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MOPS

MOPS von Krüger,  Stefan
1. Einleitung und Struktur des Vorhabens 1.1. Grundsätzliches Das Ziel des Verbundprojekts MOPS war die Entwicklung und Bereitstellung von erprobten Simulationswerkzeugen für die Analyse von Offshore- und Polarsystemen sowie Operationen. Die neuen Simulationswerkzeuge sollen insbesondere den Grenzbereich zwischen der klassischen Schiffbaulichen Welt (schlanke Schiffskörper, Freimformflächen, nicht-lineare Hydrostatik) und der klassischen Offshore-Welt (stumpfe, zerklüftete Körper, nicht-lineare Kopplungen zwischen mehreren Körpern) abdecken. ...
Aktualisiert: 2020-07-01
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Modellierung von Abgasturboladern zur Berechnung des dynamischen Verhaltens von Schiffsmotoren

Modellierung von Abgasturboladern zur Berechnung des dynamischen Verhaltens von Schiffsmotoren von Panten,  Thilo
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell für die stationäre und dynamische Simulation von Abgasturboladern für Großmotoren entwickelt. Hierbei wird ein physikalischer Ansatz auf Basis der Stromfadentheorie verfolgt und durch die Entwicklung und Implementierung verschiedener Verlustmodelle erweitert. Durch das Modell kann das Betriebsverhalten von Radialverdichtern und Radial- sowie Axialturbinen prognostiziert werden. Weiterhin kann das entwickelte Modell dazu genutzt werden, Verdichter- und Turbinenkennfelder auf Basis einfacher Geometrieparameter zu erzeugen. Hierbei werden die Pump- und die Stopfgrenze in guter Näherung rechnerisch ermittelt. Im Rahmen einer ausführlichen Validierung wird die Qualität der Simulationsergebnisse dargestellt und diskutiert. Für die Validierung stehen sowohl die benötigten Geometrieparameter als auch die Verdichter- und Turbinenkennfelder für insgesamt drei verschiedene Abgasturbolader von zwei unterschiedlichen Herstellern zur Verfügung. Weiterhin konnten die Qualität und Quantität der Berechnung des dynamischen Verhaltens aufgezeigt werden. Hierzu wird auf gemessene bzw. mit Hilfe eines kalibrierten Modells erzeugte Datensätze von zwei unterschiedlichen Turboladerherstellern zurückgegriffen. Mit Hilfe des Simulationsmodells können in kurzer Zeit Verdichter- und Turbinenkennfelder mit einer für die Vorauslegung ausreichenden Genauigkeit abgebildet werden. Die Abweichungen von den zur Validierung herangezogenen Vergleichswerten liegt in weiten Teilen im einstelligen Prozentbereich. Hierbei treten die größten Unsicherheiten bei der exakten Bestimmung der Pumpgrenze auf. Die Validierung des Simulationsmodells für die dynamische Simulation zeigt, dass das Modell geeignet ist, um die Maschinendynamik im Rahmen einer Gesamtsystemsimulation abzubilden. Die größten Abweichungen zu den Validierungsdaten betragen selten mehr als 10 %. Diese treten insbesondere bei der Berechnung der Drehzahl und des Verdichtermassenstroms im Schwachlastbereich auf. Für die Weiterentwicklung des Modells wird empfohlen, den Ansatz zur Erfassung der Pumpgrenze weiterzuentwickeln, um die Genauigkeit der Berechnungen weiter zu erhöhen. Weiterhin wäre es wünschenswert, die aerodynamische Verblockung durch die Strömung und die Mischungsverluste betriebspunktabhängig zu erfassen. Hierzu müsste ein Zwei-Zonen-Modell auf Basis der Grenzschichttheorie erstellt werden, welches die Strömung innerhalb des Laufrades in eine Haupt- und eine Nebenströmung unterteilt und die Teilströmungen nach Verlassen des Laufrades wieder vereinigt.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Ein Beitrag zur lebenszyklusorientierten Bewertung von Umweltwirkungen und Kosten schiffstechnischer Energiesysteme mittels Simulation

Ein Beitrag zur lebenszyklusorientierten Bewertung von Umweltwirkungen und Kosten schiffstechnischer Energiesysteme mittels Simulation von Thiem,  Christoph
Einführung Die kommerzielle Schifffahrt befindet sich in einer herausfordernden Situation geprägt durch Kostendruck, stark schwankende Kraftstoffpreise und steigende Anforderungen an Umwelt und Klimaschutz. Es ist zu erwarten, dass die Vielfalt eingesetzter Kraftstoffe und Technologien sowie die Komplexität schiffstechnischer Energiesysteme - insbesondere für in Europa gebaute Schiffstypen - gegenüber heutigen Anlagen zunehmen werden. Beispielhaft seien an dieser Stelle die folgenden aktuellen Entwicklungen und Perspektiven genannt: – Integration von Abgasnachbehandlungssystemen [3, 169, 277], z. B. zur Einhaltung von Schwefeloxidemissionsgrenzwerten im Schwerölbetrieb [107, 255, 285] oder der Reduktion von Stickoxidemissionen [205, 342, 346] und Partikelemission [68, 217, 387], – Einbindung von Abwärmerückgewinnungsanlagen zur Erzeugung elektrischer Energie und Reduzierung des Dieselgeneratoreinsatzes [33, 296, 339, 437], – Hybridisierung des Schiffsantriebes, etwa durch den Einsatz von Batterien sowie von PTI/PTO-Konzepten, und Ausnutzung gestiegener Freiheitsgrade bezüglich der Fahrweise der Anlage [97, 145, 148, 494], – Substitution von Dieselmotoren durch Brennstoffzellen zur Reduzierung betriebsbedingter Schadstoffemissionen [262, 449, 470, 483], – Einsatz alternativer Kraftstoffe [74, 96, 310] wie LNG [61, 89, 98, 347] oder Methanol [13, 268, 113, 418] zur Erfüllung von Umweltschutzzielen ohne Abgasnachbehandlung, – Verwendung von Landstrom und Energiespeichern zur Vermeidung von Abgasemissionen im Hafen [27, 491, 506]. Mit den wachsenden Möglichkeiten steigen auch die Anforderungen an Methoden und Werkzeuge für den Entwurf und die Bewertung schiffstechnischer Energiesysteme. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts JOULES (Joint Operation for Ultra Low Emission Shipping) wurden hierzu umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, welche sich im Wesentlichen in drei Bereiche einteilen lassen [329]: 1. Aufbau einer Modellbibliothek und numerische Simulation von schiffstechnischen Energiesystemen zur Verbesserung des Zusammenwirkens einzelner Komponenten, 2. Ermittlung der durch die Bereitstellung von Betriebsstoffen und Komponenten verursachten Energieverbräuche und Emissionen sowie Abschätzung derer Bedeutung für die 2 1 Einführung Gesamtumweltwirkung von Schiffen, 3. Erarbeitung von Schätzwerten und Prognosen für Komponenten- und Betriebsstoffkosten zur Lebenszykluskostenanalyse verschiedener Systemvarianten. Auf dieser Basis wurden Konzepte für die Energieversorgung von in Europa gebauten Schiffstypen wie RoPax-Fähren, Kreuzfahrtschiffen und Offshore-Versorgern entwickelt, welche auf eine Reduktion schifffahrtsbedingter Luftemissionen abzielen. Im Rahmen des JOULESProjekts erarbeitete Ergebnisse bilden die Grundlage für diese Arbeit.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Schwingfestigkeit von Laserstichnähten an schiffbaulichen Konstruktionen unter mehrachsiger Belastung

Schwingfestigkeit von Laserstichnähten an schiffbaulichen Konstruktionen unter mehrachsiger Belastung von Robert,  Christoph
Mit der heute zur Verfügung stehenden Laserschweißtechnik und -leistung können auch dickere, schiffbautypische Stahlbleche mit einer ausreichenden Anbindungsbreite durch Stichnähte ersetzt werden. Noch gibt es jedoch nur wenige Untersuchungen und Versuche zum Schwingfestigkeitsverhalten der Stichnähte und auch in den Vorschriften, Richtlinien und Normen sind diese noch nicht verankert. Vor allem Versuche und Bewertungen unter Schub und mehrachsigen Belastungen aus Schub- und Achsialspannung fehlen für die Stichnähte an dicken Platten. In der vorliegenden Arbeit wurden deshalb Schwingfestigkeitsversuche an Laserstichnähten in 10 mm dicken Deckblechen auf 8 mm dicken Stegen unter den Belastungen der Achsialspannung in Stegrichtung, des Schubes in Stichnahtlängsrichtung sowie unter einer kombinierten phasengleichen Belastung aus gleich großer Axial- und Schub-spannung durchgeführt. Die Axialspannungs-Versuche wurden auf Resonenanzpulsern an Kreuzstoß-Proben, die die Stichnaht enthielten, durchgeführt. Für die Schubversuche wurden mit der Stichnaht Deckbleche auf Rohrproben geschweißt. Mit einem aufwendig entwickelten Versuchstand, welcher über einen gelagerten Dreieckhebel und Zug-/Druckstangen ein Torsionsmoment auf die Rohorproben aufbrachte, konnte mit einem Hydraulik-zylinder eine konstante Schubspannung in die Stichnaht eingeleitet werden. Um die Mulitaxial-Versuche durchzufüheren, wurden Rohrproben zu doppelstöckigen Proben erweitert, sodass eine biegemomentfreie Überlagerung der Schub- und Axialspannung in der Stichnaht gewährleistet war. Der Versuchstand wurde um einen weiteren Hydraulikzylinder ergänzt, welcher eine vertikal angreifende Kraft auf die Probe aufbrachte. Die Versuchsergebnisse wurden anschließend mit dem Nennspannungskonzept, sowie lokalen Schwingfestigkeitswerten wie der Kerbspannung und dem Spannungsintensi-tätsfaktor ausgewertet. Zur Beurteilung der Multiaxialität wurden neben Vergleichs-spannungen auch Interaktionskurven und die "Modified Wöhler Curve Method" angewendet und für die Stichnähte überprüft. Um alle untersuchten Belastungsarten mit einer Master-Wöhlerlinie bewerten zu können, wurden etwaige Vergleichswerte für die Verwendung an den Laserstichnähten optimiert. Des Weiteren wurden Zusammenhänge und Möglichkeiten zur Beschreibung und Abschätzung der verschiedenen Wöhlerlinienneigungen gesucht. Neben dem Spannungsgradienten vor der Kerbe wurden Funktionen mit dem eingeführten Parameter des Schubbelas-tungsgrades ausfindig gemacht, sodass für unterschiedliche Belastungskombina-tionen die Wöhlerlinienneigungen und -referenzwerte berechnet werden können. Somit wurde eine Grundlage zur sicheren Schwingfestigkeitsauslegung von Laserstichnähten gelegt.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Ein ganzheitliches Entwurfsverfahren für die Konzeptionierung der Stahlstruktur von RoRo-Fahrgastschiffen

Ein ganzheitliches Entwurfsverfahren für die Konzeptionierung der Stahlstruktur von RoRo-Fahrgastschiffen von Rox,  Nicolas
Entwurfsentscheidungen, die in einer frühen Phase des Schiffsentwurfs getroffen werden, haben einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität des gesamten Entwurfs. Das beschriebene Entwurfsverfahren für RoRo-Fahrgastschiffe vereint relevante Methoden aus Schiffs- und Strukturentwurf zu einem durchgängigen Verfahren. Dies ermöglicht die schnelle Erstellung eines ganzheitlichen Strukturkonzepts sowie die Variation und Optimierung aller beteiligten Parameter.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Abschlussbericht-Hochseeoperationen mit Kranen-Teilvorhaben:Dynamische Simulation von Kranvorgängen unter realistischen Umweltbedingungen

Abschlussbericht-Hochseeoperationen mit Kranen-Teilvorhaben:Dynamische Simulation von Kranvorgängen unter realistischen Umweltbedingungen von Hatecke,  Hannes, Krüger,  Stefan
Bis zum Jahr 2020 sollen in Deutschland ca. 2000 WEAs in der Nordsee in installiert und in Betrieb genommen werden. Die Errichtung dieser Anlagen stellt besondere Anforderungen an die dafür nötigen Aufstellschiffe. Um den Besonderheiten bei Kranoperationen im Offshore-Windmarkt zu begegnen, haben die Projektpartner im Rahmen dieses Vorhabens Softwarewerkzeuge zum Entwurf von Kranschiffen sowie zur Planung und Sicherheits Überprüfung von Kranoperationen im ffshore-Bereich entwickelt. Die Werkzeuge sind in die schiffstechnische Entwurfsplattform E4SESIS eingebunden worden. Durch den Einsatz dieses optimierten Produktentwicklungswerkzeuges werden schiffstechnische Konstruktionsbüros und Werften aus Deutschland in die Lage versetzt, innovativere Spezialkranschiffe zu projektieren, zu entwickeln und zu bauen. Es hat sich während der Durchführung des Vorhabens gezeigt, dass viele der entwickelten Verfahren bereits im laufenden Geschäft eingesetzt werden konnten.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Abschlussbericht DyPos – Entwicklung einer Methodensammlung zur Bewertung von Positionier- und Anlegevorgängen

Abschlussbericht DyPos – Entwicklung einer Methodensammlung zur Bewertung von Positionier- und Anlegevorgängen von Krüger,  Stefan, Lübcke,  Adele, Zapp,  Irene
Kurzbeschreibung Im Vorhaben DyPos wird eine Methodensammlung zur Bewertung von Postitionier- und Anlegevorgängen entwickelt. Es werden Berechnungsmethoden für Wind- und Wellen-lasten sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich hergeleitet. Dies ermöglicht neben einer statischen Analyse auch erstmals die dynamische Betrachtung des Dynamischen Positionierens, bei der neben einer Zeitbetrachtung der äußeren Kräfte auch die Charakteristik der Maschinenanlage modelliert wird. Für die Bestimmung der Querwi-derstandsbeiwerte werden einzelne Spanten mithilfe eines RANSE-Lösers untersucht. Der Zusammenhang zwischen dem Flächenverhältnis des Spants und dem Querwider-standsbeiwert wird untersucht. Dadurch kann der für DP-Manöver wichtige Querwiderstand eines Schffes deutlich genauer abgeschätzt werden. Auf der Basis der aktuellen Klassifikationsvorschriften wird die DP Fähigkeit verschiedener Schiffstypen bewertet sowie die entwickelten Methoden mit Modellver-suchen validiert. Dabei werden Aussagen getroffen welche Antriebskonzepte die beste Leistungsfähigkeit für DP-Manöver bieten und welche Erweiterungen bestehender Propulsionskonzepte sich zu einer Steigerung der DP Fähigkeit eignen. Neben klassischen Zweischrauber-Anordnungen mit zusätzlichen Bug- und Heckstrahlern werden die Methoden für die Betrachtung von Azimuthantrieben unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen erweitert. Der Einfluss von seitlich beschränktem Gewässer auf das Propulsionssystem wird aufgrund seiner Bedeutung bei Anlegevorgängen mithilfe von Modellversuchen untersucht und die Erkenntnisse in die Entwurfsmethodendatenbank implementiert.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Betriebsfestigkeit von Dünnblech-Montagestößen mit werftüblichen Imperfektionen im Schiffbau

Betriebsfestigkeit von Dünnblech-Montagestößen mit werftüblichen Imperfektionen im Schiffbau von Eggert,  Lars
Im Schiffbau treten verstärkt Forderungen nach gewichtsoptimierten Konstruktionen in den Vordergrund. Die Gründe hierfür sind eindeutig: Zum einen ist es möglich, bei gleichbleibenden Deplacement mehr Ladung aufzunehmen oder bei ausrüstungsintensiven Schiffen mehr gewichtsintensive Ausrüstung und Einrichtung installieren zu können. Außerdem kann durch eine gewichtsoptimierte Konstruktion die Stabilitätssituation verbessert werden, was eine höhere Flexibilität bei der Wahl der Schiffsbreite und der Schiffslinien und damit auch der vorzusehenden Antriebsleistung bedeutet. Da der Strukturanteil eines ausrüstungsintensiven Schiffes wie z.B. eines Marineschiffes, Passagierschiffes oder einer großen Yacht mit ca. 35-40 % den größten Anteil am Gesamtgewicht ausmacht, liegt es auf der Hand, dass das Einsparpotenzial in den Baugruppen der Schiffstruktur aus absoluter Sicht am höchsten ist. So können durch geschickte Verbesserungen dreistellige Tonnenzahlen an Gewichtseinsparung erzielt werden. Dabei müssen selbstverständlich die an die Schiffstruktur gestellten Forderungen nach Grenztragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit erfüllt werden. So werden im Wechselspiel zwischen Konstruktion und Dimensionierung auftretende Beanspruchungen den Beanspruchbarkeiten gegenübergestellt. Dabei kommen vier Kriterien zum Tragen: Im Vordergrund steht, dass die Struktur global oder lokal wirkenden (quasi-) statischen Einwirkungen standhalten muss. Ein zweites Kriterium ist die ausreichende Dimensionierung gegen Stabilitätsversagen druckbeanspruchter Bauteile, welches insbesondere bei Dünnblechkonstruktionen entscheidend sein kann. Weiterhin ist die Schiffstruktur für eine ausreichende Betriebsfestigkeit zu dimensionieren, um Risse bei wechselnder Beanspruchung, wie sie z.B. im Seegang auftritt, zu vermeiden. Eine weitere, dimensionierungsrelevante Größe ist die Forderung nach Vibrations- und Geräuscharmut, die insbesondere bei Marine- und Passagierschiffen sowie bei Yachten zum Tragen kommt. Diese Kriterien sind durch entsprechende Vorgaben der Bemessungsregelwerke beschrieben [1], [2], [3], wobei die Auftraggeber oftmals noch schärfere Kriterien fordern oder die Werft aus eigenen Qualitätsansprüchen die Forderungen der Regelwerke übererfüllen möchte. Bei der Optimierung der schiffbaulichen Struktur sollte diese idealerweise so konfiguriert werden, dass mit der gewählten Dimensionierung alle Forderungen gleichzeitig gerade erfüllt werden. Aus diesem Grund ist eine pauschale Angabe anzusetzender Maßnahmen zur Strukturgewichtsoptimierung nicht möglich. Es muss vielmehr ermittelt werden, welches Dimensionierungskriterium in welchen Bereichen der Struktur zum Tragen kommt und mit welchen Maßnahmen eine Optimierung hinsichtlich dieses Kriteriums möglich ist. Eine verbreitete Möglichkeit, das Strukturgewicht zu optimieren ist die Verwendung von Materialien höherer Festigkeit. So werden zum Beispiel Stähle mit Nennstreckgrenzen von 690 MPa und darüber angeboten. Diese können im Schiffbau bei einer dimensionierungsrelevanten Beulund Betriebsfestigkeit oder der Forderung nach Vibrations- und Geräuscharmut nicht grenzenlos eingesetzt werden. Es hat jedoch insbesondere beim Bau von Marineschiffen die schiffsweite Verwendung von höherfesten Schiffbaustählen mit einer Nennstreckgrenze von 355 MPa, in Teilbereichen bis zu 400 MPa, Einzug gefunden. Diese ermöglicht bei Schiffsgrößen von ca. 80 m auch in der oberen Gurtung eine Verwendung von Blechdicken hinab bis hin zu 4 mm. Als Ergebnis der Konstruktion bzw. Dimensionierung werden diese Dünnblechstrukturen zunächst in ihrem idealen Zustand dargestellt. Diese Darstellung erfolgt im Zuge der Entwicklung auch aus Gründen der räumlichen Koordinierung und der Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Disziplinen der schiffbaulichen Entwicklung meist zuerst in einem dreidimensionalen Geometriemodell, welches für den Bau der Strukturen in zweidimensionale Zeichnungen heruntergebrochen wird [4]. Verschiedene Einflüsse während der Fertigung führen dazu, dass sich das gebaute Produkt vom konstruierten Modell unterscheidet. Diese Abweichungen werden als Imperfektionen bezeichnet. Dabei unterscheidet man zwischen Abweichungen hinsichtlich der äußeren Geometrie, also geometrischen Imperfektionen, und Abweichungen des inneren Zustandes, also inneren Imperfektionen [5]. Diese Abweichungen vom idealen Zustand treten in allen Stufen des Fertigungsprozesses auf und sind meist durch thermische Einflüsse beim Trennen und Fügen begründet. Auch schon während der Herstellung der Halbzeuge wie Platten und Profile und während des Transportes im Fertigungsprozess entstehen Imperfektionen. Weitere Imperfektionen treten beim Betrieb der Produkte auf, die durch Verschleiß und hier insbesondere durch Korrosion begründet sind. Fertigungstoleranzen für geometrische Imperfektionen sind in den Regelwerken für die schiffbauliche Fertigung vorgegeben [6], [7]. Hinsichtlich der Dimensionierung der zu bauenden Strukturen werden Imperfektionen in der Art berücksichtigt, dass ihre Auswirkungen auf Festigkeit und Steifigkeit in den Regelwerken berücksichtigt werden. Dies kann in sicherheitsbehafteten Bemessungskonzepten durch die Wahl entsprechender Teilsicherheitsfaktoren [8] oder durch das Zugrundelegen bestimmter Imperfektionsansätze erfolgen. Dabei werden für die unterschiedlichen Bemessungskriterien verschiedene Ansätze verfolgt: Bei der Bemessung nach (quasi-) statischen Kriterien, also der Dimensionierung für eine hohe Beanspruchbarkeit, sind spannungserhöhende Anteile pauschal in den Teilsicherheitsfaktoren enthalten, siehe hierzu auch [8]. Bei der Bemessung gegen Kriterien der Beulfestigkeit sind zusätzlich Imperfektionen durch Ansätze für Vorverformungen enthalten, die in Ihrem Verlauf und ihrer Amplitude vorher festgelegt sind. Die Amplitude betreffend sind Regelwerke vorhanden, die dem Anwender hinsichtlich der zu erwartenden Fertigungsqualität eine gewisse Flexibilität bei der Dimensionierung erlauben, z.B. [1], [9], [10]. Auch bei der in dieser Arbeit im Fokus stehenden Bemessung nach Betriebsfestigkeitskriterien werden die Imperfektionen bei den Beanspruchbarkeiten berücksichtigt. Dabei werden verschiedene Konzepte zur Nachweisführung angeboten. Bei Anwendung örtlicher Konzepte wie Struktur- oder Kerbspannungskonzept können Imperfektionen bei der Ermittlung der auftretenden Spannung direkt in den Berechnungsmodellen berücksichtigt werden. Da diese Berechnungsmodelle jedoch mit einem hohen Aufwand zur Ermittlung der Beanspruchbarkeit verbunden sind, wird seitens der Werften das Nennspannungskonzept zur Beurteilung der Betriebsfestigkeit favorisiert. Die auftretende Beanspruchung in Form von Nennspannungen wird an der ideal ebenen Struktur ermittelt. Spannungserhöhungen durch Imperfektionen sind pauschal in der anzusetzenden Referenzspannungsschwingbreite der FAT-Klasse berücksichtigt, die zulässige Spannungsschwingbreite ist also entsprechend abgemindert [11]. In der Vergangenheit hat sich gezeigt, dass die an Stumpfstößen schiffbaulicher Dünnblechkonstruktionen auftretenden Imperfektionen das pauschal berücksichtigte Maß beim Nennspannungskonzept massiv überschreiten können, was erstmals an einem konkreten Anwendungsfall festgestellt wurde. Dies führte im Schiffbau zu einer Unsicherheit hinsichtlich der Dimensionierung nach dem Nennspannungskonzept, die in dieser Arbeit aufgeklärt werden soll. So ist es das Ziel dieser Arbeit, die wesentlichen geometrischen Imperfektionen für eine sichere und gewichtsoptimierte Dimensionierung nach dem Nennspannungskonzept zu erfassen.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Entwicklung vereinfachter Methoden zur Vorhersage des Versagensquerschnitts beri Propellerflügeln unter Einzellast

Entwicklung vereinfachter Methoden zur Vorhersage des Versagensquerschnitts beri Propellerflügeln unter Einzellast von Fischer,  C, Fricke,  W
Kurzfassung Aufgrund eines Lastfalls, der in den aktuellen Bauvorschriften für Schiffe mit Eisverstärkung definiert ist, werden die Propeller größer dimensioniert als in der Vergangenheit und als sich aus Erfahrungswerten ergeben würde, die von Herstellern auf Basis von erfolgreich betriebenen Schiffen resultieren. Beobachtungen in aktuellen Traglastversuchen zeigen, dass die größere Dimensionierung nicht zwingend notwendig und einem zu sehr vereinfachten Ansatz in den Bauvorschriften hinsichtlich des Torsionsmoments um die Flügeldrehachse geschuldet ist. Propellerflügel sind komplexe dreidimensionale Körper mit stark variierenden Querschnitten. Deren Traglastverhalten hängt von der Art und der Position der Belastung ab und wurde bisher wenig systematisch untersucht, weil die größeren Unsicherheiten auf der Lastseite wegen der nicht-linearen Eigenschaften von Eis liegen. Die maximal vom Flügel ertragbaren Belastungen können zwar mittels numerischer elastisch-plastischer Simulationen abgeschätzt werden, aber dieser Ansatz ist für den frühen Entwurfsprozess ungeeignet, weil er sehr zeitaufwändig ist und u.a. die Werkstoffeigenschaften unbekannt sind. Deshalb sind vereinfachte Methoden, die das Traglastverhalten sowie das Torsionsmoment realitätsnaher abschätzen, für eine wirtschaftliche und effiziente Dimensionierung von Interesse. Der vorliegende Bericht beschreibt durchgeführte Voruntersuchungen und zwei daraus entwickelten Methoden. Zunächst werden mögliche vereinfachte Werkstoffkurven, die für den Entwurfsprozess geeignet und allgemeingültig erscheinen, diskutiert und vereinfachte numerische Berechnungen über das Traglastverhalten von Propellerflügeln vorgestellt. Hierbei zeigte sich, dass sich der Grenzzustand eines vollplastischen Querschnitts wie erwartet ausbildet, allerdings die Tragfähigkeit dicker gedrungener Körper nicht durch überlagerte Belastungen reduziert wird – im Gegensatz zu typischen Tragwerken im Bauwesen. Für die erste entwickelte Methode wurden Traglastdiagramme in Abhängigkeit der Lage der angreifenden Belastung numerisch erstellt. Die zweite Methode erfordert lediglich elastische numerische Berechnungen, in denen ebenfalls der Kraftangriffspunkt variiert wird, und die analytische elastisch-plastische Spannungsverteilung über den versagenden Querschnitt zu erhalten. Dieser Querschnitt deutet sich in den Simulationen durch das lokale Auftreten von hohen Spannungen an und wird durch den Vergleich von individuellen Tragfähigkeiten verschiedener möglicher Querschnitte auf Grundlage der Spannungsverteilung und des relevanten Hebelarms identifiziert. Beide Methoden bilden das Traglastverhalten von Propellerflügeln inklusive lokal versagender Querschnitte realitätsnaher ab, sodass das maximal aufnehmbare Torsionsmoment gegenüber den aktuellen Bauvorschriften deutlich reduziert wird.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Reduzierung der Wirkungsgradverluste des Propellerstrahls im Nabenbereich

Reduzierung der Wirkungsgradverluste des Propellerstrahls im Nabenbereich von Druckenbrod,  M.
Seit seiner Erfindung hat der Schiffspropeller eine beeindruckende Erfolgsgeschichte durchlebt. Heute werden nahezu alle seegehenden Handelsschiffe mit Propellern angetrieben. Aber auch ein Großteil der alternativen Antriebskonzepte basiert auf dessen Wirkprinzip. Schiffspropeller sind auf einer Propellerwelle montiert und werden über diese angetrieben. Hinter dem Propeller ist an der Propellerwelle eine sog. Ablaufhaube montiert. Die vom Schiffspropeller generierte und auf das Schiff übertragene Vortriebskraft wird mit Hilfe der Auftriebswirkung der Propellerflügel erzeugt. Befndet sich ein Propeller in Betrieb, so bildet sich eine Umströmung von Propeller und Ablaufhaube aus, die von komplexen Wirbelstrukturen geprägt ist. Diese beinhaltet unter anderem auch den Nabenwirbel, der im Fokus der vorliegenden Arbeit steht. Eine bedeutende Vorraussetzung für den kommerziellen Erfolg des Propellers für den Antrieb von Schiffen war die Herausforderung, diesen einfach und gleichzeitig günstig montieren zu können. Für Festpropeller hat sich hierbei das Vorgehen durchgesetzt, dass dieser zunächst über eine Presspassung auf die Propellerwelle aufgebracht wird. Anschließend wird er mit Hilfe einer Mutter auf der Welle fixiert. Zum Schutz der Mutter wird über diese die mit Fett gefüllte Ablaufhaube gestülpt und über Bohrungen am Propeller mit Schrauben befestigt. Der Ablaufhaube eines Festpropellers kommt somit primär die Funktion zu, die Mutter der Propellerwelle vor Bewuchs und Verschleiß zu schützen, um gewährleisten zu können, dass diese jederzeit abgenommen werden kann. Bei einer Verstellpropelleranlage befindet sich in der Propellernabe die Mechanik für die Verstellung der Propellerflügelposition, welche mit der Ablaufhaube nach außen verschlossen wird. Für Wartungen oder Reparaturen steht ausschließlich über die Ablaufhaube ein Zugang zur Verstellmechanik zur Verfügung. Bei einer Verstellpropelleranlage schützt die Ablaufhaube somit auch die Verstellmechanik der Propellerflügel. Die Geometrie der Ablaufhauben unterteilt sich in Abhängigkeit der unterschiedlichen Geometriekonzepte in verschiedene Teilelemente. Im einfachsten Fall beschränkt sich die Geometrie auf einen rotationssymmetrischen Körper. Auf diesem Grundkörper aufbauend kann die Geometrie um verschiedene zusätzliche Elemente erweitert werden, woraus dann mehrteilige Ablaufhauben entstehen. Aus der Vielzahl an denkbaren Geometrien für eine rotationssymmetrische Grundgeometrie werden nur wenige verwendet. Eine schon sehr lange verbaute Form ist die konisch zulaufende oder kankave Geometrie. Diese Variante wird im Folgenden auch CON genannt. Sie fand schon Ende des 19./ Anfang der 20. Jahrhunderts Verwendung, wie die Abbildungen 1 und 2 der Propellerablaufhauben der Passagierschiffe RMS Lusitania oder auch RMS Titanic auf den folgenden Seiten zeigen. Eine sehr extreme Variante dieser Geometrieform fand bei dem ersten Turbinenboot Turbinia Verwendung (vgl. Abb. 3). In jüngerer Zeit wird auch eine divergente Form DIV häufig verwendet (vgl. Abb. 4). Die beiden Formen CON und DIV können natürlich auch miteinander kombiniert werden. In diesem Fall erhält man eine zunächst konkave und anschließend divergente Form, die im Folgenden auch CONDIV genannt wird. Letztere wurde von ABDEL-MAKSOUD et 10. Die rotationssymmetrischen Grundkörper können auch um zusätzliche Komponenten erweitert werden. Hierbei handelt es sich um gekrummte oder gewolbte Platten. Dieses Konzept wurde 1987 von einem Konsortium bestehend aus drei Unternehmen (Mitsui O.S.K. Lines Ltd., West Japan Fluid Engineering Laboratory Co. Ltd und Mikado Propeller Co. Ltd) als Patent angemeldet und seither als Propeller Boss Cap Fins PBCF kommerziell vermarktet (siehe N. N. [75]). Im Jahre 2000 wurden die Verkaufsaktivitäten schließlich an MOL Techno Trade Ltd. übertragen. Abbildung 5 zeigt eine solche Ablaufhaube mit Haubenflossen. Im Jahre 2007 ist nach 20 Jahren das Patent ausgelaufen. Seither sind verschiedene Wettbewerber bestrebt, das Haubenflossenkonzept ebenfalls anbieten zu können. Dazu zählt unter anderem das deutsche Unternehmen Mecklenburger Metallguss GmbH MMG (vgl. Abb. 6 und 7). Eine komplexere Stufe ist die Integration von weiteren Elementen wie beispielsweise profillierten Tragflügeln. Ein solches Konzept wird von der SVA (Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH) entworfen sowie untersucht und ist Abbildung 8 zu entnehmen. Zu Beginn der Einleitung in Abschnitt 2.1 wird die Motivation für die Themenstellung der Dissertation vorgestellt und es werden in Abschnitt 2.2 das Forschungsthema sowie das verfolgte Konzept vorgestellt. In Abschnitt 2.3 wird schließlich ein Überblick über den Aufbau der vorliegenden Dissertation gegeben.
Aktualisiert: 2020-07-01
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