Skovformen är viktig

av Markku Kanerva Forum 1980-15, sida 41-43, 08.10.1980

Taggar: Teman: sjöfartyg

eng ed Me jua vas

PleRertaara ve “täbaRtean: a a

PEN re MAA ätanear os

Betydelsen av undervattenskrovformen för fartygets drift är mångtydig. örutom att skrovet bär upp fartygets hela massa, påverkar dess form även totalmotståndet och propellerfunktionen. Interaktionen mellan skrovet och propellern bestämmer i sin tur totalverkningsgraden för fartygets drift (s k propulsionsverkningsgraden), och till stor del också vibrationsnivån.

9 Skrovformen påverkar väsentligt också fartygets rörelser i sjögång, manövreringsegenskaper, isgång, stabilitet, vågbildning etc. Fartyget måste emellertid i första hand uppfylla sin transportuppgift, varför planeringen av skrovformen inte är en optimeringsuppgift med två eller tre variabler, utan en uppgift som fordrar kompromisser.

I slutet av 1970-talet ställade man många, ofta mycket fordrande krav på projekteringen av fartyg. Fartygens leveranstid minskade plötsligt från tre år till ca två år. En annan förändring skedde i huvuddimensionerna och i fartygens absoluta storlek. Denna utveck FORUM 15/8 ling kommer väl fram i tabell I, i vilken huvuddimensionerna för fyra biloch passagerarfärjor byggda av Oy Wärtsilä Ab Åbovarven är givna.

Fartyget som arbetsmiljö har också genomgå stora förändringar under de senaste åren. Nationella och internationella bestämmelser beträffande fartygens vibrations- och bullernivå har ratificerats. Fartygen bör vara allt tystare, och vibrationsnivån bör vara lägre än tidigare.

Den viktigaste förändringen på 1970-talet har dock varit oljeprisernas snabba stegring, vilket har föranlett redarna att kräva effektivare utnyttjande av energin samt framförallt högre propulsionsverkningsgrad.

Korta leveranstider och växande fordringar har lett till att man inte mera kan göra större förändringar i grundkonstruktionen under planeringsarbetet efter det att fartygsbeställningen erhållits. Därför ställs allt större krav på projektplaneringen och produktutvecklingen av fartygen.

I det följande ges en kort översikt över den produktutveckling, som gjorts vid Wärtsilä Åbovarven speciellt för att förbättra skrovformen på bil- och passagerarfärjor.

Godhetstal för skrovformen Storheter som beskriver fartygets driftsekonomi är totalmotståndet (RT och propulsionsverkningsgraden (pH). Totalmotståndet kan indelas två komponenter dvs i friktionsmotstånd (RF) och i restmotståndet (RR). Friktionsmotståndet är direkt beroende av fartygets storlek, dess våta yta. Restmotståndet beskriver bla fartygets vågmotstånd, och själva valet av parametrar för skrovformen har starkare inverkan på detta än på friktionsmotståndet. Propulsionsverkningsgraden kan uppdelas i tre komponenter, d vs öppetvattensverkningsgraden, skrovverkningsgraden samt relativa rotationsverkningsgraden. Vid sidan av propulsionsverkningsgraden kan man också ta upp godhetstalet, som beaktar fartygets deplacement, maskineffekt och uppnådd hastighet, det s k Heickel-talet.

ASS =3 K SV xV Fartygets vibrationsnivå är framförallt beroende av propellerns (propellernas) och huvudmaskinernas funktion och impulserna som åstadkoms a propellern mot skrovet är i allmänhet den största vibrationskällan.

1980-talets passagerarfärja

Vid planeringen av passagerarfärjor för 1980-talet hade man som mål att förbättra fartygens driftseko 41

Namn

Längd, Lpp (m) Bredd (m) Djupgång (m) Deplacement (m?) Deplacementets fyllighetsgrad Dödvikt (t) Maskineffekt (kW) Isklass

Antal propellrar Propellerns varvtal (rpm) Hastighet (kn) Antal passagerare Bilkapacitet

Antal däck Skrovform

Redare

Tabell 1

Bild 1.

nomi och uppnå en lägre vibrationsnivå. Det var inte någon enkel uppgift, för såsom tabell I visar, har fartygens maskineffekt blivit avsevärt större, bredden har ökat, och skroven har blivil fylligare, man har alltså väsentligt velat förbättra fartygens transportförmåga.

Vid försök att optimera driftsekonomin observerades ofta att ett längre fartyg än det man planerat vor förmånligare, men å andra sidan avsevärt dyrare. Det finns också andra konflikter mellan driftseko nomin och övriga planeringskriterier, och man blir alltså tvungen att göra kompromisslösningar.

42

Skrovformen för Viking Saga och Viking Song.

Turella (Rosella) 115,7 119,0 22,0 24,2 5,50 5,51 8 450 9 449

Bore 0,56 2100 270 12 430 17 65 1A 1 2 190 25 22,0 21, 1 200 1 70 359 bilar 575 bila 8 bulben, bulben propelleraxlarna = akterspegeln i bossings axlarna med V-brackete 0,626

Bore SF-Line AB

Viking Saga (Viking Song)

NB 1251 (Silja) 131,0 150,0 25,2 28,4 5,50 6,75 11 630 16 15 0,57 2 870 3 20 19 120 23 00 1A 1A Supe 2 170 17 21,3 22, 2 000 2 00 540 bilar 540 bila " 1 bulben, buiben, akterspegeln, akterspegeln, axlarna i kölarna — axlarna med s k twin-skeg- V-bracketer skrovform Red. AB Sall 0,642

EFFOA Svea Line Ab

Bild 2. Slutlig skrovform för NB 1251 och 1252, Silja Futurum färjorna.

Viking Saga, Viking Song

I projekteringsstadiet valdes två skrovformer som utgångspunkt: 9 konventionell — 2-propeller-skrov form 9 en sk ”twin skeg”(twin condola)skrovform

Twin skeg-skrovformen valdes som slutlig skrovform, för att man inte just då var säker på att propulsions- och stabilitetskriterierna kunde upnås med en konventionell skrovform inom givna ramar för kapacitet och huvuddimensioner.

I bild 1 presenteras den slutliga skrovformen för Viking Saga. Propelleraxlarna är inne i två kölar. Med de här lösningen försöker man erhåll bättre skrovverkningsgrad och bättr propellerverkningsgrad genom = att använda större propellerdiameter och lägre varvtal.

Varvet ställde sig ändå något tveksamt till twin skeg-skrovformens fördelar av följande orsaker Ö alla erfarenheter av färjor med denna skrovform var inte så positiva, särskilt ur vibrationssynpunk € ctt stort frågetecken var gången i i manövreringen, särskilt i trånga vatte e sjöduglighete e vågbildningen, särskilt i skärgården

FORUM 15/8 ära 2 un st Häng 0

UHitagg nn TILL Her arg tl

En fullständig serie modellförsök gjordes och skrovformen modifierades många gånger. Men oberoende av förändringarna förblev medströmsfältet fortfarande ojämnt, och det kunde eventuellt betyda tryckimpulser inducerade av propellern, samt allvarliga vibrationer.

En speciell cp-propeller med stor svävning valdes i samråd med propellertillverkaren (KMW). Propellrar av den här typen hade fungerat fint i den tidigare Turella-serien. Det enda problemet var ökad maskinstyrka och svåra isförhållanden. Specialpropellern analyserades av WADAM (Wärtsilä Arctic Development and Marketing) me en bestämd elementmetod i olika isförhållanden. Enligt dessa beräkningar — dimensionerades = propeller bladen slutgiltigt.

Kavitations- och tryckimpulsmätningar gjordes i modellskalan med denna högt svävande = propeller. Resultaten var verkligen positiva: endast låg kavitation förekom, och tryckimpulserna var lägre än 400 kp/m2. — Propulsionsverkningsgraden ökade också och en högre hastighet uppnåddes.

Under provturen = fotograferades propellern och tryckimpulserna orsakade av propellern mättes. Kavitationen ökade litet, men var å andra sidan jämnare jämfört med modellproven.

Tryckimpulserna var t o m lägre än de i modellskalan uppmätta, och vibrationsnivån var under 5 mm/s, vilket betyder att vibrationsnivån var bättre än i medeltal enligt den internationella — 1ISO/DIS-standarden. Det här betyder att propeller-skrovinteraktionen är mycket bra. Propulsionsverkningsgraden, 7p, blev 0,695, och Heickel-talet K, 1,97. Restmotståndsfaktorn, CR, blev 3,30 x 10-3.

NB 1251, 1252, Silja Futurum-tärjorna Huvudparametrarna (för dessa två Silja-nybyggen presenteras i tabell 1. Eftersom huvuddimensionerna, speciellt djupgången, var större än i Turellaoch Viking Saga-serierna, bestämde man sig för en skrovform som är en

FORUM 15/8 blandning mellan en konventionell tvåpropeller-skrovform och underslrömningsakter. Endast mindre modifikationer gjordes på basen av modelltestresultaten. Den = slutliga skrovformen visas i bild 2. Maskineffekten har också ökat från 17 650 kW till 23 000 kW, vilket betyder att en hel del uppmärksamhet måste fästas vid att uppnå ett så jämnt medströmsfält som möjligt. Det här kan uppnås med open stern-arrangemang med korta bossar och V-axelbärare. En vanlig serie modellförsök — genomfördes. Dessa omfattade motstånds-, propulsions-, strömlinje- och medströmsfältsmätningar. I projekteringsstadiet valdes en konventionell propeller, eftersom medströmsfältet verkade mycket jämnt, och en optimal diameter och lågt varvtal kunde uppnås. Men för att vara säker, beslöt man att kontrollera propellerinducerade tryckimpulser med en lagerpropeller i en vakuumförsökstank.

Nivån av tryckimpulserna var låg, endast på en punkt var tryckimpulserna över 300 kp/m2. De kalkylerade krafterna och momenten mot skrovet enligt uppmätta tryck var också mycket låga, den horisontala kraften ovanför båda propellrarna var endast ca 15 ton. Det här betyder all även vibrationsnivån blir låg.

Propulsionsverkningsgraden, ID, blev enligt modellförsöken 0,625 och Heickel-talet blev 2,10. Restmotståndsfaktorn var 1,62 x 10-3.

Ny skrovform

När man jämför de två nämnda skrovformerna med avseende å propulsion och vibrationer, märker man all godhetstalen går i kors, beroende på vilka faktorer som beaktas. Det betyder att den bästa lösningen ligger mellan dessa två alternativ.

När man löste problemen med twin skeg-skrovformen och när man utvecklade den konventionella tvåpropellerformen, analyserades nya idéer, och en ny skrovform utvecklades och modelltestades vid Wärtsilä Åbovarven.

Denna nya typ av skrovform, särskilt utvecklad för färjor med liten djupgån har samma = fördelar som twin skeg-skrovformen -— såsom bra stabilitet, hög propulsionsverkningsgrad då man använder propeller med stor diameter och lågt varvtal, 77p = ca 0,70 — men den har inte de nackdelar som twin skeg-skrovformen har. Den har ett jämnt medströmsfält, vilket betyder liten kavitation och små propellerinducerade skrovvibrationer och god manövreringsförmåga, eftersom skrovformen har endast centerskeg i akterskeppet.

Dessa två skrovformer, twin skeg och Wärtsilä-design kommer troligen att slå igenom i framliden, twin skegskrovformen i ro-ro-fartyg och mindre färjor, och Wärtsilä-design i större ro-ro-fartyg och färjor med hö maskineffekt. Au - . En allmän trend såväl i en- som tvåpropellerfartyg har tydligt varit mot allt större propellerdiameter och lägre varvtal, varvid man uppnår högre propulsionsverkningsgrad. Detta kan man uppnå genom alt använda olika skrovformer. I denna artikel har två olika skrovformer med hög = propulsionsverkningsgrad = beskrivits. Man bör dock beakta att olika alternativ på olika sätt påverkar fartygets andra viktiga egenskaper. Grundligt utvecklingsarbete samt modellförsök behövs.

Å andra sidan leder minskningen av totalmotståndet till en mindre energiförbrukning. Minimeringen av motståndet borde = börjas med en optimering av huvuddimensionerna, men härvid stöter man ofta på de krav som fartygets transportuppgift ställer. För att minimera fartygets restmotstånd kan olika åtgärder tillgripas: genom att forma fartygsskrovets föroch akterdel så att vågbildningen minimeras, eller genom att använda förbulb av riktig storlek och form. Dessa åtgärder kolliderar dock ofta med andra planeringskriterier. Man behöver alltså en verklig optimeringsförmåga och framförallt grundlig vetskap om vilken inverkan skrovformens grundparametrar har på fartygets totalmotstånd.

I ett land av Finlands storlek kräver detta ett samarbete mellan varven och forskningsanstalterna för att finna tillräckligt med resurser för grundundersökningar. Fartygstekniska laboratoriet vid Statens tekniska forskningscentral torde ha goda förutsättningar för detta arbete. Dessa resultat, förutom beställningsarbetenas, står till alla finländska varvs förfogande. Genom att utvidga STF:s andel kunde man minska på den grundforskning, som varven bedriver. Idag bedriver varje varv forskningsarbete självständigt och oberoende av varandra. Å andra sidan är varvens intresse och möjligheter att bedriva grundforskning begränsade, och på det här sättet blir mången god idé p g a resursbrister outforskad.

Markku Kanerva O 43