Cap. 3

Tyukodi Szilard Estimarea caracteristicilor propulsive

Capitolul 3. Estimarea caracteristicilor propulsive

3.1. Componentele rezistenţei la înaintare

Rezistenţa totală la înaintare RT, este dată de componenta după axa orizontală a

rezultantei forţelor hidrodinamice şi aerodinamice, exercitate asupra corpului navei la deplasarea

acestuia cu o anumită viteză. Obţinerea unor calităţi de marş superioare presupune, în mod

deosebit, proiectarea formelor hidrodinamice ale carenei astfel încât, în condiţiile de exploatare

impuse, să rezulte o rezistenţă la înaintare minimă.

Având în vedere cele menţionate mai înainte, se poate presupune că rezistenţa la

înaintare este formată din mai multe componente, determinate de cauze diverse şi care

interacţionează între ele într-un mod foarte complex. Aceste componente sunt următoarele:

Rezistenţa la înaintare principală;

Rezistenţa la înaintare suplimentară.

Rezistenţa la înaintare principală R, reprezintă o fracţiune din rezistenţa totală la

înaintare şi este definită ca fiind componenta după axa orizontală a rezultantei forţelor

hidrodinamice exercitate asupra carenei nude (fără apendici), la deplasarea acesteia cu o anumită

viteză în apă liniştită. Rezistenţa la înaintare principală are două componente şi anume:

3.1.1. Rezistenţa de frecare

Rezistenţa de frecare RF, reprezintă o fracţiune din rezistenţa totală la înaintare

principală şi este definită ca fiind componenta după axa Gx a rezultantei forţelor de frecare

exercitate de apă pe suprafaţa udată a carenei nude.

Rezistenţa de frecare este dată de relaţia:

[kN]

unde ρ este densitatea apei în t / m3, v viteza navei în m / s, S este aria suprafeţei udate a carenei

nude în m2 iar CF este coeficientul rezistenţei de frecare.

28


3.1.2. Rezistenţa de presiune (rezistenţa reziduă)

Rezistenţa de presiune Rp, sau rezistenţa reziduă, reprezintă o fracţiune din rezistenţa Ia

înaintare principală şl este definită ca fiind componenta după axa orizontală a rezultantei forţelor

hidrodinamice ale presiunii suplimentare exercitate de apă pe suprafaţa udată a carenei nude.

Rezistenţa de presiune este dată de relaţia

[kN]

unde CP este coeficientul rezistenţei de presiune.

Distribuţia presiunii dinamice suplimentare p’ pe suprafaţa udată a carenei nude are

două consecinţe:

formarea valurilor la mişcarea corpului prin apă;

formarea de vârtejuri la pupa, ca urmare a desprinderii stratului limită de suprafaţa

udată a carenei.

În aceste condiţii se poate afirma că rezistenţa de presiune are două componente şi

anume:

Rezistenţa de val ( Rw ), definită ca forţa care se opune mişcării datorită formării valurilor de către navă. Rezistenţa de val este dată de relaţia:

Rezistenţa de presiune datorată vâscozităţii – turbionară sau de formă (Rpv), definită ca

forţa care se opune mişcării datorită desprinderii stratului limită de suprafaţa udată a carenei şi

formarea vârtejurilor. Rezistenţa de presiune datorată vâscozităţii este dată de relaţia:

unde: CW şi CPV reprezintă coeficienţii rezistenţei de val, respectiv al rezistenţei de

presiune datorată vâscozităţii.

Prin urmare, se pot scrie relaţiile:

RV = RF + RPV

29


RP = RW + RPV

unde Rv este rezistenţa totală de vâscozitate.

RPV se consideră în componenţa lui RP dar vâscozitatea este implicată aici numai ca un

fenomen care determină modificarea distribuţiei presiunii. Componenta frecării este inclusă în

RF. Prin urmare, rezistenţa totală se poate scrie:

R = RP + RF = RF + RW + RPV = CR [kN]

unde: CR = CF + CP = CF +CW + CPV este coeficientul rezistenţei la înaintare principale.

Calculul rezistenţei la înaintare principale presupune cunoaşterea valorii coeficientului

CR. Determinarea lui pe cale teoretică este complicată, din acest motiv recurgându-se la diferite

metode de determinare experimentală a acestuia.

3.2. Diverse metode de determinare a rezistenţei la înaintare

Rezistenţa la înaintare principală se poate determina prin mai multe metode, printre care

putem evidenţia:

3.2.1. Metoda analitică

Este bazată pe teoriile hidrodinamicii şi are în vedere particularităţile formelor

geometrice ale carenei. Întrucât formele geometrice complexe ale carenei nu pot fi reprezentate

prin relaţii matematice riguroase, utilizarea metodei analitice, pe lângă complicaţiile de ordin

matematic, necesită multe ipoteze şi aproximări care conduc la erori destul de mari. Din aceste

motive nu are o utilizare extinsă.

3.2.2. Metoda experimentării pe modele în bazine de încercări

Presupune construcţia, la o anumită scară, a modelului navei de proiectat şi

determinarea rezistenţei la înaintare a acestuia prin tractarea lui în bazin, asigurând condiţii

similare cu cele reale. Rezultatele obţinute pe model se transpun, cu ajutorul teoriei similitudinii,

la nava în mărime naturală. Date fiind rezultatele bune care se obţin cu cheltuieli relativ mici,

această metodă este cea mai utilizată.

Primele încercări cu modele de nave la scară au fost efectuate de Leonardo da Vinci

(1452-1519), care a studiat diferite variante de extremităţi prova şi pupa.

30


Primele încercări sistematice într-un bazin construit special în acest scop şi prevăzut cu

cărucior pentru tractarea modelelor, au fost efectuate în anul 1871, în Anglia, de către William

Froude. Lucrările lui Froude au fost continuate de D.W. Taylor, la indicaţia căruia se

construieşte, în anul 1894, bazinul din Washington.

La sfârşitul secolului al XIX-lea, în lume funcţionau cinci bazine de încercări, iar la

mijlocul secolului al XX-lea, numărul acestora era mai mare de o sută. În etapa actuală, bazinele

de încercări sunt considerate ca un instrument important al industriei navale în toate ţările cu

deschidere la mare.

Bazinul de încercări este un laborator hidrodinamic prevăzut cu: canal hidraulic,

instalaţie pentru tractarea modelelor, generator de valuri şi aparatura necesară pentru măsurarea

parametrilor care definesc calităţile de navigabilitate.

Experimentările efectuate pe modele de nave în bazinele de încercări rezolvă următoarele

probleme:

determinarea rezistenţei la înaintare şi a puterii, necesare pentru asigurarea

diferitelor viteze de deplasare ale navei pe apă liniştită şi pe valuri;

determinarea coeficienţilor de influenţă ai corpului (siaj şi sucţiune), asupra

funcţionării elicei;

studiul influenţei valurilor, asupra unor calităţi de navigabilitate;

studiul oscilaţiilor navei, pe apă liniştită sau pe valuri;

studiul influenţei adâncimilor limitate şi apropierii pereţilor canalelor de navigaţie,

asupra rezistenţei la înaintare;

trasarea curbelor de funcţionare ale elicelor în apă liberă;

determinarea caracteristicilor giraţiei navei.

După procedeul de remorcare al modelului şi tipul aparaturii de măsură se deosebesc:

bazine de încercări dinamometrice;

bazine de încercări gravitaţionale.

3.2.3. Metoda formulelor aproximative şi a diagramelor

Se foloseşte frecvent în stadiul preliminar de proiectare şi are la bază formulele

aproximative şi diagrame rezultate din date statistice sau în urma experimentărilor efectuate

pentru diverse tipuri de nave. Cu anumite corecţii, aceste formule şi diagrame permit

determinarea valorilor aproximative ale componentelor rezistenţei la înaintare principale. Gradul

de precizie al metodei depinde de asemănarea geometrică dintre nava de proiectat şi cea pentru

care au fost stabilite formulele sau diagramele.

31


3.2.4. Metoda încercărilor prin remorcaj a navei în mărime naturală

Presupune proiectarea şi construcţia unei nave prototip, prin remorcarea căreia se

determină valoarea reală a rezistenţei la înaintare şi se pot stabili măsurile ce trebuiesc luate în

vederea îmbunătăţirilor calităţilor de marş. Pe baza rezultatelor obţinute prin remorcarea

prototipului se trece la proiectarea seriei navelor de acelaşi tip care urmează a fi construite. Deşi

este metoda cu gradul de precizie cel mai ridicat se utilizează foarte rar deoarece necesită

cheltuieli mari, care nu se justifică.

3.2.5. Metoda utilizării programelor specializate de calcul

Metoda este o compilaţie între metoda analitică, metoda experimentării pe model în

bazinele de încercări şi tehnica de calcul din ce în ce mai performantă. Programele disponibile

acoperă o largă plajă de posibile aplicaţii, de la estimări preliminare rapide la determinarea

mărimilor necesare prin calculul spectrului hidrodinamic şi evidenţierea liniilor de curent în jurul

carenei navei.

Un astfel de program specializat este programul AUTOPOWER, program oferit de

Autoship Systems din Vancouver – Canada (Figura 3.1).

Figura 3.1. Programul AUTOPOWER

Programul oferă posibilitatea calculului rezistenţei la înaintare şi a puterii de remorcare

precum şi optimizarea caracteristicilor agregatului propulsiv pentru regimurile de deplasament,

semi-deplasament şi glisare prin utilizarea a diferite metode teoretico – experimentale elaborate

de comunitatea ştiinţifico – academică internaţională.

32


Metodele disponibile sunt eficace numai pentru anumite tipuri de forme sau dimensiuni

ale carenei precum şi pentru game de viteză specifice, recomandările de aplicabilitate precum şi

limitele de utilizare fiind clar specificate şi în unele cazuri chiar de netrecut, programul

nefuncţionând în aceste situaţii. De notat de asemenea că în alte cazuri programul rulează cu date

iniţiale ce depăşesc limitele de utilizare recomandate însă rezultatele sunt incerte, uneori chiar

aberante.

Calculul rezistenţei la înaintare şi a puterii de remorcare debutează cu selectarea

regimului de navigaţie (deplasament, semi-deplasament sau glisare) şi introducerea datelor

iniţiale (Figura 3.2).

Figura 3.2. Selectarea regimului de navigaţie şi introducerea datelor iniţiale

Urmează selectarea metodei de calcul a rezistenţei la înaintare şi a puterii de remorcare

(Figura 3.3).

33


Figura 3.3. Selectarea metodei de calcul a rezistenţei la înaintare

La selectarea metodei programul afişează concomitent atât limitele metodei cât şi

recomandări succinte ale domeniului de aplicabilitate.

Urmează calculul de către program prin mai multe metode a suprafeţei udate şi apoi

selectarea gamei de viteze (Figura 3.4). Cu datele astfel introduse programul calculează apoi

rezistenţa la înaintare şi puterea de remorcare, generând de asemenea şi un raport cu rezultatele

obţinute.

34


Figura 3.4. Selectarea gamei de viteze

Urmează apoi estimarea caracteristicilor aparatului propulsiv. Se începe prin selectarea

parametrilor iniţiali (aleşi din considerente constructive, economice sau de altă natură – Figura

3.5). În continuare programul oferă posibilitatea alegerii valorilor optime pentru unii parametri

esenţiali cum ar fi randamentul (Figura 3.6), puterea de propulsie (Figura 3.7) sau diametrul

elicei (Figura 3.8).

Cu datele astfel introduse programul calculează apoi împingerea elicei precum şi

parametrii geometrici şi hidrodinamici ai acesteia.

35


Figura 3.5. Selectarea parametrilor constructivi ai propulsorului

Figura 3.6. Determinarea randamentului propulsorului

36


Figura 3.7. Identificarea valorilor optime puterea de propulsie

Figura 3.8. Determinarea valorii optime pentru diametrul elicei

37


3.3. Estimarea efectivă a rezistenţei la înaintare şi a puterii de remorcare

Datele iniţiale ale navei introduse în program sunt prezentate în Figura 3.9. Gama de

viteze adoptată a fost de 9,00 ÷ 19,00 Nd cu incrementul de 1,0 Nd. Metoda de calcul a

rezistenţei la înaintare a fost metoda Andersen – Guldhammer, metodă aplicabilă navelor de

transport de viteză medie.

Pentru aceste valori programul a calculat rezistenţa la înaintare (Figura 3.10) şi puterea

de remorcare (Figura 3.11)

Resistance and Power Prediction from AutoPower V3.0.5Project: Tyukodi Szilard Date: 31 Oct 14Hull Type: Displacement

Hull DataLWL 103.00mBreadth 16.30mDraft (F) 6.00mDraft (A) 6.00mDisplacement 7,474.5tLCB 3,00%Cwp 0,810Cm 0,990(1+K) 1,000Wetted Hull Area 2,257.8m2Wetted Appendages Area 0.0m2Wetted Transom Area 0.0m2Transom Width 0.0mHalf Angle of Entrance 30.0degHalf Angle of Run 15.0degAngle at 1/4 Buttock 0.0degBulbous Bow NO Body Type - Fwd: NormalBody Type - Aft: NormalService Margin 15,00%Appendage Allowance 10,00%Appendage Form Factor 0,0

Cb 0,723Cp 0,731

Service Speed 14.0knots

Figura 3.9. Datele de intrare ale programului de calcul

38


Total Resistance, Rt (kN)Speed (kt) Fn Andersen

9,00 0,15 107,2910,00 0,16 124,4411,00 0,18 142,1912,00 0,19 171,2713,00 0,21 211,4814,00 0,23 264,5815,00 0,24 339,9516,00 0,26 456,9417,00 0,28 654,7818,00 0,29 990,5719,00 0,31 1425,72

Figura 3.10. Rezultatele calculului rezistenţei la înaintare

39


Effective Power, PE (kW)Speed (kt) Fn Andersen

9,00 0,15 496,7510,00 0,16 640,1811,00 0,18 804,6212,00 0,19 1057,3213,00 0,21 1414,3614,00 0,23 1905,5815,00 0,24 2623,2816,00 0,26 3761,1317,00 0,28 5726,4018,00 0,29 9172,6919,00 0,31 13935,61

Figura 3.11. Rezultatele calculului puterii de remorcare

40


3.4. Determinarea caracteristicilor principale ale grupului moto-propulsor

3.4.1. Determinarea valorilor optimale ale parametrilor funcţionali ai grupului moto-propulsor

Pe baza calculării rezistenţei la înaintare şi a puterii de remorcare, programul

AUTOPOWER oferă apoi posibilitatea configurării cât mai aproape de optim a agregatului

propulsiv.

Astfel, în primă fază se calculează (pe baza unor considerente şi opţiuni iniţiale) valorile

optime ale diferiţilor parametri caracteristici ai grupului propulsor precum şi ai elicei ca atare.

Opţiunile iniţiale (oferite de program) ce au fost luate în consideraţie sunt cele de mai jos

(valorile implicite sunt oferite sau calculate de program):

Tip elice: Wageningen B

Număr de pale: 4

Raport de disc (la 2,50 % cavitaţie): implicit

Diametru elice: 4,20 m – din considerente de gabarit

Putere motor (85% MCR): implicit

Turaţie la elice: implicit

Cu opţiunile de mai sus, pentru gama de viteze aleasă au rezultat parametrii optimi ai

grupului moto-propulsor (Figura 3.12), împingerea elicei în relaţie cu rezistenţa la înaintare

calculată anterior (Figura 3.13) precum şi parametrii geometrici şi hidrodinamici optimi ai elicei

ca atare (Figura 3.14).

Power Plant DataShaft Power: 2962 kWRPM: 137Percent MCR: 85.0Operating Speed 13.5 Knots

Figura 3.12. Parametrii optimi ai grupului moto-propulsor

41


Thrust and Resistance (kN) Speed (kt) Fn Thrust Rt (Andersen)

9,00 0,15 355,78 107,2910,00 0,16 346,61 124,4411,00 0,18 337,24 142,1912,00 0,19 327,71 171,2713,00 0,21 318,04 211,4814,00 0,23 308,26 264,5815,00 0,24 298,40 339,9516,00 0,26 288,49 456,9417,00 0,28 278,54 654,7818,00 0,29 268,58 990,5719,00 0,31 258,62 1425,72

Figura 3.13. Împingerea elicei în relaţie cu rezistenţa la înaintare (parametri optimi)

42


Propeller ParametersResist. Method: AndersenDesign Speed 14.0 knotsDesign Resistance 265 kNDesign Pe 1905 kW Number Props 1 Wake 0.356Pitch: Fixed Thrust 0.247Number Blades: 4 Hull Eff. 1.169Diameter 4.21 (m) Rot Eff. 1.000Open Water Eff. 0.568 Shaft Eff. 0.970PD Ratio: 0.781Area Ratio: 0.475 Pd ( kW ) 2873RPM: 137.4 Ps ( kW ) 2962

Figura 3.14. Parametrii geometrici şi hidrodinamici optimi ai elicei

În urma calculelor programul a oferit următoarele valori ale parametrilor optimi

esenţiali ai grupului moto – propulsor (motor + inversor - reductor) precum şi ai elicei:

Putere motor (85% MCR): 2.962 kW

Turaţie la elice: 137,00 r.p.m.

Raport de disc: 0,475

Raport de pas: 0,781

Viteză de marş: 14,55 Nd

De notat că viteza de marş de 14,55 Nd rezultă din intersecţia graficelor împingerii

elicei şi rezistenţei la înaintare din Figura 3.13, valoarea afişată în Figura 3.12 având un caracter

mai mult informativ.

3.4.2. Alegerea motorului de propulsie; Determinarea valorilor efective ale parametrilor funcţionali ai grupului moto-propulsor

În industria de profil, atât fabricanţii de motoare navale cât şi fabricanţii de elice oferă

produse ce se încadrează în game ce au tipo-dimensiunile de natură graduală. Pe baza

rezultatelor calculelor de mai sus, studiind oferta de motoare sau propulsoare disponibilă pe

piaţă, se aleg produsele având caracteristicile cele mai apropiate de cele determinate, în vederea

realizării unei construcţii cu parametri funcţionali cât mai apropiaţi de cei optimi.

43


Procedând ca atare, valorile calculate mai sus conduc la alegerea din catalogul de

produse al firmei Wärtsilä – Sulzer a unui motor Diesel lent de tip 4RTA 52U (Figura. 3.15)

având următoarele caracteristici:

Putere nominală: 3.440 kW (4.680 BHP)

Turaţie nominală: 135,00 r.p.m.

Configuraţie: 2 T, 4 cilindri în linie, transmisie directă

Figura 3.14. Motor propulsie Wärtsilä – Sulzer RTA 52U(configuraţie cu 5 cilindri)

Motorul ales dezvoltă puterea necesară (2.962 kW) la 86,104 % MCR, procentul din

MCR fiind pe deplin rezonabil. Dacă luăm în considerare şi faptul că viteza de marş liber este de

asemenea uşor superioară celei necesare (vezi §. 3.4.1.), putem prefigura că la 85% MCR

motorul va putea atinge parametrii doriţi fiind prin urmare potrivit destinaţiei intenţionate,

nemaifiind astfel necesare alte ajustări sau recalculări ale caracteristicilor propulsive.

44

Cap. 3

Documents

Transcript of Cap. 3