Μελέτη προβλημάτων ΠΗΙ λόγω λειτουργίας κύριων αζιμουθιακών προωστήριων μηχανισμών

Transcript

1 «ΔιερΕΥνηση Και Aντιμετώπιση προβλημάτων ποιότητας ηλεκτρικής Ισχύος σε Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) πλοίων» (ΔΕΥ.Κ.Α.Λ.Ι.ΩΝ) πράξη ΘΑΛΗΣ-ΕΜΠ, πράξη ένταξης 11012/ , MIS: , Κωδ.ΕΔΕΙΛ/ΕΜΠ: 68/1129 Παραδοτέο: Π4.1.1 «Αποτελέσματα υδροδυναμικής φόρτισης αζιμουθιακού προωστήριου μηχανισμού (ΑΠΜ)» Μελέτη προβλημάτων ΠΗΙ λόγω λειτουργίας κύριων αζιμουθιακών προωστήριων μηχανισμών Επιμέλεια: Γ. Πολίτης, Α. Μουντανέας, Ι. Προυσαλίδης

2 Πίνακας Περιεχομένων Εισαγωγή Διαδικασία γεωμετρικής μοντελοποίησης Παραγωγή Κίνησης H οιωνεί σταθερή (quasi-steady) προσομοίωση λειτουργίας για πλευρικούς προωστήριους μηχανισμούς (stern/bow thrusters) Εφαρμογή-Αζιμουθιακός προωστήριος μηχανισμός Azipod Συμπεράσματα από τις προσομοιώσεις υδροδυναμικής φόρτισης αζιμουθιακών προωστήρων Επόμενα βήματα Βιβλιογραφία. 14 Παράρτημα. 16

3 Εισαγωγή Οι προωστήριοι μηχανισμοί εγκατεστημένοι κάτωθεν της γάστρας του πλοίου με συζευγμένο τον κινητήρα απευθείας στην έλικα χωρίς αξονικό σύστημα και με δυνατότητα αζιμουθιακής περιστροφής έως και πλήρους κύκλου) γίνονται ολοένα περισσότερο δημοφιλή. Εντούτοις, δεν υφίστανται εκτενείς μελέτες στη βιβλιογραφία για τη μεταβατική ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας κατά την εκτέλεση ελιγμών (περιστρεφόμενη έλικα από ηλεκτρικό κινητήρα υπό αζιμουθιακή κίνηση) [14-17]. Παλαιότερες προπάθειες από μέλη της ερευνητικής ομάδας του έργου στηρίχθηκαν σε πειραματικές μετρήσεις - σε περιορισμένη όμως κλίμακα της ροπής τέτοιων μηχανισμών (οι μετρήσεις έγιναν από τον Αγγλικό Νηογνώμονα Lloyds Register [18-21]), και οδήγησε στο συμπέρασμα ότι οι ηλεκτρικοί κινητήρες υπερφορτίζονται ενίοτε και πάνω από 150% της ονομαστικής τους ισχύος, Σχήμα 1. Αυτό εν μέρει εξηγεί το γιατί στατιστικά εμφανίζεται μεγάλος αριθμός βλαβών στα ηλεκτρολογικά εξαρτήματα [18-21] και ειδικότερα : Βλάβες στα τυλίγματα στάτη και το σιδηρομαγνητικό υλικό του στάτη Βλάβες στα τυλίγματα δρομέα Βλάβες στους δακτυλίους ολίσθησης που συνδέουν τα στρεφόμενα ηλεκτρικά μέρη με τα ακίνητα αντίστοιχα Ένας σημαντικός παράγοντας που έχει καταγραφεί ότι συσχετίζεται με τις καταγεγραμμένες αστοχίες και βλάβες είναι οι υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται, κάτι που αποτελεί ένδειξη ότι τα ηλεκτρικά μέρη υπερφορτίζονται και συσσωρευτικά υποβαθμίζονται προς τη βλάβη. Από την άλλη πλευρά, σημειώνεται ότι οι εναλλακτικές διαμορφώσεις ηλεκτρικών συστημάτων κίνησης τέτοιων μηχανισμών αναφέρονται σε: συνήθη σύγχρονο κινητήρα με συνεργαζόμενο μετατροπέα συνήθη ασύγχρονο κινητήρα με συνεργαζόμενο μετατροπέα σύγχρονο κινητήρα μονίμων μαγνητών με συνεργαζόμενο μετατροπέα ειδικής κατασκευής κινητήρα με αντίστοιχο μετατροπέα. 1

4 (Torque / Torque Rated) [%] % % % 50.00% 0.00% Starboard Pod Azimutn Angle [deg] Σχήμα1. Διάγραμμα ροπής συναρτήσει της αζιμουθιακής γωνίας περιστροφής (από μετρήσεις σύμφωνα με τις εργασίες [23-25]). Στην έκθεση αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων υδροδυναμικών φαινομένων σε μεταβατική κατάσταση λειτουργίας (π.χ. εκκίνηση λειτουργίας) έλικας, τα οποία επηρεάζουν την ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος του δικτύου που τροφοδοτεί με ηλεκτρική ενέργεια τον ηλεκτρικό κινητήρα που στρέφει την εν λόγω έλικα. Για το λόγο αυτό στο πλαίσιο του ερευνητικού έργου: Γίνεται εκτίμηση των απαιτήσεων σε ροπή του προωστήριου μηχανισμού σε μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας με την μέθοδο των Boundary Element Methods (BEM) Οι υπολογισμοί των φορτίσεων γίνονται λαμβάνοντας υπόψη τις εξής δυναμικές παραμέτρους: Αζιμουθιακή γωνία κίνησης Μη γραμμική διαδρομή της κίνησης 2

5 Περιστροφή των πτερυγίων της έλικας γύρω από τον άξονά της (μεταβλητό βήμα) Περιστροφική ταχύτητα της έλικας Η διαδικασία υπολογισμών των απαιτήσεων σε ροπή του αζιμουθιακού προωστήρίου ηχανισμού παρουσιάζεται συνοπτικά στο Σχήμα 2 και έχει ως εξής: Α. Αρχικά γίνεται γεωμετρική ανάλυση του εξωτερικού μέρους του προωστήριου μηχανισμού σε επιμέρους διακριτά στοιχεία των οποίων τα σχήματα μπορούν να προσεγγιστούν με ακριβείς αναλυτικές μοντελοποιήσεις Β. Στη συνέχεια γίνεται γεωμετρική μοντελοποίηση των επιμέρους στοιχείων με αναλτυικές μαθηματικές σχέσεις Γ. Εφαρμόζεται η μέθοδος UBEM για τους μαθηματικούς υπολογισμούς Δ. Υπολογίζονται τα μεγέθη αναπτυσσόμενης δύναμης και ροπής Σχήμα 2. Παραστατική απεικόνιση της διαδικασίας εκτίμησης της απαιτούμενης ροπής ενός αζιμουθιακού πρωστήριου μηχανισμού 1. Διαδικασία γεωμετρικής μοντελοποίησης Αρχικά επιλέγεται η διαμόρφωση του προωστήριου μηχανισμού που ενδιαφέρει, βλ. Εικόνα 1. 3

6 Εικόνα 1. Εξωτερική διαμόρφωση του προωστήριου μηχανισμού Στη συνέχεια η γεωμετρική διάταξη αναλύεται και διασπάται σε συνιστώντα απλούστερα επιφανειακά μέρη. Εικόνα 2. Ανάλυση γεωμετρίας προωστήριου μηχανισμού σε απλούστερες γεωμετρίες Κατόπιν αναπτύσσεται το «επιφανειακό μαθηματικό μοντέλο» για καθένα από τα συνιστώντα μέρη, βλ. Σχήμα 3. Σχήμα 3. Σύνθεση μαθηματικού μοντέλου περιγραφής των επιμέρους τμημάτων του αζιμουθιακού προωστήρα 4

7 Τέλος αναπτύσσεται το επιφανειακό πλέγμα με τη βοήθεια τεχνικών παρεμβολής, βλ. Σχήμα 4. Σχήμα 4. Ανάπτυξη πλέγματος σε όλο το ανάπτυγμα του αζιμουθιακού προωστήρα Όπως είναι αναμενόμενο η ακρίβεια του μοντέλου μεγαλώνει όσο μεγαλώνει το πλήθος των πεπαρασμένων στοιχείων. Στη συνέχεια δίνεται η ανάλυση σε πεπερασμένα στοιχεία των πλέον δημοφιλών αζιμουθιακών προωστήρων που έχουν επικρατήσει και εμπορικά, δηλ. το Azipod (Σχήμα 5), το SSP (Σχήμα 6) και το Mermaid (Σχήμα 7). 5

8 Σχήμα 5. Πλέγμα του αζιμουθιακού προωστήρα Azipod του οίκου ABB Σχήμα 6. Πλέγμα (με διαφορετικό αριθμό στοιχείων) του αζιμουθιακού προωστήρα SSP της κοινοπραξίας Siemens-Schottel 6

9 Σχήμα 7. Πλέγμα του αζιμουθιακού προωστήρα Mermaid της κοινοπραξίας Rolls-Royce, Kamewa, Cοnverteam. (Πλήθος στοιχείων πλέγματος από πάνω προς τα κάτω: 1494, 6746, 28218) [πηγή:[2]) 7

10 2. Παραγωγή Κίνησης Η κίνηση δημιουργείται από την υπέρθεση της κίνησης των εξής συστατικών μερών: 1. Περιστροφή έλικας 2. Περιστροφή πτερυγίων της έλικας γύρω από τον άξονα 3. Περιστροφή του προωστήριου μηχανισμού γύρω από κάθετο άξονα 4. Συνθετική υπέρθεση των κινήσεων H οιωνεί σταθερή (quasi-steady) προσομοίωση λειτουργίας για πλευρικούς προωστήριους μηχανισμούς (stern/bow thrusters) Η οιωνεί σταθερή (quasi-steady) προσομοίωση λειτουργίας έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Τα μεταβατικά φαινόμενα «ψυχρής εκκίνησης» (εκκίνηση περιστροφής από την απόλυτη ακινησία) διαρκούν 1-2 λεπτά Οι μεταβολές είναι σχετικά αργές ενώ και η γεωμετρία είναι σχετικά απλή. Η προσέγγιση με την οιωνεί σταθερή (quasi-steady) προσομοίωση λειτουργίας στηρίζεται σε υπέρθεση από μία ακολουθία υπολογισμών σε μόνιμες καταστάσεις λειτουργίας, όπου η κάθε μία κατάσταση διαφέρει λίγο από την προηγούμενη και την επόμενή της. Προσφέρει γρήγορους υπολογισμούς με ικανοποιητικής ακρίβειας αποτελέσματα σε σχέση με άλλες μεθόδους που είναι πιο ακριβείς αλλά και πολύ πιο επιβαρυντικές από πλευράς υπολγοιστικού κόστους. Για τις ανάγκες του έργου η οιωνεί σταθερή προσομοίωση κρίθηκε ως η πλέον κατάλληλη για εκτιμήσεις (σε σύντομο υπολογιστικό χρόνο και με ικανοποιητική ακρίβεια) των απαιτήσεων του προωστήριου μηχανισμού σε ροπή. 8

11 3.1. Εφαρμογή-Αζιμουθιακός προωστήριος μηχανισμός Azipod Οι παράμετροι του αζιμουθιακού προσωστήριου μηχανισμού που μοντελοποιήθηκαν παρατίθενται στη συνέχεια: Τύπος: Azipod XO 2100 Στοιχεία έλικας: 6m, z=4, AE/A0=0.7, P/D= 1.0 Σχήμα ποδαρικού: NACA 0012 Σενάρια λειτουργίας: Ευθύγραμμη κίνηση (Rectilinear), εκτροπή (Yaw) +/-20 o Ταχύτητα πρόωσης: RPM Πλέγμα: 1648 στοιχεία (σχετικά αραιό για οικονομία υπολογιστικού χρόνου) Τα σενάρια κίνησης που μοντελοποιήθηκαν είναι τα εξής: Ευθύγραμμη κίνηση (0 o εκτροπή) Εκτροπή (Yaw): +20 o (με σταθερή περιστροφική ταχύτητα ) Εκτροπή (Yaw): -20 o (με σταθερή περιστροφική ταχύτητα) Η χρονική εξέλιξη της εκτροπής του αζιμουθιακού προωστήριου μηχανισμού δίνεται στο Σχήμα 8. 9

12 Σχήμα 8. Θεωρούμενη χρονική εξέλιξη της εκτροπής του αζιμουθιακού προωστήριου μηχανισμού Έτσι στο Σχήμα 9 παρουσιάζεται η παραγωγή κίνησης ανά 20 «καρέ» ευθύγραμμης κίνησης για τον αζιμουθιακό προωστήριο μηχανισμό Azipod, ενώ στο Σχήμα 10 η αντίστοιχη παραγωγή κίνησης αλλά σε εκτροπή 45 ο. Τέλος στο Σχήμα 11, δίνονται τα στιγμιότυπα κίνησης του ίδιου προωστήριου μηχανισμού σε εκτροπή 45 ο και επαναφορά στην αρχική διεύθυνση. 10

13 Σχήμα 9. Στιγμιότυπα κίνησης ανά 20 «καρέ» ευθύγραμμης κίνησης αζιμουθιακού προωστήριου μηχανισμού Αzipod. Σχήμα 10. Στιγμιότυπα κίνησης ανά 20 «καρέ» κίνησης σε εκτροπή 45 ο αζιμουθιακού προωστήριου μηχανισμού Αzipod. 11

14 Σχήμα 11. Στιγμιότυπα κίνησης ανά 20 «καρέ» κίνησης σε εκτροπή 45 ο και επαναφορά στην αρχική διεύθυνση αζιμουθιακού προωστήριου μηχανισμού Αzipod. Η χρονική εξέλιξη της αναπτυσσόμενης ροπής παρουσιάζεται στο Σχήμα 12. Σχήμα 12. Χρονική εξέλιξη της αναπτυσόμενης ροπής 12

15 4. Συμπεράσματα από τις προσομοιώσεις υδροδυναμικής φόρτισης αζιμουθιακών προωστήρων Από τις προσομοιώσεις που έγιναν εξάγονται τα εξής συμπεράσματα: Η αναπυσσόμενη ροπή στον άξονα της έλικας δέν είναι σταθερή Αναπτύσσονται ταλαντώσεις λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ της ατράκτου και της έλικας Η αζιμουθιακή κίνηση της ατράκτου επηρεάζει τη φόρτιση Η μέθοδος BEM μπορεί να αξιοποιηθεί σε διάφορα σενάρια κίνησης Μπορούν να μελετηθούν εναλλακτικές διαμορφώσεις αζιμουθιακών προωστήρων αλλά και εναλλακτικά σενάρια κίνησης με σχετική ευκολία Η «Quasi steady» μεθοδολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την περίπτωση της μελέτης (των αναγκών σε ροπή) των πλευρικών προωστήριων μηχανισμών, ειδικά όσον αφορά τις ανάγκες του ερευνητικού έργου ΘΑΛΗΣ-ΔΕΥΚΑΛΙΩΝ, στο οποίο απαιτείται η εκτίμηση των αναγκών σε ροπή ενός προωστήριου μηχναισμού από τον ηλεκτροκίνητο μηχανισμό (ηλεκτρικό κινητήρα) που τοτν περιστρέφει. Η μέθοδος προκρίνεται για ενσωμάτωση σε κατάλληλη υπορουτίνα σε πρόγραμμα προσομοίωσης καταστάσεων λειτουργίας του ηλεκτρικού δικτύου που συμμετέχει ο ηλεκτροκινούμενος προωστήριος μηχανισμός πρόωσης. Η αξιοποίηση συνθηκών «Frozen wake» καταλήγει σε σχετική υπερεκτίμηση της ροπής Απαιτείται περαιτέρω ρύθμιση της μεθόδου σε σχέση με τη μέθοδο «UBEM» και συνθηκών «free wake» 5. Επόμενα βήματα Εφόσον κριθεί απαραίτητο, μπορεί να γίνουν επιπλέον τα εξής: Εφαρμογή και άλλων σεναρίων κινήσεων, τα οποία θα απεικονίζουν πραγαμτικά σενάρια κίνησης πλοίων με τέτοιους προωστήριου μηχανισμούς Σύγκριση επιβεβαίωση με πειραματικά αποτελέσματα Ρύθμιση της «quasi steady» μεθόδου σε σχέση με την ακριβή μέθοδο UBEM και συνθήκες «free wake» για τα bow thrusters 13

16 6. Βιβλιογραφία [1] Politis G.K., 2011, Application of a BEM time stepping Algorithm in understanding complex unsteady propulsion hydrodynamic phenomena, Ocean Engineering 38 ( ). [2] Α. Μουντανέας, «Ανάπτυξη Κώδικα Η/Υ Γένεσης Δεδομένων Γεωμετρίας και Κίνησης για την Μελέτη Προωστήρων τύπου Azipod με τη Μέθοδο των Συνοριακών Στοιχείων», Διπλωματική Εργασία, Αθήνα ( sequence=1) [3] Azipod XO2100 Product Introduction. (2005). In: ABB Oy, M. (Ed.). Helsinki, Finland: ABB Oy. [4] Carlton, J. (2008). Podded propulsors: some results of recent research and full scale experience. Proceedings of IMarEST-Part A-Journal of Marine Engineering and Technology 2008(11), [5] Carlton, J.S. (2012a). Chapter 3 - Propeller Geometry. In: Marine Propellers and Propulsion (Third Edition). pp Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN [6] Carlton, J.S. (2012b). Chapter 15 - Azimuthing and Podded Propulsors. In: Marine Propellers and Propulsion (Third Edition). pp Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN [7] Engeln-Müllges, G. & Uhlig, F. (1996). Numerical algorithms with Fortran: Springer. ISBN [8] Islam, M., Veitch, B., Bose, N. & Liu, P. (2006). Numerical study of hub taper angle on podded propeller performance. Marine technology 43(1), [9] Oosterveld, M. & Van Oossanen, P. (1975). FURTHER COMPUTERANALYZED DATA OF THE WAGENINGEN B-SCREW SERIES. International Shipbuilding Progress 22(251). [10] Press, W.H., Teukolsky, S.A., Vetterling, W.T. & Flannery, B.P. (2007). Numerical Recipes with Source Code CD-ROM 3rd Edition: The Art of Scientific Computing: Cambridge University Press. ISBN [11] Van Terwisga, T., Quadvlieg, F. & Valkhof, H. (2001). Steerable propulsion units: hydrodynamic issues and design consequences. Paper written on the occasion of the 80th anniversary of Schottel GmbH & Co., presented on 11. [12] Yamaguchi, F. (1988). Curves and surfaces in computer aided geometric design: Springer-Verlag Berlin. ISBN [13] Πολίτης, Γ.Κ. (2006). Ολοκληρώματα με Ιδιόμορφο Πυρήνα. In. Αθήνα: Ε.Μ.Π. pp [14] G.K. Politis, «A BEM code for the calculation of flow around systems of independently moving bodies including free shear layer dynamics», 10th International Conference on Boundary Element Techniques BETEQ 2009, Athens

17 [15] J. M. Prousalidis, P.S. Mouzakis, Analysis of Electric Power Demands of Podded Propulsors, εγκεκριμένη προς δημοσίευση στο The Journal of Marine Engineering & Technology (Part A)", IMarEST, London (UK), τεύχος Ιανουαρίου [16] Γ. Διαμάντης, Ψηφιακή Εξομοίωση Τεχνικής Απ ευθείας ελέγχου ροπής (Direct Torque Control D.T.C) Ηλεκτρικών Κινητήρων σε περιβάλλον MATLAB, Διπλωματική εργασία, ΣΝΜΜ/ΕΜΠ, Αθήνα [17] G. Diamantis, J. Prousalidis, "Simulation of a DTC Ship Propulsion Scheme", Proceedings of International Conference on Power Electric Machine and Drives (PEMD2004), 31 march 2 april 2004, Edinburg (2004). [18] W E Ball, and J S Carlton, Podded Propulsor Shaft Loads from Model Experiments for Berthing Manoeuvres, International Journal of Maritime Engineering, RINA [19] W E Ball, and J S Carlton, Free-Running Model Experiments in Calm-Water and Waves, International Journal of Maritime Engineering, RINA [20] J S Carlton Podded Propulsors: Some Results Of Recent Research And Full Scale Experience, of IMarEST - Part A - Journal of Marine Engineering and Technology, Volume 2008, Number 11, April 2008, pp. 1-14(14) [21] M F Islam, M He, B Veitch, and P Liu,Cavitation Characteristics Of Some Pushing And Pulling Podded Propellers International Journal of Maritime Engineering, RINA

18 Παράρτημα Οδηγίες προγράμματος εκτίμησης απαίτησης ροπής από έλικα Η μεθοδολογία που περιγράφτηκε για την εκτίμηση της απαίτησης σε ροπή από την έλικα προς τον ηλεκτρικό κινητήρα που την περιστρέφει προγραμματίστηκε σε κώδικα γλώσσας fortran από τα μέλη τηε ερευνητικής ομάδας: κ. Γ. Πολίτη, καθηγητή ΣΝΜΜ/ΕΜΠ και ερευνητή ΝΜΜ. Οι οδηγίες χρήσης του προγράμματος παρατίθενται στη συνέχεια. 1. Το πρόγραμμα αποτελείται από ένα κύριο πρόγραμμα (main.f90) και η ανάπτυξη έχει γίνει με τον compiler της INTEL. 2. Στο αρχείο περιέχεται το εκτελέσιμο πρόγραμμα main.exe. Το πρόγραμμα αυτό δέχεται τα δεδομένα από το αρχείο open_water_performance_input.txt και γράφει τα αποτελέσματα στο αρχείο: open_water_performance_output.txt. 3. Παρέχεται ένα αρχείο με δεδομένα ως παράδειγμα: open_water_performance_input - example.txt. που αφορά τον υπολογισμό της ροπής σε Nm για δεδομένο λόγο βήματος του ρότορα P/D. Στην παρούσα έκδοση του προγράμματος δεν είναι δυνατός ο υπολογισμός του λόγου βήματος του ρότορα για δεδομένη ροπή. 4. Το αρχείο δεδομένων open_water_performance_input.txt είναι self-explanatory και περιέχει comments, έτσι ώστε ο χρήστης να καταλαβαίνει αμέσως τι δεδομένα πρέπει να δώσει σε κάθε γραμμή. 5. Ο υπολογισμός βασίζεται στη υπόθεση ότι οι αλλαγές του βήματος του ρότορα γίνονται σε χρονική κλίμακα που είναι αργή σε σχέση με την περίοδο περιστροφής του ρότορα. Παραδείγματος χάριν για ρότορα που περιστρέφεται με 180rpm ή 3rps η περίοδος περιστροφής είναι 0.33sec. Αυτό λοιπόν που υποθέτουμε είναι ότι το βήμα θα μεταβληθεί από την μηδενική στην μέγιστη τιμή-του, σε χρονική περίοδο με τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από την περίοδο περιστροφής (quasi-steady theory). Για την πρόβλεψη της ροπής χρησιμοποιήθηκαν τα στοιχεία της σειράς Kaplan Ka 4-70 in nozzle 19a, όπως περιγράφονται στο βιβλίο του J.S. Carlton, Marine Propellers and Propulsion Butterworth- Heinemann-1994, page Για τον υπολογισμό υποτέθηκε ότι ο ρότορας κινείται με πολύ μικρή ταχύτητα, ειδικότερα με VVVV συντελεστή προχώρησης J=0.1 ( JJJJ=, V=ταχύτητα, n=συχνότητα περιστροφής ρότορα, nnnn DDDD 16

19 D=διάμετρος ρότορα). Το στοιχείο J=0.1 είναι ενσωματωμένο στον κώδικα και μπορεί να αλλάξει με αλλαγή της μεταβλητής jcoef στο main και recompilation. 7. Όταν ο κώδικας τρέχει με δεδομένο P/D η αξιοπιστία των αποτελεσμάτων είναι μειωμένη για τιμές του P/D<0.6 ή P/D>1.4. Αυτό οφείλεται στο ότι τα πειραματικά δεδομένα στα οποία βασίζονται οι υπολογισμοί-μας, είναι περιορισμένα στην περιοχή 0.6<=P/D<=1.4 1

20 2