Document 709528

POLITECHNIKA GDAŃSKA ZAKŁAD HYDROMECHANIKI
OKRĘTU
ĆWICZENIA
LABORATORYJNE Z HYDROMECHANIKI OKRĘTU
Pomiar charakterystyk geometrycznych śruby
mgr inż.Jan Bielański
Gdańsk 1979
1
POLITECHNIKA GDAŃSKA INSTYTUT OKRĘTOWY
ZAKŁAD HYDROMECHANIKI OKRĘTU
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z HYDROMECHANIKI OKRĘTU
Praca zbiorowa pod redakcją doc. dr inż. Wiesława Wełnickiego
Ćwiczenie Nr 12
Pomiar charakterystyk geometrycznych śruby
Opracował: mgr inż. Jan Bielański
Gdańsk 1979
2
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
S - promieniowy rozkład maksymalnych grubości profili 9 - promieniowy
rozkład strzałki linii środkowej.
2.1. Profile skrzydeł śrub okrętowych - zasady konstruowania i oznaczania
Pojęcie profilu skrzydła to najważniejsze z pojęć służących do
określenia charakterystyki geometrycznej śruby.
3
Rys. 2.1.
Na rys. 2.1. 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.
4
Rys.2.2.
Konstrukcję obrysu profilu wykonuje się odmierzając od punktów
linii środkowej na prostej normalnej do tej linii współrzędne podstawowej
linii kształtu.
Rys. 2.3. Amerykański sposób konstruowania obrysu profilu.
Odcinając od punktów linii średniej na prostej prostopadłej do
cięciwy (prostej łączącej końce linii środkowej) współrzędne yo
podstawowej linii kształtu otrzymamy obrys profilu wg sposobu
brytyjskiego (patrz rys. 2.4).
5
Rys. 2.4. Sposób brytyjski.
Układ XY
Układ X1Y
yg = y0 + ym
y’g = ym + yg
yC = y0 - ym
y’C = ym - yC
Maksymalna wartość wsp. ym nazywa się strzałką linii środkowej:
(
)
⁄
̅
Grubość profilu, to podwójna max wartość rzędnej podstawowej linii
kształtu:
( )
̅
⁄
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 2415. Cyfry podane w oznaczeniu mają
następujące znaczenia:
6
- dwie pierwsze cyfry opisują linię środkową m /
/i
/ , gdzie: p – oznacza współrzędną x, dla której
p/
(
)
,
- dwie ostatnie opisują podstawową linię kształtu, maksymalną grubość
t/
/.
Profil NACA 2415 posiada więc parametry:
̅ = 0,02
̅ = 0,4
̅ = 8,15
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 16-212, 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.
7
Rys. 2.5.
2.2. 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 :
, gdzie: r - promień tnącego walca
8
Rys. 2.6.
a – śruba prawa; b – śruba lewa.
Rys. 2.7. Rzut normalny i boczny skrzydła śruby.
9
Rys. 2.8. 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.
Profile opisywane są w układach pokrywających się z układem
oznaczonym na rys. 2.3 jako X201Y2 . 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 X201Y2 /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.
10
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 ϕ1 i ϕ2 dla punktów krawędzi natarcia i
spływu.
Rys. 2.9.
Znając współrzędne krawędzi natarcia (yN) i spływu (yS) profilu na
promieniu r można określić kąt skoku φ i wartość przesunięcia profilu e.
11
Rys. 2.10.
1)
(
Podstawiamy do 1) i:
[
(
(
⁄
2)
(
)
)
)
)
⁄
Stąd:
(
)
]
12
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. 2.11.
AB – odcinek linii śrubowej,
A’1C’1B’1 – odcinek eliptycznego rozwinięcia linii śrubowej,
A’’1C’’B’’1 – wyprostowany odcinek eliptycznego rozwinięcia linii
śrubowej
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
13
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 II1 prostopadłą do osi
walca, otrzymano kład elipsy D'C'G'. O wysokości punktów A i B
informują rzuty A1 i B1.
Płaszczyzna równoległa do płaszczyzny podstawowej, której śladem
jest linia A'E'O'F'G', przechodząca przez punkt A1 oraz B1 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''1C''B''1.
Punkty A1 , B1 należą do rzutu normalnego linii śrubowej AB na
płaszczyznę II1 , 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 r0 większym od promienia r, takim, że:
3)
φ – kąt skoku profilu skrzydła na promieniu r.
Długość odcinka wyprostowanego:
14
Rys. 2.12.
⁄
⁄
stąd:
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 tym rzucie wykorzystując poczynione wcześniej założenie co
do położenia osi skrzydła w rzucie normalnym /tzn. wartości kątów Φ1 i
15
Φ2 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
należącego do osi skrzydła, patrz rys. 2.10:
współrzędnych
punktu
0,
Y1(0) – współrzędna punktu 0 w układzie r1ϕY1
e ze wzoru 2 i
(
)
tanφ ze wzoru 1 i
(
( )
(
(
)
(
)
)
)
(
)
)
)
(
)
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 YN i YS tych punktów od płaszczyzny
odniesienia; możemy takie odmierzać tę współrzędną od osi skrzydła
określając Ją odpowiednio dla punktów krawędzi natarcia 1 i spływu 2:
( )
( )
( )
(
)
( )
(
)
(
(
)
)
(
(
16
3. Opis stanowiska pomiarowego.
Urządzeniem pomiarowym służącym do pomierzania śrub jest
obmierzarka do modeli typu D 25 firmy Kempf und Remmers /patrz szkic/.
Rys. 3.1. Obmierzarka do modeli D-25.
1 - bęben ze skalą kątową, służący do obrotu śruby wokół osi obrotu i
pomiaru kąta obrotu,
2 - bęben ze skalą liniową do posuwu lewego ramienia obróbczopomiarowego 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,
8 - przyciski do włączania odpowiednio /wg strzałek/ lewego lub prawego
wiertła i środkowy wyłącznik; stosowane przy nawiercaniu modelu śruby,
9 - czujniki zegarowe.
17
4. Wykonanie ćwiczenia
1. Pomiar piasty śruby,
- pomierzyć średnicę przednią i tyiną 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 4 .
3. 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 oo 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.
Rys. 4.1. Ilustracja zasady pomiaru profilu skrzydła.
18
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.
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.
2.
Poradnik okrętowca, t. II, Praca zbiorowa, Wydawnictwo Morskie,
1960.
Śruby okrętowe, L. Kobyliński, Warszawa 1955