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
Voith Schneider Propeller (VSP)
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
Voith-Schneider-Propeller Experimental vessel 1928
VSP driven ships Voith-Water Water-Tractors Tractors,, double-ended ended ferries, minehunters,, OSV
Voith Water Tractor Characteristics of the tractor concept 4 5 1 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
Voith Schneider Propeller (VSP)
Cycloidal Propulsor Kinematical principle ivsp
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
Model tests on propeller ventilation
Thrust of the VSP by Computational Fluid Dynamics (CFD)
Thrust of the VSP by Computational Fluid Dynamics (CFD) Thrust
VSP with guard
Cavitation tests with VSP models Cavitation observation = 0.15, n = 2.71
Flows with cavitation
Improvement of by CFD
Propeller Hull Interaction Pressure Distribution and Free Surface of a Voith Water Tractor
Pressure distribution at an OSV
Studies on propeller ventilation
Ducted Screw Propeller
Model tests on propeller ventilation
VSP Model tests on propeller ventilation VRP
CFD results for h/d=0.5
CFD results for h/d=0.39
Ventilation Voith-Schneider-Propeller Comparison Experiment - CFD 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 VSP CFD VSP Exp. 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 h/d thrust [%]
Ventilation Voith-Radial-Propeller Comparison Experiment - CFD 100 90 80 VRP CFD VRP Exp. 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 h/d thrust [%]
Ventilation Comparison VSP and Azimuth Thruster 100 90 80 VRP VSP 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 h/d thrust [%]
Voith Wassertrecker
Wave Pattern: 35 Yaw Angle 35
Pressure Distribution: 30 Yaw Angle 30
Pressure Distribution: 35 Yaw Angle 35
Pressure Distribution: 40 Yaw Angle 40
Pressure Distribution: 45 Yaw Angle 45
Pressure Distribution: 50 Yaw Angle 50
Pressure Distribution: 55 Yaw Angle 55
Stream Lines: 30 Yaw Angle 30
Stream Lines: 35 Yaw Angle 35
Stream Lines: 40 Yaw Angle 40
Stream Lines: 45 Yaw Angle 45
Stream Lines: 50 Yaw Angle 50
Stream Lines: 55 Yaw Angle 55
Steering Forces as a Function of the Yaw Angle and Tow Line Angle 320 280 240 200 160 120 80 TLA 0 TLA 10 TLA 20 TLA 30 TLA 40 TLA 60 steering force [t] 40 30 35 40 45 50 55 yaw angle [ ]
Voith Watertractor in waves Pull 0 hw = 4.5 m Tp = 5,99 s
Tug in waves
Voith Ship Simulator
PMM-Tests with CFD
PMM-Tests with CFD pure yaw manoeuvre pure sway manoeuvre
PMM-Tests with CFD pure yaw manoeuvre
Simulator
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
Voith Radial Propeller (VRP)
Voith Radial Propeller - Applications
Voith Radial Propeller - Applications
CFD on Voith Radial Propeller
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
Optimisation of VRP Nozzle
Pressure distribution at an OSV
Velocity distribution 0
Streamlines 0
Streamlines 4
Streamlines 6
Streamlines 7
Streamlines 8
Streamlines 9
Velocity distribution at 0 and 8 inclination angle
Velocity and pressure distribution at 0 and 8 inclination angle
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Effective thrust due to interaction effects 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 inclination angle [ ] totel thrust ratio [%]
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
VWT Guard Voith Schneider Propeller with guard
Modification of guard plate
Slotted guard in full scale
Voith Roll Stabilisation (VRS) M wave - Exciting wave moment VSP Thrust M VSP - Stabilizing Moment by the VSP
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.
Roll stabilisation at full scale North sea ship speed 9kn wave height 4m
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
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