Potkurin ruuvi

Potkuri  on yleisin nykyaikainen laivan propulsiojärjestelmä sekä muun tyyppisten potkureiden rakenteellinen perusta.

Rakentaminen

Mikä tahansa nykyaikainen potkuri on siipi ja koostuu navasta ja lavoista , jotka on asennettu säteittäisesti navaan , samalla etäisyydellä toisistaan, kierrettyinä samassa kulmassa suhteessa kiertotasoon ja edustavat keskipitkän tai pienen venymän omaavia siipiä .

Potkuri on asennettu potkurin akseliin , jota käyttää aluksen moottori. Kun potkuri pyörii, jokainen siipi vangitsee vesimassan ja heittää sen takaisin antaen sille tietyn momentin , - tämän poistetun veden reaktiovoima siirtää vauhtia potkurin lapoihin, lavat puolestaan ​​potkurin akseliin navan ja potkurin akselin läpi , edelleen - aluksen runko pääpainelaakerin läpi .

Kaksilapaisella potkurilla on suurempi hyötysuhde kuin kolmilapaisella potkurilla, mutta suurella levysuhteella (katso alla) on erittäin vaikea varmistaa kaksilapaisen potkurin siipien riittävä lujuus. Siksi kolmilapaiset potkurit ovat yleisimpiä pienissä aluksissa (kaksilapaisia ​​potkureita käytetään kilpaveneissä , joissa potkuri on kevyesti kuormitettu, ja purjeveneissä , joissa potkuri on apuvoima [1] ). Neli- ja viisilapaisia ​​potkureita käytetään suhteellisen harvoin, pääasiassa suurissa moottoriveneissä ja suurissa valtamerialuksissa rungon melun ja tärinän vähentämiseksi.

Nykyaikaisten potkureiden potkurin halkaisija - siipien päiden kuvaaman ympyrän halkaisija potkurin pyörimisen aikana - vaihtelee kymmenistä senttimetreistä 5 metriin (tällaiset suuret potkurit ovat tyypillisiä suurille valtamerialuksille).

Potkureissa oleva spoileri  - kaareva ulosmenoreuna - auttaa lisäämään potkurin kykyä vangita vettä (tämä on erityisen tärkeää veneissä, joissa on korkealle asennettu moottori ja suuret ajokulmat ). Spoileri tarjoaa myös lisänostoa veneen keulalle, kun se on asennettu siiven nousulinjoihin. Spoilerin käyttö siiven ulos- ja ulkoreunoissa lisää nousua. Vakiospoilerin käyttö johtaa yleensä nopeuden laskuun 200-400 rpm (tämä tarkoittaa, että jos vaihdat perinteisen ruuvin ruuviin, jossa on spoileri, sinun on pienennettävä nousua 2-5 cm). [2]

On edullista valita potkurin pyörimisnopeus välillä 200-300 rpm tai pienempi - suurilla laivoilla. Lisäksi pienellä pyörimisnopeudella kuormitettujen moottorin osien mekaaninen kuluminen on huomattavasti pienempi, mikä on erittäin merkittävää ottaen huomioon niiden suuret mitat ja korkeat kustannukset.

Potkuri toimii parhaiten, kun sen pyörimisakseli on vaakasuora. Kaltevalla potkurilla, joka on siksi virtaviivaistettu "viistolla" virtauksella, hyötysuhde on aina pienempi - tämä hyötysuhteen lasku vaikuttaa, kun potkurin akselin kaltevuuskulma horisonttiin nähden on suurempi kuin 10 °.

Purjelentokoneissa potkurin akseli sijaitsee suhteellisen lähellä veden pintaa, joten ei ole harvinaista, että potkurin lapoihin imeytyy ilmaa (pintailmastus) tai koko potkuri paljastuu aallolla matkustaessa. Näissä tapauksissa ruuvin työntövoima laskee jyrkästi ja moottorin nopeus voi ylittää sallitun maksimiarvon. Ilmastuksen vaikutuksen vähentämiseksi potkurin nousua muutetaan säteen mukaan - alkaen siiven osasta r  = (0,63–0,7) R kohti napaa, nousu pienenee 15–20 %.

Suuren tehon siirtämiseen käytetään usein kaksi- ja kolmiakselisia asennuksia, ja jotkut suuret alukset (esimerkiksi lentotukialukset , taistelulaivat ) on varustettu neljällä symmetrisesti sijoitetulla potkurilla.

Arktisen luokan merijäänmurtajien potkurit ovat aina vahvempia, sillä niiden toinen tehtävä on murskata jäätä, kun jäänmurtaja liikkuu taaksepäin.

Ruuvit

Potkurit vaihtelevat:

Riippuen potkurin siipien iskukulmaa säätelevän mekanismin olemassaolosta tai puuttumisesta , potkurit jaetaan "säädettävän nousun" potkureihin ja "kiinteän nousun" potkureihin, vastaavasti. Kiinteäsiipeisiä potkureita käytetään amatööri-, pienikokoisissa aluksissa sekä merialuksissa, jotka harvoin muuttavat liiketapaansa navigoinnin aikana, sekä aluksissa, jotka vaativat lisää potkurin voimaa (erityisesti jäänmurtajissa ). Säädettävän nousun potkureita käytetään aluksissa, jotka muuttavat usein liikettä: hinaajat, troolarit ja monet jokiveneet.

Pyörimissuunnasta riippuen potkurit pyörivät oikealle ja vasemmalle. Perästä katsottuna myötäpäivään pyörivää potkuria kutsutaan "oikeakätiseksi potkuriksi" ja vastapäivään pyörivää "vasenkätistä potkuria". Yksinkertaisimmassa tapauksessa käytetään yhtä oikeakätistä potkuria, joka on asennettu pitkin aluksen vaakasuuntaista symmetria-akselia. Suurissa laivoissa käytetään kahta, kolmea tai jopa neljää keskenään vastakkaisen kierron potkuria parantamaan ohjattavuutta ja luotettavuutta.

Rengassiipiset potkurit pyörivät avoimessa ontossa sylinterissä (sellaiset potkurit tunnetaan myös siipipyörinä ), mikä pienillä potkurinopeuksilla lisää työntövoimaa jopa 6 % [3] . Tällaista suutinta käytetään lisäsuojaan vieraiden esineiden pääsyltä työalueelle ja ruuvin tehokkuuden lisäämiseen. Käytetään usein laivoissa, jotka purjehtivat matalassa vedessä.

Superkavitaatiopotkurit , joissa on erikoispinnoite ja erikoismuotoiset siivet, on suunniteltu jatkuvaan toimintaan kavitaatioolosuhteissa . Käytetään nopeissa veneissä.

Ruuvilaskenta

Potkurin liukumisen vuoksi nestemäisessä väliaineessa todelliset tiedot poikkeavat ihanteellisesti lasketuista arvoista. He yrittävät ottaa tämän huomioon esimerkiksi pienentämällä halkaisijaa tietyllä kertoimella. Samalla ruuvin halkaisijan (D) ja nousun (H) matemaattiset riippuvuudet tehosta (N) ja ruuvin nopeudesta (n) nesteessä, jonka tiheys (ρ) antavat käsityksen olemassa olevista riippuvuuksista. Jos jätämme väliaineen juoksevuuden huomiotta, niin ruuvi voidaan esittää loputtomana kiilana , joka on puristettu laivan ja väliaineen väliin, vielä selvemmin laiturin ja perän väliin. Potkuri muuttaa voimia samalla tavalla kuin kalteva taso .

Yhdessä kierrossa ihanteellinen ruuvi liikuttaa tilavuutta vettä, jonka massa on: π * ρ * D 2 * H / 4

Suihkun nopeus metreinä sekunnissa: v=H*n

Ruuvin työntövoima newtoneina : F=v*dm/dt=π*ρ*D 2 * H 2 *n 2/4

Tehonkulutus watteina : N \ u003d π * ρ * D 2 * H 3 * n 3/8

Ruuvin halkaisija metreinä: D= ((8*H)/(π*ρ*H 3 *n 3 ))

Ruuvin nousu metreinä: H=1/n* ((8*N)/(π*ρ*D 2 ))

Kierroksia sekunnissa: n=1/H* ((8*N)/(π*ρ**D 2 ))

Potkureiden valmistus

Suurimmat potkurit saavuttavat kolmikerroksisen rakennuksen korkeuden, ja niiden valmistus vaatii ainutlaatuista osaamista. Kun Iso-Britannian ruuvihöyrylaiva luotiin , potkurin muottien tekeminen kesti jopa 10 päivää.

Perinteinen tekniikka mahdollistaa umpimetallisten (teräs- tai kupariseoksesta) potkurien valmistuksen valamalla hiekkamuotteja, jotka on saatu käsin tai osittain mekaanisella muovauksella. Tässä tapauksessa muoto on sarja ala- ja yläliukuja, jotka muodostavat terien pinnat, ja muovaus suoritetaan yksiteräisen mallin mukaan [4] . Erityiset teknologiset menetelmät määräytyvät potkurin koon, rakenteen ja painon sekä sen sarjojen mukaan. Esimerkiksi keskireiän olemassaolo tai puuttuminen valussa (joka porataan jatkossa potkurin akselia varten) navassa määrittää keskitangon olemassaolon tai puuttumisen muotissa. Jos potkurit valmistetaan suurissa sarjoissa, niin liukuja muodostettaessa käytetään uudelleenkäytettäviä teräsrunkoja tai erikoiskehyksiä, joiden muoto on lähellä potkurin siipien muotoa (yksittäistuotannossa niin kalliiden laitteiden valmistus on epäkäytännöllistä). Tällä hetkellä harvoissa tapauksissa potkurivalujen valmistuksessa käytetään nykyaikaisia ​​numeerisella ohjauksella varustettuja laitteita , esimerkiksi robottivarteen asennetun työkalun avulla muotti jyrsitään välittömästi, ilman mallisarjaa. Robotteja käytetään myös jyrsimällä malleja eri materiaaleista, kuten vaahtomuovista tai MDF :stä . Lisäksi käytetään muovista valmistettujen potkurimallien kolmiulotteisia tulostusmenetelmiä .

Täysin uudeksi osa-alueeksi potkureiden valmistuksessa on tullut kiinteän potkurin kolmiulotteinen painaminen metallijauheilla tai -langoilla. Ensimmäiset tällaiset kokeelliset potkurit on valmistettu jo Hollannissa [5] ja Venäjällä [6] . Tämä suunta kehittyy ensisijaisesti siitä syystä, että korkealuokkaisten (potkurin pinnan jyrsimistä vaativien) yksipotkurien valmistus on edelleen erittäin kallis, aikaa vievä ja pitkä prosessi, ja niiden valmistus additiotekniikoilla mahdollistaa mm. saada kustannussäästöjä ja nopeuttaa valmistusprosessia. Mutta tämän menetelmän leviämistä haittaa itse metallien 3D-tulostusprosessin äärimmäisen korkea hinta: itse laitteiston korkea hinta, vaadittua laatua olevat metallijauheet ja niiden valmistukseen käytettävät laitteet (esim. sumuttimet) ja toistaiseksi ei ole mahdollisuuksia korvata valettuja potkureita sellaisilla, joita painetaan merkittäviä määriä.

Ruuvin tulee olla riittävän vahva kestämään tuhansia tonneja paineita eikä syöpyä suolaisessa merivedessä . Yleisimmät materiaalit potkureiden valmistukseen ovat messinki , pronssi , teräs , myös erikoisseokset , esimerkiksi kunal -seos  - se on teräksen lujuutta, mutta kestää paljon paremmin korroosiota. Cunial voi olla vedessä vuosikymmeniä ruostumatta. Seoksen lopullisen lujuuden saamiseksi 5 % nikkeliä, 5 % alumiinia ja 10 % muita metalleja lisätään 80 % kupariin; uudelleensulatus suoritetaan 1183 °C:n lämpötilassa. [7]

1900-luvun puolivälistä lähtien muovia on käytetty myös päämateriaalina rahan säästämiseksi, painon keventämiseksi ja veneiden potkureiden valmistusprosessin yksinkertaistamiseksi [4] . [kahdeksan]

Edut ja haitat

Se toimii liikuttimena vain tasaisella tai kasvavalla pyörimisnopeudella, muissa tapauksissa - aktiivisena jarruna .

Potkurin hyötysuhde on ~30–50 % (teoreettisesti maksimi saavutettavissa on 75 %). "Ihanteellinen" ruuvi ei voi tehdä sen työolosuhteiden jatkuvan muutoksen vuoksi - työympäristöolosuhteet.

Potkuri häviää edelleen airolle (hyötysuhde ~ 60-65%) hyötysuhteessa. [9]

Siipapyörään verrattuna potkurin hyötysuhde on korkeampi ja potkuri on erittäin kompakti ja kevyt aluksen kokoon nähden. Mutta vaurioitunut siipipyörä voidaan korjata helposti, potkurit eivät useimmiten ole korjattavissa ja vaurioitunut potkuri vaihdetaan uuteen. Lisäksi potkuri on haavoittuvin muihin laivojen potkureihin verrattuna ja vaarallisin meren eläimistölle ja yli laidan pudonneille ihmisille. Samaan aikaan siipipyörät tarjoavat enemmän pitoa pysähdyksissä (mikä on kätevä hinaajille ja mahdollistaa myös pienemmän vedon). Karkeina ne kuitenkin paljastuvat hyvin nopeasti (toisen puolen pyörä pyörii tyhjäkäynnillä ilmassa, kun taas vastakkaisen puolen pyörä on kokonaan veden alla, mikä kuormittaa johtavan vetokoneen äärirajaan asti), mikä tekee niistä käytännössä sopimattomia. merikelpoisille aluksille ( 1840 -luvulle asti niitä käytettiin yleisesti vain vaihtoehdon puutteen sekä höyrykoneen apuroolin vuoksi noiden vuosien purje- ja höyryaluksissa ).

Erityisesti ruuvipotkurin edut pyörillä varustetun potkurin edut ovat kiistattomia sota -aluksille  - tykistön sijaintiongelma poistettiin: akku saattoi jälleen miehittää koko laudan tilan. Myös vihollisen tulelle erittäin haavoittuva kohde katosi - potkuri on veden alla.

Erillinen luokka on vesisuihkupotkuri . Suurin ero tässä on, että vesisuihkussa on kapeneva suutin, joka lisää suihkun nopeutta sellaisiin nopeuksiin, joita vapaa potkuri ei pysty luomaan ilman kavitaatiota. Itse potkuri vesisuihkussa toimii paikallaan olevissa, lähellä ihanteellisia olosuhteissa, joihin ulkopuolelta tuleva veden virtaus ei vaikuta.

Historia

Vedennostoruuvi , jonka keksintö johtuu Arkhimedeksestä, soveltui myös varsin käänteiseen työhön - itse ruuvin hylkäämiseen vesimassasta. Ajatuksen potkurin käytöstä potkurina esittivät jo vuonna 1752 Daniel Bernoulli ja myöhemmin James Watt . Potkuri ei kuitenkaan heti saanut yleistä tunnustusta. Vaikka potkurin toimintaperiaate ei koskaan ollutkaan salaisuus, englantilainen keksijä Francis Smith otti ratkaisevan askeleen vasta vuonna 1836 jättäen vain yhden kierroksen Arkhimedeen ruuvin pitkästä spiraalista. Tarinan mukaan "modernisointi" tapahtui sattumanvaraisen tapahtuman seurauksena: Smithin höyryveneessä puisen potkurin osa katkesi osuessaan vedenalaiseen riutaan jättäen yhden käännöksen, jonka jälkeen vene kasvoi huomattavasti nopeus. Smith asensi potkurin pieneen höyrylaivaan , jonka uppouma oli 6 tonnia. Smithin onnistuneet kokeilut johtivat yrityksen perustamiseen, jonka kustannuksella rakennettiin Archimedes - ruuvihöyrylaiva . Vain 240 tonnin iskutilavuudella Archimedes varustettiin kahdella käynnissä olevalla höyrykoneella, joiden kummankin teho oli 45 hv. Kanssa. jokainen ja yksi ruuvi, jonka halkaisija oli hieman yli 2 metriä (alkuperäinen Smith-ruuvi oli osa suorakaiteen muotoisen muodostelman kierteistä pintaa, joka vastasi yhtä kokonaislukuastetta ) .  

Samanaikaisesti Smithin kanssa ja hänestä riippumatta tunnettu keksijä ja laivanrakentaja ruotsalainen John Ericsson kehitti potkurin käytön propulsiolaitteena . Samassa 1836 hän ehdotti toista potkurin muotoa, joka oli siipipyörä, jonka lavat oli asetettu kulmaan. Hän rakensi Stocktonin ruuvihöyrylaivan (käyvien höyrykoneiden teho on 70 hv) ja siirtyi vuonna 1839 sen avulla Amerikkaan , missä hänen ajatukseensa kohdistui niin suuri kiinnostus, että jo vuonna 1842 laskettiin maahan ensimmäinen Yhdysvaltain ruuvifregatti Princeton . ”(iskutilavuus 954 tonnia, koneiden teho 400 hv, jolloin isku jopa 14 solmua ) Erickson-suunnittelupotkurilla. Kokeissa alus kehitti ennennäkemättömän 14 solmun nopeuden. Ja kun yritettiin "kuivata" häntä pyörillä varustetulla " Great Westernillä ", ruuvifregatti raahasi vastustajaa pienemmästä iskutilavuudesta ja pienemmästä moottorin tehosta huolimatta. Myös Princeton huomattiin laivanrakennuksen historiassa kantamalla aikansa suurimman kaliiperin aseita - ensimmäistä kertaa 12 tuuman aseet asennettiin sen levysoittimiin.

1800-luvun puolivälissä alkoi massiivinen purjeveneiden muuttaminen ruuvialuksiksi. Toisin kuin siipihöyrylaivoissa, joiden muuntaminen vaati erittäin laajaa ja pitkäkestoista työtä, purjeveneiden modernisointi ruuvihöyrylaivoiksi osoittautui paljon yksinkertaisemmaksi. Puinen runko leikattiin noin puoliksi ja konehuoneeseen tehtiin puinen sisäke, jonka teho suurille fregateille oli 400-800 hv. Kanssa. Samaan aikaan painokuormitus vain parani - raskaat kattilat ja koneet sijaitsivat pääosin vesirajan alla eikä tarvinnut ottaa vastaan ​​painolastia , jonka määrä purjeveneissä nousi joskus satoihin tonneihin. Ruuvi sijoitettiin perässä olevaan erityiseen kaivoon ja varustettiin nostomekanismilla, koska purjehtiessaan se vain häiritsi liikettä ja loi lisävastusta. He tekivät samoin savupiipun kanssa - jotta se ei häiritse purjeiden käyttöä, se tehtiin teleskooppiseksi (kuten spyglass ). Aseiden kanssa ei käytännössä ollut ongelmia - ne pysyivät paikoillaan.

Griffiths ehdotti monien potkureiden kokeellisen tutkimuksen jälkeen ruuvia, jolla on progressiivinen nousu ja jonka halkaisija on suhteellisesti suurempi ja jonka kytkin ja siivet ovat leveimpiä keskellä; siiven pää on taivutettu eteenpäin noin 1/25 d, joten sen työpinnan generatrix ei ole suora viiva, kuten tavallinen potkuri, vaan kaareva. Tällaisen ruuvin toiminta osoittautui erittäin sujuvaksi ja melkein ilman iskuja ja perän tärinää.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Jälkimmäisessä tapauksessa kyky asentaa ruuvi pystysuoraan perävarren hydrodynaamiseen pohjaan on tärkeää sen vastuksen vähentämiseksi purjehtiessa.
  2. ↑ Potkurivalinta Arkistoitu 3. marraskuuta 2014 Wayback Machinessa // vlboat.ru .
  3. ↑ Laivojen ja alusten propulsio Arkistoitu 20. syyskuuta 2012 Wayback Machinessa // korabley.net, 04/06/2010.
  4. ↑ 1 2 K.P. Lebedev ja N.N. Sokolov. Teknologia potkureiden / reikien tuotantoon. Toimittaja A.E. Vol., toimittaja G.A. Minyaeva, tekn. toimittaja A.M. Usova, oikolukija E.V. Linnik. - L .: SUDPROMGIZ, 1951. - S. 119-150. — 372 s.
  5. ↑ Damenin johtama konsortio valmisti ensimmäisen potkurin käyttämällä 3D-tulostusta , Shipbuilding.info  (12. syyskuuta 2017). Arkistoitu alkuperäisestä 14. joulukuuta 2021. Haettu 14.12.2021.
  6. ↑ Shipbuilder esittelee 3D-tulostettua potkuria , 3D tänään  (19. syyskuuta 2019). Arkistoitu alkuperäisestä 14. joulukuuta 2021. Haettu 14.12.2021.
  7. ↑ D/f Giant Propellers arkistoitu 2. huhtikuuta 2015 Wayback Machinessa (" How Is It Done? ", Discovery Channel ).
  8. ↑ Materiaali potkurin tekemiseen Arkistokopio päivätty 3. marraskuuta 2014 Wayback Machinessa // vlboat.ru .
  9. ↑ SOUTOPULSIOTEHOKKUUS . Arkistoitu 5. syyskuuta 2015 Wayback Machinessa

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
  • Brockhaus ja Efron
  • Sotilaallinen Sytina
  • Pieni Brockhaus ja Efron
Bibliografisissa luetteloissa