NO140531B - Propellbladkonstruksjon. - Google Patents

Abstract

Propellbladkonstruksjon.

Description

Propellbladkonstruksjon for ved full neddykking å gi redusert kavitasjon og støy ved bruk ved fartøy e.l. anvendelser, hvilken konstruksjon har en stort sett sirkulær spisskant, en fremkant med minst ett fremoverhellende radielt ytre parti og en bakkant av stort sett samme form som fremkanten, men usymmetrisk beliggende i forhold til denne.

Den kavitasjonsstoy som tilveiebringes av slike propellbladkonstruks joner har vist seg å være meget forstyrrende ved anvendelse av akustiske posisjons- og navigasjonssystemer på havgående boreskip, flytende rigger, mineutlegningsfartoyer, rbrnedlegningsprammer og andre fartoyer som er utrustet med slike systemer. Erosjon som er forårsaket av kavitasjon kan også gjore alvorlig skade på fremdriftsanordningens deler, såsom blader, hylser og bæreorganer eller til og med forårsake at slike deler faller fra hverandre.

Den ovenfor nevnte propell med styrbart vendbare blader anordnet i en trommel (CRP-type), f.eks. beskrevet i "Design, Model Testing and Application of Controllable Pitch Bow Thrusters", av L. Pehrsson og R. G. Mende, Society of Naval Architects and Marine Engineers, New York Metropolitan Section, Meeting of September 29, 1960, er

en meget attraktiv type fremdriftsanordning, ettersom den er meget enkel å styre og kun krever en liten vekselstromdreven maskin med lav vekt og som kan arbeide med konstant omdreiningstall. Frem-driftskraften reguleres for storrelse og retning ved styring av propellstigningen. En CRP-fremdriftsanordnings propellblader er plane, hvilket innebærer at de er ikke-vridde og består av symmetriske eller ikke-krummede bæreplanseksjoner siden det kreves at de skal kunne arbeide like bra i begge fremdriftsretningene under opprettholdelse av en og samme rotasjonsretning. Når stigningen er

innstilt for å tilveiebringe trykkraft, fremskaffer imidlertid bladet med konstant stigningsvinkel en belastningsfordeling som skiller seg helt fra den ved spiralformede blader. Det plane bladet har overdreven stigning nær spissen og svak stigning nær navet, og av denne grunn konsentreres den resulterende belastningen ved de ytre radiene på bekostning av belastningen ved de indre radiene, hvilken i virkeligheten vil kunne være negativ. Selv om denne uvanlige belastningsfordeling ikke på noen avgjorende måte minsker fremdriftsanordningens effektivitet, oker den kavitasjonen, hvilket resulterer i stbrre erosjon på fremdriftsanordningens deler og spesielt stor stoy. Den okte kavitasjonen er av-hengig av den overdrevne stigningen til bladenes ytre partier, hvilken stigning medforer store angrepsvinkler som resulterer i fremkantskavitasjon på sugesiden.. I forhold til en fritt montert propell forverres dette forhold ved opprettholdelsen av belastningen ved spissen av en propell anordnet i en hylse.

For å unngå kavitasjonsstoy må kraftige begrensninger pålegges den maksimale trykkraften enten ved reduksjon av hastigheten eller frem-drif tsenhetenes stigning med tilhorende åpenbare ulemper. Andre metoder for å motvirke de virkninger som fremkommer av stoy fra fremdriftsanordningene på de akustiske posisjonssystemene har vært å oke den akustiske effekten hos posisjonssystemets signalstasjoner eller svarstasjoner, hvilket medforer okte kostnader, stbrre vekt og storrelse eller kortere levetid. Posisjonssystemshydrofoner som er montert på fartoy har også blitt utfort innforbare mot eller utskyvbare fra skroget og har også blitt avskjermet på passende måte for å redusere deres fblsomhet overfor stoy frembrakt av fremdriftsanordninger, hvilket igjen medforer ulemper i form av okte kostnader, omfintlighet for skader og ikke onskelige hind-ringer med hensyn til et fartoys konstruksjon samt forstyrrelser ved fortoyningssystem, f.eks. som beskrevet i "Dynamic Stationed - Drilling SEDCO 445" av F. B. Williford og A. Anderson, Paper No. OTC 1882, Offshore Technology Conference, Dallas, Texas, 1973; og "Report of Noise Measurements made During Leg 18 of the Deep Sea Drilling Program" (for Global Marine Inc. og Scripps Institute of Oceanology), av W. P. Schneider, University of California, September 1971.

Et ytterligere forslag for å redusere kavitasjonsstoy og erosjon for noen fremdriftsanordninger har vært å oke gapet mellom bladspissen og hylsen. Dette har imidlertid vist seg å redusere enhetens evne til å frembringe fremdriftskraft, f.eks. beskrevet i "Analysis of Ducted-Propeller Design" av J. D. Van Manen og N. W. C. Oosterveld, The Society of Naval Architects and Marine Engineers, TRANSACTIONS Volume 74, 1969, side 522, og kan til og med vise seg å være virkningslost for stoyreduksjon på grunn av innfbringen av en ved bladspissen kaviterende strbmvirvel..

Anvendelsen av tynne propellblader har også blitt anbefalt som

et middel for å redusere kavitasjon, f.eks. beskrevet i "The Design of Marine Screw Propellers" av T. P. 0<1>Brien, Hutchinson and Co. Ltd., London 1962. Denne teknikk har imidlertid vist seg å være effektiv bare for å redusere tykkelseskavitasjon eller kavitasjon av bobletypen og ikke for minskning av fremkantskavitasjon som forårsakes av belastning eller angrepsvinkel, hvilken senere, mer betydelige kavitasjonsgrunn er formålet med oppfinnelsen. Redusert tykkelse oker dessuten fblsomheten for endring i angrepsvinkel når den påvirker utvikling av fremkantskavitasjon.

Selv om det er påvist at fritt monterte propeller som er utfort med en betydelig helning eller skråstilling bakover i bladformen kan fremvise redusert kavitasjonstendens i forhold til mer konvensjonelle bladformer, er det ved konstruksjonen av propellblader med helning bakover imidlertid nbdvendig å redusere stigningen ved de ytre radiene betydelig for å unngå overbelastning og for tidlig kavitasjon som skulle kunne opptre dersom stigningsfordelingen hos et blad uten helning opprettholdes. Slike teknikker er beskrevet i f.eks. "Highly Skewed Propellers", R. A. Cumming, Wm. B. Morgan og R. J. Boswell, The Society of Naval Architects and Marine Engineers, TRANSACTIONS, Volume 80, 197 2, side 98. Denne type redusert stigning kan ikke anvendes på bladene for en CRP-fremdrifts-anordningspropell eller andre konstruksjoner som oppviser det problem som ligger til grunn for oppfinnelsen, blant annet på grunn av kravet om å kunne arbeide i begge retningene. Skråstilling bakover skulle derfor ytterligere overlates til bladenes spissområder og derved forverre de eksisterende problemer.

Det er således et av oppfinnelsens formål å tilveiebringe en ny

og forbedret propellbladkonstruksjon som gir redusert kavitasjon

og derav følgende støy og andre skadelige fenomener ved slike utførelser. Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en ny propellbladkonstruksjon med mer generell anvendelighet, og enda et formål er å tilveiebringe en ny og forbedret teknikk ved marine og nærliggende utførelser for redusering av propellindusert kavitasjon og derved følgende støy.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en propellbladkonstruksjon

av den innledningsvis nevnte type, hvor det karakteristiske er at fremkanten i sin helhet ligger på en side av bladkonstruksjonens akse, mens bakkanten ligger på den andre side av aksen, at spisskanten danner en avrundet, stort sett sylindrisk flate, som for-binder bladkonstruksjonens motsatte sider, at bladkonstruksjonen er stort sett plan og uvridd og har tverrsnitt eller tverrsnitts-partier med vingeprofil, at det minste forhold mellom bladtverr-snittets tykkelse og korde er minst ca. 6%, og at tykkelsen av bladkonstruksjonen ved spisskantflaten er stort sett den samme som tykkelsen av tilstøtende partier av bladkonstruksjonen.

Oppfinnelsen beskrives nærmere nedenfor med henvisning til vedlagte tegning, på hvilken fig. 1 viser en foretrukket utforelsesform av en propellbladkonstruksjon ifolge oppfinnelsen sett forfra, hvilken i belysende hensikt er vist i forbindelse med en ovenfor om-talt CRP-fremdriftsanordning, fig. 2 er en bildemessig represen-tasjon av bladtykkelsen i forhold til radien og fig. 3 viser en typisk bladprofil.

Innen det i fig. 1, 2 og 3 viste eksemplet betraktes, summeres de erfaringer som ligger til grunn for oppfinnelsen samt særegenhet-ene, hvilke skriver seg fra en bladform som har en betydelig fremoverhellende bladkontur eller periferi i området for sine ytre radier samt bladprofiler med tykkelser eller tykkelses/kordelengde-forhold som overstiger de vanligvis forekommende i betydelig grad, spesielt ved de ytre radiene.

Bladformen ifolge oppfinnelsen karakteriseres derfor av en i vesentlig grad, tidligere ikke anerkjent helning fremover for å over-fore hydrodymamisk belastning fra det for kavitasjon kritiske spissområdet til det ikke kritiske området ved bladets rot, hvorved tilbøyeligheten for kavitasjon minskes som nevnt ovenfor. Effektiviteten av fremdriftsanordninger som utnytter denne bladform er den samme som for konvensjonelle fremdriftsanordninger.

Propellblader som er tynne og forsynt med en skarp kant er fol-somme for forandringer i angrepsvinkelen fra den optimale kon-struksjonsvinkelen ved at de har en tendens til å forårsake kavitasjon ved den fremre kanten ved små belastningsforandringer. Tykke profiler med vel utformede, runde fremre kanter, såsom NACA 66-seriene, som nå i okt omfang utnyttes som fartoyspropel-ler, (se f.eks. "Minimum Pressure Envelopes for Modified NACA 66 Sections with NACA a=0,8 Camber and BUSCHIPS Type I og Type II Sections", av T. Brockett, U.S. Navy, og David Taylor Model Bason Report nr. 1780, februar 1966, er dessuten mye mer ufolsomme for en okning av angrepsvinkelen. Denne ufolsomhet oker imidlertid med voksende tykkelse/kordelengde-forhold: dvs. intervallet for angrepsvinkelen for drift uten kavitasjon ved bladets fremkant ved konstant kavitasjonstall vokser hurtig med tykkelsen. Det har vist seg at tykkelsesforholdet, som hensiktsmessig overstiger det som er vanlig ved konvensjonell praksis, er onskelig for å unngå fremkantskavitasjon ved anvendelse av oppfinnelsen.

Ufolsomhet i angrepsvinkelen og derav folgende redusert fremkantskavitasjon oppnås imidlertid vanligvis på bekostning av tykkelseskavitasjon ved de laveste kavitasjonstallene eller hoyeste fremdriftstrykkverdiene. Det spesielle fremoverhellende bladet ifolge oppfinnelsen har imidlertid vist seg å minske overbelast-ningen av bladet i tilstrekkelig hoy grad til å tillate en viss reduksjon av bladets tykkelse, hvorved man unngår tykkelseskavitasjon, uten å begrense den ufolsomheten for angrepsvinkelen som kreves for redusert fremkantskavitasjon. Den vektreduksjon av bladet som fremkommer som folge av dette er verdifull, ettersom den minsker sentrifugale belastningspåkjenninger i de bolter som holder bladene fast ved CRP-navet. Kort sagt kreves både store tykkelses/kordelengde-forhold og den fremoverhellende bladformen for en hensiktsmessig bladkonstruksjon for den CRP-fremdriftspro-pell som skal arbeide med redusert fremkantskavitasjon og derfor redusert stoy og mindre erosjon.

Selv om blad ved luftevifter tidligere er foreslått med helning, hvilket f.eks. er beskrevet i de amerikanske patentskrifter nr. 2. 212.041 og 2.269.287, er dissementsom losning av et helt annet problem og er ikke tilpasset for å lose de problem som ligger til grunn for oppfinnelsen. Hva angår viften ifolge det først-nevnte patentskriftet, kan man i belysende hensikt nevne at tykkelsen av det bladet som består av en metallplate ikke bare skulle forårsake kavitasjon og være uanvendelig for formålet med foreliggende oppfinnelse, (hvilken fortrinnsvis utnytter et minste tykkelses/kordelengde-forhold t/c som i det minste ikke er mindre enn omtrent 6%), men dersom viften drives i motsatt retning skulle den tilveiebringe uakseptabel kavitasjon. Hva angår vifte-konstruksjoner av den type som er beskrevet i det sistnevnte patentskriftet og som også utnyttes for et annet formål og en annen funksjon, har bladprofilene en tykkelsesutforelse med tynne frem-kanter, hvilket diametralt skiller seg fra det som kreves for losning av de problem som er forbundet med oppfinnelsen og har utilstrekkelig helning for slike problem (prope11bladene ifolge oppfinnelsen har fortrinnsvis en helningsvinkel fremover av stor-relsesorden 35 til 45°), og dersom denne vifte drives i motsatt retning, skulle den dessuten tilveiebringe alvorlige kavitasjons-effekter.

Et tidligere forslag for helning fremover i forbindelse med et annet effektivitetsproblem ved en fartoyspropell er beskrevet i f.eks. det amerikanske patentskrift nr. 1.123.202, men denne kommer til kort når man sammenligner med den vendbart virkende kavitasjonsundertrykkende losning og de oppdagelser som ligger til grunn for det som horer til den foreliggende oppfinnelse. Dette tidligere forslag til propellbladform, som også mangler til-bor lige, minimale t/c-forhold, er forsynt med en helt utilstrekkelig bladoverflate (propellbladet ifolge oppfinnelsen har fortrinnsvis en bladoverflate av i det minste størrelsesorden på ca.

50% av skiveoverflaten innen propellens omriss) og er forsynt med knivskarpe profiler som medforer kavitasjon, og som - dersom den arbeider i omvendt retning - selv skulle forårsake alvorlig kavitasjon .

På fig. 1, 2 og 3 er vist en foretrukket bladform ifolge oppfinnelsen, hvorved fig. 1 gjengir den fremoverhellende bladformens periferikontur. Bladets B forkant 1 vises til hoyre på fig. 1,

og dets bakre kant 2 vises til venstre, hvorved bladet B (og ett eller flere samvirkende blader B') skjematisk vises i en antydet

fremdriftshylse 13. Bladet B har et fremoverhellende område 3 mellom ca. 50% og 100% av spissens radius. I et ytre område

4 mellom ca. 85 til 100% av spissradien strekker fremkanteri 1

seg i en retning som danner en spiss vinkel på ca. 45° med den

radielle retningen. I et område 5 mellom ca. 85 til 60% av spissradien finnes en myk overgang for fremkantens kontur fra det fremoverhellende ytterpartiet til et radielt eller ikke hellende parti. Ved radier i et område 6 mellom omtrent 60% av spissradien og navradien er fremkanten 1 innrettet med bakoverhelning for plas-sering av bladoverflaten på en godtagbar måte i forhold til bladtappens akse 7 og bladfestet (the blade palm) 8, hvorved bladet er usymmetrisk på hver side om aksen 7.

Bakkantens 2 kontur er stort sett en noyaktig etterligning av fremkantens kontur utenom ved spissen og navet. Den vinkel, ved hvilken bladprofilens korde ses ved en gitt radius rundt propell-aksens symmetriakse 9 som sentrum, er tilnærmelsesvis konstant, og omtrent 52,5° i denne konstruksjon. Dette spesielle trekk er ikke vesentlig for å oppnå formålet med oppfinnelsen, selv om det er fordelaktig ved noen konstruksjoner.

Bladspissens kant 10 har form av en hovedsakelig sirkulærsylind-risk overflate med propellaksen 9 som symmetriakse når bladets plan er vinkelrett mot denne akse. Denne form minimaliserer klaringen mellom bladspissen og den omgivende sylindriske hylse 13. Bladtappens symmetriakse strekker seg gjennom midtpunktet for korden ved bladspissens profil 11 for at den minimale klaringen skal opprettholdes når bladet vris til en driftsstigningsvinkel. Fremkantens 1 skjæring med bladspissen ved 12 er fortrinnsvis avrundet til en hovedsakelig elliptisk form med den lille akse tilnærmelsesvis lik radien ved spissen av spissprofilen og en noe stbrre storakse. De kanter som dannes av skjæringene mellom de to bladoverflåtene og spissoverflaten ved 15 er avrundet med en radius på ca. 10% av spissprofilens maksimale tykkelse.

En bildemessig fremstilling av bladets tykkelse t i forhold til bladets radius R vises i tabellen ifolge fig. 2. I tabellens hbyre kolonne angis bladprofilens tykkelses/kordelengde-forhold t/c like utfor tilhbrende radier, hvilke foretrekkes i overens-stemmelse med denne bladkonstruksjon. I den venstre kolonnen angis forholdet t/R, bladprofilens tykkelse i forhold til propell-bladets spissradius i tilknytning til tilhorende radier, som også foretrekkes for denne anskueliggjorte bladkonstruksjon. Tykkelses- og kordelengdefordelingene er gjenstand for konstruksjon sber egn inger som er basert på fremdriftsanordningens storrelse, driftsvilkår og krav på fremdriftstrykkraft, idet de anskueliggjorte verdiene representerer en anvendelig utforelsesform. Det skal dessuten bemerkes at tykkelsesforholdet ved de ytre radiene er betydelig stbrre enn hva som er praktisert tidligere eller for nærværende.

På fig. 3 vises bladprofilen 16 som ligner en vingprofil eller har bæreplanlignende form (som heretter benevnes bæreplansprofil), hvilken skiller seg fra de tynne eller ved sin frem- og bakkants symmetriske propellbladprofiler som, såsom nevnt tidligere, all-ment utnyttes ved fremdriftsanordninger. Bladet har således en ikke-vridd, ikke-spiralformet, nominelt plan midtoverflate med ikke bbyede eller ikke hvelvede bæreplansprofiler.

Modellprbver har vært utfort i kontrollerte vanntrykkstunnelanlegg for å jamfbre en fremdriftsanordning som er forsynt med en propell av konstruksjonen ifolge fig. 1, 2 og 3 med samme fremdriftsanordning forsynt med en propell av foreliggende konvensjonelle konstruksjon med ikke-foroverhellende blader eller med blader med radielle kanter med små tykkelses/kordelengde-forhold.

Ved passende stigningsinnstilling for full trykkraft ved de to bladkonstruksjonene og ved passende kavitasjonstall forårsaket den konvensjonelle propellbladskonstruksjonen konstant kavitasjon ved fremkanten på sugesiden fra ca. 50% av radien til bladspissen i begge arbeidsretningene. Kavitasjon opptrer også i en tydelig virvelstrbm som fores bakover fra skjæringspunktet mellom fremkanten og bladspissen og i gapet mellom bladspissen og hylsens vegg.

I motsetning til dette gav propellen med bladformen ifolge oppfinnelsen - slik den er vist på fig. 1, 2 og 3 - når den arbeidet i den retning, ved hvilken akselbæreorganene befant seg bak propellen sett i strbmningsretningen, ingen kavitasjon bortsett fra en begrenset kavitasjon i klaringen mellom bladspissen og hylsens vegg, men av et mye mindre omfang enn det som forekommer ved den konvensjonelle bladformen. Ved drift med bæreorganene opp-stroms for propellen oppsto samme minimale kavitasjon i klaringen ved bladspissen samtidig med en liten grad av kavitasjon ved fremkantens sugeside, da og bare da hvert blad B, B' pas-serte direkte bak det tykkeste bæreorganet og gjennom dettes kjblvann. Som en folge av dette reduseres frembrakt undervanns-stoy og erosjonsskader betydelig. Den fremoverhellende bladkonstruksjonen ifolge oppfinnelsen viser seg dessuten å kreve samme eller mindre tilfort effekt for samme fremdriftstrykk.

Samme forsok med en ikke hellende, med radielle kanter forsynt bladkonstruksjon som har tykkelsesforhold som overstiger de som er angitt i fig. 2, viser dessuten i hbyeste grad uakseptabel tykkelses- eller boblekavitasjon.

Det turde være åpenbart for en fagmann på området at ulike mo-difikasjoner av fremdriftsanordningens propellblad kan utfores i tilknytning til de her beskrevne hovedtrekk uten at man behbver å avvike fra oppfinnelsesidéen.

Claims (7)

1. Propellbladkonstruksjon for ved full neddykking å gi redusert kavitasjon og støy ved bruk ved fartøy e.l. anvendelser, hvilken konstruksjon har en stort sett sirkulær spisskant (10), en fremkant (1) med minst ett fremoverhellende radielt ytre parti (3) og en bakkant (2) av stort sett samme form som fremkanten, men usymmetrisk beliggende i forhold til denne, karakterisert ved at fremkanten (1) i sin helhet ligger på en side av bladkonstruksjonens akse (7), mens bakkanten (2) ligger på den andre side av aksen, at spisskanten (10) danner en avrundet, stort sett sylindrisk flate, som for-binder bladkonstruksjonens motsatte sider, at bladkonstruksjonen er stort sett plan og uvridd og har tverrsnitt eller tverrsnitts-partier med vingeprofil, at det minste forhold mellom blad-tverrsnittets tykkelse (t) og korde er minst ca. 6%, og at tykkelsen av bladkonstruksjonen ved spisskantflaten er stort sett den samme som 'tykkelsen av tilstøtende partier av blad-konstruks jonen.

2. Propellbladkonstruksjon ifølge krav 1, karakterisert ved at bladaksen (7) hovedsakelig passerer gjennom midtpunktet av korden ved bladspissens kant.

3. Propellbladkonstruks jon ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at skjæringen (12) mellom bladspissens kant (10) og fremkanten (1) hovedsakelig er ellipsoidformet.

4. Propellbladkonstruksjon ifølge krav 1-3, karakterisert ved at fremkanten (1) radielt innenfor nevnte ytre parti (3) krummer seg jevnt over i et radielt forløpende parti og deretter i et i forhold til bladaksen (7) bakoverrettet parti (6).

5. Propellbladkonstruksjon ifølge krav 4, karakterisert ved at det fremoverrettede parti (3) er skrådd med en spiss vinkel på omtrent 35 til 45°.

6. Propellbladkonstruksjon ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at forholdet mellom bladtverr-snittets tykkelse (t) og radien (R) for spisskanten for blad-tverrsnitt ved forskjellige prosentandeler av radien (R) er som følger:

7. Propellbladkonstruksjon ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at forholdet mellom bladtverr-snittets tykkelse (t) og kordelengden (c) ved forskjellige prosentandeler av radien (R) for spisskanten er .som følger: