بخشی از مقاله
چکیده
سیستم رانش ویثاشنایدر با محور عمودی از چند پره عمودی تشکیل شدهاست که در اطراف یک سطح دایروی قرار دارند. در این سیستم پرهها حول محور عمودی خود میچرخند. زاویه این پرهها نسبت به دیسک اصلی ، بسته به موقعیت آنها در دور چرخش دیسک تغییر میکند. منحصر به فرد بودن پروانههای ویث اشنایدر بخاطر عمودی بودن محور چرخش آنها است. نیروی تراست در این پروانهها توسط تیغههایی که در حال نوسان میباشد، به صورت جداگانه تولید میشود. - هرتیغه یک مقدار مشخص نیروی تراست تولید میکند که تراست کل برابر برآیند این نیروها می باشد. -
در این مقاله به بررسی عددی مشخصههای هیدرودینامیکی سیستم پروانه ویثاشنایدر پرداخته میشود. برای تحلیل یک پروانه شش پره در نظر گرفته شده که به صورت عمودی به یک دیسک متصل است. هر پره دارای دو سرعت که، یکی سرعت حول دیسک و دیگری سرعت چرخش هر پره حول محور خودش میبا شد. روش ا ستفاده شده برای برر سی عددی پارامترهای هیدرودینامیکی سی ستم رانش از روش حجم محدود1 و برای مدل سازی جریان آشفتگی از مدل تربولانسی k- استفاده شدهاست. پارامترهای هیدرودینامیکی - گشتاور، نیروی تراست و بازده - که به صورت تابعی از ضریب پیشروی در سه گام مختلف بررسی و مقایسه شدهاند.
مقدمه
پروانه ویثا شنایدر در سال 1925 تو سط مهندس ا سترالیایی ، ارن ست ا شنایدر به عنوان یک سی ستم رانش با کارایی بالا ابداع شد و در سال 1927 به بهرهبرداری رسید. در ابتدا ویثاشنایدر در پروژههای نظامی بکار گرفته شدند. پروانههای ویث درحقیقت یک پروانه با گام قابل کنترل هستند که بخاطر تغییر مداوم 360 درجهای آن، تنظیم نیروی تراست امکان پذیر اس ت. به طور معمول هر کدام از پرهها نیم دور، به دور محور خود در هر چرخش کامل دی سک میچرخند. زاویه این پرهها به و سیله یک کنترلکننده و لینکهایش که در مرکز آن بر روی دی سک قرار دارد کنترل می شود. میزان نیروی پی شرانش ایجاد شده به سرعت چرخش دی سک ا صلی و نقطه مرجع دایروی که چرخش پرهها بر ا ساس آن انجام میگیرد، بستگی دارد. .[9]
تیغه های تشکیل دهنده پروانه ویث اشنایدر دارای ضریب منظری 3 تا 4 هستند. پروفیل تیغه ها از نوع متقارن است. سطح مقطع مؤثر تیغه ها که در مقابل جریان قرار می گیرد در مقایسه با دیگر پروانه ها بیشتر است. بنابراین نیروی تراست این پروانه در مقایسه با دیگر پروانه های معمولی بیشتر است.[10] تفاوت بین پروانههای ویثاشنایدر و پروانههای محوری در جهت محور چرخش نسبت به جهت نیروی تراست، است. در پروانه های محوری محور چرخش و جهت نیروی ترا ست ، یک سان ه ستند در حالی که درپروانههای ویثا شنایدر محور چرخش و جهت نیروی تولیدی بر هم عمود ه ستند. بنابراین در ویثا شنایدر نیروی ترا ست جهت معینی ندارد و همین امر اجازه میدهد تا نیروی ترا ست از لحاظ اندازه و جهت تنوع نامحدود دا شته باشد. این تفاوت در شکل 1 نشان داده شدهاست.
شکل: 1 تفاوت بین پروانه ویثاشنایدر و پروانه محوری[9]
پروانههای ویثاشنایدر در یک سرعت دورانی نسبتاً پایین کار میکنند و از این رو قابل توجهاند. این پروانهها عمر طولانی دارند و تجهیزات کمی برای نگهداری آنها لازم است. نیروی تراست تولید شده توسط تیغههای پروانه ویث اشنایدر در مقایسه با دیگر پروانههای معمولی بیشتر است و کنترل نیروی تراست در همه جهات صورت میپذیرد. بنابراین در موقعیتهایی که نیاز به مانوردهی بالا است، استفاده از پروانه ویثاشنایدر مفید است. سرعت دورانی این پروانهها در مقایسه با دیگر پروانههای معمولی پایین و حدود یک چهارم سرعت دورانی پروانه های معمولی است. سرعتهای دورانی کم کاعث کاهش اثرات کاویتا سیون می شود. بنابراین کاویتا سیون نوع ابری که ایجاد سایش و خ سارت به پروانه میکند، در پروانههای ویثا شنایدر به ندرت اتفاق میافتد.
تنها کاویتا سیونی که در این پروانهها ایجاد می شود، کاویتا سیون نوع ورقهای ا ست که خ سارت چندانی ایجاد نمیکند. سرعت دورانی کم باعث افزایش بازده پروانه میشود . توان مؤثر برای عملکرد پروانه ویثاشنایدر در مقایسه با دیگر پروانههای معمولی پائینتر است9]و.[10 تعداد تیغههای قرار گرفته روی پوسته روتور پروانه 3 تا 8تیغه است. معمولاً تعداد تیغهها عدد فرد انتخاب میشود. اگر عمودهایی از خط کورد تیغههای قرار گرفته روی پوسته روتور پروانههای سیکلوئیدی رسم کنیم، یکدیگر را در یک نقطه قطع می کنند. اگر نقطه ایجاد شده روی مرکز روتور قرار بگیرد، نیروی لیفت تولید نمیشود. بنابراین نیروی تراست تولیدی تیغهها صفر خواهد بود. این نقطه، نقطه کنترلی سیستم نام دارد که بر روی دایره ای به شعاع ON می چرخد. اگر ON زیاد شود، زاویه حمله تیغهها و نیروی تراست تولیدی بیشتر میشود. گام پروانههای ویثاشنایدر معمولاً کمتر از 0,8 است.
هر تیغه در هر سیکل دوران نیروهای لیفت و درگ تولید میکند. نیروی لیفت تولیدی بر راستای سرعت برآیند عمود است. نیروی درگ هم دارای دو مؤلفه اصطکاکی ناشی از پروفیل تیغه و درگ القایی است. برآیند این دو مؤلفه در راستای سرعت است. برآیند نیروی لیفت و درگ، تراست را تولید میکند. جهت نیروی تراست در همه موقعیتهای قرارگیری روتور بر راستای ON عمود است. مثلث سرعتها از سه سرعت پیشروی، سرعت پیرامونی و سرعت برآیند تشکیل شدهاست.[10]
نحوه عملکرد قسمت های روتور سیستم ویث اشنایدر:
انرژی لازم برای تولید نیروی تراست از طریق پیچ لبهدار جعبه دنده کاهنده و چرخ دنده مخروطی به غلاف روتور منتقل میشود . برای تحمل شفت پره ها از یاتاقان های غلتک دار استفاده می شود . غلاف روتور به صورت محوری توسط صفحه تراست نگهداری می شود - - 10 و به صورت شعاعی بوسیله یاتاقان غلتکی در مرکز قرار میگیرد. بخاطر سیستم جنبشی پرهها یک حرکت نوسانی انجام میدهند. شکل 2 قسمتهای مختلف روتور را نشان میدهد.
دامنه و فاز حرکت تیغهها بوسیله موقعیت مرکز هدایت تعیین میشود و از این رواندازه و جهت نیروی تراست بوسیله دسته کنترل متنوع خواهدبود. دسته کنترل بوسیله دو موتور که به طورعمود قرار گرفتهاند، به کار انداخته میشود.[2] سروو موتور - یکی از انواع موتورها که حرکات مکانیکی منظمی تولید میکنند - پیشران برای تنظیم گام تراست طولی به کار گرفته میشود. - به جلو و عقب حرکت کردن کشتی - و سروو موتور سکان برای حرکت عرضی استفاده میشود - حرکت به لنگر گاه - . دو سروو موتور طبق مختصات کارتزین - مطبق بر محور های اصلی کشتی - به کنترل - فرمان - کشتی اجازه میدهند با رعایت شرط آزاد محوری، تغییرات کنترل شده در نیروی تراست را ممکن سازد. برای مثال جهت فرمان میتواند در یک سرعت ثابت از حالت کامل به سمت جلو به حالت کامل به سمت عقب کشتی بدون آن که هیچ نیروی عرضی مخالفی ایجاد کند ، تغییر کند .
مجهز بودن پروانههای ویثاشنایدر به کنترلهای مکانیکی برای سروو موتور و یک پمپ روغنی که به جعبه دنده ورودی وصل شده ، باعث میشود که یک سیستم پیشران و مانوری خوددار ایجاد شود که این سیستم از گشتاور ورودی مستقل بوده و هیچ منبع نیرویی نیاز ندارد. در این پروانه ها تنوع سیستم های جنبشی مکانیکی و هیدرولیکی باعث پیشرفت سیستمهای بکار اندازی پره شدهاست. شکل 3 اصل حرکتی سروو موتورها را نشان می دهد.
شکل: 3 نحوه حرکت سروو موتور ها[2]
تیغههای پروانه ویثاشنایدر در طول یک مسیر دایرهای حرکت میکنند. در حالی که همزمان یک حرکت چرخشی اضافی نیز انجام میدهند. مادامی که تیغهها دور میزنند همانطور که در شکل 4 مشاهده میشود خطوط عمود بر میلههای پروفیلها یکدیگر را در یک نقطه که کنترل - N - نام دارد، قطع میکنند.[2]
شکل: 4 نقطه کنترل [2] - N -
معادلات حاکم در پروانههای ویث اشنایدر:
پارامتر e که به عنوان گام پروانه تعریف شد ، به صورت زیر به دست میآید: محدوده تغییر گام پروانههای ویثاشنایدر ، e<0.8 است. پروانههای با گام بزرگتر از یک به عنوان پروانه های محوری شناخته شدهاند. پروانههای کرستن بویینگ یک مورد ویژه از پروانههای پره عمودی است که e=1 است.
