Weerstands- en voortstuwingsproeven met een model van de S.A. van der Stel oscillerend in vlak water

S

Rapport no. 1402

LABORATORIUM VOOR

SCH EEPSBOUWKUNDE

TECHNISCHE HOGESCHOOL DEIFT

WEERSTANDS- EN VOORTSTTJWINGSPROEVEN MET EEN MODEL VAN DE "S.A. VAN DER STELtt

OSCILLEREND IN VLAK WATER

door

A. Goeinan

L

N

INHOTJD pag. 1

Samenvatting 2

Inleiding 3

Beschrijving van het experiment 3

De meetresultaten

Konklusies 6

Lijst van gebruikte synibolen

I

Lijt van 'iguren 8

Literatuur 9

Tabel 1

-2-Samenvattin

In dit rapport wordt een onderzoek beschreven naar de invloed van een yertikale

sic11atie op de gemiddelde werking van een schroef achter een schip. Deze schroefwerking blijkt binnen enkele procenten constant te zijn.

De weerstand van het schip blijkt door de domposcillatie te worden beinvloed, waarbij de sneiheid van geen belang lijkt te zijn.

Inleiding

In het kader van een serie voortstuwirigsproeven met een model van de "S.A

Van der Stel", een snelvareid vrachtschip werd een onderzoek verricht naar bet

gedrag van een in open water oscillerende schroef _Li] . Daarbij werd vstgesteld

dat de schroefkarakterjstjeken niet werden beinvloed door de oscillatie van de schroef (dompen en stampen).

In dit rapport wordt een onderzoek beschreven waarbIj voortstuwingsproeven

worden uitgevoerd met een model van de "S.A. Van der o8cillerend in viak

water. Het model heeft een domp- of stamp oscillatie opgelegd gekregen, gedurende welke de voortstuwingsgrootheden zijn gemeten. De oscillatie bewegingen zijn zo-danig beperkt dat de schroef geen lucht heeft angezogen zodat schroef"racing" niet is opgetreden.

Beschrijving van het experiment

- Een model van bet vrachtschip "S.A. Van der Stel" werd onder

_{een vertikale}

oscilla-tor bevestigd. Tussen de poten van de oscillaoscilla-tor en het model werden tee dynamo-meters gemonteerd om horizontale langsscheepse krachten te kunnen _{meten (weer} stand of trossentrek). De voortste dynamometer werd in het _{model bevestigd op een} scharnier. De achterste dynamómeter werd in het model bevestigd op een licht lopende slede. Tussen de aandrijfmotor en de schroefas werd een dynaniometer gemonteerd

voor het rneten van stuwkracht, askoppel en toerental _{van de modelschroef.}

De gehele opstelling is schematisch weergegeven in 1,gt1Ur 1, De niodelgegevens zijn

vermeld in tabel I.

Het mde1 was voorzien Van turbulentiepinnen [3] . Tijdens weertandsproeven waren

schroef en roer niet aanwezig Tijdens de voortstuwingsproeven _{was het roer} aan-gebracht in de middenstand. De experimenten zijn verricht _{onder de volgende} kondities

Sneiheclen : F .20 _{.25 .30}

m 1.0914 1.368 1.6141 rn/sec

15 18.8 22.6 kn

Schroeftoerentaflen _{Het toerental n werd zodanig gekozen dat bij ledere sneiheid} 3 belastingsgevallen werden onderzocht n.l.

0.50 _{0.70 0.90}

Oscillatiesneiheden dompen

- 5 -

6 - 6.5

-

- 8 -10

z=0.014 m stampen:

- 5 -

6 -

- 8 - 10

0= bgtg 0.02.

Tijdens de runs werden ingestelde grootheden zoals oscillatiesneiheid,

schroef-toerental en wagensnelheid. zo goed mogelijk konstant gehouden. De meettijd

ge-durende de runs werd. gesteld op een geheel aantal oscillatieperioden. In verband met de beschikbare tanklengte werd de tijd beperkt tot 20 25 seconden. Bij -0.5 betekent dat een meettijd. van 2 oscillatieperioden. Bij alle tverige u's een meet-tijd van 20 of meer perioden..

Gedurende de nieetruns werd de gemiddelde waarde bepaald van stuwkracht, askoppel,

toerental, wagensnelheid en lngsscheepse kr4cht,

Dovendien werd van stuwkracht, askoppel en laugsscheepse kracht een infasekoniponent en een uitfasekomponent t.o.v. de oscillatiebeweging bepaald met fasemeetapparatuur zoals beschreven in [2]

De langsscheepse kracht werd gemeten op 2 dynamometers, waarvan de resultaten tijdens de berekeningen werden bijeengevoegd.

De ineetresultaten

Alle gemeten waarden zijn oingerekend naar cheepswaarden. Daarbij is voor de be-rekening van de scheepsweerstand gebruik gemaakt van de ITTC-formule voor de wrijvingsweerstand. De restweerstand inclusief de extra weerstand ten gevOlge van de oscillatiebeweging is omgerekend door vermenigvuldiging met A3, De waard.en zijn niet dimensieloos gemaakt omdat het gebruikte computerprograrnrna daarop niet was

ingericht. Dit heeft echter geen invloed op de vergeliking

van de diverse gróot-heden bij verachillende oscillatiefreq,uenties.

In de figuren 2 tIm 14 werden de gemiddelde waarden gegeven van T en w op basis

van w. Het volgstrooingetal w (volgens Taylor) is bepaald met behuip van een open water diagram dat is verkregen met dezelfde schroef bij ongeveer hetzelfde Reynoldsgetal in stil water. EerderLl]was gevonden

_{dat een oscillatie bij}

vol-doende indompeling geen invloed. heeft op de schroefkarakteristiek.

Uit de fiuren blijkt dat de oscillatie

geen merkbare invloed heeft op de werking

De spreiding van PD,T en (1-w) is slechts enIge procenten.

In fig. 5 wordt de weerstand ET gegeven. Deze wordt wel beipvloed door de domp-oscillatie. 1-ret blijkt dat de weerstandstoename weinig

fhankelijk is vn de

snelhTeid en vooral bij lagere sneiheden niet te verwaarlozen. Bij de

stamp-bewegingen is gemiddeld vrijwel,geen weerstandsverandering gemeten. Tijdens de voortstuwingsproeven werd de trossentrek FT gemeten. FT is te besehouwenals de

overbelasting van de schroef. De som van RT+FT wordt gegeven in fig. 6.

In fig. I wordt de gemiddelde waarde vri het zoggetal 1. gegeven. ]Jeze varieert

wel maar in overeenstemming met de variaties in T en (RT+FT) waarvan t wordt

af-geleid. De meeste variatie treedt op rond c =6, met waarde verschillen van de

zog-factor (i-t) tot 20%. Daar de grootte variaties optreder bij de laagste

schroef-belasting is het duidelijk dat meetonnauwkeurighederi een grote rol kunnen spelen.

Er zullen meer metingen nodig zijn om tot betrouwbare conclusies te koinen.

De variaties van _D in rIg. 8 zijn in overeensteniming met de variaties van

(RT+FT) en _D waarvan

is afgeleid. Ook hier treden de grootte yerschillen op

bij de laagste schroefbelasting en kunnen dus meetonnauwkeurigheden een grote rol spelen.

tJit de reeds eerder genoemde infase- en uitfase koinponenten werd voor stuwkracht,

askoppel en langsscheepse krachten de amplitude van de variatie en de fase t.o.v.

de oscillatiebeweging bepaald. Ult deze berekeningen en uit de uitgeschreven

signalen bleek dat stuwkracht en askoppel niet of nauweiijks varieerden tijdens

n oscillatie periode. De kracht gemeten op de achterste dynamometer was

ver-waarloosbaar klein en werd in principe alleen opgeuekt door de wrijving van cle slede.

De kracht op de voorste dynamoineter varieerde wel, zowel bij de

weerstands-proeven als bij de voortstuwingsweerstands-proeven. In de figuren 9 en 10 wordt de amplitude

van de vriatie en de faseverschuiving van weerstand en trossentrek vergeleken.

In tegenstelling tot de ovei'ige figuren zijn bi.j fig. 9 en 10 de krachten niet

omgerekerid naar scheepswaarden. Uit de figuren blijkt dat _{RT en FT zodanig}

varieren dat het totaal

_TT

konstant is gedurende

n oscillatië periode.

Uit fig. 9 blijkt dat de variatie van

_{en FT gelijk is; Uit fig. 10 blijkt dat}

de faseverschuivingen van RT en FT juist 1800 verschillen dat wil zeggen als

RT toeneent, neemt FT af en omgekeerd. De vergelijking is gegeven voor J=.50. Bij

andere waarden van J. blijkt uit de berekeningen dezelfde tendens. Bij stampen

heeft de fasemeetapparatuur fliet bevredigend gewerkt zodat een vergelijking riiet mogelijk is.

S

Konklus ies

De werking van een schroef achter een schip wordt niet beinvloed door een

vertikale oscillatie van dat schip, zolang die oscillatie van dien aard is dat er geen lucht wordt aangezogen door de schroef.

De over meerdere perioden geniiddelde veerstand wordt wel beinvloed door de oscillatie. De van de weerstandrnetingen afhankelijke grootheden vertonen wel

variaties die echter flog moeilijk op hun waarde beoordeeld kunnen worden. 6

Lijst van gebruikte symbolen AE/AO bladoppervlakverhouding B breedte CB blokcoefficient CM grootspantcoefficient CF _{prismatische coefficient} C waterlijncoefficient D diameter van de schroef F getal van Froude

n

FT trossentrek

belastingsgraad J=v/nD

lengte tussen de loodlijnen L lengte op de waterlijn n toerentalvari de schroef P/D spoedverhoucling

geleverd vermogen _{PD2U Qn} effektief vermogen _FE(RT+FT)V

Q askoppel

RT weerstand

S nat opperviak

t zoggetal _{t1_(RT+FT)/T}

Tgem diepgang gemiddeld

V sneiheid van het schip V waterverplaatsing

V sneiheid van het model volgstroomgetal _{W=1_Va/V} Z aantal bladen van de schroef

z _{dompamplitude}

voortstuwingsrendement

_DE'D

A schaalfaktor

6 stamphoek

-1 cirkeifrequentie van de oscillatie (sec

U)

Lijst van figuren

Fig. 1 Schema van de meetopstelling

Fig, 2a Geleverd vermogen,

D' dompend Fig. 2b Geleverd vermogen,

D' stampend Fig. 3 Stuwkracht, T, dompend en stampend. Fig. a Volgstroomgetal, w, dompend

Fig. 4b Volgstroomgetal, w, stampend

Fig. 5 Weerstand, RT, dompend en stainpend

Fig. 6 Weerstand en trossentrek, RT+FT, dompend en stampend

Fig. 7 Zoggetal, t, dompend en stampend Fig. 8 Rendement,

D' dompend en stampend

Fig. 9 Vergelijking van de amplitude van de variatie van modeiweerstand en trossentrek, dompend J=.50

Fig.1O Vergelijking van de faseverschuiving van modeiweerstand en

trossen-trek t.o.v. de oscillatie dompend J.50.

Literatuur

9

A. Goeman

"Bepaling van de schroefkarakteristieken van de"van der Stel" schroef in

dompende toestand.

Rapport 360, Laboratorium voor Seheepsbouwkunde, TH. Deift

11.3. Zunderdorp en M. Buitenhek

"Oscillatortechniques at Shipbuilding Laboratory"

Rapport 111, Laboratorium voor Scheepsbouwkunde TH-Delft

3."Standard procedure for resistance and propulsion experiments with ship models

Thbei I Modeigegevens

:Narn: .5.q. V4,d'.STE1.

Mod1nr:SIf

Schaat.: X = 50.

Gegevens Schip Modet

. 4S2.5o m rn LORD m rn LWL . rn rn B . 22.8k rn rn rn rn

rn,

rn TA . . m rn TGEM m rn V . 47%. rn3 rn3 S . 4289 rn2 m2 CB.= ô CM P cx = ,

Cp

a Opp.CWL m2

OcWL t.ov. Ord.10

- 4c2o

m rn

:Ii

.6 t.o.v. Ord. 10 rn .. .rn

KG.

m m V.DIENST . kfl rn/s DSCHROEF

-

m .417 m AE /A0 P/P 0/rn 0/S

H mterator

--I -(Resolvers Demodulator -Oscillator -1 i-Integrator Printer

-/80 /70 //0 C

._

--.-_.__

U-w

£ **

___

S..

-"5

Fig. 2a Geleverd vermogen, P, dompend

--i-U--U

-a----w25

£

a

£4)

i:o £ib

Uir':5:,

Fn

-6 7 40

k. .SEC'

£TA11'/

OiO AvPO o6

Fig. 2b Geleverd vermogen,

D' starnpend leo170 -0 0 0 a ° lb -100 C 0 0 A (3 F.:.2ø 0 FA 3o a ao A- A A 'A

o _p

LA A _-8 A 8 _APn.20 -0-0-

o-

0 .40 -_p _O r,

O.Zo

0 p I I I

I

6 4Eo zoo a_S

-a

o S

-

S 0 U

so4A

A U A a 8 a jJ, EC1

2: o

a : '

j:.

ojr

'5 Air . o

ao ID C) 2o .I0 '/0 .- W.

_0pPsn'

.i.

ijg'74

&.5

Fig. 1-ia Volgstroomgetal, w, dompend

I

I

U

0

r

'/O 0 I/O 10 a §

ft.

'2

0 0 _{0 0} o /0 W,

.3,,n',,1

A%O

Fig. Ib Volgstroomgetal, w, stampenci

a

6°

Fig. 5 Weerstard, RT, dompend en sta!npend

I I I

79

ia - £iJ ______ -I II

--

---0-- -_-

-I /c0

e-1

...

c__ __!J3'

a U

±2o

S S S ₅ S -m S 0

S_

6 ₇

8

0-.v,1ew

£j70

ur.5o

.SThIIPE# o.1 3ø

Ai '

Di

Fig. 6 Weerstand en trossentrek, RT+FT, dompend en stanipend

0 0

-_F25

o _.LP=2o A £ A 6 £ _£ A A 6

'to

30-10

'/0

0-Fig. ₇ Zoggetal, t, d.ompend en stampend

/0

j:&,

&.l:.7c,

AI'

or,o

'-4EELTi

-.VCMPE# So

2:.5

_3r,qp,p,j oJcSo t1:'?o

ofo

Fig. 8 Rendement,

D' donipend en stempend

I

'S

0

Fig. ₉ Vergelijking van de amplitude van de variatie van modeiweerstarid

en trossentrek, dompend J.50. 0 0 0 U 0

04-0 C 0 0 0 0 0 0 0 0 .5. 7

8

/0 A) 0 L _/.0

0-

I-F

go 60 30 0

78

/0

3'

--24o -210 -240 ieo -27o -ao

Fig. 10 Vergelijking van de faseverschuivirig van modelweerstand en

trossen-trek t.o.v. de oscillatie dompend J.50.

0 '1 1% 0 0 0 U 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 .5 5. C -a70