TM part 5


SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 1
PODSTAWOWE WIADOMOÅšCI O ÅšRUBACH NAPDOWYCH
NAPD ÅšRUBOWY  WPROWADZENIE
Dla zapewnienia statkowi ruchu jednostajnego z określoną prędkością V musi zostać
przyłożona do niego siła napędzająca T (siła naporu), przeciwnie skierowana do siły oporu R.
Dla ruchu ustalonego; R = T. W napędach śrubowych siłę napędzającą T wytwarza śruba
okrętowa. Przekształca ona energię ruchu obrotowego dostarczoną przez silnik główny na
energię ruchu postępowego statku. Wykonanie tego zadania odbywa się ze stratami, których
miarÄ… jest sprawność napÄ™dowa ·D. W fazie projektowania napÄ™du statku majÄ…c do
dyspozycji charakterystykę oporową kadłuba bez śruby oraz charakterystyki śrub
swobodnych (uzyskiwane z badań modeli śrub niezależnych od kadłuba statku), dobiera się
śrubę, bazując na wzajemnym oddziaływaniu kadłuba i śruby. W dziedzinie projektowania
śrub występują dwa trendy:
" modelowanie dzięki badaniom empirycznym,
" modelowanie analityczne bazujÄ…ce na zaawansowanych technikach obliczeniowych.
Obydwa kierunki rozwojowe nie wykluczają się wzajemnie a raczej uzupełniają. Prace
badawcze w tym zakresie prowadzone sÄ… przez wyspecjalizowane instytuty badawcze.
Obejmuje to badania modelowe kadÅ‚ubów statków (modele o dÅ‚ugoÅ›ci 6÷10 m) holowane lub
z napÄ™dem wÅ‚asnym w basenach o dÅ‚ugoÅ›ci 200÷300 m. Wyznacza siÄ™ z reguÅ‚y
charakterystyki oporowe kadłuba przy różnych prędkościach własnych. Na etapie wstępnym
dobór śruby polega na zastosowaniu wykorzystywanych już wcześniej typów, i będących
własnością jednostek badawczych. Śruby projektowane i wykonywane są w typo-szeregach.
W pózniejszych etapach optymalizacji wykonywane są modele śrub i badane razem z
modelami kadłubów. Dla celów projektowych istotnym jest określenie parametrów strumienia
nadążającego, opływającego śrubę w kierunkach osiowych i promieniowych. Otrzymuje się
to przy pomocy wirujących przetworników ciśnienia w miejscu pracy śruby napędowej.
KAWITACJA
Kolejnym czynnikiem wpływającym na konstrukcje śruby jest zjawisko kawitacji na
skrzydłach. Rozróżnia się dwa jej rodzaje w odniesieniu do skrzydeł śrub napędowych:
" powierzchniowa (płaszczyznowa  sheet cavitation)  na płaszczyznach skrzydeł: po
stronie niskiego ciśnienia (suction side), nawet podciśnienia - rysunek A i wysokiego
ciśnienia (pressure side)  rysunek B.
A B
Rys. Obszary występowania kawitacji płaszczyznowej: podciśnienia (A) i nadciśnienia (B)
" pęcherzykowa (bubble cavitation)  po stronie podciśnienia  rysunek poniżej.
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 2
Rys. Obszary występowania kawitacji pęcherzykowej po stronie podciśnienia
Wyznaczone obszary kawitacji płaszczyznowej na skrzydłach skośnych pokazuje rysunek.
Rys. Obszary występowania kawitacji płaszczyznowej po stronie podciśnienia na skrzydle skośnym
Prawidłowe odtworzenie warunków pracy śruby, za pełno wymiarowym kadłubem
statku nie jest możliwe w basenach dzięki wykorzystaniu modeli. Powodem tego jest brak
możliwości wytworzenia rzeczywistych spadków ciśnień mających miejsce w normalnych
warunkach pływania. W tym celu zjawisko kawitacji bada się w tunelach pozwalających na
regulowanie spadków ciśnień na śrubie napędowej. Schemat takiego stanowiska przedstawia
rysunek.
Kawitacja występuje obecnie powszechnie podczas pracy śrub napędowych
współczesnych statków transportowych szczególnie, gdy pracują one w zakresach
najwyższych mocy. Wynika to z wzrastających współczynników pełnotliwości
współczesnych jednostek morskich i spadków ciśnień za kadłubem. Zjawisko kawitacji nie
jest w pełni znane i wyjaśnione, ma ono związek z pęcherzykami pary wytwarzanymi w
obszarze pracy skrzydeł śruby, charakteryzujących się niskimi ciśnieniami. Po przejściu w
obszary podwyższonego ciśnienia pęcherzyki ulegają implozji.
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 3
Prędkość tego zjawiska może osiągać znaczne wartości i przyczyniać się do wzrostu
drgań i hałasu, ale przede wszystkim powodować uszkodzenia erozyjne powierzchni: skrzydeł
śruby, steru i kadłuba statku.
Rys. Stanowisko do symulowania rzeczywistych warunków pracy śruby napędowej
RODZAJE ÅšRUB
Śruby napędowe mogą być podzielone na dwie grupy:
" stałe (fixed pitch propeller  FP),
" nastawne (controllable pitch propeller  CP).
Śruby stałe są odlewane w całości ze stopów miedzi. Wielkość skrzydeł oraz ich
ustawienie (skok) są ustalone jednoznacznie i nie mogą być pózniej zmienione. Zmienne
warunki pracy śruby wynikające z zewnętrznych warunków hydro-meteorologicznych i
warunków eksploatacyjnych statków będą zmieniały fizyczne parametry jej pracy. Większość
statków wyposażonych jest w ten rodzaj śruby. Śruby nastawne charakteryzują się bardziej
złożoną budową umożliwiającą zmianę skoku skrzydeł, ma to związek z większą średnicą
piasty, w której mieÅ›ci siÄ™ mechanizm nastawczy. Åšruby te sÄ… relatywnie droższe (okoÅ‚o 3÷4
razy) od stałych, również z powodu większej średnicy piasty ich sprawność jest niższa. Na
rysunku poniżej pokazano te dwa typy śrub.
Rys. Dwa typy śrub okrętowych; stała i nastawna
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 4
Åšruby nastawne znajdujÄ… zastosowanie na statkach o wysokich potrzebach
manewrowych takich jak: promy, ro-ro, małe kontenerowce (feeder containers). Dla
większości statków: masowce, duże kontenerowce i zbiornikowce pływających w
przeważającym stopniu w ustalonych podróżach morskich (stała prędkość) byłby to
niepotrzebny wydatek inwestycyjny i eksploatacyjny. Śruby nastawne mają też niższą
niezawodność pracy.
WYMIARY GEOMETRYCZNE ÅšRUB OKRTOWYCH
Badania modelowe pozwoliły wyodrębnić pewne grupy śrub okrętowych dające
najlepsze efekty pod względem osiągów i sprawności. Najczęściej stosowane są śruby grupy
B (według Wageningen). Podstawowe wymiary śruby okrętowej przedstawia rysunek.
Rys. Wymiary śruby okrętowej
Śrubę okrętową charakteryzują następujące parametry:
" średnica śruby d,
" promień śruby R,
" skok śruby p - droga jaką przybędzie dowolny punkt skrzydła w czasie jednego
pełnego obrotu; jeżeli skok śruby jest promieniowo zmienny, określa się skok średni
na promieniu r = 0.7 R,
Rys. Porównawcze pokazanie skoku dla elementu śrubowego
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 5
" liczba skrzydeł z,
" średnica piasty śruby dp,
" promień piasty rp,
" szerokość skrzydła b, średnia szerokość skrzydła bs:
So
bs =
z(R - rp)
Å"
" grubość skrzydła e - pozorna grubość skrzydła w osi śruby eo oraz pozorna grubość
skrzydła przy wierzchołku ew,
" odchylenie skrzydła przy wierzchołku m, odgięcie skrzydła przy wierzchołku m',
" pole kręgu śruby Ao:
Ä„Å"d2
Ao=
4
" pole wyprostowanej powierzchni skrzydeł Ae,
" współczynnik skoku p/d,
" współczynnik powierzchni Ae/Ao,
" współczynnik średnicy piasty dp/d.
PRACA ÅšRUBY ZA KADAUBEM STATKU
Zagadnienie te wstępnie rozwiązywane są na ogół przez badanie modelu statku z
własnym napędem. Charakterystyki śrub okrętowych są sporządzone w funkcji prędkości
wody, w której ona się obraca, zwanej prędkością postępową śruby vp (speed of advance of
propeller -VA). Lepkość wody jest przyczyną powstawania warstwy przyściennej wokół
poruszającego się kadłuba, zwanej strumieniem nadążającym. Prędkość cząstek wody w
strumieniu nadążającym w warstwie przypowierzchniowej kadłuba statku, równa jest jego
prędkości i spada wraz z wzrostem odległości od niej. W pewnej odległości spada do zera
wyznaczając tym granicę strumienia nadążającego. Grubość warstwy przyściennej jest równa
zero na dziobie i rośnie w kierunku rufy, prawie proporcjonalnie do długości kadłuba.
Dodatkowo woda wyparta przez kadłub wywołuje falowanie dziobu i rufy. Śruba obraca się,
więc w strumieniu nadążającym, który w polu kręgu śruby ma średnią prędkość c (effective
wake velocity - VW), zgodną z kierunkiem ruchu statku. W związku z tym prędkość
postępowa śruby, vp względem strumienia nadążającego jest mniejsza, od prędkości statku v
względem wody nieograniczonej o wartość c, czyli:
vP=v-c
Stosunek prędkości strumienia nadążającego c do prędkości statku v, nosi nazwę
współczynnika strumienia nadążającego (wake fraction coefficient) w:
c
w=
v
vp=v-c=v(1-w)
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 6
Występują duże różnice prędkości strumienia w polu kręgu śruby. Niejednorodność
rozkładu prędkości strumienia nadążającego, scharakteryzowana przez wartości
współczynnika w. Strumień nadążający powstający za kadłubem statku jest zjawiskiem
złożonym. Przyczyną tego są: nieregularne kształty rufy statku, tylnicy, obecność steru.
Rys. Schemat napędu śrubowego statku
v - prędkość statku względem wody nieograniczonej, vp - prędkość postępowa śruby względem
strumienia nadążającego, c - średnia prędkość strumienia nadążającego w polu kręgu śruby, R - opór
statku, TN - siła napędzająca, T - napór śruby, "T - siła ssania śruby, w - współczynnik strumienia
nadążającego, t - współczynnik ssania.
Prędkość strumienia nadążającego w każdym punkcie obszaru, w którym pracuje śruba
jest inna. Niejednorodne pole prędkości jest podstawową przyczyną drgań generowanych
przez śrubę oraz powoduje duże różnice w rozkładzie sił na skrzydłach śruby. Podawane w
literaturze wartości współczynnika nadążającego są wartościami średnimi i dla statków
jednoÅ›rubowych wahajÄ… siÄ™ zwykle w granicach 0.2÷0.45, dla statków dwuÅ›rubowych
wartości te są dużo mniejsze. Wartość współczynnika strumienia nadążającego zależy od:
cech konstrukcyjnych kadłuba i śruby oraz usytuowania śruby za kadłubem. Wielkość tego
współczynnika rośnie wraz ze wzrostem pełnotliwości kadłuba i jego długości maleje, gdy
rośnie średnica śruby w stosunku do długości statku oraz gdy wzrasta odległość śruby od
kadłuba. Istotny wpływ ma również kształt rufy.
W trakcie eksploatacji współczynnik w wzrasta wraz z pogarszaniem stanu technicznego
kadłuba oraz przy zmniejszaniu zanurzenia statku. Na ogół wielkość współczynnika w rośnie
także przy zmniejszaniu prędkości statku. Duże wartości współczynnika w mogą sprzyjać
procesom kawitacji.
Śruba obracając się za kadłubem powoduje zmianę rozkładu ciśnienia w obszarze rufy.
Po stronie ssącej śruby występuje spadek ciśnienia, który jest przyczyną powstawania siły
ssania "T działającej w kierunku przeciwnym do ruchu statku i sumującej się z oporem
"
"
"
kadłuba R. W związku z tym napór śruby T musi być większy od siły napędzającej TN
(zwanej naporem efektywnym) o siłę "
"T, stÄ…d:
"
"
R = TN = T - "T
Stosunek siły "
"T do naporu T nazywa ślę współczynnikiem ssania t:
"
"
"T
t =
T
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 7
wówczas:
TN=T(1-t)
Współczynnik ssania t, podobnie jak współczynnik strumienia nadążającego w zależy od
cech konstrukcyjnych statku i warunków eksploatacji. Wartość współczynnika t jest z reguły
mniejsza od współczynnika w i dla statków jednoÅ›rubowych waha siÄ™ w granicach 0.12÷0.3.
Ogólnie można stwierdzić, że współczynnik ssania t rośnie wtedy, gdy wzrasta również
współczynnik strumienia nadążającego w. Prawidłowa prognoza, obu współczynników w
warunkach obliczeniowych jest jednym z istotnych warunków prawidłowego zaprojektowania
napędu statku i jest zlecana ośrodkowi badawczemu.
WSPÓACZYNNIKI ŚRUBY  NAPORU, MOMENTU, POSUW I POŚLIZG ŚRUBY
Teoria śrub bazuje na modelach, lecz dla lepszego wykorzystania wyników badań
niezbędnym jest wykorzystanie pewnych bezwymiarowych wielkości ujmujących zależność
prÄ™dkoÅ›ci obrotowej n, Å›rednicy d Å›ruby i gÄ™stoÅ›ci wody Á
Á:
Á
Á
" siła naporu T wyrażona bezwymiarowo jako współczynnik naporu KT:
T
KT=
ÁÅ"n2Å"d4
gdy moment śruby Q:
PD
Q=
nÅ"d
" moment śruby Q wyraża współczynnik momentu KQ:
Q
KQ=
ÁÅ"n2Å"d5
Jeżeli śruba poruszałaby się nie w wodzie, lecz w materiale stałym, wówczas w czasie
jednego obrotu przebyłaby drogę równą skokowi geometrycznemu p (pitch). Przy obrocie z
prędkością obrotową n [obr/s], prędkość jej osiowego przemieszczenia wyniosłaby wówczas
pÅ" [m/s]. Podczas ruchu w wodzie, w czasie jednego obrotu Å›ruba w kierunku osiowym
Å"n
Å"
Å"
przesunie się nie na odległość p, lecz na odległość mniejszą zwaną posuwem śruby hP.
Prędkość postępowa śruby vP, względem wody, w której się obraca wynosi wówczas:
vP=hPÅ"n
Stosunek posuwu hP do średnicy d śruby określa się mianem współczynnika posuwu
śruby J (advance number):
hp vp
J= =
d dÅ"n
Różnicę hS = p - hP nazywa się poślizgiem (slip) śruby.
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 8
Stosunek poślizgu (hS) do skoku śruby p nazywa się rzeczywistym współczynnikiem
poślizgu (real slip ratio) śruby SR:
hs pÅ"n-vP vP
SR= = =1-
p pÅ"n pÅ"n
stÄ…d:
p(1-SR )
J=
d
Prędkość poślizgu śruby vS wynosi:
vS=pÅ"n-vP=sÅ"pÅ"n
Powyższe zależności ilustruje rysunek.
Rys. Ilustracja posuwu i poślizgu śruby oraz prędkości postępowej i prędkości poślizgu śruby (uwaga 
inne oznaczenia niż we wzorach)
Współczynniki posuwu i poślizgu śruby są wykorzystywane do tworzenia wykresów z
badań modelowych śrub. Nie są one jednak użyteczne w praktyce eksploatacyjnej ze względu
na brak możliwości pomiaru postępowej prędkości śruby. Z tego powodu korzysta się ze
współczynników posuwu i poślizgu kadłuba, zwanych w teorii śrub współczynnikami posuwu
i poślizgu pozornego (apparent slip ratio  SA) (odpowiednio oznacza się je przez JP oraz
SA), które odniesione są do prędkości statku v, a nie do prędkości postępowej śruby vP.
V
JP=
dÅ"n
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 9
V
SA=1-
pÅ"n
Zarówno współczynnik posuwu jak i poślizgu mogą być miarą warunków pływania
statku, jeśli skok śruby jest stały. Z pewnym przybliżeniem można przyjąć, że współczynniki
te są stałe w ustalonych warunkach pływania, jeżeli prędkość statku nie zmienia się znacznie
(w granicach ą 10 %) a śruba ma mały skok. Dla stałego skoku p i średnicy d oraz JP = const,
można zapisać:
vE"kÅ"n
gdzie k jest wartością stałą wtedy:
v2 n2
E"
v1 n1
Jeżeli więc statek jest wyposażony w śrubę stałą i płynie w ustalonych warunkach
pływania, to zwiększenie obrotów śruby o 3 % spowoduje wzrost prędkości statku również o
ok. 3 %.
SPRAWNOÅšCI W UKAADZIE NAPDU ÅšRUBOWEGO STATKU
1. Sprawność kadÅ‚uba (hull efficiency) ·H  jest zdefiniowana jako stosunek mocy
holowania PE (gdzie PE = RTÅ"V) do mocy naporu PT (moc, jakÄ… Å›ruba okrÄ™towa
dostarcza do strumienia wody PT = TÅ"VA), co wyraża zależność:
RT
PE RT Å" V 1- t
T
·H = = = =
PT T Å" VA VA 1- w
V
Dla statków z jedynÄ… Å›rubÄ…, sprawność kadÅ‚uba zawiera siÄ™ w przedziale 1.1÷1.4,
Wartości wyższe odpowiadają kadłubom o wyższym współczynniku pełnotliwości.
Dla statków z dwoma śrubami i konwencjonalnym rozwiązaniem konstrukcyjnym
rufy  0.95÷1.05. Podobnie wyższa wartość odpowiada kadÅ‚ubom o wyższym
współczynniku pełnotliwości.
2. Sprawność Å›ruby swobodnej (open water propeller efficiency) ·o  okreÅ›la pracÄ™
śruby bez kadłuba w jednorodnym strumieniu wody i związana jest z: prędkością
postępową VA, siły naporu T, wartością prędkości obrotowej n, średnicą śruby d i
pozostałymi parametrami śruby. Moc dostarczona do śruby swobodnej dla osiągnięcia
tej samej mocy naporu różni się z reguły od mocy dostarczonej. Sprawność śruby
swobodnej zawiera się w przedziale 0.35..0.75, gdzie wyższe wartości odpowiadają
śrubom z wysoką prędkością postępową VA. Na rysunku poniżej pokazano możliwe
osiągalne sprawności śrub swobodnych funkcyjnie uzależnionych od prędkości
postępowej VA, przedstawionej jako bezwymiarowy współczynnik posuwu J.
Z rysunku wynika, że dla ustalonej prędkości postępowej śruby VA i średnicy śruby d
można uzyskać wzrost jej sprawności przez obniżenie projektowanej prędkości
obrotowej śruby n.
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 10
Rys. Sprawność śrub swobodnych w funkcji współczynnika posuwu
3. WzglÄ™dna sprawność rotacyjna (relative rotative efficiency) ·R - odnosi siÄ™ do
rzeczywistej prędkości strumienia wody opływającego śrubę, która nie ma wartości
stałej, jak również wektor jej nie jest prostopadły do płaszczyzny wyprostowanej
powierzchni skrzydeł. Strumień ten ma charakter wirowy. Dalej, w porównaniu do
pracy śruby swobodnej, sprawność ogólna śruby jest obciążona względną sprawnością
rotacyjnÄ…. Sprawność rotacyjna Å›ruby ·R dla statków jednoÅ›rubowych waha siÄ™ w
·
·
·
granicach 1.0÷1.07, z czego wynika że wirowanie strumienia może mieć efekt
pozytywny. Dla statków dwuśrubowych o konwencjonalnym kształcie kadłuba jest
zwykle mniejsza i wynosi około 0.98.
4. Sprawność Å›ruby za kadÅ‚ubem (propeller efficiency behind the hull) ·B  okreÅ›la
stosunek mocy naporu śruby PT (którą śruba dostarcza do wody) do mocy
dostarczonej na stożek śruby z układu napędowego  mocy na stożku śruby PD i
wyraża to zależność:
PT
·B = = ·O Å" ·R
PD
5. Sprawność napÄ™dowa (propulsive efficiency) ·B  jest równoważna stosunkowi mocy
holowania PE do mocy niezbędnej dostarczonej do śruby (na stożek śruby) PD, nie
powinna być mylona ze sprawnością śruby swobodnej. Opisuje to zależność:
PE PE PT
·D = = Å" = ·H Å" ·B = ·H Å" ·O Å" ·R
PD PT PD
Można zauważyć, że sprawność napędowa jest iloczynem trzech sprawności: kadłuba,
śruby swobodnej i względnej rotacyjnej. W związku, z czym można też wyprowadzić
wniosek określający zmiany sprawności napędowej wynikające z wpływu
współczynnika strumienia nadążającego i współczynnika pełnotliwości kadłuba.
Ogólnie, najwyższa sprawność napędowa wiąże się z pracą śruby w jednorodnym
strumieniu wody.
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 11
6. Sprawność linii wałów (shaft efficiency) ·S  zależy od konstrukcji linii wałów
(długości, ilości łożysk pośrednich, sposobu smarowania) i określa stosunek mocy
dostarczonej na stożek śruby PD do mocy użytecznej silnika (na sprzęgle  w
najprostszym przypadku) PB:
PD
·S =
PB
Z reguÅ‚y wartość sprawnoÅ›ci ·S oscyluje w zakresie 0.96÷0.995 (najczęściej 0.985).
7. Sprawność napÄ™dowa caÅ‚kowita (total efficiency) ·T  okreÅ›la stosunek mocy
holowania PE i mocy użytecznej silnika napędowego na sprzęgle PB można to
wyrazić:
PE PE PD
·T = = Å" = ·D Å" ·S = ·H Å" ·O Å" ·R Å" ·S
PB PD PB
Rys. Podstawowe zależności i sprawności w układzie śrubowym napędu statku
CECHY KONSTRUKCYJNE I EKSPLOATACYJNE ÅšRUB NAPDOWYCH
Wyniki badań modelowych śrub swobodnych przedstawiane są za pomocą szeregu
wskazników i wykresów graficznych nazywanych często charakterystykami
hydrodynamicznymi.
Największy wpływ na charakterystyki hydrodynamiczne śrub wywierają:
1. Åšrednica Å›ruby d  dla uzyskania najwyższej sprawnoÅ›ci napÄ™dowej ·D najwiÄ™ksza
możliwa średnica śruby byłaby wskazana. Jednak należy rozważyć kilka istotnych
czynników mających tutaj znaczenie.
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 12
Konstrukcja rufy  dokładniej nawisu rufowego kadłuba statku zależy od jego typu i
klasy. Musi być zachowany określony dystans pomiędzy kadłubem i wierzchołkiem
skrzydeł śruby  zależny od jej rodzaju. Dla masowców i tankowców, które często
pływają pod balastem, często wymogiem jest, aby śruba była całkowicie zanurzona w
tym stanie załadowania, co stanowi ograniczenie jej średnicy. To ograniczenie
stosunkowo rzadko występuje w przypadku kontenerowców pływających mało pod
balastem. Wyżej wymienione czynniki determinują wartość współczynnika d/D
(średnica śruby/zanurzenie konstrukcyjne) przy niskiej prędkości obrotowej n.
Dla masowców i tankowców; d/D < około 0.65
Dla kontenerowców; d/D < około 0.74
Ze względów wytrzymałościowych i technologii wykonania średnica śruby zwykle nie
przekracza 10 metrów i zapotrzebowaniu mocy 90 tysięcy kilowatów. Największa
wyprodukowana śruba ma 11 metrów średnicy i posiada cztery skrzydła.
2. Liczba skrzydeł z  śruby okrętowe mogą być produkowane z 2, 3, 4, 5 i 6 skrzydłami.
Stosowane na statkach śruby posiadają najczęściej trzy lub cztery skrzydła. Nie jest
wskazane stosowanie (w układach bezprzekładniowych) liczby skrzydeł śruby
zgodnej z liczbą cylindrów lub jej wielokrotnością. Sprawność śruby spada przy
wzrastającej liczbie skrzydeł. Jednak ze względów na obciążenia wytrzymałościowe
nie jest możliwe stosowanie śrub dwu i trzy skrzydłowych.
3. Konstrukcja skrzydła. W wyniku badań modelowych dane optymalizacyjne pozwalają
na określenie założeń konstrukcyjnych zawierających również cechy
charakterystyczne skrzydeł śruby. Bazowanie wyłącznie na wynikach badań śruby
swobodnej nie jest niezawodnym sposobem doboru i konstrukcji śruby. Uzyskanie
najwyższej wartości sprawności napędowej całkowitej może zapewnić najbardziej
ekonomiczny wybór z uwagi na związek mocy absorbowanej przez śrubę zużycie
paliwa temu odpowiadajÄ…ce.
" Powierzchnia skrzydła powinna być utrzymana możliwie najmniejsza dla
zmniejszenia strat tarcia, lecz dla zmniejszenia zjawiska kawitacji pewna minimalna
powierzchnia jest wymagana. Wzrost współczynnika powierzchni śruby powoduje
zwiększenie wartości współczynnika naporu i momentu obrotowego śruby oraz
wywołuje spadek sprawności. Przyrost wartości współczynnika momentu jest
większy niż przyrost współczynnika naporu śruby, wzrastają również opory skrzydeł.
W efekcie sprawność śruby maleje. Współczynnik powierzchni zmienia się
najczęściej w granicach 0.3 ÷ 1.2. Dolna granica uwarunkowana jest powstawaniem
zjawiska kawitacji, górną granicę warunkują możliwości wykonawcze. Aby uzyskać
możliwie najwyższą sprawność śruby w warunkach projektowych, dąży się do
dobrania śruby o najniższym współczynniku, ograniczonym przez kryterium
kawitacji. Ponieważ wymagana moc holowania statku zależy od mocy naporu śruby,
a ta z kolei wiąże się także z powierzchnią skrzydeł, to jedną z podstawowych dróg
prowadzących do zmniejszenia współczynnika powierzchni jest zastosowanie śruby
o możliwie największej średnicy dla danego kadłuba. Na rysunku pokazano trzy
skrzydła o różnych współczynnikach powierzchni.
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 13
Ae/Ao = 0.40 Ae/Ao = 0.55 Ae/Ao = 0.70
Rys. Skrzydła o różnych wartościach współczynnika powierzchni
" Skos skrzydła (kąt skosu), decyduje znacząco o wielkości
drgań i hałasu wytwarzanego przez śrubę. Dla
współczesnych śrub rozkład skosu skrzydła jest
zrównoważony, co oznacza, że dla średnic wewnętrznych
śruby skos skrzydła jest pochylony w kierunku ruchu
obrotowego. Dla średnic zewnętrznych natomiast skos
skrzydła jest pochylony w kierunku przeciwnym do ruchu
obrotowego. W przypadku śrub nastawnych ten typ skosu
można sterować siłą (moment obrotowy trzona skrzydła)
niezbędnej do zmiany nastawy skoku śruby. W większości
przypadków skrzydła wyrównoważone są w taki sposób,
że siły w konstrukcyjnym ustawieniu skoku będą równe
zero. Skos skrzydła może redukować o około 30% impulsy
ciśnienia strumienia wody (od śruby w kierunku kadłuba)
bez utraty sprawności w odniesieniu do śrub o skrzydłach
bez skosu.
Rys. Przykłady skrzydeł o zróżnicowanym skosie
" Kształty skrzydła uwarunkowany szerokością pomiarową, której maksymalna wartość
może przypadać na połowę wysokości skrzydła, pośrednio lub końcówkę skrzydła
(rysunek).
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 14
Rys. Przykłady różnych kształtów skrzydeł śrub
" Pochylenie skrzydła  decydującym czynnikiem o poziomie
drgań w obszarze rufy statku jest odległość wierzchołków
skrzydeł śruby do powierzchni kadłuba ( nad śrubą i przed nią).
Drogą do zwiększenia tej odległości może być właśnie
pochylenie skrzydeł w kierunku rufy. Zabieg ten nie zmienia
zasadniczo sprawności, lecz skrzydła śruby narażone są na
większe siły odśrodkowe, co z kolei wymaga zwiększenia ich
grubości. Na rysunku pokazano kąt pochylenia skrzydła.
Rys. Pochylenie skrzydła śruby
" Przekrój profilowy skrzydła  dla każdego promienia śruby,
skrzydło jest tworzy różny dwuwymiarowy przekrój płata nośnego. Przekroje te stanowią
serię sprawdzonych płatów mających mały opór i wysoka odporność na kawitację.
Przekroje są scharakteryzowane przez podstawową grubość i rozkład wypukłości, który
może być niezależnie zmieniany. Tak wykorzystana właściwość w procesie
konstrukcyjnym pozwala na modelowanie cech indywidualnie dla każdej wartości
promienia. W dodatku do profili określonych dwuwymiarowo (grubość i rozkład
wypukłości), ich rozkład w kierunku promieniowym pozwala na uzyskanie największej
siły naporu. Rysunek przedstawia przykładowy zestaw przekrojów profilowych skrzydła.
Rys. Przekroje profilowe skrzydła śruby
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 15
4. Średnica śruby d i współczynnik skoku do średnicy p/d  jak wspomniano wcześniej
najwyższą sprawność napędową śruby dla określonej prędkości statku otrzymuje się
dla jej największej średnicy d w połączeniu z optymalnym współczynnikiem p/d.
Współczynnik skok  średnica śruby wyraża relację pomiędzy skokiem śruby i jej
średnicą. Skok p wyraża dystans, jaki wybrany punkt skrzydła w wodzie w kierunku
liniowym, podczas jednego obrotu i przy założeniu braku poślizgu. Ponieważ skok
śruby będzie różny na promieniu skrzydła zwykle przyjmuje się jego wartość dla 0.7 r
(promień) gdzie r = d/2. Najwyższą sprawność napędowa śruby odpowiada najniżej
prędkości obrotowej i największej osiągalnej średnicy.
Jako przykład, można rozważyć tankowiec (80000 dwt), z założoną prędkością
eksploatacyjną 14.5 węzła i największą średnicą śruby 7.2 m  rysunek poniżej.
Według zależności d i p/d w funkcji prędkości obrotowej (niebieska linia) dla średnicy
śruby 7.2 m odpowiada współczynnik p/d  0.70 z zapotrzebowaniem mocy 8820 kW
przy prędkości obrotowej 100 obr/min. Zależność ta wskazuje również na możliwość
zastosowania śruby o większej średnicy na przykład  7.4 m. Moc zapotrzebowana
spadnie wtedy do wartości 8690 kW przy 94 obr/min. Jeżeli skok śruby zostałby
zmieniony dla tej wartości średnicy (7.2 m) spowoduje to spadek sprawności
napędowej i moc zapotrzebowana wzrosłaby zgodnie z charakterystyką p/d dla
określonej średnicy (w tym przypadku 7.2 m)  linia czerwona. Przebieg zależności
funkcyjnych na rysunku wskazuje na możliwość optymalnego doboru podstawowych
cech śruby okrętowej (p/d i d) przy preferowaniu najwyższej wartości średnicy.
Rys. Konstrukcja śruby  wpływ średnicy i skoku
5. Dokładność wykonania śruby  przed zamówieniem wykonaniem śruby określa się
normę i klasę dokładności zawartą w danej normie. Przykładem może być norma ISO
484/1  1981 (CE) zawierająca cztery klasy dokładności (tabela).
SIAOWNIE OKRTOWE  TM, IRM 16
Tabela Klasy dokładności wykonania śrub okrętowych
Każda klasa dokładności poza wieloma detalami określa dopuszczalną tolerancję
wymiarową dla konstrukcyjnego skoku śruby i dalej zakres tolerancji prędkości
obrotowej. Oczywistym jest, że klasa wykonania będzie powiązana z ceną śruby. Przy
założeniu nawet średniej klasy dokładności wykonania, będzie to wnosiło zakres
wartości 4% prędkości obrotowej śruby - błędów doboru charakterystyki śruby.


Wyszukiwarka