Propulsjonsløsninger for Hurtigbåter - Boat Design Net

Propulsjonsløsninger forHurtigbåterPresentert av:Aage BergForberedt av:Sverre Steen (med litt bistand av Aage Berg)Møte i Brukerforum for Marint Maskineri – Hurtigruten 6 juni 2002MARINTEK1

Propulsjonsløsninger for hurtigbåter• Vannjet• Konvensjonell propell• Fast stigning• Variabel stigning• Spesielle propellere• Super-kaviterende• Overflate-skjærende• Z-drevMARINTEK2

Kavitasjon -> Støy og vibrasjoner• Den viktigste årsaken til propellstøy-problemer påhurtiggående fartøy er kavitasjon!• Støy og vibrasjoner forplanter seg fra propellen gjennomvannet til skroget• Vibrasjoner forplanter seg også direkte fra propellen tilskipet via akslingenMARINTEK4

Vannjet• Fordeler• Forutsigbar ytelse (lav risiko)• Lavere utviklingskostnader for fartøyet (standard-løsninger)• Lavt støy- og vibrasjonsnivå• Gode crash-stopp og manøveregenskaper• Ulemper• Lavere virkningsgrad (?)• Pris?• Last-variasjoner i sjøgang (luftsuging)• Retningstabilitet til fartøyetMARINTEK5

Vannjet - EnergiomsetningTowards InletInletPumpStatorNozzleOutletKinetic Energy (velocity)Potential energy (pressure)Hydrostatic PressureMARINTEK6

Vannjet - prinsipp• Vannet bremses ned før impelleren-> Redusert kavitasjonsfare-> Øket pumpevirkningsgrad• Ingen utstikkende deler reduserermotstand og fare for skader• Styrbare dyser med reversering gir godmanøvrerbarhet i lav hastighetFWDNeutralRev.StatorImpellerSteering/ReversingNozzleInletShaftMARINTEK7

KaMeWa 325 Serie vannjetMARINTEK8

MARINTEK9

Vannjet – luftsuging i sjøgang• Problem ved flush inntak og liten dypgang• Reduserer virkningsgrad• Stor belastning på maskineriMARINTEK10

PropellKavitasjonsfri eller delvis kaviterende• Fordeler• Enkelt og rimelig• Velegnet for mindre fartøyer i moderate hastigheter• Ulemper• Integrasjon med skroget vanskelig. Skrå aksel og braketter fører tiløket motstand• Støy og vibrasjoner• Kavitasjonsproblemer• Ventilasjon og kavitasjon på rorgir fare for manøvreringsproblemerMARINTEK11

Vribar vs. Fast Propell• Fordeler ved fast stigning• Pris• Enklere, redusert vedlikehold og fare for feil• Høyere maksimal virkningsgrad ved design-kondisjon• Fordeler ved variabel stigning• Høyere virkningsgrad ved “off-design” kondisjoner• Bedre evne til å passere “hump-speed” (ved planing)• Mindre kavitasjon, støy og vibrasjoner ved “off-design”• Bedre manøvrerbarhet i lav hastighet• Raskere akselerasjon• Kortere crash-stopp lengdeMARINTEK12

Propell i propell-tunnell (halv-tunnell)• Fordeler• Meget god virkningsgrad. Tunnell-løsning reduserer problemknyttet til aksel og braketter.• Lavt støynivå ved riktig design• Lavere skrogmotstand (p.g.a mindre speilareal)• Ulemper• Risiko for dårlig virkningsgrad og høyt støy og vibrasjonsnivå• Kan gi retning-stabilitetsproblem på enkeltskrogsfartøy• Krever god design og modellprøving!MARINTEK13

Servogear - løsningerM/S StrandafjordMARINTEK14

Lavere turtall – øket stigningStørre diameter – redusert klaringMARINTEK15

Prosjekt “Flagg”1.050Residual resistance coeff. Cr1.0000.9500.9000.8500.8000.7500.7000.650M-2328AM-2328BM-2328CM-2328D0.6000.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05Froudes no0.6900.680Quasi propulsive eff. ηD0.6700.6600.6500.6400.630M-2328A0.620M-2328BM-2328C0.610M2328D0.60029 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41Ship Speed [knots]MARINTEK16

Z-drev• Fordeler• Høy virkningsgrad• Lavt støy- og vibrasjonsnivå• Kavitasjonsikkerhet• Sjøgangsegenskaper• Ulemper• Pris• Driftsikkerhet• Stor dypgang• Manøvrering?MARINTEK17

Overflateskjærende propell• Fordeler• Egnet for svært høye hastigheter (V>40 knop)• Ingen appendix eller propell-boss neddykket• Ulemper• Lav virkningsgrad ved lave hastigheter gir:• problemer i “take-off”• Store sidekrefter (må ha to propellere)• Lager mye sprutArneson DriveCPS DriveMARINTEK18

Surface-Piercing PropellerPartly VentilatedFully VentilatedFrom Niclas Olofsson PhD thesisMARINTEK19

Super-kaviterende• Fordeler• Egnet ved svært høye hastigheter (V>40 knop)• Ulemper• Generelt relativt lav virkningsgrad• Dårlig virkningsgrad ved lave hastigheter gir:• problemer ved akselerasjon og “take-off”• manøvreringsproblem i lave hastigheterMARINTEK20

Ventilasjon og kavitasjon på ror• Mulig problem vedkonvensjonelle og halv-tunnellarrangementer• Kan føre til tap av styrekraft• Kan føre til plutselige endringeri sidekraft og/eller løft påhekken -> problemer meddynamisk stabilitetMARINTEK21

Båter testet i Prosjektet Kystfart.No. Name Length [m] Propulsion1 Bergen Kreds 20 2 Propellers2 Eidvinvik 11,3 2 Waterjets3 Solund 14 2 Propellers4 Øyvon 16,3 2 Propellers5 Sea Prince 10,6 2 Propellers6 Kingen 15,15 2 PropellersØyvonSea PrinceMARINTEK22

Non-Dimensional Turning Diameter23-35 knotsTurning Diameter/LPP [-]20,018,016,014,012,010,08,06,04,02,00,0WJ1 FN=0.852 FN=1.473 FN=1.324 FN=1.426 FN=1.060 10 20 30 40Rudder Angle [degrees]MARINTEK23

Non-Dimensional Turning Diameter15 knotsTurning Diameter/LPP [-]18,016,014,012,010,08,06,04,02,00,0WJ1 FN=0.552 FN=0.733 FN=0.664 FN=0.615 FN=0.760 10 20 30 40Rudder Angle [degrees]MARINTEK24

1.st Overshoot angle 10/10 Zigzag12Overshoot angle [degrees]108642WJ00,00 0,50 1,00 1,50 2,00Froude No. [-]12346MARINTEK25

2.nd Overshoot angle 10/10 ZigzagOvershoot angle [degrees]876543210WJ0,00 0,50 1,00 1,50 2,00Froude No. [-]12346MARINTEK26

Non Dimensional Initial Turning Time9,00Non Dimensional InitialTurning Time [-]8,007,00WJ6,005,004,003,002,001,000,000,00 0,50 1,00 1,50 2,00Froude No. [-]12346MARINTEK27

Manøvrering• Vannjet gir rimelig god manøvrerbarhet i de flestesituasjoner• Propell og ror gir god manøvrerbarhet i full fart, menproblemer kan oppstå med kavitasjon/ventilasjon på ror• Løsninger med to vribare propellere gir godelavhastighetsmanøvreringsegenskaperMARINTEK28

Virkningsgrad til ulike propulsorer8070ConventionalPropellersWaterjetsSurface-PiercingPropellers60Propulsor efficiency [%]50403020Super-CavitatingPropellers1000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Speed [knots]MARINTEK29

Oppsummering• Vannjet er en trygg og god løsning på større fartøyer(L>35 m) og ved høye hastigheter (V>30 knop)• Konvensjonelle propellere og halvtunneller er de mesteffektive, men krever gjennomtenkte løsninger for å unngåproblemer• Konvensjonelle propellere best for mindre båter (L