Projektovanje broda
Nemanja Šurbatović

Projektovanje broda
PROPULZIJA BRODA
Za brod čije su karakteristike:
L
L
VL
PP
B
T
=148.48 m
=145 m
=24.84 m
=8.28 m
V ( ∇ ) = 19736.4 m3
D (

) = 20290 t v
P e
= 17.5 kn
= 5280 kW
C
B
(

) = 0.6638
C
P
(

) = 0.6766
C
WP
(

) = 0.787
E =3.32 m

S
= 0.98
F n
= 0.237

R
=1.05
LCB (x
F
) = -1.54 m
LCB (x
F
) = -1.06 % odrediti karakteristike optimalnog četvorokrilnog propelera "B" serije i iz kataloga proizvodjača brodskih motora izabrati glavni pogonski motor.
Postupak proračuna sprovesti na sledeći način:

Primenom empirijskih preporuka, proceniti vrednosti koeficijenata sustrujanja i koeficijenata smanjenog potiska.
 Na osnovu maksimalnog prečnika propelera (koji se može ugraditi), pri plovidbi broda u realnim uslovima, izračunati potrebnu snagu motora i potreban broj obrtaja.
 Usvojiti glavni pogonski motor, pri čemu za rezervu snage treba predvideti 10-15%.
 Odrediti konačne karakteristike optimalnog propelera.

Proveriti postignute karakteristike propulzivnog sistema i nacrtati prognozni dijagram.
Pri proračunu voditi računa da ne dođe do pojave kavitacije.
Ostali potrebni podaci:
η s
= 0.96-0.99 - gubici u vratilu
η
R
= 1.0 - 1.1 - koeficijent prelaza p v
= 1.75 kPa - pritisak zasićene vodene pare
Nemanja Šurbatović 1

Projektovanje broda
Na osnovu forme krmenog dela broda i preporuka klasifikacionog društva Lloyd's Register, za čiju klasu se i projektuje brod, procenjujemo maksimalni prečnik propelera koji se može ugraditi. a = 0.08·D = 0.528m b = 0.15·D = 0.99m c = 0.08·D = 0.528m
Kroz nekoliko iteracija dolazimo do maksimalnog
prečnika propelera D max
= 6.6m
Nemanja Šurbatović 2

Projektovanje broda
Brod se kroz vodu kreće određenom brzinom V, ali propeler, iako se kreće zajedno sa brodom, ne napreduje kroz vodu istom tom brzinom. Usled efekata viskoznosti brod za sobom vuče određenu količinu vode. Propeler se nalazi upravo u toj struji vode koju brod vuče za sobom. Zbog toga je relativna brzina kretanja propelera kroz vodu manja od brzine kretanja broda. Ovu razliku u brzini uzimamo u obzir preko koeficijenta sustrujanja. Koeficijent sustrujanja se određuje eksperimentalnim putem, ali postoje i približni empirijski obrasci zasnovani na velikom broju eksperimentalnih ispitivanja.
Koeficijent sustrujanja ćemo dobiti kao srednju vrednost koeficijenata sustrujanja dobijenih upotrebom nekoliko empirijskih obrazaca. Ukoliko upotrebom neke od metoda dođe do značajnog odstupanja vrednosti u odnosu na druge metode, tu metodu ćemo zanemariti. Brzinu napredovanja propelera dobijamo sledećim obrascem:
𝑉
𝐴
= 𝑉 ∙ (1 − 𝑤)
Metoda
Taylor (1910)
Taylor (1923)
Robertson
Obrazac za proračun koeficijenta sustrujanja
0.5 ∙ 𝐶
𝐵
− 0.05
0.5* 𝐶
𝐵
− 0.1
0.45 ∙ 𝐶
𝑃
− 0.05
Schiffbaukalender
S&S Record
Gill
Bragg
Harvald
0.75 ∙ 𝐶
𝐵
− 0.24
𝐶 3
𝑃
1 + 𝐶 3
𝑃
0.67 ∙ 𝐶
𝐵
− 0.15
Očitano sa dijagrama w = w' + w1 + w2 + w3 (vrednosti očitane sa dijagrama)
Nemanja Šurbatović 3

Projektovanje broda
Koeficijent sustrujanja - w
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1 2 3 4 5 6 7 8
Sa dijagrama vidimo da ne dolazi do značajnog odstupanja nijedne od metoda, pa sve dobijene vrednosti uzimamo u obzir. Za vrednost koeficijenta sustrujanja usvajamo srednju vrednost dobijenih rezultata: w=
∑ 𝑀𝑒𝑡𝑜𝑑𝑎 n metoda
=0.265
Odatle sledi da je brzina napredovanja propelera, odnosno brzina kojom voda dostrujava propeleru:
𝑉
𝐴
= 𝑉 ∙ (1 − 𝑤) = 6.618 𝑚/𝑠
Svojim radom propeler stvara polje potpritiska iza broda i na taj način povećava otpor broda. To znači da je za postizanje zahtevane brzine potrebna nešto veća sila potiska od otpora broda izmerenog u bazenu. Tu razliku određujemo pomoću koeficijenta smanjenog potiska.
Koeficijent smanjenog potiska se može dobiti kao relativna razlika između otpora broda (R
TM
) dobijenog vučenjem modela kroz bazen i potiska (T
M
) potrebnog za ostvarivanje zahtevane brzine u testu autopropulzije. 𝑡 =
𝑇
𝑀
− 𝑅
𝑇𝑀
𝑇
𝑀
Za izbor optimalnog propelera nam je potrebna vrednost koeficijenta smanjenog potiska, a bez precizno definisanog propelera ne možemo izvršiti test autopropulzije. Zbog toga u ovoj fazi projektovanja koristimo empirijske preporuke za određivanje koeficijenta smanjenog potiska zasnovane na velikom broju eksperimentalnih ispitivanja.
Nemanja Šurbatović 4

Projektovanje broda
Metoda
Taylor (1923)
Schiffbaukakender*
Alferijev
Obrazac za proračun koeficijenta smanjenog potiska
0.3 ∙ 𝐶
𝐵
2
3
∙ 𝑤 + 0.01
0.15 + 0.85 ∙ 𝑤 − 0.38 ∙ 𝐶
𝐵
∙ (1 − 𝑤)
Holtrop &
Menen (1984)
0.25014 ∙ (
𝐿
𝐵
𝑉𝐿
)
0.28956
∙ (
√𝐵 ∙ 𝑇
𝐷
)
0.2624
(1 − 𝐶 𝑝
+ 0.0225 ∙ 𝐿𝐶𝐵)
0.01762
+ 0.0015
∙ 𝐶
𝑆𝑇𝐸𝑅𝑁 t`+0.3
∙ (𝐸/𝑇 -0.4) Harvald
*koeficijent sustrujanja izračunat po obrascu istog autora
Koeficijent smanjenog potiska - t
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
1 2 3 4 5
Sa dijagrama vidimo da ne dolazi do značajnog odstupanja nijedne od metoda, pa sve dobijene vrednosti uzimamo u obzir. Za vrednost koeficijenta smanjenog potiska usvajamo srednju vrednost dobijenih rezultata: t=
∑ 𝑀𝑒𝑡𝑜𝑑𝑎 n metoda
=0.196
Nemanja Šurbatović 5

Projektovanje broda
Koeficijent prelaza određuje razliku između efikasnosti propelera u slobodnoj vožnji i propelera koji se nalazi iza broda, čime se remeti polje dostrujavanja vode propeleru. Na osnovu opšte preporuke za procenu vrednosti koeficijenta prelaza za jednopropelerne brodove (η
R
= 1.0 - 1.1) usvajam vrednost koeficijenta prelaza za dalji proračun:
η
R
= 1.05
Koeficijent η s predstavlja gubitke koji nastaju u vratilnom vodu. Preporuka za procenu ovog koeficijenta je da vrednost koeficijenta iznosi η s
= 0.96 - 0.99. Za dalji proračun usvajam
η s
= 0.98
Koeficijent uticaja trupa predstavlja odnos efektivne snage otpora i snage koju stvara propeler. Vrednost ovog koeficijenta se izračunava na osnovu vrednosti koeficijenata sustrujanja i smanjenog potiska. 𝜂
𝐻
1 − 𝑡
=
1 − 𝑤
= 1.094
Nemanja Šurbatović 6

Projektovanje broda
Iz dijagrama zavisnosti potrebne efektivne snage od brzine broda, očitavamo vrednost potrebne efektivne snage Pe za usvojenu brzinu broda u službi.
Očitana vrednost efektivne snage za brzinu od 17.5 čvorova iznosi:
Pe = 5280kW
Očitana vrednost je vrednost efektivne snage golog broda u bazenskim uslovima. Uticaj izdanaka uzimamo u obzir povećanjem efektivne snage za 3%, a uslove službe dodatnim povećanjem od 20%.
Peap = 1.03 ∙ Pe = 5438.4 kW
Peaps = 1.20 ∙ Peap = 6526.08 kW
Sada možemo izračunati potisak koji propeler mora da ostvari da bi brod, u realnim uslovima, mogao da postigne zahtevanu brzinu:
𝑇 =
𝑃 𝑒𝑎𝑝𝑠
𝑉 ∙ (1 − 𝑡)
= 901.351 𝑘𝑁
Da bismo odredili karakteristike optimalnog propelera potrebno je znati snagu i broj obrtaja motora, a da bismo odredili potreban motor moramo znati karakteristike propelera. Ovaj problem rešavamo iterativno tako što pretpostavimo vrednost kvazi-propulzivnog koeficijenta i za tu vrednost izračunamo vrednost snage predate propeleru. Svesni činjenice da možda nismo dobro pretpostavili kvazi-propulzivni koeficijent, a samim tim i predatu snagu, odredjujemo karakteristike optimalnog propelera za pretpostavljenu predatu snagu. Kada odredimo efikasnost optimalnog propelera u slobodnoj vožnji, možemo proveriti da li je pretpostavljena dobra vrednost kvazi-propulzivnog kompleksa, jer mora biti ispunjeno:
η
𝐷
= η
𝑅
∙ η
0
∙ η
𝐻
Ukoliko je relativna razlika dobijenog i pretpostavljenog kvazi-propulzivnog koeficijenta veća od 1%, pretpostavljamo novu vrednost kvazi-propulzivnog koeficijenta jednaku onoj koju smo dobili u prvoj iteraciji i ponovo sprovodimo proračun. Vršimo onoliko iteracija koliko je potrebno da dobijemo grešku manju od 1%.
Nemanja Šurbatović 7

Projektovanje broda
Vrednost kvazi-propulzivnog koeficijenta η
𝐷
treba pretpostaviti u rasponu η
𝐷
= 0.55 − 0.75
.
Iterativno dobijena vrednost je η
𝐷
= 0.714
Predata snaga u tom slučaju iznosi 𝑃
𝐷
=
𝑃 𝑒𝑎𝑝𝑠
= 9140.168 𝑘𝑊 𝜂
𝐷
Za određivanje karakteristika optimalnog propelera koristiću podatke o Vageningenškoj "B" seriji propelera.
Rezultati ispitivanja ove seriju predstavljeni su setom dijagrama za različite odnose površina Ae/Ao. Na dijagramima su predstavljeni odnos koraka i prečnika propelera P/D, recipročna vrednost koeficijenta napredovanja 1/J i stepen korisnog dejstva propelera η o
u zavisnosti od veličine 𝐾
1/4
𝑄
∙ 𝐽 −3/4
.
Vrednost 𝐾
1/4
𝑄
∙ 𝐽 −3/4
određujemo sledećim izrazom:
𝐾
1/4
𝑄
∙ 𝐽
−
3
4
= (
𝑃
𝐷
∙𝜂
𝑅
2∙𝜋∙𝜌∙𝐷 2 ∙𝑉
3 𝑎
)
1
4
= 0.59
Sa ovom vrednošću ulazimo u dijagrame za različite vrednosti Ae/Ao i očitavamo karakteristike
Idealnih propelera. Vrednost broja obrtija za svaki od odnosa Ae/Ao dobijamo pomoću izraza: 𝑛 =
𝑉 𝑎
𝐽∙𝐷
Na sledećoj strani su prikazana očitanja sa dijagrama.
Nemanja Šurbatović 8

Projektovanje broda
Tabelarni prikaz očitanih vrednosti:
Ae/Ao
[-]
0.4
1/J
[-]
1.568 n0
[-]
0.625
P/D
[-]
0.97
0.55
0.7 n n
[o/min] [o/s] nd stvarno razlika
[-] [%]
94.34264 1.57237727 0.7179156 0.548399
1.6 0.622 0.943 96.268 1.6044666 0.7144696 0.065767
1.551 0.617 0.97 93.31979 1.55532981 0.7087262 0.738621
Nemanja Šurbatović 9

Projektovanje broda
Zaključak je da je vrednost η
𝐷
dobro pretpostavljena. Svaki od propelera datih u ovoj tabeli može brodu obezbediti zahtevanu brzinu. Međutim, može se očekivati da će pri manjim odnosima Ae/Ao, koji odgovaraju vitkijim krilima, doći do pojave kavitacije. Potrebno je odrediti graničnu vrednost odnosa površina upotrebom približnih kriterijuma za procenu kavitacije. Potom usvajamo tako dobijeni odnos Ae/Ao i za njega linearnom interpolacijom računamo karakteristike optimalnog propelera.
Kriterijumi za procenu kavitacije, u zavisnosti od opterećenja propelera i njegovih geometrijskih karakteristika, dobijeni su na osnovu eksperimentalnih istraživanja. Da bismo bili na strani sigurnosti, u ovom projektnom zadatku ćemo izvršiti procenu kavitacije pomoću 3 kriterijuma: Kelerov, Barilov i
Šenherov.
Kelerov kriterijum:
Prema Kelerovom kriterijumu, do pojave kavitacije propelera neće doći ukoliko je odnos raširene površine i površine diska, čiji je prečnik jednak prečniku propelera, veći od:
𝐴
𝐸
𝐴
𝑂
≥
(1.3 + 0.3 ∙ 𝑧) ∙ 𝑇
(𝑝 𝑜
− 𝑝 𝑣
) ∙ 𝐷 2
+ 𝑘
gde su: z [-]
T [kN]
-broj krila propelera p o
[kPa] -ukupni pritisak na dubini na kojoj se nalazi osa propelera h v
[m] 𝑝 𝑜
= 𝑝 𝑎𝑡𝑚
+ 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ (𝑇 + ℎ 𝑣
-visina krmenog talasa (0.75% od Lvl)
− 𝐸)
E [m] -rastojanje od kobilice do ose propelera p v
[m]
D [m] k [-]
-potisak propelera
-pritisak zasićene vodene pare
-prečnik propelera
-stepen sigurnosti (0.2 za jednopropelerne brodove)
𝐴
𝐸
𝐴
𝑂
≥ 0.52
Nemanja Šurbatović 10

Projektovanje broda
Barilov kriterijum:
Barilov kriterijum je zasnovan na dijagramu u kom je data granična vrednost koeficijenta opterećenja propelera u zavisnosti od lokalnog kavitacionog broja na 0.7·D, pri kojoj se očekuje određeni nivo kavitacije.
Na dijagramu je dato više krivih u zavisnosti od tipa broda. Na apscisi dijagrama se nalazi srednji kavitacioni broj koji se izračunava na sledeći način: 𝜎
0.7𝑅
= 𝑝 𝑜
− 𝑝 𝑣
1
2
2 ∙ 𝜌 ∙ 𝑉 0.7𝑅 gde V
0.7R
predstavlja relativnu brzinu kojom voda dostrujava propeleru na radijusu 0.7·R i određuje se na sledeći način:
𝑉
0.7𝑅
= √𝑉
𝐴
2 + (0.7 ∙ 𝜋 ∙ 𝑛 ∙ 𝐷) 2
Iz dijagrama se može očitati koeficijent opterećenja broda τ c
. Odatle se može izračunati potrebna projektovana površina propelera A
P
, da ne bi došlo do pojave kavitacije, a potom se može izračunati potrebna razvijena površina propelera A
D
:
𝐴 𝑝
=
𝑇
1
2
∙𝜌∙𝜏 𝑐
∙𝑉
2
0.7𝑅
𝐴
𝐷
=
𝐴 𝑝
1.067−0.299∙𝑃/𝐷
Kako je vrednost razvijene površine propelera približno jednaka vrednosti raširene površine propelera
Ae, odavde sledi potreban odnos Ae/Ao.
Ae/A0
σ
0.7R
0.4 0.55 0.7
0.55506 0.53473 0.56633
V
τ
0.7R
C
A p
A
D
23.762 24.2097 23.5245
0.193 0.187 0.195
16.1389 16.0464 16.2976
19.1023 18.8548 19.2901
A
0
Ae/A0 granicno
34.2119 34.2119 34.2119
0.55835 0.55112 0.56384
Nemanja Šurbatović 11

Projektovanje broda
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.35
0.45
0.55
0.65
0.75
0.85
Sa dijagrama vidimo da se presek krivih nalazi na Ae/Ao = 0.55, što znači da propeleri sa Ae/Ao ≥ 0.55 neće kavitirati.
Šenherov kriterijum:
Prema Šenherovom kriterijumu, da bi se izbegla kavitacija, razvijena površina propelera ne bi trebaki da bude manja od:
𝐴
𝐷
>
𝐾
𝑇 𝑓 ∙ 𝑇 ∙ 𝐾
𝐶
∙ (𝑝
𝑆
− 𝑝 𝑣
) gde su: f [-]
T [kN]
-stepen sigurnosti
-potisak propelera
K
T p s
[kPa]
-koeficijent potiska propelera
-statički pritisak na vrhu krila koje se nalazi u gornjem položaju: 𝑝
𝑆
= 𝑝 𝑎𝑡𝑚
+ 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ (𝑇 + ℎ
𝑉
− 𝐸 −
𝐷
)
2
-visina krmenog talasa (0.75% od Lvl) h
V
[m]
E [m] p
V
[kPa]
K
C
[-]
-rastojanje od kobilice do ose propelera
-pritisak zasićene vodene pare
-koeficijent čija se vrednost očitava iz dijagrama
Nemanja Šurbatović 12

Projektovanje broda
Ae/A0 0.4 0.55 0.7
A
D
granicno 18.602 18.799 18.201 p s
K c
129.189 129.189 129.189
0.340 0.330 0.340
K
T f
Ae/A0 granicno
λ
P/D
0.187 0.180 0.192
1.450 1.450 1.450
0.544
0.638
0.970
0.549
0.625
0.943
0.532
0.645
0.970
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.35
0.45
0.55
0.65
0.75
0.85
Sa dijagrama vidimo da se presek krivih nalazi na Ae/Ao = 0.55, što znači da propeleri sa Ae/Ao ≥ 0.55 neće kavitirati.
Kako su vrednosti dobijene Kelerovim i Šenherovim kriterijumom manje od vrednosti dobijene
Barilovim, za kritičnu vrednost usvajamo Ae/Ao = 0.55 koju nam daje Barilov kriterijum za procenu kavitacije.
Obzirom da smo karakteristike optimalnog propelera za odnos Ae/Ao = 0.55 već odredili, nije potrebno vršiti interpolaciju rezultata.
Tabelarni prikaz karakteristika optimalnog propelera koji neće kavitirati:
A e
/ A o
P/D 1/J
η o
J n
η
D
0.55 0.943 1.6 0.622 0.625 1.604 0.714
Odabrani propeler ima 4 krila i prečnik D = 6.6m.
Nemanja Šurbatović 13

Projektovanje broda
ODREĐIVANJE PROPELERSKE KRIVE
Za određivanje propelerske krive potrebno je prvo odrediti zavisnost 1/J i η o
od 𝐾
1/4
𝑄
∙ 𝐽 −3/4
za usvojeni propeler.
Kq^1/4J^-3/4
0.55
1/j n0
0.6
0.3
0.99
0.42
0.65
0.35
1.07
0.61
0.7
1.620 1.770 1.920
0.623 0.586 0.551
3
0.4
1.160
0.677
0.75
2.070
0.520
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.45
1.250
0.690
0.8
2.230
0.490
0.9
0
0.2
0.1
0.4
0.3
0.6
0.5
0.8
0.7
0.5 0.55
1.360 1.490
0.684 0.660
0.85 0.9
2.400 2.570
0.462 0.437
1/J n0
Nemanja Šurbatović 14

Projektovanje broda
Sada je moguće odrediti snagu koju će usvojeni propeler apsorbovati od motora, kao i potreban broj obrtaja, u zavisnosti od brzine broda. Proračun ćemo izvršiti za brzine od 14, 15, 16, 17.5 i 19 čvorova.
Potrebna efektivna snaga broda za svaku od ovih brzina nam je dostupna iz proračuna otpora broda, a na
8. strani ovog izveštaja je prikazan dijagram zavisnosti potrebne efektivne snage u zavisnosti od brzine broda.
Proračun za jednu brzinu sprovodimo na sledeći način:
Za svaku brzinu V, možemo izračunati brzinu napredovanja propelera kao 𝑉
𝐴 službi sledi potisak 𝑇 =
= 𝑉 ∙ (1 − 𝑤) . Iz snage
𝑃
𝐸𝐴𝑃𝑆
𝑉∙(1−𝑡)
. Nakon toga možemo izračunati snagu potiska koja je potrebna za postizanje razmatrane brzin 𝑃
𝑇
= 𝑇 ∙ 𝑉
𝐴
. Da bismo odredili koliko snage i na kom broju obrtaja je potrebno da bi usvojeni propeler mogao da obezbedi željenu silu potiska, pretpostavljamo nekoliko vrednosti broja obrtaja. Pretpostavljene vrednosti će biti 70, 80, 90, 100 i 110% usvojenog optimalnog broja obrtaja. Za svaki pretpostavljeni slučaj određujemo 1/J.
(
1
𝐽
)
∗
= 𝑛 ∙ 𝐷
𝑉
𝐴
Za svaki od pretpostavljenih brojeva obrtaja očitavamo η o
i Kq
1/4
J
-3/4 sa prethodno prikazanog dijagrama.
Sada možemo izračunati odgovarajuću vrednost potrebne predate snage:
𝑃 ∗
𝐷
= (
𝐾
𝑄
𝐽 3
)
∗
∙
2 ∙ 𝜋 ∙ 𝜌 ∙ 𝑉 𝜂
𝑅
𝐴
3 ∙ 𝐷 2
U tom slučaju ostvariva snaga potiska propelera iznosi:
𝑃 ∗
𝑇
= 𝑃 ∗
𝐷
∙ 𝜂
𝑅
∙ 𝜂 ∗
0
Potrebna kočiona snaga motora se može izračunati iz izraza:
𝑃 ∗
𝐵
= 𝜂
𝑆
𝑃 ∗
𝐷
∙ 𝜂
𝑅𝐸𝐷
Na narednoj strani se nalazi tabelarni prikaz opisanog proračuna.
Nemanja Šurbatović 15

Projektovanje broda
1/J 𝜂
o
K
Q
1/4 J -3/4*
Pd*
Pt*
Pb*
1/J 𝜂
o
K
Q
1/4 J -3/4*
Pd*
Pt*
Pb*
1/J 𝜂
o
K
Q
1/4 J -3/4*
Pd*
Pt*
Pb*
1/J 𝜂
o
K
Q
1/4 J -3/4*
Pd*
Pt*
Pb* v[kn] v[m/s] va[m/s]
Pe[kW]
Pe aps[kW]
T[kN]
Pt[kW]
Tnb[kN]
Ptnb[kW]
1/J 𝜂
o
K
Q
1/4 J -3/4*
Pd*
Pt*
Pb*
14 15 16 17.5 19
7.202
5.294
7.716
5.672
8.230
6.051
9.002
6.618
9.774
7.185
2360.363 2973.067 3736.617 5316.722 7859.226
2917.409 3674.711 4618.459 6571.468 9714.003
503.712 592.168 697.735 907.690 1235.827
2666.817 3359.071 4221.755 6007.010 8879.616
419.760 493.473 581.445 756.408 1029.856
2222.347 2799.226 3518.129 5005.841 7399.680 n*=70%n
1.400
0.678
1.307
0.689
1.225
0.689
1.120
0.658
1.032
0.546
0.516 0.478 0.437 0.378 0.327
2738.018 2473.399 2098.079 1544.073 1104.199
1950.058 1788.861 1517.414 1066.962 632.689
2793.896 2523.876 2140.897 1575.584 1126.734 n*=80%n
1.600
0.629
0.593
1.493
0.659
0.551
1.400
0.678
0.516
1.280
0.69
0.465
1.179
0.682
0.411
4770.431 4391.749 4087.071 3532.261 2750.974
3149.128 3039.793 2910.873 2559.123 1970.550
4867.786 4481.376 4170.481 3604.348 2807.116 n*=90%n
1.800
0.579
0.66
7330.95
1.680
0.607
0.621
7062
1.575
0.636
0.583
6675.119
1.440
0.671
0.531
6006.467
1.326
0.687
0.486
5385.397
4456.081 4503.931 4458.345 4233.118 3887.584
7480.561 7206.121 6811.346 6129.048 5495.303
2.000
0.534 n*=100%n
1.867
0.563
1.750
0.591
1.600
0.629
1.474
0.664
0.727 0.682 0.647 0.593 0.544
10799.650 10298.948 10118.216 9317.247 8461.823
6055.364 6089.304 6275.672 6150.641 5897.806
11020.051 10509.130 10324.710 9507.395 8634.513
2.200
0.495
0.791 n*=110%n
2.053
0.523
0.744
1.925
0.55
0.702
1.760
0.588
0.647
1.621
0.623
0.600
15135.518 14617.041 13998.862 13222.728 12564.651
7873.042 8033.087 8082.873 8167.878 8215.208
15444.406 14915.348 14284.553 13492.580 12821.072
Nemanja Šurbatović 16

Projektovanje broda
Pokazalo se da je za brzinu od 19 čvorova neophodno uraditi proračun i za 130% broja obrtaja, iz razloga što ta brzina ispada iz opsega 110% broja obrtaja:
1/J 𝜂
o
K
Q
1/4 J -3/4*
Pd*
Pt*
Pb*
1.916
0.552
0.699
23043.618
13353.661
23513.896
Preostaje da se odrede konačne vrednosti n i P
B
pri kojima će propeler zaista ostvariti potisak koji je neophodan za postizanje razmatrane brzine. Dobijene rezultate, za svaku od razmatranih brzina ponaosob, prikazujemo grafički. U grafik ulazimo sa ranije izračunatom vrednosti snage potiska P
T
, koja je potrebna za postizanje razmatrane brzine i očitavamo vrednost traženog broja obrtaja i snage motora pri kojima će brod postići razmatranu brzinu. v=14kn
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
60 65 70 75 80 85 n[rpm]
90 95 100 105 110
Pb*
Pt*
Pt n
Pt
Nemanja Šurbatović 17

Projektovanje broda v=15kn
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
70 75 80 85 90 n[rpm] v=16kn
95 100 105 110
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
70 75 80 85 90 n[rpm]
95 100 105 110
Nemanja Šurbatović
Pb*
Pt*
Pt n
Pb
Pb*
Pt*
Pt n
Pb
18

Projektovanje broda
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
70 75 80 85 90 n[rpm]
95 v=19kn
100 105 110
25000 v=17.5kn
20000
15000
10000
5000
0
70 80 120 130 90 100 n[rpm]
110
Nemanja Šurbatović
Pb*
Pt*
Pt n
Pb
Pb*
Pt*
Pt n
Pb
19

Projektovanje broda
Radi kasnije provere Energy Efficiency Design Index-a, potrebno je proračunati i propelersku krivu novog broda. Ponavljamo prethodni postupak, ali ovaj put sa snagom potiska novog broda. v=14kn
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
60 65 70 75 80 85 n[rpm]
90 95 100 105 110
Pb*
Pt* v=15kn
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
70 75 80 85 90 n[rpm]
95 100 105 110
Pb*
Pt*
Nemanja Šurbatović 20

Projektovanje broda v=16kn
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
70 75 80 85 90 n[rpm] v=17.5kn
95 100 105 110
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
70 75 80 85 90 n[rpm]
95 100 105 110
Nemanja Šurbatović
Pb*
Pt*
Pb*
Pt*
21

Projektovanje broda v=19kn
25000
20000
15000
10000
5000
Pb*
Pt*
0
70 80 90 100 n[rpm]
110 120 130
Tabele očitanih vrednosti za brod u službi (levo) i novi brod (desno) v[kn]
14
15
16
17.5
19 n[rpm] Pb[kW]
73.7
79.5
85.4
95.8
4100
5100
6450
9280
108.5 14280 v[kn]
14
15
16
17.5
19 n[rpm] Pb
NB
[kW]
69.6
75.5
81
90.7
3280
4120
5170
7480
102.7 11180
Pomoću vrednosti iz prethodnih tabela konstruišemo propelersku krivu za slučaj plovidbe broda u realnim okolnostima kao i za brod na mirnoj vodi i bez obraštanja. Odavde se može očitati potreban broj obrtaja, kao i snaga kojom motor mora raspolagati da bi sa usvojenim propelerom bilo moguće postići bilo koju brzinu u razmatranom intervalu (14-19 čvorova).
Nemanja Šurbatović 22

Projektovanje broda
Potrebno je izabrati motor čije su radne karakteristike kompatibilne sa karakteristikama odabranog propelera. To znači da motor treba da raspolaže sa dovoljno snage i da može da razvije dovoljan broj obrtaja pri kome će propeler raditi sa maksimalnom efikasnošću. Tačka MCR (maximum continuous rating) određuje maksimalnu snagu koju motor može da razvije, a da pri tome ne dođe do preopterećenja. Pored rezerve snage zbog povećanja otpora broda, koja je ranije predviđena, potrebno je predvideti i rezervu ekonomičnog rada motora (EM - engine operation margin). To je rezerva kojom se u obzir uzimaju troškovi eksploatacije motora, a koji obuhvataju potrošnju goriva i održavanje motora.
Preporučuje se da ona iznosi od 10-15% MCR, a u ovom zadatku usvajam vrednost od 15%. Tako dolazimo do tačke SMCR (selected maximum continuous rating) u kojoj snaga iznosi:
𝑃
𝐵 𝑆𝑀𝐶𝑅
=
𝑃
𝐵(16𝑘𝑛)
0.85
= 10920 𝑘𝑊 , a broj obrtaja je: n = 100.3 rpm
Granica broja obrtaja motora se proširuje za 5%, pa je proširena granica broja obrtaja motora: n = 105.3 rpm
Sada je na osnovu dobijenih vrednosti snage i broja obrtaja u SMCR moguće konstruisati prognozni
(layout) dijagran koji predstavlja granicu radne oblasti potrebnog motora uparenu sa propelerskom krivom.
SMCR dobijen proračunom se ne uklapa u granice za izbor MCR-a prethodno odabranog motora
MAN B&W S50ME-C9. Problem je u pogrešno pretpostavljenom broju obrtaja propelera u aproksimacijama, za koji se ispostavilo da je previsok. U cilju izbegavanja promene motora, sam propeler se može prilagoditi motoru smanjenjem prečnika, koje bi dovelo do povećanja potrebnog broja obrtaja propelera, a samim tim I motora. Kako bi se dobio zadovoljavajući broj obrtaja za izbor MCR u granicama propisanim od strane proizvođača motora, prečnik propelera bi se morao smanjiti sa 6.6m na 5.3m što bi dovelo do neželjenog smanjenja efikasnosti propulzivnog kompleksa. Iz navedenih razloga, odlučeno je da se usvoji novi motor, prilagođen proračunatom propeleru.
Nemanja Šurbatović 23

Projektovanje broda
Za izbor motora korišćen je "UEC-LSE Series" katalog proizvođača
Japan Engine Corporation pod
Mitsubishi Heavy Industries grupom. Usvojeni motor nosi oznaku:
8 UEC50LSE-Eco-B1-EGR
Radi se o motoru koji spada u Tier III klasu, što brodu omogućava pristup ECA (emission control areas) oblastima u kojima od 1. januara 2016. brodovi sa Tier I i Tier II motorima ne mogu ploviti zbog prevelike emisije štetnih gasova. Motor ima 8 cilindara prečnika 50 cm. Spada u "zelene" motore po veoma velikom odnosu hoda i prečnika klipa, pri čemu hod klipa iznosi 2.05m. Motor poseduje elektronsku kontrolu ubrizgavanja goriva, tajminga i aktuacije izduvnih i usisnih ventila, kao i lubrikacije cilindara. Tier III klasa se postiže ugradnjom sistema za recirkulaciju izduvnih gasova low pressure EGR . Upotrebom navedenog sistema sa snižava maksimalna radna temperatura i pritisak ciklusa, što dovodi do snižene emisije oksida azota. Na narednoj strani je dat izvod iz kataloga sa prikazom karakteristika odabranog motora.
16000
19kn L1
14000
12000
10000
8000
L3 SMCR
17.5kn
L4
L2
Propelerska kriva
Granice oblasti za odabir MCR
Radna oblast motora
Prop. Kriva novog broda
16kn
6000
4000
14kn
15kn
2000
0
60 70
Nemanja Šurbatović
80 90 n[rpm]
100 110 120 130
24

Projektovanje broda
Nemanja Šurbatović 25

Projektovanje broda
EEDI
Za određivanje EEDI (Energy Efficiency Design Index) uzeta je snaga koja odgovara 0,75P
SMCR
motora, brzina V ref kojom će se brod kretati na probnoj vožnji i K – nosivost broda koja se usvaja kao 0,7DWT za kontejnerske brodove.
Brzina je određena linearnom interpolacijom između poznatih brzina za angažovane snage P
B1
i P
B2
. Specifična potrošnja goriva za angažovanu snagu P
BEEDI
određena je linearnom interpolacijom između poznate potrošnje za opterećenje motora od 50% i 75% od nominalne snage. Vrednost ostvarenog EEDI upoređena sa referentnom vrednošću za kontejnerske brodove pokazuje da projekat ne ispunjava ni referentne zahteve koji važe od 2013. do
2015. godine. Proračun ostvarenog i zahtevanog EEDI dat je u Tabeli
𝐸𝐸𝐷𝐼 =
𝑃 𝐸𝐸𝐷𝐼
𝐵
∙ 𝑆𝐹𝑂𝐶 ∙ 𝐶𝐹
𝐾 ∙ 𝑉 𝑟𝑒𝑓
Pb
Vref
SFC
DWT
8190
17.79
165.9
14410
Kcont
CF
10087
3.114
EEDIA 16.50
EEDIA.cont 23.58
EEDIR 13.58
EEDIR.cont 25.42
Nemanja Šurbatović 26

Projektovanje broda
Oznaka
L
L
VL
L pp
B
T
E
D
S


Fn
V
P
LCB
A e
A
0
A
D
V a w t
J
K
T
K
Q

, C
WL
Nemanja Šurbatović
[t]
[-]
 m s

 m s

[-]
[-]
[-]
[-]
Jedinica
 
 
 
 
 
 
 
 
%L
 m
2 
 m
2 
 m 2

 m
2

 m
3 
[-]
[-]
Odgovarajuća dužina broda
Opis
Dužina broda na vodnoj liniji
Dužina broda između perpendikulara
Širina broda
Gaz broda
Rastojanje ose propelera do kobilice
Prečnik propelera
Korak propelera
Položaj težišta istisnuća po dužini mereno od glavnog rebra
Raširena površina propelera
Površina diska propelera
Razvijena površina propelera
Okvašena površina broda
Istisnuće broda
Deplasman broda
Frudov broj
Brzina broda
Brzina napredovanja propelera
Koeficijent sustrujanja
Koeficijent smanjenog potiska
Koeficijent napredovanja
Koeficijent potiska
Keficijent obrtnog momenta
Koeficijent punoće vodne linije
27

Projektovanje broda

, C
M

, C
B

, C
P

, C
V

0

S

H

D

R
T
P e
P eap
P eaps
P
T
P
B
P
D n p v p a
,
S

[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
[-]
[kN]
 
 
 
 
 
 
Koeficijent punoće glavnog rebra
Koeficijent punoće istisnuća
Prizmatični koeficijent
Vertikalni prizmatični koeficijent
Stepen korisnog dejstva propelera u slobodnoj vožnji
Stepen korisnog dejstva vratilnog voda
Stepen korisnog dejstva trupa broda
Kvazipropulzivni koeficijent
Koeficijent prelaza
SIla potiska
Efektivna snaga
Efektivna snaga sa izdancima
Efektivna snaga u službi
Snaga potiska
Kočiona snaga
Snaga predata propeleru o min o sec
   
   
   
Broj obrtaja (propelerskog vratila, motora)
Pritisak zasićene vodene pare na 15 stepeni Celzijusa
Atmosferski pritisak
[-]
Apsolutni pritisak
Koeficijent opterećenja
Nemanja Šurbatović 28