Elice

Monument care descrie o elice

Elicei (sau elice elice sau elice elice) este un organ intermediar capabil să transforme puterea mecanică a unui ax de rotație într - o variație a impulsului unui fluid , pentru a genera o propulsie în conformitate cu principiul acțiunii și reacțiunii . Moțiunea transmisă fluidului se numește elicoidal și este combinația dintre o mișcare rectilinie , de-a lungul axei, și o mișcare de rotație .

Propulsorul este utilizat pe scară largă pentru propulsie , atât în nautice și aeronautice domenii, dar , de asemenea , în ventilație, prin urmare, fanii , prin urmare , indispensabile pentru condiționarea și ventilarea medii, și , prin urmare , sunt montate în toate mașinile, motoare, compresoare. Și aparate care au nevoie răcire și de extracție a aerului , inclusiv toate calculatoarele .

Caracteristici generale

Forma și structura

O elice este formată din două sau mai multe elemente dinamice fluide numite palete , care se comportă ca „aripi rotative” care impun o variație a impulsului în direcția vitezei înainte, spre deosebire de aripile convenționale, a căror variație a cantității de mișcare este normal pe direcția de deplasare. Lamele sunt fixate pe un butuc conectat la arborele .

Caracteristicile geometrice ale palelor determină apoi care vor fi caracteristicile motorului, cu referire în special la intervalele de viteză de funcționare, puterea de propulsie și caracteristicile fluidului pentru o funcționare optimă.
Elicele sunt proiectate și construite cu o structură în:

lemn ;
din metal ( oțel , bronz sau aluminiu );
materiale compozite .

Tipuri

Elicele pot fi în primul rând împărțite pe baza tipului de mediu fluid în care acționează:

Elicele aeronautice: acestea sunt elice studiate pentru a acționa într - un amestec de vapori și a gazelor cum este aerul . Având în vedere densitatea redusă a acestora din urmă, elicele aeronautice se caracterizează mai ales prin viteze de rotație ridicate și prin subțire a palelor.
Elice Marine: spre deosebire de cele anterioare, aceste elice acționează în interiorul unui lichid , care este apă și , prin urmare, având în vedere densități mai mari, aceste elice sunt caracterizate prin viteze de rotație mai mici și lame mai extinse.

Elicele pot fi apoi împărțite pe baza modurilor de funcționare:

Elice de conducere : sunt elice plasate pe partea din față a vehiculului propulsat și, prin urmare, concepute pentru a oferi propulsie prin aspirarea fluidului netulburat care se află în fața vehiculului în direcția de avansare și apoi împingerea acestuia pe părțile dinamice ale vehiculului . Din motive de simplitate, preferăm să schematic acest mod de funcționare sub formă de tracțiune: cea mai mare parte a elicelor aeronautice utilizate de aeronave și unele aplicații marine moderne utilizate pe nave sunt de acest tip.
Elice împingătoare : sunt similare cu tractoarele, dar situate în zona din spate a vehiculului. Prin urmare, întâlnesc un fluid în mișcare neuniformă în față, care este afectat de trecerea dintre suprafețele dinamice ale fluidului mediului. Pe această mișcare elicea produce un efect de omogenizare și , prin urmare , acțiunea sa poate fi mai simplu schematizat sub formă de împingere , mai degrabă decât de tracțiune. Din acest tip sunt marea majoritate a elicelor marine folosite pe toate tipurile de bărci și unele aplicații aeronautice ( în special la începutul anului secolului 20 prototipuri).
Sprijinirea elicelor: spre deosebire de cele anterioare, acest tip de elice oferă o forță de susținere, adică, opusă forța de gravitație . Prin urmare , acestea sunt utilizate pe elicoptere .

Parametrii elicei

Profilul unei lopate, unde:
β este unghiul geometric keying;
α este unghiul de atac;
α _i este unghiul de incidență induse;
V _t este viteza de rotație a secțiunii helix;
_Vo este viteza de mișcare;
V _r este viteza relativă;
V _e este viteza reală;
w este viteza indusă.

Elicele sunt caracterizate de o serie de parametri fizici utili pentru a descrie proprietățile și comportamentul lor.

Pitch - este cantitatea care exprimă distanța parcursă de o elice într - o singură revoluție, este exprimat ca:
- pas geometric , care este distanța parcursă teoretic, neglijând conformitatea fluidului și, prin urmare, corespunzătoare distanței pe care ar călători-o elica dacă s-ar deplasa în interiorul unui corp solid (formularea matematică a pasului geometric este p = tan (β) * 2 * π * r, rețineți că rata de alimentare nu apare); o elice este:
  - cu smoală uniform dacă fiecare secțiune are aceeași valoare smoală (deci Keying geometrică a secțiunilor scade pe măsură ce distanța lor față de creșterile hub),
  - pas variabil sau pas neuniform dacă secțiunile au valori diferite ale pasului,
  - pas fix în cazul în care valoarea pasului geometrică nu poate fi schimbat,
  - pas variabil în cazul în care acesta poate fi modificat de servomecanisme;
- smoală reală, care este , în schimb progresul real al elicei , după o revoluție în condiții normale și este întotdeauna mai mic decât pasul geometric (și , evident , depinde de viteza de avans).
Regresia - este diferența dintre un pas geometric și un adevărat pas.
Coarda sau coarda locală - este parametrul reprezentativ al lățimii profilului și este variabilă cu distanța de la butuc, datorită faptului că viteza liniară la care este supusă elicea variază cu raza; nealinierea laterală a centrului șirului în raport cu raza dă răsturnare (sau oblic) a lamei.
Viteza de rotație , viteza cu care o secțiune a lamei elicei se rotește în jurul butucului, și anume:

{\vec {V}}_{t}={\vec {\omega }}\times {\vec {r}}={\frac {2\pi \,n}{60}}r{\hat {t}}

{\ displaystyle {\ vec {V}} _ {t} = {\ vec {\ omega}} \ times {\ vec {r}} = {\ frac {2 \ pi \, n} {60}} r { \ hat {t}}}

{\ vec V} _ {t} = {\ vec \ omega} \ times {\ vec r} = {\ frac {2 \ pi \, n} {60}} r {\ hat t}

unde ω este viteza unghiulară (în radiani pe secundă) r distanța de la butuc, n numărul de rotații pe minut și în final versorul t indică direcția tangențială a discului elicei.

Viteza relativă, suma vitezei de mișcare și viteza de rotație.
Viteza efectivă, suma vitezei relative și viteza indusă.
Unghiul de tastare sau unghiul de tastare geometric , adică unghiul pe care șirul îl formează cu planul helixului, perpendicular pe axa butucului: variația unghiului de tastare pe măsură ce se schimbă distanța de la butuc se numește deformare .
Unghi keying Aerodinamic, adică unghiul dintre axa de ridicare zero a formelor de profil elice cu planul elicei, adică unghiul cu care neperturbate interceptările fluid profilul dinamic fluid.
Unghiul de atac , unghi de atac sau local unghiul de atac , unghiul dintre viteza efectivă și coarda profilului.
Raportul de funcționare , indicat cu γ, este raportul:

\gamma ={\frac {V}{nd}}

{\ displaystyle \ gamma = {\ frac {V} {nd}}}

\ gamma = {\ frac {V} {nd}}

unde V indică viteza, n sunt de rotații pe secundă a elicei și d diametrul elicei.

Eficiența efectivă, definită ca raportul dintre puterea utilă produsă de sistem și puterea absorbită:

\eta _{e}={\frac {\Pi _{u}}{\Pi _{a}}}={\frac {TV}{2\pi fQ}}

{\ displaystyle \ eta _ {e} = {\ frac {\ Pi _ {u}} {\ Pi _ {a}}} = {\ frac {TV} {2 \ pi fQ}}}

\ eta _ {e} = {\ frac {\ Pi _ {u}} {\ Pi _ {a}}} = {\ frac {TV} {2 \ pi fQ}}

unde T reprezintă forța de tracțiune valoarea, V viteza , f frecvența helix și Q momentul rezistent al elicei.

Eficiența impulsivă , definită ca raportul dintre puterea utilă produsă de sistem și puterea necesară pentru a conferi masei de fluid care acționează asupra motorului, în unitatea de timp, variația impulsului care produce împingerea.

Elice pentru aeronave

Elica unui avion Macchi MC202 .

Elicea trebuie să aibă aceeași ascensorul de-a lungul întregului braț, și , prin urmare , aceeași forța de tracțiune. Având în vedere că ridicarea este direct proporțională cu unghiul de atac și unghiul de atac variază în funcție de viteză; deoarece viteza periferică a lamelor crește de la butuc spre capăt, cheia trebuie neapărat modificată pentru a menține ridicarea constantă. Și tocmai din acest motiv elica este răsucită, adică cu un pas variabil de la butuc spre capăt. Adică, tastarea scade pe măsură ce viteza periferică crește pe profilul elicei departe de butuc.

Pasul geometric neglijeaza viteza reziduală datorată mișcării sale în fluid, care poate fi mai mare decât, egală cu sau mai mică decât zero. În câmpul aeronautic, imaginându-și aerul dens până la deplasarea unei aeronave atât de ușoară încât să nu ofere rezistență, după o rotație elica își va fi luat ritmul geometric; cu alte cuvinte, este distanța pe care s-ar parcurge helixul dacă s-ar „înșuruba” într-un mediu solid pentru o singură revoluție.

Având avionul oprit înainte de a da accelerația pentru a porni, rotațiile pe care le face elicele au toate pasul real egal cu zero. Pe măsură ce avionul se mișcă, elica își mărește pașii reali tur cu tur. După o anumită viteză, pasul real poate fi mai mare decât pasul geometric. În acest caz, elica frânează.

Deoarece, deoarece este ușor de dedus chiar și intuitiv, puterea pe care elica o poate absorbi și converti în tracțiune crește pe măsură ce numărul de rotații, diametrul și (în anumite limite) crește pasul geometric, poate părea că se poate alege în mod arbitrar , pentru o putere dată, orice combinație de parametri; în realitate alegerea unei elice este rezultatul unui proces de evaluare foarte atent.

În prima instanță, se poate spune că, în general, o elice cu diametru mai mare este mai eficientă, dar în creșterea diametrului există o primă limită importantă: este esențial ca vârfurile palelor elicei să nu atingă viteza sunetului, altfel eficiența ar scădea și s-ar declanșa vibrații și solicitări periculoase datorate undelor de compresibilitate. Motoarele de aeronave mici nu depășesc, în general, 3.000 rpm la maxim, iar cele care ating 5.000-6.000 rpm utilizează o cutie de viteze, care este întotdeauna prezentă la motoarele cu turbopropulsie, deoarece turbinele funcționează la o frecvență de rotație foarte mare. linia de zbor ansamblul de înaltă presiune - turbină HP și compresor HP - atinge 50.000 rpm). Elicele supersonice au fost testate, dar au dat naștere unor inconveniente semnificative, inclusiv un zgomot atât de asurzitor încât să incapaciteze piloții și personalul de la sol într-un timp scurt. În practică, capetele lamelor sunt realizate pentru a atinge o viteză periferică de aproximativ 250 de metri pe secundă.

Odată ce acest prim parametru a fost setat, rămâne să se stabilească dacă, pentru o anumită putere, să se utilizeze o elice cu diametru mare cu pas "scurt" sau o elice mai mică cu pas "lung". Trebuie avut în vedere faptul că condiția optimă de lucru pentru o elice este atunci când palele funcționează la incidența lor maximă de eficiență, a cărei valoare este de aproximativ 5 grade. Eficiența maximă a unei folii aeriene maximizează rezistența la tracțiune, iar acest lucru se traduce, pentru o elice, în forță maximă față de cuplu de tracțiune. Cu toate acestea, într-o elice cu pas fix, viteza de translație este compusă vectorial cu viteza tangențială a palelor și, prin urmare, incidența palelor scade odată cu creșterea vitezei, iar elica va tinde să câștige rotații. Ca rezultat, o elice cu diametru mare, cu pas scurt, va avea o eficiență maximă la decolare și urcare, dar performanța sa se descompune rapid cu viteza de zbor și va tinde să supra-rotească. O elice cu diametru mai mic și ampatament lung, pe de altă parte, va funcționa ineficient la viteză redusă, cu lamele aproape de a se bloca și fără a lua accelerația completă, dar va funcționa la cel mai bun nivel după ce se va realiza o croazieră rapidă.

Cu toate acestea, chiar și intuitiv, este ușor de învățat că, prin exagerarea în ambele direcții, s-ar obține „agitatoare de aer” care ar absorbi puterea de la motor fără a o transforma în forță utilă.

Prin urmare, o elice cu pas fix este întotdeauna un compromis între performanțele de decolare și de croazieră și este, în general, utilizată în aeronavele care zboară la viteze de cel mult 200 - 220 km / h, unde schimbarea rpm a elicei cu viteza de zbor este insensibilă ; în aceste cazuri este montată în general o elice care permite atingerea a aproximativ 90% din turațiile maxime atunci când aeronava este staționară și este o marjă suficientă pentru a evita viteza excesivă.

Dacă puterea este de așa natură încât, odată setate rotațiile și diametrul maxim, ar trebui să se utilizeze un pas excesiv, rămâne ultima opțiune: creșterea numărului de lame. Elicele aeronavei pot avea de obicei două până la șase palete. Avioanele mai mici și mai puțin puternice au de obicei două sau trei lame. Single piston Motoarele rareori au patru lame. Turbopropulsor motoare, pe de altă parte, de multe ori folosesc , de asemenea , patru sau șase lame, ca și ATR . De asemenea, pentru elicoptere numărul de lame variază de la două la șase în funcție de putere. Din acest motiv, motoarele mai puternice sunt asociate cu elice mici, dar cu mai multe lame. Dacă vârfurile lamelor depășesc vitezele critice, tensiunile ar fi, de asemenea, excesive. Trebuie amintit că vârfurile palelor elicei ale unei aeronave normale cu un singur motor poate fi supus la o accelerație centrifugă de peste 5000 g (aproximativ 50000 m / s ^2: o masă a unui gram plasat pe vârful blade ar avea o greutate aparentă de 5 kgf ).

Pentru a depăși compromisurile elicelor cu pas fix, au fost dezvoltate elicele aeronautice cu pas variabil, înclinarea palelor este modificată prin servomecanisme, pentru a obține eficiența maximă într-un anumit interval de viteză: de fapt, dacă aeronava crește viteza, în consecință unghiul de incidență al secțiunii generice a elicei va scădea și, pentru a o menține constantă, va fi necesară creșterea pasului.

Deși elicele cu pas variabil „manual” sunt uneori folosite pe avioane ultralegere de mijloc, marea majoritate a elicelor cu pas variabil pentru aviația generală și avioane ultralegere de ultimă generație sunt de tip „viteză constantă”, unde există un regulator centrifug hidraulic sau un motor pas cu pas gestionat electronic pentru a menține constant numărul de rotații setate de pilot.

Mecanismul de acționare variază ușor în funcție de tipul de aeronavă. La motoarele cu un singur piston, forțele centrifuge și aerodinamice tind în mod natural să aducă elicea la pas minim, în timp ce presiunea uleiului de motor, reglată de regulator, este exploatată pentru a acționa un piston în butucul elicei pentru a aduce lamele spre pasul lung. Echilibrul dintre aceste forțe determină pasul folosit. Dacă numărul de rotații tinde să se abată de la cel setat, regulatorul modulează presiunea din circuit pentru a readuce rotațiile elicei la valoarea dorită.

Pe de altă parte, în aeronavele cu mai multe motoare și turbopropulsoare, forțele care acționează sunt inversate: aceasta pentru a permite elicei, în caz de defecțiune a motorului, să se deplaseze în mod natural la pasul „steag” (adică cu palele paralele cu fluxul aerodinamic ), astfel încât să reducă rezistența motorului avariat în avantajul zborului asimetric (în mai multe motoare) și să îmbunătățească performanțele de alunecare (în motoarele cu un singur turbopropulsor).

Elice marine

Caracteristici tehnice

Propulsorul unei nave

În cazul aplicațiilor marine, elicele trebuie studiate cu o atenție deosebită în ceea ce privește mediul lichid în care vor funcționa. Mai mult, cu excepția unor cereri speciale, din motive de siguranță împotriva impactului organismelor externe, elicele marine sunt întotdeauna amplasate în zona pupa bărcilor.
Elice Marine (cu excepția cazului particular submarine ), operează în apropierea suprafeței de separare între cele două fluide (aer și apă), sub rezerva generarea fenomenelor de undă . Aceasta induce efecte asupra mișcării de alterare a fluidului de-a lungul barca de jos și pe elice. În mod similar, elicea trebuie să fie plasat la o imersiune suficientă pentru a nu suporta efectul suprafeței libere, constând dintr - o producție val masiv în care câmpul de presiune produs de elice este descărcat, reducând forța produsă.
În plus, o apropiere excesivă între corpul navei și palele poate provoca șocuri de presiune și poate provoca vibrații pe întregul complex navei-elice. În limbaj tehnic, distanța dintre diametrul maxim al elicei și carena se numește clearence, un termen utilizat în limba engleză și literatura tehnică americană.
Diferența semnificativă a presiunii apei pe măsură ce adâncimea crește determină, în sfârșit, palele elicei, în timpul unei rotații, să funcționeze în zone cu caracteristici diferite și intervale de presiune diferite, inducând astfel o neuniformitate suplimentară a forței (împingere laterală) și a momentelor vibratorii extinse la ax rotativ.

Cavitație

Același subiect în detaliu: cavitație .

Deteriorarea cavitației la lama unei elice marine.

Un fenomen special care elicele marine se pot întâlni este cavitație , adică formarea de gaz micro-bule în zonele de maximă depresie . Aceste micro-bule, care migrează rapid către zonele sub presiune mai mare , apoi sfârșesc cu impact și restrângerea pe suprafața lamei, provocând o atât vizibil erozive și efect coroziv , datorită reactivității gazelor dizolvate. Daunele cauzate de acest fenomen pot fi ușor identificate cu o serie de găuri mici și adânci în zona afectată de cavitație. Mai mult, urmele de bule modifică viteza și câmpul de presiune asupra lamei în sine, acționând ca un fel de pernă pe care deviază fluxul de curent, modificând astfel ridicarea lamei și eficiența elicei.
Datorită corelarea acesteia cu presiunea de vapori a apei și , prin urmare , cu presiunea , cavitatie este legată de următorii parametri:

Imersiune - și, prin urmare, la capul hidrostatic;
Rotație de frecvență - și , prin urmare , la câmpul de presiune generat de lame.

Prin urmare, cavitația poate fi combătută prin creșterea scufundării elicei, reducerea frecvenței acesteia sau, în general, creșterea raportului între forța și aria extinsă, adică forța specifică pe unitate de suprafață (cu alte cuvinte folosind o elice cu pale mai mici mari și deci mai puțin încărcat). Elicele marine sunt, prin urmare, împărțite între:

Non-cavitație elice, concepute să funcționeze în absența cavitație;
Elice limită de cavitatie, concepute să funcționeze în mod normal , în absența cavitatie;
Supercavitante elice, concepute să funcționeze în mod normal în prezența cavitație;
Elice de suprafață cavitație supercomputerele concepute să funcționeze la niveluri foarte ridicate de cavitație și cu deversări periodice pe suprafata.

Parametrii elicelor marine

Performanța elicei izolată - reprezintă performanța elicei în absența carenei:

\eta ={\frac {TV}{2\pi nQ}}

{\ displaystyle \ eta = {\ frac {TV} {2 \ pi nQ}}}

\ eta = {\ frac {TV} {2 \ pi nQ}}

Eficienta hidrodinamice - reprezintă eficiența reală a elicei cuplat cu coca:

\eta ={\frac {TV_{A}}{2\pi nQ}}

{\ displaystyle \ eta = {\ frac {TV_ {A}} {2 \ pi nQ}}}

\ eta = {\ frac {TV_ {A}} {2 \ pi nQ}}

În cazul în care V _A = V (1-w) reprezintă viteza de avans, care este viteza percepută efectiv de elicea și reduse, în raport cu viteza reală a navei, datorită efectului urma (reprezentat de coeficientul w).

Istorie

Reprezentarea elicei manuale a lui Bushnell, 1775.

Elicea a început să înlocuiască propulsie roată în jurul mijlocul secolului al 19 - lea . Încă din 1775 David Bushnell folosit pentru prima dată un propulsat manual elice în proiectul său submarin, Turtle; în jurul valorii de 1827 ceh inginer Josef Ressel experimentat cu prima aplicație de propulsie cu elice navale cu abur în portul Trieste . La acea vreme, trebuiau 19 ore pentru a ajunge de la Trieste la Veneția. În căutarea unui sponsor pentru construirea unei nave cu elice, a găsit un om de afaceri englez care i-a furat planurile și câteva săptămâni mai târziu a fost depusă o cerere de brevet în Anglia cu aceleași caracteristici. De acolo s- au născut experimente similare efectuate în 1836 , de către Francis Pettit Smith , și în 1839 , de către John Ericsson , care a permis o navă să traverseze Atlanticul în patruzeci de zile.
În 1849 un concurs de „remorcher de război“ între două nave de putere egală , ci una cu o roată și una cu o elice a demonstrat definitiv comoditatea elicei. Primele aplicații implicau adesea elice cu una sau două pale, adesea foarte extinse și aproape întotdeauna în combinație cu roata tradițională, considerată și mai fiabilă. Până la sfârșitul secolului al XlX - lea , cu toate acestea, elicea a devenit deja soluția principală de propulsiei în aplicații navale.
Cuplat pornind de la al doilea război mondial cu noile motoare cu ardere internă , elicea constată recente și din ce în ce pe scară largă combinate aplicații diesel - electrice .

Bibliografie

Luciano Ferraro, Elemente de mașini marine, Milano, Heopli, 2004 ISBN 978-88-203-3308-9
Luciano Ferraro, masini marine (vol. 1), Milano, Hoepli, 2005 ISBN 978-88-203-3482-6
Luciano Ferraro, Mașini marine (vol. 2), Milano, Hoepli, 2005 ISBN 978-88-203-3481-9
Marco Giuffrida, și sisteme electrice de propulsie electrică pe navele militare, Lulu.com 2013 ISBN 978-1-291-46445-0

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționar conține dicționarul Lema « Helix »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre elice

linkuri externe

(RO) Elica , în Enciclopedia Britannica , Encyclopaedia Britannica, Inc.
Surface Elice , pe altomareblu.com.
Surface Elice Marine Propulsia , pe topsystemdrive.com.

Controlul autorității	Thesaurus BNCF 28830 · LCCN (RO) sh85107486 · GND (DE) 4135029-7

Portalul aviației	Portal de inginerie
Portalul mării	Portal mecanic