re: Sprawność śruby okrętowej w zależności od liczby łopat

Post autor: Colonel »

Tu nie ma prostych zależności. Co prawda w zasadzie dla identycznych wszystkich pozostałych warunków sprawność śruby będzie malała ze wzrostem ilości łopat ale sprawność to tylko jedno kryterium oceny.
O drganiach już tu było, co z tego, że śruba sprawna, jeśli napęd "rozsypie się" po kilku tygodniach?
Kawitacja - nie dość, że erozja, to jeszcze obniża sprawność.
A kwestie szybkości obrotów, zanurzenia całej śruby we wszystkich stanach załadowania, zmieszczenia śruby pod kadłubem, tymi wszystkimi i pewnie jeszcze innymi elementami musi projektant umiejętnie grać.
Każdy statek/okręt to kompromis!
pd
Posty: 114
Rejestracja: 2007-01-23, 20:45

Re: Sprawność śruby okrętowej w zależności od liczby łopat

Post autor: pd »

Sprawność konwencjonalnej śruby będzie redukowana z powodu następujących oporów:
- opór tarcia, proporcjonalny do powierzchni i prędkości opływu - preferowana mniejsza powierzchnia
- kawitacja, pojawia się gdy lokalne ciśnienie spada poniżej ciśnienia wrzenia, a więc zależy od wytwarzanej przez śrubę różnicy ciśnień i zanurzenia - preferowana większa powierzchnia
- opór kształtu - zależy od profilu, grubości i kąta natarcia (zależnego z kolei od poślizgu) - preferowany cienki profil i praca małym obciążeniem powierzchni
- opór indukowany - śruba ma skończoną długość, a więc na zewnętrznej krawędzi woda będzie "uciekać" zza śruby i tworzyć wir (który dodatkowo hałasuje i wzmacnia wibracje) - preferowane łopaty smukłe o eliptycznym obrysie zakończenia
- opór interferencyjny - jeśli łopaty będą za blisko siebie.

Wskazania są sprzeczne, redukcja oporu tarcia oznacza, zależnie od zanurzenia i obciążenia, albo wzrost oporu kształtu, albo pojawienie się i wzrost kawitacji, natomiast wymagania oporu kształtu (cienki profil) i indukowanego (smukły obrys) mogą być niemożliwe do spełnienia z powodów wytrzymałościowych. Złe wykonanie (defekty powierzchni, nieostre krawędzie, złe odwzorowanie profilu) mogą znacząco powiększyć opór, przyspieszyć wystąpienie kawitacji i przesunąć optimum.

Gdybyśmy pewną liczbę łopat zastąpili inną liczbą podobnych łopat o tym samym profilu i obrysie, ale przeskalowanych tak aby sumaryczna powierzchnia była identyczna, i zmienimy obroty aby zachować podobieństwo opływu to (*AFAIK*) suma różnych składników oporu pozostanie ta sama poza oporem indukowanym, który spadnie dla śruby o mniejszej liczby łopat. Jeśli zastąpimy mniejszą liczbę łopat większą o tej samej długości ale o smuklejszym obrysie, sytuacja wygląda nieco inaczej. Smuklejsze zakończenia powinny oznaczać mniejszy sumaryczny opór indukowany, ale mimo zwężenia obrysu dla zachowania wytrzymałości grubość łopat powinna zostać zachowana i względna grubość profilu i opór kształtu powinien wzrosnąć. To czy sumaryczny opór wzrośnie, czy zmaleje zależy od tego który efekt przeważy.

Dla dużych i szybkich okrętów wojennych prawie zawsze występuje jednocześnie ryzyko kawitacji które dyktuje minimalną powierzchnię i wynikające z dostępnej przestrzeni ograniczenia średnicy śruby. W rezultacie śruby muszą mieć szeroki i tępo zakończony obrys łopat, tak aby wypełnić jak największą część dostępnej powierzchni - tylna okładka klasyka Soroki o PMW z zadkami polskich niszczycieli jest dobrą ilustracją. Dla pancerników problem nie jest aż tak drastyczny, ale nadal występuje i oznacza znaczący opór indukowany, którego redukcja może zrównoważyć przyrost oporu kształtu. Nie można z góry zakładać, że śruby o większej liczbie łopat będą miały znacząco różną sprawność.

Iowa/Vanguard itd.
Proszę nie mieszać systemów walutowych itd.. Vanguard miał (teoretyczny) kłopot z wibracjami w szczególnym przypadku, który był bardziej upierdliwy niż realny.

Iowa i inne trampki miały problem zasadniczy i nieusuwalny bez rozbiórki. Śruby nie wibrują same z siebie (tzn. mogą, ale to problem dla hydroakustykow), tylko z powodu pracy w strumieniu wody zaburzonym przez kadłub. Najlepiej zaprojektować ładny opływowy kadłub o łagodnych liniach (np. Vanguard) i umieścić śruby odsunięte od dna na rufie. Gorzej jeśli umieścimy jedną ze śrub na osi kadłuba za stępką (Bismarck, Illustrious itd.), woda w cieniu kadłuba będzie wyraźnie wolniejsza, łopata przecinające ten cień będzie wywierała mniejsze parcie i wynikające z tego pulsacje siły będą przenosiły się na wał i kadłub. Amerykańskie pancerniki od North Carolina nie tylko miały dwie śruby za stępkami/płetwami/skegami, ale w odróżnieniu od 1/3 śrubowców przepływ po obu stronach stępki nie był symetryczny - między stępkami był nieszczęsny "tunel". Na próbach pierwszej serii (NoCa & Washington) okazało się że pulsacje są bardzo silne, co gorsza przy pełnych obrotach częstość łopatkowa zbiega się z częstością drgań własnych układu napędowego/kadłuba i wywołuje silne drgania rezonansowe.

Katastrofę próbowano zaklajstrować na dwa sposoby. Na kolejnych typach próbowano tak przeprojektować tunel, aby prędkości przepływu po obu stronach stępek były równe, ale podobieństwo modelu nie było na tyle dobre żeby to się udało i mimo redukcji problem pozostał. Druga modyfikacja polegała właśnie na wymianie śrub na mające większą liczbę łopatek. Samo użycie śrub pięciołopatowych nie likwiduje wibracji, może ale nie musi zmniejszyć ich siłę. Najważniejszy efekt polega na podniesienie częstości łopatkowej i w rezultacie przesunięcie drgań rezonansowych na zakres mniejszej mocy i mniejszych sił (jeśli śruba trzyłopatowa wywołuje rezonans przy obrotach N i mocy P, to śruba pięciołopatowa wywołuje rezonans przy obrotach 0.6 N i mocy ok. 0.36 P z podobnie zredukowaną siłą.
ODPOWIEDZ