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Hélice (marinho)

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Rodar a Hamilton Standard 54H60 hélice numa Marinha dos EUA O motor do EP-3E Orion número quatro como parte de cheques pré-vôo

A hélice é essencialmente um tipo de ventoinha que transmite energia através da conversão movimento de rotação em empurrado para a propulsão de um veículo tal como um aeronave, navio , ou submarino por meio de uma massa , tal como água ou ar , fazendo rodar dois ou mais torcidas lâminas sobre um eixo central, de uma maneira análoga à rotação de um parafuso através de uma sólida. As pás da hélice de um acto como rotação asas (as pás de uma hélice são de facto asas ou aerofólios), e produzir força, através da aplicação de ambos Princípio de Bernoulli e a terceira lei de Newton , a geração de uma diferença de pressão entre as superfícies dianteira e traseira do lâminas e ao acelerar uma massa de ar traseira em forma de aerofólio.

História

O princípio empregue no uso de uma hélice de parafuso é usado em parelhos. É parte da habilidade de impulsionar uma Venetian gôndola, mas foi usado de uma forma menos refinada em outras partes da Europa e provavelmente em outros lugares. Por exemplo, a propulsão de um canoa com uma única pá usando um "J-stroke" envolve uma técnica idêntica ligadas, mas não. Na China, sculling, chamado de "lu", também foi usado pelo século 3 dC.

Em parelhos, uma única lâmina é movida através de um arco, de lado a lado, tendo o cuidado de manter apresentando a lâmina para a água, com o ângulo eficaz. A inovação introduzida com a hélice de parafuso foi a extensão do que o arco através de mais de 360 °, anexando a lâmina para um eixo rotativo. Na prática, há quase sempre mais de uma lâmina, de modo a equilibrar as forças envolvidas. A exceção é um um único sistema de lâmina de hélice.

A origem da hélice de parafuso real começa com Arquimedes , que usou um parafuso para levantar água para irrigação e socorrendo barcos, tão famosa que se tornou conhecido como o Parafuso de Arquimedes. Foi provavelmente um pedido de movimento em espiral no espaço (espirais eram um estudo especial de Arquimedes ) a um segmentado roda d'água oca utilizada para a irrigação por Egípcios durante séculos. Leonardo da Vinci adoptou o princípio de dirigir seu helicóptero teórica, esboços dos quais envolvendo uma grande sobrecarga parafuso lona.

Em 1784, JP Paucton propôs uma aeronave gyrocopter-like usando parafusos semelhantes para ambos elevador e propulsão. Mais ou menos ao mesmo tempo, James Watt propôs usar parafusos para impulsionar barcos, embora ele não usá-los para seus motores a vapor. Esta não era a sua própria invenção, embora; Toogood e Hays havia patenteado que um século antes, e tornou-se um uso incomum como meio de propulsão de barcos desde aquela época.

Em 1827 Josef Ressel tinha inventado uma hélice de parafuso que tinha várias lâminas presas em torno de uma base cónica; este novo método de propulsão permitidos barcos a vapor de viajar a velocidades muito maiores sem o uso de velas, assim, tornando a viagem mais rápida oceano. Hélices permaneceu extremamente ineficiente e pouco utilizado até 1835, quando Francis Pettit Smith descobriu uma nova forma de hélices de construção. Até aquele momento, hélices foram literalmente parafusos, de tamanho considerável. Mas, durante o teste de um barco movido por um, o parafuso de arrancada, deixando um fragmento de forma muito parecida com um moderno barco hélice. O barco se moveu mais rápido com a hélice quebrada.

Mais ou menos ao mesmo tempo, Frédéric Sauvage e John Ericsson pedidos de patentes sobre vagamente semelhante, embora menos eficiente encurtado hélices, levando a uma controvérsia aparentemente permanente a respeito de quem é o inventor oficial entre os três homens. Ericsson tornou-se muito famoso quando ele construiu o "Monitor" um navio de guerra blindado que em 1862 triumphedover Estados Confederados ' Merrimac numa guerra civil americana batalha naval.

A primeira hélice de parafuso para ser alimentado por uma motor a gasolina, montado num pequeno barco (agora conhecido como powerboat) foi instalado por Frederick Lanchester, também a partir de Birmingham. Esta foi testada em Oxford . O primeiro uso "mundo real" de uma hélice foi por David Bushnell, que usou hélices movidas a mão para motivar seu submarino "tartaruga", em 1776.

Uma hélice de aeronaves de madeira Primeira Guerra Mundial sobre uma bancada.

A torcida aerofólio (aerofólio) forma de hélices de aeronaves modernas foi iniciada pelos irmãos Wright quando eles descobriram que todo o conhecimento existente sobre hélices (principalmente naval) foi determinada por tentativa e erro e que ninguém sabia exatamente como eles trabalhavam. Eles descobriram que uma hélice é essencialmente o mesmo como um asa e assim foram capazes de utilizar os dados recolhidos a partir de suas experiências anteriores em túnel de vento nas asas. Eles também descobriram que o parente ângulo de ataque a partir do movimento para a frente da aeronave foi diferente para todos os pontos ao longo do comprimento da lâmina, pelo que foi necessário introduzir uma torção ao longo do seu comprimento. Suas pás da hélice originais são apenas cerca de 5% menos eficiente do que o equivalente moderno, a cerca de 100 anos mais tarde.

Alberto Santos Dumont foi outro dos pioneiros, com hélices concebidos antes dos irmãos Wright (embora não tão eficiente) para suas aeronaves. Ele aplicou o conhecimento que adquiriu a partir de experiências com balões dirigíveis para fazer uma hélice com um eixo de aço e lâminas de alumínio para seu biplano 14 Bis. Alguns de seus projetos usou uma folha de alumínio dobrado para lâminas, criando, assim, uma forma de aerofólio. Estes são fortemente undercambered porque deste e combinada com a falta de uma torção longitudinalmente as tornava menos eficazes do que os hélices Wright. Mesmo assim, este foi talvez o primeiro uso do alumínio na construção de uma hélice.

Aviação

Hélices de aeronaves (hélices)

Um de hélice eficiência é determinada pela

\ Eta = \ frac {\ hbox {impulso} \ cdot \ hbox {velocidade axial}} {\ hbox {resistência de torque} \ cdot \ hbox {velocidade de rotação}} .

Uma hélice bem concebido tipicamente tem uma eficiência de cerca de 80% quando operando no melhor regime. Alterações a eficiência de uma hélice são produzidas por uma série de factores, nomeadamente adaptações do ângulo de hélice (θ), o ângulo entre a velocidade relativa resultante e a direcção de rotação da lâmina, e a passo da lâmina (onde θ = Φ + α). Ângulos muito pequenos hélice de passo e dar um bom desempenho contra a resistência, mas fornecem pouco de impulso, enquanto que ângulos maiores têm o efeito oposto. O melhor ângulo de hélice é quando a lâmina está atuando como um ala produzir muito mais sustentação do que arraste.

As hélices de um RAF Hercules C.4 em posição de penas

Hélices são semelhantes na secção de aerofólio para uma baixa asa arrastar e, como tal, são pobres em operação quando a diferente do seu ideal ângulo de ataque. Sistemas de controle são necessários para combater a necessidade de correspondência exata de campo para a velocidade de vôo e velocidade do motor.

O objetivo de variar o ângulo de passo com uma hélice de passo variável é manter um melhor ângulo de ataque (elevação máxima à relação de arrasto) nas pás da hélice como velocidade da aeronave varia. Configurações de controle de pitch cedo foram operadas por piloto, ou duas posições ou variável manualmente. Mais tarde, hélices automáticas foram desenvolvidos para manter um ângulo óptimo de ataque. Eles fizeram isso por equilibrar o momento de torção centrípeta sobre as lâminas e um conjunto de contrapesos contra uma mola e as forças aerodinâmicas sobre a lâmina. Adereços automáticas tinha a vantagem de ser simples e que não requer controle externo, mas o desempenho de um determinado hélice era difícil de igualar com a do motor da aeronave. Uma melhoria do tipo automático foi o hélice de velocidade constante. Hélices de velocidade constante permitem que o piloto para selecionar uma velocidade de rotação de potência máxima do motor ou a máxima eficiência, e um governador da hélice funciona como um circuito fechado controlador para variar hélice ângulo de inclinação conforme necessário para manter o RPM accionada pelo piloto. Na maioria dos aviões deste sistema hidráulico é, com o óleo do motor que serve como fluido hidráulico. No entanto, hélices controlados eletricamente foram desenvolvidos durante a Segunda Guerra Mundial e viu o uso extensivo em aeronaves militares.

A pá de hélice na posição de penas

Em alguns hélices de passo variável, as lâminas podem ser rodados em paralelo ao fluxo de ar para reduzir o arrasto e aumentar a distância de planagem em caso de uma falha de motor. Isto é chamado de empenamento. Empenamento hélices foram desenvolvidos para forças armadas aviões de caça antes da II Guerra Mundial, como um lutador é mais propensos a experimentar uma falha de motor, devido ao perigo inerente de combate. Hélices franjas são usados em aeronaves multi-motor e são destinadas a reduzir o arrasto em um motor falhou. Quando usado em planadores com motor e turbina monomotor movidos aeronave que aumentar a distância delta. A maioria dos sistemas embandeiráveis para motores alternativos sentir uma queda na pressão do óleo e mover as pás em direção à posição de pena, e exigem o piloto para puxar o controle de propulsão para trás para soltar os pinos do batente de alta encosta antes que o motor atinja ocioso RPM. Sistemas de controlo turbopropeller normalmente utilizam um sensor de binário negativo na engrenagem de redução que se desloca as lâminas para a pena quando o motor não está a fornecer energia para o propulsor. Dependendo do design, o piloto pode ter que apertar um botão para substituir as paradas de alta frequência e concluir o processo de difusão, ou o processo de difusão pode ser totalmente automática.

Em algumas aeronaves (por exemplo, a Hercules C-130), o piloto pode substituir manualmente o mecanismo de velocidade constante para reverter o ângulo de inclinação da lâmina, e, assim, o impulso do motor. Isto é usado para ajudar a retardar o avião para baixo após o desembarque, a fim de salvar o desgaste dos freios e pneus, mas em alguns casos também permite que a aeronave para fazer o backup por conta própria.

Uma outra consideração é o número e a forma das lâminas utilizadas. Aumentando o razão entre as lâminas aspecto reduz o arrasto, mas a quantidade de impulso produzido depende da área da lâmina, de modo usando lâminas de aspecto elevadas podem levar à necessidade de um diâmetro da hélice, que é inutilizável. Um outro equilíbrio é que o uso de um número menor de lâminas reduz os efeitos de interferência entre as lâminas, mas ter a área de lâmina suficiente para transmitir a energia disponível dentro de um diâmetro conjunto significa um compromisso é necessário. Aumentar o número de lâminas, também diminui a quantidade de trabalho de cada uma das lâminas é obrigado a realizar, o que limita a locais Número Mach - um limite de desempenho significativo em hélices.

A hélice de três pás de uma aeronave leve: o Vans RV-7A

Hélices de contra-rotação utilizar uma segunda hélice rotativa em sentido oposto imediatamente «a jusante» da hélice principal, de modo a recuperar a energia perdida no movimento de remoinho de ar na esteira da hélice. Contra-rotação também aumenta a potência sem aumentar o diâmetro da hélice e fornece um contador para o efeito de motor de pistão de alta potência binário, bem como a efeitos de precessão giroscópicos, e do redemoinho slipstream. No entanto, em pequenas aeronaves a adicionado o custo, complexidade, peso e ruído do sistema raramente fazer valer a pena.

A hélice é normalmente ligado ao cambota do motor, quer directamente ou através de um caixa de velocidades. Aviões leves às vezes renunciar ao peso, complexidade e custo de engrenagens, mas em algumas aeronaves maiores e alguns aeronaves turboélice é essencial.

O desempenho de uma hélice sofre como a velocidade da lâmina excede a velocidade do som. À medida que a velocidade relativa do ar para a lâmina é a velocidade de rotação mais a velocidade axial, uma ponta de pá de hélice vai atingir a velocidade sónica algum tempo antes que o resto da aeronave (com uma lâmina a velocidade máxima teórica aeronave é de cerca de 845 kmh (Mach 0,7) a do nível do mar, na realidade, é bastante inferior). Quando uma ponta da lâmina torna-se supersônico, arraste e aumento da resistência de torque e de repente ondas de choque formar a criação de um forte aumento no ruído. Aeronaves com hélices convencionais, portanto, não costumam voar mais rápido que Mach 0,6. Existem algumas aeronaves a hélice, geralmente militar, que não operam a Mach 0.8 ou superior, embora não haja queda considerável fora em termos de eficiência.

Tem havido esforços para desenvolver hélices para aviões em altas velocidades subsônicas. O "ajuste" é semelhante à do design da asa transonic. A velocidade relativa máxima é mantida tão baixa quanto possível, por um controlo cuidadoso do campo para permitir que as lâminas têm grandes ângulos de hélice; seções de lâminas finas são usadas e as lâminas são varridos para trás em um forma cimitarra ( Scimitar hélice); um grande número de lâminas são usados para reduzir o trabalho por lâmina e por isso a força de circulação; contra-rotação é usado. As hélices concebidos são mais eficientes do turbo-ventiladores e sua velocidade de cruzeiro (Mach 0,7-0,85) é adequado para aviões, mas o ruído gerado é enorme (ver o Antonov An-70 e Tupolev Tu-95 para exemplos de tal projeto).

Fãs de aeronaves

Um ventilador é uma hélice com um grande número de lâminas. Por conseguinte, um ventilador produz uma grande quantidade de impulso para um dado diâmetro, mas a proximidade das lâminas significa que cada uma afecta fortemente o fluxo em torno dos outros. Se o fluxo supersónico é, esta interferência pode ser benéfico, se o fluxo pode ser comprimido por meio de uma série de ondas de choque em vez de um. Ao colocar o ventilador dentro de um duto em forma - um ventilador de dutos - específica padrões de fluxo podem ser criados, dependendo da velocidade de voo e desempenho do motor. Medida que o ar entra na conduta, a sua velocidade é reduzida e aumento da pressão e temperatura. Se a aeronave está a uma velocidade subsónica alta isto cria duas vantagens - o ar entra no ventilador a uma velocidade inferior a Mach e a temperatura mais elevada aumenta a velocidade local do som. Enquanto não há uma perda de eficiência como o ventilador está desenhando em uma área menor do fluxo livre e assim que usar menos ar, este é equilibrada pelo ventilador canalizado mantendo a eficiência em velocidades mais altas, onde a eficiência da hélice convencional seriam pobres. Um ventilador de dutos ou hélice também tem certos benefícios a velocidades mais baixas, mas a conduta precisa ser em forma de uma maneira diferente para um voo para maior velocidade. Mais ar é tomado e, por conseguinte, a ventoinha opera a uma eficiência equivalente a uma hélice un-canalizado maior. O ruído é também reduzido pela conduta e uma lâmina deve desprender-se da conduta conteria o dano. No entanto, a conduta aumenta o peso, o custo, complexidade e (para um certo grau) de arrasto.

Veja também Gerador de energia eólica Airscrew.

Hélices eixo transversal

A maioria das hélices têm o seu eixo de rotação paralelo ao fluxo de fluido. Tem no entanto havido algumas tentativas de veículos de energia com os mesmos princípios atrás enrole turbinas de eixo vertical, em que a rotação é perpendicular ao fluxo de fluido. A maioria das tentativas têm sido malsucedido. Lâminas que podem variar seu ângulo de ataque durante a rotação têm aerodinâmica semelhante à batendo vôo. Bater asas de vôo é ainda pouco compreendido e quase nunca seriamente utilizado na engenharia por causa da forte acoplamento de forças de sustentação, axiais e de controlo.

O fanwing é um dos poucos tipos que tem efetivamente voadas. Aproveita-se do bordo de fuga de uma superfície de sustentação para ajudar a estimular a circulação necessária para elevador.

O Voith-Schneider hélice foto abaixo é outro exemplo de sucesso, operando em água.

Marinho

Uma hélice é o propulsor mais comum em navios, dando impulso a um fluido que faz com que uma força a actuar sobre o navio.

A eficiência ideal de qualquer tamanho hélice é a de um disco actuador num fluido ideal. Uma hélice marítimo real é constituída por secções de superfícies helicoidais que atuam juntos 'estragar' através da água (daí a referência comum para hélices marítimas como " parafusos "). Três, quatro, ou cinco lâminas são mais comuns em hélices marítimas, embora desenhos que são destinados para operar em ruído reduzido terá mais lâminas. As lâminas estão ligados a um chefe (hub), que deve ser tão pequena quanto as necessidades de força permitir - com hélices de passo fixo as lâminas e chefe são geralmente uma única fundição.

Um projeto alternativo é o controlável passo da hélice (CPP), em que as lâminas são rodadas normal ao eixo de accionamento por maquinaria adicional - geralmente Hidráulica - no centro de controle e vínculos que funcionam abaixo do eixo. Isto permite que as máquinas de accionamento para operar a uma velocidade constante, enquanto a carga da hélice é alterado para se adequar às condições de funcionamento. Também elimina a necessidade de uma engrenagem de inversão e permite a mudança mais rápida ao impulso, como as rotações são constantes. Este tipo de hélice é mais comum em navios, tais como rebocadores onde pode haver enormes diferenças de carga da hélice quando o reboque em relação à execução livre, uma mudança que poderia causar hélices convencionais para trancar como torque insuficiente é gerado. A desvantagem de um CPP é o grande hub que aumenta a chance de cavitação e a complexidade mecânica que limita a potência de transmissão.

Para motores mais pequenos há hélices auto-lançando. As lâminas de mover-se livremente através de um círculo completo sobre um eixo em ângulo recto com o eixo. Isso permite que as forças hidrodinâmicas e centrífugas para 'set' o ângulo das pás e assim alcançar o passo da hélice.

Uma hélice que gira no sentido horário para produzir empuxo para a frente, quando visto de trás, é chamado destro. Um que gira no sentido contrário é dito ser canhoto. Navios de maior porte, muitas vezes têm parafusos duplos para reduzir o torque de adornamento, hélices contra-rotação, o parafuso de estibordo é normalmente destro e do porto com a mão esquerda, isso é chamado para fora virando. O caso oposto é chamado para dentro girando. Outra possibilidade é hélices, onde duas hélices giram em direções opostas em um único eixo contra-rotação.

Projetos adicionais

Um Azimuthing hélice é uma hélice de eixo vertical.

O contorno da lâmina é definida por uma projecção num plano normal ao eixo da hélice (contorno projectado) ou ajustando a corda circunferencial em toda a lâmina com um raio dado contra raio (contorno desenvolvida). O contorno é geralmente simétrica em relação a uma determinada linha radial chamado a mediana. Se a média é curvada para trás em relação à direcção de rotação da hélice é dito ter inclinação para trás. A inclinação é expressa em termos de deslocamento circunferencial com as pontas das pás. Se a face da pá de perfil não é perpendicular ao eixo que é denominado ajuntado, expressa como uma percentagem de diâmetro total.

Pitch e espessura de cada lâmina varia com o raio, os primeiros lâminas tinha um rosto plano e uma arqueou de volta (às vezes chamado de circular de volta como o arco fazia parte de um círculo), pás da hélice modernos têm seções aerofólio. A linha média é a linha que passa pelo meio da espessura de uma única lâmina. O camber é a diferença máxima entre a linha média eo acorde adesão à bordos anterior e posterior. A curvatura é expressa como uma percentagem da corda.

O raio de espessura máxima é geralmente para a frente do ponto a meio acorde com as lâminas de desbaste a um mínimo nas pontas. A espessura é definida pelas exigências da força e a relação entre a espessura e o diâmetro total é chamada fracção espessura da lâmina.

A proporção de campo para diâmetro é chamado rácio de campo. Devido às complexidades de hélices modernos um passo nominal é dada, geralmente um raio de 70% do total é usado.

?rea da lâmina é dada como a razão da área total do disco de hélice, quer como desenvolvido razão das áreas da pá ou razão da área da pá projectada.

História de navios e submarinos hélices

Hélice de um navio mercante moderno de médio porte

James Watt da Escócia é geralmente creditado com a aplicação do primeiro hélice de um motor, um início de máquina a vapor , a partir da utilização de um parafuso hidrodinâmico para a propulsão.

Mecânico de propulsão navio começou com a vapor navio. O primeiro navio de sucesso deste tipo é uma questão de debate; inventores candidatos do século 18 incluem William Symington, o Marquês de Jouffroy, John Fitch e Robert Fulton, no entanto Navio de William Symington o Charlotte Dundas é considerado como "primeiro barco a vapor prático" do mundo. Rodas de pás como a principal fonte motivo tornou-se padrão a bordo desses navios início (ver Steamer Paddle). Robert Fulton tinha testado, e rejeitado, o hélice em parafuso.

Esboço de parafusos verticais e horizontais dobrado à mão usados em Bushnell do Tartaruga de 1775

O parafuso (em oposição a rodas de pás) foi introduzido na segunda metade do século 18. A invenção de David Bushnell do submarino ( Turtle) em 1775 usado parafusos movidos a mão para a propulsão vertical e horizontal. O engenheiro Bohemian Josef Ressel projetou e patenteou o primeiro hélice de parafuso possível em 1827. Francis Pettit Smith testou um similar em 1836. Em 1839, John Ericsson apresentou o projeto do parafuso da hélice em um navio que, em seguida, passou por cima do Oceano Atlântico em 40 dias. Pá de hélice e projetos mistos ainda estavam sendo usados no momento (vide a 1858 SS Great Eastern).

Em 1848, a Admiralty britânico realizou um cabo-de-guerra entre um concurso hélice navio, Rattler, e um navio roda de pás, Alecto. Rattler venceu, rebocando Alecto ré em 2,8 nós (5 km / h), mas não foi até o remo início do século 20 navios de propulsão foram totalmente substituídas. A hélice substituiu as pás devido à sua maior eficiência, densidade, menos complexo de transmissão de energia sistema e redução da susceptibilidade a danos (especialmente em batalha)

Voith-Schneider hélice

Projetos iniciais deveu muito ao ordinário parafuso a partir do qual seu nome deriva - início hélices consistia em apenas dois blades e combinados no perfil do comprimento de uma única rotação do parafuso. Este projeto era comum, mas inventores infinitamente experimentou com diferentes perfis e um maior número de lâminas. O design do parafuso hélice estabilizou na década de 1880.

Nos primeiros dias de energia a vapor para navios, quando ambos rodas de pás e parafusos estavam em uso, os navios eram frequentemente caracterizados por seu tipo de hélices, levando a termos como steamer parafuso ou parafuso saveiro.

Hélices são referidos como dispositivos de "levantar", enquanto as pás são dispositivos "arrastar".

Cavitação danos evidentes na hélice de um motos de água.

A cavitação pode ocorrer se for feita uma tentativa para transmitir muita energia através do parafuso. Em altas velocidades de rotação ou sob carga pesada (alto lâmina coeficiente de elevador), a pressão no lado de entrada da lâmina pode cair abaixo da a pressão de vapor da água, resultando na formação de uma bolsa de vapor, que já não pode efectivamente transferir força da água (que se estende a analogia com um parafuso, pode-se dizer as tiras de rosca água ''). Esta energia resíduos efeito, faz com que a hélice "barulhento" como o colapso de bolhas de vapor e, mais sério, desgasta a superfície do parafuso devido a ondas de choque localizadas contra a superfície da lâmina. A cavitação pode, no entanto, ser utilizado como uma vantagem na concepção de hélices de desempenho muito elevado, em forma de sobrecavitação hélice. (Veja também dinâmica de fluidos). Um problema semelhante, mas muito separada, é a ventilação, o que ocorre quando uma hélice operando perto da superfície suga o ar para as lâminas, causando uma perda similar de poder e eixo de vibração, mas sem o potencial de danos na superfície da lâmina relacionado causado por cavitação. Ambos os efeitos podem ser atenuados através do aumento da profundidade da hélice submersa: cavitação é reduzido porque o a pressão hidrostática aumenta a margem para a pressão de vapor, e ventilação porque está mais longe ondas de superfície e outras bolsas de ar que pode ser arrastado para a passagem do ar.

14-ton hélice de um Voroshilov Cruzador classe Kirov em exibição em Sevastopol

Forças que atuam sobre um aerofólio

A força (F) experimentada por uma lâmina de aerofólio é determinada pela sua área (A), de acorde (c), a velocidade (V) e o ângulo do aerofólio para o fluxo, ou chamado ângulo de incidência ou ângulo de ataque ( \ Alpha ), Onde:

\ Frac {F} {\ AV rho ^ 2} = f (R_n, \ alpha)

A força tem duas partes - que a normal à direcção de fluxo é de elevação (L) e em que a direcção de fluxo é de arrasto (D). Ambos são expressos como não-dimensionalmente:

C_L = \ frac {L} {\ frac {1} {2} \ rho AV ^ 2} e C_D = \ frac {D} {\ frac {1} {2} \ rho AV ^ 2}

Cada coeficiente é uma função do ângulo de ataque e Número de Reynolds. Como o ângulo de ataque aumenta levantar aumenta rapidamente a partir do ângulo sem elevador antes de abrandar o seu aumento e, em seguida, diminuindo, com uma queda acentuada como o ângulo de bloqueio é alcançado eo fluxo é interrompido. Arraste sobe lentamente no início e como a taxa de aumento no elevador cai eo ângulo de ataque aumenta a resistência aumenta de forma mais acentuada.

Para uma dada força de circulação ( \ Tau ), \ Mbox {} = Elevador L = \ rho V \ tau . O efeito do caudal sobre a circulação e em torno do velame é reduzir a velocidade ao longo do rosto e aumentá-la sobre a parte de trás da lâmina. Se a redução da pressão é muito em relação à pressão ambiente do fluido, a cavitação ocorre, as bolhas se formam na área de baixa pressão e são movidos no sentido de bordo de fuga da lâmina onde elas entram em colapso como a pressão aumenta, o que reduz a eficiência da hélice e aumenta ruído. As forças geradas pelo colapso da bolha pode causar dano permanente nas superfícies da lâmina.

Hélice impulso

Única lâmina

Tomando uma secção radial arbitrária de uma lâmina em R, se revoluções são N, em seguida, a velocidade de rotação é 2 \ pi N r . Se a lâmina era um parafuso completo seria avançar através de um sólido, à taxa de NP, em que P é o passo da pá. Na água a velocidade de avanço é bastante inferior, V_A , A diferença, ou a razão de deslizamento, é:

\ Mbox {} = deslizamento (NP-V_A) / NP = 1-J / p

em que J é o coeficiente de avanço ( V_A / ND ) E p é a relação de passo (P / D).

As forças de sustentação e arrasto na lâmina, dA, onde forçar normal à superfície é d L:

\ Mbox {d} L = \ frac {1} {2} v_1 \ rho ^ 2 C_L dA = \ frac {1} {2} \ rho C_L [V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 + 4 \ pi ^ 2r ^ 2 (1-a ') ^ 2] b \ mbox {} d r

onde:

V_1 ^ 2 = V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 + 4 \ pi ^ 2r ^ 2 (1-a ') 2 ^

\ Mbox {} d D = \ frac {1} {2} \ rho v_1 ^ 2C_D \ mbox {d} A = \ frac {1} {2} \ rho C_D [V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 + 4 \ pi ^ 2r ^ 2 (1-a ') ^ 2] b \ mbox {} d r

Estas forças contribuir para impulso, T, na lâmina:

\ Mbox {} d T = \ mbox {d} L \ cos \ varphi- \ mbox {} d D \ sin \ varphi = \ mbox {d} L (\ cos \ varphi- \ frac {\ mbox {} d D } {\ mbox {d}} L \ pecado varphi \)

onde \ Tan \ beta = \ mbox {} d D / \ mbox {d} L = C_D / C_L

= \ Frac {1} {2} \ rho v_1 ^ 2 C_L \ frac {\ cos (\ varphi + \ beta)} {\ cos \ beta} b \ mbox {} d r

Como V_1 = V_A (1 + a) / \ sin \ varphi ,

\ Mbox {d} T = \ frac {1} {2} \ rho C_L \ frac {V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 \ cos (\ varphi + \ beta)} {\ pecado ^ 2 \ varphi \ cos \ beta} b \ mbox {} d r

Deste impulso total pode ser obtida por integração desta expressão ao longo da lâmina. A força transversal se encontra de um modo semelhante:

\ Mbox {d} M = \ mbox {d} L \ sin \ varphi + \ mbox {d} D \ cos \ varphi = \ mbox {d} L (\ sin \ varphi + \ frac {\ mbox {d} D} { \ mbox {d}} L \ cos \ varphi)

= \ Frac {1} {2} \ rho v_1 ^ 2 C_L \ frac {\ sin (\ varphi + \ beta)} {\ cos \ varphi} b \ mbox {} d r

Substituindo V_1 e multiplicando por r, dá binário como:

\ Mbox {d} Q = r \ mbox {d} M = \ frac {1} {2} \ rho C_L \ frac {V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 \ sin (\ varphi + \ beta)} {\ pecado ^ 2 \ varphi \ cos \ beta} br \ mbox {} d r

que pode ser integrado como antes.

A potência de impulso total da hélice é proporcional TV_a eo poder veio para 2 \ pi NQ . Assim, a eficiência é TV_a / 2 \ pi NQ . A eficiência da lâmina é na proporção entre a impulsão e torção:

\ Mbox {lâmina elemento de eficiência} = \ frac {V_A} {2 \ pi Nr} \ times \ frac {1} {\ tan (\ varphi + \ beta)}

que mostra que a eficiência da lâmina é determinada pelo seu impulso e as suas qualidades, sob a forma de ângulos \ Varphi \ mbox {e} \ beta , Onde \ Beta é a relação entre os coeficientes de arrasto e de sustentação.

Esta análise é simplificado e ignora um número de factores significativos, incluindo a interferência entre as lâminas e a influência de vórtices de ponta.

Thrust e torque

O impulso, T, e o torque, Q, depende do diâmetro da hélice, D, revoluções, N e taxa de avanço, V_A , Em conjunto com o carácter do fluido em que o propulsor é operacional e gravidade. Estes fatores criam a seguinte relação não-dimensional:

T = \ rho V ^ 2 D ^ 2 [f_1 (\ frac {ND} {} V_A), f_2 (\ frac {v} {V_A D}), f_3 (\ frac {} {gD V_A ^ 2})]

onde f_1 é uma função do coeficiente de avanço, f_2 é uma função do número de Reynolds "e f_3 é uma função do Número de Froude. Tanto f_2 e f_3 são susceptíveis de ser pequena em comparação com f_1 sob condições normais de funcionamento, de modo que a expressão pode ser reduzida para:

T = \ rho V_A D ^ 2 ^ 2 \ times f_r (\ frac {ND} {} V_A)

Para duas hélices idênticas tanto para a expressão irá ser o mesmo. Assim, com as hélices T_1, T_2 , E usando os mesmos índices para indicar cada hélice:

\ Frac {} {T_1 T_2} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ times \ frac {V_ {a1} ^ 2} {V_ {a2} ^ 2} \ times \ frac {D_1 ^ 2} {D_2 ^ 2}

Para tanto o número e avançar coeficiente Froude:

\ Frac {} {T_1 T_2} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ times \ frac {D_1 ^ 3} {D_2 ^ 3} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ lambda ^ 3

onde \ Lambda é a relação entre as dimensões lineares.

Thrust e velocidade, no mesmo número de Froude, poder dar impulso:

\ Frac {P_ {T1}} {{P_ T2}} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ lambda ^ 3,5

Para um binário:

Q = \ rho V_A ^ 2 ^ 3 D \ times f_q (\ frac {ND} {} V_A)

. . .

O desempenho real

Quando uma hélice é adicionado a um navio seu desempenho é alterada; há as perdas mecânicas na transmissão de energia; um aumento geral na resistência total; e também impede o casco e torna o fluxo através da hélice não uniforme. A razão entre a eficiência de uma hélice ligada a um navio ( P_D ) E em águas abertas ( P'_D ) É denominado eficiência rotativo relativo.

O rendimento da propulsão global (uma extensão do poder eficaz ( P_E )) É desenvolvido a partir do coeficiente de propulsão (PC), o qual é derivado a partir da potência do eixo instalado ( P_S ) Modificado pelo poder efetivo para o casco com anexos ( P'_E ), O poder de impulso da hélice ( P_T ), E a eficiência em relação rotativa.

P'_E / P_T = = Eficiência casco \ Eta_H

P_T / P'_D = Eficiência da hélice = \ Eta_O

P'_D / P_D = Eficiência rotativo relativo = \ Eta_R

P_D / P_S = Eixo eficiência de transmissão

Produzindo o seguinte:

PC = (\ frac {\ eta_H \ times \ eta_O \ times \ eta_R} {\ mbox {coeficiente apêndice}}) \ times \ mbox {} eficiência de transmissão

Os termos contidos nos suportes são comumente agrupadas como o coeficiente de quasi-propulsão (QPC, \ Eta_D ). A QPC é produzido a partir de experimentos em pequena escala e é modificado com um fator de carga para navios de tamanho completo.

Despertar é a interacção entre o navio e a água com a sua própria velocidade relativa para o navio. O velório tem três partes - a velocidade da água em torno do casco; a camada de fronteira entre a água arrastada pelo casco e o fluxo circundante; e as ondas criada pelo movimento do navio. as duas primeiras partes irá reduzir a velocidade da água para a hice, o terceiro serve para aumentar ou diminuir a velocidade, dependendo se as ondas de criar um creast calha ou na hélice.

Tipos de hélices marítimas

Actualmente, vários tipos de hélices marítimas têm sido construídos para uma ampla variedade de veículos marítimos.

Hélice de passo controlável

A hélice de passo controlável

Actualmente, um dos tipos mais novo e melhor de hélice é o hélice de passo controlável. Esta hélice tem várias vantagens com navios. Estas vantagens incluem: a menos de arrasto de acordo com a velocidade utilizada, a capacidade de mover o seavessel para trás, e a capacidade de utilizar o -stance "palhetas", o que dá a menor waterresistance quando não se usa o propulsor (por exemplo, quando as velas são utilizados em vez disso).

Hélice skewback

Um tipo avançado de hélice usado em alemão Tipo 212 submarinos é chamado uma hélice skewback . Como nas lâminas scimitar usados em algumas aeronaves, as pontas das pás de uma hélice skewback são arrastados para trás contra o sentido de rotação. Além disso, as lâminas são inclinadas para trás ao longo do eixo longitudinal, o que dá uma aparência geral da hélice em forma de taça. Este projeto preserva a eficiência impulso ao reduzir a cavitação, e, assim, contribui para uma tranqüila, projeto furtivo.

Veja Também: Propulsão à ré.

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