Hur konstruerar man en thrusterpropeller för undervattensbruk?

Ⅰ. Följande aspekter måste beaktas vid konstruktionen av propellrar för undervattensturbiner

1. Krav på dragkraft: propellerns diameter, vridmoment, antal blad och andra parametrar måste bestämmas genom att beräkna den dragkraft som propellern kräver.

2, hydrodynamisk prestanda: propellerbladens form, tvärsnittsform, stigning och andra parametrar måste beaktas för att uppnå bästa hydrodynamiska prestanda.

3, buller och vibrationer: propellerns struktur måste optimeras, buller och vibrationer måste minskas och propellerns tillförlitlighet och livslängd måste förbättras.

4, material och tillverkning: måste välja rätt material och tillverkningsprocess för att säkerställa att propellerns styrka, styvhet och korrosionsbeständighet.



För det andra måste utformningen av undervattenspropellerpropellrar ta hänsyn till flera faktorer, följande kommer att vara mer detaljerad förklaring och ge motsvarande formel

1, krav på dragkraft

Tryckkraven är de mest grundläggande kraven för propellerdesign. Storleken på dragkraftskravet är relaterat till fartygets massa och hastighet och beräknas vanligtvis enligt följande formel:

F = 0,5 * ρ * V^2 * S * C

Där F är den erforderliga dragkraften, ρ är vattnets densitet, V är båtens hastighet, S är båtens tvärsnittsarea och C är luftmotståndskoefficienten.

2、Hydrodynamisk prestanda

Hydrodynamisk prestanda är nyckeln till propellerdesign, inklusive bladform, tvärsnittsform, stigning och andra parametrar. Valet av dessa parametrar måste bestämmas utifrån det specifika användningsscenariot och propellerstrukturen.

Bladform: bladets form påverkar dragkraft, effektivitet och buller m.m. De vanligaste formerna är trapetsformad, triangulär eller rektangulär. Formeln för bladarea är

A = F / (ρ * u * (1 - σ))

där A är bladets area, u är bladets linjära hastighet och σ är propellerns slirförhållande.

Tvärsnittsform: Tvärsnittsformen inkluderar propellerbladets böjkrökning och torsionskraft, och valet av dessa parametrar måste ta hänsyn till propellerns hydrodynamiska prestanda och buller- och vibrationsfaktorer.

Pitch: Pitch är det avstånd som drivs av propellerbladet som roterar en vecka i axiell riktning, vanligtvis väljer man lika pitch eller variabel pitch.

3、Buller och vibrationer

Buller och vibrationer är viktiga faktorer att ta hänsyn till vid propellerkonstruktion, och propellerstrukturen kan optimeras med följande metoder:

Minska bladtjocklek och stigning, öka antalet blad, ändra bladform och vinkel etc.

4、Material och tillverkning

Propellermaterial och tillverkningsprocess har en inverkan på propellerns prestanda och livslängd. De material som vanligtvis används är kolstål, rostfritt stål, aluminiumlegering etc., och tillverkningsprocessen omfattar gjutning, smide, skärning och bearbetning.

För det tredje, propellerns detaljutformning

I beräkningsformeln för bladytan är F den erforderliga dragkraften, som måste beräknas enligt fartygets massa och hastighet. Bladets linjära hastighet u kan beräknas med följande formel:

u = π * D * n / 60

där D är propellerns diameter och n är hastigheten. Det bör noteras att vid beräkning av bladytan fördelas dragkraften till varje blad i proportion till varje blad.

Propellerslipfrekvensen σ är förhållandet mellan den faktiska propulsionssträckan och den teoretiska propulsionssträckan, vanligtvis mellan 0,05 och 0,2. Slirhastigheten beräknas som

σ = (n * D - V) / (n * D)

där n är rotationshastigheten, D är propellerdiametern och V är fartygets hastighet.

Propellerns vridning är propellerbladens rotationsgrad, vanligtvis linjär eller kvadratisk. Använd följande formel för att beräkna vridningsvinkeln

θ = 2 * π * r * tan(φ) / p

där r är bladets radie, φ är vridningsvinkeln och p är stigningen.

Luftmotståndskoefficienten C för en propeller är mängden luftmotstånd per ytenhet och måste vanligtvis bestämmas experimentellt eller genom simulering. Vanliga beräkningsmetoder inkluderar turbulenssimulering, vindtunnelexperiment och så vidare.

För det fjärde, några anmärkningar om propellerdesign

Propellerns diameter och antalet blad måste bestämmas utifrån den dragkraft som krävs. En för liten diameter ger otillräcklig dragkraft, och en för stor diameter ökar det hydrodynamiska motståndet och tillverkningskostnaderna. Faktorer som spel mellan bladen och luftmotståndet måste beaktas när antalet blad väljs. Generellt gäller att ju fler blad, desto större dragkraft, men det kommer också att öka buller och vibrationer.

Bladens form, tvärsnittsform och stigning måste väljas med hänsyn till önskad dragkraft och hydrodynamisk prestanda. Olika bladformer och tvärsnittsformer påverkar dragkraft, effektivitet och buller, och olika stigningar påverkar propellerns hastighet och effektivitet. Vid val av bladform och stigning måste förhållandet mellan olika faktorer beaktas och de optimala parametrarna måste bestämmas genom experiment eller simuleringar.

Propellerns slirhastighet avser propellerbladets glidning på grund av vätskemotståndet under färd, vilket också är en viktig faktor som påverkar verkningsgraden och dragkraften. Konstruktionen kräver experiment eller simulering för att bestämma den optimala glidhastigheten för bästa prestanda.

Tillverkning och installation av propellrar kräver noggrannhet när det gäller kvalitet och utförande. Propellerbladen måste vara precisionsbearbetade och balanserade för att undvika buller och vibrationer. Vid installationen måste man ta hänsyn till avstånd och justering mellan propellern och skrovet för att säkerställa att propellern fungerar korrekt och ger tillräcklig dragkraft.

V. Några optimeringsmetoder för propellerdesign

Optimering av bladform: genom att optimera bladformen kan propellerns effektivitet och dragkraft förbättras, och buller och vibrationer kan minskas. Vanliga optimeringsmetoder är flermålsgenetisk algoritm, artificiella neurala nätverk och så vidare.

Optimering av tvärsnittsform: Propellerns hydrodynamiska prestanda och ljud- och vibrationsegenskaper kan förbättras genom att optimera bladets tvärsnittsform. Vanliga optimeringsmetoder är CFD-simulering, turbulenssimulering och så vidare.

Pitchoptimering: Genom att optimera stigningen kan propellerns effektivitet och hastighet förbättras, och buller och vibrationer kan minskas. Vanliga optimeringsmetoder är design med variabel stigning, design med stigningssegmentering osv.

Material- och tillverkningsoptimering: Genom att välja rätt material och tillverkningsprocess kan tillverkningskostnaden sänkas och propellerns tillförlitlighet och livslängd förbättras. Vanliga optimeringsmetoder är materialval, precisionsbearbetning och så vidare.

För det sjätte, några framtida riktlinjer för propellerdesign

Intelligent design: med den kontinuerliga utvecklingen av artificiell intelligens och big data-teknik kan propellerdesign uppnås genom intelligenta algoritmer och dataanalys för att uppnå mer exakt och effektiv design, förbättra designens effektivitet och prestanda.

Användning av nya material: med den kontinuerliga utvecklingen av nya material kommer valet av propellermaterial att bli mer diversifierat, t.ex. kolfiberkompositer, titanlegeringar etc., för att förbättra propellerns styrka, styvhet och korrosionsbeständighet.

Optimering av hela flödesfältet: Med den kontinuerliga utvecklingen av datorsimuleringstekniken kan propellerkonstruktionen optimeras globalt genom numerisk simulering av hela flödesfältet för att förbättra propellerns effektivitet och prestanda.

Ny propellerstruktur: med den kontinuerliga utvecklingen av fartyg och undervattensutrustning kommer forskning och utveckling av ny propellerstruktur att bli en viktig inriktning för propellerdesign, såsom vattenjetpropeller, magnetisk levitationspropeller och så vidare.

VII. Några miljöskyddsriktningar för propellerdesign

Minska buller och vibrationer: Propellrarnas buller och vibrationer påverkar den marina ekologin och människors hälsa och måste därför minskas genom optimerade konstruktions- och tillverkningsprocesser.

Minska utsläppen: Propellrar genererar utsläpp och avloppsvatten när de driver fartyg och undervattensutrustning, vilket måste minskas genom optimerad design och användning av miljövänliga material för att skydda den marina miljön.

Förbättra effektiviteten: Ju effektivare en propeller är, desto mer minskar den energiförbrukningen och koldioxidutsläppen, så den måste optimeras för att förbättra effektiviteten.

Mikrobiologisk antifouling: Propellrar är känsliga för tillväxt av marina organismer på sina ytor, vilket kan påverka deras effektivitet och prestanda, och måste därför åtgärdas genom antifouling-beläggningar och mikrobiologisk antifouling-teknik.