Allmän Propeller information
naturlagarna och dess tillämpningar.
| innehåll: |
| Propellerns verkningssätt följer naturlagarna och dess
egenskaper är kända och väl dokumenterade. Propellern
förvandlar motoreffekten till tryckkraft, denna skall i sin tur övervinna båtens
motstånd. Båtens motstånd ökar med ökande fart. När tryckkraften och motståndet är
i balans med varandra har båten uppnått sin maximala hastighet. |
| Den optimala diametern på propellern bestäms av motor effekten och propellerns varvtal. Diametern kan minskas med några procent, och detta bör då kompenseras med ökad stigning. Denna anpassning skall göras med omsorg och kan endast göras inom ett begränsat område. Båtens fart har endast marginell betydelse för val av diametern. I nomogrammet nedan kan utläsas diametern på en 3-bladig propeller för en deplacementsbåt. |  |
| Stigningen
bestäms i grova drag av farten och varvtalet. Propellrar med flera blad har oftast
större stigning än de med få blad. En för stor stigning p.g.a. diameterkompensation
kan ge en katastrofalt hög tomgångsfart plus dålig verkningsgrad i toppfartsområdet.
Stigning beskrivs som den sträcka propellern skruvar sig fram på ett varv i en tänkt
fast massa. Antalet blad har liten betydelse för generering av tryckkraft. Däremot är den av större betydelse för ljudnivån. Många blad ger en tystare propeller. Höjden (amplituden) av tryckimpulsen mot båtbotten minskar eftersom den fördelas över flera blad och frekvensen ökar. |
| Bladarean bestäms av motoreffekten och båtens fart. I princip kan man säga att det går åt ett visst antal kvadratcentimeter bladarea för varje hk eller kW. Låg fart kräver mer bladarea än hög fart. För stor bladarea stjäl effekt från tryckkraften, men ger en tyst propeller. För liten bladarea gör att motoreffekten inte kan utnyttjas samt att propellern alstrar mycket ljud. Brist på bladarea kan ej kompenseras med högre stigning eller ökad diameter. Bladarean beskrivs i % av den omskrivna cirkeln, A/Ao. |  |
| Cupp är en ökning av stigningen på ett mycket begränsat område där vattnet lämnar bladet. Man använder kort och lång cupp. En kort cupp har en höjd från 1-3 mm med en radie av 5-10 mm. |  |
| Rake betyder att bladet är akteröverlutat från sidan sett, d.v.s. bladet står inte vinkelrätt mot axeln. Oftast ger man bladet en rake eller lutningsvinkel för att bladet skall gå fritt från akterstäven. |  |
| Bladformen är av relativt underordnad betydelse. Asymmetriska blad är oftast tystare än runda eller symmetriska blad. |
| Skewback betyder att bladet inte har symmetrisk form. När man betraktar bladet akterifrån är bladets spets förskjuten i förhållande till bladets rot, bladets spets "släpar efter". |  |
| Bladtjockleken skall
anpassas till motoreffekten. Med en bra utformad sugsida på propellerbladet kan man
tillåta en ganska kraftig bladtjocklek utan märkbar påverkan av verkningsgraden. Total symmetri mellan bladen är en viktig punkt. Det är praktiskt svårt att få samtliga blad exakt lika i stigning, radie och yta. På långsamt roterande propellrar kan man utan vidare tillämpa större tillverkningstoleranser än på högfartspropellrar. Toleranserna har stor inverkan på priset. |
| Anti-singing kant är en facett, slipad på akterkanten av bladet på sug- eller trycksida. |  |
| Materialet i de flesta
propellrar brukar vara en enklare bronslegering t.ex. manganbrons. Vid stora
motoreffekter, kombinerat med höga varvtal d.v.s. relativt små propellerdiametrar skall
starkare material väljas, t.ex. nickelaluminiumbrons. Båda materialen motstår oftast
havs- och sjövatten utan några problem, dock har nickelaluminiumbrons ett bättre
motstånd mot korrosion. Vid gjutning av stora propellrar i RF stål skall stor hänsyn
tagas till vilken materialkvalité av RF stål som användes. Detta med tanke på olika
kvalitéers egenskaper att motstå utmattningskorrosion. Stigningsändring kan i vissa fall vara nödvändig när det-visar sig att båten har andra motståndsvärden än de ursprungligen beräknade. Att minska stigningen skall undvikas speciellt på snabba båtar. Då bör det istället undersökas om en diameter- minskning kan göras. Däremot kan en mindre ökning av stigningen oftast ske med goda resultat. Reparation av deformerade blad kan ske i de flesta fall. Vissa propellrar, speciellt för snabba båtar, kan med svårighet repareras eftersom bladets trycksida är skålformad. Härvid bör man ha tillgång till ritningsunderlag, alternativt kan ett ej demolerat blad tjäna som underlag för justering av de övriga. I övrigt är det oftast lättare att reparera stora skador på propellrar i brons än i RF stål, där problem ofta uppkommer. |
| Axellutningen fordrar speciell uppmärksamhet vid propellerdimensionering. För brant axelvinkel i förhållande till båtbotten (ej vattenlinjen) kan ge upphov till kraftiga vibrationer speciellt med få propellerblad. Vinkel (a får vara max 13º, en mindre vinkel är mer gynnsam. I de flesta fall kan man få bort de största olägenheterna genom att välja en propeller med fler blad. |  |
| Dysor runt propellrar skall undvikas
på nästan samtliga båtar och fartyg. Endast om bogsering eller trålning förekommer i
låga farter, ger en speciellt utformad dysa en avsevärt högre verkningsgrad. Ett rakt
rör kring propellern ger ingen för-bättring av verkningsgraden. Ett bra roder som bör vara vingformat skall placeras relativt nära propellern. Detta höjer propellerns verkningsgrad med någon procent. Kavitation är ett samlingsbegrepp för flera fenomen som uppstår när fasta kroppar rör sig med hög hastighet genom vattnet. Kavitation kan uppstå när propellern är feldimensionerad t.ex. när bladarean är för liten i förhållande till motoreffekten. Detta kan jämföras med när man ror med åror som är för smala. åran är ej anpassad till armstyrkan. Samma fenomen får man när propellern suger luft. Störningar eller virvlar i vattenströmmen för-orsakade av kölens eller stödlagerbockens akterkant e.d. kan ge upphov till kavitation. Bladet som rör sig genom virveln sänker trycket i denna. En vakuumblåsa uppstår och när trycket återigen ökar smäller blåsan ihop varvid den kan skada propellerns yta. Breda akterstävar eller breda akterkanter på kölar är i många fall källan till irriterande vibrationer. Dessa kölar bör undvikas eller bearbetas till mera strömningsvänliga former. En fyrbladig propeller kan många gånger reducera vibrationerna avsevärt. Se "Vibrationer p.g.a. virvlar..." Medström är ett fenomen som förorsakas av fartygets rörelse genom vattnet. Dels på grund av formen och dels på grund av skrovligheten så följer vattnet med skrovet i mer eller mindre omfattning. Även fartygets längd och fyllighet har stor inverkan på bildandet av medström men. Det vatten som träffar propellern har således relativt propellern en lägre hastighet än vattnet som på längre avstånd strömmar förbi skrovet. På vissa ställen bakom skrovet t.ex. bakom en bred köl blir medströmmen mycket hög och strömningsriktningen kan t.o.m. vara negativ. Propellern arbetar med andra ord i en vattenhastighet som i genomsnitt är betydligt lägre än båtens hastighet. Vid propellerberäkning bör man ta hänsyn till detta. Fenomenet medström är olika för varje fartyg och skall bedömas vid varje enskilt fall varför tillgång till linjeritning är av största betydelse liksom meddelande till propellerkonstruktören om bottnens beskaffenhet. Felaktigt underlag kan ge en felaktig propeller. På t.ex. fiskefartyg som är fylliga, klinkbyggda, bottenbeväxta och har breda akter-stävar kan den genomsnittliga medströmmen vara ungefär 25%. Skulle en sådan fiskebåt göra 10 knop skall propellern beräknas för 7,5 knop! Vibrationer i framdrivningssystemet kan förorsakas av många olika faktorer. Nedan finns några anledningar sedda ur hydrodynamisk och mekanisk synpunkt. Har man vibrationer skall man först förvissa sig om att propellern inte rider på kilen (d.v.s. att kilen är för hög), att axeln är rak och att konan är centrisk. Vibrationer p.g.a. virviar i vattenflödet. Vattnet som strömmar till propellern skall helst vara jämnt och turbulensfritt för att ge ett minimum av vibrationer. Störningar i vattnet uppströms (för om) propellern i form av en stödlagerbock, köl eller dylikt åstadkommer virvlar. När ett propellerblad under ett varv passerar denna virvel kräver bladet mera effekt från motorn eftersom det under en mycket begränsad tid måste arbeta hårdare. Man får då en sättning och ojämn hastighetsdel i rotationen. Ombord uppfattas detta som en vibration. Denna typ av vibrationsproblem kan i regel lösas genom val av en propeller med fler och/eller bredare blad. Vibrationer p.g.a. dynamisk obalans. Även om en propeller är tillverkad med störst möjliga noggrannhet är alla blad aldrig exakt likadana. Kan man härleda vibrationerna till detta kan det vara befogat med att byta till en dyrare propeller med högre tillverkningsklass. Vibrationer p.g.a. för brant axellutning. Ett av de problem som är svårast att lösa är de fall där axeln har en stor vinkel i förhållande till båtbotten. I dessa fall rör sig centrumet av propellerns alstrade tryckkrafter växelvis i sidled. Anledningen till detta är att ett blad som är på väg upp arbetar "medströms" och åstadkommer mindre tryckkraft än bladet som är på väg ner, vilket arbetar "motströms". Således finns ingen balans mellan tryckkrafterna på ömse sidor av propelleraxeln. Skillnaden mellan krafterna varierar mycket varför de kan uppfattas som vibrationer. Detta fenomen har förorsakat utmattningssprickor i bordläggningen och brott på stödlagerbockar. I de flesta fall kan problemet lösas med att välja en propeller med fler blad. Vibrationer p.g.a. böjd axel. Skrovets rörelse i sjön kan föranleda att motorn och axeln inte förblir koncentriskt uppställda i förhållande till varandra. Genom den tryckkraft som propellern alstrar förstärks denna böj, som när centrifugalkraften tillträder blir ännu kraftigare. En tillräckligt mjuk koppling i kombination med nya motortassar kan rätta till situationen. Även när motorn är perfekt installerad och uppställd på gummitassar kan vibrationer uppstå, speciellt när tassarna är för mjuka. Den av propellern genererade tryckkraften överförs till backslagets trycklager. Detta tryck gör att motorn kommer att niga. Samtidigt försöker motorn att rotera motsatt propellerns rotation. Detta kraft- och rörelseschema gör att axeln blir snedbelastad och i kombination med ovan beskrivna förstärkning av axel böjen blir resultatet vibration. Åtgärder som kan lösa detta problem är t.ex. att avlasta tryckkraften på ett separat installerat trycklager tillsammans med en kardanaxel eller liknande. Förstärkning av vibrationer. Motorn roterar aldrig med jämn hastighet under ett varv. Sammanfaller motorns tändning i en cylinder med en vibration i axelsystemet kan vibrationen förstärkas ytterligare. Äldre båtmotorer var försedda med ordentliga svänghjul, dessa kunde lagra en del av motorns energi och därmed utjämna en del av denna ryckighet. En lång axel kan dämpa denna ryckighet då den fungerar som en torsionsfjäder. Ju kortare axel desto sämre är denna dämpande förmåga. Har dessutom vibrationerna samma svängningstal som axelsystemets kan det förorsaka utmattningsbrott eller lagerskador på delar i framdrivningssystemet. I vissa fall kan även ett axel system komma i självsvängning. Detta beror på en olycklig kombination baserad på antalet explosioner, antalet blad, propellerbelastning samt axelns längd liksom massan i axel och propellern. Fenomenet kallas torsionssvängningar. I båda fall gäller det att ändra det egna svängningstalet i axelsystemet vilket man enklast gör med hjälp av en flexibel eller högelastisk koppling. Andra åtgärder är en mindre propeller, en kraftigare axel eller att köra på ett annat varvtal. Högfrekventa vibrationer, sjungande propellrar. Varje metallföremål som kommer i svängning ger ljud ifrån sig, jämför med stämgaffeln. Vid vissa varvtal kan en propeller komma i självsvängning som sedan vid ett högre varvtal avtar el ler försvinner helt. Vid ett multipel av varvtalet återkommer det igen. Detta kallas sjungande propellrar. Tyvärr går det inte att förutsäga när en propeller börja sjunga. Man kan däremot peka på vissa omständigheter där sjungande propellrar uppträder oftare. Fenomenet kan uppstå när ett blad passerar ett område med turbulens i det anströmmande vattnet. Passerar ett propellerblad området med låg hastighet tvingas propellern arbeta hårdare. Den genererar där en högre tryckkraft och bladet belastas och böjs något under denna belastning. När propellern sedan träffar ostört vatten med högre hastighet blir den mindre belastad. Böjningen släpper något och bladet fjädrar tillbaka och kommer då i svängning. När denna svängning stämmer överens med det egna svängningstalet, som propellern har av naturen, har man erhållit en sjungande propeller. Skulle bladet under hela rotationen vara belastad får propellern aldrig chans att komma i självsvängning. Därför har propellrar dimensionerade med relativt liten stigning större risk att komma i självsvängning. Detta eftersom anfallsvinkeln mellan dem och det anströmmande vattnet är för liten. Det är speciellt akterkanten på bladet som kommer i självsvängning genom en växelvis skiftande virvel, delvis kommande från trycksidan delvis från sugsidan. Om dimen-sioneringen av stigningen är felaktig och stigningen är för liten kan felet inte avhjälpas. I annat fall kan man åtgärda detta genom att slipa en antisingingkant på den sidan där vattnet lämnar bladet. På så sätt kommer virveln hela tiden från samma sida och bladet kommer inte i självsvängning. Det har ingen betydelse om facetten slipas på sug eller trycksidan. Se "Anti-singing kant". Genom att cuppa propellern ändrar man bladets styvhet en aning vilket kan vara tillräckligt för att ändra bladets egen svängning. Även en mindre deformation eller en stigningsändring kan ha samma inverkan. På detta sätt minskar fjädrings-tendensen. Genom dessa åtgärder kan man förflytta frekvensen till ett område utanför människans hörsel. En propeller kan även börjar sjunga när ett blad under ett varv blir utsatt för kavitation som kommer och försvinner, genom den tryckstöt som kavita-tionen förorsakar. Skadlig korrosion på propellern förekommer oftast om andra och ädlare materialtyper ligger i direkt kontakt med propellern eller om propellern ligger i förorenat vatten. Även läckström i det elektriska systemet kan förorsaka korrosion. Korrosion på propellern eller omvänt, av propellern förorsakad korrosion på andra delar av skrovet, kan minskas genom att måla propellern med en isolerande färg av t.ex. epoxityp. Vid bruk av landström när båten ligger i sjön, för laddning av batterier eller för uppvärmning men speciellt vid svetsning på plåtbåtar, utsätts propellern för en mycket stor korrosionsrisk. Offeranoder skall vara monterade på de del ar som ska skyddas från korrosion, på båtar av stål eller aluminium således på skrovet. Anoderna som oftast är av zink får ej målas över och skall inspekteras regelbundet. "Slip" är skillnaden mellan båtens verkliga fart och den teoretiska hastigheten som erhålls av varvtalet multiplicerat med propellerns stigning. Detta värde är en mycket trubbig indikator som tidigare användes för att beräkna om man hade rätt propeller. T.ex. ger ett ojämnt skrov mer "slip" jämfört med ett likformigt slätt sådant. En propeller med liten bladarea ger mer "slip" än en med stor bladarea osv. Begreppet är förlegat och användes ej i beräknings-sammanhang. Tips och råd: Propellermontage. En bra passande kona krävs för att överföra motorns vridmoment till propellern samt att överföra propellerns genererade tryckkraft till axeln. När propellern är monterad på axeln skall anligg-ningen vara minst 60% av konans yta. Detta kan man kontrollera med hjälp av en färgpenna. Man plockar bort kilen, putsar bort alla grader och måIar axelns kona med märkfärg. Därefter rengör man propellerns kona på samma sätt och skjuter på den på axeln. Efter det att den är helt uppskjuten på axein gör man ett märke vid navets framkant och vrider sedan propellem försiktig. När man tar loss den igen, skall minst 60% av märkfärgen vara borta vilket betyder att man har haft motsvarande anliggningsyta mellan axeln och propellern. Sedan monterar man kilen i kilspåret. Kilen skall sitta ordentlig fast. Propellern skjuts på konan och skall nu komma minst fram till det tidigare gjorda märket. Kontrollera att man har en ljusspringa på maximalt ett par tiondelar ovanför kilen så att propellern inte rider på kilen. Absolut inget ljus får synas mellan kilens sidor och propellerns kilspår. Viktigt! Det är anliggningsytan som skall överföra alla krafterna. Kilen finns där enbart för säkerhetens skull. Nu skall propellern låsas med hjälp av propeller-muttern. Förse gängan med fett eller olja innan muttern skruvas på. Drag muttern ordentligt och lås den mot axeln med hjälp av en saxsprint, låsskruv, låsbricka e.d. Undvik låsmutter. Skall låsvätska användas skall gängan göras fettfri. Lockingmuttrar fungerar tillfredsställande när de är pådragna första gången. Sedan kan man inte förlita sig på lås-principen längre. Vid stora motoreffekter eller stora propellrar kan det vara av värde att värma propellern till ca. 60-100º C varefter den skjuts på den kalla axel. Muttern dras genast ordentligt. När propellern har kylts till omgivningstemperaturen har man erhållit en bra montering. Även här låses muttern ordentligt. Det är reverseringen vid fram- och backmanöver som gör att muttern lossnar och kan tappas. Är muttern borta vid en backmanöver kan även propellern försvinna. Propellerns montering är en del av säkerheten. Se därför till om konan inte passar, att axeln bearbetas så att man erhåller ovanstående resultat. Undvik att ändra konan i propellern. Uppspänning av en propeller i svarv är svårt och en omsvarvning kan äventyra propellerns hydrodynamiska balans. Ny akterkant på kölen. På annan plats har vi beskrivit hur propellern arbetar i virvlarna bakom kölen samt om skrovets medström. Det går att minska denna virvelbildning avsevärt genom att tunna ut kölen eller förlänga den med en "Iösköl" i plast, trä e.d. Alternativt att bocka en RF plåt i "V" form och montera den på ömse sidor av kölen. För deplacementsbåtar skall vinkeln (a) vara max 30º och max 15º för planande båtar. Akterkanten (B) bör då helst inte vara bredare än 20-25mm. Se även till att avståndet (L) mellan akterkant lagret och förkant propeller navet inte överstiger 2 ggr. axeldiametern. Det är viktigt att virvlarna i den yttre 50-70% av propellerbladet reduceras eftersom det är där de stora tryckkrafterna alstras. Området kring navet är av underordnat betydelse. |