Formel for å regne ut propellens skyvekraft

[Allegro27]

Heisann!

Er det noen kloke hoder her som har en formel for hvordan man kan regne ut ca. hvor mye "skyv" en propell kan oppnå?

[Stradivarius]

Jeg kjenner bare de grunnleggende prinsippene i detalj her, men i utgangspunktet er skyvet fra propellen gitt som massestrøm multiplisert med strømningshastighet. Dvs. at hvis du f.eks. har en propell som skyver 10 kg vann per sekund med en hastighet på 10 meter per sekund, så får du en skyvkraft på 100 Newton når du står stille. Men når propellen begynner å bevege seg fremover, vil strømningshastigheten på propellstrålen bli tilsvarende mindre, slik at skyvkraften vil også avhenge av hastigheten på propellen/båten.

 

Du kan se på følgende parametere:

 

F - skyvkraft fra propellen

ρ - massetettheten til vann (ca. 1.025 kg/liter)

Q - volumstrøm

v₀ - strømningshastighet (bakover) relativt til propellen/båten

v - propellens/båtens hastighet forover

 

Da får du en skyvkraft gitt av følgende formel:

 

F = ρ * Q * (v₀ - v)

 

 

Men du er kanskje interessert i å vite hvor stor skyvkraft du får fra en propell med en bestemt diameter og en bestemt stigning ved et bestemt turtall eller noe i den retning? Eller kanskje skyvkraft for en gitt motoreffekt og en gitt hastighet? Eller er det rett og slett propellvirkningsgrad du er ute etter?

[Allegro27]

Hei, takk for raskt svar!

Det var et godt utgangspunkt du kom med der. Slik jeg leser det: jo mindre fart du får pga motvind/motsjø, jo mer skyvekraft får propellen?

Jeg er ute etter å finne ut av skyvekraften til en to-bladet foldepropell kontra en trebladet foldepropell. Dette fordi jeg i noen tilfeller har opplevd å ikke komme forover ved svært kraftig motvind/motsjø.

[Stradivarius]

Hei, takk for raskt svar!

Det var et godt utgangspunkt du kom med der. Slik jeg leser det: jo mindre fart du får pga motvind/motsjø, jo mer skyvekraft får propellen?

Jeg er ute etter å finne ut av skyvekraften til en to-bladet foldepropell kontra en trebladet foldepropell. Dette fordi jeg i noen tilfeller har opplevd å ikke komme forover ved svært kraftig motvind/motsjø.

 

Riktig: Jo mindre fart, desto større skyvekraft fra propellen, innen visse grenser selvfølgelig.

 

Jeg vil rent intuitivt tro at større propelldiameter og lavere pitch burde gi deg større kraft ved lave hastigheter, men også dette gjelder bare innenfor visse grenser. Hvis du sammenliger to propeller hvor den ene har større diameter enn den andre, men til gjengjeld akselererer vannet mindre enn den andre slik at de krever samme motoreffekt, vil du se at ved en gitt motoreffekt, kan den store propellen gi større skykraft enn den lille når båthastigheten er 0. Grunnen til dette er at mens skyvkraften er gitt som tidligere beskrevet: F = ρ * Q * v₀ (når v = 0), så er effekten gitt som: P = ρ * Q * v₀². Volumstrømmen Q kan uttrykkes som propellareal multiplisert med strømingshastighet: Q = A * v₀ hvor A er propellarealet. Dermed får du uttrykket for kraften: F = ρ * A * v₀² og for effekten: P = ρ * A * v₀³

 

For enkelhets skyld, la oss anta at du har to propeller hvor den ene har dobbelt så stor diameter som den andre. Da vil propellarealet, altså tverrsnittarealet på propellstrålen ut fra propellen være fire ganger så stort for den store propellen. La oss si at A er tverrsnittarealet for den lille propellen mens v₀ er strømningshastigheten for den lille propellen. Da er arealet for den store propellen 4 A, mens strømingshastigheten for en store propellen er lavere enn for den lille, altså k * v₀ for en k < 1. Siden effekten er den samme får vi da: P = ρ * A * v₀³ = ρ * 4*A * k³ v₀³

 

Dette betyr at k³ = 1/4, som betyr at k = 0.63. Skyvkraften blir da for den store propellen: ρ * 4*A * k² * v₀² = 1.59 * ρ * A * v₀²

Du får altså 59% høyere skyvkraft ved samme effektforbruk om du har dobbelt så stor propell og båten ligger stille. Effektforbruket går altså opp hvis du vil oppnå samme kraft med en liten propell. Dette kan forklares med at høyere hastighet på propellstrålen er det samme som mer tapt energi. Når du har en endelig mengde energi tilgjengelig ønsker du at så lite som mulig skal gå til å flytte vann slik at så mye som mulig kan gå til å flytte båt.

 

Dette må riktig nok sies å være ganske grove forenklinger, ettersom det er mange effekter som ikke er tatt hensyn til her, men som i praksis vil gjøre seg gjeldende og påvirke resultatet. Så tallet 59% må tas med en stor klype salt. Men det viser i hvert fall tydelig at man i utgangspunktet får større kraft ved å øke propelldiameteren så lenge hastigheten er forholdsvis lav. En ting som taler imot å øke propellstørrelsen er at man mister skyvkraften raskere når farten øker siden strømingshastigheten blir mindre. Så i sterk strøm kan du ende opp med mindre skyvkraft enn du hadde om du øker propellstørrelsen.

[ulyden]

Det er fullt mulig å ta ein enklare kalkulasjon enn over. Ein propell gjer ca 10kg skyvekraft pr hk. Effekt kurven til motoren gjer antall hester det er mulig å få ut på propellen. Ligg båten i ro er krafta størst om du har lav stigning slik at motoren oppnår full ytelse. Skyv krafta er ofte begrensa til 80 til 100 kn pr kvadrat meter areal.

 

om propellen har 2 eller 3 blader er ofte ein komfort ting og har lite å sei for skyvkrafta. Ønsker du meir skyvkraft må enten pich reduserast slik at du får fleire hk ut av motoren. Får du for høg skyv kraft kan propellen kavitera då må blad areal økast eller diameter og areal økast. Dette øker vanligvis friksjon og gjev dårlegare virkningsgrad.

 

Som du sikkert forstår er propeller berekning ein vitenskap der alle parameter må vurderast før optimal propell kan velgast. Ein fast propell vil altid være eit kompromiss mellom virkningsgrad ved marsfart, toppfart og krav til akselerasjon. Beste løysing er som regel å teste fleire eller få leverandør til å berekna ein som er optimal. Då er det viktig at leverandør får så nøyaktige opplysningar som mulig. Det kan væra vanskeleg å gi.

 

Husk også at skyv krafta båten treng er lik slepe effekt delt på hastighet. Propellere effekt er lik slepe effekt delt på propeller virkningsgrad. Motor effekt er propeller effekt delt på transmisjonens virkningsgrad. Om ein brukar kw m/s og kn er det enkelt å rekna ut. Veit du med sikkerhet båtens toppfart med ein gitt motorytelse kan du enkelt rekna den vegen. Typisk propeller virkningsgrad er 65 til 70prosent. Tap i transmisjon er 2 til 4 prosent.

[Allegro27]

Supert, takk for gode svar! Da blir nok nåværende propell værende på akslingen, og jeg satser på å heller seile om været skulle bli for hardt i mot...eller endre destinasjon og kurs..

[NilsPils]

Meget interessante innlegg fra Stradivarius og ulyden

 

Det er nok av samme grunner at taubåter har stor propell med liten stigning. Ellers vil det ikke hjelpe med stor motor.

[Propdesign]

Det fins mange tommelfingerregler, felles for alle er at de utgår fra en statisk situasjon, derfor er de som regel svært unøyaktige i forhold til en virkelig båt.

 

Feilen mange gjør er at man kun ser på propellen. Riktig utgangspunkt er å vurdere propell, motor og driftsituasjon sammen. Grunnen er at så fort én parameter forandrer seg så forandrer også en rekke andre parametre seg.

 

Det er riktig at en propell med fast pitch har størst skyv i "bollard pull" dvs ved farten null. Når farten øker minsker visstnok propellens thrust, men dette gjelder kun hvis propellturtallet er uforandret. I realiteten oppfatter motoren propellen som lettere, noe som igjen medfører at turtallet går opp, noe som i de aller fleste tilfeller leder til at motoren får høyere dreiemoment. Alt i alt kan "totalpakken" dermed få større skyv i fart istedet for lavere.

 

Som "ulyden" sier: propellberegning er en vitenskap....hvis du ønsker et mer detaljert svar må du fortelle mer om hele systemet (minimum propelldiameter, pitch, motoreffekt, propellturtall).

[Marwin]

For større båter kommer også utforming av akterskipet (under vann) med i betraktning. (Hvordan vannstrømmen "ledes inn" mot propellen.)

Med Maritek i Trondheim (NTNU) finnes en egen "kavitasjonstank" hvor underskipsmodell og propell står i et "rør" med regulerbar vannhastighet. Trykket på fremsiden av propellen kan bli så lavt at vannet "koker".... Propellen kaviterer.

Slikt kan skape svært mye støy (jeg har målt over 135 dBa i styremaskinrom på større skip!) og propellblar "spises opp", helst ved roten av bladet...

Men dette ble et sidestep...

Redigert 29.Juni.2014 av Marwin (see edit history)