und Optimierung von Schiffsantrieben

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1 Einsatz von CFD zur Neuentwicklung und Optimierung von Schiffsantrieben 10 Jahre Erfahrungen bei Voith Dirk Jürgens Voith Turbo Schneider Propulsion GmbH & Co. KG Heidenheim, Germany

2 Voith Schneider Propeller (VSP)

3 Inhalt 1. Physikalisches- und technisches Prinzip des Voith Schneider Propellers 2. CFD zur Optimierung existierender Produkte 3. CFD zur Entwicklung neuer Produkte 4. CFD als Quelle neuer Produktideen 5. Zusammenfassung

4 Voith-Schneider-Propeller Experimental vessel 1928

5 VSP driven ships Voith-Water Water-Tractors Tractors,, double-ended ended ferries, minehunters,, OSV

6 Voith Water Tractor Characteristics of the tractor concept VSP under head of the ship 2 nozzle plate 3 stabilizing fin under after ship 4 towing gear 5 central wheel house 3 2 1

7

8 Voith Schneider Propeller (VSP)

9 Cycloidal Propulsor Kinematical principle ivsp

10 Inhalt 1. Physikalisches- und technisches Prinzip des Voith Schneider Propellers 2. CFD zur Optimierung existierender Produkte 3. CFD zur Entwicklung neuer Produkte 4. CFD als Quelle neuer Produktideen 5. Zusammenfassung

11 Model tests on propeller ventilation

12 Thrust of the VSP by Computational Fluid Dynamics (CFD)

13 Thrust of the VSP by Computational Fluid Dynamics (CFD) Thrust

14 VSP with guard

15 Cavitation tests with VSP models Cavitation observation = 0.15, n = 2.71

16 Flows with cavitation

17 Improvement of by CFD

18 Propeller Hull Interaction Pressure Distribution and Free Surface of a Voith Water Tractor

19 Pressure distribution at an OSV

20 Studies on propeller ventilation

21 Ducted Screw Propeller

22 Model tests on propeller ventilation

23 VSP Model tests on propeller ventilation VRP

24 CFD results for h/d=0.5

25 CFD results for h/d=0.39

26 Ventilation Voith-Schneider-Propeller Comparison Experiment - CFD VSP CFD VSP Exp h/d thrust [%]

27 Ventilation Voith-Radial-Propeller Comparison Experiment - CFD VRP CFD VRP Exp h/d thrust [%]

28 Ventilation Comparison VSP and Azimuth Thruster VRP VSP h/d thrust [%]

29 Voith Wassertrecker

30

31 Wave Pattern: 35 Yaw Angle 35

32 Pressure Distribution: 30 Yaw Angle 30

33 Pressure Distribution: 35 Yaw Angle 35

34 Pressure Distribution: 40 Yaw Angle 40

35 Pressure Distribution: 45 Yaw Angle 45

36 Pressure Distribution: 50 Yaw Angle 50

37 Pressure Distribution: 55 Yaw Angle 55

38 Stream Lines: 30 Yaw Angle 30

39 Stream Lines: 35 Yaw Angle 35

40 Stream Lines: 40 Yaw Angle 40

41 Stream Lines: 45 Yaw Angle 45

42 Stream Lines: 50 Yaw Angle 50

43 Stream Lines: 55 Yaw Angle 55

44

45 Steering Forces as a Function of the Yaw Angle and Tow Line Angle TLA 0 TLA 10 TLA 20 TLA 30 TLA 40 TLA 60 steering force [t] yaw angle [ ]

46 Voith Watertractor in waves Pull 0 hw = 4.5 m Tp = 5,99 s

47 Tug in waves

48 Voith Ship Simulator

49 PMM-Tests with CFD

50 PMM-Tests with CFD pure yaw manoeuvre pure sway manoeuvre

51 PMM-Tests with CFD pure yaw manoeuvre

52 Simulator

53 Inhalt 1. Physikalisches- und technisches Prinzip des Voith Schneider Propellers 2. CFD zur Optimierung existierender Produkte 3. CFD zur Entwicklung neuer Produkte 4. CFD als Quelle neuer Produktideen 5. Zusammenfassung

54 Voith Radial Propeller (VRP)

55 Voith Radial Propeller - Applications

56 Voith Radial Propeller - Applications

57 CFD on Voith Radial Propeller

58 VRP Optimisation An automatic calculation strategy is developed that includes the following tasks: parametrisation of the VRP geometry automatic 3D geometry generation automatic mesh generation for CFD calculations automatic post processing of CFD results embedding the procedure within an optimisation loop automatic optimisation loop

59 Optimisation of VRP Nozzle

60 Pressure distribution at an OSV

61 Velocity distribution 0

62 Streamlines 0

63 Streamlines 4

64 Streamlines 6

65 Streamlines 7

66 Streamlines 8

67 Streamlines 9

68 Velocity distribution at 0 and 8 inclination angle

69 Velocity and pressure distribution at 0 and 8 inclination angle

70 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Effective thrust due to interaction effects inclination angle [ ] totel thrust ratio [%]

71 Inhalt 1. Physikalisches- und technisches Prinzip des Voith Schneider Propellers 2. CFD zur Optimierung existierender Produkte 3. CFD zur Entwicklung neuer Produkte 4. CFD als Quelle neuer Produktideen 5. Zusammenfassung

72 VWT Guard Voith Schneider Propeller with guard

73 Modification of guard plate

74 Slotted guard in full scale

75 Voith Roll Stabilisation (VRS) M wave - Exciting wave moment VSP Thrust M VSP - Stabilizing Moment by the VSP

76 Werkzeuge zur Verbesserung des VSP: FEM Ablaufplan einer Festigkeitsanalyse CFD-Analyse Eingabedaten aus der CFD-Berechung: hydrodynamische Kräfte und Momente + Massenkräfte Druckverteilung Worst-Case Fall wird extrahiert Lasten FESOKIMO wird benutzt um die Lasten innerhalb des VSP zu bestimmen. Alle wirkenden Lasten werden in diesem Modell kombiniert.

77 Roll stabilisation at full scale North sea ship speed 9kn wave height 4m

78 Inhalt 1. Physikalisches- und technisches Prinzip des Voith Schneider Propellers 2. CFD zur Optimierung existierender Produkte 3. CFD zur Entwicklung neuer Produkte 4. CFD als Quelle neuer Produktideen 5. Zusammenfassung

79 Zusammenfassung Voith Schneider Propeller sind hydrodynamisch sehr komplex CFD ist die Basis aller Propeller- und Schiffsentwicklungen Modellierte Physik: Freie Oberflächen, Kavitation, 6 DOF CFD hat die Schadenshäufigkeit deutlich reduziert VRP konnte durch automatisierte Optimierung in sehr kurzer Zeit entwickelt werden Neue Produktideen konnten durch CFD kreiert werden

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