Dokonano analizy wybranych pędników przy pomocy programu OpenProp v3.3.4.

Transkrypt

1

2 ANALIZA WYBRANYCH PĘDNIKÓW Dokonano analizy wybranych pędników przy pomocy programu OpenProp v W pierwszej kolejności należy ustalić podstawowe parametry śruby za pomocą opcji Parametric Study programu OpenProp v Dane (Specifications) zaczerpnięto z opracowania na temat kadłuba, napędu oraz systemu sterującego. Geometria skrzydła śruby (Blade Design Values) została automatycznie zaproponowana przez program OpenProp v

3 Porównano trzy pędniki o różnej liczbie skrzydeł, przy stałych obrotach 480 obr/min oraz średnicy w zakresie od 200 mm do 500 mm. 3

4 Na podstawie wykresów ustalono podstawowe założenia, które zostaną wykorzystane do analizy poszczególnych geometrii śruby za pomocą opcji Single Design programu OpenProp v Dane wejściowe: numer of blades [ - ] 3 rotation speed [ RPM ] 480 rotor diameter [ m ] 0,4 required thrust [ N ] 97 ship speed [ m/s ] 3,6 hub dimater [ m ] 0,07 fluid density [ kg/m^3 ] 1000 # radial panels [ - ] 20 # chordwise panels [ - ] 20 4

5 Na podstawie ustalonych założeń dokonano analizy geometrii trzech różnych grup pędników. Celem analizy jest wybranie pędnika o najwyższej sprawności. Dwa podstawowe kryteria, jakie musi spełniać pędnik: 1. zapotrzebowanie śruby na moc dostarczoną nie może przekroczyć 542 W 2. maksymalny moment obrotowy nie może przekroczyć 11 Nm Porównano pędniki pod względem szerokości skrzydła. Geometria skrzydła została zaczerpnięta z programu OpenProp v nazwa OPEN PROP A OPEN PROP B OPEN PROP C moment obrotowy 9,3808 8,9418 8,5035 moc 471, , ,4327 sprawność 0,8016 0,8410 0,8844 Wniosek: im skrzydło śruby jest węższe tym jego sprawność wzrasta. Porównano pędniki pod względem kąta nachylenia skrzydła. Geometria skrzydła została zaczerpnięta z literatury Carlton J.: Marine propellers and propulsion. nazwa DTNSRDC propeller 4381 DTNSRDC propeller 4382 DTNSRDC propeller 4383 moment obrotowy 10,0232 moc 503,8221 sprawność 0,7503 Wniosek: kąt nachylenia skrzydła śruby nie ma wpływu na jej sprawność. Dokonano analizy geometrii skrzydeł zaczerpniętych z badań śrub seryjnych. nazwa NEWTON RADER CTO WAGENINGEN HYDROCOMP moment obrotowy 10, , ,0299 9,9637 moc 504, , , ,8288 sprawność 0,7497 0,7336 0,7498 0,7548 5

6 PODSTAWOWE PARAMETRY W oparciu o dokonaną analizę pędników otrzymałam śrubę o najwyższej sprawności. Na tej podstawi wykonałam projekt śruby. parametr symbol jednostka wartość liczba skrzydeł z [ - ] 3 ilość obrotów śruby n [ obr/min ] 480 średnica śruby D [ m ] 0,4 średnica piasty d [ m ] 0,07 współczynnik średnicy piasty d/d [ - ] 0,175 napór T [ N ] 97 moment obrotowy Q [ Nm ] 8,5035 moc PP [ W ] 427,4327 skok śruby P [ - ] 0,492 współczynnik skoku P/D [ - ] 1,23 współczynnik wyprostowanej śruby powierzchni AE / A0 [ - ] 0,3581 CHARAKTERYSTYKI HYDRODYNAMICZNE Wartości charakterystyki hydrodynamicznej śruby zostały podane w tabeli poniżej oraz przedstawione w formie graficznej. Dane uzyskano z programu OpenProp v spółczynnik posuwu współczynnik naporu współczynnik momentu sprawność pędnika J KT KQ η [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] 6

7 0,025 0, , ,0270 0,075 0, , ,0817 0,125 0, , ,1372 0,175 0, , ,1926 0,225 0, , ,2506 0,275 0, , ,3079 0,325 0, , ,3644 0,375 0, , ,4224 0,425 0, , ,4795 0,475 0, , ,5347 0,525 0, , ,5870 0,575 0, , ,6356 0,625 0, , ,6796 0,675 0, , ,7184 0,725 0, , ,7519 0,775 0, , ,7800 0,825 0, , ,8034 0,875 0, , ,8232 0,925 0, , ,8404 0,975 0, , ,8552 1,025 0, , ,8676 1,075 0, , ,8775 1,125 0, , ,8844 1,175 0, , ,8872 1,225 0, , ,8836 1,275 0, , ,8682 1,325 0, , ,8262 1,375 0, , ,6896 7

8 Wartości charakterystyk hydrodynamicznych dla parametrów podstawowych projektowanej śruby. spółczynnik współczynnik współczynnik posuwu naporu momentu sprawność pędnika J KT KQ η [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] 1,125 0, , ,8844 Wykres charakterystyk hydrodynamicznych: 8

9 KAWITACJA W celu sprawdzenia występowania obszarów nieciągłości cieczy sprawdzono dwa kryteria: Kellera i Burrilla oraz przedstawiono charakterystykę kawitacyjną. Kryterium Kellera A E A 0 (1,3 + 0,3 z) T (p o p d ) D 2 + K z liczba skrzydeł T napór śruby p0 ciśnienie statyczne w osi śruby D średnica śruby K - poprawka pd ciśnienie pary nasyconej z T p0 Pd D K [ - ] [ N ] [ Pa ] [ Pa ] [ m ] [ - ] ,4073 0,4 0,2 0,3581 0,2521 Kryterium jest spełnione. Kryterium Burrilla A < 0,75 σ 0,7 1,115 2,55 + σ 0,7 A = T Ap 2 0,5 ρ v σ 0,7 = p o p d 0,7 0,5 ρ v 0,7 2 v 0,7 2 = v p 2 + (0,7 π D n) 2 p o = p a + ρ g h s A p = A E A 0 A 0 (1,067 0,229 P D ) 9

10 AE / A0 współczynnik powierzchni wyprostowanej śruby A0 pole koła o średnicy śruby P / D - współczynnik skoku Ap pole powierzchni rzutowanej skrzydeł śruby hs zanurzenie osi skrzydeł p gęstość g przyspieszenie ziemskie pa ciśnienie atmosferyczne po ciśnienie hydrostatyczne w osi śruby pd ciśnienie pary wodnej nasyconej D średnica śruby n liczba obrotów śruby vp prędkość postępowa śruby v0,7 prędkość przepływu na promieniu skrzydła r = 0,7 R T napór śruby A współczynnik obciążenia śruby naporem σ0,7 liczba kawitacyjna AE / A0 S P / D AP [ - ] [ m 2 ] [ - ] [ m 2 ] 0,3581 0,1257 1,23 0,0353 hs ρ g pa po pd [ m ] [ kg / m 3 ] [ m / s 2 ] [ N / m 2 ] [ N / m 2 ] [ N / m 2 ] 3, , , , ,41 D n vp v0,7 2 T [ m ] [ obr / s ] [ m / s ] [ m 2 / s 2 ] [ N ] 0,4 8 3, , , < 0, Kryterium jest spełnione. 10

11 Charakterystyka kawitacyjna śruby została wyliczona przy pomocy programu Matlab, jako nakładka do programu OpenProp v Zależność kata natarcia do współczynnik obciążenia śruby: Profil skrzydła. 11

12 Ciśnienie na skrzydle śruby: c długość cięciwy profilu R - promień śruby r - promień środka ciężkości części skrzydła 12

13 Charakterystyka cyrkulacji pierścienia wirowego: G cyrkulacja / 2 π R GEOMETRIA W celu otrzymania geometrii skrzydła śruba należy uruchomić zakładkę programu programu OpenProp v Otrzymujemy chmurę punktów skrzydła śruby. Następnie kopiujemy pozostałe dwa skrzydła oraz modelujemy piastę. Parametry piasty: 13

14 Gotowy model śruby: Cyrkulacja (circulation distribution): 14

15 Prędkość indukowaną (induced velocity): Kąt napływu (inflow angle): 15

16 Współczynnik siły nośnej (lift coefficient): CL - współczynnik siły nośnej Uzyskany model śruby importujemy do programu SIEMENS NX w celu wykonania optymalizacji geometrii. Optymalizacje stosuje się w celu uproszczenia geometrii śruby oraz zmiany opisu kształtu na analityczny (ułatwi nam to analizę numeryczną). Używamy poleceń sew i Optimize Face. Polecenie sew pozwala na przekształcenie powierzchni geometrii na bryłę. Polecenie Optimize Face umożliwia naprawienie ewentualnych braków w geometrii śruby. Dzięki temu zachowuje ona swoje podstawowe parametry jedocześnie naprawiając geometrię przy określonej tolerancji. Granice tolerancji wyznaczone są na podstawie geometrii źródłowej nieuproszczonej. Głowna cechą polecenia Optimize Face jest zamiana B-SURFACE na powierzchnie analityczną. 16

17 Powierzchnie analityczna może mieć dowolną strukturę (dowolną liczbę definiujących je krawędzi i dowolny sposób ich łączenia), który wynika z opisu powierzchni. Służy do generowania krzywych opisanych równaniami, takimi jak: prosta, okrąg, łuk, elipsa, parabola, hiperbola, spirala. B-SURFACE operuje głównie płatami o topologii czworokąta (co pozwala uzyskać płaty o mniejszej liczbie krawędzi, ale nadal z punktu widzenia opisu matematycznego pozostają one czworokątami). W większości projektów technicznych opartych na prostych krawędziach zastosowanie powierzchni B-SURFACE powoduje nadmierny wzrost liczby danych (znacznie bardziej dokładny opis kształtu obiektu co nie zawsze jest konieczne i potrzebne), dlatego stosujemy powierzchnię analityczną. Optimize Face Report for SHELL TOTAL Face Count: Before After Plane 1 1 Cylinder 2 2 Cone 0 0 Sphere 2 2 Torus 0 0 B-surface Blend 0 0 Offset 0 0 Extrude 0 0 Revolve 0 0 Foreign 0 0 Mesh Total Edge Count: Before After Line 6 6 Circle 9 9 Ellipse 0 0 Intersection 0 0 Spline SPcurve Foreign 0 0 Constant Parameter 0 0 Tolerant Curve 0 0 Pline Total

18 CHARAKTERYSTYKA PROFILU SKRZYDŁA ŚRUBY Charakterystyka profilu: Parametry profilu: meanline type: NACA a=0.8 thickness type: NACA 65A010 Powierzchnia wyprostowana (expanded blade): 18

19 Grubość skrzydła (blade tickness): t0 maksymalna grubość profilu skrzydła w osi śruby Napływ profilu (inflow profile): 19

20 VA prędkość pędnika względem wody VT - prędkość styczna do napływu Vs prędkość ANALIZA NUMERYCZNA Analiza numeryczna została przeprowadzona przy użyciu programu NX Flow + NX Advanced Flow (Dodatek F Analiza numeryczna). Podstawowe możliwości NX Flow obejmują: solwer CFD oparty o metodę objętości skończonych, korzystający z siatki FEM (elementów skończonych) analiza procesów w stanie stacjonarnym i niestacjonarny szeroki wybór modeli turbulencji przepływ wewnętrzny jak i opływ automatyczny podział siatki na różne płyny pomiędzy różnymi częściami złożenia automatyczne generowanie siatki o różnej gęstości wraz z generowaniem odpowiedniej siatki warstwy przyściennej warunki brzegowe wlotu i wylotu liniowe i nieliniowe warunki brzegowe Dodatkowe cechy NX Advanced Flow obejmują: analiza dużej prędkości przepływu płynu ściśliwego rotujące układy współrzędnych obliczenia dla ruchu ciał stałych w płynie obliczenia równoległe Metoda objętości skończonych została opracowana do rozwiązywania problemów, w których zasada zachowania ciągłości zmiennej pola w rozpatrywanym obszarze nie musi być spełniona. W przeciwieństwie do MES metoda objętości skończonych opiera się na analizie zachowania zmiennej pola wewnątrz komórek siatki, a nie w węzłach siatki. W metodzie MOS korzysta się z oszacowania całki wewnątrz komórek siatki lub jej wartości średniej - wartość całki podzielona przez objętość komórki. Wyznaczone 20

21 wartości zmiennej pola są następnie aktualizowane w kolejnych krokach czasowych, korzystając z funkcji strumienia, który przepływa przez komórki. Podstawowym problemem metody MOS jest poprawna definicja funkcji strumienia tak, aby stanowiła ona poprawne przybliżenie strumienia rzeczywistego, korzystając jedynie z wartości średnich w komórkach siatki. Prędkość: 21

22 Ciśnienie statyczne: 22

23 Ciśnienie całkowite: 23

24 Naprężenia ścinające: 24

25 Wiry: 25

26 Przepływ: 26