Technische Universiteit Delft
Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen Transporttechnologie
T.G.G.M. Staal Optimalisatie van hopperlossystemen. Deel 1. Analyse 1e deel doctoraalopdracht, Rapport 94.3.GV.4374, Sectie Baggertechnologie.
Het aanleggen en onderhouden van havens en vaargeulen geschiedt veelal met sleephopperzuigers. Een sleephopperzuiger is een schip waarbij het laadruim, de hopper, gebruikt word voor de tijdelijke opslag van het opgezogen bodemmateriaal. Via openingen in de bodem van de hopper wordt de lading gelost. De afdichting van deze openingen kan geschieden middels verschillende systemen welke, mede afhankelijk van de hoppergeometrie, beter of slechter functioneren.
Om tot een optimaal lossysteem(/hoppergeometrie) te komen wordt gezocht naar gunstige oplossingsaspecten van bekende hoppers/lossystemen. Tevens wordt gezocht naar een theoretische verklaring wat bij deze hoppers/lossystemen dit gunstige effect veroorzaakt. Door een verbeterd lossysteem kan de lostijd bekort worden, voor een grote produktiecapaciteit, en bedrijfszekerheid verhoogd wordenj waardoor de rendabiliteit van de zuiger verhoogd wordt.
Middels een inventarisatie van lossystemen, het opstellen en toetsen van randvoorwaarden en een theoretische beschouwing van de fysische processen in de hopper, kan een beeld gevormd worden van een verbeterd lossysteem.
Uit de inventarisatie volgen de meest toegepaste lossystemen, namelijk kegelkleppen, deuren en schuiven. Daarnaast zijn nog enkele bijzondere oplossingen opgenomen zoals onder andere het 'badkuip'-systeem (Volkswerf-Krupp Fördertechnik). De werkingsprincipen van de verschillende lossystemen worden besproken.
Een goed lossysteem/hoppergeometrie moet tenminste aan de volgende randvoorwaarden voldoen: een snelle en volledige lossing (geen restlading)
geschikt zijn voor verschillende soorten lading geen bezinkingsbelemmering opleveren goed afdichten
kleine scheepsweerstand en kleine steekafstand (in geopende toestand) onder het vlak slijtage- en onderhoudsvriendelijk
technisch en economisch uitvoerbaar zijn.
De lossing kan globaal gesplitst worden in een lossing van overwegend vaste lading en een lossing waarbij meerfasstromen (vloeistof en vaste stof) overheersen. De theoretische beschouwing richt zich op de initiële fase van de lossing namelijk de lossing van overwegend vaste, min of meer homogene, lading. De theorie kan op grond van de mechanische toestand van de stroming onderverdeeld worden:
een statische stroming; de grond stroomt niet
een dynamisch-stationaire stroming; de stroming is in de tijd onveranderlijk.
De stroming van lading in een hopper wordt gedomineerd door spanningen (drukken) in de lading vóór en tijdens de lossing. De sterkte van de lading in de hopper is afhankelijk van de eigenschappen van de grond. De sterkte van de lading is mede afhankelijk van de spanningen die tijdens en voor de lossing worden opgelegd (tijdsconsolidatie). Door de lading gedurende een langere tijd voor te belasten, onder invloed van het eigen gewicht, veranderen de mechanische eigenschappen, zoals een toename van de inwendige wrijving en een verhoogde cohesie. Een grote inwendige wrijving en cohesie zorgen voor een moeilijk lossende lading. Tevens verhoogt een grotere drukspanning de kans op brugvorming.
De statische toestand van de lading in de hopper wordt middels een aantal analytisch oplosbare differentiaalvergelijken beschreven. De theorie onderscheidt prismatisch en conisch symmetrische hoppers, respectievelijk volgens Janssen en Lee, en asymmetrisch conische hoppers waarbij een aanpassing van de theorie van Lee is gedaan.
Theorieën voor de beschrijving van een dynamische stroming van grond zijn te onderscheiden in analytische en numerieke methoden. Gezien de beperkte geldigheid van analytische modellen zullen numerieke methoden (Eindige Elementen Methode en Discrete Elementen Methoden ) de toekomst hebben als methode voor een nauwkeurigere beschrijving van het losproces. Desalniettemin worden spanningen in een stationair stromende lading in dit rapport bepaald middels een analytische beschrijving [Jenike].
Voorgaande theorieën zijn toegepast op bekende hoppergeometrieën en de gevonden resultaten zijn vergeleken met de in de praktijk bepaalde lostijden. Een onderscheid tussen schepen is moeilijk te maken op grond van lostijden, als gevolg van de verschillende werkomstandigheden (ladingsamenstelling, transportafstanden enz.). Onder deze werkomstandigheden volgt dat de shz 'Apollo' het best voldoet, in rangorde gevolgd door de shz 'Lelystad', shz 'Vasco da Gamma' en de shz 'Prins der Nederlanden'. Een geleidelijk verloop van de statische spanning met de diepte, waarbij het verschil tussen de bepaalde spanning en de hydrostatische spanning minimaal is, levert een betere hopper. De shz 'Prins der Nederlanden' en shz 'Vasco da Gamma' presteren hierbij slechter dan de shz 'Lelystad' bij een vergelijkbare klepdiameter (respectievelijk 3.60 m, 3.44 m, 4.70 m). Daarbij hebben beide schepen
ter plaatse van de maximale statische spanning een convergerende hopper zodat brugvorming sneller zal optreden. Ten aanzien van de dynamische spanningen (2-dimensionaal) heeft de shz 'Lelystad' het beste verloop.
Uit de theorie volgt dat spanningen bij axiaal-symmetrische stromingen een steiler verloop en hogere eindwaarde hebben. Vlak-symmetrische, rechthoekige losopeningen (L > 3B) verdienen daarom de voorkeur. Hogere spanningen in de lading hebben, onder aanname van een lineair radiaal veranderlijk spanningsverloop [Jenike], dilatantie tot gevolg. Ter plaatse van de maximale spanning is tevens de invloed van de dilatantie maximaal. Theoretisch volgt verder: een zeer geringe afhankelijkheid van de inwendige wrijving, en een grotere invloed van de wandwrijving op het verloop van de spanning.
De geïnventariseerde lossystemen zijn op de randvoorwaarden getoetst waaruit een afweging volgt tussen de onderhoudsvriendelijke kegelkleppen en de in aanschaf goedkopere bodemdeuren. Kegelkleppen verdienen op grond van de totale kosten op de levensduur de voorkeur. Door een aspect-verhouding van ongeveer 1 wordt dit theoretisch bevestigd doordat het stromingsveld hierbij grotendeels axiaal-symmetrisch is, en het voordeel van een vlak-symmetrische stroming bij deuren vervalt.
Het losgedrag (snelheid en restlading) is als uitgangspunt voor de optimalisatie gekozen. Daarnaast zijn een aantal deeloplossingen voor de verwachte problemen geponeerd (afdichting en bedrijfszekerheid). Ten aanzien van de grootte van de spanningen bij stroming, wordt gekozen voor een hoppervorm waarbij een vlaksymmetrische stroming optreedt.
Constructieve oplossing:
De gevonden constructieve oplossing is een hopper zonder kippekooi met dwarsscheepse deuren over de gehele breedte van de hopper. Hierdoor vermindert het aantal dode hoeken als ook de kans op brugvorming. Dit biedt tevens de mogelijkheid voor een grote verhouding
losoppervlak/beunoppervlak en een geringe steekafstand onder de kiel. De dwarsscheepse sterkte wordt verkregen uit kalven, uit plaat opgebouwde asymmetrisch driehoekige kokerprofielen, welke eveneens over de hele breedte van de hopper lopen. Langsscheeps dient de sterkte verkregen te worden door kokerconstructies buiten de hopper, in de zijden van het schip.
Een betere afdichting wordt verkregen door een gelijkmatiger aanligdruk, gebruikmakend van een sprantstuk.
Verhoging van de bedrijfszekerheid kan door een wigvorm toe te passen bij sluiten of door de scharnieren te vervangen door hydrostatisch gelagerde scharnieren.
Rapporten studenten Transporttechniek en Logistieke Techniek
