Werktuigbouwkundig Ontwerp Contra-Roterende Propellers

Ate

TU Delft

Technische Universiteit Delft Facuheit der Werktuigbouwkunde en Maritiorne Techniek Mekelvveg 2 2628 CO Delft Postbus 5034 280C) GA Deft tel. 015-786554 telefax 015-785602

Afsrudeerrichting: _{Werktuiglcundige Installaties}

Rapport.:

OEMO 94/43

Titel: _{Werktuigbouwkundig Ontwerp} Contra-Roterende Propellers

Auteur: C.GONTHER

Opclrachtgever (intern): _{prof.ir.J.Klein Woud}

Opdrachtgever (extern): Lips te Drunen

VOORWOORD

De firma Lips verricht studie naar praktische toepassingsmogelijken van contra-roterende schroeven. Als voorbereiding op de ingenieurs opiracht, die bestaat uit het ontwerpen van een aandrijfkonstruktie voor contra-roterende schroeven, is een literatuurstudie verricht. De literatuurstudie wordt afgerond met dit rapport. De totale opdracht worth begeleid door

ir.T.v.Beek en ir.G.v.d.Hulst.

C.GONTHER

INHOUDSOPGAVE WERKTUIGBOUWKUNDIG ONTWERP CRP

Voorwoord

Inhoudsopgave

Samenvatting iv

Inleiding werktuigbouwkundig ontwerp CRP 1

Externe asbelastingen ₃

1.1 Dynamische asbelastingen ten gevolge van en schroef ₄

1.2 Stuwkracht excentriciteit ₅

1.3 Excitatielcrachten iten schroef ₈

1.4 Dynamische asbelastingen ten gevolge van set

contra-roterende schroeven ₁₀

1.5 Excitatiekrachten set contra-roterende schroeven ₁₀

1.6 Excitatielcrachten ten gevolge van onbalans ₁₄

Dynamica asleidingssysteem CRP ₁₅

2.1 Torsie trillingen ₁₇

2.2 Axiale trillingen ₁₇

2.2.1 Koppeling torsie/axiale trillingen ₁₇

2.3 Buigtrillingen ₁₈

2.3.1 Lagerposities ₂₀

2.3.2 Schroefoverhang ₂₀

2.3.3 Parameters conventioneel schroefassysteem ₂₂

2.3.4 Gyroscopische effekten ₂₂ 2.3.5 Presentatiediagram buigtrillingen ₂₃ Elastische lijn CRP ₂₄ 3.1 Binnenas . ₂₅ 3.2 Buitenas ₂₆ 3.3 Lagergeometrie ₂₇ 3.4 Uitlijnstrategie ₂₇ .

... .

. . . . . . . .. . . 2. ... . . . . . . . . . .

. ..

....

_. . . . . . . . . . . _{. . .} . . . .. . . ..,.... . . .

°

4. Hevestiging van de assen aan de schroeven . -.4 . e 28

4.1 Flensverbinding .r g . .. 29

4.2 Persverbinding . ..: .

4.3 Spanbusverbinding . .

...

. . , . .

.33

4.4 combinatie flens/conisch aseinde verbinding,

4.5. konklusie , . .

4,

. .

L.,

...,

. 35

37

8.Uitvoerin- g Schroefaslagers ;IA >4 41. .. 4.. .

5.1 Hydrodynamisch lager . . .4 .

... ..._

. 39 5.1.1 Zwevende bus 5.2 Hydrostatisch lager . . , s L.... . . .

. , .

40 . 41

5.3 Mechanisch rotten lager . . .

..

. . . 42

5.4 konklusie . .

...

.;

- . .

... .

43 7.KonItlusie

_{.. ... ,}

_{; , 45}

Literatuurlijst

. 4-

. .L 38 6.Afdichting ₄₄

.46

SAMENV A TUNG

Len voortstuwingsinstaltalle van een schip met contra-roterende schroeven bestaat uit een

motor, tandwielkast, binnenas en buitenas en lagers. Het vermogen ontwilckeld door de

motor wordt via de asleiding aan de de schroeven geleverd. De birinenas worth ondersteund door contra-roterende lagers en de buitenas door conventionele glijlagers.

Een verantwoord ontsverp van een asleidingssysteem voor contra-roterende schroeven eist

aandacht aan de volgende punten:

bepaling en ligging van de eigenfrequenties voor buigtrillingen elastische lijn asleiding

uitvoering bevestiging schroeven aan de assen Keuze contra-roterend lager

afdichting

De motor, schroeven en assen zijn trillingsbronnen. De assen en lagers worden direkt door

een deel van de iopgewekte lcrachten geexciteerd. De excitatiefrequenties mogen niet in het beclrijfstoerengebied terecht komen. De analyse voor buigtrillingen in een CRP-installatie kan worden uitgevoerd zoals in conventionele installaties. De mechanische eigenschappen van de assen en lagers zijn bepalend voor de responsie van de asleiding. Dew eigenschappen hebben direlct

_{invloed op het dynamische gedrag en de elastische}

_{lijn van de asleiding. De}

bevestiging van de schroeven aan de assen en de contra-roterende lagers moeten betrouwbaar

en duurzaam zijn. De realisatie van de asleiding voor contra-roterende schroeven

is'

,gecompliceerder omdat er minstens twee keer zoveel parameters rijn dan in een conventionele installatie die de asleiding beinvloeden. Maar het ontwerp is goed uitvoerbaar door gedegen oplossingen van de technische problemen.

1NLEIDING WERKTUIGBOUWKUNDIG ONTWERPi CRP

Een voortstuwingsinstallatie met contra-roterende schroeven bestaat tat ten dieselmotor of

ten turbine, tandwielkast,, binnenas en buitenas, lagers en twee schroeven achter elkaar. Zie

figuur 1. Het vermogen ontwikkeld door een dieselmotor of turbine wordt via de asleiding

aan de schroeven geleverd. De binnenas wordt ondersteund door contra-roterende lagers en

de buitenas door conventionele lagers. Het ontwerp van ten betrouwbaar

en duurzaam, asleidingssysteem voor contra-roterende schroeven eist aandacht an de volgende punten:

bepaling en ligging eigenfrequenties trillingen uitlijning asleiding

uitvoering bevestiging schroeven an de assen keuze contra-roterend lager

afdichting

be motor, schroeven en assen zijn trillingsbronnen in dit systeem. De asleiding worth ditch

door een

deel

van de opgewekte krachten

geexciteerd. Bij resonanties

kunnen de

asleidingskomponenten worden beschadigd. De excitatiefrequenties moeten buiten het bedrijfstoerengebied worden gehouden. De buigtrillingsanalyse kan uitgevoerd worden zoals

in conventionele installaties.

_{Dit rapport beschouwt alleen de schroeven en assen}

_als

excitatiebronnen.

De mechanische ieigenschappen van de assen en lagers zifn bepalend voor de responsie vat dit systeem. De responsie moet bekend zijn om tot ten verantwoord ontwerp te komen. Hiervoor is kennis nodig omtrent de oorzaak, de richting

en de grootte van de van de

varierende askrachten. De mechanische eigenschappen van de assen en lagers hebben invloed op het dynamische gedrag en de elastische lijn van dit systeem. Ben slechte uitlijning kan tot gevolg hebben dat lagers overbelast worden waardoor de levensduur wordt bekort. Een lager dat niet of nauwelijks, wordt belast heeft geen invloed op het trillingsmodel..

De overhanglengte van de schroeven is langer dan die in ten enkelschroefsinstallatie. De

overhanglengte is ten belangrijke parameter in het buigtrillingsmodel en de elastische lijn. Als deze lengte toeneemt dan dalen de eigenfrequenties _{voor buigtrillingen. De uitvoering}

van de bevestiging van de schroeven aan de assen heeft direkt invloed op de overhanglengte.

De binnenas wordt gelagerd met cobtra-roterende lagers. Voor dit lager kan Met altijd ten. hydrodynamisch lager worden, gekozen. De lagergeometrie heeft ook invloed op de elastische lijn.

Dit rapport behandelt in hoofdstuk:

exteme asbelastingen

2 idynamica asleidingssysteemi CRP

3 elastische lijn CRP

4 bevestiging van de schroeven aan de assen

5 uitvoering schroefaslagers afdichting IL

I'

Mum

SI 00000000 00

I'll

1 i 1, 1 1 4 III11 C /I 4

II

41

II

H. 11_ 11 I 11 1 11 1 1 I II I Il I I, I I 1 ill 4 1 I. II II p, II Ara

Figuur 1: voorrsruwingiltutallatiemet contra,roterende schroeven

I I I 1 ,s 11 II _r I ic I II inii p 41. 111 k,1 E im I it 1 it 11 11, _ [11 III iiE 1 1 11 ,u .11 _.

,

---201 30 1 6 I I I I 1 10

1-Ext erne asbelastingin

Het is voor de praktische realisatie van contra-roterende _{assen Ibelangrijk te weten welke} krachten op de assen aangrijpen. De fluktuerende krachten

op de bladen van een enkele

schroef en daarmee op de schroefas ontstaan door de ongelijkmatige _{snelheidverdeling van}

het water en het beperkt aantal bladen in het schroefvlak. Belangrijke parameters zijn:

volgstroomveld rompvorm aantal bladen toerental

Dit hoofdstuk behandelt in paragraan

1.D _{dynamische asbelastingen t.g.v. hydrodynarnica van den schroef}

1.3 excitatiekrachten ten gevolge van den schroef

1,4 _{dynamische asbelastingen t.g.v. ihydrodynamica}

_{van, een set}

contra-roterende schroeven

1.5 _{excitatiekrachten ten gevolgen van contra-roterende schroeven} 1.6 _{excitatiekrachten ten gevolge onbalans}

1.1 Dynamische asbelastingen gegenereerd door een schroef

De oorzaak van de wisselende belastingen die op schroefas aangrijpen is de ongelijkmatige aanstroming van de schroef. Daarnaast %,eroorzaakt de oerhangende massa van de schroef

een buigend moment op de as.

Een variatie van de snelheid van het inkomend water op

een bepaalde strad van het

schroefblad resulteert in een verandering van de instroomhoek tijdens een omwenteling van

de schroef. Hierdoor ontstaan wisselingen in de stuwkracht en koppel. Zie figuur 1.1. De axiale en tangentiele snelheid en de instroomhoek eranderen tijdens den omwenteling twee keer

van en minimum-

tot maximumwaarde. De tangentiele snelheidskomponent is

symmetrisch om de vertikale centerlijn, maar is zeker niet uniform. De grootte van de

resulterende instroomsnelheid samengesteld uit de tangentiele en a.xiale snelheidskomponent, varieert met de instroomhoek )5. Het verband tussen de instroomhoek en de stuwkracht wordt weergegeven in tabel 1.1 .

tabel 1.1 : verband instroomhoek d3 en stuwkracht ( +:toename; -:afname)

Als de achtersteven verandert van een V naar U-vorm en van een U-vorm naar een

achtersteven met bulb, dan wordt de instroming gelijkmatiger. De diepgang heeft ook

invloed op het aangrijpen van de stuwkracht.[2] Zie figuur 1.2 en 1.3

Opmerking: in figuur 1.3 zijn duidelijk twee gebieden te herkennen waarin de axiale snelheid laag is. Modeme schepen hebben een olgstroomveld waarin een gebiecl is te herkennen met een lage axiale instroomsnelheid.

13 stuwkracht 0°--.90° +

-90180

- + 1800--.2700 + _ 270°--.0° _ ₊

-1.2 Stuwkracht excentriciteit

De axiale instroomsnelheid bit een rechtsom draaiende schroer, van/ achteren gezien, is aan

de bovenzijde lager dan aan de oiderzijde. De stuwkracht is hierdoor aan de bovenzijde

grocer dan an de onderzijde. Heyiangrijpingspunt van de stuwkracht schuift hierdoor naar boven. De tangetiele instroomsnlheid is aan de rechterzijde hoger dan aan de linkerzijde. De stuwkracht is dus an de linkerzijde grocer dan an de reehierzijde, hierdoor verschuift het aangrijpingspunt naar rechts. Het aangrijpingspunt van de stuwkracht is in figuur 1.4 aangegeven met .

V axiale snelheidinstroomsnelheid

Wan tangentiele instroomsnelheid

aangrijpingspunt

vox

vox

Figitur 1.4 stuwkracht excentriciteir

5

:

Figuur 1.1 : variaties,instroomhoek per omwenteling

rco : tangentiele instroomsnelheid brad VA : axiale instroomsnelheid

VT : tangentiele instroomsnelheid.

Viz : resultante van VA en VT

Bims : minimale instroomhoek maximale instroomhoek

V Mil%

U TERN

S STEM

2 1,2 1 Y2 0

Figuur 1.2 : rompvorm variaties

wait

Figuur 1.3 : volgstroomveld variaties

. '

BOUS STERN

NOM! NAL

7

1.3 Excitatiekrachten fen schroef

De grootte van de variatie van askoppel en stuwkracht is affiankelijk van het aantal bladen..

Dit laat zich als volgt verklaren. Het axiale snelheidsveld waarin de bladen ronddraaien _is

ongelijkrnatig verdeeld maar deze ongelijkmatigheid is voor een symmetrisch enkelschroefsschip ongeveer symmetrisch cm de vertikale as; zie flguur 1.3 (cosinustermen in Fourierreeks) . Elk schroetblad zal afwisselend een kleinere en een grotere belasting

ondervinden. Een schroef met een even aantal bladen is geometrisch symmetrisch.. Hierdoor

zullen de bladen twee an twee ongeveer ge[ijktijdig _{een belastingsverhoging dan wel een}

belastingsverlaging ondergaan. De variatie van de asbelasting worth hierdoor groter dan die

voor een schroef met een oneven aantal bladen omdat slechts een blad gelijktijdig

een belastingsverandering ondergaat. Experimenten hebben, di t aangetoond, zie figuur 1.4 .11]

-to 51 v _11.

il

il

> I _{- i} I -

1,4- 1 i

-fry ; II I '

iii

\I

i I\ t'' ...2 z , ,

it

II ' /!;; : !I

.-1

;

10.40-

370' P*0CLL.00 431140a,

Ciii .09C6LL COaclut vi,a !taw

Figuur 114 .; variaties extern()belastingen

130. 373- Jar 040*(1.1.13 vCTICM. (40,m3 aOsamt ia 31* if Jr witiCar isoCVOCCII 4.23 0 Cr 010^ FaCPCLL CaPO S Cr Cm Cdl 3.040/014 13/431303 ciffliCc a 01031.LC111 314031, PinancO1 _{4331..I.50 4.5033} 1 am' jar 04C Pi Li. CA /334 nen

IbJI 0033L1.111 TIOW3 VRia104

-a. a. 4 ( 4

Het niet uniforme karakter van het instromend water kan beschreven worden in een

Fourierreeks met als radiaalfrequentie:

h*co.

Hierbij wordt aangenomen dat variaties in blacikrachten en instroomsnelheden lineair zijn. De frequenties van de fluk-tuaties hangen samen met een veelvoud van de harrnonischen (11) die van direkt belang zijn voor torse, axiale en buigtrillingen; zie tabel 1.2:

harrnoni schen h = (kZ) dragen bij in (d;, nam i sc he) stuw krac h ten en (dynamische) torsiemomenten

harmonischen h=(kZ +1) dragen bij in (dynamische) buigende rnomenten Z= aantal bladen

k= 0,1,2,...,n

T : stuwkracht Q : askoppel M buigend moment F : dwarski-acht

De fluktuerende belastingen op de schroef zijn bladfrequent

en een veelvoud van deze

frequentie. De grootte van deze fluktuaties is at-hankelijk van het aantalbladen en het volgstroomveld; zie figuur 1.4 .

9 harmonische komponenten volgstroomveld : h

T

6

ME

M , Z 0 1 2 3 4 ₅ 6 7 8 9 10 _{11 12 13} 14 .. 3 x x x x x 14 x x x x 5 x x x x 6 3 x x x x x x x x x x x x x , 4 x x x x x x x x 5 x x x x x x x x x x x a

1.4 Dynamische asbelastingen ten gevotge van een set contra-roterende schroeven

De theorie van de hydrodynamica m.b.t. de gegeneerde asbelastingen geldt ook voor een set contra-roterende schroeven.(41(51 In paragraaf 1.3 is uitgelegd waarom een schroef met een even aantal bladen relatief grotere torsie en stuwkracht variaties tot gevolge heeft en een

sch.roef met een oneven aantal bladen relatief grotere buigende momenten en dwarskrachten.

Een combinatie van deze belastingen

treed( op in een

set contra-roterende schroeven

afhankelijk van het bladaantalcombinatie. Zie figuur 1.4

Het krachtenspel _{kan worden beinvloed door: %,00r en achter respektievelijk een even}

biadaantal en oneven bladaantal te kiezen of vice versa. Prof.Dr.ir.R.Wereldsma rnaalct op

handige manier gebruik van het bladaantalcombinatie in zijn studie naar het dynamische

gedrag van CRP. Als voor de voorste schroef vier bladen worth gekozen en voor de

achterste vijf dan zal het trilgedrag gunstig zijn beinvloed omdat de laterale effekten minder

zijn. De volgstroom

is na de voorste schroef gelijkmatiger. De axiale

trillingen zullen

voornamelijk het gevolg zijn van de voorste schroef. Deze trillingen 1.korden veroorzaakt door stuwkracht variaties en die zijn minder omdat het vermogen over twee schroeven zijn

verdeeld.[4] De absolute waarden van de amplituden van de dynamische belastingen zijn kleiner. Prof.Drir.R.Wereld geeft echter geen reden waarop hij zijn bladaantal keuze heeft

gebaseerd. Het is duidelijk dat het boenstaande sterk alhankelijk is van de ongelijkmatigheid van het volgstroomveld.

1.5 Excitatiekrachten set contra-roterende schrooen

De frequenties van de tluktuerende belastingen van de afzonderlijke schroeven blijven

bestaan . Maar er ontstaan nu ook excitatiefrequenties door interferentie van de voorste en

achterste schroef.

Len CRP-systeem met de volgende gegevens: ny : toerental voorste schroef [1/s]

: aantal bladen achterste schroef toerental achterste schroef [us] Z, : aantal bladen achterste schroef

Ft : harmonische van volgstroomveld

De bekende beschouwingen voor het gedrag van een enkele schroef met z bladen in een volgstroomveld met de he-harmonische. (De le harrnonische is een

volgstroomveld met een maximum en een minimum over 3600 omtrek

van het

volgstroomveld.)

2a. Axiale- en torsietrillings aanstotingen ontstaan als:

h=k2 (k=1, 2, 3, ..)

IL

Het ordegetal van de aanstotingen bij toerental n bedraagt:

o=f/n=kz

2b. Buigtrillings aanstotingen ontstaan als geldt: h=k.z+1

(N.B. k=0 levert h =1. Deze le harmonische in het volgstroomveld genereert wet een buigendmoment en dwarskracht maar deze zijn konstant zie [23].)

Als de schroef een toerental n heeft dan bed raagt de frequentie van de aan stotingen: f = nkz voor zowel h =kz +1 als h=kz-1

Her orde getal van de aanstotingen bij toerental n bedraagt:

o=f/n=nkz/n=la

3. Het CRP-systeem worth

nu beschouwd waarbij eerst de invloed van de voorste

schroef op de achterste wordt vastgesteld.

Hierbij worth de voorste schroef stil

gedacht. De achterste schroef moet dan toerental hebben om tot een gelijke situatie te komen. Achter de voorste schroef ontstaat nu een extra volgstroomveld

waarin de achterste schroef draait met als harmonischen:

hv=kz,

(k =1, 2, 3,..)

3a. Axiale- en torsietrillings aanstotingen van de achterste schroef ontstaan als geldt:

(k,= 1, 2, 3,..)

ofwel kz=k,z,

(1)

De interferentiefrequentie bedraagt dan

waarbij steeds aan (1) voldaan moet zijn Het ordegetal bij toerental n, wordt dan:

=f,/n,=(ny+n,)/n,*k,z,

Voorbeeld

z,=4

z,=10

nv=10 1/s n1=15 1/s

1000, 1500, . Hz

Buigtritlings aanstotingen van. de achterste ontstaan als geldtr:

= ± 1 du5 = ±11 (2)

De interferentiefrequentie bedraagt clan.:

fbuir..,=<nv+nalcaz. waarbij steeds aah (2)voldaan Jmoet zijn Het ordegetal biji toerental n, bedraagt clan:

Otursic,a = torsicin'a=(n+ hlaYtlttKZa

Voorbeeld:

4=4

_z=5

n,=10' .n1=r5 us

fbiga=125, 375, 625,

875, ... Hz,

ob,g,, =8,3 25

41,7 58,3

deze waarden zijn gebaseerd op:

De achterste schroef wordt nu stir gedacht. De voorste schroef met

een toerental (n+n,) hebben pm tot een gelijke situatie te kornen.. De voorste schroef Icrijgt nu een

extra voorstroomveld met als harmonischen: h,;= lc,i,

4a., _{Axiale- en torsietriltings aanstotingen van de voorste schroef leidt tot exalct dezelfde} aanstootfrequenties als bij 3a,, dus:

=(n,,+n,31c,,z=.(n,+n,,)kvz.

De ordegetallen, zijn niet dezelfde als bij 3a omdat

In het getallen voorb'eeld leidt dit ;tot:,

fu,,,,=500, 1000,

rsoo.,

,.,Hz

otonie.v=50 100 150 lc, 1 4 6 9 K 1 3 5 7 11, 4 16 24 36 3b. knza 1/s 4. na:

4b. _{Voor buigtrillings aanstotingen van de voorste schroef is de aanpak analoog aan 3b:}

f=(n,+n,)kz

met als voorwaarde k1zksz+1

o., =(n

In het getallen voorbeeld 3b leidt dit tot

f=100, 400, 600, 900

ob,g,,,= 10 40 60 90 Deze waarden zijn gebaseerd op:

5. Samenvatting

an CRP-systeem leidt tot onderlinge aanstoting van axiale, torsie en buig trillingen. Aanstoting van torsie, axiale trillingen gebeurt voor beide schroeven met dezelfde

frequentie:

f=(n+ni)kz=(nv+nL)Icz, met als voorwaarde kz=k,z,

De ordegeta1len bij n, en n, zijn respektieN,elijk:

=(n+n,)/riv*kz

(n+%)/ns*Igz,

Aanstoting van buigtrillingen gebeurt bij _{verschillende frequenties op de voorste} schroef:

fb,,..=(ny+n,)Igz,

en op de achterste schroef:

fb.,=(n,+nOkaz,

waarbij in beide gevallen voldaan moet zijn aan

k,z=k,z,+1

De ordegetallen zijn: obucv=01v+ni)/n,*Kz, ob,4,=(n,,+n,)/n,*k,z, 13 Ii 4 ₆ 9 lc 1 3 5 7 h, 5 15 25 35 +

61. ,Opmericingen..

6.1 De ordegetallen bijj schroetinterferentie blijken vrij hoog te zijn. Het zal dus vaak

goed mogelijk zijn de _{buigtrillings-resonantietoerentallen beneden het} bedrijfstoerengebied te leggen..

6.2'

_{Als het aantal schroefbladen voor en achter gelijk worth gekozen dan zullen}

buigtrillingen t.g.v. interferentie nooit warden aangestoten. Axiale- en torsie trillingen warden wet aangestoten met ordes aan het bladaantal en veelvouden daarvan. 1[23]

1.6 Excitatiekrachten ten gevolge van onbalans

Als het massamiddelpunt van de as niet samenvalt (net het middelpunt van die as dan treedt.

ionbalans op. In de praktijk zal de massa niet homogeeni over de doorsnede zijn verdeeld. De

excitatiekrachten die dan optreden zijn asfrequent. De excitatiekrachten t.g.v. onbalans in

een CRP-installatie zijn te benaderen als die in een conventionele installatie. Hierover worth in de literatuur uitvoerig geschreven. Zie I6][11111.

2. Dynamica asleidingssysteem CRP

De eigenfrequenties van torsie, axiale en buigtrillingert imoeten bij voorkeur buiten het bedrijfstoerengebied warden gehouden om resonanties te voorkomen. Deze resonanties

kunnen het asleidingssysteem, gevaarlijk exciteren en de volgende .asleidingskomponenten besc had igen:

assen lagers, tandwielkast

Dit kan warden voorkomen door

in

_{het beginstadium van het asleiding ontwerp het}

dynamisch gedrag te

bestuderen.

Een, trillingsananlyse omvat een onderzoek naar de

volgende soorten

torsie

axial

bulging

Dit hoofdstuk geeft een manier van aanpak om de eigenfrequenties van de buigtrillingen

buiten het bedrijfstoerengebied te houden en beschrijft de parameters die dit dynamisch gedrag beinvioeden. Dit hoofdstuk 'legt de nadruk op buigtrillingen

_{mar torsie en axiale}

trillingen komen ook aan de orde. Belangrijke parameters m.b.t buigtrillingen zijn: Lagerposi ties

buigstijfheid overhanglengte massaverdeling

Het dynamisch ged rag kan van een CRP-installatie kan op dezelfde wijze warden. bestudeerd als dat voor een enkele schroef. Maar als de lagers van de binnenas en buitenas t.o.v. ellcaar

worden verschoven ontstaat koppeling. De trillingen van beide assen zullen elkaar dan ibeinvloeden. De koppeling wordt in het beginstadium van het ontwerp genegeerd. Een

vertijnd dynamisch model zal moeten aantonen of dit is gerechtvaardigd. trillingen:

Dit hoofdstuk behandelt in paragraaf: 2.1 Torsie trillingen 2.2 Axiale trillingen

2.2.1. koppeling torsiefaxiale trillingen 2.3 Buigtrillingen

2.3.1 lagerposities 2.3.2 Overhanglengte

2.3.3 Parameters conventioneel schroelassysteem 2.3.4 Gyroscopie

2.1 Torsie triilingen

Het aandrijvende moment of het koppei dat de schroef absobeert is niet konstant _maar

varieert. Hierdoor ontstaan torsie trillingen. _{Het aandrijvende koppel bestaat}

_{uit een}

gemiddeld konstant koppel plus varierende koppels. Het koppel gelevert

an de schroef

idem; een gemiddeld konstant koppel plus varierende koppels. Het torsie- trillingssysteem kan eenvoudig worden gemodelleerd in schijven met massatraagheid, torsie

veren en

dempers. Een CRP-installatie bestaat o.a. uit twee tegen elkaar in draaiende schroeven.

Hierbij ontstaan harmonische komponenten van twee schroeven plus interferentie verschijnselen; zie par 1.5,[6][121

'2.2 Axiale trillingen

De atiale trillingen ontstaan door stuwkrachtvariaties omdat de schroef in een ongelijkrnatig volgstroomveld draait. De lcrachten op de krukas leiden ook tot axiale trillingen. Zie par 1.5

voor interferentie verschijnselen bij axiale trillingen in CRP-installatie. [6][112]

2.2.1 Koppeling torsie/axiale trilfingen

De schroeven in een CRP-installatie veroorzaken een koppeling tussen tonic en axiale

trillingen door de dynamische belastingen op de schroeven, die in

een niet homogeen

volgstroomveld draaien. De sterkte van deze koppeling zal grocer .zijn als de eigenfrequenties van torsie en axiale trillingen dichter bij ellcaar biggen.[71

Opmerking: torsie en axiale trilhngen in een CRP-installatie zijn te behandelen als die in een conventionele voortstuwingsinsta]latie,mits de koppeling tussen beide zwak is. De

bovenstaande omschrijvingen zijn vrij summier daarom wordt venvezen naar de dictaten

Maritieme Werktuigkunde I en III van Prof.ir.J.Klein Woud en of de voorschriften van de.

classificatiebureaus. Hierin worden dew onderwerpen zeer gedetailleerd behandeld.

4

2.3 Buigtrillingen

Als de eigenfrequenties van de buigtrillingen in het bedrijfstoerengebied terecht komen dan ml dit vooral het gevolg zijn van lage buigstijfheid en het overhangend schroefgewicht. _De uitbouwlengte van de contra-roterende schroeven is !anger dan die in een enkel schroefsinstallatie. De eigenfrequenties van buigtrillingen in schroefassystemen zijn afhankelijk van de schroefmassa, buigstijfheid en lagerposities:

co = f (

)

[rad, Is)

ML 3

De lage buigstijfheid (EI/L3) en de schroefmassa in combinatie met grote overhanglengte (L)

geven lage eigenfrequenties voor buigtrillingen. Deze kunnen in het bedfijftoerengebied

komen en resonanties kunnen ontstaan. In dergelijke situaties kan in schroefasleidingen eerste

orde whirl t.g.v. onbalans en hogere orde whirl

_{t.e.v. bladaanstoting optreden. Hierbij}

ontstaan twee trilvormen. De trilvorm

die ontstaat uit de laagste eigenfrequenties is belangrijk omdat in deze vorm het moment en de dwarskracht elkaar versterken. De trilvorm ontstaan uit hoogste eigenfrequenties waarbij het moment en de dwarskracht elkaar tegen.De hoogste eigenfrequenties zijn _{meestal ver van het bedrijfstoerental verwijderd en zullen} daarom geen gevaar opleveren. Zie figuur 2.1 en 2.2 .

Figuur 2.1 : trilvorrn laagste eigenfrequenties

De ontwerpeis is we we,

Het v.erband tussen eigenfrequenties buigtrit1ningen excitatiefrequenties en asfrequentiesr

o =

ioribalans

aantal bladen voor en achter'

De buigtriflingen in een schroefassysteem worden beheerst

door de Egging van de

eigenfrequenties gunstig te kiezen t.o.v. het bedrijfstoerengebied. Dus resonanties in het

bedrijfstoerengebied vermijden. Twee uitgangspunten kunnen worden gekozen em resonanties bij buigtrill'ingen te voorkomen:

zorg dat de excitatiefrequenfies 4.g.v OnbalanS chi bladaanstoting boveri het bedrijfstoerengebied liggen.

zorg dat de excitatiefrequenties t.g.v. onbalans boven het maximale bedrijfstoerental liggen en die t.g.v. bladaanstoting beneden het mini male toerental.[6]

beze benaderingen zijn vooral geldig

voor schroefassystemen met een enkele schroef. Verwacht wordt dat deze benaderingen ook geldig ziin in CRP-installaties. Maar dan als de

lager in ten lijn zijin geplaatst; de ontkoppelde situatie.

Altematief

fl worth vooral gekozen ,bij

koopvaardijschepenr,

cit keur Vereist dan geen

buigtrillingsanalyse

Altematief 2) vooral bij marineschepen; i.v.nt lange lichte assen is het moeilijk de eigen,

frequenties

19

2.3.1 Lagerposities

De gekoppelde en ontkoppelde situatie m.b.t huigtrillingen zijn:

ontkoppeld : lagers in ea kin

gekoppeld : lagers toy. elkaar verschoven

De gekoppelde en ontkoppelde situatie geven weer dat de eigenfrequenties van het

CRP-systeem respektievelijk afhankelijk dan wel onafhankelijk zijn. Volledige onafhankelijkheid

treedt nooit op omdat de stijfheid van de assen,

_{lagers en de scheepsromp}

_niet in beschouwing zijn genomen. Vanuit de dynamica is het dus gewenst de lagers van de assen in

een lijn te plaatsen. Mar in' de meeste ontwerpstudies is CR-lager in de naafvan de voorste schroef geplaatst. Hiermee wordt het buigend moment veroorzaakt door het schroefgewicht in

combinatie met de overhanglengte op de binnenas beperkt

_{en het CR-lager kart}

gemalckelijker worden geinspekteerd.

2.3.2 Overhanglengte

Het schroefgewicht en de overhanglengte vormen belangrijke parameters f.v.m. whirlingberekeningen. Het schroefgewicht in combinatie met de overhanglengte vormen een buigend moment op de as. De afstand van het hart van het achterste lager tot het hart van de schroef is hierin een belangrijke parameter. Deze afstand wordt LI genomen, zie figuur 2.3. Deze afstand is voor de binnenas en de buitenas verschillend (LI,L2) en is afhankelijk van de lagerposities en de uitvoering van de bevestiging van de schroeven an de assen. Het gewicht

van de schroef is konstant. Deze afstand LI moet minimaal worden gehouden orndat de

eigenfrequenties voor buigtrillingen kleiner worden als deze maat groter wordt. Het overhangend schroefgewicht kan problematisch zijn omdat in een

CRP-installatie verder naar buiten worth gebouwd dan in een conventionele voortstuwingsinstallatiek De parameter overhanglengte worth fitgebreid behandeld in hoofdstuk vier.

achterprcpeler (z=5)

lager

=-...

vcorpropeer (z=4)

\

/

fundatie schip

_binnenas

\

X

/

X

X

/

X

X

X

X

L1 buitenas

/

maximaal ontkoppeld sys teem

gekoppeld systeem

12 L3

Figuur 2.3 lagerposities overhanglengte

X

2.3.3 Parameters conventionele schroefa.S.systeeM

De complexiteit van een CRP-installatie bestaat uit minstens tweemaalt zoyeel parameters, als in een gewone voortstuwingsinstallatie.

De dynamica van de asleiding in een CRP-installatie is te benaderen als de asleiding in

conventionele voortstuwingsinstallatie. Belangrijke

_{parameters m.b.t. de dynamica van de}

asleiding in een conventionele installatie zijn:

lagerposities schroefoverhang buigstijfheid massaverdeling lagerstijfheid en -demping zwaarte kracht

Vooral de lagerstijfheid is een Met te onderschatten parameter omdat deze een verlaging van de eigenfrequenties voor buigtrillingen geven. De lagerstijfheid en -demping van hydrodynamische/hydrostatische lagers zijn in de praktijk moeilijk te bepalen parameters. De laatste vier parameters zijn uitvoerig beschreven in het dictaat Nlaritieme _{Werlctuigkunde HI}

van Prof.ir.J.Klein Woud. De lagerposities en schroefoverhang zijn hierboven nogmaals aangehaald omdat deze parameters in een CRP-installatie zeer veel invloed hebben op de

dynamica en de elastische lijn van dit systeem.[6ill

2.3.4 Gyroscopic.

Afhankelijk van het toerental

_{ontstaat op de schroet' een gyroscopisch moment. Net}

gyroscopisch moment heeft twee belangrijke effekten tot gevolg op de buigtrillingen:

koppeling horizontale en verticale buigtrillingen verlaging en verhoging van de eigenfrequenties 1611161117j

2.3.5 Presentatiediagram buigtrillingen

Figuur 2.4 lax een diagram zien waarin eigenfrequenties van buigtrillingen onder invloecl van het gyroscopisch moment zijn weergegeven. De krommen worden modes genoemd en

vormen per schroefassysteem een par, die een oneindig interval hebben.

De onderste tak boort bij de tegenloop whirl en de bovenste tak hoort bij meeloop

1.1 = /

: excitatie ordes

: radiaalfrequentie excitaties radiaalfrequentie asleiding

De asleiding van een CRP-installatie client ;in ieder geval gecontroleerd ite worden op de

excitatie orders*:

= 11 : onbalans

o = ,Z, : aantal bladen voorste schroef

=7. o aantal bladen achterste schroef

De excitatiefrequenties moeten buitea her _{bedrijIstoerengebied worden gehouden. Zie}

paragraaf 2.4 voor aanpak.[6][15)

De excitatieordes t.g.v. interferentie van de schroeven zijn niet in beschouwing genomen, zie par 1.5..

Figutar 24 presentatiediagram buigtrillingen

'23 o o 0 o = : :

3. Elastische lijn in CRP

De koppeling van de contra-roterende schroeven, via de assen, aan de tandwielkast en de motor diem zo te gebeuren dat de mechanische belastingen acceptabel blijven. De uitlijning

van de assen in een CRP-installatie is veel complexer dan in een conventionele

voortstuwings- installatie. De elastische lijn omvat nu minstens twee maal zoveel parameters

die van invloed zijn, omdat het asleidingssysteem bestaat uit een binnenas en buitenas. Extra complicaties kunnen ontstaan omdat de parameters die uitlijning beinvloeden terug komen in de dynamica van het asleidingssysteern.

De positionering van de lagers to.v. ellcaar spelen net zoals in een conventionele installatie

een belangrijke rol. De binnenas worth voomamelijk ondersteund door contra-roterende

lagers en de buitenas voomamelijk door standaard glijlagers. De hoekverdraaiingen van de

binnenas en de buitenas moeten zoveel mogelijk gelijk zijn t.p.v. _{een CR-lager omdat anders}

de assen ongewenste vervormingen v.,orden opgedrongen en de CR-lagers worden

beschadigd. Belangrijke parameters die de elastische beinvloeden zijn:

Lagerposities overhanglengte buig stij (held massaverdeling lagergeometrie

Dit hooldstuk behandelt in paragrag; 3.1 binnenas,

3.2 buitenas

lagergeometrie

3.4 uitlijnstrategie

3.1 Binnenas

De mogetijkheid om de diameter van de binnenas te varieren _{om de buigstijfheid van de as}

te beinvloeden is gering omdat deze diameter worth voorgeschreven door het

classificatiebureau.. Hiermee ligt een ondergrens van de binnenasdiameter vast.

Her achterste schroefaslager (CR-lager) van de birinetfas is in de naaf van de voortse schroef

geplaatst. Dit geeft het voordeel dat het buigend moment op de binnenas veroorzaalct door overhangend gewicht van de achterste schroef, worth beperkt. Het is belangrijk voor de

afdichting die tussen de naven is bevestigd dat doorbuiging van de binnenas t.o.v de

buitenas, veroorzaakt door dit moment binnen aanvaardbare grenzen blijft.

Het is ook belangrijk dat de hoekverdraaiingen van de binnenas en de buitenas zoveel mogelijk gelijk zijn op plaatsen waar een contra-roterend lager is gepositioneerd. Vooral bij

het CR-lager in de naaf van de voorste schroef is dit van belang omdat dit lager belast wordt door een buigend moment veroorzaalct door overhangend gewicht van de achterste schroef en

het gewicht van de voorste schroef. Afwijkingen ontstaan door andere bedrijfscondities _en

deze kunnen asvervormingen veroorzaken en het CR-lager onherstelbaar beschadigen. Het is dus zaak deze afwijkingen binnen toelaatbare grenzen te houden.

be elastische lijn is Meer te beinvloeden door de lagerposities van de binnenas en 'buitenas t.o.v. elkaar te veschuiven dan de asdiameters te varieren. Maar de uitlijning met verschoven

lagers is moeilijker te optimaliseren omdat de buitenas meet steunpunten lcrijgten daardoot

minder flexibel is.[9][101[14]

Buitenas

De mogdijkheid om de buftenasdiameter 'te varieren om de buigstijtheid te beinvloeden is

gering omdat de deze diameter wordt voorgeschreven door het _{classificatiebureau. Hier ligt} dus ook een ondergrens van de buitenasdiameter vast. De buitenas in een CRP-installatie is

hot. De buitenas is over gedimensioneerd met een veiligheidsfaktor 3 a 4 en heeft een

buigstijfbeid hoger dan berekend. De reden hienian is dat de binnendiameter groot genoeg

moet zijn, omdat deze de binnenas plus CR-lagers en eventueel liners' moet kunnen

herbergen. Als de CR-lagers t.o.v. de lagers van de buitenas worden verschoven, wordt de

buitenas minder tlexibel omdat deze meer steunpunten krijg.t.

De stuwkracht grijpt in normale zeegang en toNast boven het hart van de schroef _{aan. Het}

'buigend moment veroorzaakt door het overhangend schroefgwicht en het buigend moment

veroorzaakt door de stuwkracht excentriciteit werken elkaar dan _{tegen. Mar in zware}

zeegang kan de stuwkracht onder het hart van de schroef aangrijpen. Hierdoor kunnen de momenten elkaar versterken. Beide gevallen zijn belangrijk om te lcunnen beoordelen of de

lagers niet overbelast danwel onderbelast worden en de belastingsvektoren niet omkeren. Uit

veranderingen in lagerbelastingen en belastingsrichtingen kan whirling en hameren van de lagers ontstaan.

OpmerIcine Liners zijn bronzen bussen die moeten wordeni gebruikt als tegenloopvlalc

de lagers, als met zeewater worth gesmeerd.[15]

3.2

3.3 Lagergeometrie

De schroefaslagers zijn goed uitgelijnd als de belasting tijdens bedrijf over de hele lengte op

de oliefilrn worth gedragen. Maar omdat vooral de achterste schroefas lagers relatief lang

zijn en het schroefgewicht overhangt, is een lijnbelasting niet mogelijk. Het wordt een

punt-belasting. Zoals hierboven al genoemd is spelen de hoeken van de schroefaslagers een

belangrijke rot. Het classificatiebureau geeft als voorschrift voor de geometrie van he

achterste schroefaslager: lengteldiameterverhouding: 2. [15]

3.4 Citlijnstrategie

Een uitlijn strategic is:

hoekverdraaiingen van de assen t.p.v. CR-lagers en afdichting tussen de naven zoveel mogelijk gelijk

Kleine lagerbelastingen vermijden minimum lageraantal

De hoekverdraaiingen in de lagers zoveel mogelijk gelijk houden. Afwijlcingen kunnen ontstaan door stuwkracht excentriciteit. Deze afwijkingen dienen binnen aanvaardbare

grenzen worden gehouden. Een minimum lageraantal vooral bij korte asleidingen bevordert de flexibiliteit drukt initile kosten. De CR-lagers rnoeten dicht bij een splitsing zitten i.v.m. inspektie. [9][10]

Sevestiging van de schroeven ,aan de assen

De bevestiging van de schroeven, in een CRP-instglatie kan globaal worden verdeeld in drie

categorieen

A) flensverbinding

2) persverbinding

spanbusverbinding

De aangesmeede flens,, conisch aseinde en spanbussen zijni hiervan voorbeelden. De

voordelen bij toepassing van deze konstruktie-elementen zijn: bekende technieken

betrouwbaar

Belangrijke ;criteria 'bij ha beoordelen van een, schroetbevestiging zijn: Betrouwbaarheid

uitbouwlengte toegankelijkheid.

De uitbouwlengte van de schroeven wordt ten eerste bepaald door de naaflengten, ten tweede

door het type verbinding en ten derde door de afdichting tussen de naven. De lengte die nodig is om de schroeven aan de assen te bevestigen nioet beperkt worden gehouden. Het belang hiervan is in hoofdstuk twee; dynamica van een schroefasleiding en hoofdstuk drie;,

elastische uitvoerig aan de orde gekomen.

De achterste schroef, afdiChting tussen de schroeven en het CR-lager in de naaf van de,

voorste schroef moeten goed toegankelijk zijn i.v.m. inspektie. Als de schroeven zijn

gedemonteerd moet het CR-lager bereikbaar zijn omdat dit lager een verhoogd risico

gezien de belastingen die daar optreden en her zeewater. De assen moeten hierbij naar buiten warden getrokken De toegankelijkheid wordt door her classificatiebureau vereist. In he

verleden is een aantall konstrukties uitgedacht die min of meet aan deze kriteria voldoen. Di hoofdstuk behandelt in paragraaf:

4.1 flensverbinding 4.2 persverbinding 4.3 spanbusverbinding

4.4 combinatie flens/conisch aseinde verbinding, 4.5 konklusie

4.

lijn

4.1 Fknsverbinding

De konstruktie volgens tiguur 4.1. is zo uitgevoerd dat het achterste _{schroefaslager van de}

buitenas zodicht mogelijk bij het hart van de voorste schroef is geplaatst. Dit wordt mogelijk

gemaalct door de achtersteven die naar buiten is verlengd. Hierdoor wordt het buigend moment op de buitenas beperkt. Het koppel worth overgedragen via vaste flenzen

_{op de}

buitenas en in de voorste naaf.

De buitenas is verlengd en door de naaf

_{van de voorste schroef gehaald om het}

contra-roterend lager van de binnenas zo dicht mogelijk bij

het hart van de achterste schroef

plaatsen.

Hierdoor wordt het buigend moment op de binnenas beperkt.

_{Het achterste} schroefaslager van de buitenas draagt nu het gewicht van beide sclvoeven Plus nog een dee(' van de binnenas en buitenas.(191

De voordelen van deze konstruktie zijn: mini male doorbuiging

schroeven, demonteren -zonder assen e trekken Het nadeel;

lagers rnier toeganketijk zonder assen te trekken

Figuur 4.1 : vaste flensverbinding

UAL CIL

LEAKAGE

MIXrim

Een konstruktie met dezelfde idecen wordt weergegeven in figuur 4.2, maar nu met losse flenzen. In deze konstruktie is de achtersteven niet uitgebouwd. De overhang is groter dart bij de voorgaande konstruktie. De voorste schroef s verbortden met de buitenas d.m.v. een conisch aseinde en het koppel worth overgedragen door een losneembare flens. De binnenas draagt het koppel over via een losneembare liens op de achterste schroef, die geborgd is _met een spie.(18] mL.601-.04... -MLA/ 1 A aw :49114+.

..07#

SLIA.L,.L. AEI

Figuur 4.2. losneembare flensverbinding

De betrouwbaarheid in deze konstruktie is in het geding omdat drie konstruktie-elementen zijn toegepast i.p.v. twee:

losse liens

conisch aseinde spie

De betrouwbaarheid worth _{verhoogd door een mir,imaal aantal konstruktie-elementen toe te}

passen! De voorste schroef worth m.b.v. een conisch aseinde op de buitenas bevestigd maar

in de buitenas is het CR-lager bevestigd en in hoeverre dit lager spanningvrij word

gehouden, wordt niet duidelijk. Deze konstruktie is een voorbeeld van hoe het niet moet.[18]

Cm.**

9.40 4111 Of ../ar ma--las0

4.2 Persverbinding

De konstruktie zoals weergegeven in figuur houdt het CR-lager zoveel mogelijk

spanningsvrij. Het lager wordt een bepaalde speling in de buitenas geschoven. AR de voorste

schroef op de buitenas wordt geperst dan zal de speling worden opgeheven. Het CR-lager et met een bepaalde spanning in de buitenas geperst afhankelijk van de speling die is gegeven.

De beide schroeven zijn m.b.v. conisch aseinde aan de assen bevestigd en geborgd met een moer.[9] De juiste speling kan gegarandeerd warden door een spanningsanalyse van voorste naaf en buttenas as bij een bepaalde temperatuur range te maken

ForviZdt prop

/L/C/41

Outer silo !I

////

,n7

/77777://i

Figuur 4.3 : kgerspeling -z-traraZ029%97/S497407.1111

Sesesenr

Aft 4011101111.11110t11111trIrtiO IS N. ay.% Nit

Fig uur 44 persverbin4ingr conisch aveitule

31

Inner shaft ii

4.3

De voordelen

De nadelen

schroeven demonteren zonder assen te trekken CR-lager toegankelijk zonder assen te trekken én konstruktie-element

achterste schroelaslager niet toegankelijk zonder de assen te trekken geen minimale doorbuiging

4.3 Verbinding met spanbussen

In (71 is bewust gezocht naar een konstruktie aarin doorbuigingen veroorzaalct door

overhangend schroefgewicht niet aanwezig zijn. Dit is gedaan door gebruik te maken van een

srneedstalen draagbus met een zeer hoge weerstand tegen bulging. De bevestiging van deze bus is buitengewoon solide uitgevoerd en daarom kan deze bus als een geheel worden gezien

met de achterste,en. De bus is in figuur 4.5, pag 28 in het zwart aangegeven. De voorste schroef is op de bus gelagerd. De buitenas is met spanbussen aan de naaf van de voorste schroef bevestigd. Hier vindt tevens de koppeloerdracht plaats. De holle buitenas is t.p.v.

de spanbus versterkt met een tegenkrimpbus.

De buitenas is zover verlengd dat het contra-roterend lager _{van de binnenas precies in hart}

van de achterste schroef is geplaatst.

De binnenas is _{met spanbussen aan de naaf van de achterste schroef bevestigd. De}

bevestigingen van de binnenas en de buitenas zijn identiek.

Het gewicht van de schroeven plus nog een deel van de assen is in zijn geheel afgesteund op

de smeedstalen draagbus, die dit gewicht herleid naar de achtersteven.

De voordelen:

schroeven demonteren zonder assen te trekken lagers toegankelijk zonder assen te trekken minimale doorbuiging

een konstruktie element

De nadelen:

smeedstalen draagbus

complexiteit konstruktie

lange naven

s.

1:04g4/1

_I.St

\

\

I

I

"Witi407

Mts\\ Wa..7

IF

Poll0 IN MN *Mk.

fil'Ar

'vans

t

rrea

MION,

\,\

\:in

t

kn: ?21.1

II i I 1 2-41$ 1.4t S-1

4.4 Combinatie flensiconisch aseinde verbinding

De bedrijven MHI en IHI in Japan hebben schepen gebouwd met een CRP-installatie en die

varen reeds. De schroeven zijn bevestigd d.m.v. een gecombineerde flens/conisch-aseinde verbinding, zie Itguur 4.5. De binnenas

is an

de naaf van de achterste schroef bevestigd

d.m.v. conisch aseinde en geborgd met een nioer. De koppeloverdracht vindt hier ook

plaats. De buitenas is buitenboord voorzien van een smeedstalen flens die aan de naaf van de

voorste schroef is bevestigd met voorspanbouten. Het koppel wordt overgebracht d.m.v.

paspennen . [20] [21] [22]

De voordelen

betrouwbaar bekend

simpel

schroeven demonteren zonder assen re trekken De nadelen

geen minimale doorbuiging

lagers niet toegankelijk zonder assen te trekken

De buitenas kan i.v.m. de vaste liens alleen naar buiten worden getrokken. Hierbij moet het roer worden geclemonteerd. Maar bij voortstuwingsinstallaties met een verstelbare schroef is dit normal en door de keur geaccepteerd.

4.5 konklusie

De gecombineerde flens/conisch aseinde verbinding, is de incest logische konstruktieve op!ossing omdat:

conisch aseinde worth bijna altijd toegepast bij de enkele vaste schroef

vaste tlensverbinding in combinatie met paspennen en voorspanbouten worth altijd

toegepast bij de verstelbare schroef

De verbindingen zijn betrouwbaar omdat er geruime tijd ervaring mee is opgeda.an. De

technieken zijn bekend. De oplossingen zijn relatief eenvoudig en duurzaa.m.

54. Uitvoering schroefaslagers

De betrouwbaarheid van een CRP'-installatie worth in belangrijke mate bepaald door de

lagering. De .schroefaslagers kunnen wordeni verdeeld in drie typen: hydrodynamisch lager

hydrostatisch lager mechanisch rollen lager

Dezei itypen lagers zijn toegepast in asleidingen van voortstuwingsinstallaties., Maar 'dew techniek van het hydrostatisch lager is het minst bekend in de scheepsbouwwereld.

tussen lagering van de buitenas en die van de binnenas moet onderscheid worden gemaakt

i.v.m. het type lager. De buitenas kan zonder problemen met de drie typen worden gelagerck

Maar meestal worth. voor een hydrodynamisch lager gekozen. omdat deze betrouwbaar en

ekend

De binnenas is gelagerd in de draaiende buitenas en de binnenas draait zelf ook

maar

tegengesteld:contrarotatie. Ms nu een hydrodynamisch lager worth toegepast als

contra-roterend lager bij een toerenverhouding 1:1 vertoont dit

lager geen of onvoldoende

draagkracht. Aileen bijzondere uitvoeringsvormen van het hydrodynamisch glijlager kunnen worden toegepast. Belangrijke kriteria bij het beoordelen van de 'CR-lagers zijn:

betrouwbaarheid

onderhoudsvriendeRijk.

compact

voldoende draagkracht bij toerenvertouding CRP-finstallatie gagerstufheid en -demping

Het hydrostatisch lager als CR-lager geeft nog een, extra triterium:

hybride funktiez combinatie Ihydrodynamisch/ Ihydrostatisch lager

.Dit hoofdstuk behandelr in paragraaf: 5.1 hydrodynamisch lager

5.1.1 Zvvevende bus 5.2 hydrostatisch lager 5.3 mechanisch rollen lager

1

5.1 Hydrodynamisch ;lager

Het hydrodynamisch lager toegepast als contra-roterend lager vertoont geen of nauwelijks

draagkracht als de toerenverhouding van de binnenas en de buitenas 1:1 is. De theorie

voorspelt dat voor een zuiver cilindrisch lager de draagkracht nut _{is omdat er geen olie}

wordt aangevoerd naar het belastingsgebied. Hierdoor wordt geen oliefilm in het lager

opgebouwd. Len toerenverhouding van I:1 is wenselijk voor een optimale

rendementsverbetering. Ms de toerenverhouding afwijkt van 1:1 clan neemt de draaglcracht,

van her hydrodynamisch lager in contrarotatie 'toe tot een bepaalde grens.

Man uit experimenten is gebleken dat een hydrodynamisch lager toegepast in contrarotatie

loch draagkracht vertoont.(13]

Net draagvermogen van dit lager worth veroorzaakt door het niet zuiver cilindrisch zijn van

de bus. Minuscule oneffenheden hebben tot gevolg dat toch een oliefilm wordt opgebouwd.

Thermische en elastische vervormingen genereren ook een oliefilm. hit proeven is gebleken

dat dit lager in, diverse uitvoeringsvormen in staat waren een belasting van minstens 150 bar

te dragen.

Deze uitvoeringsvormen

lager met lobben lager met kantelblokjes lager met groeven

Aileen het lager dat ,niet met ideze axiale beweekingen was voorzien vertoonde _{een tekort in}

idtaagIcracht.

39'

to/then kantelblokjes gtoeveit

Figuur 5.1 uitvoeringsvortnen CR-lager

Een overzicht van de voordelen en nadelen is gegeven in tabel 5. De voordelen en nadelen zdn respelctievelijk aangegeven met + en

-Tabei 5.1 uitvoeringsvormen contra-roterend lager (hydrodynamisch)

De gegevens over lagersqjfheid en -demping van het, gager met axiale groeven zijn

verkrijgbaar bij TNO.[8]

Zwevende bus

De zwevende bus is in [1i3] ook uitgetest en met succes. 'In [7] is de zwevende bus in het

ontwerp van contraroterende assen toegepast. De bussen zijn over de hele omtrek van

witmetaal voorzien en an zowel de binnenkant als aan de buitenkant van axiale groeven voorzien. Vier groeven zijn om de 45° over de omtrek van het lager aangebracht. Ms deze groeven bij de laatste bewerking worden aangebracht dan zal de ring licht deformeren. Dit

bevordert de noodzalcelijke verstoring van de olietilm. De floating bus zal langzaam

meedraaien met de buitenas. Het toerental _{waarinee dit gebeurd is afhankelijk van de}

oliedruk en lagerbelasting. De proeven van 0.Pinkus hebben dit bewezen. Als _{het toerental}

van de zwevende bus niet meer dan 20% van her effektieve toerental bedraagt dan zijn geen

problemen met contrarotatie te verwachten. De zwevende bus is tcegepast in het ontwerp van,

TNO maar in tweeen gedeeld. Hierdoor wordt het mogelijk dat de voorste 'bus t.g.v. van een

jets andere oliedruk of afwijkende belasting met een ander toerental kan draaien dan de

achterste ring.. De deling van de zwevende bus kan als (fit nodig is verder worden

opgevoerd.

Deze lagers inclusief de zwevende bus zijn nooit op ware trootte loegepast of getest. De

betrouwbaarheid is dus nooit geverifieerd.

Dit was voor de Japanse ontwerpers van CRP-systemen aanleiding omk over le gun op het

hydrostatisch lager en mechanisch roMen lager.

lobben , kante Iblokjes axiale groeven

inbouwruiatte kosten parallel< stijtbeid , + rotatie stijfheid ₊ %armee at:veer _ , °raker; draairicheing 5.1.1 + -+ -+ + +

-5.2 Hydrostatisch lager

Ms bij CRP-installaties de toerenverhouding van de binnenas en de buitenas 11:1 is dan kan het hydrostatisch lager een oplossing bieden. Het hydrostatisch lager kan _{trouwens bij leder}

gewenste toerenverhouding worden toegepast. Het lager worth under hoge druk van olie

voorzien. De oliedruk kan varieren tussen de 3 10 NIPa. _{Het hydrostatisch lager dat het}

bedrijf MHI toepast heeft een hybride funktie. Dit lager is dus ook van witmetalen

loopvlalcken voorzien. Ms de oliedruk weg valt dan moet dit lager als een hydrodynamisch

glijlager kunnen fungeren. Elektrisch aangedreven pompen verzorgen de olieflow. De

olieverzorgingsunit is zo uitgevoerd dat als een pomp uitvalt automatisch een standby pomp

worth ingeschakeld. De olie wordt d.m.v. radiale boringen in de binnenas naar het lager

toegevoerd. In het lagersysteem is dus op twee manieren redundancy toegepast:(20] hybride vorm

pomp standby

Het principe van dir lager is afgeleid van de JACK-UP systems. Jack-up systemen worden

toegepast in tankers (VLCCs) die zijn uitgerust met een zware langzaam draaiende schroef. Tijdens op gang komen zal het hydrostatisch lager weinig draagkracht ontwikkelen omdat het

toerental re laag is. In de beginfase wordt de as gelift doorde °tie. Deze olie worth onder

hoge druk via radiale boringen in de binnenas naar her lager getransporteerd. _{Deze lagers}

worden al (neer clan 15 jaar in de scheepvaart toegepast en hebben hun betrouwbaarheid en

duurzaamheid bewezen.

De voordelen zijn:

:hoge draagkrachtcapaciteIt

minder wrijving, dus langere standtijd

Compact Het nadeel:

Cuter shaft! Hoge iclrukken

Figuur 5.2 :ICR-lager hydrosrutiscIr

-Inner shacti

tub.

3.3,Mechanisch rollen lager

Een uitstekend alternatief is om het mechanisch rollen lager als contra-roterend lager _{toe te}

passen. Dit lager kan eigenlijk alle problemen aan die zijn te venvachten _{met contrarotatie.}

De contra-roterende lagers opereren onder lage toerentallen en hoge vlaktedrukken. Deze

condities zijn niet wenselijk omdat door lage toerentallen een tekort aan draagkracht ontstaat.

De hoge oliedrukken die nodig zijn dit tekort op te heffen zijn _{relatief nieuw in de}

scheepsbouwwereld. Hieruit kan een _{acceptatieprobleem van de reder ontstaat. Het}

mechanisch rollen lager is al meer clan 10 jaar toegepast als schroefaslager in VLCC's

(tankers) en vrachtschepen.

[20](23]

Een betrouwbaar ontwerp met een rollen lager als contra-roterend lager kan uitgevoerd

worden als de excitatie krachten op de assen bekend zijn. De voordelen:

geen draagkracht limiet bij lage toerentallenr en toerenverhouding 1N.1, lange levensduur omdat lage snelheden

lager relatief kort,

,simpel

De nadelen.2

lbetrouwbaarheid niet voldoende geverifieerd oppervlaktevermoeiing

gevoelig veer axiale spelling

acceptatieprobleem in scheepsbouwwereld

Deze nadelen zijn discutabel. Het Japanse bedrijf IHI heeft een mechanisch rollen lager in

een CRP-installatie met succes toegepast. Het lapanse bedrijf MHI heeft dit lager afgewezen

omdat oppervlakte- vermoeiing de levensduur aanzienlijk _{zou kunnen bekorten en de eerste}

inspektie niet eens zou halen. Het lager heeft toch zijn _{betrouwbaarheid bewezen. Het}

vrachtschip JUNO uitgerust met een CRP-installatie heeft tijdens een proefvaart iijsschade

opgelopen. De schroetbladen waren omgebogen maar de assen en mechanisch rollen lager

waren niet beschadigd. Lloyd's maakt bezwaar tegen toepassing _{van een rollen lager als}

schroefaslager omdat zij in het verleden veel problemen met dit lager in die _toepassing

5.4 konklusie

'leder type lager heeft zijn voordelen en nadelen en op basis hiervan isgeen direkte keuze te

maken voor het type contra-roterend lager. Een keuze kan gemaalct worden als : de

toerenverhouding van het CRP-systeem 1:1 is dan komen het hydrostatisch _{en rollen lager in}

aanmerking en als de toerenverhouding voldoende afwijkt van 1:1 dan komen het

hydrodynamisch en rollen lager in aanmerking, dus het rotten lager komt in beide gevallen in

aanmerking. Het contra-roterend lager is een kritiek onderdeel. in een CRP-installatie en zal,

daarom een hoge betrouwbaarheid moeten hebben.,

fi

6. Afdichting

De afdichtingen itussen de ivoorste naaf en buitenboord schip en binnenboord zijn

conventionele toepassingen. De afdichting tussen de schroeven gee4 bij toepassing de volgende problemen:

verdubbelde omloopsnelheid roterende excentriciteit roterende scheefstelling

De verdubbelde omloopsnelheid ontstaat doordat de schroeven _{tegen ellonr in draaien. De}

roterende excentriciteit ontstaat doordat de binnenas onder in her lager ligt (excentrisch) en

de buitenas draait daarom heen. De roterende scheefstelling wordt veroorzaakt door de

onvermijdelijke scheefstelling tussen binnenas en buitenas.

gen belangrijke ontwerpparameter voor afdichtingen zie figuur 6.11

: drulcverschil over de afdichting v : omloopsnelheid

Om dm he veilige gebied te blifven moet Sp.v, de kromnie Ap.v = c Met overschrijden.,

tIP

Vel lige gabled

Figuur 6: I Ap.,v diagram

Voor de afdichting tussen de naven kan zowel een lip seal' als een face seal worden gekozen. Beide moeten hoge dynamische belastingen kunnen _{ondergaan. De afdichting in een}

CRP-installatie is een van de nicest kriktieke delen, daarom zal de gekozen afdichting een

aantoonbare betrouwbaarheid mitten hebben.

is:

.4.v

V =C

V

7.konkrusie

Het ontwerpen van een betrouwbare en duurzame asleiding voor contra-roterende schroeven is goed uitvoerbaar door gedegen oplossingen te zoeken voor de technische problemen. De

problemen m.b.t dynamica en elasticiteit van het asleithngssysteem zijn op te lossen door een gevoeligheidsanalyse uit te voeren,

waarbij vooral de lagerposities een rol spelen. De

betrouwbaarheid van het systeem worth opgevoerd door experts in te schakelen bij het zoeken naar oplossingen voor bevestigingen, lagers en afdichtingen.

Literatuurlijst

Harrington, RI

Kuiper, Prof.dr.ir.G. onbekend 4 Wereldsma, Prof.ir.R 5 Shun-ichi, e.a.

6 Klein Woud, Prof.ir.J 7 Beek, ir.A.W. van

Marine Engineering

Restistance and Propulsion of Ships preliminary Hydrodynamica van de schroef

Investigations on the Vibratory Output of contra-rotating Propellers

A practical Design Procedure of Contrarotating Srew

Propellers

Maritieme Werktuigbouwkunde III Contrarotating Propeller Propulsion Part II TWO

Design Aspects of Propeller Shafting

Dynamica an Machines

Matitieme NA'erktuigkunde

Counterrotating. Journal Bearings

Engineering Aspects of Contra-rotating Propulsion for

Seagoing Ships

Rules and Regulations Mechanical Vibrations

Damping in Propeller-Generated Ship Vibrations

Stern Gear and Line shaft systems for Driving

contra-rotating Propellers Contra-rotating propeller

20 Shigemitsu Nakamura _{Development of a Contra-Rotating Propeller Systems for} Large Ships

8

9

10 _{Carr.J, e.a.}

11 Meyers, Prof.ir.P 12 Klein Woud Profit."

13 Pinkus, 0 14 _{Meier, Peter.Dipl.ing.H} 15 _{Lloyd's Register} 16 Den Hartog,J.P 17 Hylarides, Prof.Dr.ir.S 18 Laskey, ca.

19 Muntje werf,J e.a.

\los, ir.A.de Contrarotating Propeller Propulsion Part I TNO Hil!ander, HiIding 0 Study of Contra-Rotating Propeller

47 21 Nishiyama,S e.a. Voyage Reports and Appraisal on CRP-Ship "JUNO"

IHI "JUNO" -37000 DWT Class Contra-rotating Propelled

Vessel