Po4_hidrodinamika i Propulzija

UVOD U PLOVNE OBJEKTI HIDRODINAMIKA i PROPULZIJA BRODA

UVOD

HIDRODINAMIKA BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA Hidrodinamika broda izučava: 

Kretanje broda kroz vodu i pojave koje nastaju u toku kretanja



Probleme pokretnosti broda i kormilarenje



Ponašanje broda na valovima

Gdje je: Pokretnost svojstvo broda da se premješta po moru pod djelovanjem sile poriva, a za proračun sile poriva potrebno je poznavati veličinu otpora broda te svojstva propulzora.

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

OTPOR BRODA Otpor je sila (N) koja se suprotstavlja kretanju broda. Da bi se tijelo kretalo određenom brzinom u nekoj tekućini, za savladavanje otpora potrebno je upotrijebiti određenu silu. Kretanju broda kroz tekućinu suprotstavljaju se hidrodinamičke sile tekućine i aerodinamičke sile zraka.

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

OTPOR BRODA Pri plovidbi broda kroz tekućinu zapažaju se slijedeće osnovne pojave:  u neposrednoj blizini brodskog trupa formiraju se vrtlozi zbog trenja vode o brodski trup (granični sloj),  po krmi broda opažaju se veliki virovi,  stvaraju se valovi koji “prate” brod.

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

Vrste otpora broda Otpor broda dijeli se na:  Otpor podvodnog dijela broda (otpor kretanja kroz vodu) RV;  Otpor nadvodnog dijela broda (otpor kretanja kroz zrak) RZ ;  Dodatne otpore Ro. Dodatno, otpor podvodnog dijela broda dijeli se na:  Otpor trenja RF;  Otpor valova RW ;  Otpor pritisaka RP;  Otpor privjesaka RPR; Stoga, osnovna jednadžba za otpor broda glasi:

R = RV + RZ + Ro = RF + RW + RP+ RPR + RZ + Ro Otpor trenja je osnovna komponenta ukupnog otpora za većinu brodova te iznosi od 50% do 90% od ukupnog otpora.

HIDRODINAMIKA BRODA

OTPOR BRODA

Otpor trenja, RF Otpor trenja posljedica je viskoznosti vode koja se za vrijeme gibanja broda očituje kao unutrašnje trenje. U tankom sloju vode uz površinu tijela, koji se zove pogranični sloj, odvija se prijenos energije s broda na okolnu vodu i generiranje otpora trenja.

Pogranični sloj

Pogranični sloj

Pogranični sloj se proširuje od krme prema pramcu jer se povećanjem duljine broda sve veća površina vode obuhvaćena trenjem.

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

Otpor trenja, RF Na otpor trenja utječe slijedeće:  Hrapavost vanjske oplate broda, povećanje otpora trenja zbog hrapavosti vanjske oplate iznosi prosječno 15 do 20%  Veličina oplakane površine, povećanjem površine povećava se otpor trenja  Brzina broda, povećanjem brzine povećava se otpor trenja itd.  Duljina broda, povećanjem duljine povećava se otpor trenja,

HIDRODINAMIKA BRODA

OTPOR BRODA

Otpor trenja, RF – Reynoldsov broj Pri proučavanju procesa gibanja vode, kojima upravljaju sile viskoznosti i sile inercije, važnu ulogu ima bezdimenzionalni Reynoldsov broj (Re):

L = duljina broda [m]

Re =

L⋅v

ν

v = brzina broda [m/s] ν = μ / ρ = kinematički koeficijent viskoznosti [m2/s] μ = dinamički koeficijent viskoznosti [N·s/m2] ρ = gustoća tekućine [kg/m3]

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

Otpor trenja, RF Ovisno o veličini Reynoldsova broja i o stupnju hrapavosti trupa, strujanje u pograničnom sloju može biti laminarno ili turbulentno. Karakteristika laminarnog strujanja je klizanje pojedinih slojeva tekućine jednog po drugom, slijedeći obrise stijenki broda, bez značajnih promjena brzine. Turbulentno strujanje karakterizira neustaljeno gibanje čestica, koje izaziva neprestano miješanje masa tekućina i vrlo velikih oscilacija brzine u svakoj točki  Otpor trenja je znatno veći u turbulentnom području.  U praksi, gotovo je isključivo prisutno turbulentno strujanje, a laminarno strujanje se već u području pramca vrlo brzo destabilizira i nestane.  Stoga, važno je da oplata broda, posebno na pramcu, ima što veću glatkoću. Povećanje otpora trenja zbog povećanja hrapavosti broda prosječno iznosi od 15% do 20%, a može biti i preko 40%.

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

Otpor valova, RV Otpor valova nastaje zbog otpora vode koja se odupire promjeni vlastitog stanja. Povećanjem brzine broda, povećavaju se valovi, odnosno otpor valova. Postoje:  razilazni valovi i  poprečni valovi. Kod malih brzina poprečni valovi su slabo uočljivi, dok se razilazni primjećuju. Porastom brzine raste i intenzitet poprečnih valova pa se njihovi dolovi i grebeni počinju jasno ocrtavati uz bok broda. Broj poprečnih valova po duljini broda raste povećanjem brzine, dok se konačno, kod velikih brzina, može pojaviti samo jedan val po duljini broda. Valovi se javljaju samo kod brodova koji plove površinom. Ako je brod (npr. podmornica) udaljen od površine za jedan i pol do tri vlastita promjera, valovi nestaju, pa nema ni otpora valova.

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

Otpor valova, RV Otpor valova ovisi o:  Brzini kretanja broda. Povećanjem brzine progresivno raste velićina poprečnih valova, time i njihov otpor;  Formi broda, s porastom omjera B/T raste i otpor valova.  Duljini broda, povećanjem duljine smanjuje se otpor valova ( ali povećava otpor trenja i to je nešto što projekt mora pokušati optimalno riješiti)

Otpor valova se smanjuje i primjenom pramčanog bulba koji pri većim brzinama kretanja broda smanjuje ukupni otpor i do 18%

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

Otpor pritisaka (virova), RV Otpor pritisaka, otpor forme, odnosno virova, nastaje zbog toga što strujnice vode na krmi ne prianjaju točno uz formu trupa broda. Zbog toga tlak na krmi nema istu vrijednost kao i tlak na pramcu. Ova razlika tlakova čini otpor virova. Otpor virova ovisni brzini te prvenstveno o formi krme odnosno načinu na koji je izvedeno “zaoštrenje” trupa broda od paralelnog srednjaka prema krmi. Glavni uzrok stvaranja virova kod brodova uobičajenih formi je širenje graničnog sloja, što izaziva promjenu režima osnovnog strujanja.

HIDRODINAMIKA BRODA

OTPOR BRODA

Otpor pritisaka (virova), RV Na krmi broda pune forme, strujnice u graničnom sloju ne mogu slijediti formu tijela, pa se granični sloj otkida od površine tijela, strujnice se zakreću i stvaraju virove. Kod oštrijih formi krme debljina graničnog sloja raste postepeno, otkidanje nastaje na nekoj točki u samoj blizini krme, pa i otpor virova postaje manji OBLIK POVOLJAN ZA OTPOR VALOVA

OBLIK POVOLJAN ZA OTPOR VIROVA

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

Otpor zraka, RZ Otpor zraka nastaje zbog kretanja nadvodnog dijela broda kroz zrak. Da bi se postigao što manji otpor zraka, na putničkim brodovima potrebno je:  izgraditi što niže nadgrađe,  zaokružiti nadgrađe i dati mu strujni oblik, koliko je to moguće,  izvesti strukturu nadgrađa stupnjevanu prema pramcu i prema krmi.

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

Otpor privjesaka, RPR Otpor privjesaka čini zajednički otpor ljuljne kobilice, skrokova, kormila, stabilizatora i sl.

S obzirom na malu površinu privjesaka otpor trenja privjesaka je mali, međutim veći utjecaj na otpor ima pojava virova na privjescima i iza njih. Stoga se nastoji da oblici privjesaka na podvodnom dijelu broda budu vitki i bez oštrih rubova.

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

Utjecaj forme broda na otpor         

S porastom omjera B/T raste i otpor valova zbog veće istisnine na površini vode V-forma rebara povećava otpor pri malim brzinama, dok pri velikim brzinama to nije slučaj. Na otpor trenja najviše utjecaja ima oplakana površina, tj. površina trupa koja dodiruje vodu. Ta površina raste s porastom duljine broda, što znači da se i s većom duljinom povećava otpor trenja. Na otpor trenja značajno utječe i hrapavost površine. Otpor valova primarno ovisi o brzini broda i formi broda (pogodnije su U-forme za pramčani dio broda) Pramčanim bulbom smanjuje se otpor valova Otpor virova smanjuje se što blažim krmenim zaoštrenjem. Pomicanjem težišta istisnine prema krmi smanjuje se otpor valova. (blažim pramčanim zaoštrenjem smanjuje se otpor valova) Kod manjih brzina do većeg izražaja dolazi otpor trenja pa su za takve brodove pogodnije forme s manjom oplakanom površinom

OTPOR BRODA

HIDRODINAMIKA BRODA

Određivanje otpora broda Otpor broda mora se odrediti kako bi se mogla ocijeniti kvaliteta izabrane forme trupa broda te da bi se odredila potrebna snaga pogonskog stroja za željenu brzinu. Pouzdana metoda za određivanje otpora broda, odnosno potrebne snage porivnog stroja, je vučenjem broda u ispitnom bazenu.

HIDRODINAMIKA BRODA

OTPOR BRODA

Određivanje otpora broda Međutim, u fazi predprojekta često je dovoljan i približan proračun otpora. Neke od približnih metoda su Teylorova i Ayerova metoda, gdje projektanti koriste dijagrame za očitanja vrijednosti otpora, a koji su temeljeni na statističkoj analizi većeg uzorka brodova. Otpor se može odrediti i pomoću formule admiraliteta:

P=

D

2/3

c

⋅v

3

[ HP]

P – snaga otpora D – deplasman broda, t v – brzina broda, čv c – konstanta admiraliteta, uzima se na osnovi podataka za sličan brod

Pitanja za vježbu 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Što je otpor broda? Koje su komponente ukupnog otpora broda? Koje su komponente podvodnog otpora broda? Što najviše utječe na otpor trenja? Skiciraj i označi pogranični sloj. Na koji otpor djeluje bulb broda? Koji otpor je karakterističan kod podmornice? Skiciraj povoljan oblik za otpor valova. Skiciraj povoljan oblik za otpor virova.

UVOD U PLOVNE OBJEKTE Propulzija broda

PROPULZIJA BRODA

PROPULZIJA BRODA Brod može ploviti određenom brzinom ako na njega djeluje porivna sila veća ili jednaka od jednaka sile otpora vode i suprotnog smjera.

Najstariji tip mehaničkog propulzora je brodski kotač (1543). Godine 1819. brod „Savannah“ je prešao Atlanski ocean s kotačem kao pomoćnim sredstvom propulzije.

PROPULZIJA BRODA

PROPULZIJA BRODA Propulzori se dijele u tri osnovne skupine: -

mlazni propulzori (vodi zadaju impuls prema natrag)

-

propulzori za stvaranje poriva pomoću sila otpora koje nastaju na njihovim pokretnim dijelovima (kotači koji se okreću oko horizontalne osovine, s učvršćenim ili pokretnim lopaticama)

-

propulzori za stvaranje poriva pomoću sila uzgona koje nastaju na njihovim pokretnim dijelovima (vijčani propeleri).

PROPULZIJA BRODA

VIJČANI PROPULZOR Vijčani propulzor ili brodski vijak je najrašireniji tip brodskog propulzora. Može imati dva do osam krila (najčešće tri ili četiri), koja su postavljena na koničnu glavinu. Krila i glavina obično su lijevani iz jednog komada, što ne mora biti pravilo. Propeler može biti lijevokretni ili desnokretni. Smjer vrtnje određuje se gledajući u vijak od krme prema pramcu.

PROPULZIJA BRODA

VIJČANI PROPULZOR Propeler se spaja na propelernu osovinu pomoću konusa i matice, pri čemu je narez matice obrnut od smjera okretanja propelera. Matica je pokrivena kapom zbog usmjeravanja vode (strujna kapa).

1-glavćina; 2-strujna kapa; 3-propelerna osovina; 4-krilo propelera 3

Vijak pri plovidbi mora biti dovoljno uronjen u vodu kako ne bi uzrokovao usisavanje zraka, te da ne bi izlazio iznad površine vode kod malog pramčanog trima ili pri posrtanju broda na valovima. Maksimalni promjer propelera jest 0,7 gaza na KVL.

PROPULZIJA BRODA

VIJČANI PROPULZOR Za određene namjene, umjesto klasičnog vijka, može povoljnije biti neko od slijedećih rješenja: Brodski vijak s prekretnim krilima Za vrijeme plovidbe krila se pomoću posebnog mehanizma mogu zakretati oko vertikalne osi. Stroj pri tome stalno radi pod optimalnim uvjetima. Za zaustavljanje broda ili vožnje krmom nije potreban poseban prekretni pogonski uređaj ili spojka, jer se smjer poriva mijenja s prekretanjem krila vijka. Ove prednosti dolaze do punog izražaja kod brodova koji rade pod vrlo promjenljivim opterećenjima i koji često moraju manevrirati (tegljači, trajekti, ribarski brodovi, ledolomci, ratni brodovi).

PROPULZIJA BRODA

VIJČANI PROPULZOR Vijak u sapnici Vijak u sapnici primjenjuje se na brodovima koji moraju imati mali gaz, pa je vijak manji od optimalnog. Zadatak je sapnice poboljšanje stupnja djelovanja vijka. Razmak između vrhova krila i sapnice treba biti što manji (idealna bi bila izvedba bez zračnosti), jer se s većim razmakom potpuno gubi povoljno djelovanje sapnice. Ovaj razmak, u ovisnosti o promjeru vijka, može biti od 2 do 10 mm.

Uvlačiva sapnica

Okretljiva sapnica (azimut)

PROPULZIJA BRODA

VIJČANI PROPULZOR Azipod sustav Azipod (Azimuth Pod ), propulzor je okretan oko vertikalne osi za 360° Azipod se sastoji od strujno oblikovanhog tijela, glave (POD) koja u sebi ima smješten elektromotor.

Azipod propulzor

PROPULZIJA BRODA

Voith-Schneiderov propeler Voith-Schneiderov propeler sastoji se od četiri ili šest lopatica raspoređenih po obodu okomito na ploču vodoravnoga rotirajućeg kotača. Rotacijom kotača voda struji oko lopatica i stvara poriv, čija veličina i smjer ovise o položaju lopatica.

V-S propulzor

Prednost Voith-Schneiderova propelera jest u tome što on služi ujedno i kao kormilo. Nedostaci su mu prilično komplicirana konstrukcija, velika težina, osjetljivost prema oštećenjima i visoka cijena. Ugrađuje se u brodove kojima je od primarne važnosti dobra sposobnost upravljanja.

Kavitacija Definicija Uslijed pada tlaka vode oko lopatica vijka na vrijednost tlaka isparavanja vode pojavljuju se mjehurići pare – kavitacija. Mjehurići pare bivaju nošeni u područje višeg tlaka, gdje implodiraju (ponovo se pretvaraju u kapljevitu fazu) pri čemu ako implodiraju u blizini lopatica vijka dolazi i do oštećenja stijenke vijka. Pojava kavitacije je popraćena vibracijama i bukom.

Kavitacija na vrhovima krila Kavitacija se prvo javlja na vrhovima krila gdje je najveća brzine strujanja

Kavitacija na krilima vijka

Kavitacija Posljedice kavitacije 1) Pad učinkovitosti propelera 2) Oštećenja vijka 3) Vibracije 4) Buka

Kormilo

Kormilo Uređaj koji najčešće služi za usmjeravanje broda zove se kormilo. Omogućava da se brod održi u zadanom smjeru ili da se usmjeri u željenom pravcu. Prema položaju kormila, s obzirom na njegovu osovinu, razlikujemo: -nebalansna, -polubalansna i -balansna kormila. Nebalansna kormila imaju cijelu površinu iza osovine kormila, Balansna kormila imaju više od 15 % površine ispred osovine. Prema obliku poprečnog presjeka, kormila dijelimo na: - plosnata i - strujna Prema tome kako su pričvršćena za trup broda, razlikujemo - obična i - viseća kormila

Kormilo

Kormila Nebalansno plosnato

Polubalansno strujno

Nebalansno strujno

Balansno strujno kormilo (simpleks)

Viseće, balansno strujno kormilo

>15%

Okretljiva sapnica

Slika: Brodsko kormilo

Slika: Presjek propelernog kormila 1. Vodoravni spoj osovine za motor 2. Vodoravni prijenosnik prema okomitoj osovini 3. Okomita osovina 4. Okomiti prijenosnik prema vodoravnoj osovini propelera 5. Sapnica 6. Fiksni propeler

Slika: Manevarske sposobnosti dva trajekta (duljine 60 m) i dva putnička broda (duljine 40 m)

POGONSKO POSTROJENJE

Brodska pogonska postrojenja

Brodskim pogonskim uređajima nazivaju se energetski uređaji koji proizvode odgovarajuću vrstu energije potrebne brodu u eksploataciji, a mogu se podijeliti na: - glavne energetske uređaje (koji služe za pogon - propulziju broda) i - pomoćne energetske uređaje (koji služe za namirivanje ostalih potreba za energijom na brodu). Strojevi koji služe za pogon osovine vijka zovu se glavni, dok su ostali strojevi pomoćni strojevi. Potrebna snaga glavnih strojeva najviše ovisi o veličini i brzini broda, dok snaga pomoćnih strojeva uglavnom ovisi o veličini i namjeni broda.

POGONSKO POSTROJENJE

Glavni pogonski strojevi Propulzija broda ostvaruje se uglavnom pomoću motora s unutrašnjim izgaranjem, parnih turbina i plinskih turbina. Kao pogonski motori, na trgovačkim brodovima najviše se ugrađuju dvotaktni, jednoredni dizelski motori. Osnovne osobine brodskog propulzijskog motora jesu: - mogućnost mijenjanja broja okretaja u širokom rasponu, - mogućnost sigurnog prekretanja u kratkom vremenskom razdoblju, - mogućnost rada pri malom broju okretaja, - sigurno upućivanje u toplom ili hladnom stanju motora, - siguran rad pri valjanju, odnosno posrtanju broda itd.

POGONSKO POSTROJENJE

Glavni pogonski strojevi

Smještaj brzohodnog i sporohodnog motora u strojarnici

Stroj – osovinski vod - propulzor

Stroj

Reduktror

Skrok Ležajevi

Vijak

Brtva

Efektivna snaga vijka

EHP THP Snaga poriva

BHP Snaga stroja

SHP Snaga na osovini

DHP Snaga isporučena vijku

Stroj – osovinski vod - propulzor Delivered Horse Power (DHP) - Snaga isporučena propeleru - DHP = SHP – Gubici na osovini, ležajevima i brtvama Thrust Horse Power (THP) - Snaga poriva - THP=DHP – gubici vijka Str.

BHP

Red.

SHP

Ležaj

Odnos BHP>SHP>DHP>THP>EHP

DHP

Vijak

THP

Trup

EHP

Efektivna snaga EHP (eng. fffective horse power) : Potrebna snaga za pokretanje broda željenom brzinom, bez djelovanja vijka. EHP se utvrđuje vučenjem modela broda u ispitnom bazenu. EHP ne ovisi o pogonskom sustavu već samo o formi broda. V Bazen

EHP Krivulja snage 1000

EHP (HP)

800 600 400 200 0 0

2

4

6

8

10

Brzina, Vs (čvorovi)

12

14

16

EHP • Učinkovitost trupa

EHP ηH = THP

“Dobro”

“Loše”

- Strujanje nije glatko. - THP je smanjen. -Preveliki THP je potreban za postizanje ciljane brzine

POGONSKO POSTROJENJE Exhaust valve Fuel injector Liner Piston Turbocharger Entablature Fuel Pump Stuffing Box Camshaft Crosshead Frames Connecting Rod Crankshaft Bedplate Tie Bolts

Sporokretni dvotaktni brodski motor

- Ispušni ventil - Rasprskač (goriva) - Cilindarska košuljica - Stap (Klip) - Turbopuhalo - Ispirno kućište (s rashladnim prostorima) - Visokotlačna pumpa za ubrizgavanje goriva - Brtvenica - Bregasto vratilo - Križna glava - Stalak - Ojnica - Koljenasto vratilo - Temeljna ploča - Sidreni vijci

POGONSKO POSTROJENJE

Parna turbina Pogon parnom turbinom primjenjuje se najčešće na ratnim brodovima, te većim teretnim brodovima, čija pogonska snaga mora iznositi više od 30000 kW. Pogon parnom turbinom također se primjenjuje na većim ledolomcima, tegljačima, brodovima polagačima kablova i sl. Prednosti parne turbine su: - veliki zakretni moment pri malom broju okretaja, - manji stroj za istu snagu, - para proizvedena u brodskim kotlovima može upotrebljavati za grijanje tereta i za pranje tankova tereta, - miran hod i dobra upravljačka svojstva, Međutim, za snage manje od 15000 kW, uobičajenija je primjena dizelskog motora.

POGONSKO POSTROJENJE

Plinska Turbina Pogon plinskom turbinom nije naišao na širu primjenu za propulziju trgovačkih brodova, već se uglavnom upotrebljava za ratne brodove kako bi se postigle maksimalne brzine i omogućila velika koncentracija snage. Tako se na ratnim brodovima postavlja dvostruki pogon: dizelski motor za “običnu” vožnju i plinska turbina za maksimalnu brzinu. PREDNOSTI: - malene ugradbene dimenzije naspram dizel motora iste snage - malen omjer masa/snaga - startanje i mogućnost razvijanja maksimalne snage u kratkom vremenu - može razviti visok moment pri pokretanju iz mirovanja

NEDOSTACI: - visoka cijena - nizak stupanj korisnosti - na malom opterećenju imaju veliku potrošnju goriva - pri malim okretajima ima nestabilan rad - visoka cijena goriva za pogon - složenost postrojenja - nemogućnost promjene smjera vrtnje

POGONSKO POSTROJENJE

Pomoćni pogonski strojevi Ovoj skupini strojeva pripadaju svi strojevi neophodni za ispravno funkcioniranje glavnog brodskog pogona. To su: - pogonski strojevi generatora struje, - pumpe potrebne za rad glavnog stroja, - kompresori za punjenje boca s komprimiranim zrakom za upućivanje propulzijskoga dizelskog motora itd.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Nabroji tri osnovne skupine propulzora. Što je kavitacija i koje su njene posljedice? Navedi razloge primjene vijka u sapnici. Prednosti Voith-Schneiderovog propulzora. Skiciraj vijak i označi osnovne elemente. Podjela kormila prema položaju s obzirom na osovinu. Skiciraj. Koji se vrste glavnog pogonskog stroja mogu ugrađivati na trgovačke brodove? Koje osnovne osobine mora imati brodski pogonski stroj? Navedi nekoliko vrsta pomoćnih brodskih strojeva.