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研究生:李佳儒
研究生(外文):JIA RU LI
論文名稱:複合材料組合可變螺距螺槳之設計與分析
論文名稱(外文):The Design and Analysis of Composite Replaceable and Adjustable Pitch Propeller
指導教授:林輝政林輝政引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:造船及海洋工程學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:51
中文關鍵詞:複合材料螺槳可變螺距組合螺槳
外文關鍵詞:CompositePropellerAdjustable pitchreplaceable blade
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本文主要是針對一採用射出成形方式製造的複合材料組合可變螺距螺槳做探討。著重在強度方面和可變螺距功能及組合便利性上。
現今大多螺槳都是金屬製品,對於較小型船舶如能以複合材料製造,將是非常經濟的。目前已有多家廠商製造複合材料可更換葉片的組合螺槳,但可變螺距的只有PROPULSE一家,對於這市場相當感興趣,並自行研發。第一次的設計在強度方面不論實測或是分析都明顯不足,且在組合方面並不是很方便。所以在強度方面以(1)加寬連接長度 (2)增加螺葉厚度 (3)更換材料等三方面全盤改進,由分析結果顯示可能發生的最大應力皆遠小於材料的破壞強度,而在組合方面改掉第一次設計的銅銷搭配斜面的固定方式,改採溝槽搭配鋸齒的固定方式,不但組裝方面且固定效果良好。
分析程式是以PSF2做流力的計算,再搭配ANSYS的結構分析,寫成一便利的使用模式以方便日後作類似的分析。
The article is mainly subject to the composite replaceable and adjustable pitch propeller which is made by injection molding method. Concerning the propeller by 2 parts : structure and the convenience of replaceable blade and variable pitch.
Most of the propellers are made from metal, they cost more than composite propellers. So if some of the metal propeller changed to be composite propeller are very economic. There are some manufacturers produce replaceable blade composite propellers, but only PROPULSE make the replaceable blade and variable pitch. This is a very interesting topic, worth our study. The propeller we designed first time can’t satisfy our porpulse, the stress on the blade is always higher than ultimate tensile stress, unless on calculation, even tested by boat get the same answer. And the propeller is not convenient to constitute together, and the way to deside pitch is rely on a copper block. When you want to change the pitch, the copper block should be replaced. So it’s really not convenient. For structure , we modify it by 3 ways : (1) make the join part wider (2) make the blade thicker (3) use high strength materials. By calculation, the propeller is safe on any condition. For constitution, we remove the copper block and use screw and sawtooth to fix the blade, and it works perfectly.
All the calculation use MIT PSF2 for fluid analysis and ANSYS for structural calculation, we make it convenient for use. Make it easy for other analysis.
誌謝 ..................................................................... I
摘要 ..................................................................... II
英文摘要 ............................................................. III
目錄 ..................................................................... IV
圖目錄 ................................................................. VI
表目錄 ................................................................. XII
第一章 緒論 ....................................................... 1
1-1研究動機 ....................................................... 1
1-2文獻回顧 ....................................................... 5
1-3論文架構 ....................................................... 6
第二章 組合可變螺距螺槳之設計、製造及測試 8
2-1各家組合螺槳簡介 ........................................... 8
2-2可變螺距組合螺槳 ........................................... 9
2-3自行研發的可變螺距螺槳 ................................. 11
2-4材料試驗結果 ................................................. 14
2-5螺葉單點受力實驗結果 ..................................... 15
第三章 分析程式 ............................................... 18
3-1 程式架構 ..................................................... 18
3-2程式細部運作 ................................................. 20
3-3無翼形資料時的替代方法 ................................. 24
3-4組合螺槳的例子 ............................................. 24
第四章 組合螺槳之結構分析 ........................... 28
4-1設計點的結構分析 ........................................... 28
4-2針對加寬連接寬度的改進 ................................. 38
4-3新螺槳在各種條件下的分析 ............................. 41
4-4對於加厚螺葉可行性的探討 ............................. 45
第五章 結論與展望 ........................................... 50
參考文獻 ............................................................. 52
附錄A ................................................................. 54
附錄B ................................................................. 71
圖目錄
頁數
圖 2-1 PIRENHA的組合螺槳 ......................................... 9
圖 2-2 COMPROP的組合螺槳 ......................................... 9
圖2-3 組合可變螺距螺槳組合圖 ................................... 10
圖2-4 螺轂後緣 ....................................................... 10
圖 2-5 螺轂前緣 ....................................................... 10
圖 2-6 前轂 ............................................................. 10
圖 2-7 螺葉 ............................................................. 10
圖 2-8 後轂 ............................................................. 10
圖 2-9 圓柱切片示意圖 ............................................. 11
圖 2-10 切下的底座及葉片 ......................................... 11
圖 2-11 螺葉螺轂組合情形 ......................................... 11
圖 2-12螺葉順時鐘轉動後 ........................................... 11
圖2-13螺葉逆時鐘轉動後 ........................................... 12
圖2-14 圓球切片示意圖 ............................................. 12
圖 2-15 切下的底座及螺葉 ......................................... 12
圖 2-16 螺葉螺轂組合情形 ......................................... 12
圖 2-17 球狀底座螺槳分解圖 ....................................... 13
圖 2-18 組合起來 ..................................................... 13
圖 2-19 螺葉 ........................................................... 13
圖 2-20 Nylon 應力-應變圖 ......................................... 15
圖 2-21 實驗情形 ..................................................... 15
圖2-22 破壞情形 ..................................................... 15
圖 2-23 實驗佈置圖 ................................................... 16
圖 2-24 Nylon螺槳測試1 ........................................... 16
圖 2-25 Nylon螺槳測試2 ........................................... 16
圖 2-26 Nylon螺槳測試3 ........................................... 16
圖 2-27 Nylon螺槳測試4 ........................................... 16
圖 2-28 PPS螺槳單點受力破壞 ................................... 17
圖 2-29 PPS船上實測斷裂情形 ................................... 17
圖2-30 螺葉單點受力-位移圖 ................................... 17
圖 3-1 程式流程圖(流力部分) ................................. 18
圖 3-2 程式流程圖(結構部分) ................................. 19
圖 4-1 X方向應力 葉面 ......................................... 29
圖 4-2 X方向應力 葉背 ......................................... 29
圖 4-3 Y方向應力 葉面 ......................................... 30
圖 4-4 Y方向應力 葉背 ......................................... 30
圖 4-5 Z方向應力 葉面 ......................................... 30
圖 4-6 Z方向應力 葉背 ......................................... 30
圖 4-7 X方向應力 葉面 ......................................... 31
圖 4-8 X方向應力 葉背 ......................................... 31
圖 4-9 Y方向應力 葉面 ......................................... 31
圖 4-10 Y方向應力 葉背 ....................................... 31
圖 4-11 Z方向應力 葉面 ....................................... 31
圖 4-12 Z方向應力 葉背 ....................................... 31
圖 4-13 X方向應力 葉面 ....................................... 32
圖 4-14 X方向應力 葉背 ....................................... 32
圖 4-15 Y方向應力 葉面 ....................................... 32
圖 4-16 Y方向應力 葉背 ....................................... 32
圖 4-17 Z方向應力 葉面 ....................................... 32
圖 4-18 Z方向應力 葉背 ....................................... 32
圖 4-19 X方向應力 葉面 ....................................... 33
圖 4-20 X方向應力 葉背 ....................................... 33
圖 4-21 Y方向應力 葉面 ....................................... 33
圖 4-22 Y方向應力 葉背 ....................................... 33
圖 4-23 Z方向應力 葉面 ....................................... 33
圖 4-24 Z方向應力 葉背 ....................................... 33
圖 4-25 X方向應力 葉面 ....................................... 34
圖 4-26 X方向應力 葉背 ....................................... 34
圖 4-27 Y方向應力 葉面 ....................................... 34
圖 4-28 Y方向應力 葉背 ....................................... 34
圖 4-29 Z方向應力 葉面 ....................................... 35
圖 4-30 Z方向應力 葉背 ....................................... 35
圖 4-31 X方向應力 葉面 ....................................... 35
圖 4-32 X方向應力 葉面 ....................................... 35
圖 4-33 Y方向應力 葉面 ....................................... 35
圖 4-34 Y方向應力葉面 ....................................... 35
圖 4-35 X方向應力 葉面 ....................................... 36
圖 4-36 X方向應力 葉面 ....................................... 36
圖 4-37 底座垂直延伸螺葉 ......................................... 39
圖 4-38 組裝情形 ..................................................... 39
圖 4-39快速原形螺葉 ................................................. 39
圖 4-40快速原形前轂 ................................................. 39
圖 4-41快速原形後轂 ................................................. 39
圖4-42 組合情形 ....................................................... 40
圖 4-43零件分解圖 ............................................... 40
圖 4-44 螺葉 ............................................... 40
圖 4-45 前轂 ............................................... 41
圖 4-46 後轂 ..................................................... 41
圖 4-47 組裝情形 ................................................... 41
圖 4-48 各螺距的K-J Chart ....................................... 42
圖 4-49 -8度高速X方向應力分佈 ............................... 43
圖 4-50 -8度低速X方向應力分佈 ............................... 43
圖 4-51 -4度高速X方向應力分佈 ............................... 43
圖 4-52 -4度低速X方向應力分佈 ............................... 43
圖 4-53 -2度低速X方向應力分佈 ............................... 44
圖 4-54 -2度低速X方向應力分佈 ............................... 44
圖 4-55 標準螺距高速X方向應力 ............................... 44
圖 4-56 標準螺距低速X方向應力 ............................... 44
圖 4-57 +2度低速X方向應力分佈 ............................... 44
圖 4-58 +2度低速X方向應力分佈 ............................... 44
圖 4-59 +4度高速X方向應力分佈 ............................... 44
圖 4-60 +4度低速X方向應力分佈 ............................... 44
圖 4-61 +8度高速X方向應力分佈 ............................... 44
圖 4-62 +8度低速X方向應力分佈 ............................... 44
圖 4-63 加厚X方向應力分佈 ..................................... 46
圖 4-64 加厚X方向應力分佈 葉背 ............................. 46
圖 4-65 原厚度總位移 ............................................... 46
圖 4-66 部分加厚1.6倍總位移 ................................... 46
圖 4-67 全部加厚1.6倍總位移 ................................... 47
圖 4-68 全部加厚1.6倍X方向應力 .......................... 47
圖 6-69 原幾何時的壓力分佈 ..................................... 47
圖 4-70 全部加厚1.6倍壓力分佈 ............................... 47
圖 4-71 部分加厚各螺距的K-J Chart ........................... 48
圖 4-72各項改變對強度改善示意圖 ........................... 49
圖 4-73 安全係數示意圖 ............................................. 50
表目錄
頁數
表 1-1 常用螺槳材料性能比較 ..................................... 4
表 2-1 各家螺槳測試比較 ........................................... 8
表 2-2 組合螺槳的幾何資料 ....................................... 14
表 4-1 X方向應力比較 ............................................... 36
表 4-2 Y方向應力比較 ............................................... 37
表 4-3 Z方向應力比較 ............................................... 37
表 4-4 螺距變動量 ................................................... 42
表 4-5 不同螺距之最大X方向應力值 ........................... 43
表 4-6 加厚條件 ....................................................... 45
表 4-7 加厚與原厚度之應力比較 ................................. 46
表 4-8 螺槳性能比較表 ............................................. 47
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