anwb.nl/watersport, de site voor watersporters

Transcriptie

1

2 Het s net zo gebrukeljk om voor klene jachten een sleepproef te laten utvoeren. Zo'n proef s duur en daardoor vaak net rendabel. Toch loont een sleepproef de moete. Aan de hand ervan kunnen bj voorbeeld exact het vaargedrag en het motorvermogen van het toekomstge jacht worden bepaald. En er kan dus gemakkeljk worden ngegrepen als er aan het ontwerp onverhoopt ets net zou kloppen. Daarom s de Stadtlne 8, het ontwerp van de Motorboot 2000, door de TU n Delft aan een sleepproef onderworpen. «De sleepproef Als de Stadtlne 8 op paper s gezet, kan er met een model van het ontwerp een sleepproef worden utgevoerd. De frma Hoogmoedt n Zaandam knutselt naar aanledng van de spanten- en ljnenplannen een rompje met de schaal 5 n elkaar. Het schaalmodel wordt gemaakt van multplex. De bouw van zo'n model s een uterst secuur werkje. Het s mmers van belang dat de mnatuurromp er net zo ut zet als de romp van het toekomstge schp. Toch kunnen net alle 'aanhangsels' aan een romp zoals uthouders, roeren en assen worden nagebouwd. Ze worden dan te klen waardoor hun gedrag n water - bj voorbeeld de turbulente de ze veroorzaken en de wrjvng de ze opleveren - te sterk afwjkt van het orgneel. Dank zj verschllende Bj de sleepproef de met het model van de Stadtlne 8 s utgevoerd, zjn de weerstand, de vertrmmng en de nznkng van het zwaartepunt gemeten. rekenmethoden kan de nvloed ervan echter wel worden doorberekend n de meetresultaten. Het gewcht van de romp, de gewchtsverdelng en de lggng van het zwaartepunt worden pas n de proefopstellng, door mddel van afzonderljke gewchten op schaal nagebootst. Proefopstellng De proeven met het model van de Stadtlne 8 zjn utgevoerd door de Facultet der Werktugbouwkunde en Marteme Technek, Vakgroep Scheepshydromechanca van de Technsche Unverstet n Delft. Ir. Lex Keunng had de ledng. De Vakgroep beschkt over twee sleeptanks, waarvan de grootste s gebrukt. De tank s 50 meter lang, 4,5 meter breed en heeft een maxmale depte van 2,5 meter. De max- mumsnelhed van de sleepwagen waaraan het model wordt opgehangen s ongeveer 7 m/s (25,2 km/h). Het model wordt door mddel van een scharner aan de sleepwagen bevestgd. Het scharner zt op de plaats waar het verlengde van de schroefas het dwarsscheepse vlak van het zwaartepunt van het schp snjdt (ze tekenng ). Op de maner kan de romp vertcaal vrj bewegen, dat wl zeggen dompen en stampen, maar s n alle andere rchtngen gefxeerd. Daardoor kan bj voorbeeld nauwkeurg worden gemeten hoe en n welke mate de romp bj verschllende snelheden vertrmt. In de sleeptank zjn met het model elf 'testruns' utgevoerd. Daarbj s gevaren met een snehed de vareert van 0,8 m/s tot 2,6 m/s. Dt komt overeen met,4 tot,8 knopen voor het echte WK I 5 2

3 schp. Daarbj moet overgens wel worden opgemerkt dat de runs met een werkeljke snelhed van boven de acht knopen utslutend 'n het belang van de wetenschap' zjn utgevoerd. De Stadtlne 8 s nameljk net ontworpen om met dergeljke snelheden te varen. Doel van de proeven Bj de proeven met het schaalmodel zjn dre zaken gemeten - de weerstand van de romp; - de vertrmmng; - de nznkng van het zwaartepunt. De meetresultaten zjn weergegeven n de vorm van een tjdssgnaal gedurende de testrun en als een gemddelde waarde over de gehele duur van de run. Weerstand. De weerstand van de romp s van belang voor het motorvermogen van het toekomstge schp en het ontwerp van de schroef. Aan de hand van de utkomsten wordt bepaald welk vermogen de motor moet hebben om het schp op ontwerpsnelhed te brengen. De ontwerpsnelhed van de Stadtlne 8 lgt rond de acht knopen. In tabel zen we dat er een motorvermogen van tussen de 4,2 en 8,7 Kw (28,4 en 7,4 pk) nodg s om deze snelhed te bereken. Daarbj moet worden opgemerkt dat er n deze tabel gebruk s gemaakt van een zogeheten conservateve schattng van het rendement. Het vermogen dat een motor levert wordt mmers door de schroef net voor honderd procent omgezet n een voortstuwende kracht voor het schp er gaat energe verloren. In de tabel s utgegaan van een 'overall voortstuwngsrendement' van Aan de hand van de sleepproeven s het vereste motorvermogen voor de Stadtlne 8 berekend. Herbj s utgegaan van een conservateve schattng van vjftg procent. Dat wl zeggen dat de helft van het motorvermogen door de schroef wordt omgezet n bewegngsenerge voor het schp. Merk op dat bj hogere snelheden verhoudngsgewjs steeds meer vermogen nodg s om het schp een extra versnellng te geven. TABEL VS RTS RTS* PE", ,4 (0,5) 4, ,9(,2),8 (2,4) 5, ,8 (2,4) 2,6 (4,8) 6, ,4 (4,7) 6,8 (9,4) PE*5 0,8 (,0) 6, ,9 (8,0),8(6,0) 7, ,4(4,2) 20,8 (28,4) 8, 70 22,4 (8,7) 26,8 (7,4) 8, ,8 (25,6) 7,6 (5,2) 9, ,6(4,0) 6,2 (86,0) 0, ,5 (59,2) 87,0 (8), ,8 (72,0 05,6 (44) ' VS s snelhed n knopen. RTS s totale weerstand n Newton. RTS' s totale weerstand met toeslag voor roer, scheg en schroefas n Newton. PE s motorvermogen n Kw (pk). 6 PE* s motorvermogen n Kw (pk) bj 50% rendement. Het maken van het model s een zeer nauwkeurg werkje. Het s van belang dat de afmetngen verhoudngsgewjs preces geljk zjn aan de van het orgneel. Het proefmodel wordt met een scharner aan de sleepwagen bevestgd. Dt scharner zt preces waar het verlengde van de - toekomstge - schroefas het vlak van het zwaartepunt snjdt. Daardoor kan het model langsscheeps vrj bewegen, bj voorbeeld vertrmmen, maar s het dwarsscheeps n een stand gefxeerd. vjftg procent. Als je bedenkt dat er n de Stadtlne 8 een motor van 6,7 KW (50 pk) staat gepland, houdt dat n dat een snelhed van tegen de negen knopen - en wellcht nog ets hoger - tot de mogeljkheden behoort. Een gedeelte van dt extra vermogen s beschkbaar en nodg om ook n golven het schp op snelhed te kunnen houden. Herop gaan we n een volgend artkel, opneuw met de assstente van Lex Keunng, nader n. Het bepalen van de weerstand s daarnaast van belang voor het ontwerp van de schroef. Vertrmmng. Bj de sleepproef wordt tevens de trmhoek van de romp bj verschllende snelheden gemeten. Zoals edereen ut ervarng wel weet bljft een schp als het vaart net horzontaal n het water lggen maar komt de romp bj een bepaalde snelhed onder een zekere hoek te lggen de trmhoek. De trmhoek s bj elke snelhed verschllend, maar mag noot te groot worden. Een trmhoek van ongeveer ver graden s nog just toelaatbaar. Als de trmhoek groter wordt, s dat nadelg voor de vaaregenschappen. Zo wordt bj voorbeeld het utzcht sterk belemmerd door de kop de ut het water komt. Een grote trmhoek heeft bovenden een nadelge nvloed op de weerstand en ledt tot een overmatge golfvormng. Je kunt dt goed zen bj snelle motorboten de, voor ze n planné zjn, hoge golven veroorzaken en vaak erg vertrmd n het water lggen. Als de trmhoek te groot s, kan dat worden verbeterd door wjzgngen n het gewcht of de lggng van het zwaartepunt van het schp. Daarnaast kunnen er trmvlakken worden toegepast of kan, n het uterste geval, de rompvorm worden aangepast. Bj de Stadtlne 8 bljkt dt alles net nodg te zjn. In grafek zen we de vertrmmng als functe van de snelhed. De trmhoek van het schp s rond de ontwerpsnelhed zeer gematgd. Hj wordt daarna snel groter als de snelhed wordt opgevoerd, maar wordt noot te groot. Als de snelhed wordt opgevoerd tot meer dan ten knopen wordt de stjgng van de kromme de de trmhoek aangeeft mnder groot. Dt dudt op begnnend planeergedrag. Bj echte planerende schepen echter zal de kromme boven een bepaalde snelhed gaan teruglopen het schp s dan n plané. Inznkng. Zoals je wellcht weet, znkt een schp dat met een bepaalde snelhed vaart, een klen stukje n het water - het graaft zch als het ware n. Hoever s afhankeljk van zjn snelhed en van de vorm van de romp. Ook deze nznkng s tjdens de sleepproeven bj verschllende snelheden gemeten. De nznkng s mmers van nvloed op het nat oppervlak en dat s weer mede bepalend voor de weerstand. Bj de Stadtlne 8 bedraagt de nznkng rond de ontwerpsnelhed ongeveer 7 cm (grafek 2). Voorbj een snelhed van ten knopen neemt de nznkng langzaam af het schp komt mnder dep te 52 I WK 8 990

4 u lggen. Dt heeft nauw verband met de grootte van de trmhoek. Ook bj de nznkng zen w e dus dat bj hoge snelheden begnnend planeergedrag optreedt. GRAFIEK Modelwetten De trmhoek van de Stadtlne 8 s rond de ontwerpsnelhed deaal - ongeveer een graad. Over het algemeen geldt dat de trmhoek noot groter mag worden dan vjf graden. Dt s bj voorbeeld nadelg voor het utzcht, maar ook voor de weerstand de het schp ondervndt. Bj hogere snelheden dan de ontwerpsnelhed wordt de trmhoek snel groter, maar noot te groot. Bj snelheden boven de ten knopen neemt de stjgng van de kromme af. Dt dudt op begnnend planeergedrag. Trm Snelhed n knopen GRAFIEK 2-0,20- -0,5- f\ (m) -0,0-0,05- o.oo- l l I UUU '! T 5 r - 0 Snelhed n knopen 5 Immers, het model en het echte schp varen allebe n preces hetzelfde water. Het water kan net op schaal worden gebracht. Met andere woorden de dynamsche geljkvormghed kan net worden berekt en dus klopt er ets net. Om te zorgen dat de modelproef de werkeljkhed toch zo goed mogeljk benadert, worden er verschllende berekenngen toegepast. In de praktjk wordt meestal gebruk gemaakt van de zogeheten ITTC extrapolateprocedure. ITTC staat voor Internatonal T o w n g Tank Conference, een tweejaarljkse bjeenkomst van alle sleeptank-nsttuten ter wereld, waar w o r d t getracht door de utwsselng v a n nformate en GRAFIEK * Wrjvngsweerstand + Restweerstand - Totale weerstand 0000 ' /. + /K // RTS RFS RRS 5000 II II / II È ' j / s o- Als we de grafek van de vertrmmng vergeljken met de van de nznkng, herkennen we opneuw het begnnend planeergedrag van het schp bj snelheden boven de ten knopen. De nznkng neemt boven de snelhed af. Het probleem bj de bepalng van de weerstand n een sleepproef s dat een dergeljke modelproef egenljk geen modelproef s. Bj een modelproef w o r d t utgegaan van geljkvormghed van het model en het schp. De geljkvormghed heeft betrekkng op - De geometrsche geljkvormghed er s evenredghed tussen alle afmetngen van het model en het egenljke schp. - De knematsche geljkvormghed de rchtng van alle snelhedsvectoren n de vloestof rond het model s geljk en de grootte s evenredg. - De dynamsche geljkvormghed de rchtng van alle krachten de o p het model en o p het werkeljke schp worden utgeoefend s geljk en de grootte van de krachten s evenredg. Maar zelfs als je voldoet aan alle voorwaarden voor de geometrsche geljkvormghed en er aan de meetapparatuur de grootst mogeljke zorg s besteed, bljft er één factor over de roet n het eten goot het water zelf. / T * 0 Snelhed n knopen 5 Als de weerstand van een schp wordt afgezet tegen de snelhed ze je dat deze bj hoge snelheden sterk oploopt. Dat betekent dus ook dat er verhoudngsgewjs steeds meer vermogen n het schp moet worden gestopt om het sneller te laten gaan. De sterke stjgng van de weerstand s vooral het gevolg van de sterk oplopende restweerstand bj hogere snelheden. De belangrjkste component van deze restweerstand s de golfmakende weerstand de energe de nodg s voor het veroorzaken van golven en de aan het schp wordt onttrokken. Alle metngen worden nauwkeurg geregstreerd door verschllende computers de op de sleepwagen zjn opgesteld. het maken van afspraken zo veel mogeljk unforme meetmethoden te hanteren. We zullen proberen dudeljk te maken w a t deze procedure nhoudt. Wrjvng e n g o l f m a k e n d e w e e r s t a n d De weerstand van een varend schp kan worden gespltst n twee delen de wrjvngsweerstand en de restweerstand. De wrjvngsweerwk I 5 4

5 » stand ontslaat doordat het nat oppervlak van het schp als het ware langs het water schuft. Het water levert weerstand (wrjvng) de door de motor overwonnen moet worden. De belangrjkste component van de restweerstand s de golfmakende weerstand. Een schp dat vaart, veroorzaakt golven een bewegng van het water. De bewegng wordt door het schp aan het water overgedragen en verwjdert zch van het schp. Voor de bewegng s energe nodg. De energe kan maar door een dng geleverd worden het schp. De golven de een schp maakt komen dus ndrect ut zjn deseltank. De golfmakende weerstand s n sterke mate afhankeljk van de waterverplaatsng van het schp, de lengte-breedteverhoudng van de romp en de verdelng van het volume over de lengte van het schp. Deze golfmakende weerstand moet net worden onderschat. Bj hoge snelheden kan hj zelfs oplopen tot meer dan vjftg procent van de totale weerstand (grafek ). Voor het op schaal brengen van de wrjvngsweerstand en de golfmakende weerstand gelden twee natuurkundge wetten. Voor de wrjvngsweerstand s dat de Wet van Reynolds, voor de golfmakende weerstand de Wet van Fraude (spreek ut als Froede). In de hydromechanca spreekt men van het Reynolds-getal en het kengetal van Fraude. Nu geldt dat het Reynolds-getal èn het kengetal van Froude geljk moeten zjn voor zowel het model als het schp. Pas n dat geval s er sprake van de genoemde dynamsche geljkvormghed. Een model moet dus egenljk aan bede wetten voldoen. En dat nu s onmogeljk. Het Reynolds-getal wordt utgedrukt als p e m V L Waarbj V staat voor snelhed, L V voor lengte en V voor de knematsche vscostetscoeffcent, een vaststaande waarde. Het Reynolds-getal moet geljk zjn voor het model en het schp. Het kengetal van Froude ludt Fn = V s de snelhed, G de zwaartekrachtversnellng van 0 m/s2 en L s De golfmakende weerstand - de belangrjkste component van de restweerstand - neemt bj hoge snelheden sterk toe. TABEL 2 Rr VS' RP, , Rt 5, , , , , ,70 9, , , ' - ' VS s snelhed jacht n knopen. Rt s wrjvngsweerstand n Newton. Rr s restweerstand n Newton. Rt s totale weerstand n Newton. - De golfmakende weerstand s veel moeljker te benaderen dan de wrjvngsweerstand. Als een modelproef onder de bovenstaande voorwaarden wordt utgevoerd, kan de golfmakende weerstand eenvoudg worden omgeschaald. De golfmakende weerstand van het werkeljke schp ten opzchte van het model verhoudt zch als alfa (alfa s de modelschaal). De wrjvngsweerstand kan net worden omgeschaad, maar moet worden berekend. Deze berekenng wordt door alle sleeptanks over de gehele wereld toegepast. Daarbj wordt gebruk gemaakt van de wrjvngsweerstandscoêffcent. Deze s proefondervndeljk vastgesteld door vlakke platen, waarvan de golfmakende weerstand geljk wordt gesteld aan nul, door het water te slepen. Het voert te ver om verder op deze berekenng n te gaan. Een 'run' met het schaalmodel door de sleeptank. Het model kan stampen en dompen, maar net slngeren. De gewchtsverdelng en de lggng van het zwaartepunt s door mddel van losse gewchten nagebootst. de lengte. Ook het kengetal van Froude moet geljk zjn voor zowel het model als het orgneel. Als voorbeeld nemen we een schp met een lengte van 00 meter en een snelhed van 20 knopen. In een modelproef wordt de weerstand van dt schp bepaald. De modelschaal s 40, de knematsche vscostetscoeffcent (x) van zout water van 20 graden s.05 * 0-6. De zwaartekrachtversnellng voor schp en model s geljk, 0C G(de schaal van de zwaartekrachtversnellng) s derhalve. Volgens de modelregel van Froude geldt dat =,627 m/s. De snelhed van het V4U moóe\ moet dus,627 m/s zjn. Het Reynoldsgetal ROT. 00 bedraagt dan,627' -ff = 4,07 * 06.,05 * 0"' Voor het schp op ware grootte bedraagt het Reynolds-getal echter (20 0,54) De Reynolds-getallen zjn dus net geljk. Er zjn dan dre mogeljkheden - De proef moet worden utgevoerd n een vloestof waarvan de vscostet ongeveer 240 0,980 0 m a a g r o t e r S dan de van water. M 4,07 09 Zo'n vloestof s praktsch gesproken net voorhanden. - De modelsnelhed zou ongeveer 240 maal groter moeten zjn dan de van het schp. Dt s echter weer strjdg met de modelregel van Froude en bovenden technsch net haalbaar. - Je kest voor een van bede modelwetten. In de praktjk wordt, noodgedwongen, voor de laatste opte gekozen. In het algemeen wordt er tjdens een modelproef wel voldaan aan de modelregel van Froude, maar net aan de van Reynolds. Dt heeft twee oorzaken - De golfmakende weerstand s van doorslaggevend belang bj de bepalng van de totale weerstand (ze tabel 2). Resultaten Nadat de proeven zjn utgevoerd en de extrapolateprocedure s toegepast, wordt er een rapport opgesteld. In grafeken en tabellen worden de meetresultaten n beeld gebracht. Ten slotte wordt er een berekenng gemaakt van het motorvermogen waarbj, als gezegd, wordt utgegaan van een conservateve schattng van het overall voortstuwngsrendement. De egenschappen van de Stadtlne 8 zoals deze ut de proefnemngen naar voren zjn gekomen zjn zonder meer goed. Voor Cees van Tongeren van Van de Stadt desgn zjn deze utkomsten net zo opzenbarend 'Als je een schp op paper zet, gebruk je daarbj je kenns en ervarng. De resultaten van deze sleepproef zjn wat dat betreft egenljk een bevestgng van je berekenngen en je nzcht.' Dat wl echter net zeggen dat een sleepproef overbodg zou zjn. 'Sleepproeven worden egenljk alleen utgevoerd voor commercële vaartugen of megajachten. De prestates van de schepen zouden dus belangrjker zjn dan de prestates van klene jachten, omdat er meer geld mee s gemoed. Voor klene jachten zjn sleepproeven vaak net rendabel. Maar ook de prestates van klenere jachten zjn natuurljk belangrjk. Als je een sleepproef laat utvoeren, weet je zeker dat je een goed varend schp krjgt.' Tekst Jan Brek. Met dank aan r. J.A. Keunng, Facultet der Werktugbouwkunde en Marteme Technek, Vakgroep Hydronautca, TU Delft. Foto's Thjs Tuurenhout en Bertel Kolthof. Sleepproef bedt veel Sleepproeven worden net alleen utgevoerd om nzcht te krjgen n de gedragngen van het schp, de golfvormng, de weerstand en het toekomstge motorvermogen. Het onderzoek n de sleeptank bedt tevens de mogeljkhed het gedrag n golven te optmalseren, het gedrag van het schp tjdens manoeuvres te bestuderen en de velghed - voor zover de samenhangt met de stabltet - te onderzoeken. Geïnteresseerden kunnen contact opnemen met r. J.A. Keunng, TU Delft, Facultet der Werktugbouwkunde en Marteme Technek, Vakgroep Hydronautca, Mekelweg 2, 2628 CD Delft, telefoon (05) I WK Powered by TCPDF (