WYDZIAŁ OCEANOTECHNIKI I OKRĘTOWNICTWA. Katedra Hydromechaniki i Hydroakustyki

Transkrypt

1 WYDZIAŁ OCEANOTECHNIKI I OKRĘTOWNICTWA Katedra Hydromechaniki i Hydroakustyki ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z HYDROMECHANIKI OKRĘTU Ćwiczenie Nr 12 Pomiar charakterystyk geometrycznych śruby Opracował: dr inż. Jan Bielański Gdańsk 1979

2 1 1. Cel ćwiczenia. Przeprowadzenie ćwiczenia ma za zadanie zapoznanie z możliwością określenia charakterystyki geometrycznej modelu śruby za pomocą obmierzarki D 29 firmy Kempf und Remmers, będącej na wyposażeniu tunelu kawitacyjnego Instytutu Okrętowego. Poprawnie przeprowadzone ćwiczenie powinno umożliwić lepsze zrozumienie konstrukcji normalnego i bocznego rzutu skrzydła oraz obrysu powierzchni wyprostowanej i rozwiniętej skrzydła i przez to geometrii skrzydła śruby. 2. Wiadomości podstawowe. Podstawowe wymiary i charakterystyki śruby są następujące: 1 - średnica śruby 2 - ilość skrzydeł 3 - promieniowy rozkład skoku śruby 4 - pola powierzchni: rzutu normalnego rozwiniętej wyprostowanej 5 - średnica piasty 6 - promieniowy rozkład długości profili skrzydła na promieniach 0,2 lub 0,25 R + 1,0 R 7 - rodzaj profili 8 - promieniowy rozkład maksymalnych grubości profili 9 - promieniowy rozkład strzałki linii środkowej Profile skrzydeł śrub okrętowych - zasady konstruowania i oznaczania. Pojęcie profilu skrzydła to najważniejsze z pojęć służących do określenia charakterystyki geometrycznej śruby.

3 2 Rys Na rys podano ważniejsze określenia elementów geometrycznych profilu. Linia środkowa to miejsce geometryczne środków kół wpisanych w obrys profilu. Cięciwa natomiast, to odcinek prostej między końcami linii środkowej. Zależnie od metody określania kształtu linii grzbietowej i czołowej profile można podzielić na dwie grupy: A - składane ; kształt linii grzbietowej i czołowej określa się pośrednio poprzez składanie kształtu obrysu z linii środkowej i podstawowej linii kształtu profilu; B - standardowe; kształt linii grzbietowej i czołowej określa się bezpośrednio - linię grzbietową stanowi łuk odpowiednio dobranego koła, elipsy lub paraboli, a linię czołową odcinek prostej lub łuk koła. Ad. A. Linię środkową i podstawową linię kształtu określa się analitycznie. Rys.2.2.

4 3 Konstrukcję obrysu profilu wykonuje się odmierzając od punktów linii środkowej na prostej normalnej do tej linii współrzędne podstawowej linii kształtu. Rys Amerykański sposób konstruowania obrysu profilu. Odcinając od punktów linii średniej na prostej prostopadłej do cięciwy (prostej łączącej końce linii środkowej) współrzędne y o podstawowej linii kształtu otrzymamy obrys profilu wg sposobu brytyjskiego (patrz rys. 2.4). Rys Sposób brytyjski.

5 4 Układ XY Układ X 1 Y y g = y 0 + y m y g = y m + y g y C = y 0 - y m y C = y m - y C Maksymalna wartość współczynnika y m nazywa się strzałką linii środkowej: (y m ) max = m, m = m c Grubość profilu, to podwójna max wartość rzędnej podstawowej linii kształtu: 2(y 0 ) max = t, t = t c Najbardziej rozpowszechnioną klasyfikacją profili składanych jest klasyfikacja wg NACA. Podstawą klasyfikacji wg NACA są zespoły charakterystyk geometrycznych lub mieszane geometrycznych i hydrodynamicznych. Jedną z rodzin profili wg tej klasyfikacji jest rodzina profili NACA czterocyfrowe, np. NACA Cyfry podane w oznaczeniu mają następujące znaczenia: - dwie pierwsze cyfry opisują linię środkową m / cyfra pierwsza 100 / i p / cyfra druga 10 /, gdzie: p oznacza współrzędną x, dla której y m = (y m ) max = m, - dwie ostatnie opisują podstawową linię kształtu, maksymalną grubość t / dwie ostatnie cyfry 100 /. Profil NACA 2415 posiada więc parametry: m = 0,02 p = 0,4 t = 8,15

6 5 Rodzina profili pięciocyfrowa wg klasyfikacji NACA okazała się specjalnie użyteczna w zastosowaniu do pędników. Jest ona wynikiem poszukiwań profili o żądanym rozkładzie ciśnień. Dążono do przesunięcia miejsca minimalnych ciśnień w stronę ostrza profilu. Linia kształtu jest bardzo podobna do linii kształtu rodziny czterocyfrowej, nie jest jednak określana analitycznie. Rzędne linii kształtu w miejscu x są wprost proporcjonalne do grubości maksymalnej profilu. W oznaczeniu z tej rodziny, np. NACA , cyfry mają następujące znaczenia: - pierwsza cyfra oznacza nr serii, - druga cyfra oznacza w dziesiątych częściach cięciwy miejsce występowania minimalnego ciśnienia w przypadku profilu symetrycznego i zerowej siły nośnej, - trzecia cyfra określa linię środkową, tzn. jej strzałkę w dziesiątych częściach konstrukcyjnego współczynnika siły nośnej, - dwie ostatnie cyfry podają łącznie w procentach cięciwy grubość maksymalną profilu. Rys. 2.5.

7 Geometria skrzydła śruby Przekroje cylindryczne skrzydła śruby to profile. Jednego typu, mające różne wartości takich parametrów jak: długość, grubość, strzałka ugięcia, promień zaokrąglenia krawędzi natarcia i spływu... Różnice pomiędzy śrubami prawą i lewą można najlepiej prześledzić na szkicu (rys. 2.6). Śruba prawa posiada skrzydła leżące na prawoskrętnej powierzchni śrubowej, natomiast lewa na lewoskrętnej. Oś skrzydła (OC) może posiadać pewne odchylenie przy wierzchołku (a) oraz odgięcie (b). Po przecięciu skrzydła śruby walcem o osi równoległej do osi śruby otrzymujemy w wyniku profil w układzie YΦ. Po wyprostowaniu pobocznicy walca profil mamy w układzie prostokątnym YX, gdzie : x = 2 π 360, gdzie: r - promień tnącego walca Rys a śruba prawa; b śruba lewa.

8 7 Rys Rzut normalny i boczny skrzydła śruby. Rys Profil skrzydła na promieniu r. Początek układu Y0X znajduje się w punkcie przecięcia walca z osią skrzydła i zawsze znajduje się on na cięciwie profilu. Środek profilu jest z reguły przesunięty o pewną wartość e od osi skrzydła po cięciwie profilu.

9 8 Profile opisywane są w układach pokrywających się z układem oznaczonym na rys. 2.3 jako X Y 2. Układ ten można otrzymać z układu XOY poprzez obrót o kąt skoku φ i przesunięcie po cięciwie o wartość e. Aby określić w sposób analityczny rzuty skrzydła potrzebne są informacje dotyczące współrzędnych profilu opisanych w układzie X Y 2 /tzn. typu profilu, promieniowego rozkładu: strzałek linii środkowych, długości profili, grubości/ promieniowego rozkładu skoku oraz promieniowego rozkładu wartości odgięcia profili e. Obmierzając natomiast śrubę uzyskujemy informacje co do odległości powierzchni cisnącej i ssącej od dowolnie określonej płaszczyzny odniesienia. Może nią być np. tylna powierzchnia piasty. Aby z pomiarów dokładnie można było określić kąt skoku profilu, cięciwę i położenie punktu osi skrzydła na cięciwie, należy możliwie najdokładniej dokonać pomiaru punktów krawędzi natarcia i spływu. Ze względu na małe promienie zaokrąglenia na krawędzi spływa dokładne określenie punktu przez który przechodzi cięciwa jest w zasadzie możliwe. Trudniejszym jest pomierzenie punktu krawędzi natarcia. Wiąże się to z dość dużym promieniem zaokrąglenia. Przy większych kątach natarcia profilu punkt przez który przechodzi cięciwa profilu nie jest punktem najdalej wysuniętym. Jednak ze względu na skażenie skali promieni zaokrąglenia błąd popełniony przy pomiarze rzędnej krawędzi natarcia jest nieistotny. Oś skrzydła OC potrzebna Jest tylko do konstruowania i wykonania śruby i z tego względu nie jest oznaczana na skrzydle. Przy pomierzaniu należy założyć jej położenie na określonym promieniu skrzydła, np. 0.7 R, poprzez założenie wartości kątów ϕ 1 i ϕ 2 dla punktów krawędzi natarcia i spływu. Rys. 2.9.

10 9 Znając współrzędne krawędzi natarcia (y N ) i spływu (y S ) profilu na promieniu r można określić kąt skoku φ i wartość przesunięcia profilu e. l 1 + l 2 c Podstawiamy do 1) i: 2 π r l 1 = φ Rys tan φ = y 0 y S l 1 +l 2 1) 2 π r, l 2 = φ = cos φ c cos φ = l 1 + l 2 = (φ 1 + φ 2 ) + (y N y S ) 360 φ = arctan [ (φ 1 + φ 2 ) 2 π r ] e = l 2 l 1 e 2 π r = (φ 2 φ 1 ) 360 e e = cos φ e = e cos φ 2 π r 360

11 10 Stąd: e = 1 (φ cos φ 2 φ 1 ) 2 π r 360 2) Wielkości te pozwalają na określenie punktów rzutu normalnego i bocznego skrzydła a także odpowiadających im punktów na powierzchniach rozwiniętej i wyprostowanej. Powierzchnię rozwiniętą skrzydła konstruuje się za pomocą rozwinięcia eliptycznego. Rys AB odcinek linii śrubowej, A 1 C 1 B 1 odcinek eliptycznego rozwinięcia linii śrubowej, A 1 C B 1 wyprostowany odcinek eliptycznego rozwinięcia linii śrubowej

12 11 Konstrukcja rozwinięcia eliptycznego sprowadza się do rozwinięcia linii śrubowej AB, którą otrzymano z przecięcia powierzchni śrubowej o podwójnej krzywiźnie walcem o promieniu r. Powierzchnię walca przecięto następnie płaszczyzną przechodzącą przez punkt C i styczną do linii AB w tym punkcie. Płaszczyzna ta w przecięciu z walcem tworzy elipsę przechodzącą przez punkty D i G na powierzchni walca. Po dokonaniu kładu płaszczyzny II na płaszczyznę II 1 prostopadłą do osi walca, otrzymano kład elipsy D'C'G'. O wysokości punktów A i B informują rzuty A 1 i B 1. Płaszczyzna równoległa do płaszczyzny podstawowej, której śladem jest linia A'E'O'F'G', przechodząca przez punkt A 1 oraz B 1 przecina elipsę odpowiednio w punktach A' 1 i B' 1. Otrzymano eliptyczne rozwinięcie linii śrubowej. Po odłożeniu długości tej linii na śladzie płaszczyzny równoległej do płaszczyzny podstawowej i stycznej z walcem w punkcie C, otrzymano wyprostowany odcinek linii śrubowej A'' 1 C''B'' 1. Punkty A 1, B 1 należą do rzutu normalnego linii śrubowej AB na płaszczyznę II 1, A' 1 i B' 1 do linii rozwiniętej, natomiast A" 1 i B" 1 należą do odcinka wyprostowanej linii śrubowej. Przy konstruowaniu obrysu powierzchni rozwiniętej skrzydła, łuk elipsy zastępujemy z bardzo dobrym przybliżeniem łukiem okręgu o promieniu r 0 większym od promienia r, takim, że: r 0 = r cos 2 φ 3) φ kąt skoku profilu skrzydła na promieniu r. Długość odcinka wyprostowanego: C 1 B 1 = 2 π r cosφ φ 1 360, A 1 C = 2 π r cosφ φ 2 360

13 12 Rys r r1 = cos φ r 1 = r 1 r 0 = cos φ r 0 = r cos φ r 1 cos φ stąd: r 0 = r cos 2 φ Jak widać z powyższego szkica, okrąg o promienia r 0 bardzo dobrze przybliża elipsę, szczególnie w pobliżu punktu C, co właśnie jest wykorzystywane w konstrukcji rozwinięcia eliptycznego. Do wykreślania bocznego rzutu skrzydła wykorzystuje się rzut normalny skrzydła oraz odległość punktów obrysu od płaszczyzny odniesienia /współrzędne tych punktów/. Przed przystąpieniem do konstruowania /nanoszenia punktów/ rzutu bocznego należy określić położenie osi skrzydła w

14 13 tym rzucie wykorzystując poczynione wcześniej założenie co do położenia osi skrzydła w rzucie normalnym (tzn. wartości kątów Φ 1 i Φ 2 opisujące na określonym promieniu położenia punktów krawędziowych). Aby tego dokonać, należy określić współrzędne co najmniej 2 punktów osi leżących na cięciwach możliwie najdalej od siebie położonych profilów. Niżej podano sposób określenia współrzędnych punktu 0, należącego do osi skrzydła, patrz rys. 2.10: Y 1 (0) współrzędna punktu 0 w układzie r 1 ϕy 1 Y 1 = Y S + Y N Y S 2 e = e sin φ + e e ze wzoru 2 i tanφ ze wzoru 1 i e = (φ 2 φ 1 ) 2 π r tan φ, 360 e = (φ 2 φ 1 ) (Y N Y S ) (φ 2 + φ 1 ), Y 1 (0) = Y S (Y N Y S ) + φ 2 φ 1 (φ 2 + φ 1 ) (Y N Y S ), Y 1 (0) = Y S + (Y N Y S ) (3 φ 2 φ 1 ) 2 (φ 2 + φ 1 ) Po wyznaczeniu osi OC (patrz rys. 2.7) można przystąpić do nanoszenia punktów 1' i 2' krawędzi natarcia i spływu. Jako współrzędną Y możemy wykorzystać pomierzone odległości Y N i Y S tych punktów od płaszczyzny odniesienia; możemy takie odmierzać tę współrzędną od osi skrzydła określając ją odpowiednio dla punktów krawędzi natarcia 1 i spływu 2: Y(1) = Y N Y 1 (0), Y(2) = (Y N Y S ) (3 φ 2 φ 1 ) 2 (φ 2 + φ 1 )

15 14 3. Opis stanowiska pomiarowego. Urządzeniem pomiarowym służącym do pomierzania śrub jest obmierzarka do modeli typu D 25 firmy Kempf und Remmers (patrz szkic). Rys Obmierzarka do modeli typu D bęben ze skalą kątową, służący do obrotu śruby wokół osi obrotu i pomiaru kąta obrotu, 2 - bęben ze skalą liniową do posuwu lewego ramienia obróbczo-pomiarowego L, 3 - bęben ze skalą liniową do posuwu prawego ramienia obróbczopomiarowego P, 4 - bęben ze skalą mikrometryczną do posuwu układu mocującego śrubę /posuw w kierunku promieniowym skrzydła/, 5 i 6 - skale liniowe do odczytu przesunięcia ramion i układa mocującego, współpracująca z bębnami 4 i 2, 3, 7 - wałek do mocowania śruby,

16 przyciski do włączania odpowiednio /wg strzałek/ lewego lub prawego wiertła i środkowy wyłącznik; stosowane przy nawiercaniu modelu śruby, 9 - czujniki zegarowe. 4. Wykonanie ćwiczenia 1. Pomiar piasty śruby, - pomierzyć średnicę przednią i tylną piasty oraz jej długość. 2. Pomiar średnicy śruby, - po zamocowaniu śruby, ustaleniu kąta zerowego dla osi skrzydła oraz ustaleniu płaszczyzny odniesienia do pomiaru współrzędnej (p. rys. 2.7), należy określić najwyższy punkt skrzydła przy pomocy bębna 4, zbliżyć do niego lewy lub prawy czujnik i odczytać współrzędną promieniową tego punktu na skali 5 i bębnie Pomiar strony ssącej i cisnącej profilów śruby na promieniach od 0,2 R co 0,1 R - rozpoczynany pomiar od profilu najbliższego piaście, - dla punktów krawędzi natarcia i spływu odczytujemy rzędną zbliżając się czujnikiem lewym (od strony grzbietowej profilu p. rys. 2.1.) i następnie odczytujemy współrzędną kątową tego punktu na bębnie 1, - dla pozostałych punktów strony grzbietowej i czołowej profilu dokonujemy pomiaru co około 3 do 5, zagęszczając odczyty dla profili krótkich przy piaście i wierzchołku. Uwaga: ustawienie czujników zegarowych do pomiaru należy dokonać przy pomocy płytki wzorcowej.

17 16 Rys Ilustracja zasady pomiaru profilu skrzydła. 4. Korzystając z dokonanego pomiaru skrzydła należy: a) wykonać rysunek skrzydła śruby w rzucie normalnym i bocznym oraz nanieść obrys powierzchni wyprostowanej i rozwiniętej, b) obliczyć i wykreślić promieniowy rozkład maksymalnych grubości profili, strzałki ugięcia profili i ich kąta skoku. Ad. a) do wykreślenia powierzchni rozwiniętej należy obliczyć promienie r (p. wzór 3) dla każdego profilu i rzutować na okręgi o tych promieniach punkty krawędzi z rzutu normalnego. 5. Pytania sprawdzające. Określić pojęcie profilu 1 różnice pomiędzy śrubą prawą i lewą. Zdefiniować linię środkową i podstawową linię kształtu profilu. Objaśnić różnice w geometrii profilu wynikające ze stosowania amerykańskiego lub brytyjskiego sposobu konstruowania obrysu profilu.

18 17 Podać przykładowe rodziny profili 1 znaczenia cyfr stosowanych w oznaczeniach. Uzasadnić stosowanie przybliżenia rozwinięcia eliptycznego rozwinięciem walcowym. Określić różnice we współrzędnych powierzchni rozwiniętej i rzutu normalnego. 6. Literatura. 1. Poradnik okrętowca, t. II, Praca zbiorowa, Wydawnictwo Morskie, Śruby okrętowe, L. Kobyliński, Warszawa 1955