Як сконструювати підводний пропелерний гвинт?

Ⅰ.При проектуванні підводних гвинтових гвинтів необхідно враховувати наступні аспекти:

1. Вимоги до тяги: необхідно визначити діаметр гвинта, крутний момент, кількість лопатей та інші параметри шляхом розрахунку тяги, необхідної для гвинта.

2. Гідродинамічні характеристики: для досягнення оптимальних гідродинамічних характеристик необхідно враховувати форму лопаті гвинта, форму поперечного перерізу, крок та інші параметри.

3. Шум і вібрація: необхідно оптимізувати структуру гвинта, зменшити шум і вібрацію, а також підвищити надійність і термін служби гвинта.

4. Матеріали та виготовлення: необхідно вибрати відповідні матеріали та виробничі процеси, щоб забезпечити міцність, жорсткість і стійкість до корозії гвинта.

Ⅱ,Кілька факторів, які необхідно враховувати при проектуванні підводних гвинтових гвинтів, будуть пояснені більш детально нижче та надані відповідні формули.

1. Потреба тяги

Потреба в тягі є основною вимогою до конструкції гвинта. Потреба в тягі залежить від маси і швидкості судна.

F=0,5*ρ*V^2*S*C

У формулі F - необхідна тяга, ρ - щільність води, V - швидкість судна, S - площа поперечного перерізу корпусу, C - коефіцієнт опору.

2. Гідродинамічні характеристики

Гідродинамічні характеристики є ключовими для конструкції гвинта, включаючи форму лопаті, форму поперечного перерізу, крок та інші параметри, які необхідно визначати на основі конкретного сценарію використання та конструкції гвинта.

Форма лопаті: форма лопаті впливає на тягу, ефективність, шум тощо. Зазвичай використовуються форми трапеції, трикутника або прямокутника. Формула для розрахунку площі леза така

A=F/(ρ*u*(1-σ))

У формулі A — площа лопаті, u — лінійна швидкість лопаті, σ — швидкість ковзання гвинта.

Форма поперечного перерізу: форма поперечного перерізу включає кривизну та кручення лопатей, які мають враховувати такі фактори, як гідродинамічні характеристики гвинта, шум і вібрація.

Крок: Крок — це відстань, яку лопаті пропелера переміщують уздовж осі за один оберт. Зазвичай вибирається постійний або змінний крок.

3. Шум і вібрація

Шум і вібрація є важливими факторами, які слід враховувати при проектуванні гвинта, які можна оптимізувати за допомогою таких методів:

Зменшіть товщину та крок лез, збільште кількість лез, змініть форму та кут леза тощо.

4. Матеріали та виготовлення

Матеріали гвинта та виробничі процеси впливають на продуктивність і термін служби гвинта. Зазвичай використовувані матеріали включають вуглецеву сталь, нержавіючу сталь, алюмінієвий сплав тощо, а виробничі процеси включають лиття, кування, різання тощо.

Ⅲ, Деталі конструкції гвинта

У формулі розрахунку площі лопаті F — це необхідна тяга, яку необхідно розрахувати на основі маси та швидкості судна. Лінійну швидкість u лопаті можна розрахувати за такою формулою:

u=π*D*n/60

У формулі D - діаметр гвинта, а n - швидкість. Слід зазначити, що при розрахунку площі лопаті сила тяги розподіляється пропорційно кожній лопаті.

Коефіцієнт ковзання σ гвинта - це відношення фактичної відстані руху до теоретичної відстані руху, зазвичай між 0,05 і 0,2. Формула розрахунку швидкості ковзання така

σ=(n*D-V)/(n*D)

У формулі n — швидкість обертання, D — діаметр гвинта, V — швидкість судна.

Закрученість гвинта - це ступінь закрученості лопатей пропелера, зазвичай лінійна закрученість або вторинна закрученість. Формула для розрахунку кута закручування така

θ = 2 * π * r * tan(φ) / p

Де r — радіус леза, φ — кут закручування, p — крок.

Коефіцієнт опору C пропелера є опором на одиницю площі, і його зазвичай потрібно визначати шляхом експериментів або моделювання. Зазвичай використовувані методи розрахунку включають моделювання турбулентності, експерименти в аеродинамічній трубі тощо.

Ⅳ,Деякі міркування щодо конструкції гвинта

Діаметр гвинта і кількість лопатей необхідно визначати на основі необхідної тяги. Якщо діаметр буде занадто малим, тяга буде недостатньою, гідродинамічний опір і вартість виробництва зростуть. При виборі кількості лопатей необхідно враховувати такі фактори, як зазор і опір лопатей. Загалом, чим більше лопатей, тим більша тяга, але це також збільшить шум і вібрацію.

Форму лопаті, форму поперечного перерізу та крок необхідно вибирати виходячи з необхідної тяги та гідродинамічних характеристик. Різні форми лопатей і форми поперечного перерізу впливатимуть на тягу, ефективність і шум, а різні кроки впливатимуть на швидкість і ефективність гвинта. При виборі форми та кроку лопаті необхідно враховувати взаємозв'язок між різними факторами та визначати оптимальні параметри шляхом експериментів або імітаційних розрахунків.

Швидкість ковзання гвинта відноситься до явища ковзання лопатей гвинта через опір рідини під час руху. Це також важливий фактор, що впливає на ефективність і тягу. Для досягнення оптимальної продуктивності при проектуванні потрібно визначити оптимальну швидкість ковзання за допомогою експериментів або моделювання.

Виготовлення та встановлення пропелерів вимагає уваги до якості та виконання. Лопаті гвинта потребують точної обробки та балансування, щоб уникнути шуму та вібрації. Під час встановлення необхідно звернути увагу на зазор і вирівнювання між гвинтом і корпусом, щоб переконатися, що гвинт може працювати належним чином і забезпечувати достатню тягу.

Ⅴ， Деякі методи оптимізації конструкції гвинта

Оптимізація форми лопаті: завдяки оптимізації форми лопаті можна підвищити ефективність і тягу гвинта, а також зменшити шум і вібрацію. Зазвичай використовувані методи оптимізації включають багатоцільові генетичні алгоритми, штучні нейронні мережі тощо.

Оптимізація форми поперечного перерізу: шляхом оптимізації форми поперечного перерізу лопаті можна покращити гідродинамічні характеристики, а також шумові та вібраційні характеристики гвинта. Загальні методи оптимізації включають моделювання CFD, моделювання турбулентності тощо.

Оптимізація кроку: завдяки оптимізації кроку можна підвищити ефективність і швидкість гвинта, а також зменшити шум і вібрацію. Загальні методи оптимізації включають дизайн зі змінним кроком, сегментований дизайн тощо.

Матеріали та оптимізація виробництва: шляхом вибору відповідних матеріалів і виробничих процесів можна знизити витрати на виробництво, а також збільшити надійність і термін служби гвинта. Загальні методи оптимізації включають вибір матеріалу, точну обробку тощо.

Ⅵ， Деякі перспективні напрямки розвитку конструкції гвинта

Інтелектуальний дизайн: завдяки безперервному розвитку штучного інтелекту та технології великих даних, дизайн гвинта може досягти більш точного та ефективного проектування за допомогою інтелектуальних алгоритмів та аналізу даних, покращуючи ефективність дизайну та продуктивність.

Застосування нових матеріалів: завдяки безперервній розробці нових матеріалів вибір матеріалів гвинта стане більш різноманітним, наприклад композитні матеріали з вуглецевого волокна, титанові сплави тощо, щоб покращити міцність, жорсткість і корозійну стійкість гвинта.

Оптимізація поля повного потоку: завдяки безперервному розвитку технології комп’ютерного моделювання конструкція гвинта може бути глобально оптимізована за допомогою чисельного моделювання поля повного потоку для підвищення ефективності та продуктивності гвинта.

Нові конструкції гвинтів: з безперервним розвитком кораблів і підводного обладнання дослідження та розробка нових конструкцій гвинтів стануть важливим напрямком у проектуванні гвинтів, таких як водометні гвинти, гвинти магнітної левітації тощо.

7. Деякі екологічні напрями гвинтобудування

Зменшення шуму та вібрації: Шум і вібрація гвинтів впливають на морську екологію та здоров’я людини. Їх необхідно зменшити за допомогою оптимізованого дизайну та виробничих процесів.

Зменшення викидів: гвинти виробляють вихлопні гази та відпрацьовану воду під час руху кораблів і підводного обладнання. Необхідно зменшити викиди та захистити морське середовище за допомогою оптимізованої конструкції та використання екологічно чистих матеріалів.

Підвищення ефективності: чим вище ефективність гвинта, тим більше він може зменшити споживання енергії та викиди вуглецю. Тому необхідно оптимізувати конструкцію для підвищення ефективності.

Мікробне покриття: морські організми можуть легко розмножуватися на поверхні гвинта, що впливає на ефективність і продуктивність гвинта.