Kul Laivaprojekti. Luento 1: Vastus ja propulsio. Kul Laivaprojekti

Transkriptio

1 Luento 1: Vastus ja propulsio Kul Laivaprojekti Sovellettu mekaniikka Meritekniikan tutkimusryhmä Kul Laivaprojekti Tavoitteena on oppia laivan konseptisuunnittelun työvaiheet omalla työllä opettajien ohjauksessa Opitaan soveltamaan nykyaikaisia laivateknisiä ohjelmistoja (Napa-ohjelmisto) 5 lisäpistettä Työ tehdään kahden (joskus kolmen) oppilaan ryhmissä Edellytyksenä on, että laivan konseptisuunnittelun kurssin sisältö osataan! lisäksi hydrodynamiikan perusteet, vakavuus, laivan rakenteet, laivan koneistot auttaa selvitymään työstä paremmin Luennot: 1. laivanvastus ja koneteho 2. laivan koneisto 3. laivan yleisjärjestely 4. laivan runkorakenne 5. laivan omapaino ja vakavuus 6. kustannuslaskenta hydrostatiikka linjakuvat vuotopituus ja varalaita päämitat ja alustava tehontarve yleisjärjestely kuljetustehtävä valmistusaineisto rakenne valmistuskustannukset vuotovakavuus omapaino tehontarve ja kuljetuskoneisto konseptisuunnittelu alkusuunnittelu sopimussuunnittelu lastikapasiteetti ja ehjän aluksen vakavuus

2 Laivan vastus ja kuljetuskoneiston teho konseptisuunnittelussa luennon tavoite lähdeaineistoa lähtökohdat kuljetuskoneiston tehoon liittyvät käsitteet laivan hinausvastus erään lastilaivan hinausvastus w ja t kertoimet potkurin hyötysuhteen arviointi erään lastilaivan moottoritehon ennustaminen potkuriparametrit laivasuunnittelun hydrodynamiikan kysymyksiä Suunnitteluspiraali ja laivaprojekti linjakuvat päämitat ja alustava tehontarve kuljetustehtävä valmistuskustannukset vuotovakavuus konseptisuunnittelu alkusuunnittelu sopimussuunnittelu hydrostatiikka valmistusaineisto lastikapasiteetti ja ehjän aluksen vakavuus vuotopituus ja varalaita omapaino yleisjärjestely rakenne tehontarve ja kuljetuskoneisto

3 Luennon tavoite: opettaa kuinka laivan vastusta ja konetehoa voidaan arvioida rajoitetulla määrällä tietoa projektilaivasta Lähdeaineistoa Kurssi laivahydrodynamiikan perusteet Matusiak, Laivan propulsio, TKK/laivalab M-176 Saunders, Hydrodynamics in ship design, Vol II Schneekluth, Ship design for efficiency and economy Harvald, Resistance and propulsion of ships PNA, Resistance, Propulsion vol II

4 Lähtötilanne lähtötilanne laivasuunnittelussa on seuraava: laivan maksiminopeus v tyynessä vedessä on annettu ja olisi määrättävä sen vaatiman kuljetuskoneiston teho, laivan suunnittelussa on pyrittävä mahdollisimman pieneen liikevastukseen ja erityisesti korkeaan propulsiohyötysuhteeseen ja näin saadaan pieni moottoriteho, laskennan lähtötilanne: suoritetaan insinöörimäinen arvaus hyväksikäyttäen laivatyyppitilastoa P B = f(v, DWT) Seuraavassa vaiheessa kannattaa siirtyä regressiopohjaisiin vastuslaskentamenetelmiin P [kw] P = DWT kantavuus [DWT] Laivan koneiston tehoon liittyvät käsitteet hinausvastuksen (total resistance) R T arviointi, josta saadaan hinaustehon (effective power) suuruus: P E = R T v laivan perään sijoitetun potkurilaitteen hyötysuhteen arviointi, propulsiohyötysuhde (propulsive efficiency): η D = η 0 η H η R saadaan potkurin vaatima teho (delivered power at propeller): P D = P E /η D voimansiirtolaitteen hyötysuhde (shafting efficiency) η S, akseliteho (shaft power): P S = P D / η S P S akseliteho P B päämoottorin teho R T = T (1 t) hinausvastus T työntö P D potkuriteho P T työntöteho

5 Kuljetuskoneiston mitoitus päämoottorin nimellistehon MCR (maximum continues rating) ja pyörimisnopeuden (rate of revolution) n valinta. laskennallinen kuljetustehoennuste varmistetaan yleensä laivatilauksen jälkeen mallikokeiden (hinausvastus- ja propulsiokoe) avulla Laivan hinausvastuksen laskenta laivan tyynenveden hinausvastuksen R T jakoi W. Froude vuonna 1872 kitkavastukseen R F (Re) ja jäännösvastukseen R R (Fn), jolloin mallikokeen vastustulos saatiin skaalattua täyden mittakaavan laivalle. Laivan vastus voidaan esittää dimensiottomassa muodossa: C T = C F + C R + C A jossa C i dimensioton vastuskerroin C i = R i 1 2 ρv2 S V laivan nopeus, S märkä pinta-ala ja ρ veden tiheys, R kitkavastus jäännösvastus

6 Kitkavastus kitkavastus on yhtä suuri kuin tasolevylle, jolla on sama märkäpinta-ala kuin laivalla, ITTC 1957 esitti kitkavastuskertoimelle lausekkeen: C F = 0,075 (lg R n 2) 2 jossa Reynold sin luku Re = v L ν ν kinemaattinen viskositeetti, kun T = 15 o C ja 3,5 % merivesi ν = 1, [m 2 /s] Jäännösvastus R R (Fn) standardilinjasarjojen (methodical series of ship models) avulla, joista esim. ovat Taylor, Series 60 ja BSRA, katso PNA Vol II sivut Näissä saadaan myös rungon muoto ja propulsiokertoimet: w ja t. Mallikokeista voidaan tässä tapauksessa välttyä, kuitenkin usein on tilanne, etä linjojen muoto vanhenee esim. Taylorin tapauksessa. Tällöin sarjat muuttuvat laskumenetelmiksi, vastuslaskentamenetelmät, jotka perustuvat ei-systemaattiseen koeaineistoon (statistical analysis of model data), esim. LAP, Danckwart ja uusin Holtrop, jossa otetaan huomioon laivan muodon vaikutus kitkavastukseen eli käytetään viskoosivastusta. Schneekluthin jäännösvastuslauseke, joka perustuu Taylor-Gertlerin ja Guldhammer- Harvaldin jäännösvastuskertoimiin: 10 3 C R = (10 F n 0,8) 4 (10 C p 3,3) 2 (10 3 C + 4) 1, C 0,05 + 0,2 +(B/T 2,5)0,17 lausekken rajat : Frouden luku F n = 0,17 0,30 uppouman hoikkuusluku C = /L 3, 10 3 C = 2 11 prismaattinen täyteläisyysaste C P = 0,5 0,8 uppouman täyteläisyysaste C B < C B Ayre + 0,06, jossa C B Ayre = 1,08 1,68 F n

7 Laivan lisävastuskomponentit tilastolisä tai mittakaavatekijä (model-ship correlation allowance) C A sisältää laivan ja mallin välisen pinnankarheuseron, mallikoelaitoksen tai telakan oman korrelaatiokertoimen, lisävastuskerroin olisi aina pidettävä vakiona saman kokoisille laivoille. Sen suuruus on hinausvastuksesta noin 10 3 C A = , laivan ulokkeet: peräsin, palleköli ja akselinkannattaja lisäävät jäännösvastuskerrointa C R noin 6 % laivan liikkuessa syntyy vauhtituulen vaikutuksesta ilmanvastus, joka on riippuvainen laivan projektiopinnasta, esim. kansirakennuksen korkeudesta, lisävastuksen suuruus on noin 10 3 C AA = Laivan ohjailusta tuleva vastuslisä 10 3 C AS = 0.04 Multflex lastilaivan hinausvastus (Harvald,1983) 4,5 4,0 10 vesiviivapituus L WL = m C 3,5 C T laivan hydrodynaaminen pituus L OS = m 3,0 1,5 syväys T = 9.10 m luotiviivojen välinen pituus L PP = m 2,5 leveys B = m 2,0 mallikoelaitoksen ennuste C F 1,0 uppouman tilavuus m3 0,5 uppouman täyteläisyysaste C B = ,0 keskilaivankaaren täyteläisyysaste C M = prismaattinen täyteläisyysaste C P = ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 F n 0,30 uppouman hoikkuusluku 0,00723 märkäpinta-ala S = 3952 m 3 PP KVV KP L PP /2 L KVV L OS

8 Vanavesikerroin w Potkurin kohtaaman veden virtaukseen vaikuttaa laivan runko eli laiva vetää vettä mukanaan. Potkurilaskelmissa käytetään potkurin ympyrällä olevan virtausnopeuden keskimääräistä nopeutta, jota enenemisnopeudeksi V A kutsutaan: V A = V (1-w), jossa w on vanavesikerroin (wake fraction) alkusuunnitteluun sopivia yksinkertaisia lausekkeita vanavesikertoimen laskemiseksi on esitetty lukuisa joukko. Esimerkkinä Taylorin lausekkeet: yksipotkurilaivalle: w = 0,5 C B - 0,05 kaksipotkurilaivalle: w = 0,55 C B - 0,20, yksipotkurisen laivan vanavesikerroin kasvaa kun uppouman täyteläisyys kasvaa, perän kaaret muuttuvat U- muotoisemmiksi, potkurin halkaisija tai välykset pienenevät kaksipotkurisen laivan vanavesikerroin on yksipotkurisen laivan vastaavaa pienempi, jos ne ovat rungoltaan samanmuotoiset. Etäisyys laidoitukseen ja virtauksen homogeenisuus vaikuttavat, Harvaldin kirjassa sivulla 166 on esitetty käyrästö, jonka avulla voidaan alkusuunnittelussa määrätä yksipotkurisen laivan vanavesikerroin w uppoumantäyteläisyyden C B funktiona kun parametrina on B/L-suhde. Lisäksi suoritetaan kaarenmuodon ja potkurinhalkaisijan korjaukset. mallikokeiden avulla saadut vanavesikertoimet kärsivät mittakaavan vaikutuksesta, Työnnönvähennyskerroin laivan perässä oleva potkuri kiihdyttää virtausta, mistä seuraa Bernoullin yhtälön pohjalta paineen aleneminen ja siten vastuslisä, jota kutsutaan työnnön vähennykseksi. Työnnönvähennystä kuvataan dimensiottomalla kertoimella (thurst reduction fraction): t = R T = T R T T työnnönvähennys koostuu kolmesta komponentista kuten vanavesikerroin: kitka-, potentiaalivirtauksesta ja aaltokomponentista. Työnnönvähennyskerroin voidaan karkeasti arvioida seuraavilla lausekkeilla: yksipotkurilaiva t = w kaksipotkuriselle laivalle t = 1.25 w työnnönvähennys voidaan määrittää mallikokeiden avulla (Hardvald), kerroin on laivassa hiukan suurempi kuin mallissa eli mittakaava vaikuttaa. täyteläisissä laivoissa työnvähennys voi tuottaa yllätyksen.

9 Siipiprofiiliin vaikuttavat voimat x U i dt φ Vr UA dl β i α e α g V g U T VA dk β βi ω r Potkurin hyötysuhteen laskenta Saunders, vol II, s C T = T 2 0,5 ρ A 0 V A 8 4 lähtötiedot: laivan nopeus V potkurin D ja n hinausvastus R T potkurin työntö T = R T / (1 -t ) potkurin etenemisnopeus V A = V (1 - w) potkurin hydraulinen pinta-ala A O = π D 2 / 4 työntökuormituskerroin C T = T 2 0,5 ρ A 0 V A η K etenemisluku λ = V A π n D potkurin suunnittelussa tämän jälkeen suoritetaan optimointi käyttäen potkurimalli koesarjoja eli potkurikäyrästöjä hyväksi. Potkurin kavitaatiotarkastelu on myös suoritettava λ = V A π n D lapaluku

10 Multiflex lastilaivan moottoriteho P B laskettu potkurin ideaalihyötysuhteen η K arvo on noin 10 % korkeampi kuin mallikokeella saatu potkurin avovesihyötysuhde η 0, katso Harvald, s Toisaalta laivan laskettu hinausvastus oli myös samaa suuruusluokkaa suurempi kuin mallikokeen vastaava, Erot kumoavat toisensa ja tässä tapauksessa alkusuunnittelumenetelmä antaa hyvän lopputuloksen. Saatua tulosta ei pidä kuitenkaan yleistää P B [kw] potkurikäyrästöstä lähde[harvald, s. 317] ideaalihyötysuhteen η K avulla mallikokeiden tulos 0 0,15 0,17 0,19 0,21 F n 0,23 0,25 Multiflex lastilaivan moottoriteho P B nopeuden P funktiona. B [kw] hidaskäyntinen päämoottori B&W, jonka MCR teho on 4930 kw, valitaan moottorin toimintapisteeksi 80% MCR arvosta, CSR (Continues Service Rating), joka vastaa tehoarvoa 3944 kw ja valitaan 0.5 solmun reservi, laivan maksiminopeudeksi telakka voi valita alkusuunnit-teluvaiheessa 14.5 solmua syväydellä T = 9.1 m ,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 V [solmua]

11 Laivan hydrodynamiikkaan liittyvät kysymykset viskoosivastus (virtauksen irtoaminen, pallepyörre), palteen muoto ja vesiviivojen muoto pallekölien ja ohjauspotkurin tunnelin geometria aaltovastus (laivan herättämän aaltojärjestelmä): keulan aukeamiskulma, olkapäiden paikka peräpeilin ja bulbin geometria matalan veden vaikutus propulsio (propulsiolaitteen hyötysuhde ja herätteet): perälaivan ja akselinkannattajien geometria potkurin geometria, välykset sekä potkurin ja moottorin vuorovaikutus ohjailu (kääntyminen ja kurssivakavuus): peräsimen paikka ja geometria peräulokkeen suuruus merikelpoisuus (liikkeet, kannelle tuleva vesi, pohjaiskut) keulan varalaita ja vedenpäällisen osan muoto (flare) keinunta ja sen vaimennus Potkuri yksipotkurijärjestelmä on hyötysuhteeltaan paras valitse mahdollisimman suuri halkaisija potkurille ottaen huomioon, että potkurin välykset runkoon nähden on riittävät. Potkuri ei saa mennä perustason alapuolelle, koska tällöin on vaarana, että se vahingoittuu pohjakosketuksessa, η H = 1 t 1 w

12 Potkurivälykset a > 0.10 D (DNV.n suositus), c > 0,2 D (4-lapainen potkuri, DNV:n suositus), c > 0.1 mm/kw (Vossnack), b > 0.27 D (4-lapainen potkuri, DNV:n suositus), b > 0.23 mm/kw (Vossnack). c a b 0.7 R AP 0.04 L Potkurin parametrien valinta päämoottorin tehon kasvaessa ja potkurin halkaisijan säilyessä vakiona niin potkurien siipien pinta-alaa on kasvatettava kavitaatio vaaran vuoksi, josta seuraa potkurin hyötysuhteen aleneminen, potkurin pyörimisnopeuden kasvaessa hyötysuhde alenee ja optimihalkaisija pienenee, potkurin lapaluku on yleensä 4 potkurin navan halkaisija d mahdollisimman pieneksi. Säätösiipipotkurissa mekanismit vaativat suuremman navan halkaisijan, potkurin nousun ja halkaisijan välinen suhde usein vapaa muuttuja, jota optimoidaan.

13 Hydrodynaamisen suunnittelun työkalut mallikokeet, tekniikka pohjautuu W. Frouden tutkimustuloksiin luvulta, muodostavat hydrodynaamisen tutkimuksen ja suunnittelun perustan mallikokeiden ongelmana on ajallinen kesto ja myös hinta mallikoesarjojen avulla on laadittu regressiomalleja niin vastukselle kuin potkureille regressiomallien tehokas käyttö perustuu täysmittakaavakokeiden antamaan palautteeseen, joiden pohjalta voidaan saada varmuus mallien pätevyysalueesta ja tarkkuudesta. numeerinen laskenta tulee lähivuosina korvaamaan regressiomallit Laivahydrodynamiikan viimeaikaisia saavutuksia 70-luvulla energiakriisin myötä alkoi voimakas kehitystyö, joka tähtäsi laivan polttoaineen kulutuksen pienentämiseen: laivan runkogeometrian kehittäminen niin, että aaltovastus pieneni propulsiolaitteeen hyötysuhteen kasvattaminen, erityisesti kehittämällä perälaivan muotoa: epäsymmetriset bulbiperät alavirtausperät vastakkain pyörivät potkurit laivan kulkuasennon ja pinnankarheuden vaikutus tehotarpeeseen 80-luvulla laivan akustisen suunnittelun vaatimukset kiristyivät ja sen seurauksena värähtely- ja meluherätteiden tasot alenivat: vanaveden tasaisuus, potkurikaivon muoto hiljaiset potkuri: voimakkaasti kierretyt ja kärjestä kevennetyt 90-luvulla uudet laivakonseptit ja turvallisuuskysymykset: hydrodynaamisella suunnittelulla keskeinen merkitys: SWATH: merikelpoisuus, katamaran: nopeus, hybridialus SES: nopeus ehjän ja vuotavan laivan vakavuus aallokossa POD-propulsio:hyötysuhde, ohjailu