Análise abrangente de hélices de afinação fixa (FPP)

No vasto campo da tecnologia de propulsão marinha, o Hélice fixo fpp há muito tempo mantém uma posição crucial como uma estrela brilhante. Como um componente -chave do sistema de propulsão do navio, o FPP continua a impulsionar o desenvolvimento vigoroso do setor de transporte global e várias operações de navios com seu design exclusivo e excelente desempenho. Desde a navegação estável de petroleiros gigantes nos oceanos até as operações flexíveis de pequenos barcos de pesca em águas costeiras, o FPP desempenha um papel indispensável, e sua maturidade técnica e ampla aplicação o tornam um clássico no campo da engenharia marinha.

I. Princípio de trabalho e projeto estrutural de FPP

O tom de um FPP é determinado durante o estágio de fabricação e não pode ser ajustado durante a operação do navio. Essa característica significa que deve ser combinado com precisão aos requisitos de navegação específicos do navio no estágio inicial de design. Seu princípio de trabalho é baseado na teoria espiral de Archimedes. Quando a hélice gira, as lâminas, como um plano inclinado rotativo, cortam continuamente a água e empurram o fluxo de água para trás. Especificamente, cada lâmina da hélice apresenta uma forma curva específica. Durante a rotação, a lâmina exerce um componente de impulso axial e um componente de força circunferencial na água. O componente de empuxo axial empurra a água para trás e, de acordo com a terceira lei de Newton, a água dá à hélice uma força de reação igual e oposta, que é o poder central para impulsionar o navio para frente ou para trás. O componente de força circunferencial faz com que o fluxo de água gire, e essa parte da energia é geralmente desperdiçada. Portanto, durante o projeto, a forma da lâmina será otimizada para minimizar essa perda de energia e melhorar a eficiência da propulsão.

Estruturalmente, um FPP consiste principalmente em um cubo e lâminas. O hub é um componente essencial que conecta a hélice ao eixo da hélice do navio. Sua forma é geralmente cilíndrica ou cônica, com chaves ou flanges dentro, que são fortemente conectados ao eixo da hélice para garantir uma transmissão eficiente do torque do motor para as lâminas. O material do cubo precisa ter alta resistência e boa tenacidade para suportar enorme torque e a força de impacto da água. Os materiais comuns incluem aço forjado e aço fundido. As lâminas são a parte central que gera impulso, e seu número é geralmente de 3 a 7. Números diferentes de lâminas e projetos de formas têm um impacto significativo no desempenho da hélice. Por exemplo, uma hélice de três lâminas possui uma estrutura relativamente simples, peso leve e alta eficiência em altas velocidades, tornando-a adequada para pequenos lanchonetes ou navios de carga de alta velocidade; As hélices de 4 lâminas e 5 lâminas têm melhor desempenho em termos de equilíbrio e redução de ruído e são amplamente utilizadas em grandes navios comerciais e vasos navais; Enquanto hélices de 6 lâminas e 7 lâminas são mais comumente usadas em navios especiais que requerem alto impulso e precisam suprimir a cavitação, como quebra-gelo. A forma transversal da lâmina é geralmente um aerofólio, que pode gerar elevador grande (isto é, impulso) enquanto reduz a resistência durante a rotação. O comprimento, a largura, o ângulo de torção e outros parâmetros da lâmina são todos calculados e otimizados com precisão para garantir o desempenho ideal de propulsão sob condições de projeto. Além disso, existem várias maneiras de conectar as lâminas ao hub, como fundição integral e soldagem. As hélices fundidas integralmente têm maior força e são adequadas para navios grandes, enquanto as estruturas soldadas são mais usadas em hélices pequenas e médias, facilitando a fabricação e a manutenção.

Ii. Ampla gama de aplicações

O FPP possui uma gama extremamente ampla de aplicações, cobrindo muitos tipos diferentes de navios, e sua aplicação em vários campos é baseada em suas vantagens exclusivas de desempenho.

No campo de navios comerciais, navios de carga grandes, navios -tanque de petróleo, navios de contêiner, etc., costumam usar o FPP como dispositivo de propulsão. Esses navios geralmente realizam transporte de longa distância em velocidades relativamente estáveis, e suas condições de navegação são relativamente fixas. Tomando um petroleiro gigante com uma capacidade de carga de centenas de milhares de toneladas como exemplo, ele navega principalmente em principais rotas de transporte de petróleo em todo o mundo, com uma velocidade geralmente mantida em cerca de 15 a 18 nós. O FPP tem alta eficiência sob uma velocidade de rotação e condições de carga específicas, permitindo que o navio navegue de forma estável com baixo consumo de combustível. As estatísticas mostram que os petroleiros equipados com FPP de maneira ideal têm um consumo de combustível 5% -10% menor que os navios semelhantes usando outros dispositivos de propulsão. Para os petroleiros que navegam dezenas de milhares de milhas náuticas a cada ano, isso pode efetivamente reduzir os custos operacionais e os benefícios econômicos acumulados são consideráveis. Os navios de contêiner também são alvos de aplicação importantes do FPP, especialmente os revestimentos que viajam em rotas fixas. Seu tempo e velocidade de navegação são estritamente planejados, e a estabilidade e a eficiência do FPP podem garantir que elas cheguem aos portos a tempo, garantindo a operação suave da cadeia de suprimentos global.

Em termos de embarcações navais, o FPP também desempenha um papel importante. Os barcos de patrulha precisam executar tarefas frequentes de patrulha nas áreas costeiras e ter altos requisitos para velocidade e confiabilidade. O FPP pode fornecer impulso estável ao viajar em alta velocidade, e sua estrutura simples é conveniente para manutenção no navio, reduzindo a probabilidade de falhas. Como um dos principais vasos navais, as fragatas precisam executar várias tarefas, como anti-submarino, anti-navio e escolta. Nas operações anti-submarinas, as vantagens do FPP são particularmente óbvias. Ao otimizar a forma da lâmina e o design da inclinação, a ocorrência de cavitação pode ser efetivamente suprimida. A cavitação refere -se ao fenômeno onde a água vaporiza para formar bolhas quando a pressão na superfície da lâmina cai para um certo nível à medida que a hélice gira, e as bolhas produzem enorme força de impacto e ruído quando entram em colapso. O design otimizado do FPP pode reduzir a geração e o colapso da cavitação, reduzindo assim o ruído gerado pela hélice, melhorando a ocultação do vaso, permitindo a fragata para detectar e atacar mais efetivamente os submarinos inimigos e aprimorando as capacidades de combate anti-submarino.

Além disso, no campo do desenvolvimento de recursos marítimos, navios especiais como navios de suprimentos offshore e navios de pesquisa científica também usam amplamente o FPP. Os navios de suprimento offshore precisam fornecer materiais para plataformas de petróleo offshore, navios de perfuração, etc., e geralmente operam em áreas marinhas rasas e condições complexas do mar. O FPP pode ser personalizado de acordo com suas características operacionais para garantir um bom desempenho de manobrabilidade e propulsão durante a navegação em baixa velocidade e o apoio de ponto fixo. Os navios de pesquisa científica marinha precisam realizar investigações científicas de longo prazo em diferentes áreas marinhas e podem precisar realizar observação, amostragem e outras operações em áreas marinhas específicas. A estabilidade do FPP pode garantir que o navio mantenha uma posição relativamente fixa no vento e nas ondas, proporcionando um ambiente de trabalho estável para os pesquisadores. Por exemplo, alguns navios de pesquisa científica usados ​​para exploração profunda estão equipados com FPP que podem controlar com precisão o movimento do navio em baixas velocidades, cooperando com o equipamento de detecção a bordo para concluir a coleta de dados marítimos de alta precisão. Suas lâminas adotam um design especial de acordes largos, que pode formar um campo de fluxo de água mais estável em baixas velocidades de rotação, garantindo que a faixa de flutuação de impulso do navio seja controlada dentro de 2% na faixa de baixa velocidade de 0,5 a 3 nós. Para reduzir a adesão dos organismos marinhos, a superfície da lâmina é revestida com um revestimento anti-escala não tóxico contendo óxido cupro. Esse revestimento pode liberar lentamente os íons de cobre para inibir a adesão de cracas, mexilhões e outros organismos, de modo que a área de biofoliação da superfície da hélice não exceda 5% durante 6 meses consecutivos de operações offshore, evitando efetivamente um declínio significativo na eficiência de propulsão. Ao mesmo tempo, as bordas da lâmina são arredondadas para reduzir o ruído de perturbação do fluxo de água durante a rotação de baixa velocidade, proporcionando um ambiente silencioso para a observação de instrumentos acústicos de precisão a bordo.

Iii. Características centrais dos produtos FPP

(I) Características de desempenho

Propulsão eficiente : Sob as condições de trabalho específicas projetadas, o FPP pode converter energia do motor em propulsão de navio com alta eficiência. Isso se beneficia com a otimização precisa de parâmetros como a forma e o tom da lâmina, de modo que, sob a velocidade de projeto e as condições de carga, o fluxo de água possa fluir através das lâminas da maneira mais suave com a mínima perda de energia. Quando o navio navega na velocidade do projeto, sua eficiência de propulsão pode atingir 60%a 70%, e algum FPP de maneira ideal pode até atingir mais de 75%. Esse nível de eficiência é muito maior que o de alguns dispositivos de propulsão com desempenho equilibrado em várias condições de trabalho, mas sem vantagens pendentes. Por exemplo, na navegação normal de grandes navios de carga, o FPP pode manter de forma estável um estado de propulsão de alta eficiência. Supondo que a potência do motor de um navio de carga seja de 50.000 cavalos de potência, o FPP pode converter 30.000 a 35.000 cavalos de potência em propulsão eficaz na velocidade do projeto, economizando muitos custos para o transporte de longa distância. Além disso, essa alta eficiência pode ser mantida durante o estágio principal de navegação do navio e não cairá significativamente devido a pequenas mudanças nas condições de trabalho.

Forte estabilidade : Devido ao passo fixo, o desempenho de propulsão do navio é relativamente estável durante a operação e não haverá flutuações de impulso devido a mudanças no tom. Isso ocorre porque o ângulo da lâmina e o tom do FPP são fixos após a fabricação. Enquanto a velocidade do motor estiver estável, o impulso gerado permanecerá dentro de uma faixa relativamente estável. Essa estabilidade torna o navio mais estável durante a navegação, e os membros da tripulação podem controlar o curso e acelerar com mais precisão ao manobrar o navio. Especialmente em condições graves do mar, como encontrar ventos e ondas fortes, o navio estará sujeito a grandes interferências externas, e a produção estável de empuxo do FPP pode ajudar o navio a resistir a essas interferências, reduzir o shake e o inchaço do navio causado por impulso instável e reduzir os riscos de segurança. Por exemplo, durante a estação do tufão, os navios de carga equipados com FPP podem manter uma atitude de navegação relativamente estável ao passar pelas áreas de vento e ondas, reduzindo o risco de deslocamento de carga e danos causados ​​pelo navio.

Adaptabilidade a condições de trabalho específicas : Embora o passo não possa ser ajustado, o design será totalmente otimizado para o objetivo específico e as condições de trabalho comuns do navio. Os designers determinarão o número mais adequado de lâminas, forma, afinação e outros parâmetros através de um grande número de cálculos e testes de simulação com base em fatores como o tipo de navio, deslocamento de carga total, velocidade de projeto e condições hidrológicas das rotas comuns. Para navios com condições de navegação relativamente fixas, como navios de carga regularmente de ida e volta e navios de engenharia que operam em áreas do mar fixo, o FPP pode exercer o melhor desempenho. Tomando revestimentos de contêineres que viajam regularmente entre a China e a Europa como exemplo, suas rotas de navegação são fixadas, sua velocidade é basicamente mantida a 20 a 25 nós e sua carga também é relativamente estável (carga total ao partir, vazia ou meia carga ao retornar). Os designers otimizarão os parâmetros do FPP para esta condição de trabalho específica para fazê -lo ter a maior eficiência de propulsão dentro dessa velocidade e faixa de carga. Para rebocadores que ajudam no carregamento e descarregamento de carga perto de portas, embora sua velocidade de navegação não seja alta, eles precisam começar, parar e mudar de direção com frequência. Os designers se concentrarão em otimizar o desempenho do impulso e a manobrabilidade do FPP em condições de trabalho em baixa e variável para se adaptar às suas características operacionais.

(Ii) Processo de fabricação

A fabricação do FPP é um processo complexo e preciso, que envolve controle rigoroso de vários links, cada um dos quais tem um impacto importante no desempenho e na qualidade do produto final.

Em primeiro lugar, a seleção de materiais precisa ser determinada de acordo com o ambiente operacional e os requisitos de desempenho do navio. Para o FPP que trabalha em ambientes corrosivos, como água do mar, os materiais com forte resistência à corrosão são geralmente selecionados. Entre os materiais metálicos tradicionais, são usadas ligas de cobre (como bronze de níquel-alumínio). Eles têm boa resistência à corrosão da água do mar, alta resistência e resistência e podem suportar o impacto e o atrito da água do mar. O aço inoxidável é usado em algumas ocasiões com maiores requisitos de resistência à corrosão, mas seu custo é relativamente alto. Nos últimos anos, materiais compostos, como plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP), surgiram gradualmente. Os materiais compósitos têm as vantagens de peso leve, alta resistência e forte resistência à corrosão. O FPP feito de materiais compósitos pode efetivamente reduzir o peso do próprio navio, reduzindo assim o consumo de energia e melhorando a economia de combustível. Por exemplo, o FPP feito de CFRP é 30% a 50% mais leve que as hélices de liga de cobre do mesmo tamanho, o que tem um efeito significativo na melhoria do desempenho da navegação do navio e na redução do consumo de energia.

Para materiais metálicos, são necessários processos como fundição e fundição. Durante o processo de fundição, a proporção dos componentes da liga deve ser estritamente controlada para garantir a pureza e as propriedades mecânicas do material. Por exemplo, ao fundir bronze de níquel-alumínio, o conteúdo de níquel, alumínio, cobre e outros elementos precisam ser controlados com precisão para garantir que a resistência à força, resistência e corrosão do material atenda aos requisitos de projeto. O processo de fundição é derramar o metal fundido em um molde para a formação. Durante esse processo, parâmetros como temperatura e velocidade de vazamento devem ser estritamente controlados para evitar defeitos como poros, rachaduras e cavidades de encolhimento. Para a fundição de FPP grande, a fundição de areia ou a fundição de moldes de metal é geralmente usada. A fundição de areia é adequada para grandes hélices com formas complexas, mas a qualidade da superfície e a precisão dimensional são relativamente baixas; A fundição de moldes de metal pode obter maior precisão dimensional e qualidade da superfície, mas o custo do molde é alto, o que é adequado para a produção em massa.

O processamento da lâmina é um link -chave no processo de fabricação. Os espaços em branco da lâmina após a fundição precisam ser usinados com precisão para atender aos requisitos de projeto para forma e precisão dimensional. Usando equipamentos de usinagem de precisão, como a Machine Tools CNC de cinco eixos, as lâminas são cortadas, aterrissadas e outras processadas de acordo com os desenhos de design. As máquinas-ferramentas CNC de ligação de cinco eixos podem realizar movimentos complexos em várias direções, usinando com precisão as formas curvas complexas das lâminas, garantindo que o desempenho aerodinâmico das lâminas atenda aos padrões de design. Durante o processamento, os instrumentos de medição de alta precisão (como máquinas de medição de coordenadas) precisam ser usados ​​para detectar o tamanho e a forma das lâminas para garantir que o erro esteja dentro do intervalo permitido. A qualidade da superfície das pás também é crucial. Uma superfície lisa pode reduzir a resistência ao fluxo de água e melhorar a eficiência da propulsão. Portanto, após o processamento, é necessário tratamento de superfície como polimento e revestimento. O polimento pode remover as marcas de processamento na superfície da lâmina, reduzindo sua rugosidade da superfície para abaixo de RA0.8μm; O revestimento pode melhorar ainda mais a resistência ao desgaste e a resistência à corrosão da lâmina. As platings comuns incluem revestimento cromo e revestimento de níquel, que podem formar um filme de proteção rígido na superfície da lâmina, estendendo a vida útil da hélice.

Finalmente, o FPP fabricado está sujeito a uma inspeção estrita de qualidade. A inspeção de precisão dimensional garante que o tamanho de cada parte da hélice atenda aos requisitos de desenho de projeto, evitando o impacto na cooperação com o eixo da hélice e o desempenho de propulsão devido a desvios dimensionais. O teste de equilíbrio é eliminar o desequilíbrio da hélice. Uma hélice desequilibrada gerará grande força centrífuga ao girar, fazendo com que o navio vibre, afetando o conforto da navegação e a vida útil do equipamento. O teste de equilíbrio geralmente é realizado em uma máquina de equilíbrio especial. Ao medir a vibração da hélice durante a rotação, a posição e o tamanho do desequilíbrio são determinados e, em seguida, o saldo é corrigido pela remoção ou adição de pesos. O teste de força é inspecionar as propriedades mecânicas da hélice quando submetida ao torque e impulso máximo de projeto para garantir que ele não quebre ou se deforme. Os métodos de teste de força comum incluem teste de carregamento estático e teste de fadiga dinâmica. O teste de carregamento estático aplica uma certa carga à hélice para medir sua deformação e distribuição de tensão; O teste dinâmico de fadiga simula a situação de força da hélice durante a operação de longo prazo e inspeciona sua vida útil de fadiga através da carga cíclica múltipla. Somente o FPP que passa por todas essas inspeções de qualidade pode ser garantido para atender aos padrões e requisitos relevantes e ser colocado em uso prático.

(Iii) diferenças de outros propulsores

O FPP difere significativamente de outros tipos de propulsores em termos de estrutura, desempenho e cenários aplicáveis. A compreensão dessas diferenças ajuda a fazer escolhas apropriadas no design e seleção de navios.

Comparado com a hélice de pitch controlável (CPP), a maior diferença de FPP é se o passo pode ser ajustado. O CPP pode alterar o tom das lâminas a qualquer momento durante a operação do navio através de um complexo sistema de controle hidráulico para se adaptar a diferentes requisitos de velocidade e carga. Por exemplo, quando o navio precisa acelerar, o CPP pode aumentar o tom para aumentar o impulso; Quando o navio precisa desacelerar ou reverter, ele pode reduzir o tom ou até alterar a direção do passo, o que é flexível e conveniente de operar, com melhor manobrabilidade e adaptabilidade. Essa característica torna o CPP adequado para navios com condições variáveis ​​de navegação, como rebocadores e barcos de pesca. Os rebocadores precisam alterar frequentemente o tamanho e a direção do impulso para ajudar grandes navios na cena e na desvendar, e os barcos de pesca precisam ajustar a velocidade e a força de propulsão a qualquer momento, de acordo com as necessidades das operações de pesca. No entanto, o CPP possui uma estrutura complexa, contendo muitas partes móveis (como pistões, bielas de conexão, mecanismos de servo, etc.) e sistemas de controle hidráulico, o que não apenas aumenta o custo de fabricação (geralmente 30% -50% maior que o FPP da mesma especificação), mas também aumenta bastante a dificuldade e o custo de manutenção posterior. O sistema hidráulico é propenso a vazamentos de petróleo, interferência e outras falhas, exigindo inspeção e manutenção regulares, aumentando os custos operacionais do navio. Por outro lado, o FPP possui uma estrutura simples, sem mecanismo de afinação variável complexo, baixo custo de fabricação e, devido ao pequeno número de componentes, a taxa de falha é baixa e a confiabilidade é alta. Sob condições específicas de trabalho estável, o FPP também pode atingir um alto nível de eficiência de propulsão, adequado para navios com condições de navegação relativamente fixas, como grandes navios de carga e petroleiros.

Comparado aos propulsores do jato de água, o FPP gera impulso, exercendo diretamente a força na água através da rotação da lâmina, enquanto os propulsores de jato de água geram impulso sugando água através de uma bomba de água e depois a ejetando em alta velocidade através de um bico. O bico do jato de água propulsor pode ser dirigido de maneira flexível para realizar a direção e a reversão do navio, com boa manobrabilidade. O navio tem um pequeno raio de viragem e pode até obter giro no local ，, o que é muito adequado para navios com altos requisitos de manobrabilidade, como lanchas e navios militares. Ao mesmo tempo, os componentes de propulsão do jato de água propulsor estão localizados dentro do casco, reduzindo as saliências subaquáticas, diminuindo o risco de danos causados ​​pelo aterramento e seu ruído operacional é relativamente baixo, o que é propício para melhorar a ocultação do navio. No entanto, a eficiência de propulsão do jato de água propulsor é relativamente baixa, especialmente quando navega em alta velocidade, devido à grande perda de energia durante a sucção e ejeção de água, sua eficiência de propulsão é geralmente 10% a 20% menor que a do FPP. Além disso, o jato de água Propulsor possui uma estrutura complexa, incluindo vários componentes, como bombas de água, bocais e sistemas de transmissão, com altos custos de fabricação e manutenção, e é facilmente bloqueado por detritos na água (como plantas aquáticas, pedras etc.), afetando a operação normal. O FPP tem vantagens em termos de eficiência e custo de propulsão, com uma estrutura simples, não é fácil de ser bloqueada e manutenção conveniente, e é amplamente utilizada em vários navios comerciais e na maioria dos navios militares.

(Iv) Diferenças de desempenho e cenários aplicáveis ​​de FPP com diferentes materiais

Além dos parâmetros de design acima mencionados, a seleção de material do FPP também tem um impacto significativo em seu desempenho. Diferentes materiais têm suas próprias vantagens e desvantagens em termos de força, resistência à corrosão, peso, etc., e são adequados para diferentes navios e ambientes de navegação.

4. Como escolher o FPP adequado para navios específicos

A escolha de uma hélice fixa (FPP) adequada para um navio específico exige considerar vários fatores, como tipo de navio, sistema de energia e ambiente de navegação, e alcançar propulsão eficiente por meio de correspondência precisa. A seguir, são apresentados métodos de seleção específicos:

(I) Posicionar os requisitos principais com base no tipo de navio e propósito

As características operacionais de diferentes navios determinam a direção do design do FPP:

Navios comerciais (como navios de carga, navios-tanque de petróleo etc.): principalmente envolvidos em navegação estável de longa distância, com prioridade dada à eficiência de propulsão e economia de combustível. É necessário corresponder ao FPP de 4 a 5 lâmina de grande diâmetro (por exemplo, um portador a granel de 180.000 toneladas está equipado com um diâmetro de 5-6 metros de hélice de bronze de alumínio) para garantir que a eficiência atinja mais de 65% na velocidade de projeto, reduzindo o consumo de combustível, que é responsável por 30%-50% do custo operacional.
Vasos militares: os navios anti-submarinos precisam suprimir o ruído da cavitação através do projeto de aerofólio de 5-7 lâmina de lâmina; Os barcos de patrulha de alta velocidade usam 3-4 lâmina fino aerofólio profissional

Pellers (como um barco de 40 nós equipado com um FPP de 1,8 metro de diâmetro) para equilibrar a resposta e a manobrabilidade de alta velocidade.

Navios especiais: os navios de suprimento offshore precisam de um design de ampla lâmina para melhorar o coeficiente de impulso em baixa velocidade e garantir um posicionamento preciso; As lâminas de navios de pesquisa científica precisam de um revestimento nano-cerâmico para evitar a biofolia (área de incrustação de 6 meses <5%), e a flutuação de impulso é ≤2% em baixas velocidades (50-150 rpm).

(Ii) corresponder estritamente aos parâmetros do sistema de energia

Combinação de energia: a energia absorvida pela hélice deve corresponder à potência nominal do motor com um erro controlado em ± 5%. Por exemplo, um motor a diesel de 10.000kW é compatível com um FPP que absorve 9.500-9.800kW de energia para evitar "superávit de energia" ou sobrecarga do motor.
Combinação de velocidade: a velocidade nominal do motor determina a velocidade de projeto da hélice. A velocidade da hélice deve ser comparada com a velocidade do motor através da taxa de transmissão do eixo da hélice para garantir que a hélice possa gerar o impulso de design na velocidade nominal. Diferentes tipos de motores têm diferentes faixas de velocidade aplicáveis ​​da hélice: os motores a diesel de alta velocidade (1500-2000R/min) são adequados para pequenas hélices de alta velocidade. Por exemplo, um motor com uma velocidade de 1800r/min conduz um FPP de 900r/min através de uma taxa de transmissão de 2: 1, correspondendo a um FPP de 4 lâminas com um diâmetro de 2,5 metros, que pode atingir uma eficiência de propulsão de 68% na velocidade nominal; Os motores a diesel de média velocidade (750-1500r/min) e os motores a diesel de baixa velocidade (velocidade abaixo de 750r/min) são usados ​​principalmente em navios grandes. Os motores de alta velocidade e alta torque precisam ser comparados com FPP de grande diâmetro e baixa velocidade. Por exemplo, um navio petroleiro de 300.000 toneladas com uma velocidade do motor a diesel de baixa velocidade de 120r/min aciona diretamente um FPP de 5 lâminas com um diâmetro de 9 metros sem dispositivos de transmissão adicionais, reduzindo a perda de energia e a eficiência da propulsão pode atingir 72%.

(Iii) otimizar as principais dimensões e parâmetros estruturais

Diâmetro e tom :

Grandes navios com rascunho profundo podem escolher hélices de grande diâmetro para aumentar a área de impulso e melhorar a eficiência da propulsão. Geralmente, para cada aumento de 10%no diâmetro, a eficiência de propulsão pode ser aumentada em 3%a 5%, mas precisa ser adaptada ao espaço de instalação do navio. Os navios com rascunho superficial precisam limitar o diâmetro (navios do rio interior ≤ 3 metros).

O tom precisa corresponder à velocidade do design. Por exemplo, um navio de contêiner de 20 nós requer um passo de 3,5 metros e um rebocador de 12 nós é adaptado a um passo de 2,5 metros, considerando a influência da taxa de escorregamento (0,1-0,2).

Design da lâmina :

3 lâminas são adequadas para carga de alta velocidade e luz; 4-5 Lâminas Eficiência e estabilidade de equilíbrio (um navio de carga de 100.000 toneladas usando 5 lâminas pode reduzir a vibração em 15%); 6-7 lâminas se concentram na redução de ruído e na supressão de cavitação. Em termos de aerofólio, os navios de alta velocidade usam a série NACA 66 de baixo punho (espessura de 8% de comprimento do acorde) e os navios de alta pressão usam a série NACA 44 de alta elevação (espessura 15% de comprimento de acordes).

(Iv) adaptar -se ao ambiente de navegação e às condições de trabalho

Otimização da condição de trabalho: Navios com condições de trabalho fixas (como os navios da rota China-Europa) otimizam os parâmetros através do CFD (pode reduzir o consumo de combustível em 6%); Os navios com condições de trabalho variáveis ​​(rebocadores de porta) precisam levar em consideração o desempenho em toda a faixa de 0 a 12 nós, com impulso suficiente de baixa velocidade e eficiência de alta velocidade ≥55%.

(Vi) Avalie os recursos técnicos do fabricante

A escolha de um fabricante com experiência rica e forte força técnica pode fornecer projetos personalizados de acordo com as necessidades específicas do navio, que afetam diretamente a qualidade e o desempenho do FPP.

Os fabricantes de alta qualidade possuem software de design avançado (como ANSYS, STAR-CCM) e equipamentos de fabricação (como centros de usinagem de cinco eixos, linhas de produção de fundição de precisão), que podem obter uma usinagem de alta precisão de superfícies de lâmina com erros controlados em ± 0,1 mm. Por exemplo, um fabricante bem conhecido usa a tecnologia de impressão 3D para fabricar moldes de lâmina, o que melhora a precisão da forma da lâmina em 50% em comparação com a fundição tradicional. Ao mesmo tempo, possui um sistema de controle de qualidade de som. Da aquisição de material à inspeção acabada do produto, cada link possui padrões rígidos. Por exemplo, a análise espectral é realizada em materiais de liga de cobre para garantir que a composição atenda aos padrões; Os testes de equilíbrio estáticos e dinâmicos são realizados na hélice acabada e o desequilíbrio é controlado em 5g · cm.

O serviço pós-venda também é um indicador importante para avaliação, incluindo orientação de instalação, comissionamento no local e reparo de falhas. Os fabricantes profissionais podem enviar técnicos para o local para orientar a instalação da hélice para garantir a precisão do alinhamento com o eixo da hélice (o escuridão radial não excede 0,05 mm/m); Durante o teste do mar do navio, ajuste os parâmetros da hélice de acordo com os dados reais de desempenho, como ajustar o impulso, moendo as bordas da lâmina; Durante o uso, forneça serviços de inspeção regular, verifique o desgaste e a corrosão da lâmina através de robôs subaquáticos e forneça planos de manutenção oportunos. Por exemplo, um fabricante fornece serviços de manutenção vitalícia para uma frota, realiza inspeções subaquáticas a cada seis meses, detecta problemas de corrosão da lâmina e os repara, prolongando a vida útil da hélice.

V. Precauções para usar o FPP

(I) Notas de operação

Durante a inicialização e a navegação do navio, os operadores devem controlar a velocidade principal do motor em estrita conformidade com os procedimentos operacionais, que é a chave para garantir a operação segura e estável do FPP. Como o passo do FPP é fixo, o impulso que gera é proporcional ao quadrado da velocidade principal do motor. Uma grande mudança repentina na velocidade causará uma mudança acentuada no impulso, tornando a hélice sujeita a torque excessivo e força de impacto, o que pode levar a danos à lâmina, deformação do eixo da hélice ou outras falhas mecânicas. Por exemplo, quando o navio acelera ao sair da porta, a velocidade deve ser aumentada constantemente. Geralmente, é necessária a taxa de mudança da velocidade para não exceder 50 revoluções por minuto para evitar aumentar a velocidade muito alta. Se a velocidade for subitamente aumentada da velocidade inativa (cerca de 300 rpm) para a velocidade nominal (cerca de 1000 rpm), o torque carregado pelas lâminas das hélices aumentará várias vezes em um instante, o que é muito provável que cause rachaduras ou até fraturas na raiz das lâminas. Ao desacelerar quando está de fato, também é necessário reduzir a velocidade gradualmente para dar à hélice e ao sistema de energia um processo de buffer e adaptação e, ao mesmo tempo, cooperam com a operação de engrenagem de direção para garantir que os berços do navio.

Ao mesmo tempo, os operadores devem prestar muita atenção ao status de navegação do navio e julgar se o FPP está funcionando normalmente através de informações como a vibração do navio, o som de corrida do mecanismo principal e o feedback de impulso. Se o navio tiver vibração anormal (especialmente vibração de baixa frequência), redução significativa no impulso, flutuação anormal da velocidade principal do motor, etc., a velocidade principal do motor deve ser reduzida imediatamente para inspeção. Não continue navegando à força para evitar danos mais graves. A vibração anormal pode ser causada por danos às pás da hélice, desequilíbrio ou interferência em outros componentes; A redução no impulso pode ser causada por uma grande quantidade de detritos presos à superfície da lâmina, deformação da lâmina ou potência de saída insuficiente do motor principal. Durante a inspeção, se o navio houver no porto, os mergulhadores podem ser organizados para inspecionar a aparência da hélice debaixo d'água; Se estiver a caminho, um julgamento preliminar pode ser feito com base nos dados de operação e parâmetros do equipamento do navio e, se necessário, deve atracar na porta mais próxima para inspeção e manutenção detalhadas.

(Ii) consideração de fatores ambientais

O ambiente aquático onde os navios navegam é complexo e diversificado. Diferentes condições da água têm impactos diferentes no FPP, e os operadores e o pessoal de manutenção precisam tomar medidas correspondentes de acordo com o ambiente específico.

Ao navegar em áreas de águas rasas, deve -se prestar atenção especial à distância entre a hélice e o fundo da água para evitar a deformação e fratura da lâmina devido ao aterramento. O fundo das áreas de águas rasas é complexa e pode haver obstáculos como sedimentos, rochas e naufrágios de navios afundados. Quando os navios navegam nessas áreas, devido às águas rasas, a hélice enrola o sedimento no fundo ao girar, formando um "efeito cardume", aumentando a resistência do navio e também pode fazer com que a hélice colida com obstáculos no fundo. Por exemplo, em algumas vias navegáveis ​​interiores ou áreas de estuário, a profundidade da água pode estar apenas a poucos metros, enquanto o diâmetro da hélice de grandes navios pode atingir 3-5 metros. Nesse momento, a lacuna entre o rascunho do navio e a profundidade da água é pequena, e um acidente de aterramento pode ocorrer se você não tomar cuidado. Portanto, antes de entrar na área de águas rasas, o navio deve verificar o gráfico náutico ou os dados da hidrovia com antecedência para entender a profundidade da água e a distribuição dos obstáculos subaquáticos, dirigir com cuidado, reduzir a velocidade, se necessário, e manter uma profundidade de água segura. Se o ruído anormal da hélice ou vibração anormal do navio for encontrada ao navegar em águas rasas, pare imediatamente para inspeção para confirmar se a hélice está danificada.

Nas áreas do mar de alta salinidade, como o Mar Vermelho e o Mar Mediterrâneo, a alta salinidade da água do mar acelerará a corrosão do FPP. Além de escolher materiais com forte resistência à corrosão, também é necessária a manutenção regular da anticorrosão da hélice. Por exemplo, inspecione o revestimento anticorrosão na superfície da hélice a cada 3-6 meses e repare-o a tempo se for encontrado danos; Ao mesmo tempo, use regularmente os métodos de proteção catódica para aplicar uma certa corrente à hélice para tornar a hélice um cátodo, diminuindo assim a taxa de corrosão. Além disso, durante o apoio do navio no porto, a hélice pode ser limpa e derramada para remover os produtos de corrosão da superfície para garantir que seu desempenho não seja afetado.

Para áreas geladas do mar, como a rota do Ártico, além de equipar o FPP resistente ao impacto, um plano completo de navegação na área de gelo deve ser formulado. Antes de navegar, uma inspeção abrangente do FPP deve ser realizada para garantir que as lâminas não tenham rachaduras, deformação e outros defeitos, e as peças de conexão são firmes e confiáveis. Durante a navegação, tente evitar áreas densas de floe de gelo. Ao encontrar blocos de gelo, a velocidade pode ser aumentada adequadamente para usar a inércia do navio para atravessar a área de gelo, reduzindo o impacto dos blocos de gelo na hélice. Se a hélice estiver presa por pisos de gelo, pare imediatamente para evitar forçar o início a causar danos à hélice. Você pode tentar ajustar o percurso do navio e usar o fluxo de água ou o agitação do casco para fazer a hélice se afastar dos blocos de gelo.

Nas áreas do mar tropical, além de limpar regularmente os organismos marinhos ligados à superfície da hélice, algumas medidas preventivas também podem ser tomadas. Por exemplo, instale eletrodos anti-biofolantes na superfície da hélice para inibir a ligação de organismos marinhos, liberando correntes fracas; ou durante o projeto do navio, configure dispositivos de pistola de água de alta pressão perto da hélice para lavar regularmente as lâminas para impedir que um grande número de organismos marinhos se anexem. Ao mesmo tempo, ao escolher revestimentos com funções anti-biofolador, garanta sua proteção ambiental e não poluem o ambiente marinho.

Vi. Comparação de FPP com outros produtos similares

(I) Comparação com hélices de pitch variável (VPP)

A maior vantagem do VPP é que seu tom pode ser ajustado com flexibilidade de acordo com as condições reais de trabalho durante a operação do navio. Isso permite que o navio mantenha um bom desempenho de propulsão e manobrabilidade sob diferentes condições de navegação, como aceleração, desaceleração, giro, carga pesada ou carga leve. Por exemplo, em águas estreitas de portas, ajustando o passo, o VPP permite que o navio realize rapidamente a mudança de direção e velocidade, tornando a operação mais conveniente. No entanto, o VPP possui uma estrutura complexa, contendo muitas partes móveis e sistemas de controle hidráulico, o que não apenas aumenta o custo de fabricação (geralmente 40% -60% maior que o FPP da mesma especificação), mas também aumenta bastante a dificuldade e o custo da manutenção posterior. O sistema hidráulico é propenso a vazamentos de petróleo, interferência e outras falhas, exigindo inspeção e manutenção regulares, o que aumenta o custo operacional do navio. Por outro lado, o FPP possui uma estrutura simples, baixo custo de fabricação e alta confiabilidade devido à ausência de mecanismos complexos de afinação variável. Sob condições específicas de trabalho estável, o FPP também pode atingir um alto nível de eficiência de propulsão (geralmente 5% -8% maior que o VPP). No entanto, no caso de condições de trabalho variáveis, o FPP não pode ajustar o desempenho da propulsão com tanta flexibilidade quanto o VPP.

(Ii) Comparação com hélices de POD

A hélice da POD é um tipo relativamente novo de dispositivo de propulsão, que integra o motor e a hélice a uma vagem rotativa de 360 ​​° instalada sob a parte inferior do navio. Esse tipo de hélice possui manobrabilidade extremamente alta, permitindo que o navio obtenha operações especiais, como direção no local e movimento lateral, o que é muito adequado para navios que precisam de start-stop e direção frequentes, como balsas e iates. Além disso, como o motor está localizado na vagem subaquática, reduz as fontes de ruído e vibração no navio, melhorando o conforto da tripulação e dos passageiros. No entanto, a eficiência de propulsão da hélice da POD é relativamente baixa, especialmente quando navega em alta velocidade, com grande perda de energia, e sua eficiência de propulsão é 10% a 15% menor que a do FPP. Ao mesmo tempo, possui alto conteúdo técnico e seus custos de fabricação e manutenção estão em alto nível (cerca de 2-3 vezes o do FPP com a mesma potência). Em termos de eficiência de propulsão, o FPP não é inferior às hélices de POD para navios com condições de design bem compatíveis e possui vantagens óbvias de custo. No entanto, em termos de manobrabilidade e redução de ruído, o FPP é muito inferior às hélices de pod.