Análisis integral de hélices de tono fijo (FPP)

En el vasto campo de la tecnología de propulsión marina, el Hélice de tono fijo FPP Durante mucho tiempo ha mantenido una posición fundamental como una estrella brillante. Como un componente clave del sistema de propulsión del barco, FPP continúa impulsando el desarrollo vigoroso de la industria del transporte marítimo global y varias operaciones de buques con su diseño único y su excelente rendimiento. Desde la navegación estable de los petroleros gigantes en los océanos hasta las operaciones flexibles de pequeños barcos de pesca en aguas costeras, FPP desempeña un papel indispensable, y su madurez técnica y su amplia aplicación lo convierten en un clásico en el campo de la ingeniería marina.

I. Principio de trabajo y diseño estructural de FPP

El tono de un FPP se determina durante la etapa de fabricación y no se puede ajustar durante la operación del barco. Esta característica significa que debe coincidir con precisión con los requisitos de navegación específicos del barco en la etapa de diseño inicial. Su principio de trabajo se basa en la teoría espiral de Arquímedes. Cuando la hélice gira, las cuchillas, como un plano inclinado giratorio, cortan continuamente el agua y empujan el flujo de agua hacia atrás. Específicamente, cada cuchilla de la hélice presenta una forma curva específica. Durante la rotación, la cuchilla ejerce un componente de empuje axial y un componente de fuerza circunferencial en el agua. El componente de empuje axial empuja el agua hacia atrás, y de acuerdo con la tercera ley de Newton, el agua le da a la hélice una fuerza de reacción igual y opuesta, que es la potencia central para impulsar el barco hacia adelante o hacia atrás. El componente de fuerza circunferencial hace que el flujo de agua gire, y esta parte de energía generalmente se desperdicia. Por lo tanto, durante el diseño, la forma de la cuchilla se optimizará para minimizar esta pérdida de energía y mejorar la eficiencia de la propulsión.

Estructuralmente, un FPP consiste principalmente en un centro y cuchillas. El cubo es un componente clave que conecta la hélice al eje de la hélice del barco. Su forma suele ser cilíndrica o cónica, con llaves o bridas en el interior, que están bien conectadas al eje de la hélice para garantizar la transmisión eficiente del par del motor a las cuchillas. El material del centro debe tener alta resistencia y buena resistencia para resistir un gran torque y la fuerza de impacto del agua. Los materiales comunes incluyen acero forjado y acero fundido. Las cuchillas son la parte central que genera empuje, y su número suele ser de 3 a 7. Diferentes números de cuchillas y diseños de forma tienen un impacto significativo en el rendimiento de la hélice. Por ejemplo, una hélice de 3 cuchillas tiene una estructura relativamente simple, peso ligero y alta eficiencia a altas velocidades, lo que la hace adecuada para algunos pequeños lanchas rápidas o barcos de carga de alta velocidad; Las hélices de 4 palas y 5 palas funcionan mejor en términos de equilibrio y reducción de ruido y se usan ampliamente en grandes barcos mercantes y embarcaciones navales; Mientras que las hélices de 6 cuchillas y 7 cuchillas se usan más comúnmente en barcos especiales que requieren un alto empuje y necesitan suprimir la cavitación, como los rompehielos. La forma de sección transversal de la cuchilla suele ser un perfil de aerodinámetro, que puede generar elevación grande (es decir, empuje) mientras reduce la resistencia durante la rotación. La longitud, el ancho, el ángulo de giro y otros parámetros de la cuchilla están calculados y optimizados con precisión para garantizar un rendimiento de propulsión óptimo en condiciones de diseño. Además, hay varias formas de conectar las cuchillas al centro, como la fundición integral y la soldadura. Las hélices fundidas integralmente tienen mayor resistencia y son adecuadas para barcos grandes, mientras que las estructuras soldadas se usan más en hélices pequeñas y medianas, lo que facilita la fabricación y el mantenimiento.

II. Amplia gama de aplicaciones

FPP tiene una gama extremadamente amplia de aplicaciones, que cubre muchos tipos diferentes de barcos, y su aplicación en varios campos se basa en sus ventajas únicas de rendimiento.

En el campo de los barcos comerciales, grandes barcos de carga, petroleros, buques de contenedores, etc., a menudo usan FPP como dispositivo de propulsión. Estos barcos generalmente realizan transporte a larga distancia a velocidades relativamente estables, y sus condiciones de navegación son relativamente fijas. Tomando un petrolero gigante con una capacidad de carga de cientos de miles de toneladas como ejemplo, se navega principalmente en las principales rutas de transporte de petróleo crudo en todo el mundo, con una velocidad generalmente mantenida a unos 15-18 nudos. FPP tiene una alta eficiencia en una velocidad de rotación y condiciones de carga específicas, lo que permite que la nave navegue de manera estable con un bajo consumo de combustible. Las estadísticas muestran que los petroleros equipados con FPP diseñado de manera óptima tienen un consumo de combustible 5% -10% más bajo que los barcos similares que usan otros dispositivos de propulsión. Para los petroleros que navegan por decenas de miles de millas náuticas cada año, esto puede reducir efectivamente los costos operativos, y los beneficios económicos acumulados son considerables. Los barcos de contenedores también son objetivos de aplicación importantes de FPP, especialmente los revestimientos que viajan en rutas fijas. Su tiempo de navegación y velocidad están estrictamente planificados, y la estabilidad y la eficiencia de FPP pueden garantizar que lleguen a los puertos a tiempo, asegurando el funcionamiento suave de la cadena de suministro global.

En términos de embarcaciones navales, FPP también juega un papel importante. Los barcos de patrulla deben realizar tareas de patrulla frecuentes en áreas costeras y tienen altos requisitos de velocidad y confiabilidad. FPP puede proporcionar un empuje estable cuando viaja a altas velocidades, y su estructura simple es conveniente para el mantenimiento en el recipiente, reduciendo la probabilidad de fallas. Como uno de los principales buques navales, las fragatas deben realizar varias tareas, como anti-submarinas, antibasario y escolta. En las operaciones antisubmarinas, las ventajas de FPP son particularmente obvias. Al optimizar la forma de la cuchilla y el diseño de tono, la aparición de cavitación puede suprimirse de manera efectiva. La cavitación se refiere al fenómeno donde el agua se vaporiza para formar burbujas cuando la presión en la superficie de la cuchilla cae a un cierto nivel a medida que la hélice gira, y las burbujas producen una gran fuerza de impacto y ruido cuando colapsan. El diseño optimizado de FPP puede reducir la generación y el colapso de la cavitación, reduciendo así el ruido generado por la hélice, mejorando la ocultación de la embarcación, lo que permite que la fragata detecte y ataque submarinos enemigos de manera más efectiva, y mejorando las capacidades de combate anti-submarinas.

Además, en el campo del desarrollo de recursos marinos, los barcos especiales, como los barcos de suministro en alta mar y los barcos de investigación científica, también utilizan ampliamente FPP. Los barcos de suministro en alta mar deben suministrar materiales a plataformas de petróleo en alta mar, buques de perforación, etc., y a menudo operar en áreas de mar poco profundas y condiciones complejas del mar. FPP se puede personalizar de acuerdo con sus características operativas para garantizar una buena maniobrabilidad y rendimiento de la propulsión durante la navegación a baja velocidad y el apuntalamiento de puntos fijos. Los barcos de investigación científica marina deben realizar investigaciones científicas a largo plazo en diferentes áreas de mar y pueden necesitar realizar observación de punto fijo, muestreo y otras operaciones en áreas de mar específicas. La estabilidad de FPP puede garantizar que el barco mantenga una posición relativamente fija en el viento y las ondas, proporcionando un ambiente de trabajo estable para los investigadores. Por ejemplo, algunos barcos de investigación científica utilizados para la exploración de aguas profundas están equipados con FPP que pueden controlar con precisión el movimiento del barco a bajas velocidades, cooperando con el equipo de detección a bordo para completar la recopilación de datos marinos de alta precisión. Sus cuchillas adoptan un diseño especial de acordes ancho, que puede formar un campo de flujo de agua más estable a bajas velocidades de rotación, asegurando que el rango de fluctuación de empuje de la nave se controle dentro del 2% en el rango de baja velocidad de 0.5-3 nudos. Para reducir la adhesión de los organismos marinos, la superficie de la cuchilla está recubierta con un recubrimiento antiinterreno no tóxico que contiene óxido cuproso. Este recubrimiento puede liberar lentamente los iones de cobre para inhibir la adhesión de los percebes, los mejillones y otros organismos, de modo que el área de bioincrustación de la superficie de la hélice no exceda el 5% durante 6 meses consecutivos de las operaciones en alta mar. Al mismo tiempo, los bordes de la cuchilla se redondean para reducir el ruido de perturbación del flujo de agua durante la rotación de baja velocidad, proporcionando un ambiente tranquilo para la observación de instrumentos acústicos de precisión a bordo.

Iii. Características centrales de los productos FPP

(I) Características de rendimiento

Propulsión eficiente : Bajo las condiciones de trabajo específicas diseñadas, FPP puede convertir la potencia del motor en propulsión del barco con alta eficiencia. Esto se beneficia de la optimización precisa de parámetros como la forma de la cuchilla y el tono, de modo que bajo la velocidad de diseño y las condiciones de carga, el flujo de agua puede fluir a través de las cuchillas de la manera más suave con una pérdida de energía mínima. Cuando el barco navega a la velocidad de diseño, su eficiencia de propulsión puede alcanzar el 60%-70%, y algunos FPP de óptimos diseñados pueden incluso alcanzar más del 75%. Este nivel de eficiencia es mucho más alto que el de algunos dispositivos de propulsión con un rendimiento equilibrado en diversas condiciones de trabajo, pero sin ventajas pendientes. Por ejemplo, en la navegación normal de grandes barcos de carga, FPP puede mantener de manera estable un estado de propulsión de alta eficiencia. Suponiendo que la potencia del motor de un barco de carga es de 50,000 caballos de fuerza, FPP puede convertir de 30,000-35,000 caballos de fuerza en propulsión efectiva a la velocidad de diseño, ahorrando muchos costos para el transporte de larga distancia. Además, esta alta eficiencia se puede mantener durante la etapa de navegación principal del barco y no disminuirá significativamente debido a cambios menores en las condiciones de trabajo.

Fuerte estabilidad : Debido al tono fijo, el rendimiento de propulsión del barco es relativamente estable durante la operación, y no habrá fluctuaciones de empuje debido a cambios en el tono. Esto se debe a que el ángulo de la cuchilla y el tono de FPP se fijan después de la fabricación. Mientras la velocidad del motor sea estable, el empuje generado permanecerá dentro de un rango relativamente estable. Esta estabilidad hace que el barco sea más estable durante la navegación, y los miembros de la tripulación pueden controlar el curso y acelerar con mayor precisión al maniobrar el barco. Especialmente en condiciones severas en el mar, como encontrar vientos y olas fuertes, el barco estará sujeto a una gran interferencia externa, y la salida de empuje estable de FPP puede ayudar al barco a resistir estas interferencias, reducir el batido y el golpe de la nave causado por un empuje inestable y reducir los riesgos de seguridad. Por ejemplo, durante la temporada de tifones, los barcos de carga equipados con FPP pueden mantener una actitud de navegación relativamente estable al pasar por áreas de viento y oleada, reduciendo el riesgo de desplazamiento de carga y daños en el barco.

Adaptabilidad a condiciones de trabajo específicas : Aunque el tono no se puede ajustar, el diseño estará completamente optimizado para el propósito específico y las condiciones de trabajo comunes del barco. Los diseñadores determinarán el número más adecuado de cuchillas, forma, tono y otros parámetros a través de una gran cantidad de cálculos y pruebas de simulación en función de factores como el tipo de barco, desplazamiento de carga completa, velocidad de diseño y condiciones hidrológicas de las rutas comunes. Para barcos con condiciones de navegación relativamente fijas, como barcos de carga de ida y vuelta regular y barcos de ingeniería que operan en áreas de mar fijas, FPP puede ejercer el mejor rendimiento. Tomando revestimientos de contenedores que viajan regularmente entre China y Europa como ejemplo, sus rutas de navegación son fijas, su velocidad se mantiene básicamente a 20-25 nudos y su carga también es relativamente estable (carga completa al partir, vacía o media carga al regresar). Los diseñadores optimizarán los parámetros de FPP para esta condición de trabajo específica para que tenga la mayor eficiencia de propulsión dentro de esta velocidad y rango de carga. Para los remolcadores que ayudan a la carga de carga y la descarga de puertos cerca de los puertos, aunque su velocidad de navegación no es alta, deben comenzar, detener y cambiar de dirección con frecuencia. Los diseñadores se centrarán en optimizar el rendimiento de empuje y la maniobrabilidad de FPP en condiciones de trabajo de baja velocidad y variables para adaptarse a sus características operativas.

(Ii) Proceso de fabricación

La fabricación de FPP es un proceso complejo y preciso que implica un control estricto de múltiples enlaces, cada uno de los cuales tiene un impacto importante en el rendimiento y la calidad del producto final.

En primer lugar, la selección de materiales debe determinarse de acuerdo con el entorno operativo y los requisitos de rendimiento del barco. Para FPP que trabaja en entornos corrosivos como el agua de mar, generalmente se seleccionan materiales con resistencia a la corrosión fuerte. Entre los materiales metálicos tradicionales, las aleaciones de cobre (como el bronce de níquel-aluminio) se usan comúnmente. Tienen una buena resistencia a la corrosión del agua de mar, alta resistencia y dureza, y pueden resistir el impacto y la fricción del agua de mar. El acero inoxidable se usa en algunas ocasiones con mayores requisitos de resistencia a la corrosión, pero su costo es relativamente alto. En los últimos años, los materiales compuestos como el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) han surgido gradualmente. Los materiales compuestos tienen las ventajas de peso ligero, alta resistencia y fuerte resistencia a la corrosión. FPP hecho de materiales compuestos puede reducir efectivamente el peso de la nave, reduciendo así el consumo de energía y mejorando la economía de combustible. Por ejemplo, FPP hecho de CFRP es 30% -50% más ligero que las hélices de aleación de cobre del mismo tamaño, lo que tiene un efecto significativo en mejorar el rendimiento de navegación del barco y reducir el consumo de energía.

Para los materiales metálicos, se requieren procesos como fundición y fundición. Durante el proceso de fundición, la proporción de componentes de aleación debe controlarse estrictamente para garantizar la pureza y las propiedades mecánicas del material. Por ejemplo, al fundir bronce de aluminio de níquel, el contenido de níquel, aluminio, cobre y otros elementos debe controlarse con precisión para garantizar que la resistencia, la tenacidad y la resistencia a la corrosión del material cumplan con los requisitos de diseño. El proceso de fundición es verter el metal fundido en un molde para formar. Durante este proceso, los parámetros como la temperatura y la velocidad de vertido deben controlarse estrictamente para evitar defectos como poros, grietas y cavidades de contracción. Para la fundición de FPP grande, la fundición de arena o el molde de metal se usan generalmente. La fundición de arena es adecuada para grandes hélices con formas complejas, pero la calidad de la superficie y la precisión dimensional son relativamente bajas; La fundición de moho de metal puede obtener una mayor precisión dimensional y calidad de la superficie, pero el costo del moho es alto, lo cual es adecuado para la producción en masa.

El procesamiento de la cuchilla es un enlace clave en el proceso de fabricación. Los espacios en blanco de la cuchilla después de la fundición deben ser mecanizados con precisión para cumplir con los requisitos de diseño de forma y precisión dimensional. Utilizando equipos de mecanizado de precisión, como las máquinas de máquinas CNC de enlace de cinco ejes, las cuchillas se cortan, tierra y otros procesados ​​de acuerdo con los dibujos de diseño. Las máquinas herramientas CNC de enlace de cinco ejes pueden realizar movimientos complejos en múltiples direcciones, mecanizando con precisión las complejas formas curvas de las cuchillas, asegurando que el rendimiento aerodinámico de las cuchillas cumpla con los estándares de diseño. Durante el procesamiento, los instrumentos de medición de alta precisión (como las máquinas de medición de coordenadas) deben usarse para detectar el tamaño y la forma de las cuchillas para garantizar que el error esté dentro del rango permitido. La calidad de la superficie de las cuchillas también es crucial. Una superficie lisa puede reducir la resistencia al flujo de agua y mejorar la eficiencia de la propulsión. Por lo tanto, después del procesamiento, se requiere tratamiento de superficie como pulido y enchapado. El pulido puede eliminar las marcas de procesamiento en la superficie de la cuchilla, reduciendo su rugosidad de la superficie a debajo de RA0.8 μm; El enchapado puede mejorar aún más la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión de la cuchilla. Los platos comunes incluyen chapado en cromo y níquel, que puede formar una película protectora dura en la superficie de la cuchilla, extendiendo la vida útil de la hélice.

Finalmente, el FPP fabricado está sujeto a una estricta inspección de calidad. La inspección de precisión dimensional asegura que el tamaño de cada parte de la hélice cumpla con los requisitos de dibujo del diseño, evitando el impacto en la cooperación con el eje de la hélice y el rendimiento de la propulsión debido a las desviaciones dimensionales. La prueba de equilibrio es eliminar el desequilibrio de la hélice. Una hélice desequilibrada generará una gran fuerza centrífuga al girar, lo que hace que la nave vibre, afectando la comodidad de la navegación y la vida útil del equipo. La prueba de equilibrio generalmente se lleva a cabo en una máquina de equilibrio especial. Al medir la vibración de la hélice durante la rotación, se determinan la posición y el tamaño del desequilibrio, y luego el equilibrio se corrige eliminando o agregando pesos. La prueba de resistencia es inspeccionar las propiedades mecánicas de la hélice cuando se somete a la máxima par de diseño y empuje para garantizar que no se rompa ni se deforme. Los métodos de prueba de resistencia común incluyen prueba de carga estática y prueba de fatiga dinámica. La prueba de carga estática aplica una cierta carga a la hélice para medir su distribución de deformación y estrés; La prueba de fatiga dinámica simula la situación de fuerza de la hélice durante la operación a largo plazo, e inspecciona su vida útil de fatiga a través de la carga cíclica múltiple. Solo se puede garantizar FPP que pasa todas estas inspecciones de calidad para cumplir con los estándares y requisitos relevantes y poner en uso práctico.

(Iii) diferencias de otros propulsores

FPP difiere significativamente de otros tipos de propulsores en términos de estructura, rendimiento y escenarios aplicables. Comprender estas diferencias ayuda a tomar decisiones apropiadas en el diseño y la selección del barco.

En comparación con la hélice de tono controlable (CPP), la mayor diferencia de FPP es si el tono se puede ajustar. CPP puede cambiar el tono de las cuchillas en cualquier momento durante la operación del barco a través de un complejo sistema de control hidráulico para adaptarse a diferentes requisitos de velocidad y carga. Por ejemplo, cuando el barco necesita acelerar, CPP puede aumentar el tono para aumentar el empuje; Cuando el barco necesita desacelerar o revertir, puede reducir el tono o incluso cambiar la dirección del tono, lo cual es flexible y conveniente de operar, con una mejor maniobrabilidad y adaptabilidad. Esta característica hace que CPP sea adecuado para barcos con condiciones de navegación variables, como remolcadores y barcos de pesca. Los remolcadores necesitan cambiar con frecuencia el tamaño y la dirección de empuje para ayudar a los barcos grandes en atraque y desbloquear, y los botes de pesca deben ajustar la velocidad y la fuerza de propulsión en cualquier momento de acuerdo con las necesidades de las operaciones de pesca. Sin embargo, CPP tiene una estructura compleja, que contiene muchas piezas móviles (como pistones, bielas, servo mecanismos, etc.) y sistemas de control hidráulico, que no solo aumentan el costo de fabricación (generalmente 30% -50% más alto que FPP de la misma especificación), sino que también aumenta en gran medida la dificultad y el costo del mantenimiento posterior. El sistema hidráulico es propenso a la fuga de petróleo, la interferencia y otras fallas, lo que requiere una inspección y mantenimiento regulares, aumentando los costos operativos del barco. Por el contrario, FPP tiene una estructura simple, sin mecanismo de tono variable complejo, bajo costo de fabricación y, debido al pequeño número de componentes, la tasa de falla es baja y la confiabilidad es alta. En condiciones de trabajo estables específicas, FPP también puede lograr un alto nivel de eficiencia de propulsión, adecuada para barcos con condiciones de navegación relativamente fijas, como grandes barcos de carga y petroleros.

En comparación con los propulsores de chorro de agua, FPP genera empuje al ejercer directamente la fuerza sobre el agua a través de la rotación de la cuchilla, mientras que los propulsores de chorro de agua generan empuje al chupar agua a través de una bomba de agua y luego expulsarla a alta velocidad a través de una boquilla. La boquilla del propulsor de chorro de agua se puede dirigir de manera flexible para realizar la dirección y la inversión del barco, con buena maniobrabilidad. El barco tiene un pequeño radio de giro e incluso puede lograr el giro en el lugar, lo cual es muy adecuado para barcos con requisitos de alta maniobrabilidad, como lanchas rápidas y embarcaciones militares. Al mismo tiempo, los componentes de propulsión del propulsor del chorro de agua se encuentran dentro del casco, reduciendo las protuberancias submarinas, reduciendo el riesgo de daños por la conexión a tierra, y su ruido de operación es relativamente bajo, lo que propicia a mejorar la ocultación de la nave. Sin embargo, la eficiencia de propulsión del propulsor de chorro de agua es relativamente baja, especialmente cuando navegan a altas velocidades, debido a la gran pérdida de energía durante la succión y la expulsión del agua, su eficiencia de propulsión suele ser 10% -20% más baja que la de FPP. Además, el propulsor de chorro de agua tiene una estructura compleja, que incluye múltiples componentes, como bombas de agua, boquillas y sistemas de transmisión, con altos costos de fabricación y mantenimiento, y es fácilmente bloqueado por escombros en el agua (como plantas acuáticas, piedras, etc.), que afectan el funcionamiento normal. FPP tiene ventajas en términos de eficiencia de propulsión y costo, con una estructura simple, no fácil de bloquear y un mantenimiento conveniente, y se usa ampliamente en varios barcos mercantes y la mayoría de los buques militares.

(Iv) Diferencias de rendimiento y escenarios aplicables de FPP con diferentes materiales

Además de los parámetros de diseño antes mencionados, la selección de material de FPP también tiene un impacto significativo en su rendimiento. Diferentes materiales tienen sus propias ventajas y desventajas en términos de resistencia, resistencia a la corrosión, peso, etc., y son adecuados para diferentes barcos y entornos de navegación.

IV. Cómo elegir FPP adecuado para barcos específicos

Elegir una hélice de tono fija (FPP) adecuada para un barco específico requiere considerar múltiples factores como el tipo de barco, el sistema de energía y el entorno de navegación, y lograr una propulsión eficiente a través de una coincidencia precisa. Los siguientes son métodos de selección específicos:

(I) Requisitos básicos de posición basados ​​en el tipo de barco y el propósito

Las características operativas de diferentes barcos determinan la dirección de diseño de FPP:

Buques mercantes (como barcos de carga, petroleros, etc.): principalmente participando en navegación estable a larga distancia, con prioridad dada a la eficiencia de propulsión y la economía de combustible. Es necesario combinar el FPP de diámetro de gran diámetro de 4-5 cuchillas (por ejemplo, un portador de 180,000 toneladas está equipado con una hélice de bronce de aluminio de níquel de 5-6 metros de diámetro) para garantizar que la eficiencia alcance más del 65% a la velocidad de diseño, reduciendo el consumo de combustible, que representa el 30% -50% del costo operativo.
Buques militares: los barcos antisubmarinos necesitan suprimir el ruido de cavitación a través del diseño de la superficie aerodinámica supercavitante 5-7; Los barcos de patrulla de alta velocidad usan 3-4 Blade Thin Airfoil Pro

Pellers (como un bote de 40 nudos equipado con un FPP de 1,8 metros de diámetro) para equilibrar la respuesta y la maniobrabilidad de alta velocidad.

Viajes especiales: los barcos de suministro en alta mar necesitan un diseño de hoja ancha para mejorar el coeficiente de empuje de baja velocidad y garantizar un posicionamiento preciso; La investigación científica Las cuchillas de los buques necesitan un recubrimiento nano-cerámico para evitar la bioincrustación (área de ensuciamiento de 6 meses <5%), y la fluctuación de empuje es ≤2% a bajas velocidades (50-150 rpm).

(Ii) Strictly coincidir los parámetros del sistema de alimentación

Matriota de potencia: la potencia absorbida por la hélice debe coincidir con la potencia nominal del motor con un error controlado dentro de ± 5%. Por ejemplo, un motor diesel de 10,000kW coincide con un FPP que absorbe 9,500-9,800kW de potencia para evitar el "excedente de potencia" o la sobrecarga del motor.
Matriota de velocidad: la velocidad nominal del motor determina la velocidad de diseño de la hélice. La velocidad de la hélice debe coincidir con la velocidad del motor a través de la relación de transmisión del eje de la hélice para garantizar que la hélice pueda generar el empuje de diseño a la velocidad nominal. Los diferentes tipos de motores tienen diferentes rangos de velocidad de hélice aplicables: los motores diesel de alta velocidad (1500-2000R/min) son adecuados para hélices pequeñas y de alta velocidad. Por ejemplo, un motor con una velocidad de 1800R/min conduce un FPP de 900R/min a través de una relación de transmisión 2: 1, que coincide con un FPP de 4 cuchillas con un diámetro de 2.5 metros, lo que puede lograr una eficiencia de propulsión del 68% a la velocidad nominal; Los motores diesel de velocidad media (750-1500R/min) y los motores diesel de baja velocidad (velocidad por debajo de 750R/min) se utilizan principalmente en barcos grandes. Los motores de baja velocidad y de alta velocidad deben coincidir con FPP de gran diámetro de baja velocidad. Por ejemplo, un petrolero de 300,000 toneladas con una velocidad de motor diesel de baja velocidad de 120R/min conduce directamente un FPP de 5 palas con un diámetro de 9 metros sin dispositivos de transmisión adicionales, reduciendo la pérdida de potencia y la eficiencia de propulsión puede alcanzar el 72%.

(Iii) optimizar las dimensiones clave y los parámetros estructurales

Diámetro y tono :

Los barcos grandes con borrador pueden elegir hélices de gran diámetro para aumentar el área de empuje y mejorar la eficiencia de la propulsión. En general, por cada aumento del 10%de diámetro, la eficiencia de propulsión se puede aumentar en un 3%-5%, pero debe adaptarse al espacio de instalación del barco. Los barcos con borrador poco profundo deben limitar el diámetro (barcos del río interior ≤3 metros).

El tono necesita coincidir con la velocidad de diseño. Por ejemplo, un barco de contenedores de 20 nudos requiere un tono de 3.5 metros, y un remolcador de 12 nudos se adapta a un tono de 2.5 metros, considerando la influencia de la relación de deslizamiento (0.1-0.2).

Diseño de la cuchilla :

3 cuchillas son adecuadas para carga de alta velocidad y luz; 4-5 cuchillas Eficiencia y estabilidad del equilibrio (un barco de carga de 100,000 toneladas que usa 5 cuchillas puede reducir la vibración en un 15%); 6-7 Las cuchillas se centran en la reducción de ruido y la supresión de la cavitación. En términos de perfil aerodinámico, los buques de alta velocidad utilizan series NACA 66 de bajo arrastre (longitud de acorde de espesor al 8%), y los barcos de alta distancia usan series NACA 44 de alto rendimiento (grosor 15% de longitud de acorde).

(Iv) adaptarse al entorno de navegación y las condiciones de trabajo

Optimización de la condición de trabajo: Los barcos con condiciones de trabajo fijas (como las naves de contenedores de ruta de China-Europe) optimizan los parámetros a través de CFD (puede reducir el consumo de combustible en un 6%); Los barcos con condiciones de trabajo variables (remolcadores de puerto) deben tener en cuenta el rendimiento en el rango completo de 0-12 nudos, con suficiente empuje de baja velocidad y eficiencia de alta velocidad ≥55%.

(Vi) Evaluar las capacidades técnicas del fabricante

Elegir un fabricante con rica experiencia y fuerte fuerza técnica puede proporcionar diseños personalizados de acuerdo con las necesidades específicas del barco, lo que afecta directamente la calidad y el rendimiento de FPP.

Los fabricantes de alta calidad tienen un software de diseño avanzado (como ANSYS, Star-CCM) y equipos de fabricación (como centros de mecanizado de cinco ejes, líneas de producción de precisión), que pueden lograr un mecanizado de alta precisión de superficies de cuchillas con errores controlados dentro de ± 0.1 mm. Por ejemplo, un conocido fabricante de hélice utiliza tecnología de impresión 3D para fabricar moldes de cuchillas, lo que mejora la precisión de la forma de la cuchilla en un 50% en comparación con la fundición tradicional. Al mismo tiempo, tiene un sistema de control de calidad de sonido. Desde la adquisición de materiales hasta la inspección de productos terminados, cada enlace tiene estándares estrictos. Por ejemplo, el análisis espectral se realiza en materiales de aleación de cobre para garantizar que la composición cumpla con los estándares; Las pruebas de balance estáticas y dinámicas se realizan en la hélice terminada, y el desequilibrio se controla dentro de 5g · cm.

El servicio postventa también es un indicador importante para la evaluación, incluida la guía de instalación, la puesta en servicio en el sitio y la reparación de fallas. Los fabricantes profesionales pueden enviar técnicos al sitio para guiar la instalación de la hélice para garantizar la precisión de alineación con el eje de la hélice (el agitación radial no excede 0.05 mm/m); Durante la prueba del mar del barco, ajuste los parámetros de la hélice de acuerdo con los datos de rendimiento reales, como ajustar el empuje moliendo los bordes de la cuchilla; Durante el uso, proporcione servicios de inspección regulares, verifique el desgaste de la cuchilla y la corrosión a través de robots submarinos y proporcione planes de mantenimiento oportunos. Por ejemplo, un fabricante brinda servicios de mantenimiento de por vida para una flota, realiza inspecciones submarinas cada seis meses, detecta los problemas de corrosión de la cuchilla por adelantado y los repara, extendiendo la vida útil de la hélice.

V. Precauciones para usar FPP

(I) Notas de operación

Durante el arranque y la navegación del barco, los operadores deben controlar la velocidad principal del motor en estricta conformidad con los procedimientos operativos, que es la clave para garantizar la operación segura y estable de FPP. Dado que el tono FPP es fijo, el empuje que genera es proporcional al cuadrado de la velocidad principal del motor. Un gran cambio repentino en la velocidad causará un cambio brusco en el empuje, lo que hace que la hélice sujeta a un torque excesivo y una fuerza de impacto, lo que puede provocar daños en la cuchilla, deformación del eje de la hélice u otras fallas mecánicas. Por ejemplo, cuando el barco se acelera cuando sale del puerto, la velocidad debe aumentarse constantemente. En general, se requiere que la tasa de cambio de la velocidad no exceda las 50 revoluciones por minuto para evitar que aumente repentinamente la velocidad demasiado alta. Si la velocidad se incrementa repentinamente desde la velocidad de inactividad (aproximadamente 300 rpm) a la velocidad nominal (aproximadamente 1000 rpm), el torque transmitido por las cuchillas de la hélice aumentará varias veces en un instante, lo que es muy probable que cause grietas o incluso fracturas en la raíz de las cuchillas. Cuando se desacelera cuando se apaga, también es necesario reducir la velocidad gradualmente para darle a la hélice y al sistema de energía un buffer y un proceso de adaptación, y al mismo tiempo cooperar con la operación del engranaje de dirección para garantizar que las literas del barco sin problemas.

Al mismo tiempo, los operadores deben prestar mucha atención al estado de navegación del barco y juzgar si el FPP está trabajando normalmente a través de información como la vibración del barco, el sonido de ejecución del motor principal y los comentarios de empuje. Si el barco tiene vibración anormal (especialmente vibración de baja frecuencia), una reducción significativa en el empuje, fluctuación anormal de la velocidad principal del motor, etc., la velocidad principal del motor debe reducirse inmediatamente para la inspección. No continúe navegando por la fuerza para evitar daños más graves. La vibración anormal puede ser causada por daños a las palas de la hélice, el desequilibrio o la interferencia con otros componentes; La reducción del empuje puede ser causada por una gran cantidad de escombros unidos a la superficie de la cuchilla, la deformación de la cuchilla o la potencia de salida insuficiente del motor principal. Durante la inspección, si el barco ha atracado en el puerto, se pueden organizar buzos para inspeccionar la apariencia de la hélice bajo el agua; Si está en camino, se puede hacer un juicio preliminar en base a los parámetros de datos y equipos de operación del barco, y si es necesario, debe atracar en el puerto más cercano para una inspección y mantenimiento detallados.

(Ii) Consideración de factores ambientales

El entorno del agua donde los barcos navegan es complejo y diverso. Las diferentes condiciones del agua tienen diferentes impactos en FPP, y los operadores y el personal de mantenimiento deben tomar las medidas correspondientes de acuerdo con el entorno específico.

Al navegar en áreas de aguas poco profundas, se debe prestar especial atención a la distancia entre la hélice y la parte inferior del agua para evitar la deformación y la fractura debido a la conexión a tierra. El fondo de las áreas de aguas poco profundas es compleja, y puede haber obstáculos como sedimentos, rocas y naufragios hundidos. Cuando los barcos navegan en estas áreas, debido a las aguas poco profundas, la hélice enrollará el sedimento en la parte inferior al girar, formando un "efecto de baja", aumentando la resistencia de la nave, y también puede hacer que la hélice colise con obstáculos en la parte inferior. Por ejemplo, en algunas vías navegables o áreas del estuario, la profundidad del agua solo puede ser de unos pocos metros, mientras que el diámetro de la hélice de los barcos grandes puede alcanzar 3-5 metros. En este momento, la brecha entre el borrador del barco y la profundidad del agua es pequeña, y puede ocurrir un accidente de conexión a tierra si no tiene cuidado. Por lo tanto, antes de ingresar al área de agua poco profunda, el barco debe verificar el gráfico náutico o los datos de la vía fluvial por adelantado para comprender la profundidad del agua y la distribución de obstáculos submarinos, conducir cuidadosamente, reducir la velocidad si es necesario y mantener una profundidad de agua segura. Si se encuentra el ruido anormal de la hélice o la vibración anormal de la nave al navegar en aguas poco profundas, deténgase inmediatamente para inspección para confirmar si la hélice está dañada.

En las áreas del mar de alta salinidad, como el Mar Rojo y el Mar Mediterráneo, la alta salinidad del agua de mar acelerará la corrosión de FPP. Además de elegir materiales con una fuerte resistencia a la corrosión, también se requiere un mantenimiento regular de la hélice de la hélice. Por ejemplo, inspeccione el recubrimiento anticorrosión en la superficie de la hélice cada 3-6 meses, y repare el tiempo si se encuentra daños; Al mismo tiempo, use regularmente métodos de protección catódica para aplicar una determinada corriente a la hélice para hacer de la hélice un cátodo, frenando así la tasa de corrosión. Además, durante el atraque el puerto del barco, la hélice se puede limpiar y derrotar para eliminar los productos de corrosión de la superficie para garantizar que su rendimiento no se vea afectado.

Para las áreas de mar heladas, como la ruta del Ártico, además de equipar el FPP resistente al impacto, se debe formular un plan de navegación completo del área de hielo. Antes de navegar, se debe realizar una inspección integral del FPP para garantizar que las cuchillas no tengan grietas, deformación y otros defectos, y las piezas de conexión son firmes y confiables. Durante la navegación, trate de evitar densas áreas de tilo de hielo. Cuando se encuentran con tumbos de hielo, la velocidad se puede aumentar apropiadamente para usar la inercia del barco para apresurarse a través del área de hielo, reduciendo el impacto de las tallas de hielo en la hélice. Si la hélice está atrapada por tortos de hielo, deténgase inmediatamente para evitar forzar el comienzo a causar daños a la hélice. Puede intentar ajustar el curso del barco y usar flujo de agua o temblar el casco para que la hélice se separe de los tallas de hielo.

En las áreas del mar tropical, además de limpiar regularmente los organismos marinos unidos a la superficie de la hélice, también se pueden tomar algunas medidas preventivas. Por ejemplo, instale electrodos anti-biofoulados en la superficie de la hélice para inhibir la unión de los organismos marinos liberando corrientes débiles; O durante el diseño del barco, establezca dispositivos de pistola de agua de alta presión cerca de la hélice para enjuagar regularmente las cuchillas para evitar que se adhieran una gran cantidad de organismos marinos. Al mismo tiempo, al elegir recubrimientos con funciones anti-biofouling, garantice su protección del medio ambiente y no contamine el entorno marino.

VI. Comparación de FPP con otros productos similares

(I) Comparación con hélices de tono variables (VPP)

La mayor ventaja de VPP es que su tono se puede ajustar de manera flexible de acuerdo con las condiciones de trabajo reales durante la operación del barco. Esto permite que la nave mantenga un buen rendimiento de propulsión y maniobrabilidad en diferentes condiciones de navegación, como aceleración, desaceleración, giro, carga pesada o carga ligera. Por ejemplo, en aguas de puerto estrecho, ajustando el tono, VPP permite que el barco realice rápidamente el cambio de dirección y velocidad, lo que hace que la operación sea más conveniente. Sin embargo, VPP tiene una estructura compleja, que contiene muchas piezas móviles y sistemas de control hidráulico, que no solo aumenta el costo de fabricación (generalmente 40% -60% más alto que FPP de la misma especificación), sino que también aumenta en gran medida la dificultad y el costo de mantenimiento posterior. El sistema hidráulico es propenso a la fuga de aceite, la interferencia y otras fallas, lo que requiere una inspección y mantenimiento regulares, lo que aumenta el costo operativo del barco. En contraste, FPP tiene una estructura simple, un bajo costo de fabricación y una alta confiabilidad debido a la ausencia de mecanismos de tono variables complejos. En condiciones de trabajo estables específicas, FPP también puede lograr un alto nivel de eficiencia de propulsión (generalmente 5% -8% más alto que VPP). Sin embargo, en el caso de las condiciones de trabajo variables, FPP no puede ajustar el rendimiento de la propulsión de manera tan flexible como el VPP.

(Ii) Comparación con las hélices POD

La hélice POD es un tipo de dispositivo de propulsión relativamente nuevo, que integra el motor y la hélice en una vaina giratoria de 360 ​​° instalada debajo de la parte inferior del barco. Este tipo de hélice tiene una maniobrabilidad extremadamente alta, lo que permite que el barco alcance operaciones especiales como dirección en el lugar y movimiento lateral, que es muy adecuado para barcos que necesitan inicio y dirección frecuentes, como transbordadores y yates. Además, debido a que el motor se encuentra en la cápsula submarina, reduce las fuentes de ruido y vibración en el barco, mejorando la comodidad de la tripulación y los pasajeros. Sin embargo, la eficiencia de propulsión de la hélice POD es relativamente baja, especialmente cuando se navega a alta velocidad, con una gran pérdida de energía, y su eficiencia de propulsión es 10% -15% menor que la de FPP. Al mismo tiempo, tiene un alto contenido técnico, y sus costos de fabricación y mantenimiento están en un nivel alto (aproximadamente 2-3 veces mayor que el de FPP con la misma potencia). En términos de eficiencia de propulsión, FPP no es inferior a las hélices POD para barcos con condiciones de diseño bien combinadas, y tiene ventajas de costos obvias. Sin embargo, en términos de maniobrabilidad y reducción de ruido, FPP es muy inferior a las hélices de Pod.