بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی پروانه نیمه مغروق برای یک شناور تندرو
چکیدہ
یکی از انواع مختلف سیستم شفت و پروانه، پروانه های نیمه مغروق می باشند که امروزه در شناور های نظامی کاربرد بسیاری یافته اند. از مشخصات عملیاتی این نوع پروانه ها که بسیار نیز برجسته است، حرکت در دو محیط سیالاتی متفاوت و با سرعت بسیار بالا می باشد. در این مقاله هدف طراحی پروانه ای است که بتواند شناور را به سرعتی در حدود ۵۰، ۶۰ و ۷۰ برساند. اگرجه طراحی پروانه بر اساس سریها در شناورهای معمولی سیستماتیک میباشد ولی روش انجام طراحی بر اساس سری پروانه های نیمه مغروق چندان عمومی نشده است. در این مقاله برای یک شناور پروازی خاص پروانه های نیمه مغروق مختلفی طراحی میگردد تا بهترین آنها از نقطه نظرات مختلف انتخاب گردد. سری مد نظر، خصوصیات هیدرودینامیکی پروانه را بصورت فرمول تجربی ارائه میکند. با کمک فرمول های بازگشتی موجود و فرض داده های ورودی برای این توابع، ضرایب هیدرو دینامیکی مورد نیاز بدست آمده است. با فرض داده های ورودی مختلف برای بعضی ضرایب و با روش سعی و خطا، سعی شده تا بهترین شرایط کاری برای عملکرد پروانه تعیین شود.
کلمات کلیدی: پروانه نیمه مغروق - فرمول بازگشتی - مقاومت شناور - دور موتور - راندمان بهینه
مقدمه
یکی از انواع مختلف سیستم شفت و پروانه، پروانه های نیمه " ی باشند که امروزه در قایق های تفریحی و نظامی کاربرد بسیاری یافته اند. از مشخصات عملیاتی این نوع پروانه ها، حرکت در دو محیط سیالاتی متفاوت و با سرعت بسیار بالا می باشد. برای بررسی این نوع پروانه ها، نیاز به در نظر گرفتن شرایط پیچیده ای از جمله فصل مشترک بین دو سیال آب و هوا وجود دارد. در پروانه های نیمه مغروق، با در نظر گرفتن زاویه مناسب برای شفت نسبت به سطح آزاد آب(شکل ۱)، تا حد زیادی درگ ناشی از وجود ملحقات کاهش می یابد که در نتیجه مقاومت کل شناور نیز کاهش خواهد یافت. با کاهش مقاومت کل شناور، قدرت مورد نیاز جهت رانش شناور نیز کاهش چشمگیری خواهد. یکی از مهمترین تفاوت ها بین پروانه های نیمه مغروق و پروانه های معمول، نوع مقطع و شکل پره آنها می باشد. در شکل ۲ نمونه هایی از این مقاطع نشان داده شده است. طراحی سیستماتیک پروانه های تجاری بکمک سری ها موضوع جدیدی نیست. سری B-Wageningen و سری گاون از سری های معروفی هستند که هریک با روش مختص به خود طراحی Carlton 1994) is( نویسنده اول در پایان نامه کارشناسی خود مجموعه ای (حداقل دو سری) از سری پروانههای نیمه مغروق و کاوی تاسیونی را گردآوری نموده است و چزئیات هندسه و خصوصیات هیدرودینامیکی آنها را بحث نموده است ( معماریان ۱۳۸۷). در این مقاله برای یک شناور پروازی خاص یکی از سریهای پروانه های نیمه مغروق را جهت طراحی انتخاب نموده (فرناندو و همکاران ۲۰۰۶) و محاسبات پایهای طراحی برای شناور مذکور انجام میگردد. از آنجائیکه این نوع محاسبات برای شناورهای تندرو و پروانه نیمه مغروق چندان منتشر نشده است، نویسندگان با ارائه آن در قالب یک مقاله سعی در انتشار دانش آن برآمده اند.
شکل ۱: پروانه نیمه مغروق
عوامل اصلی در طراحی پروانه های نیمه مغروق مهمترین پارامتر هایی که در شرایط عادی بر رفتار پروانه های نیمه مغروق تاثیر می گذارد شامل تعداد پرهZ، نسبت گام به قطر، نسبت نسطح A گسترش یافته 光 ، ضریب پیشرویل، عدد رینولدز Re و عدد کاوی تاسیون O می باشند. در رابطه ۱، پارامترهای موثر بر رفتار هیدرودینامیکی پروانه o 9 عدد وبر، به منظور بررسی عملکرد پروانه در سطح مشترک آب We ضریب غوطه وری و IT :های نیمه مفروق آورده شده است که پارامترهای شامل هوا، i زاویه طولی و ۷٪ زاویه افقی محور شفت. می باشند.
انحراف (شیب) شفت در پروانه های نیمه مغروق به سبب شرایط عملکرد نامتقارن نیروهای عرضی و عمودی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این زاویه انحراف در حدود ۶ درجه می باشد. یکی از پارامترهای اساسی برای پروانه های نیمه مغروق ضریب غوطه وری IT می باشد، که مشاهده شده است که ضریب تر است به تناسب با این ضریب تغییر می نماید. ضریب غوطه وری در رابطه ۲ تعریف شده است که hr ماکزیمم ارتفاع غوطه وری و D قطر پروانه می باشد.
خانواده ۵۶۷ از سری پروانه های نیمه مغروق، شامل ۳ مدل ۵ پره است. نسبت گام به قطر برای این گروه ۸، ۰ و ۱ و ۱.۲ می باشند. نسبت سطح گسترش یافته نیز ۰٫۶۷ می باشد. ضریب پیشروی پر J بر اساس نظریه ی مولفه سرعت پیشروی (شکل ۳) با رابطه ی ۳ محاسبه می شود:
با توجه به روابط ۴ و ۵، ضرایب تر است و گشتاور پروانه K o و T کل در پروانه های نیمه مغروق بر اساس سطح مغروق در آب محاسبه می شود که A0 نشان دهنده آن است و در شکل ۴ مشخص شده است.
طراحی پروانه نیمه مغروق برای یک نمونه شناور تندرو شناور تندرو مورد مطالعه جهت طراحی پروانه، شناور بشیر می باشد. این شناور شکل خاصی دارد. در این شناور سه المان به صورت برجسته قابل تشخیص می باشند. بدنه اصلی شناور که از نوع بدنه های پروازی بوده و شکلی منحصر به فرد دارد. بال های هوایی در این شناور ها به منظور استفاده از پدیده اثر سطح تعبیه شده اند و بال های کناری که نوعی مقطع پروازی به حساب می آیند. در شکل ۵ مدلی رایانه ای از این شناور که در نرم افزارهای گرافیکی مدل شده است ارائه گردید. شناور ها دسته بندی های متفاوتی دارند. نوعی از این دسته بندی براساس نیروی تحمل کننده وزن شناور می باشد. در شناور های جابجایی تحمل وزن با نیروهای هیدرواستاتیک انجام می گیرد. شناور بشیر در گروه هیدرو آئرودینامیک تقسیم بندی می شود. این بدین معنی است که نیروهای تحمل کننده وزن شناور ترکیبی از نیروهای هیدرودی نامیک و آئرودینامیک ی باشند. نیروهای هیدرودینامیک توسط بدنه پروازی و بال های کناری این شناور تولید می شود و بال های هوایی در این شناور وظیفه تولید نیروهای آئرودی نامیک را به عهده دارد.
شکل ۵: مدل رایانه ای از شناور بشیر
محاسبه مقاومت شناور شناور بشیر از سه المان برجسته تشکیل شده است. این سه المان با نام های بدنه زیر آبی، بال کناری و بال هوایی شناخته می شوند. اثرات متقابل این المان ها بر روی هم بسیار پیچیده می باشد و وجود ذراتی از آب در محیط سیالاتی اطراف بال هوایی بر پیچیدگی محاسبات خواهد افزود. از آنجایی که اثر این ذرات آب (اسپری آب) بر حرکت این شناور به درستی قابل فهم نیست و برای کاهش پیچیدگی های محاسبات که در این شناور نمود پیدا ی کند گروه طراحی شناور را به المان های تشکیل دهنده تقسیم نمود. با انجام محاسبات هیدرودینامیک و آئرودینامیک برای المان های مزبور، از قانون جمع :ļ جهت محاسبه لیفت و درگ کل المان استفاده گردید. جهت انجام محاسبات هیدروآئرودینامیک المان های شناور از نرم افزار
