Title OPTIMIRANJE POGONSKOG SUSTAVA BOČNIH GIBANJA PLOVILA Title (english) DESIGN OF A PROPULSION DRIVE SYSTEM FOR LATERAL MOVEMENT OF VESSEL (THRUSTER) Author Ivan Morosavljević Mentor Dražan Kozak (mentor)Committee member Dražan Kozak (član povjerenstva) Committee member Franjo Matejiček (predsjednik povjerenstva) Committee member Marko Katinić (član povjerenstva) Granter Josip Juraj Strossmayer University of Osijek Defense date and country 2017-09-08, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Abstract Tema ovog diplomskog rada je „Optimiranje pogonskog sustava bočnih gibanja plovila“. Rad obuhvaća optimiranje parametara i proračun gibanja pramčanog propulzora za bočna gibanja plovila. Ovakvi propulzori se u praksi izrađuju ovisno o veličini broda, a koriste se kod osobnih plovila pa sve do najvećih brodova na svijetu. Kod osobnih plovila omogućavaju lakše izvođenje određenih manevara, kao što su privezivanje i odvezivanje od obale i/ili za okretanje plovila u ograničenim prostorima. Ta problematika je detaljnije prikazana u prvom (uvodnom) poglavlju ovog rada.
Kao što je prijašnje spomenuto, ovakvi propulzori izrađuju se u odnosu na veličinu broda, a parametri ovise o otporima broda i željenim brzinama gibanja, kao što je prikazano u drugom poglavlju. Za proračun otpora i optimiranje parametra propulzora korišten je primjer plovila „Šibenik 800 – radna verzija“. Model plovila izrađen je u programu za 3D modeliranje SolidWorks 2017 na osnovu idejnih tehničkih crteža kompanije Dunkić d.o.o.. Otpor broda je složena pojava interakcije fluida s krutim tijelom, te je za izračun korišten alat za računalnu dinamiku fluida u kombinaciji s alatom za statičku analizu krutih tijela u programskom paketu Ansys 17.2. Ovisno o fluidu koji djeluje na plovilo, analiza je podijeljena na dva dijela: analiza otpora uronjenog dijela i analiza otpora nadvodnog dijela. Potrebna sila propulzije dobivena je uz pretpostavku da će pri maksimalnoj brzini ubrzanje biti jednako ništici, odnosno sila ukupnog otpora biti će jednaka sili propulzije. Otpor nadvodnog dijela broda nastaje uslijed djelovanja vjetra, čija je brzina pretpostavljena kao konstantna jer je nepredvidivog karaktera. Pri gibanju uronjenog (podvodnog) dijela broda stvara se otpor hidrodinamičkog tlaka na površini, čija je veličina promjenjiva u odnosu na brzinu. Kada je poznata potrebna sila propulzije, optimiranjem je moguće dobiti ostale parametre propulzora kao što su: promjer tunela i propelera, potreban broj okretaja, moment na vratilu i potrebna snaga.
U odnosu na prethodno optimirane parametre izrađen je 3D model propulzora, a njegove komponente su opisane u trećem poglavlju. Navedena su i rješenja pojedinih konstrukcijskih problema koji se pojavljuju kod spoja vratila s propelerom. Analize naprezanja pojedinih komponenata sustava prikazane su u četvrtom poglavlju.
Peto poglavlje ovog rada predstavlja provjeru dobivenih parametara u odnosu na željene, čiji je glavni naglasak na brzini gibanja plovila i vrijeme potrebno za postizanje zadovoljavajuće brzine. Postoje dvije mogućnosti bočnih gibanja plovila, te je za ovo poglavlje odabrana translacija s dva propulzora u paru. Veličina hidrodinamičkog tlaka podvodnog dijela broda ovisi o kvadratu brzine gibanja plovila, pa je za očekivati da će upravo zbog te pojave akceleracija u ovisnosti o vremenu težiti asimptotskoj vrijednosti. Samim time da se zaključiti da će se brzina plovila povećavati do beskonačnosti, te nikad neće postići krajnju brzinu (asimptotu). Međutim, ovom provjerom je dobiveno da će brod postići zadovoljavajuću brzinu od 0,3 m/s već kroz deset sekundi, što je vrlo dobro s obzirom na uvjete proračuna.
U posljednjem poglavlju optimirane su komponente sustava čija su naprezanja prethodno dobivena simulacijama u četvrtom poglavlju.
Abstract (english) Thesis title is „Design of a propulsion drive system for lateral movement of vessel (thruster) “. It covers propulsion parameter optimization and motion study of bow thrusters. Thrusters parameters for production are decided in relation with vessel length. That kind of lateral propulsion systems may be used on vessels of all sizes, from small personal boats and yachts to the biggest commercial vessels on Earth. For personal purposes thrusters are used to help with maneuvering, especially for occasions like mooring to shore or/and turning in limited spaces like yacht marines. Mentioned problems are described in first chapter of this thesis.
As mentioned before, lateral thruster parameters are decided in correlation with vessel length. Reason for it is that thrust force is given by value of ship hull resistance and desired speed of lateral movement, as it’s shown in second chapter of thesis. As example for this thesis, used vessel is “Šibenik 800- working variant”. Model of ship is made in 3D software SolidWorks 2017 by use of conceptual drawings provided by company Dunkić d.o.o.. Hull resistance represents complex physical phenomenon of fluid-structure interaction and very often for its analysis engineers are forced to use software for computational fluid dynamics. In this thesis used software is Ansys 17.2 with CFX module paired with static structural. Analysis was divided into two sections to decrease computation time: immersed and dry part. Required propulsion force was given by assumption that acceleration is equal to zero when vessel is moving with designed ultimate speed, whereas amount of propulsion force is equal to resistance force. Dry slice of vessel used in second chapter represents part of ship dragged by wind force, which is assumed constant because of unpredictable power and direction alternation. Immersed part of ship is loaded with hydrodynamic pressure, which resulting force is correlated with vessel speed. With given required thrust force, optimization of system parameters such as power, rpm, shaft torque, tunnel and propeller diameter is possible.
With optimized parameters for drive system, 3D model is made in third chapter of this thesis, where are explained functions of all parts. As well solutions for shaft and propeller couplings problems are mentioned. Immersed solid bodies stress analysis is provided in fourth chapter.
Motion study of exampled vessel with given thruster parameters is explained in fifth chapter, whereas the main emphasis was on desired speed and time needed to achieve it. By using thrusters (bow and stern), vessel is provided with two additional lateral degrees of freedom such as: rotation and lateral translation. Lateral translation is described as example for this thesis.
Keywords
metoda konačnih elemenata
analiza
bočni propulzori
računalna dinamika fluida
kinetika
optimiranje
Ansys CFX
Ansys Static Structural
konvergencija
hidrodinamički tlak
Keywords (english)
Finite Element Method
Analysis
Computetional Fluid Dynamics (CFD)
kinetics
Ansys CFX
Ansys Static Structural
convergence
hydrodynamics pressure
Language croatian URN:NBN urn:nbn:hr:153:054508 Study programme Title: Graduate Study Mechanical Engineering; specializations in: Design and Product Development, Manufacturing Logistics, Materials Engineering, Engineering Technologies, Power Engineering Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Access restricted to students and staff of home institution Terms of use Created on 2017-09-27 05:59:17
