und Optimierung von Schiffsantrieben
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- Bertold Geier
- vor 8 Jahren
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Transkript
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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