CONTROLLABLE PITCH
PROPELLERS
B I B L I O T H E E K T U Delft P 1 6 1 7 2 2 6 8
CONTROLLABLE PITCH
PROPELLERS
P R O E F S C H R I F T
T E R V E R K R I J G I N G V A N D E G R A A D V A N D O C T O R I N D E T E C H N I S C H E W E T E N S C H A P P E N A A N D E T E C H N I S C H E H O G E S C H O O L D E L F T , O P G E Z A G V A N D E R E C T O R M A G N I F I C U S P R O F . D R . F J . K I E V I T S , V O O R E E N C O M M I S S I E A A N G E W E Z E N D O O R H E T C O L L E G E V A N D E K A N E N T E V E R D E D I G E N O P W O E N S D A G 11 J U N I 1 9 8 0 T E 1 6 . 0 0 U U R D O O RC O R N E L I S P R O N K
S C H E E P S B O U W K U N D I G I N G E N I E U R G E B O R E N O P 1 5 S E P T E M B E R 1 9 4 5 T E R O T T E R D A M2 . G e o m e t r y a n d c e n t r i f u g a l l o a d s 6 2 . 1 G e n e r a l 2 . 2 C o o r d i n a t e s o f b l a d e s u r f a c e i n o f f d e s i g n p i t c h c o n d i t i o n 2 . 3 E f f e c t s o f m a i n p a r a m e t e r s o n s e c t i o n d e f o r m a t i o n , a n a l y s e d b y m e a n s o f a n a l y t i c s o l u t i o n s f o r s i m p l i f i e d b l a d e s u r f a c e s 2 . 4 R e s u l t s o f n u m e r i c a l a n a l y s i s 2 . 5 C e n t r i f u g a l f o r c e s a n d m o m e n t s i n a r b i t r a r y p i t c h p o s i t i o n 3 . B l a d e s p i n d l e t o r q u e m e a s u r e m e n t s 19 3 . 1 G e n e r a l 3 . 2 R e s u l t s o f p r e v i o u s m e a s u r e m e n t s 3 . 3 E x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e , p r o c e d u r e s a n d c o n d i t i o n s 3 . 4 R e s u l t s f o r s t a t i c c o m p o n e n t o f s p i n d l e t o r q u e 4 . C o m p u t a t i o n m e t h o d s 5 7 4 . 1 G e n e r a l 4 . 2 R e v i e w o f e x i s t i n g c a l c u l a t i o n m e t h o d s 4 . 3 S u r f a c e v o r t i c i t y m e t h o d 4 . 3 . 1 C o n s i d e r a t i o n s f o r t h e d e v e l o p m e n t o f a n e w c a l c u l a t i o n m e t h o d 4 . 3 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e m o d e l 4 . 3 . 3 I n t e r m e d i a t e t e s t r e s u l t s 4 . 3 . 4 C o m p a r i s o n o f c o m p u t e d a n d m e a s u r e d s p i n d l e t o r q u e s 5 . D y n a m i c s p i n d l e t o r q u e m e a s u r e m e n t s , a d a p t a b l e p i t c h p r o p e l l e r 5 . 1 G e n e r a l 5 . 2 R e s u l t s o f d y n a m i c s p i n d l e t o r q u e m e a s u r e m e n t s 5 . 3 A p p l i c a t i o n o f d y n a m i c s p i n d l e t o r q u e t o i n v e s t i g a t i o n o f 7 9 f e a s i b i l i t y o f a d a p t a b l e p i t c h p r o p e l l e r 6 . S u m m a r y a n d c o n c l u d i n g r e m a r k s 9 2
1 . I N T R O D U C T I O N C o n t r o l l a b l e p i t c h p r o p e l l e r s w e r e c o n s i d e r e d a s " s p e c i a l p r o p u l -s i o n d e v i c e -s " u p t i l l a b o u t 1 0 y e a r -s a g o . O n l y d u r i n g t h e l a -s t d e c a d e t h e a p p l i c a t i o n o f c o n t r o l l a b l e p i t c h p r o p e l l e r s i s g e n e -r a l l y a c c e p t e d a n d n o l o n g e -r c o n s i d e -r e d a s s p e c i a l . N o w a d a y s a b o u t 3 0 p e r c e n t o f a l l n e w b u i l t s e a g o i n g s h i p s a r e e q u i p e d w i t h C P . p r o p e l l e r s . F o r t h i s w i d e r a p p l i c a t i o n o f C P . p r o p e l l e r s s e v e r a l r e a s o n s c a n b e p o i n t e d o u t . F i r s t o f a l l t h e r e i s t h e a c c e p t a t i o n b a s e d o n p r o p e r f u n c t i o n i n g o f t h e e a r l i e r C P . p r o p e l l e r s a n d t h e i r s t r o n g -l y i n c r e a s e d r e -l i a b i -l i t y . T h i s h a s -l e d t o a g r o w i n g n u m b e r o f " c l a s s i c a l " a p p l i c a t i o n s i . e . f o r s h i p s w i t h s t r o n g l y v a r y i n g o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a n d f o r v e s s e l s w h e r e f r e q u e n t m a n o e u v r i n g i s r e q u i r e d . N e x t t o t h i s , n e w a p p l i c a t i o n s w e r e f o u n d b y t h e i n -t r o d u c -t i o n o f m a r i n e g a s -t u r b i n e s w h i c h d i d n o -t p o s s e s s r e v e r s i n g p o s s i b i l i t i e s . O t h e r d e v e l o p m e n t s w h e r e t h e p a r t i c u l a r f e a t u r e s o f t h e C P . p r o p e l l e r s s h o w t h e i r b e n e f i t s a n d h a v e c o n t r i b u t e d t o e x p a n s i v e u s e a r e f o r e x a m p l e : d y n a m i c p o s i t i o n i n g w i t h c o n t i n u -o u s l y v a r y i n g t h r u s t d e m a n d , a u x i l i a r y p -o w e r g e n e r a t e d b y s h a f t d r i v e n g e n e r a t o r s r e q u i r i n g p r o p u l s i o n w i t h c o n s t a n t r o t a t i o n a l s p e e d , a n c h o r h a n d l i n g a n d i c e b r e a k i n g w i t h o p t i m i z e d b a c k i n g t h r u s t , m u l t i e n g i n e c o n f i g u r a t i o n s d r i v i n g o n e s i n g l e s h a f t . P a r a l l e l t o i n c r e a s e d a p p l i c a t i o n i n t h e c o n s t r u c t i o n a c o n t i n u o u s d e v e l o p m e n t h a s t a k e n p l a c e . S o m e o f t h e c o m p o n e n t s c h a r a c t e r i z i n g t h e m o d e r n c o n c e p t o f a c o n t r o l l a b l e p i t c h p r o p e l l e r a r e : h i g h p r e s s u r e h y d r a u l i c m o t o r f o r p i t c h a c t u a t i n g i n s i d e t h e h u b , b e a r i n g c o n s t r u c t i o n s a b l e t o w i t h s t a n d t h e v e r y l a r g e c e n t r i f u g a l l o a d s o n t h e b l a d e s a n d h a v i n g o p t i m a l f r i c t i o n b e h a v i o u r , e l e c -t r o n i c p i -t c h s e n s i n g d e v i c e s i n s i d e -t h e h u b w i -t h c o n -t a c -t l e s s s i g n a l t r a n s m i s s i o n f r o m t h e r o t a t i n g s h a f t . F o r t h e d e s i g n o f t h e c o m -p o n e n t s k n o w l e d g e o f t h e e x t e r n a l l o a d i n g , o f w h i c h t h e m a i n -p a r t i s g e n e r a t e d b y t h e b l a d e s , i s e s s e n t i a l .
T h e r e f o r e , t h e b l a d e d e s i g n o f C P . p r o p e l l e r s m u s t a l s o b e b a s e d o n i n t e r f e r e n c e e f f e c t s w i t h o t h e r c o m p o n e n t s . A l t h o u g h t h e r e a r e s o m e p r i n c i p a l d i f f e r e n c e s w i t h f i x e d p i t c h p r o p e l l e r s t h e s a m e d e s i g n m e t h o d s a r e u s e d . A d o p t i n g t h e s e s a m e m e t h o d s i s c o r r e c t p r o v i d e d t h a t e s s e n t i a l d i f f e r e n c e s w i t h f i x e d p i t c h p r o p e l l e r s a r e t a k e n i n t o a c c o u n t . T h e m a i n d i f f e r e n c e s t o b e d e a l t w i t h i n d e s i g n i n g b l a d e s f o r C P . p r o p e l l e r s a r e : l a r g e r h u b d i a m e t e r s w h e n c o m p a r e d w i t h m o n o b l o c p r o p e l l e r s , r e s t r i c t i o n i n c h o r d l e n g t h s f o r t h e h i g h e r b l a d e a r e a r a t i o s , r e s t r i c t i o n o f d i m e n s i o n s o f b l a d e r o o t s e c t i o n s , i m p a c t o f o f f d e s i g n c o n d i t i o n s . A l a r g e r h u b d i a m e t e r i s n e c e s s a r y t o l o c a t e t h e p i t c h a d j u s t i n g m e c h a n i s m . W i t h t h e i n f l u e n c e o f a l a r g e r h u b m o s t l y t h e i n f l u e n c e o n t h e e f f i c i e n c y o f t h e p r o p e l l e r i s m e a n t . B y m e a n s o f l i n e a r m o m e n t u m t h e o r y t h e r e d u c t i o n o f e f f i c i e n c y c a n b e e s t i m a t e d a n d w i t h i n t h e p r a c t i a l r a n g e o f h u b d i a m e t e r r a t i o s t h i s r e d u c t i o n w i l l b e l i m i t e d t o a m a x i m u m o f 2%. T a k i n g i n t o a c c o u n t t h e e f f e c t o f d i f f e r e n t l o a d i n g d i s t r i b u t i o n s f o r C P . p r o p e l l e r s t h i s r e -d u c t i o n w i l l i n c r e a s e f u r t h e r . I n l i t e r a t u r e e v e n v a l u e s o f u p t i l l 5 % a r e m e n t i o n e d e . g . [ R e f . 1 ] . B e a r i n g i n m i n d t h a t e x p e r i m e n t s w e r e r e c e n t l y p e r f o r m e d s h o w i n g t h a t d i f f e r e n t h u b s h a p e s c a n c h a n g e t h e e f f i c i e n c y w i t h 3 2 [ R e f . 2 ] , i t c a n b e a s s u m e d t h a t t h e i n f l u e n c e o f l a r g e r h u b s i z e s w i l l b e r e s t r i c t e d w h e n t h e h u b s h a p e i s o p t i m i z e d . U n f o r t u n a t e l y t h e t h e o r e t i c a l t r e a t m e n t o f h u b i n f l u e n c e i s n o t y e t d e v e l o p e d f a r e n o u g h a n d t h e r e f o r e o n l y o p t i -m i z a t i o n b y -m e a n s o f e x p e r i -m e n t s i s p o s s i b l e . A l t h o u g h e f f i c i e n c y i s v e r y i m p o r t a n t a n d s h o u l d b e o p t i m i z e d i t i s g e n e r a l l y a c c e p t e d t h a t C P . p r o p e l l e r s h a v e l o w e r e f f i c i e n c i e s i n d e s i g n c o n d i t i o n . F o r c o m p l e t e r e v e r s i n g o f t h e b l a d e s a l i m i t a t i o n i n b l a d e c h o r d -l e n g t h s i s a n e c e s s i t y .
b l a d e a r e a i s t h a t C P . p r o p e l l e r s a r e n o t a p p l i c a b l e i n e x t r e m e c a s e s w h e r e F . P . p r o p e l l e r s a r e s t i l l f e a s i b l e [ R e f . 3 ] . F o r t h e m a j o r i t y o f t h e p r o p e l l e r s t h i s r e s t r i c t i o n d o e s n o t p l a y a n i m -p o r t a n t r o l e , a l t h o u g h a n a d a -p t i o n o f t h e r a d i a l l o a d d i s t r i b u t i o n i s s o m e t i m e s r e q u i r e d . P a r t o f t h e e x t e r n a l l o a d i n g i s t r a n s m i t t e d t h r o u g h t h e h o u s i n g o f t h e h u b a n d i n s o m e c o n s t r u c t i o n s b l a d e s a r e b o l t e d t o t h e b l a d e c a r r i e r s . T h e s e p a r t s o f t h e c o n s t r u c t i o n r e q u i r e t h e i r s p a c e b e t w e e n t h e b l a d e s a n d l i m i t t h e d i m e n s i o n s o f t h e b l a d e r o o t f u r t h e r t h a n t h e a l r e a d y m e n t i o n e d r e s t r i c t i o n s n e c e s s a r y f o r p i t c h r e v e r s i n g . F o r s t r e n g t h r e a s o n s t h e s e r e s t r i c t i o n s h a v e t o b e c o m p e n s a t e d b y i n c r e a s e d t h i c k n e s s o f t h e r o o t s e c t i o n s o f t h e C P . p r o p e l l e r b l a d e s . I n c a s e o f h i g h s p e e d p r o p e l l e r s t h i s w i l l a m -p l i f y t h e -p r o b l e m s w i t h b l a d e r o o t c a v i t a t i o n [ R e f . 4 ] . I n c a s e t h e b l a d e r o o t c a v i t a t i o n i s u n a v o i d a b l e a f u r t h e r i n c r e a s e o f h u b d i a m e t e r w i l l b e r e q u i r e d . T h e s u b j e c t o f t h i s t h e s i s i s n o t o n l y o f i m p o r t a n c e f o r t h e a n a -l y s e s o f t h e p e r f o r m a n c e o f t h e C P . p r o p e -l -l e r , b u t g i v e s a -l s o t o o l s f o r a b e t t e r d e s i g n , o f w h i c h p r o p e r f u n c t i o n i n g i n o t h e r c o n d i t i o n s i s a s s u r e d . T h e i n f l u e n c e o f o f f d e s i g n b e h a v i o u r o n t h e d e s i g n i s f o u n d i n t h e f o l l o w i n g s u b j e c t s : s t r e n g t h o f b l a d e s a n d h u b c a v i t a t i o n e r o s i o n n o i s e r a d i a t i o n a n d v i b r a t i o n e x c i t a t i o n f o r c e s e f f i c i e n c y s p i n d l e t o r q u e c a p a b i l i t y o f t h e h u b .
l e v e l d u r i n g t r a n s i e n t c o n d i t i o n s i s n o r m a l l y h a v i n g t h e m o r e i m p o r t a n t c o n s e q u e n c e s . T h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t m a x i m u m s p i n d l e t o r q u e s i n t h e m a j o r i t y o f t h e c a s e s o c c u r i n t h e l o w p i t c h r a n g e w h e r e t h e p o w e r a b s o r b t i o n a n d t h e p r o p e l l e r t h r u s t a r e s m a l l . T h i s o f c o u r s e i s a c o n d i t i o n w h i c h o c c u r s d u r i n g l o n g e r p e r i o d s o n l y b y w a y o f e x c e p t i o n . D u r i n g m a n o e u v r i n g h o w e v e r t h i s c o n d i t i o n h a p p e n s f r e q u e n t l y , h o w e v e r a s a t r a n s i t i o n b e t w e e n s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n s . A c h a r a c t e r i s t i c s p i n d l e t o r q u e p i t c h r e l a t i o n i s s h o w n i n F i g u r e 1 , w h e r e t h e r e s u l t s o f a f u l l s c a l e m e a s u r e m e n t c l e a r l y s h o w s t h e l a r g e r s p i n d l e t o r q u e v a l u e s i n t h e l o w p i t c h i n t e r v a l . F i g u r e 1 . F u l l s c a l e m e a s u r e m e n t r e s u l t s o f s p i n d l e t o r q u e a s f u n c t i o n o f p i t c h s e t t i n g .
I n b o t h s t e a d y s t a t e a n d t r a n s i e n t o f f d e s i g n c o n d i t i o n a l l p a r a m e t e r v a l u e s a r e e n t i r e l y d e p e n d i n g o n t h e c o n t r o l s y s t e m o n c e t h e d e s i g n o f s h i p a n d p r o p e l l e r i s f i x e d . I n c a s e u n d e s i r e d p a r a m e t e r v a l u e s o c c u r d u r i n g t r a n s i e n t c o n d i t i o n t h i s f a c t c a n b e u s e d t o l i m i t p o s s i b l e n e g a t i v e e f f e c t s o f o f f d e s i g n c o n d i t i o n o n t h e p r o p e l l e r i t s e l f . T h e n p r o v i s i o n s i n t h e c o n t r o l s y s t e m c a n b e m a d e t o a v o i d u n d e s i r e d c o n d i t i o n s . N e v e r t h e l e s s f o r t h e m a j o r i t y o f t h e d e s i g n s t h i s i s s i m p l y i m p o s s i b l e , s i n c e r e s p o n s e t i m e d u r i n g t r a n s i e n t s i s n o r m a l l y l i m i t e d . T h i s m e a n s t h a t a t h o r o u g h i n v e s t i g a t i o n o f o f f d e s i g n b e h a v i o u r o f a C P . p r o p e l l e r i s n e c e s s a r y t o e s t a b l i s h t h e r e l i a b i l i t y o f t h e p r o p e l l e r . I n t h i s t h e s i s b o t h e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l d e v e l o p m e n t s w i l l b e t r e a t e d i n o r d e r t o i m p r o v e t h e t o o l s a v a i l a b l e f o r o f f d e s i g n a n a l y s e s . I n C h a p t e r 3 t h e r e s u l t s o f m o d e l e x p e r i m e n t s a r e t r e a t e d . I n p a r t i c u l a r t h e i n f l u e n c e o f c a v i t a t i o n o n b l a d e s p i n d l e t o r q u e , w h i c h u p t i l l n o w w a s o n l y k n o w n q u a l i t a t i v e l y , w i l l b e t h o u r o u g h l y i n v e s t i g a t e d . I n a d d i t i o n t h e e f f e c t o f p r o p e l l e r g e o m e t r y o n b l a d e s p i n d l e t o r q u e w i l l b e s h o w n b y m e a n s o f s y s t e m a t i c v a r i a t i o n s o f t h e m a i n p a r a m e t e r s . S i n c e t h e e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d i n s o c a l l e d " b e h i n d c o n d i t i o n " f l u c t u a t i o n s o f b l a d e s p i n d l e t o r q u e d u r i n g a p r o p e l l e r r e v o l u t i o n c o u l d a l s o b e m e a s u r e d e v e n i n c a v i -t a -t i n g c o n d i -t i o n . I n C h a p -t e r 5 -t h e s e r e s u l -t s a r e p r e s e n -t e d . T h e y a r e u s e d t o m a k e t h e o r e t i c a l a n a l y s e s o f t h e p o s s i b i l i t y t o c h a n g e t h e b l a d e p i t c h d u r i n g a r e v o l u t i o n . A p r o p e l l e r w i t h t h i s f e a t u r e i s c a l l e d a n a d a p t a b l e p i t c h p r o p e l l e r . T h e p u r p o s e o f t h i s p r o p e l l e r i s t o s o l v e t h e s h i p v i b r a t i o n p r o b l e m a t t h e s o u r c e n a m e l y t o r e a c t o n t h e v a r y i n g i n f l o w v e l o c i t i e s i n t h e w a k e f i e l d . I n C h a p t e r 2 c o n s i d e r a t i o n s a r e g i v e n w h i c h c o n t r i b u t e t o a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . F i n a l l y i n C h a p t e r 4 a t h e o r y i s g i v e n f o r t h e c a l c u l a t i o n o f b l a d e s p i n d l e t o r q u e s . T h i s l i f t i n g b o d y t h e o r y h a s n o r e s t r a i n t s w i t h r e g a r d t o i n c o r p o r a t i n g n o n l i n e a r e f f e c t s .
2 . G E O M E T R Y A N D C E N T R I F U G A L L O A D S 2 . 1 G e n e r a l W h e n t h e b l a d e s o f a C P . p r o p e l l e r a r e r o t a t e d t o c h a n g e t h e i r p i t c h t h e d i m e n s i o n s o f t h e b l a d e s d o n o t c h a n g e s i n c e t h e b l a d e s a r e r i g i d . Y e t i s t h i s r e s p e c t o f t e n t h e m o t i o n s e c t i o n d e f o r m a t i o n d u e t o p i t c h c h a n g e i s u s e d . F o r u n d e r s t a n d i n g o f h y d r o d y n a m i c p r o p e l l e r b e h a v i o u r i n t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s b y m e a n s o f a l i f t i n g l i n e m o d e l a n d i n c a v i t a t i o n a n a l y s e s t h e g e o m e t r i c a l a n d h y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f c r o s s s e c t i o n s b e t w e e n t h e b l a d e s a n d c i l i n d e r s c o a x i a l w i t h t h e p r o p e l l e r s h a f t p l a y a n i m p o r t a n t r o l e . S u c h a c r o s s s e c t i o n w i t h o n e a n d t h e s a m e c i l i n d e r w i l l h a v e a d i f f e r e n t s h a p e f o r d i f f e r e n t p i t c h a n g l e s a n d t h i s d i f f e r e n c e i s r e f e r r e d t o a s s e c t i o n s h a p e d e f o r m a t i o n . I n e a r l i e r p u b l i c a t i o n s [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] i t h a s b e e n p o i n t e d o u t t h a t t h e s e c t i o n s o f t h e p r o p e l l e r w i l l b e d i s t o r t e d d u e t o b l a d e r o -t a -t i o n a n d -t y p i c a l S s h a p e d s e c -t i o n s w e r e s h o w n . F o r d e s i g n a n d a n a l y s e s p u r p o s e s i n s i g h t i n t o t h e i n f l u e n c e o f t h e v a r i o u s p a r a -m e t e r s o n d e f o r -m a t i o n i s o f i -m p o r t a n c e . O f c o u r s e , w h e n r i g o r o u s n u m e r i c a l c o m p u t a t i o n m e t h o d s a r e u s e d c o o r d i n a t e r o t a t i o n s c a n e a s i l y b e i n c o r p o r a t e d w i t h o u t s e p a r a t e g e o m e t r i c a l a n a l y s i s . D u e t o t h e c o m p l i c a t e d g e o m e t r y o f t h e p r o p e l l e r a d i r e c t a n a l y -t i c a l a p p r o a c h i s i m p o s s i b l e . T h e r e f o r e n u m e r i c a l m e -t h o d s a r e u s e d t o c a l c u l a t e t h e o f f d e s i g n g e o m e t r y a n d w i t h t h e s e m e t h o d s t h e e f f e c t o f p a r a m e t e r v a r i a t i o n s c a n b e c o m p u t e d . N e x t t o t h e n u m e r i c a l s o l u t i o n i t i s p o s s i b l e t o a n a l y s e b l a d e d i s t o r t i o n a n a l y t i -c a l l y b y m e a n s o f s i m p l e b l a d e m o d e l s . B y t h i s a n a l y t i -c a l a p p r o a -c h a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e p h e n o m e n a c a n b e o b t a i n e d a n d t h e b e n e f i t w i l l b e s h o w n i n a n a l y s i n g e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a n d j u d g i n g t h e o r e t i c a l m e t h o d s . S i n c e t h e c e n t r i f u g a l l o a d s e n t i r e l y d e p e n d o n t h e b l a d e g e o m e t r y t h e f o r c e s a n d m o m e n t s i n o f f d e s i g n c o n d i t i o n c a n b e d e r i v e d d i r e c t l y f r o m t h e i r v a l u e s i n t h e d e s i g n p o s i t i o n .
2 . 2 C o o r d i n a t e s o f b l a d e s u r f a c e i n o f f d e s i g n p i t c h c o n d i t i o n . I n t h e c o n v e n t i o n a l w a y t h e g e o m e t r y o f t h e p r o p e l l e r i s d e s c r i b e d b y t h e t w o d i m e n s i o n a l s e c t i o n o f f s e t s o f c a m b e r l i n e a n d t h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n i n a d e v e l o p e d c i l i n d e r p l a n e a t v a r i o u s r a d i i . R o t a t i o n o v e r t h e p a r t i c u l a r p i t c h a n g l e a n d t r a n s l a t i o n o v e r t h e d i s t a n c e s c o r r e s p o n d i n g t o s k e w a n d r a k e g i v e t h e o r d i n a t e s i n a c i l i n d r i c a ! c o o r d i n a t e s y s t e m . Y X F i g u r e 2 . C o o r d i n a t e s y s t e m T h e b l a d e s u r f a c e i n t h i s c o o r d i n a t e s y s t e m ( s e e F i g u r e 2 ) a r e g i v e n i n p a r a m e t e r p r e s e n t a t i o n b y t h e f o l l o w i n g f o r m u l a e : yo = (xl + s) s i n < f > + yf (xl ^ c o s < t > c o s * - s i n * y ^ x - ^ ) + y ( x1) 7 — + a 1 1 / ( i + ( 4 ( x x ) n
V o
= + S^
c o s* "
yf ^
xl ^
s i n < | ) sin<t> + cos<f> y ^ ( x ^ ) S ( 1 + ( Y f i x j ) ) . ( 2 . 2 ) w h e r e : = p a r a m e t e r , h e l i c o i d a l d i s t a n c e a t c i u n d e r r = rQ t o m i d c h o r d p o i n t o f s e c t i o n , s = s k e w d e f i n e d a s h e l i c o i d a l d i s t a n c e a t r = rQ c i l i n d e r b e t w e e n m i d c h o r d p o i n t o f s e c t i o n a n d ( 0 , 0 , r ) . <j> = p i t c h a n g l e a t c i l i n d e r r = r . y ^ = c a m b e r o r d i n a t e a t c i l i n d e r r = r . y ^ = s l o p e o f c a m b e r ! i n e a t c i l i n d e r r = r . yt = t h i c k n e s s o r d i n a t e a t c i l i n d e r r = r . a = r a k e a t c i l i n d e r r = r . o T h e i n d e x o r e f e r s t o t h e c o o r d i n a t e s o f t h e s u r f a c e i n d e s i g n c o n d i t i o n . T h e u p p e r s i g n s h o l d f o r t h e b a c k s i d e a n d t h e l o w e r s i g n s h o l d f o r t h e f a c e s i d e o f t h e b l a d e . T h e m e a n i n g o f t h e p a r a m e t e r s i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 3 . T h e g e n e r a t o r ( z - a x i s ) l i n e h a s b e e n s e l e c t e d p e r p e n d i c u l a r t o t h e s h a f t a n d i s l y i n g i n t h e p l a n e t h r o u g h s h a f t a n d s p i n d l e a x i s .A s s u m i n g t h a t p r o p e l l e r s h a f t a n d s p i n d l e a x i s l i e i n t h e s a m e p l a n e m a k i n g a n a n g l e 6 , t h e c o o r d i n a t e s o f t h e b l a d e s u r f a c e s a f t e r r o t a t i o n o v e r a n a n g l e A * a r e g i v e n a s f u n c t i o n o f t h e o r i g i n a l c o o r d i n a t e s b y : r s i n a = rQ c o s aQs i n S s i n A * + rQ s i n aQ C O S A * + yQ c o s s s i n A * . . . ( 2 . 3 ) 2 2 r c o s a = r c o s a ( c o s 6 + s i n 5 C O S A * ) - r s i n a s i n s s i n A * + o o x ' 0 0 + yQ s i n s C O S 6 ( 1 - C O S A * ) ( 2 . 4 ) y = r c o s a s i n 6 c o s 6 ( 1 - c o s A * ) + r s i n a c o s 6 sinA<f> + o o o + y ( s i n 6 + C O S A * - s i n 6 C O S A * ) ( 2 . 5 )
T h e c o o r d i n a t e s o f t h e b l a d e s u r f a c e i n o f f d e s i g n c o n d i t i o n a r e t h e n g i v e n b y e q u a t i o n s ( 2 . 1 ) - ( 2 . 5 ) . A n u m e r i c a l s o l u t i o n c a n b e o b t a i n e d b y s t a r t i n g f r o m c o o r d i n a t e s i n d e s i g n p o s i t i o n . F o r e a c h s e l e c t e d v a l u e o f aQ a n u m b e r o f v a l u e s rQ i s t a k e n . W i t h a n i t e r a t i v e p r o c e s s , e . g . W e g s t e i n s p r o c e d u r e , t h e p a r a m e t e r c a n b e o b t a i n e d f r o m e q u a t i o n ( 2 . 2 ) . T h e y , r a n d a a r e c o m p u t e d d i r e c t l y f r o m ( 2 . 1 ) , ( 2 . 3 ) a n d ( 2 . 4 ) . T h i s m e a n s t h a t r , yQ a n d a a r e k n o w n a s t a b u l a t e d f u n c t i o n s o f r f o r e a c h aQ. T h e d e s i r e d v a l u e s o f s e c t i o n o r d i n a t e s a t a r a d i u s f o l l o w f r o m p a r a b o l i c i n t e r p o l a t i o n i n t h e s e t a b u l a t e d f u n c t i o n s a n d f r o m i n s e r t i n g t h e v a l u e s i n e q u a t i o n ( 2 . 5 ) f o r e a c h aQ. A f l o w d i a g r a m o f t h e c o m p u t e r p r o g r a m i s g i v e n i n F i g u r e 4 . E f f e c t s o f m a i n p a r a m e t e r s o n s e c t i o n d e f o r m a t i o n , a n a l y s e d b y m e a n s o f a n a l y t i c s o l u t i o n s f o r s i m p l i f i e d b l a d e s u r f a c e s . T h e d e v i a t i o n f r o m t h e o r i g i n a l s e c t i o n s h a p e , w h e n r o t a t i n g t h e b l a d e f r o m a h e a d d e s i g n p i t c h p o s i t i o n t o " z e r o p i t c h " , w i l l h a v e t h e s a m e c h a r a c t e r , b u t h a v e o p p o s i t e s i g n s , w h e n c o m p a r e d w i t h t h e d e v i a t i o n s t a r t i n g f r o m " z e r o p i t c h " a n d t h e n i n c r e a s i n g t h e p i t c h w i t h t h e s a m e a n g l e . T h i s c a n b e u s e d t o a n a l y s e t h e s h a p e d e f o r -m a t i o n , s i n c e t h e -m o s t s i -m p l e b l a d e s u r f a c e i s t h a t o f a f l a t b l a d e w i t h z e r o p i t c h , t h i c k n e s s , c a m b e r a n d r a k e . T h e n h o l d s yQ = 0 . D e f i n i n g u = r a a n d u s i n g t h e t r a n s f o r m a t i o n f o r m u l a e t h e s e c t i o n i n t h e d e v e l o p e d c i l i n d e r p l a n e c a n b e d e s c r i b e d b y : % = c o s ó s i n t g A * - ( c o s £ s i n s t g A * ) t g s ( ! - cosA<t>) . , . ( 2 . 6 ) ( t g 5 + C O S A * ) F o r a s p i n d l e a x i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e s h a f t t h i s s h a p e g e t s f u r t h e r s i m p l i f i e d t o : £ = s i n I t g A * ( 2 . 7 )
r e a d : g e o m e t r y o f o r i g i n a l p r o p e l l e r p i t c h c h a n g e i l o o p c o m p u t e m a x i m u m v a l u e o f I o « = a« " d e c r e m e n t o o
3
s e l e c t a r r a y r ° i i t e r a t i o n p r o c e s f o r xl . i c o m p u t e yQ_ , , r.X
s e l e c t a r a y f o r d e s i r e d r a d i i r . i n t e r p o l a t e i n t a b u l a t e d f u n c t i o n r0( r j ) , yQ( r ^ ) , a{r.) j l o o p c o m p u t e y o f f d e s i g n g e o m e t r y F i g u r e 4 . F l o w d i a g r a m o f c o m p u t a t i o n o f t h e o f f d e s i g n g e o m e t r y .D e p e n d i n g o n t h e s k e w o f t h e b l a d e , t h e p o s i t i o n o f t h e b l a d e i n t h i s p l a n e v a r i e s a n d , c o n s e q u e n t l y , b o t h t h e s h a p e a n d o r i e n t a t i o n o f t h e s e c t i o n v a r y ( S e e F i g u r e 5 ) .
FORWARD S K E W E D
_ y _ A F T S K E W E D F i g u r e 5 . S e c t i o n d i s t o r t i o n a s f u n c t i o n o f s k e w . I t c a n b e s e e n f r o m t h i s F i g u r e t h a t , f o r r e d u c t i o n o f p i t c h , a f o r w a r d s k e w i n d u c e s n e g a t i v e c a m b e r s w i t h t h e n a t u r e o f a s i n e f u n c t i o n a n d c a u s e s l e s s p i t c h r e d u c t i o n t h a n c o r r e s p o n d i n g w i t h t h e a n g l e o f r o t a t i o n . B a c k w a r d s k e w e d b l a d e s w i l l , f o r t h e s a m e b l a d e r o t a t i o n , s h o w p o s i t i v e i n d u c e d c a m b e r s , w h i l e a l s o t h e p i t c h r e d u c t i o n s h o w s a p i t c h l a g . F o r i n c r e a s i n g s k e w a n d i n c r e a s i n g c h o r d l e n g t h b o t h e f f e c t s - i n d u c e d c a m b e r a n d p i t c h l a g - a r e a m p l i f i e d . I n R e f e r e n c e [ 9 ] t h e s e e f f e c t s h a v e b e e n u t i l i z e d t o r e d u c e t h e c a v i t a t i o n e x t e n t i n o f f d e s i g n c o n d i t i o n . F o r a f l a t b l a d e d t h r u s t e r o f w h i c h t h e d e s i g n p i t c h i s a c t u a l l y z e r o t h e p l a n f o r m w a s c h a n g e d s u c h t h a t , i n t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n w i t h i n c r e a s e d p i t c h , t h e p i t c h l a g c a u s e d a r e d u c t i o n o f b l a d e t i p l o a d i n g .T h e e f f e c t o f r a k e o n s e c t i o n d i s t o r t i o n c a n b e i l l u s t r a t e d b y r o t a t i n g a p l a n e yQ = rQ c o s aQ t g e . T h e e q u a t i o n o f t h e p l a n e a f t e r r o t a t i o n w i t h a n a n g l e A * , w i l l b e : y = s i n - t g A * + c o s £ ( 2 . 8 ) r r 3 r C O S A * V ' I t f o l l o w s f r o m t h i s f o r m u l a t h a t f o r w a r d r a k e i n c r e a s e s t h e d i s -t o r -t i o n e f f e c -t s f o r p o s i -t i v e v a l u e s o f u a n d d e c r e a s e s -t h e e f f e c -t s f o r n e g a t i v e u v a l u e s . T h i s m e a n s t h a t f o r h i g h l y b a c k w a r d s k e w e d p r o p e l l e r s t h e a p p l i c a t i o n o f f o r w a r d r a k e h a s a c o m p e n s a t i n g e f f e c t o n t h e s e c t i o n d e f o r m a t i o n . T h i s r a k i n g f o r w a r d i s o f t e n a p p l i e d f o r h i g h l y b a c k w a r d s k e w e d p r o p e l l e r s o f b o t h t h e f i x e d a n d c o n t r o l l a b l e p i t c h t y p e . N o r m a l l y , r a k e i s a p p l i e d t o i n c r e a s e t h e c l e a r a n c e w i t h r e s p e c t t o t h e r u d d e r p o s t a n d t o r e d u c e t e n s i o n s t r e s s e s a t t h e p i t c h s i d e o f t h e b l a d e r o o t . A s s h o w n a b o v e a n a d d i t i o n a l a d v a n t a g e i s e f f e c t i n g t h e b l a d e s p i n d l e t o r q u e s . B e a r i n g i n m i n d t h a t s e c t i o n s a t t h e l o w e r r a d i i m o s t l y h a v e l o w s k e w v a l u e s , i t c a n b e s e e n t h a t r a k e h a r d l y i n f l u e n c e s t h e p i t c h l a g b u t o n l y i n d u c e s c a m b e r a t t h e s e l o w e r r a d i i . A c o m p a r i s o n o f t h e d i s t o r t e d p l a n e s a s g i v e n b y e q u a t i o n s ( 2 . 6 ) , ( 2 . 7 ) a n d ( 2 . 8 ) i s m a d e i n F i g u r e 6 . T h e d a t a i n t h i s F i g u r e r e f e r t o a n a n g l e o f r o t a t i o n o f 2 5 d e g r e e s . A f o r w a r d r a k e o f 1 0 d e g r e e s a n d a s p i n d l e a x i s i n c l i n a t i o n o f 1 0 d e g r e e s a f t w a r d h a v e b e e n c h o s e n , s u c h t h a t i n b o t h c a s e s t h e b l a d e i s i n f r o n t o f t h e s p i n d l e a x i s . I t c a n c l e a r l y b e s e e n t h a t s p i n d l e a x i s i n c l i n a t i o n h a r d l y e f f e c t s t h e s e c t i o n d e f o r m a t i o n a n d t h a t t h e i n f l u e n c e o f f o r w a r d r a k e i s m o r e p r o n o u n c e d . O c c a s i o n a l l y s p i n d l e a x i s i n c l i n a t i o n i s u s e d f o r c o n s t r u c t i o n a l r e a s o n s . I n s i g h t i n t h e e f f e c t o f t h i c k n e s s a n d c a m b e r c a n b e o b t a i n e d b y r o t a t i n g a p l a n e yQ = aQ a n d c o m p a r i n g t h e s h a p e a f t e r r o t a t i o n w i t h t h a t o f t h e p l a n e y = 0 a f t e r r o t a t i o n .
F o r t h e r o t a t e d p l a n e y i e l d s :
7 = ^ 7 ^ 4 ^ ( 2 . 9 )
S o , a c o n s t a n t t h i c k n e s s w i l l h a v e n o i n f l u e n c e o n t h e d e f o r m a t i o n , s i n c e t h e s e c o n d t e r m i n t h i s e q u a t i o n o n l y g i v e s t r a n s l a t i o n i n a x i a l d i r e c t i o n .
2 . 4 R e s u l t s o f n u m e r i c a l a n a l y s i s . A l t h o u g h i n f l u e n c e s o f s o m e p a r a m e t e r s c a n b e i n v e s t i g a t e d b y m e a n s o f a n a l y t i c a l s o l u t i o n s f o r s i m p l i f i e d b l a d e s u r f a c e s , m o r e d e t a i l e d p a r a m e t r i c s t u d i e s c a n o n l y b e p e r f o r m e d w h e n u s i n g t h e n u m e r i c a l m e t h o d . A s w a s s h o w n i n t h e p r e v i o u s p a r a g r a p h , i t c a n b e c o n c l u d e d f r o m s i m p l e b l a d e t h e o r y t h a t e f f e c t s o f t h i c k n e s s o n d e f o r m a t i o n a r e s m a l l . T h i s l e a d s t o t h e o f t e n u s e d m e t h o d , i n w h i c h o n l y t h e d i s -t o r -t i o n o f -t h e n o s e - -t a i l l i n e i s -t a k e n i n -t o a c c o u n -t , w h i l e -t h e o r i g i n a l t h i c k n e s s c o o r d i n a t e s a r e a d d e d t o t h e t r a n s f o r m e d n o s e -t a i l l i n e o n -t h e n e w r a d i u s . P o i n -t s l y i n g o n -t h e s a m e r a d i u s a f -t e r r o t a t i o n o r i g i n a l l y c o m e f r o m d i f f e r e n t r a d i i . E v e n p o i n t s a t f a c e a n d b a c k s i d e c o m e f r o m d i f f e r e n t r a d i i . A l t h o u g h t h e d i f f e r e n t o r i g i n a l r a d i i l i e r a t h e r c l o s e t o g e t h e r , a t t h e e d g e s , w h e r e l a r g e t h i c k n e s s g r a d i e n t s e x c i s t , d i f f e r e n c e s i n e d g e f o r m o c c u r w h e n t h e a p p r o x i m a t e m e t h o d i s u s e d . R e s u l t s o f n u m e r i c a l a n a l y s i s d e m o n -s t r a t e t h a t t h e i n f l u e n c e o f t h e a p p r o x i m a t e m e t h o d o n t h e l e a d i n g e d g e s h a p e c a n b e n e g l e c t e d f o r n o r m a l a p p l i c a t i o n s . I n t h i s r e s p e c t i t s h o u l d b e b o r n e i n m i n d t h a t c a v i t a t i o n i n c e p t i o n c a l c u l a t i o n s a r e e x t r e m e l y s e n s i t i v e t o p r o p e r d e s c r i p t i o n o f s e c t i o n n o s e s h a p e s , b u t e v e n t h e n a p p r o x i m a t i o n s a s m e n t i o n e d a b o v e a r e a c c e p t a b l e . A n o t h e r c o n s e q u e n c e o f t h e f a c t t h a t p o i n t s a r r i v e f r o m d i f f e r e n t r a d i i i s t h e i n f l u e n c e o f p i t c h d i s t r i b u t i o n o n s e c t i o n d e f o r -m a t i o n . F o r t h e e x a -m p l e p r o p e l l e r t h e e f f e c t o f t w o d i f f e r e n t p i t c h d i s t r i b u t i o n s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d : t h e o r i g i n a l p i t c h d i s t r i -r i b u t i o n a n d a c o n s t a n t p i t c h d i s t -r i b u t i o n e q u a l t o t h e p i t c h a t 0 . 7 r a d i u s . T h e s e c t i o n s a t 0 . 7 r a d i u s a f t e r a 3 0 d e g r e e s r o t a t i o n a r e s h o w n i n F i g u r e 7 . A l t h o u g h t h e p i t c h a t t h i s r a d i u s f o r b o t h p r o p e l l e r s w a s t h e s a m e , a f t e r r o t a t i o n a d i f f e r e n c e i n p i t c h a n g l e o f a b o u t 1 d e g r e e r e s u l t s .
CONSTANT PITCH
VARIABLE PITCH
F i g u r e 7 . S e c t i o n s h a p e s a f t e r r o t a t i o n f o r c o n s t a n t a n d v a r i a b l e p i t c h . 5 C e n t r i f u g a l f o r c e s a n d m o m e n t s i n a r b i t r a r y p i t c h p o s i t i o n . T h e c e n t r i f u g a l f o r c e s a n d m o m e n t s f o r t h e b l a d e i n a r b i t r a r y p o s i t i o n a r e g i v e n b y : p u x d y d z poj p u z d x d y d z y z d x d y d z p u x y d x d y d z I n w h i c h a r e : p = s p e c i f i c d e n s i t y u = a n g u l a r f r e q u e n c yW h e n t h e s e f o r c e s a n d m o m e n t s a r e m a d e d i m e n s i o n l e s s i n t h e f o r m w h i c h i s u s u a l f o r p r o p e l l e r f o r c e s a n d m o m e n t s b y d i v i d i n g t h r o u g h 2 4 2 5 p n D a n d p n D , t h e f o r c e a n d m o m e n t c o e f f i c i e n t s b e c o m e :
C =
4 ^2 ! | r a 2 SzCr- = 4lT
Frz D 4~1
C
Q=
4 ,2 % wxD
r /I 2 cx y D . ( 2 . 1 0 ) W h e r e : D = p r o p e l l e r d i a m e t e r Sx, Sz = s t a t i c m o m e n t ^ x y ' ^ y z = c e n t r" ' f r u g a l m o m e n t . F o r r o t a t i o n a r o u n d t h e s p i n d l e a x i s t h e f o l l o w i n g t r a n s f o r m a t i o n f o r m u l a e h o l d f o r s t a t i c a n d c e n t r i f u g a l m o m e n t s : S = S c o s A * - S sinA<f> o yo S = S z z . OC = C
y z y z cosAct) + C s i n A * J J0 0 Y z x Y O OC = C
rx - 1 x y x0yQc o s 2 A < j ) + 2—- sin2A<j> , ( 2 . 1 1 ) W h e r e : Ix I x2d x c Iy ] y2d x c a n d t h e s u f f i x 0 r e f e r s t o t h e c o n d i t i o n b e f o r e r o t a t i o n .F r o m e q u a t i o n s ( 2 . 1 0 ) a n d ( 2 . 1 1 ) i t f o l l o w s t h a t t h e d i m e n s i o n l e s s f o r c e s a n d m o m e n t s i n o f f d e s i g n c o n d i t i o n c a n b e e x p r e s s e d i n t h e o r d i n a t e s o f t h e b l a d e i n d e s i g n c o n d i t i o n : CP = - T R — ( Sv COSA<(> - Su sinA<f>) ""x D xo yo
C
=^
S Fz r ? ~ zo ( 2 . 1 2 ) Cn = ^ ï - (C _ cosA<j. + C sinA<f>)' \ Ds yozo zoxo Cn = ^ - ( C C 0 S 2 A 4 . + — S _ ° s i n 2 A < f , ) wz DD V o S o t h e c e n t r i f u g a l f o r c e s a n d m o m e n t s i n a n y o f f - d e s i g n c o n d i t i o n c a n b e o b t a i n e d b y c a l c u l a t i n g e i g h t v o l u m e i n t e g r a l s f o r t h e b l a d e i n d e s i g n p i t c h c o n d i t i o n . W i t h t h e s a m e d i m e n s i o n l e s s c o e f f i c i e n t s t h e c e n t r i f u g a l s p i n d l e t o r q u e c a n b e c a l c u l a t e d a l s o f o r a n i n -c l i n e d s p i n d l e a x i s . T h e s p i n d l e t o r q u e -c o e f f i -c i e n t w i l l t h e n b e : 4 /V
I yo Cn = - T - ( C c o s 2 A 4 ) + — ^ u sin2A<(>)cos<S gz D xoyo c3 . B L A D E S P I N D L E T O R Q U E M E A S U R E M E N T S 3 . 1 G e n e r a l W h e r e a s n u m e r o u s d a t a o n t h r u s t a n d s h a f t t o r q u e v a l u e s a r e a v a i l -a b l e , e x p e r i m e n t -a l i n f o r m -a t i o n o n b l -a d e s p i n d l e t o r q u e s i s l i m i t e d . B e f o r e t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e l a r g e r p r o p e l l e r s i s s t a r t e d , i t i s s t a n d a r d p r a c t i c e t o v e r i f y t h e i r p r e d i c t e d p e r f o r m a n c e b y m e a n s o f m o d e l t e s t s . T h e s t r o n g d e s i r e f o r v e r i f i c a t i o n i s d u e t o t h e s t r i c t q u a n t i t i v e r e q u i r e m e n t s , s u c h a s c o n t r a c t s p e e d a n d p r o p e r p o w e r a b s o r b t i o n , o f w h i c h f u l f i l m e n t i s t e s t e d d u r i n g t r i a l s . R e q u i r e m e n t s r e g a r d i n g s p i n d l e t o r q u e s a r e o n l y q u a l i t a t i v e , n a m e l y a d j u s t a b i l i t y . F o r t h i s r e a s o n m o d e l e x p e r i m e n t s a r e o n l y p e r f o r m e d b y e x c e p t i o n . F u l l s c a l e e x p e r i m e n t a l d a t a a r e e v e n m o r e s c a r c e . T h i s c a n b e e x p l a i n e d b y t h e r e s t r i c t e d v a l u e o f t h e r e c o r d i n g s . A s c a n b e s e e n f r o m F i g u r e 1 t o r q u e s i n c l u d i n g a l l f r i c t i o n a l c o n t r i b u t i o n s c a n b e r e c o r d e d w i t h o u t t h e p o s s i b i l i t y o f a n a c c u -r a t e s e p a -r a t i o n i n t o c o m p o n e n t s . A l t h o u g h b e f o r e 1 9 6 0 i n s e v e r a l p u b l i c a t i o n s m e a s u r e m e n t s o f b l a d e s p i n d l e t o r q u e s a r e t r e a t e d , t h e r e s u l t s c a n n o t b e c o n s i d e r e d a s v a l u a b l e d e s i g n i n f o r m a t i o n , b u t h a v e t o b e r e g a r d e d a s i n c i d e n t a l i n f o r m a t i o n o f t h e q u a l i t a t i v e k i n d . T h e f i r s t a t t e m p t f o r s y s t e -m a t i c -m e a s u r e -m e n t s o n -m o d e l s c a l e w a s s u c c e s f u l l y p e r f o r -m e d i n 1 9 6 2 b y B o s s o w [ R e f . 1 0 ] . O v e r t h e e n t i r e r a n g e o f p i t c h a n g l e s t h e s p i n d l e t o r q u e c o e f f i c i e n t w a s m e a s u r e d f o r b l a d e a r e a r a t i o s o f 0 . 3 t o 0 . 9 , i n o p e n w a t e r c o n d i t i o n , a t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e a n d a t p o s i t i v e a d v a n c e r a t i o s . T h e m e a s u r i n g d e v i c e w a s a m e c h a n i c a l o n e b a s e d o n s p r i n g s . W i t h t h i s d e v i c e 9 0 0 m e a s u r e m e n t s w e r e p e r f o r m e d . T h e n e x t s t e p i n s p i n d l e t o r q u e m e a s u r e m e n t s w a s t h e i n t r o d u c t i o n o f s t r a i n g a g e s , w h i l e s p l i t t i n g u p m e c h a n i c a l l y t h e s p i n d l e t o r q u e f r o m t h e o t h e r m o m e n t s a n d f o r c e s . W i t h s u c h a d e v i c e t e s t s w e r e p e r f o r m e d a t D T M B t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t o f s p i n d l e a x i s l o c a -t i o n a n d -t y p e o f s e c -t i o n s [ R e f . 1 1 ] .
F u r t h e r i m p r o v e m e n t o f t h e m e a s u r i n g e q u i p m e n t o f f e r e d t h e p o s s i -b i l i t y t o i n v e s t i g a t e m o r e p a r a m e t e r s . I n R e f e r e n c e [ 1 2 ] r e s u l t s a t d i f f e r e n t R e y n o l d s n u m b e r s a n d c a v i t a t i o n n u m b e r s s h o w t h a t b o t h t h e s e p a r a m e t e r s h a v e e f f e c t s w h i c h m u s t n o t b e n e g l e c t e d . O n l y l a t e r o n i t w a s f o u n d t h a t t h e d e p e n d e n c y o n R e y n o l d s n u m b e r r e s u l t e d f r o m t h e t e s t s e t u p i n a c a v i t a t i o n t u n n e l . W i t h t e s t s c a r r i e d o u t i n a d e e p w a t e r b a s i n n o e f f e c t o f R e y n o l d s n u m b e r w a s m e a s u r e d [ 1 3 ] , [ 1 4 ] . I n t h e m e a n t i m e a l s o a t t h e NSMB a d e v i c e h a d b e e n d e v e l o p e d t o m e a s u r e s p i n d l e t o r q u e s u n d e r c a v i t a t i n g c o n d i t i o n s [ R e f . 1 5 ] . A l t h o u g h n o s y s t e m a t i c m e a s u r e m e n t s w e r e d o n e , t h i s i n s t r u m e n t w a s f u l l y o p e r a t i o n a l a n d w a s u s e d i n f i v e c o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s . N e v e r t h e l e s s i t w a s f e l t t h a t t h e r e s t i l l w e r e s o m e d r a w b a c k s o n e s s e n t i a l p o i n t s . I n 1 9 7 4 o n t h e a u t h o r s r e q u e s t t h e NSMB d e v e l o p e d n e w i n s t r u m e n t a t i o n f o r m e a s u r i n g s p i n d l e t o r q u e s . T h e e q u i p m e n t w a s b a s e d o n t h e p r i n c i p l e s o f t h e a l r e a d y o p e r a t i o n a l s i x c o m p o n e n t b a l a n c e f o r m e a s u r i n g s h a f t f o r c e s a n d m o m e n t s . T h e d e s c r i p -t i o n o f -t h i s f i v e c o m p o n e n -t d y n a m o m e -t e r w i l l b e g i v e n i n p a r a g r a p h 3 . 3 . F r o m t h e a b o v e i t c a n b e c o n c l u d e d t h a t m e a s u r i n g s p i n d l e t o r q u e s h a s a l w a y s b e e n d i f f i c u l t . O n l y r e c e n t l y a t v a r i o u s i n s t i t u t e s s i m u l t a n e o u s l y s o c a l l e d 5 c o m p o n e n t s d y n a m o m e t e r s f o r p r o p e l l e r b l a d e s w e r e d e v e l o p e d [ R e f . 1 6 , 1 7 ] , w i t h w h i c h a c c u r a t e m e a s u r e -m e n t s o n -m o d e l s c a l e a r e p o s s i b l e . 3 . 2 R e s u l t s o f p r e v i o u s m e a s u r e m e n t s F r o m t h e m e a s u r e m e n t s p e r f o r m e d w i t h t h e D T N S R D C s p i n d l e t o r q u e e q u i p m e n t o n l y t h e m o r e r e c e n t e x p e r i m e n t s a r e c o n s i d e r e d a s v a l u a b l e . S e e R e f . [ 1 4 ] . T h e s e e x p e r i m e n t s w e r e c a r r i e d o u t a s o p e n w a t e r t e s t s a n d c o n t r a r y t o t h e e a r l i e r e x p e r i m e n t s n o t i n a t u n n e l . U n f o r t u n a t e l y t h e s i x t e s t e d p r o p e l l e r s , a l t h o u g h c o v e r i n g a l a r g e r a n g e o f b l a d e a r e a r a t i o s a n d s k e w d i s t r i b u t i o n s , d o n o t h a v e s y s t e m a t i c a l l y v a r i e d p a r t i c u l a r s .
H o w e v e r , f r o m t h e r e s u l t s s o m e i m p o r t a n t c o n c l u s i o n s c a n b e d r a w n . T h e h i g h e s t a b s o l u t e v a l u e s o f t h e s p i n d l e t o r q u e c o e f f i c i e n t o c c u r a t v e r y l a r g e a d v a n c e r a t i o s a n d a t a d v a n c e r a t i o s c o r r e s p o n d i n g t o n e a r l y b o l l a r d c o n d i t i o n . S i n c e t h e v e r y h i g h a d v a n c e r a t i o s a r e o n l y p o s s i b l e i n t h o s e c o n d i t i o n s w h e r e t h e r o t a t i o n a l s p e e d i s l o w , t h e s e e x t r e m e v a l u e s o f s p i n d l e t o r q u e c o e f f i c i e n t d o n o t r e s u l t i n h i g h a b s o l u t e v a l u e s o f t h e s p i n d l e t o r q u e , f o r t h e s p i n d l e t o r q u e i s p r o p o r t i o n a l t o t h e r o t a t i o n a l s p e e d s q u a r e d . T h i s r e s t r i c t s t h e i m p o r t a n t a r e a t o t h e i n t e r v a l o f a d v a n c e r a t i o s a r o u n d b o l l a r d c o n d i t i o n , w h i c h i s i n f u l l a g r e e m e n t w i t h f u l l s c a l e e x p e r i e n c e a n d i s a l s o m e n t i o n e d i n R e f e r e n c e [ 1 7 ] . T h e r e s u l t s o f R e f e r e n c e [ 1 4 ] f o r z e r o a d v a n c e r a t i o a r e s u m m a r i z e d i n F i g u r e 8 . 4496 4575 4536 /
7
^ r -> -1.0 - 0 . 5 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 PITCH RATIO F i g u r e 8 . S p i n d l e t o r q u e s a s f u n c t i o n o f p i t c h s e t t i n g f o r b o l l a r d c o n d i t i o n .T h e m o s t d o m i n a n t e f f e c t o c c u r s d u e t o s k e w . B o t h s k e w b a c k o f a l l r a d i i a n d b a l a n c e d s k e w b a c k - f o r w a r d s k e w o f i n n e r r a d i i a n d b a c k w a r d s k e w o f o u t e r r a d i i - r e d u c e t h e s p i n d l e t o r q u e i n d e s i g n c o n d i t i o n . I n a d d i t i o n t h e g r a d i e n t o f s p i n d l e t o r q u e w i t h a d v a n c e r a t i o i s r e d u c e d a n d g e t s a n o p p o s i t e d i r e c t i o n f o r t h e l a r g e r s k e w v a l u e s . T h e c o n s e q u e n c e i s a m u c h s t r o n g e r n e g a t i v e s p i n d l e t o r q u e i n t h e l o w p i t c h l o w a d v a n c e r a t i o r a n g e , w h i c h m a k e s r e q u i r e d h u b d i m e n s i o n s l a r g e r . I n t h i s c o n d i t i o n b a l a n c i n g o f t h e s k e w h a s n o t m u c h i n f l u e n c e o n t h e s p i n d l e t o r q u e l e v e l . T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f R u s e t s k i y [ 6 ] c a n n o t b e c o m p a r e d d i r e c t l y w i t h t h o s e o f B o s s o w [ 1 0 ] s i n c e t h e b l a d e n u m b e r i s d i f f e r i n g . O t h e r p r o p e l l e r p a r a m e t e r s d i f f e r o n l y s l i g h t l y s o t h a t u s e o f b o t h s e r i e s o f t e s t s c o u l d g i v e a n i n d i c a t i o n o f t h e e f f e c t o f b l a d e n u m b e r . C o m p a r i s o n o f t h e r e s u l t s f o r t h e s a m e b l a d e a r e a s h o w s c u r v e s o f t h e s a m e s h a p e . H o w e v e r , t h e v a l u e s f o r t h e l o w e r b l a d e n u m b e r a r e h i g h e r d u e t o b l a d e i n t e r f e r e n c e e f f e c t s , F i g u r e 9 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 ADVANCE RATIO J F i g u r e 9 . C o m p a r i s o n o f s p i n d l e t o r q u e s f o r d i f f e r e n t b l a d e n u m b e r s w h e r e b l a d e s a r e c o m p a r a b l e .
F r o m R u s e t s k i i ' s t e s t r e s u l t s i t f o l l o w s t h a t t h e d e s i g n p i t c h a n g l e h a s a n i n f l u e n c e o n m a g n i t u d e o f s p i n d l e t o r q u e s i n o f f d e s i g n p i t c h p o s i t i o n . T h e m o s t i m p o r t a n t e f f e c t i s t h e i n c r e a s i n g v a l u e a t z e r o a d v a n c e r a t i o a n d l o w p i t c h v a l u e s w i t h i n c r e a s i n g d e s i g n p i t c h r a t i o ( F i g u r e 1 0 ) . T h i s m u s t b e e x p l a i n e d b y s e c t i o n s h a p e d e f o r m a t i o n . Cr o o 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1 . 0 1 . 1 D E S I G N P I T C H R A T I O P / D F i g u r e 1 0 . S p i n d l e t o r q u e s a t P / D = 0 . 2 a n d J = 0 a s f u n c t i o n o f d e s i g n p i t c h r a t i o . F r o m t h e r e s u l t s o f t h e e x p e r i m e n t s c a r r i e d o u t b y B o s s o w t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c a n b e d r a w n i n a d d i t i o n t o c o n c l u s i o n s a l r e a d y m e n t i o n e d i n R e f e r e n c e [ 1 0 ] .
F o r t h e d e s i g n p i t c h r a t i o ( i . e . P / D = 1 . 0 ) t h e s p i n d l e t o r q u e v a l u e o v e r t h e r a n g e f r o m s m a l l a d v a n c e r a t i o s t o 1 . 0 i s p r a c t i c a l l y p r o p o r t i o n a l t o t h e b l a d e a r e a r a t i o . T h i s a l s o m e a n s t h a t t h e a d v a n c e r a t i o w h e r e t h e s p i n d l e t o r q u e i s z e r o i s i n d e p e n d e n t o f t h e b l a d e a r e a r a t i o . T h i s c a n o n l y b e t h e c a s e w h e n t h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n s a r e s u c h t h a t l i f t a p p l i e s a t m i d c h o r d a s o c c u r s w i t h s h o c k f r e e e n t r y . F o r p o s i t i v e a d v a n c e r a t i o s t h e s p i n d l e t o r q u e i s l i n e a r w i t h t h e p i t c h r a t i o , a l t h o u g h t h e g r a d i e n t s t r o n g l y d e p e n d s o n t h e b l a d e a r e a r a t i o . F o r z e r o a d v a n c e r a t i o , w h e r e we n o r m a l l y e x p e c t t h e h i g h e s t s p i n d l e t o r q u e s f o r l o w p i t c h v a l u e s , t h e l i n e a r i t y w i t h b l a d e a r e a n o l o n g e r h o l d s . T h i s m u s t b e e x p l a i n e d b y t h e s e c t i o n d e f o r m a t i o n b e i n g l a r g e r f o r t h e l a r g e r b l a d e a r e a r a t i o s . F o r t h e s a m e r e a s o n w e s e e t h a t t h e p i t c h a n g l e a t w h i c h t h e s p i n d l e t o r q u e c h a n g e s s i g n i s c o n s i d e r a b l e l a r g e r f o r t h e l a r g e r b l a d e a r e a r a t i o s , w h e r e t h e s p i n d l e t o r q u e i s a l r e a d y n e g a -t i v e a n d w h e r e -t h e -t h r u s -t d i d n o -t y e -t r e v e r s e . 3 . 3 E x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e , p r o c e d u r e s a n d c o n d i t i o n s . I n o r d e r t o o b t a i n r e s u l t s o f s p i n d l e t o r q u e m e a s u r e m e n t s o n m o d e l s c a l e , w h i c h c a n b e p r o p e r l y s c a l e d t o f u l l s c a l e v a l u e s a n d w h i c h i n c o r p o r a t e a l l i m p o r t a n t e f f e c t s o f p h y s i c a l p h e n o m e n a , a 5 c o m p o -n e -n t d y -n a m o m e t e r b a s e d o -n s t r a i -n g a g e s h a s b e e -n d e v e l o p e d f o r u s e i n t h e d e p r e s s u r i z e d t o w i n g t a n k . U s i n g t h i s i n s t r u m e n t a t i o n t h e f o l l o w i n g a d v a n t a g e s a r e a c h i e v e d : P r o p e r s c a l i n g o f c a v i t a t i o n p h e n o m e n a i n t h e d e p r e s s u r i z e d t o w i n g t a n k w i t h o u t e a r l i e r o b s e r v e d w a l l e f f e c t s i n a c a v i -t a -t i o n -t u n n e l . C o m p r i s i n g t h e e f f e c t o f w a k e b e h i n d a s h i p m o d e l t o o b t a i n t h e c o r r e c t r a d i a l l o a d d i s t r i b u t i o n . T h e s p i n d l e t o r q u e v a l u e i s m u c h m o r e s e n s i t i v e f o r r a d i a l v a r i a t i o n s i n c i r c u m -f e r e n t i a l m e a n i n -f l o w v e l o c i t i e s t h a n t h r u s t a n d t o r q u e v a l u e s .
M e a s u r i n g t h e v a r i a t i o n s i n s p i n d l e t o r q u e d u r i n g a r e v o -l u t i o n o f t h e p r o p e -l -l e r i n t h e w a k e f i e -l d . P e r f o r m i n g s p i n d l e t o r q u e m e a s u r e m e n t s u n d e r t h e s a m e c o n -d i t i o n s a s t h o s e -d u r i n g p r o p u l s i o n t e s t s o r e v e n p e r f o r m i n g b o t h t e s t s s i m u l t a n e o u s l y a n d t h e r e f o r e u s i n g t h e s a m e s c a l e . T h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s o f t h e s p i n d l e t o r q u e m e a s u r i n g d e v i c e w e r e : s u f f i c i e n t s e n s i t i v i t y t o m e a s u r e o n e b l a d e o n l y n o i n t e r a c t i o n w i t h o t h e r f o r c e s a n d m o m e n t s s u f f i c i e n t s t i f f n e s s s u c h t h a t n a t u r a l f r e q u e n c y i s a t l e a s t 5 t i m e s h i g h e r t h a n f r e q u e n c y o f e x c i t i n g f o r c e s . F i g u r e 11 s h o w s t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e m e a s u r i n g d e v i c e . S t a t i c c a l i b r a t i o n t e s t s s h o w e d t h a t i n t e r a c t i o n o f s p i n d l e t o r q u e w i t h o t h e r f o r c e s a n d m o m e n t s o n l y i n f l u e n c e d t h e o u t p u t s i g n a l w i t h + 1% o f t h e m a x i m u m v a l u e . D y n a m i c c a l i b r a t i o n c a n b e p e r f o r m e d b y m e a s u r i n g t h e c e n t r i f u g a l t o r q u e d u r i n g p r o p e l l e r r o t a t i o n i n a i r . T h i s c e n t r i f u g a l t o r q u e c a n b e c a l c u l a t e d a s a c c u r a t e l y a s d e s i r e d a s w a s s h o w n i n p a r a g r a p h 2 . 5 . A n e x a m p l e o f d y n a m i c c a l i b r a t i o n i s g i v e n i n F i g u r e 1 2 . 0 . 5 - , 0 . 4 0 . 3 -0 . 1 CALCULATED MEASURED 0 . 5 PITCH RATIO P/D 1 . 0 1 . 5 F i g u r e 1 2 . D y n a m i c c a l i b r a t i o n o f s p i n d l e t o r q u e m e a s u r i n g d e v i c e .
T h e s i g n a l t r a n s f e r f r o m t h e m e a s u r i n g d e v i c e r e q u i r e s t h a t t h e s h a f t i s d r i v e n f r o m a s t e r n a s i s t h e n o r m a l m o u n t i n g d u r i n g m e a s u r e m e n t s o f d y n a m i c f o r c e s a n d m o m e n t s g e n e r a t e d b y t h e p r o -p e l l e r . A d u m m y s h a f t i n g g e n e r a t e s i t s -p a r t o f t h e w a k e f i e l d . S c a l i n g t h e v e l o c i t y , r o t a t i o n a l s p e e d a n d s t a t i c a i r p r e s s u r e o c c u r a c c o r d i n g F r o u d e ' s l a w i n o r d e r t o o b t a i n t h e c o r r e c t c a v i t a t i o n n u m b e r i n a n y p o i n t o f t h e p r o p e l l e r d i s k . A s u s u a l i n c a v i t a t i o n t e s t s R e y n o l d ' s l a w o f s i m i l a r i t y i s n o t f u l f i l l e d a n d t h i s i n t r o d u c e s s c a l e e f f e c t s i n t h e w a k e f i e l d . T h e e f f e c t o f R e y n o l d ' s n u m b e r r e l a t e d t o t h e p r o p e l l e r h a s b e e n i n v e s t i g a t e d . T h e r e s u l t s o f t h i s i n v e s t i g a t i o n r e v e a l t h a t n o s c a l e e f f e c t h a s t o b e e x p e c t e d b y n o t o b e y i n g t h e s c a l i n g l a w f o r f r i c t i o n p h e n o -m e n a o n t h e p r o p e l l e r b l a d e s . T h e t e s t s c o n d i t i o n s h a v e b e e n s e l e c t e d s u c h t h a t d e s i r e d c o m b i n a t i o n s o f c a v i t a t i o n n u m b e r a n d a d v a n c e r a t i o w e r e o b t a i n e d i n a s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n , w i t h o u t t a k i n g c a r e o f t r a n s l a t i o n a n d r o t a t i o n a l e q u i l i b r i u m . T h i s m e a n s t h a t t h e t e s t r e s u l t s r e p r e s e n t t r a n s i e n t c o n d i t i o n s s i m u l a t e d i n a q u a s i s t e a d y w a y . T h e j u s t i f i c a t i o n f o r n e g l e c t i n g h u l l a c c e l e -r a t i o n e f f e c t s h a s b e e n g i v e n i n R e f e -r e n c e [ 1 8 ] . A l t h o u g h i n e -r t i a e f f e c t s i n s h a f t r o t a t i o n d i f f e r i n o r d e r o f m a g n i t u d e f r o m t r a n s -l a t i o n i n e r t i a e f f e c t s a -l s o a q u a s i s t e a d y a p p r o a c h c a n b e a c c e p t e d f o r r o t a t i o n a l t r a n s i e n t s , s e e d i s c u s s i o n t o R e f e r e n c e [ 1 9 ] . T h e p a r t i c u l a r s o f t h e t e s t e d p r o p e l l e r s a r e g i v e n i n T a b l e 1 a n d t h e p l a n f o r m s o f t h e b l a d e s a r e s h o w n i n F i g u r e 1 3 . T h e p r o p e l l e r s h a v e b e e n t e s t e d i n b e h i n d c o n d i t i o n , t h e r e f o r e t h e w a k e f i e l d d a t a a n d s t e r n a r r a n g e m e n t a r e s h o w n i n F i g u r e s 1 4 a n d 1 5 .
.975 . 3 2 3 . 3 2 3 . 3 2 3 .291 . 2 5 9 . 0 0 3 7 . 0 0 3 7 . 0 0 3 7 . 0 0 3 7 . 0 0 3 7 . 0 0 3 0 . 0 0 3 0 . 0 0 3 0 . 0 0 3 0 . 0 0 3 0 .0897 . 0 . 0 4 0 6 .0897 . 0 3 9 7 . 9 5 . 4 0 9 . 4 0 9 . 4 0 9 . 3 6 8 .327 . 0 0 4 1 .0041 . 0 0 4 1 . 0 0 4 1 . 0 0 4 1 . 0 0 3 4 . 0 0 3 4 . 0 0 3 4 . 0 0 3 4 . 0 0 3 4 . 0 8 3 1 . 0 . 0 2 6 5 . 0 8 3 1 . 0 8 3 1 . 9 . 4 9 4 . 4 9 4 . 4 9 4 .444 . 3 9 5 . 0 0 5 4 . 0 0 5 4 . 0 0 5 4 . 0 0 5 4 . 0 0 5 4 . 0 0 3 9 . 0 0 3 9 . 0 0 3 9 . 0 0 3 9 . 0 0 3 9 . 0 7 7 1 . 0 .0140 . 0 7 7 : . 0 7 7 1 . 8 5 . 5 3 5 . 5 3 5 . 5 3 5 .481 . 4 2 8 . 0 0 6 9 . 0 0 6 9 . 0 0 6 9 . 0 0 6 9 . 0 0 6 9 . 0 0 4 4 . 0 0 4 4 . 0 0 4 4 . 0 0 4 4 . 0 0 4 4 . 0 7 1 3 . 0 . 0 0 6 3 .0713 . 0 7 1 3 . 8 .550 . 5 5 0 . 5 5 0 . 4 9 5 . 4 4 0 . 0 0 8 5 . 0 0 8 5 . 0 0 8 5 . 0 0 8 5 . 0 0 8 5 . 0 0 4 7 . 0 0 4 7 .0047 . 0 0 4 7 .0047 . 0 6 6 0 •o . 0 .066." . 0 6 6 0 .7 .535 . 5 3 5 . 5 3 5 .482 . 4 2 8 . 0 1 2 6 .0126 . 0 1 2 6 . 0 1 2 6 .0126 . 0 0 5 2 . 0 0 5 2 . 0 0 5 2 . 0 0 5 2 . 0 0 5 2 . 0 5 6 6 . 0 - . 0 0 5 6 . 0 5 6 6 . 0 5 6 c . 6 .481 . 4 8 1 . 4 8 1 . 4 3 3 . 3 8 5 . 0 1 7 3 . 0 1 7 3 . 0 1 7 3 . 0 1 7 3 . 0173 . 0 0 5 5 . 0 0 5 5 . 0 0 5 5 . 0 0 5 5 . 0 0 5 5 . 0 4 8 4 . 0 - . 0 0 6 5 . 0 4 8 4 . 0 4 8 4 . 5 .407 . 4 0 7 .407 . 3 6 6 . 3 2 5 . 0 2 3 3 . 0 2 3 3 . 0 2 3 3 . 0 2 3 3 . 0 2 3 3 . 0 0 5 3 . 0 0 5 3 .0053 . 0 0 5 3 . 0 0 5 3 . 0 4 3 1 . 0 - . 0 0 1 0 .0431 . 0 4 3 1 . 4 .331 . 3 3 1 . 3 3 1 . 2 9 8 . 2 6 5 . 0 3 2 1 .0321 , 0 3 2 1 . 0 3 2 1 .0321 . 0 0 4 3 . 0 0 4 3 . 0 0 4 3 . 0 0 4 3 . 0 0 4 3 . 0 3 8 7 . 0 .0173 . 0 3 8 " . 0 3 3 7 . 3 5 . 2 9 3 . 2 9 3 . 2 9 3 . 2 6 3 . 2 3 4 . 0 3 8 5 . 0 3 8 5 . 0 3 8 5 . 0 3 8 5 . 0 3 8 5 . 0 0 3 3 . 0 0 3 3 .0033 . 0 0 3 3 . 0 0 3 3 . 0 3 6 8 . 0 . 0 2 6 9 . 0 3 6 8 . 0 3 6 8 Hub. 1 , 214 1 , 214 1 , 214 1 , 214 1 , 214 . 2 6 5 . 2 6 5 . 2 6 5 . 2 3 8 . 2 1 2 . 0 4 4 4 . 0 4 4 4 . 0 4 4 4 . 0 4 4 4 . 0 4 4 4 . 0 . 0 . 0 . 0 •5 . 0 3 5 5 . 0 .0365 . 0 3 5 6 . 0 2 5 5 A l l p r o p e l l e r s a r e n o n - r a k e d . T y p e o f c a m b e r d i s t r i b u t i o n : N A C A a = 0 . 8 £g T y p e o f t h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n : e l l i p t i c a l . T a b l e 1 . P a r t i c u l a r s o f t e s t e d p r o p e l l e r s .
0 . 5 i = — ET- — d ' À ^/ NSI NSI **• - 1 8 0 1 8 0 . 1 . 0 8 . 0 . 9 7 - 0 . 7 5 - 0 . 6 5 - 0 . 4 3 . r / R = 0 . T A N G E N T I A L C O M P O N E N T S F i g u r e 1 4 . W a k e f i e l d d a t a .
3 . 4 R e s u l t s o f m e a s u r e m e n t s o f s t a t i c c o m p o n e n t s o f s p i n d l e t o r q u e . A l l r e s u l t s p r e s e n t e d i n t h i s p a r a g r a p h a r e b a s e d o n p r o c e s s e d s p i n d l e t o r q u e v a l u e s . T h e p r o c e s s i n g o f t h e m e a s u r e d d a t a c o n s i s t e d o f h a r m o n i c a n a l y s i s , s u b t r a c t i o n o f m e a s u r e d c e n t r i f u g a l m o m e n t s , c o r r e c t i o n w i t h d y n a m i c c a l i b r a t i o n d a t a a n d l e a s t s q u a r e r e g r e s s i o n . T h e p a r a m e t e r s a r e e x p r e s s e d i n n o n d i m e n s i o n a l c o e f f i c i e n t s d e f i n e d a s : QS h y d r o d y n a m i c s p i n d l e t o r q u e c o e f f i c i e n t KN< = — ~ — r
-^
p n V
a d v a n c e r a t i o c a v i t a t i o n n u m b e r a Vs ÏÏTJ PQ- e + p g h| p n
u
w h e r e : P = s t a t i c p r e s s u r e o r e = v a p o u r p r e s s u r e h = s h a f t s u b m e r g e n c e n = r o t a t i o n a l s p e e d Vs = s h i p s p e e d QS = s p i n d l e t o r q u e , p o s i t i v e v a l u e s t e n d t o e n l a r g e t h e p i t c h . O b v i o u s l y t h e r e s u l t s c a n b e p r e s e n t e d i n t w o w a y s : i n t h e u s u a l K „S- J d i a g r a m s a n d , 1 t h e Knc- a d i a g r a m s . O S n 3 K Q < - - J d i a g r a m s a n d , f o r t h e i l l u s t r a t i o n o f c a v i t a t i o n e f f e c t s , i n T h e c u r v e s s h o w i n g KQ<. a s f u n c t i o n o f an a r e i n p r i n c i p l e S - s h a p e d c u r v e s . F o r l a r g e r c a v i t a t i o n n u m b e r s n o c a v i t a t i o n o c c u r s a n d t h e r e w i l l b e n o e f f e c t o f c a v i t a t i o n n u m b e r o n t h e s p i n d l e t o r q u e v a l u e s . F o r l o w c a v i t a t i o n n u m b e r s t h e b l a d e w i l l f u l l y c a v i t a t e a t o n e s i d e a n d a l s o n o e f f e c t o f f u r t h e r r e d u c t i o n o f c a v i t a t i o n n u m b e r c a n b e n o t i c e d . A f u r t h e r r e d u c t i o n o f s t a t i c p r e s s u r e w o u l d c a u s e c a v i t a t i o n o n b o t h s i d e s o f t h e b l a d e s s i m u l t a n e o u s l y , b u t s u c h c o n d i t i o n s a r e n o t r e a l i s t i c .S o t h e K g 5-an c u r v e s s h o w t w o h o r i z o n t a l l i n e s w i t h a t r a n s i t i o n c u r v e i n b e t w e e n r e p r e s e n t i n g t h e c o n d i t i o n f r o m c a v i t a t i o n i n c e p t i o n t o f u l l c a v i t a t i o n . D u r i n g t h e t e s t s i t w a s o b s e r v e d t h a t t h e d i f f e r e n c e i n s p i n d l e t o r q u e f o r n o n c a v i t a t i n g a n d f u l l y c a v i t a t i n g b l a d e s i s l a r g e a n d c a n b e o f t h e s a m e m a g n i t u d e a s t h e s p i n d l e t o r q u e v a l u e i t s e l f . T h i s m e a n s t h a t t h e u s e o f s p i n d l e t o r q u e v a l u e s o b t a i n e d f r o m t e s t s u n d e r a t m o s f e r i c c o n d i t i o n f o r e n g i n e e r i n g p u r p o s e s c a n b e u n r e a l i s t i c . O n l y f o r t h e s m a l l p i t c h a n g l e s o f t h i s s e r i e s o f p r o p e l l e r s t h e i n f l u e n c e o f c a v i t a t i o n n u m b e r a p p e a r e d t o b e m i n o r , w h i c h c a n b e e x p l a i n e d f r o m t h e f a c t t h a t i n t h e s e c o n d i t i o n s n o c a v i t a t i o n w a s o b s e r v e d . H o w e v e r t h i s d o e s n o t m e a n t h a t t h e s a m e w i l l h o l d f o r o t h e r t y p e s o f p r o p e l l e r s , i n p a r t i c u l a r n o t f o r t h o s e w i t h a s t r o n g p i t c h r e d u c t i o n t o w a r d s t h e t i p w h e r e c a v i t a t i o n c a n o c c u r f o r t h e s a m e r a n g e o f c a v i t a t i o n n u m b e r s . T h e t e s t s c o n f i r m e d t h e e f f e c t o f b l a d e a r e a r a t i o a n d s k e w o n s p i n d l e t o r q u e a s a l r e a d y m e n t i o n e d i n t h e p r e v i o u s p a r a g r a p h . T h e i n f l u e n c e o f c a v i t a t i o n d o e s n o t r e d u c e a n y o f t h e s e e f f e c t s . T h e i n f l u e n c e o f b l a d e a r e a r a t i o a n d s k e w i n c a v i t a t i n g c o n d i t i o n c a n m a i n l y b e e x p l a i n e d b y a r m e f f e c t s i . e . t h e u n d e r p r e s s u r e p e a k d u e t o a n g l e o f a t t a c k h a s a w e i g h i n g f a c t o r i n t h e p r e s s u r e i n t e g r a t i o n d e p e n d i n g o n b l a d e a r e a r a t i o a n d s k e w d i s t r i b u t i o n . W h i l e o f c o u r s e t h e e a r l i e r m e n t i o n e d s e c t i o n d e f o r m a t i o n , w h i c h s t r o n g l y d e p e n d s o n b l a d e a r e a a n d s k e w , c a u s e s i n c a v i t a t i n g c o n d i t i o n s t h e s a m e e f f e c t s a s i n n o n c a v i t a t i n g c o n d i t i o n s . F r o m F i g u r e 16 i t c a n b e s e e n t h a t t h e g r a d i e n t o f K Q J f o r n o n s k e w e d p r o p e l l e r B i s l a r g e r t h a n f o r t h e s k e w e d p r o p e l l e r A . C a v i t a t i o n r e d u c e s t h i s e f f e c t . F u r t h e r m o r e i n c r e a s i n g s k e w b a c k t o m o d e r a t e v a l u e s r e d u c e s t h e b l a d e s p i n d l e t o r q u e f o r l a r g e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e p i t c h a n g l e s i n b o l l a r d c o n d i t i o n . B a l a n c e d s k e w ( p r o p e l l e r C ) g i v e s a r e d u c t i o n i n s p i n d l e t o r q u e f o r p o s i t i v e p i t c h a n g l e s , h o w e v e r f o r t h e n e u t r a l p i t c h i n t e r v a l h a r d l y a n y e f f e c t w a s o b s e r v e d .
ADVANCE RATIO J
F i g u r e 1 6 . S p i n d l e t o r q u e c o e f f i c i e n t a s f u n c t i o n o f a d v a n c e r a t i o f o r p r o p e l l e r s A - C , w i t h o u t c a v i t a t i o n a n d f o r a = 1 . 5 .
F i g u r e 1 7 . S p i n d l e t o r q u e c o e f f i c i e n t a s f u n c t i o n o f a d v a n c e r a t i o f o r p r o p e l l e r s D a n d E , w i t h o u t c a v i t a t i o n a n d f o r a = 1 . 5 .
F r o m F i g u r e 1 7 i t a p p e a r s t h a t b l a d e a r e a r e d u c t i o n g i v e s t h e s a m e t r e n d s a s m o d e r a t e s k e w i n g b a c k w a r d . T h e r e d u c t i o n d u e t o r e d u c e d b l a d e a r e a f o r n e g a t i v e p i t c h a n g l e s i n c a v i t a t i n g c o n d i t i o n c a u s e s t h a t v a l u e s o f s p i n d l e t o r q u e c o e f f i c i e n t i n n e u t r a l p i t c h p o s i t i o n a r e e v e n h i g h e r a n d t h u s n e u t r a l p i t c h c o n d i t i o n s b e c o m e d e t e r m i n a n t i n a n a l y s i n g s p i n d l e c a p a b i l i t y . F o r t h e n e u t r a l p i t c h i n t e r v a l t h e s p i n d l e t o r q u e c o e f f i c i e n t f o r s m a l l e r b l a d e a r e a s i s d e f i n a t e l y i n f l u e n c e d b y c a v i t a t i o n . I n c o n n e c t i o n w i t h t h i s i t i s u s e f u l t o p o i n t o u t t h a t t h e s p i n d l e t o r q u e c o e f f i c i e n t i t s e l f i s n o t e n t i r e l y d e c i s i v e f o r t h e a b s o l u t e s p i n d l e t o r q u e l e v e l . F r o m t h e d e f i n i t i o n s o f Kn c ; a n d a c a n b e d e r i v e d t h a t f o r a p a r t i c u l a r p r o p e l l e r * | J n i y OS Q = c o n s t . — . T h e r e f o r e i n F i g u r e 1 8 f o r p r o p e l l e r B t h e s °n K0 S r e l a t i o n b e t w e e n a n d a d v a n c e r a t i o i s g i v e n . T h i s F i g u r e d e m o n s t r a t e s t h a t , a l t h o u g h c a v i t a t i o n r e d u c e s t h e s p i n d l e t o r q u e c o e f f i c i e n t , t h e h i g h e s t s p i n d l e t o r q u e s o c c u r i n c a v i t a t i n g c o n d i t i o n . ADVANCE RATIO J 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 0 0 . 8 -- 0 . 4 . - 1 . 2 W I T H O U T C A V I T A T I O N an = 1 . 5 o -F i g u r e 1 8 . ^Q^/°n as f u n c t i o n o f Jg f o r p r o p e l l e r B .
