LABORATORIUM VOOR SCHEEPSBOUWKUNDE TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT

Transcriptie

1 Rapport No. 360 LBORTORIUM VOOR SCHEEPSBOUWKUNDE TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT E BEPLING VN DE SCHBOEFKRKTERISTIEKEN VN DE "VN DER STEL" SCHROEF IN DOMFENDE TOESTND door. Goemari december 1972 \.

2 Inhoud Samenvatting Inleiding Bepaling van de intreesneiheid in de schroefschijf De meetopstefling De meetresultaten Conclusies Lit eratuur Lijst van gebruikte symbolen Tabellen Schroefgegevens Lijst van figuren Figuren

3 Samenvatting Ten behoeve van een serie voorstuwingsproeven met een model van de "Van der Stel", een snelvarend vrachtschip,werden een serie openwaterschroefproeven uitgevoerd met een model van de der Stel" schroef. De schroef kreeg daarbij een dompende beveging orn de invloed van de vertikale snelheidskomponent op de stuwkracht en het askoppel te meten. Bovendien werd vastgesteld welke invloed de stroming ter plaatse van de schroef onervond van he± dompende gondellichaani.

4 Inleiding Voor het bepalen van de schroeí'karakteristieken wordt een model van die schroef gemonteerd op een schroefas welke aan de voorkant uit een gondel steekt. In de gondel bevindt zich dan een dynamorneter waarmee stuwkracht, askoppel en toerental van de schroef gerneten kan worden. De instroomsnelheid V kan gelijkgesteld worden aan de sneiheid V waarmee de gondel door het stilstaande water beweegt, inits de schroefas lang genoeg is orn ter plaatse van de schroefschijf geen invloed te ondervinden van de aanwezigheid van het gondellichaam. De gebruikte gondel is voorzien van een korte schroefas orn trillingsproblemen te vermijden. Met behuip van een pitotbuis werd een onderzoek ingesteld naar de invloed van het gondellichaam op de stroming ter plaatse van de schroefschijf. Bij het bepalen van de schroeí'karakteristjek van de "Van der Stel" schroef werd rekening gehouden met de in bovengenoemd onderzoek bepaalde invloeden.

5 Bepaling van de intreesneiheid in de schroefschijf Voor de meting van de invloed van het gondei,lichaam t.p.v. de schroefschijf werd gebruik gexnaakt van een pitotbuis. Het druiçverschil op beide meetpunten van de pit otbuis werd gemeten met een differentiaaldrukopnerner, Dit drukverschil kan worden uitgedrukt in de formule = k x V2 waarin V = instroomsnelhejd van het water k een faktor omvattende de calibratiefaktor van de drukopnemer de korrektiefaktor van de pitotbuis de faktor p Door een aantal proefruns te maken, waarbij alleen de pitotbuis onder de sleepwagen was bevestigd kan de waarde van k worden vastgesteld (zie tabel I). De pitotbuis met drukopnemer kan nu worden toegepast bij het meten van de instroomsneiheid van het water in de schroefschijf bij een niet oscillerende gondel. Daar bleek dat die instroomsnelheid aanzienhijk lager was dan de wagensnelheid werden ook een aantal metingen verricht op plaatsen verder voor de gondel uit orn te bepalen hoe lang de as zou moeten zijn orn geen invloed. te ondervinden. Deze metingen werden verricht bij niet oscillerende gondel en bij een oscillerende gondel met cirkeifrequentie 5 en 9 rad/sec en amplitude z= cm. Daarbij werd met behulp van een U.V.-recorder de snelheidsvariatje gedurende een oscillatieperiode bepaald. De resultaten zijn vermeld in tabel II en tabel III. Uit deze tabel III blijkt dat de oscillerende beweging van de gondel veel invloed heeft op het snelheidsveld ter plaatse van de schroefschijf. Daarorn werd de gondel verdiept met een blok schuim orn de invloed van de gandelbodem te verminderen door een tweedimensionale stroming te bneren en de serie proeven werd herhaald. De resultaten zijn vermeld in tabel IV. Uit dit vooronderzoek kan het volgende worden gekonkluderd Bu de bestaande gondel zou eeri aslengte van minstens 500 mm moeten warden toegepat am een ongestoorde instroming in de schroefschijf te krijgen waarbij de instroamsnelhejd Va gelijk is aan de wagensnelheia V. Bij de "verdiepte" gondel met de bestaande as van 165 mm trad geen belangrijke variatie in instroomsnelhejd ap tii gevolge van de Oscillatiebeweging van de gondel. De waarde van deze instroomsnelhejd was 0,900 x de wagensnelhejd. Bij de origiflele 0,927 x de wagensnelhejd. gondel (zander schuimblok) was de instroomsnelhejd geli5k aan _14_

6 De meetopstelliflß Voor het bepalen van de schroefkarakteristieken werd de modelschroef gemonteerd op het aseinde van de gondel waarin een dynamomter voor het meten van stuwkracht askoppel en toerent8ì van de schroef. De gondel was bevestigcl. onder een excitator, welke haar een dompbeweging gaf. Van de signalen van stuwkracht en askoppel werd gedurende een gemiddelde waarde bepaald. Bovendien werden de signalen gesplitst in een infase en een uitfase component, signaal als gevoig van de oscillerende geheel aantal osciliatieperioden de waaruit de variatie en de faseverschuiving van het beweging kan worden bepaald. [i] Tijdens de runs werden ook gemeten: I-[et schroeftoerental, de wagensnelheid en de oscillatie frequentie. In fig. 1 is de meetopstelling schematisch weergegeven. De metingen werden verricht bij de volgende omstandigheden () slag indompeling O - 292mm 0-153mm O - 113mm O - 73mm 5 2xl4Omm 292 mm gemiddeld 75 ti t, ti,, ii ti ti it 'I f i) bij zonderheden het standaard openwater diagram invloed indompeling irivloed dornpbeweging 5 H ' 222 mm ge$deld t, ii t, t, 10 ' it 5 2x3ümni " " lo ti ti O - > 200mm t? o - it ti > indompeling als bij itvan der Stel" o stamphoek 5 o stamphoek 10 grote slag kleine slag De wagensnelheid en het schroeftoerental werden gelijk gekozençaan de toestand zoals deze bij de voortstuvingsproef zou moeten gelden orn de in niodelconditie juiste schroefkarakteristiek te verkrijgen. Daarom werd bi alle runs het toerental Constant gehouden op i1 omw/sec. (dit kamt overeen met het toerental van de scheepsschroef).

7 De wagensnelheid werd odanig gekozen dat de gewenste waarde van J werd bereikt. De diameter van de inodelschroef was 111 mm, Volgens Gutsche [2] ugt het Reynolds getal bij bovengenoemde het bovenkritisch gebied. Daarbij wordt het omstandighedefl in Reynoldsgetal gedefinieerd als R e n.d.lm De meettijd varieerde van 15 tot'2o seconden waarbij het aantal perioden varieerde van 12 tot 21f, afhankelijk van de ocillatiefrequentie. lleem bij w.5 kon siechte over 2 perioden worden genieten in verband met de beschikbare lengte van de meetrun.

8 De meetresultaten Het op de gebruikeli.jke manier opgmetefl wordt weergegeven in figuur 2. De schroef openwaterschroefdiagr8m (K_KJ_d±agram) beyond zich daarbij diep onder water en kreeg alleen een voorwaarts gericb±esnelheid t.o.v. het omringende, stilstaande water.. In figuur 3 is de invloed. weergegeven, aanwezigheid van een vrij vloeistofoppervlak op een schroefdiameter t.o.v. hart schroefas. In f iguur 14 is de invloed van een s4iphoek op stuwkracht en In figuur 5 wordt de invloed van een Ùij beyond de schroef zieh zo diep ander water dat geen die de schroef ondervindt van de afstand van minder dan lx de askoppel weergegeven. dompweging op de achroef weergegeven. Daar- invloed van het wateropperviak kan worden verwacht. De geniiddelde inpeling bedroeg 292 nun voor w.5, 5,7.5, 10. 0m praktische redenen werd bij w ih. de indompeling verminderd tote 222 mm. ßij de normale snelheidsgraad van deze schroef, J.75, werd tidens de run, bij een horizontale sneiheid van 1,214 rn/sec een maximale vertikale sneiheid m rad tijdens de dompbeweging van.58 sec bereikt, (bij w = mec en z = 140mm). De invloed hiervan op KT en KQ blijkt verwaarloosbaar Bi.j kleine indoinpeling bleken stuwkracht n.l. in die çase te zijn. en askoppel wel beinvloed te worden, n de dompbeweging waarbij de schroef dicht ander het wateropperviak komt. Dit wordt weergegeven in de figuren 6 en 8. De indoinpeling is hierbij gelijk aan de indompeling t van de der Stelt. In de figuren 7 en 9 is het een indompeling van 113 mm gemiddeld op hart as. Daarbij worden KT en KQ weergegeven 1Îj w0 bij z = 140 mm respectievelijk 30 min. Uit de f iguur blijkt duidelijk dat plaatsing van de modelschroef onder het model openwaterdiagrarn gegeven bij (geen dompbeweging) en w=5 en w10 en K0 alleen bij kleine waarden J worden beinvloed door de ringe indompeling. Bij de normale waarde J.15, andervinden KT en KQ geen invloed. Het is bi,j kleine waarden van J niet erg zinvol het rendement te beschouwen, daar n nul wordt bij J = O. Daarom is in de figuren 7 en 9 een kromme gegeven, voorstallend /K, een faktor die in wezen het rendement r bepaalt. 00k deze kromme geeft aan dat boyen J=.145 geen invloed meer wordt uitgeoefend door het vrije wateropperviak op de dompende schroef. In de hierboven en KQ noemde figuren 2 t/ra 9 is alleen de gemiddelde waarde van egeven, gmeten over een geheel aantal oscillatijrioden of een overeenkomstige tijdsduur indien geen dompbeweging werd gemaakt. -7

9 De eveneens gemeten waarden van de infase- en uitfase component en de daaruit te berekenen variatie en faseverschuiving bleken geen praktische betekenis te hebben voor het huidige onderzoek. De variatie bedroeg niet meer dan 2% van de gemiddelde waarde. Oak b±j het "uitschri.jven" van de signalen van T en Q op een U.V.-recorder bleek de dompbeweging geen enkele invloed uit te oefenen op de groatte van T en Q zolang de indompeling zo groat was dat de bvenste schraefbladen in bovenste positie van de dampbeweging niet dicht ander het waterapperviak kwamen.

10 Conclusies BIj de oorspronkelijke gondel werd de instroomsnelheid. in de schroefschijf beinvloed door de aanwfigheid van het gondellichaam. Uit metingen bleek Instroomsnelheid =.927 x wagensnelheid Bij een afstand van meer dan lx de schroefdiarneter tussen het wateropperviak en hart schroefas is de invloed van het wateroprvlak op de werking van de dompende schroef nihil. Het bealen van een schroefkarakteristiek van een schroef ander een stamphoek (tot 100) is weinig zinvol. Het bepalen van een schroefkarakterisek v een dompende schroef, waarbij de dompbeweging overeenkomt met die ten gevolge van zeegang, dus met relatief lage frequenties, is eveneens weinig zinvol. Indien het mogelijk is het vrije wateropperviak in de proef te betrekken, kan wel een afwijkend openwaterdiagram gevonden worden. Voor de voortstuwingsproef van de "Van der kan gebruik gemaakt worden van het standaard openwaterdiagram daar in dompende of staimende toestand geen afwijking van betekenis gevonderl is bij die waarden van de snelheidsgraad, die voor de voortstuvingsproef van belang zi5n.

11 Literatuur i H.J. Zunderdorp en M. Buitenhek Oscillator-techniques at Bhipbuilding Laboratory Rapport lii, Laboratorium voor Scheepsbouwkunde, TH-Delft 2 F. Gutsche Kennwertejnflüs bei Schiffsschraubenmodelversuchen Jahrbuch der Schiffbautechnische Gesellsch.ft 1936, p. 277.

12 Lijst van gebruikte symbolen D J = Va/nD 52 K =Q/pD n KTT/pD n n Q Re=n.D.lm/u T V Va Z schroefdjameter snelheidsgraad askoppelkonstante stuwkrachtkonstante gemiddelde lengte van bladelementen toerental askoppel getal van Reynolds volgens Gutsche stuwkracht sneiheid van de sleepwagen intreesnelhejd in de schroefschijf amplitude van de dompbeweging n schroefrendement bij de openwaterproef G stamphoek y kinematisehe viscositejt van zoetwater p w dichtheid van zoetwater cirkelfrequentie van de domposcillatie

13 Tabel I V rn/sec. aflezing p-meter k = aflezing ii 's V de gemiddelde waarde van k = / Tabel II V Va Va/V rn/sec rn/sec J Bijzonderheden Gondel niet oscillerend asengte 165 mm. gemiddeld =.927

14 Tabel Iii V Va Va/V Variatie in Va rn/sec rn/sec Bijzonderhedefl v slengte 165 ims i J slengte 330 mm slengte 500 mm /3

15 Tabel IV V Va Va/V Variatie in Va Bijzonderheden rn/sec. rn/sec rad/sec i.i14i Pitotbuis op hart as 170 mm voor onde / , 3 5 Pitotbuis 50 mm naast hart as 170 mm voor gondel Pitotbuis 6D mm boyen boyen hart as 170 mm voor gondel

16 Schroefgegevens NQ 26 Soort Droalrichtkig : Rechts. Diameter 117 mm. o/d : 1,0063 ontot blacien :14 : Spoed a.d. float 117,714 umi. a.d. omtrek F O.7R 117,714 mm. Ontw. gestr.bladopp.g f6719 mm2 Gebruikt bij model nr. 914 Ontwikketd btadopp.d ( van der Stel.) G.proj. badopp. p Opmerkingen N.S.P. nr Gegevens Scheepsschroef. D 5850mm. H : 5887mm. Schaal : 50 I LB. voor SCHEEPSBOUWKUNDE r.h.delfi.

17 Lijst van figuren fig. i Schema van de meetopstelling fig. 2 Openwaterdiagram van de "Van der Stel" schroef; indompeling 292 oscillatje mm geen fig. 3 Invloed van indompeling op het openwaterdiagram fig. 4 Invloed van een stamphoek op het openwaterdiagram fig. 5 Invloed van een dompbeweging op het openwaterdiagram indompeling gemiddeld 292 mm, doinpamplitude 4O mm fig. 6 Invloed van een dompbeweging op het openwaterdiagram indompeling gemiddeld 113 mm, donipamplitude 0 mm fig. T Openwaterdiagram van de "Van der Stel" schroef indompeling gemiddeld. 113 inni, dompamplitude lío mm fig. 8 Invloed van een dompbeweging op het openwaterdiagram fig. indompeling gemiddelcl. 113 mm, dompamplitude 30 rmn 9 Openwaterdiagram van de "Van der Stel" 8chroef indompe].ing gemiddeld 113 mm, dompamplitude 30 mm.

18 Integrator q - -i k Demodulator Print er Rekmeter R esolv er s >OE Integrator Oscillator Figuur 1. Schema Meetopstelling.

19 t I 1.5 4,o I fig. 2 Openwaterdiagram van de "Van der Stel" schroef; indompeling 292 mm geen oscillatie

20 o 2 = 7 jvi 7/' f 7/ / p-.--,- Ii I -O-- -. O-- iï - -O f 2 o -. o-:--- O- _._?. _._ 'o o 0 50 QDT* loe 1Sc 2cc 25e WDoi'WELiN HRrc In VrI 3cc fig1 3 Invloed van indompeling op het openwaterdiagram

21 - vati ee team

22 - rnredp. (V / c..1 -! ' i Q -- I - s- - - Ok -o e _ I - o O S - -R - I-. T L o - - o o () i fig. 5 Inviced van een dompbeweging op het openwaterdiagram indo 292 mm, dompamplitude LW min eling gemiddeld

23 WmER?1'. f);,.1\ \ 1,.1 q j O = G - -o- J o - - -o-- -- o I 'C fig. 6 Invloed van een dompbeweging op het openwaterdiagrain indompeling gemiddeld 113 inni, dompamplitude IW mm.

24 7.' s-.-.ja - 4), 14 - o ff , t 'r T.1 & tulo 2 2 '5 8 J. fig. T Openwaterdiagra van de "Van der Stel" schroef; indompeling gemiddeld 113 mm, dompamplitude 1O mm.

25 ítbeepp. \..7 _\.\ - J o ---" - - o- --o- -o î -o /0 fig. 8 Invloed van een dompbeweging op het openwaterdigram indompeling gemiddeld 113 mm, domparnp1itide O mm.

26 s s s.7 s r' "--.., 1 '4-5. a « f.2 's o. o )!Q J fig. 9 Openwaterdiagram van de 'TVan der Stel'1 schroef; indompeling gemiddeld 113 inni, donipamplitude 30 imn.