2015
Aarhus Maskinmesterskole Jim Lindegaard Nielsen
[FREMDRIVNINGS OPTIMERING]
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 1 af 44
Forfatter: Jim Lindegaard Nielsen – A11548
Titel: Fremdrivnings optimering
Uddannelse: Maskinmester
Uddannelses sted: Aarhus Maskinmesterskole, Navitas
Vejleder: Anders Parbo, Lektor Aams
Dato for aflevering: 1. juni 2015
Rapport art: Afsluttende Bachelor Projekt
Antal normalsider: 60798 tegn - 25,3 normalsider af 2400
anslag
XJim Lindegaard Nielsen
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 2 af 44
Abstract The passenger ship DFDS Crown Seaways is sailing a route from Copenhagen to Oslo. This
trip takes approximately 17 hours where after it will stay in port for seven hours before
returning again. Five of the 17 hours at sea is inside the fjord of Olso or Ørresund. These
waterways are calm without any major waves. The objective of this report is to
investigate the possibility of optimizing the ships efficiency.
The ships propulsion system consists of four main engines which are coupled together via
a reduction gear in pairs of two. Each pair is connected to a Controllable Pitch Propeller
(CPP). The CPP is controlled by the bridge or engine control room via a propeller curve.
This Curve interprets the signal from the bridge and converts it in to a pitch on the
propeller and a matching speed of revolution. This propeller curve is designed with a sea
margin of about 15 % this is to account for the fouling of hull and propeller and an
increase of resistance due to high wind, waves and currents. One sixth of the journey is in
calm waters with little change in resistance in the form of waves. This report will
investigate the possibility of a more fuel efficient propeller curve for sailing in calm
waters. This is done by reducing the sea margin to increase the load on the propeller and
engine. This will raise the combustion pressure and this will have a positive effect on the
engines efficiency. The rise in efficiency is at the cost of extra power at the given rate of
revolution. This means less power for increased load by waves and less power for
accelerations meaning acceleration will be slower.
The report will cover all the relevant theory such as the losses and efficiencies of a
diesel engine and friction theory. The methods of taking all the necessary data for
the calculations are explained as well.
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 3 af 44
Resume Passagerskibet Crown Seaways fra rederiet DFDS sejler mellem København og Oslo. Turen
varer ca. 17 timer, hvorefter den ligger i havn i syv timer. Ud af turens 17 timer foregår
fem af dem indenskærs. Rapporten vil forsøge at belyse muligheden for at optimere
driften af skibet. Skibets fremdrivnings system består af fire hovedmaskiner, der er koblet
sammen af et reduktionsgear i to par. Skibet er udstyret med to CPP’er propeller med
variable stigning. Motorerne og propellerne bliver styret af kombinater kurver. Der er tre
propellerkurver, en propellerkurve til manøvre i havn, en propellerkurve med en motor
på hver aksel og én med to motorer. På broen styres skibets fremdrivning på et håndtag
med ti stillinger frem og ti stillinger bak. En stilling på håndtaget svarer til et bestemt antal
omdrejninger og en bestemt stigning, der er styret af propellerkurverne. Dette giver en
vis belasting på hovedmaskinerne. Kurverne er lavet sådan, at der er taget højde for
belastnings forøgelser i form af høje bølger og modvind. Denne margin for belastnings
ændringer kaldes en sø margin. Rapporten vil belyse mugligheden for, at reducere denne
sø margin mens skibet er i rolige farvande. Det vil sige, at der skal laves en ny kombinater
kurve til indenskærs brug. Fordelen ved dette er, at skibet kan opnå højere effektivitet
ved at hæve det effektive middeltryk på hovedmaskinerne. Rapporten beskriver den
grundlæggende teori bag mine målinger og beregninger, før selve analysen af målingerne
og beregningerne finder sted.
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 4 af 44
Indholdsfortegnelse Abstract ...................................................................................................................................... 2
Resume ....................................................................................................................................... 3
Nomenklaturliste........................................................................................................................ 6
Forord ......................................................................................................................................... 6
Indledning .................................................................................................................................. 6
Læsevejledning ........................................................................................................................... 7
DFDS Crown Seaways ................................................................................................................. 7
Nylige optimeringer ................................................................................................................... 7
Hovedmaskine 2 ......................................................................................................................... 8
Problemstilling ........................................................................................................................... 8
Problemformulering ................................................................................................................... 8
Afgrænsning ............................................................................................................................... 8
Metode ....................................................................................................................................... 8
Teorifelt .................................................................................................................................... 10
Effekter og tab i fremdrivning .................................................................................................. 10
Tilført effekt ............................................................................................................................. 10
Varmetab.................................................................................................................................. 11
Den indicerede effekt ............................................................................................................... 11
Friktions tab ............................................................................................................................. 11
Effekt leveret til skruen ............................................................................................................ 12
Tab i skruen .............................................................................................................................. 12
Effekt leveret til vandet ............................................................................................................ 12
Skibets godhedsgrad ................................................................................................................ 13
Oversigt over effekt, tab og virkningsgrader ........................................................................... 14
Friktion ..................................................................................................................................... 15
PI diagrammer .......................................................................................................................... 16
Teoretisk PV diagram ............................................................................................................... 16
Det faktiske PV diagram ........................................................................................................... 17
PV diagrammet ......................................................................................................................... 17
PA diagrammet ......................................................................................................................... 18
Motor belastningsdiagram og Sø faktor .................................................................................. 19
Målinger ................................................................................................................................... 21
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 5 af 44
Diesel Doktor ............................................................................................................................ 21
Opsætning ................................................................................................................................ 21
Program opsætning .................................................................................................................. 23
Maihak ...................................................................................................................................... 24
System beskrivelse ................................................................................................................... 25
Elektrisk styresystem ................................................................................................................ 25
CPP ........................................................................................................................................... 26
Propeller ................................................................................................................................... 26
Hydraulik .................................................................................................................................. 27
Hovedmaskiner ........................................................................................................................ 28
System tegning ......................................................................................................................... 29
Driftsprofil ................................................................................................................................ 30
Driftsanalyse ............................................................................................................................. 30
Analyse af drift i Oslofjorden ................................................................................................... 31
Sikkerhed og lovgivning............................................................................................................ 33
Risiko vurdering ........................................................................................................................ 33
Lovgivning ................................................................................................................................ 34
Sikkerheds foranstaltninger ..................................................................................................... 35
Optimering ............................................................................................................................... 35
Del Konklusion .......................................................................................................................... 37
Propeller virkningsgrad ............................................................................................................ 38
Konklusion ................................................................................................................................ 40
Perspektivering ........................................................................................................................ 41
Litteraturliste............................................................................................................................ 42
Bilag .......................................................................................................................................... 43
Bilag 1 Test resultater for cylinder A1 og B1 ............................................................................ 43
Bilag 2 Målinger fra test 1 ........................................................................................................ 44
Bilag 3 Målinger fra test 2 ........................................................................................................ 44
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 6 af 44
Nomenklaturliste KMW – KaMeWa
SFOC – Specifik fuel oil consumption
TDC – Top Dead Center
BDC – Bottom Dead Center
ECR – Engine Control Room
CPP – Controllable Pitch Propeller
FPP – Fixed Pitch Propeller
PLC – Programmable Logic Controller
OD – Oil Distribution
MGO – Marine Gas Oil
HFO – Heavy Fuel Oil
MIP – Mean Indicated Pressure
MEP – Mean Effective Pressure
POW – Power
Pmax – Maks tryk
VIT – Variable injection timing
SMS – Safety Management System
Forord Bachelorprojektet er skrevet i praktikperioden ombord på DFDS Crown Seaways som et
afsluttende led af maskinmesteruddannelsen. Rapporten er skrevet med råd og
vejledning fra de ombordværende maskinmestre samt underviserer fra Aarhus
maskinmesterskole. Projektet har til formål at vise min tekniske forståelse af de systemer,
som jeg har arbejdet med. Jeg er blevet inspireret til af de ombordværende maskinmestre
til at skrive om det valgte emne.
Indledning Formålet med denne rapport er at undersøge muligheden for at forbedre skibets
fremdrivning, ved optimering af fremdrivnings maskineri. Rapporten starter med en
problemstilling, som gør udgangspunkt i en problemformulering, efterfuldt af en
afgrænsning. Derefter vil jeg gennemgå relevant historisk og teoretisk baggrund, som kan
hjælpe med at forstå rapporten egentlige indhold. Derefter vil jeg gennemgå den
dataindsamling, som jeg har fortaget mig og lave en driftsanalyse af den nuværende drift.
Ud fra Driftsanalysen vil rapporten indeholde nogle beregninger, der beviser en mulig
drifts forbedring samt usikkerhed og mulige fejlkilder i beregningerne. Mulighederne for
at implementere driftsforbedringerne vil også blive beskrevet. I Den endelige konklusion
vil eventuelle drifts forbedringer samt fordele og ulemper blive belyst.
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 7 af 44
Skibet Crown Seaways sejler færgefart mellem København og Oslo. Der er afsejling kl
16.30 hver dag og ankomst 9.30, det giver en tur hen over natten på 17 timer. Der er 275
nm mellem København og Oslo. Det giver 16,2 knob, for at kunne nå turen på den
anslåede tid. Crown Seaways har en design fart på 22.5 knob.
Fremdrivningssystemet består af 4 hoved motorer. Hovedmotorerne fungerer i par, koblet sammen af et reduktions gear. For enden af hver aksel sidder en CPP, styret af et KaMeWa system. Dette system "fortolker" et frem signal fra broen til et bestemt omdrejnings tal på akslen samt en stigning på propellerbladene. Dette forhold mellem omdrejninger og stigning på propeller bladene er styret af propellerkurver. De nuværende kurver giver et maksbelastning på hovedmaskinerne på 74 %.
Læsevejledning Rapporten starter med en problemstilling der er baggrund for min problemformulering.
Derefter vil der være et teorifelt, der beskriver den teoretiske viden bag min data
indsamling samt beregning og analyse af disse. Derefter kommer hoved delen af
rapporten, hvor jeg beskriver min data indsamling samt selve analysen af den indsamlede
data. Denne analyse samt vurderinger omkring vedligehold og driftssikkerhed bliver til
den endelige konklusion, der besvarer problemformuleringen.
DFDS Crown Seaways Kølen på skibet Crown of Scandinavia blev lagt i Kroatien i 1991 og søsat i 1994. Skibet
blev oprindelig bestilt af rederiet Euroway, og skulle sejle under navnet Frans Kockum,
men kom aldrig i drift. Skibet blev efter søsætning sejlet til Italien, hvor den blev
færdigbygget. DFDS købte den 2. maj i 1994 skibet og det blev endelig leveret den 11.
juni 1994. Hvorefter den blev sejlet til Tyskland, hvor der blev etableret ekstra opdrift i
agterskibet for at forbedre skibets stabilitet. Den 26. juli 1994 blev hun døbt Crown of
Scandinavia og sejlede færgefart mellem København, Helsingborg og Oslo. I oktober 2006
ophørte anløbningen af Helsingborg, af økonomiske årsager, og skibet har efterfølgende
sejlet den rute hun gør i dag.
Nylige optimeringer
Skibet har været under flere ombygninger siden 1994. Den mest interessante for
projektet er en udskiftning sf skruerne fra stål til en aluminium-bronze legering. De nye
skruer har givet en stor besparelse i brændstof forbruget. De nye skruer har dog også
taget skibet ud af is klassen, samt reduceret den tilladte akseleffekt til 6700 kW pr. aksel
grundet styrken af selve skruerne. Dette er ikke nogen udfordring så længe, der køres
med en hovedmaskine på hver aksel, da vores maskiner har en max effekt på 5940 kW.
Grænsen kan dog overskrives med to hovedmaskiner på hver aksel.
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 8 af 44
Hovedmaskine 2
Den 27. april 2014 harverede hovedmaskine 2 ombord på Crown of Scandinavia.
Harveriet skete i Kattegat. Skibet drev i 30 min., hvorefter situationen var under kontrol,
og skibet kunne ved egen kraft sejle videre. Skibet sejler normalt med to hovedmaskiner,
og en tredje hvis vejr forholdene kræver, det så skibet nåede i havn, uden store
forsinkelser. Hovedmotor to er stadig under reparation.
Problemstilling Jeg vil som så mange andre undersøge mulighederne for at reducere skibets
brandstofforbrug af økonomiske og miljømæssige årsager. Dette er en af de store
driftsmæssige omkostninger på et skib, hvilket der gør at der har og vil der altid være
meget fokus på dette område. Opgaven ligger i at finde en balance mellem drift sikkerhed
og høj effektivitet. Sikkerhedsmæssigt skal Søfartsstyrelsens regler overholdes, samt
DFDS´s regler omkring motorbelastning ligeledes overholdes. Her kan det være værd at
undersøge om man, under de rigtige forhold, kan belaste maskinerne på en anderledes
måde med henblik på reducering af brandstofforbruget.
Problemformulering
Kan man operere skibet anderledes?
Kan man optimere propellerkurverne til højere effektivitet i rolige farvende?
Hvilke krav er der fra rederiet og myndigheder til sikker drift?
Afgrænsning
Eventuelle besparelser vil blive oplyst i SFOC
Målinger og beregninger vil blive lavet ud fra en af hovedmaskinerne
Metode Rapporten vil have grundlag i bachelor praktikken ombord på Crown Seaways. Data brugt
i denne rapport vil være fra Crown Seaways eget arkiv samt indsamlede data fra bachelor
praktikken. Den indsamlede data vil danne grundlag i en driftsanalyse af skibet.
Driftsanalysen og i rapporten beskrevet teori vil være grundlag for beregninger, der
belyser en mulig driftsoptimering. Beregningerne samt overvejelser omkring sikkerhed vil
danne baggrunden for den endelige konklusion.
Mine tanker omkring dette projekt er at sænke omdrejningerne på hovedmaskinerne
og hæve stigningen på propellerne. Dette vil hæve forbrændingstrykket inde i
motorerne samt motorens virkningsgrad. På moderne motorer, ofte
krydshovedmotorer, kan man ved dellast opnå større forbrændingstryk ved at rykke
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 9 af 44
indsprøjtningstidspunktet til lidt tidligere. Dette betyder at forbrændingen starter
tidligere, hvor volumen i forbrændingskammeret er mindre. Dette giver det højere
forbrændings tryk. Det gøres ved hjælp af et VIT system, som fungerer ved at man
sænker eller løfte hele pumpehuset på brændoliepumperne. Herved ændres
tidspunktet hvor kammen har kontakt med pumpens stempel. På motorer med
elektronisk indsprøjtning kan dette reguleres i styrringssystemet.
Indsprøjtningstidspunktet kan også reguleres på Crowns motorer, men ikke under
drift. Dette fungere ved at man fjerner eller tilføjer shims under pumpehuset, som
igen har samme effekt som et VIT system. Når man sejler i åbent farvand, kan
modstanden i fremdrivningen stige på grund af bølger og modvind. Derfor regner
man med en sø faktor. Begrebet sø faktor er forklaret i kapitlet på side 19. En
femtedel af skibets rejse foregår indenskærs i rolige farvande. Derfor vil jeg
undersøge muligheden for at sænke denne sø faktor, som kan beskrives som en
reservering af kraft til belastningsændringer i form af bølger. For at gøre dette har
jeg overvejet sikkerheden i det at sænke denne sø faktor. Deriblandt også hvilken
lovgivning og eventuelle firmapolitikker, der er omkring emnet. Dette er beskrevet i
kapitlet Sikkerhed og lovgivning på side33. Først og fremmest vil jeg ved målinger
med Diesel Doktoren, som er beskrevet i afsnittet Diesel Doktor side 21, belyse den
nuværende drifts situation. Målingerne tages i en drifts situations i Oslofjorden med
stille vejr og en fart på 16,2 knob. Denne fart er den nominerede fart for at nå de 275
nm mellem København og Oslo på 17 timer. Den nuværende driftsprofil er beskrevet
i afsnittet Driftsprofil på side 30. Formålet med målingerne er at finde ud af, hvad det
nuværende forbrændingstryk er. Disse målinger vil fortælle, hvor tæt på det
maksimale forbrændingstryk motoren er. Disse tal vil danne grundlag for vurdering
af en eventuel ændring i motorens belastning samt senere beregninger.
Målingerne er taget over en kort periode på rejsen i fjorden. Det giver et statisk billede af
driftssituationen. Beregningerne i denne rapport er baseret på dette statiske billede af
driftssituationen. Ideelt vil en række målinger ved forskellige vejrforhold give et mere
dynamisk resultat. Disse tal vil også kunne fortælle noget om hvor stabil eller ustabil
driftssituationen er.
For at danne et billede af hvor stabil forbrændingstrykket er, er der lavet en række
målinger af max tryk og det indicerede middeltryk. Målingerne er foregået over ti min., og
resultaterne tages med i vurderingen af, hvor meget forbrændingstrykket forsvarligt kan
hæves. Vurderingen laves af statiske målinger, der giver et billede af en mulig besparelse.
Her vurderes ud fra deviationen på de målinger der er taget med Diesel Doktoren.
Målingerne er taget på en dag, som er vurderet til at være mild i vejret. Her bør man ved
fremtidige målinger observere og notere vind styrke og vinkel samt strømforhold under
prøvetagning. Eventuelt ved en mere effektivt data indsamlingsmetode. Et eksempel
kunne være en data opsamling på tid, hvor man efter målinger er taget kan sammen
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 10 af 44
holde data fra samme tidspunkt. Data indsamling med Diesel Doktoren er begrænset af
max temperaturen på tryktransmitterne på 300oC, som ikke må overskrides i mere end ti
min. Derfor kan man komme i problemer ved høje belastninger, hvor
udstødningstemperaturen stiger.
Målingerne med Diesel Doktoren fortaget i forbindelse med denne rapport, blev ikke
taget på korrekt vis. Når man tilslutter Diesel Doktoren til indikatorhanerne, skal det som
standart procedure gøres fra svinghjulets side. Jeg har gjord det fra modsatte side. Dette
gør at nummereringen af cylindrene er forkert, med derudover er målingerne korrekte.
Det vil sige, det ikke har betydning for rapporten. Det er efterfølgende erfaret at man kan
reversere denne rækkefølge som en del af opsætningen, inden prøven tages. Dette
medvirker til at fremtidige målinger sikrer, da målekabler ellers skal hænge hen over
koblingen på hovedmotoren.
Ud fra fabrikstesten er der lavet en analyse, hvorved der bevises en forbedring af
virkningsgraden ved højere forbrændingstryk. I rapporten er der lavet en sammenligning
mellem stigning i effekt ved konstant omdrejningstal og virkningsgraden. Dette bruges til
en vurdering af effektiviseringen. Før konklusionen overvejes belastningsændringernes
indvirkning på propellerne.
Teorifelt Herunder vil den relevante teori blive beskrevet blandt andet friktions teori samt tab og
virkningsgrader i motoren. Dette er ikke en del af min konklusion, men bagrund for mine
beregninger og beslutninger, samtidig har den til formål at sikre bedre forståelse af
rapporten.
Effekter og tab i fremdrivning
Tab i fremdrivning er forholdet mellem den energi, der er i brændolien og den energi, der
bliver leveret til vandet. På Figur 2 side 14 ses en oversigt over effekter, tab og
virkningsgrader i fremdrivningen.
Tilført effekt
Den ind fyrrede effekt er den energi, der er i brændolien, altså brændværdien.
Brændværdien er defineret som den varme, der frigøres ved fuldstendig forbrænding, af
en enhed af et brændbart materiale. Brændværdien er delt op i en nedre og en øvre
brændværdi. Mange brændstoffer indeholder også vand. Den del af brændstoffet, som er
vand, trækker energi ud af forbrændingen til fordampningsvarmen. Den øvre brændværdi
tager ikke højde for fordampningsenergien, hvorimod den nedre brændværdi er
fratrukket energien, som går til fordampning. Det vil sige, at den nedre brændværdi altid
er lavere end den øvre. Brændværdien kan bestemmes matematisk eller eksperimentelt.
Ved brug af et bombekaloriemeter, som er et termisk isoleret forbrændings kammer, kan
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 11 af 44
man bestemme brændværdien eksperimentelt. En given mængde brændstof er brændt af
og forskellen i temperaturen er målt. Dette kan bruges til beregning af brændværdien. På
et laboratorie kan brændstoffets kemiske sammensætning fastsættes. Brændværdien kan
derefter beregnes ud fra viden om de enkelte deles varmefrigivelse ved den kemiske
proces, der foregår i forbrændingen, altså brændværdien. De enkelte brændværdier
ligges sammen og fratrækkes den energi som går til fordampningsvarmen for
vandindholdet i brændstoffet. (Lauritsen & Eriksen, 2012, s. 221-24)
Varmetab
Den termiske virkningsgrad i motoren er forholdet mellem den tilførte effekt og den
effekt, der er afleveret til stemplerne, altså den indicerede effekt. På 4 takts maskiner er
mellem 75 og 45 % af den tilførte effekt er tab i for af varmeenergi. På to takts maskiner
er tabet nede på omkring 35 %. Varmetabet sker i form af:
Udstødningsgas
Kølevand
Køling af smøreolie
Strålevarme fra motoren.
De fleste kan beregnes med nedenstående formel.
P m c t
Eksempelvis massen af udstødningsgas gange dens specifikke varmefylde gange forskellen
i temperatur på den tilførte luft og udstødningsgassen. Hvorimod Strålevarmen ikke let
kan beregnes, men denne udgør kun en lille procentdel af det samlede varmetab. Meget
af varmetabet bliver brugt til andre formål. Et eksempel er udstødnings kedler til
dampproduktion. Man kan argumentere for at dette ikke medregnes for et reelt tab, men
når det handler om at øge fremdrivningens effektivitet er det et tab. (Kuiken, 2008, s. 50-
52)
Den indicerede effekt
Den indicerede effekt er den tilførte effekt fratrukket varmetabet i motoren, også kaldet
nytteeffekten. Den indicerede effekt kan beregnes ud fra PI diagrammer på de enkelte
cylindre på motoren.
Friktions tab
Den mekaniske virkningsgrad på en motor er forholdet mellem den indicerede effekt og
bremse effekten, altså den effekt, som måles på akslen lige efter motoren. Der er dog
også friktionstab i kobling, gear, tryk og bærerlejer osv. Dog er der på mange store
motorer ikke gear eller kobling. Dette har også en virkningsgrad, som er forholdet mellem
bremse effekten og den effekt, der leveres til skruen. Friktionstab opstår alle de steder i
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 12 af 44
drivlinjen, hvor to medier bevæger sig i forhold til hinanden. Den yderligere årsag til
friktionstab er beskrevet senere i kapitlet om friktion.
Effekt leveret til skruen
Effekten, der leveres til skruen, er den effekt er den tilførte effekt fratrukket det termiske
tab og det mekaniske tab. Hvis denne effekt holdes sammen med den tilførte effekt fås
den økonomiske virkningsgrad. Det kommer sig af at man bruger det specifikke brændolie
forbrug pr kWh som udgangs punkt i optimeringer. Den effekt kan nemlig nemt måles.
Dette giver også en rigtig god indikation om de eventuelle tiltag har en effekt på driv
linjens virkningsgrad. Det forholder sig dog ikke til sømil pr kW, som er den enhed man
bør bruge, hvis man ændre på skrog udformning eller andre udvendige tiltag.
Tab i skruen
Tabene i skruen er et meget stort og kompliceret emne. Det har meget med blandt andet
flowforhold omkring skruen og modstand i skroget at gøre. En skrue har også et slip, det
sker fordi vandet giver efter og skaber et flow bagudrettet. Hvis nu det antages at vandet
var stift, ville skibet bevæge sig med stigningen gange omdrejningerne på propellerne.
Slippet i skruen har også meget at gøre med farten på det vand som den bevæger sig i.
Slippet er også større når skibet accelererer. Lad og sige at skibet holder stille og starter
op i fuld frem, i starten vil det vand skruen løber i have meget lav fart i forhold til den
teoretiske fart på skruen. Dette vil sige, at slippet i skruen er meget stor. På det tidspunkt
hvor farten bliver stabil vil den effekt, der bliver leveret til skruen være lig med skrogets
modstand og slippet i skruen på dette tidspunkt vil slippet også være mindst (MAN Diesel
& Turbo, 2011, s. 20-21).
Effekt leveret til vandet
Den effekt, der leveres til vandet kan måles ved pæletræk. Effekten måles ved at man
måler trækkræften mellem skib og fast punkt på land. Denne metode anvendes dog mest
på slæbebåde, fiskeskibe og andre mindre fartøjer. Ved større fartøjer bestemmes dette
ved beregninger.
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 13 af 44
Figur 1 Forklaring af kræfter og effekter i skibet (MAN Diesel & Turbo, 2011, s. 14)
Skibets godhedsgrad
Den effektive effekt er vist på Figur 1. Skibets godhedsgrad er forholdet mellem Effekten
leveret til vandet og den effektive effekt. Denne virkningsgrad kan ligge over 1. Hvilket
umiddelbart virker underligt. Den effekt som skruen aflevere til vandet er mindre end den
effektive effekt. Det er fordi at den effektive effekt er den effekt, som skal til at trække
skroget igennem vandet. Her har skruen ingen indvirkning. Men når skruen skubber
skroget suger den vand foran sig. Dette sug ændre på modstanden i agter enden af
skroget i en negativ retning. Men kan på en simpel måde sige at skruen suger i skroget.
Hvilket vil sige, at den kraft som skruen aflevere til vandet, skal være lig det sug som den
selv laver, samt skrogets egen modstand. Derfor vil man i nogle tilfælde kunne se en
virkningsgrad på mere end 1. Dette kan også ses i formlen for T, som beskriver kræften
skruen aflevere til vandet. 1
RT
t
I en ideel situation ville modstanden skulle være lig den påvirkende kræft ved konstant
fart. Altså T R (MAN Diesel & Turbo, 2011, s. 14-16)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 14 af 44
Oversigt over effekt, tab og virkningsgrader
Dette diagram viser, hvor de forskellige tab finder sted, og hvad de forskellige
virkningsgrader fortæller noget om.
ilført effekt i formaf brændolieoP T
Varmetabimotorentermisk tabP
IndiceredeeffektiP
Friktions tabimotorenmekanisk tabP
bremseeffektbP
Friktions tabigear ogakselmekanisk tabP
Effekt leveret tilskruensP
tabi formaf slipiskruentabi skrueP
Effekt leveret til vandetTP
i
,m motor
, &m gear aksel
s
tot
motor
g
EffektiveffektEP
, forskellige tabsomeffekt af skrogetsformtab skrogP
Figur 2 Effekt, tab og virkningsgrader i fremdrivning (Forfatters eget arkiv)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 15 af 44
Friktion
Fiktion i en maskine opfattes både som en fordel og en ulempe. Friktion i lejer generere
varme, som er tab. Friktion i en kobling, der skal få to roterende dele til at opnå samme
hastighed, er en god ting. Så jo større
friktion i lejer jo mere tab, og jo større
friktion i koblinger, bremser osv. Jo
bedre.
Hvis vi kikker på friktion fra bunden af.
Som vist på Figur 3 ses legeme på en
vandret overflade. Her opstår ingen
friktion, da der ingen bevægelse er i
legemet. De eneste kræfter, der påvirker legemet er tyngde kræften og normal kræften.
Hvis man ser på Figur 5 er underlaget
tiltet en smule, og der vil hermed opstå
friktion. Friktionen er markeret ed en
sort pil, og tyngdekræften er delt op i
en x og y del i forhold til underlaget.
Det vil sige at den kraft, der virker
direkte ned på underlaget er mindre
ligesom normalkræften der virker
modsat. Dette er repræsenteret af y
delen af tyngde kræften. X delen af
tyngdekræften har derimod rettet sig
ned af planet. Dette ville resultere i en bevægelse, hvis ikke legeme og underlag havde
friktion mellem sig. Dette er ikke en kræft, der kan måles, men er bevist af Newtons
anden lov. Denne lov beskriver at et
legeme med en masse m og en
resulterende kræft F vil accelerere med
accelerationen a. Vores legeme
accelerere ikke, derfor må den
resulterende kræft være lig nul. Hvilket
viser at der må være en modsatrettet
og lige så stor friktionskræft. Denne
form for friktion kaldes statisk friktion,
da der ikke forekommer bevægelse
mellem legeme og underlag. Dette er
samme princip som en kobling fungere
efter. Her gelder det om at have så stor
friktion som muligt mellem legemer.
Figur 3 Friktion (Forfatters eget arkiv)
Figur 5 Friktion (Forfatters eget arkiv)
Figur 4 Friktion i bevægelse (Forfatters eget arkiv)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 16 af 44
På Figur 4 ses et legeme i bevægelse, her ses det at x delen af tyngdekræften, der virker i
planets retning, er større end friktionskræften Fg dette resultere i en resluterende kræft.
Denne kraft giver en accereletion. Dette kaldes dynamsik friktion, altså friktion i
bevægelse. Hvilket bevirker at et legme i bevægelse vil bremse op hvis ikke en kræft, der
er lige så stor som friktionskræften opretholdes i modsatte retning. (Nielsen & Nielsen,
2002, s. 77-79)
PI diagrammer
PI (Pressure Indikator) diagram måler tryk i forhold til
volumen eller vinklen på krumtappen. PI diagrammer tages
på toppen af stemplet som vist på Figur 6. Det teoretisk
ideelle PV (pressure Volume) diagram er vist på Figur 7.
Teoretisk PV diagram
1. BDC. Bottom Dead Center. Her er stemplet i bund,
og skal til at lave sin kompression. I den ideelle verden
udføres kompressionen Isentropisk. Det vil sige en
adiabatisk reversibel proces, der forløber uden
varmeveksling med omgivelserne.
2. TDC Top Dead Center. Her er stemplet i toppen af sin
kompression. Her er tryk og temperatur steget til den maksimale inden brændstoffet
indsprøjtes. Nu skal stemplet til at lave sit arbejdes slag. Fra punkt 2 til 3 foregår der en
ren Isobar proces, i den ideelle verden. Det vil sige at
trykket holdes i takt med, at stemplet trækker sig tilbage.
3. Her er forbrændingen ovre og resten af
arbejdsslaget foregår igen i en Isentropisk proces igen.
4. Her vil der ske en Isokorisk proces hvor under
konstant volumen røggassen vil udstødes indtil temperatur
og tyk er ved udgangspunktet.
Stemplet er nu klar til at gentage en ny cyklus. Dette
gælder dog kun for 2 takts motorer. For 4 takts motorer er
der en cyklus, hvor kompressionen er erstattet med
udstødning, og arbejdsslaget er erstattet en indsugning. (Lauritsen & Eriksen, 2012, s.
190-191)
Figur 6 Indikatorhane placering (Forfatters eget arkiv)
Figur 7 Teoretisk PV diagram (Lauritsen & Eriksen, 2012, s. 63)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 17 af 44
Det faktiske PV diagram
Den entelige proces ser dog en del
anderledes ud. På Figur 8 ses et PV
diagram for en 4 takts motor. Her
skitseres også den fulde 4 takts
cyklus med kompressions takten,
arbejdes takten, udstødnings
takten og indsugnings takten.
Indsugning og udstødning på dette
PV diagram ligger ved atmosfærisk
tryk, derfor er denne motor uden
turbolader. Hvis motoren havde
turbolader ville man se
Udstødning og indsugning ligge
mellem 0,5 og 3 bar over
atmosfæretryk. Grunden til den
ændrede udseende er hovedsageligt fordi, at processerne ikke sker adiabatisk, hvilket
betyder at der er en varmeudveksling med omgivelserne.
PV diagrammet
PV diagrammet bruges til at bestemme
det indicerede middeltryk. Dette gøres
ved at måle arealet af det felt indikeret
af a på Figur 9. Arealet under den
nederste linje fra BDC til TDC
repræsenterer kompressions arbejdet.
Oven i dette ligger vi den tilføjelse af
energi i form af varme. Dette er
repræsenteret af den øverste linje fra
TDC til BDC. De to arealer trækkes fra
hinanden og arealet a beregnes. Rent
matematisk fungerer det ved at integrere
arealet under den nederste del af
diagrammet og arealet under den øverste del af diagrammet og derefter trække dem fra
hinanden. Dette er den positive energi, som ender som effekt på akslen. Dette diagram er
tit refereret til som et banandiagram.
Figur 8 Det reelle PV-Diagram (Kuiken, Diesel Engines I, 2008, s. 56)
Figur 9 Bestemmelse af det indicerede middeltryk (Kuiken, Diesel Engines I, 2008, s. 57)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 18 af 44
PA diagrammet
PA (Pressure Angle)diagram er meget ligesom PV diagrammet. Her er volumen erstattet
med vinklen på krumtappen. På PA diagrammet vil det være nemmest at overskue tryk
ændringer. Her kan man også se
antændingstidspunktet, da der vil være
en pludselig trykstigning. På Figur 10 ses
et pa diagram hvor
indsprøjtningstidspunktet bliver
tydeliggjort. Indsprøjtningen sker lige før
TDC, så brændolien kan nå at fordampe
og være klar til antænding kort efter
TDC.
Figur 10 PA diagram (Kuiken, Diesel Engines I, 2008, s. 56)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 19 af 44
Motor belastningsdiagram og Sø faktor Sø faktoren er til for at give
overskudskraft til
situationer med belastnings
ændringer. På Figur 12 ses
et diagram, der typisk vil
bliver opstalt ved
dimensionering af en motor.
Her har man ud fra
beregninger eller test fra
modeller af skibet beregnet
den nødvendige kraft, der
skal leveres til vandet for at
opnå den ønskede
hastighed. Ud fra denne
beregning laves en
propellerkurve. Denne
propellerkurve er ved et
rent skib i roligt farvand
uden bølger og modvind
kurven vises på Figur 12
som nummer 6. Her ligger
propellernes design punkt. I
det her tilfælde er der tillagt
en 15 % sø margin. Det giver
en lavere hastighed på
skruen på 5 %. Her ligger der
en propellerkurve parallel
med den første. Dette er
kurven for en tungere
belastet propeller. Her ved
samme omdrejningstal som
propellernes design punkt
ligger fremdrivningens
service punkt, altså det punkt
man regner som værende
det højest kontinuerlige
driftspunkt medregnet et
tilgroet skrog og dårlige vejr forhold. Oven i dette ligger man ofte en motor margin på 10
%. Det punkt, som er markeret med MP på Figur 12, repræsenterer den højeste effekt
Figur 12 Diagram over krav til motor (MAN Diesel & Turbo, 2011, s. 28)
Figur 11 Motor belastnings diagram (MAN Diesel & Turbo, 2011, s. 30)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 20 af 44
motoren kontinuerligt kan levere. Linjen fra L3 til L1 og fra L4 til L2 repræsenterer linjer
med konstant effektivt tryk. Det vil sige forholdet mellem omdrejninger og effekt stiger
med en faktor på 1. Linjerne fra L4 til L3 og L2 til L1 repræsenterer konstant omdrejning
på propeller og motor. Propellerkurverne stiger med en faktor 3 i forhold til
propellerloven 3
BP c n . Ud fra kravene til motorens omdrejninger og ydelse vælges
motoren hvis belastnings diagram ses på Figur 11. Det grønne felt, omgivet af linjerne
4,5,7 og 3 er det felt hvor motoren kontinuerligt kan operere. På Figur 11 Motor
belastnings diagram er propellerkurven for en hårdt belastet skrue (1) og en let belastet
skrue (6) tegnet ind. Linjen 2 som er den hårdt belastede propeller kurve går gennem
motorens maksimale output. Linje 3 repræsenterer maksomdrejninger for motoren. Linje
4 er maksimale effekt ved et givent omdrejningstal. Ved højere effekt vil luft overskuddet
ikke længere være stort nok til at garantere en god og effektiv forbrænding. Dette vil have
indvirkning på det moment motoren kan levere ved det fastsatte omdrejninger.
Overskrides dette punkt kan det ske at forbrændingen fortsætter ud gennem
udstødningen eller at dele af brændolien bliver udstødt u forbrændt. Dette giver et stort
effekttab og et stort slid på udstødnings ventil og ventilsæder. Linje 5 repræsenterer det
maksimale effektive middeltryk. Efter punktet M kan hastigheden på motoren og
propeller hæves uden stigende effekt. Linje 9 er hertil at skibet er testet ved skibets første
søsættelse. Her er det ofte den mekaniske eller elektriske guvener vil stoppe
brændstoftilførslen til motoren og dermed tage den ud af drift. Mellemrummet mellem
linje 2 og 4 på Figur 11 er et udtryk for det kræftoverskud, der skal til accelerationer og
andre belastningsændringer. Her kan lavt vand have effekt på propeller belastningen. Det
vil sige at hvis vi flytter linje 2, altså kurven for en højt belastede propeller tættere på linje
4 vil eventuelle accelerationer blive træge. Dette skyldes at det kræftoverskud, der er til
at accelerere hele drivlinjen, formindskes og motoren skal først opbygge omdrejninger,
før turboen kan generere større luftoverskud til den forøgede forbrænding, der skal
foregå ved accelerationen. Oftest har skibe i dag en elektrisk guvener med belastnings
begrænsning. Det vil kunne fungere, ved at guveneren måler på luft trykket og
sammenholder det med motorens omdrejninger. Den kan også måle på
brændoliepumpens indeks i forhold til motorens omdrejninger, altså egentlig måler den
moment i forhold til omdrejninger. Ud fra disse målinger kan den elektriske guvener
reducere brændoliepumpens indeks, indtil luftoverskud og omdrejninger igen tillader
stigninger. Dette forklarer også, at man i skibets propellerkurve til manøvrering hæver
omdrejningerne i forhold til skruestigning, da det giver stort kræftoverskud til ændringer i
belastning. Det grønne areal på Figur 11 begrænset af linje 4,5,7 og 3 kan i nødstilfælde
overskrides ud i det røde felt for en kort stund, ind til belastningen når linje 8 hvor
motoren vil blive taget ud af drift på grund af overlast. Dette gøres ved at man fjerne
belastnings begrænseren fra den elektroniske guvener. Propellerne er designet efter at
fungere bedst ved et rent skib og propeller samt i roligt farvand. Derfor forringes
propeller virkningsgraden ved drift i kurven for højt belastet propeller altså ved høj sø og
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 21 af 44
begroet skib og propeller. Denne forringelse er dog lille i forhold til forbedringen i
motorens virkningsgrad ved denne ekstra belastning (MAN Diesel & Turbo, 2011, s. 27 -
31)
Målinger Dette afsnit beskriver det måleudstyr, der er brugt i forbindelse med rapporten.
Diesel Doktor
Diesel Doktor er det udstyr, som befinder sig ombord til performance test på diesel
motorerne. Måleudstyret består af DocHub e-932, som indsamler data fra
tryksensorerne, monteret på indikatorhanerne på maskinerne. Til DocHub er der også
koblet udstyr til at vise vinklen på krumtapakslen. DocHub’en fungere sammen med en
tablet (Toughpad) gennem Wireless LAN. Gennem det tilhørende program kan man
indsamle og analysere data, ligesom man ville kunne på et almindeligt PI- diagram. Til at
oprette det trådløse netværk har vi en almindelig trådløs router, hvor både DocHub’en og
tabletten er kobler sammen.
Opsætning
Da hovedmaskinerne er
af v konfiguration har
de en A og en B side.
Tilslutningen er
forklaret herunder på
Figur 13
A. Tilslutning til A
sidens indikatorhaner
B. Tilslutning til B
sidens indikatorhaner
C. Tilslutning til
vinkelvisning på
krumtapakslen
Figur 13 Opsætning af Diesel Doctor
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 22 af 44
Figur 14 viser tilslutningen
af tryktransmitterne på
indikatorkanerne. Før man
tilslutter
tryktransmitterne, er det
vigtigt at blæse
indikatorhanen af, ved at
åbne hanen i et par
sekunder. Dette er for at
undgå tilstoppede
indikatorhaner, der kan
have effekt på
målingerne.
Tryktransmitterne brugt til målingerne ombord, har en max temperatur på 300oC dette
kan dog godt overskrives hvis målingerne ikke tager mere end ti min. Selve studsen er
mellem 50oC og 70oC og derfor kan man montere alle tryktransmittere og lave
tilslutningen til DocHub’en uden at bekymre sig om temperaturer. Man først åbner for
indikatorhanerne, når man
er klar til at tage
målingerne.
Forbindelsen til visning af
krumtapaksel vinkel er vist
på Figur 15, hvilket er en
samle boks, der er fast
monteret. Dette gør det
nemt og risikofrit at lave en
tilslutning. Selve føleren er
en induktiv, føler der taster
på tastepunkter, som er monteret på svinghjulet.
Figur 14 Tilslutning af tryktransmittere på indikatorhaner
Figur 15 Tilslutning for Krumtapaksel vinkel visning
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 23 af 44
Program opsætning
Når programmet først bruges skal motorenes data
programmeres ind. Programmeringen omfatter alle de
data, man som normalt ville bruge til at lave
beregningerne. Derefter vil man kunne vælge den
pågældende motor, man vil teste på. Efter valget af
motor kan man vælge, hvordan man vil tage målingen.
Der er fire forskellige måle mugligheder.
1. Selected sycles: Her kan man vælge et bestemt
antal cyklus, man vil tage målingen over.
2. Cycle Median: Her tager den mediaværdierne
over en bestemt tidsperiode.
3. Cycle Adverage: Her tages gennemsittet af
målingerne over en bestemt tidsperiode.
4. Individual cycles. Her kan den sættes til at tage
for eksempel hver eller hver femte værdi eller hvilket
som helst interval man vælger. Dette gøres også over
tid, og her gemmes alle målinger. Dette giver nogle
store filer ved længere tids data indsamling.
Umiddelbart lige før målingen starter skal følgende
målinger tastes ind. Lade luft tryk for A og B banken.
Motorens belastning indtastes også i procent. Her har
jeg brugt brænd olie pumpens indeks som
belastningsgrad. Nu er Diesel Doktor programmet klar til at tage målingerne, og indikator
hanerne kan åbnes. Herefter startes målingerne ved at trykke ”Go”. Ved tidsbestemte
målinger stopper Diesel Doctoren selv, hvorefter man kan trykke ”Save” for at gemme de
sidste målinger. Herefter kan målingerne analyseres i programmet, og sammenlignes med
tidligere målinger.
Figur 16 Diesel Doktor program (Forfatters eget arkiv)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 24 af 44
Maihak
Maihak måleudstyret beregner effekten i akslen ved hjælp af to målinger. Den ene måling
er en præcis måling af omdrejningerne, denne fungerer ved en induktiv måler, der taster
adskillige gange på en omdrejning. Den anden måling er momentet i akslen. Det fungere
ved to vibrating string transmittere som er monteret mellem to akselringe.Transmitterne
kan registrere vriddet i akslen. dette er yderligere uddybet på Figur 17.
Figur 18 viser, at strengen bliver sat i svingninger, og at frekvensen af vibrationer er
afhængig af længden mellem støttepunkterne. Ombord på Crown Seaways er der to
effektmålings systemer Maihak og Brolich de fungere begge efter det samme princip.
Maihak er den mest præcise af de to.
Figur 17 Montering af de vibrerende strenge (Maihak)
Figur 18 Princip tegning på moment måling (Maihak)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 25 af 44
System beskrivelse Skibets fremdrivnings system er opbygget af fire hovedmotorer, af mærket S. E. M. T
Pielstick. I drivenden af hver motor sidder en kobling, som kobler hovedmotorerne
sammen i par, via et reduktions gear. Reduktionsgearene har en reduktion på 1 til 0,259.
På akslen, efter reduktionsgearet, er der monteret udstyr til effekt måling og omdrejnings
måling. Derefter er hydraulik styringen af propellerne, som er efterfulgt af et bæreleje,
inden akslen ender i stevnrøret og slutter i CPP propellerne.
De enkelte systemer er beskrevet mere detaljeret senere i rapporten.
Elektrisk styresystem
Det elektroniske styrer system (PLC) indsamler alle input og styrer alle output, ud fra
inputtene og propellerkurver. Altså foregår der en regulering, faktisk sker der to
individuelle reguleringer. Regulering af motorenes hastighed sker på bagrund af en
tilbagemelding om akslernes omdrejnings hastighed. Dette er styrret gennem
hovedmotorernes brændolie pumpe indeks, som er styrret af et 4-20 mA signal fra
PLC’en. Set punktet for denne styrring er bestemt af stillingen på et håndtag på broen
eller i ECR. Dette signal er omsat i propellerkurver til en stigning og omdrejnings
hastighed. For eksempel stilling ti frem på håndtaget svarer til 100 % omdrejninger på
akslerne ved, normal drift.
Reguleringen af propellerstigningen foregår ud fra en tilbagemelding fra OD boksen.
Styrersignalet til hydraulikken for propeller stigning er også et 4-20 mA signal. Set punktet
er styreret fra samme håndtag, som bliver fortolket af PLC’en, ud fra propellerkurven. For
eksempel så svarer stilling ti frem til 95 % stigning på propellerne i frem position.
Dette er kaldt kombinater kurver, altså håndtaget på broen og i ECR ændre på set punktet
for både omdrejninger på akslen og stigning på propellerne. Der er tre kombinater kurver.
En for normaldrift med en hovedmaskine på hver aksel. En for 2 hovedmotorer på en
aksel, hvor belastningen er hævet en smule. Og endelig en til havnemanøvre, hvor den
nederste grænse for omdrejningerne på akslen er hævet fra 56 % til 83 % dette giver stort
kræft overskud til store ændringer i belastninger ved manøvrer.
I stedet for at bruge kombinater kurverne kan man kører konstant omdrejninger. Her
hæves omdrejningerne på hovedmotorerne til 500 RPM, og nu er det kun set punktet på
propellerstigningen, der ændres.
Endelig kan omdrejninger og stigning styrres hver for sig i nødsituationer, hvis der opstår
problemer med styringen.
Alle belastningsændringer på maskinerne er styreret af et load increse control system.
Dette system styrer belastningen forøgelser på motorerne, så for store pludselige
belastninger ikke overbelaster hovedmaskinerne, og i sidste ende kobler ud.
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 26 af 44
CPP
Propeller
Vi starter fra propeller siden.
Propellerne kan styrres, hvilket
fungere hydraulisk. Selve
propellen består af et hub, som
huser styrermekanismen. På
hubben er der monteret et ende
dæksel og i dette tilfælde fire
propellerblade. Denne hub skal
være stærk, da den overfører
belastningerne fra
propellerbladene til akslen. Alt
dette er vist på Figur 19. Inden i
hubben er selve mekanismen, der
har fat i propellerbladene, det er
markeret med gul inde i hubben. I
enden af hubben sidder der et hydraulik stempel, som påvirker mekanismen der drejer
propellerbladene. Propellerbladene er boltet fast fra ydersiden på en flange, som sider på
indersiden. I denne flange sidder tætningen mellem flange og hub. Flangen har en
ekscentrisk stift, der har fat i en slæde, som sidder i driv mekanismen inden i hubben.
Servo stemplet som sidder i enden af hubben er forsynet gennem et rør inde i akslen. Det
er faktisk to rør det ene rør inden i det andet. Den grønne del på Figur 19 går på
ydersiden af stemplet og den røde del på indersiden.
Crown Seaways har skiftet propeller fra stål til en aluminium-bronze legering. Formen er
også skiftet på propellen fra formen vist på Figur 20.
Denne form og materielet har fordelene af at være
utrolig stærk. Dette har gjort at Crown tidligere har
været i is klassen. Bladene var også meget
modstandsdygtige over for træring fra kavitation.
Ulemperne ved denne form for propellerblade er den
store vægt, som der bliver et stort svinghjul som
motorerne skal trække. Bladene kan også medføre
vibrationer i skibet da, de enkelte blade ikke dækker
over særlig stort område. For eksempel er der tit højere
belastning på bladene i top end i bund eller omvendt alt
afhængigt skrogets form.
Figur 19 Propeller hub (Kuiken, 2008, s. 379)
Figur 20 Form på tidligere stål propellerblade (Kuiken, Diesel Engines II, 2008, s. 377)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 27 af 44
Figur 21 viser de nye propeller blade.
Fordelen ved disse blade er den kraftig
reduceret vægt på grund af den nye
form og materiale valg. Den længere
hale som propeller bladene har, gør at
bladene bliver udsat for forskellige
belastningsområder. Dette er med til at
skabe en mere jævn belastning og
mindre vibrationer. Ulemperne ved disse
nye propeller er at skibet er kommet ud
af is klassen. Her har man vurderet, at
det ikke længere vil være nødvendigt. På
grund af propellerbladenes styrke kan de
ikke belastes med mere end 6700 kW,
det vil sige når der er koblet to
hovedmaskiner på en aksel, skal
belastningen holdes under dette niveau. Det svarer ca. til stilling 9 ¾ på håndtaget ved
den tilhørende kombinater kurve. Grundet det forholdsvis bløde materiale som
propellerne er lavet af, er de mere udsatte for kavitering.
Hydraulik
Hydraulik stationen
består af to
hydraulik pumper,
der fungerer
uafhængigt af
hinanden. To
ventiler sender olie
ind på den ene side
eller den anden
side af stemplet, i
enden af propellen.
Ventilerne er
styrret af
magnetventiler, og
kan nødstyrres i tilfælde af svigt i kommunikationsvejen mellem broen eller ECR og
hydraulikstationen. Fra Hydraulikstationen vist på Figur 23 KaMeWa hydraulik station
ombord på Crown (forfatters eget arkiv)Figur 23 er der forbindelse til OD boksen, som er
vist på Figur 24 på side 28. OD boksen skaber den hydrauliske forbindelse til centrum af
akslen. Midt i akslen er røret, som leverer olie til den ene side af stemplet. Dette rør er på
Figur 21 Nye propeller blade af alu bronze (Kuiken, Diesel Engines II, 2008, s. 377)
Figur 22 Hydrauliksystem princip tegning (Kuiken, Diesel Engines II, 2008, p. 382)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 28 af 44
bagkanten forbundet til en aksel ring. Denne aksel ring vil i takt med stemplets aktivering
flyttes, og dette er tilbage melding på propellernes stigning. Her kan stigningen også
aflæses manuelt. Aflæsningen foregår i millimeter på en lineal.
Hovedmaskiner
Hovedmaskinerne er fransk produceret dieselmotor, fra firmaet S.E.M.T Pielstick, som
blev grundlagt i 1988 og senere opkøbt af MAN, der i dag hedder MAN Diesel & Turbo.
Hovedmaskiner: 4x Pielstick 12 Pc2-6/2V
Type: 4 takt V konfigurering
Cylindre: 12
Borring: 400 mm
Slaglængde: 460 mm
Effekt ved fuldlast: 5940 kW
RPM: 520 O/min
Maks tryk: 137 Bar
Figur 23 KaMeWa hydraulik station ombord på Crown (forfatters eget arkiv)
Figur 24 OD boks ombord på Crown (forfatters eget arkiv)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 29 af 44
System tegning
Elektronisk
styresystem
Elektronisk
styresystem
ME
1
ME
2
BB Gear
Broen
ECR
ME
3
ME
4
SB Gear
RPM transmittere
Hydraulik til
stignings styrring
Hydraulikstationer
med styrer ventiler
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 30 af 44
Driftsprofil Skibet tilbringer 7 timer i havn 12 timer i Kattegat åbent farvand og sammenlagt 5 timer i
Oslofjorden eller Ørresund altså roligere farvande. Samlede set er turen ca. 510 km altså
275 nm. Det giver en fart på 16,2 knob for at kunne nå turen på de 17 timer. Det vil sige,
at ca. 30 % af turen foregår i rolige farvande indenskærs.
D
r
i
f
t
s
a
n
a
l
y
s
e
U
n
I min praktikperiode ombord på Crown Seaways, har skibet sejlet på MGO (Marine Gas
Oil). Dette er på grund af emissions krav. Skibet har i januar måned været i dok, hvor
installationen af skrubbere begyndte med henblik på igen, at kunne sejle på HFO, og
samtidig holde sig under de gældende emissions krav. Projektet er på nuværende
tidspunkt ikke færdiggjort endnu. Det vil sige at de målinger, der danner grundlag for
denne rapport, kun vil være valide for en drifts situation, hvor der bruges MGO. Nye
målinger og beregninger vil være nødvendige, når skibet kommer tilbage i dets normale
drifts situation og sejler på HFO.
HFO har en meget højere viskossitet i forhold til MGO. HFO’en varmes op for at opnå en
mere fordelagtig viskossitet. Ændringer, i viskossitet, har indflydelse på atomiseringen af
olien ved indsprøjtning gennem brænd olie dyserne. Dette har indvirkning på
antændingstidspunktet, da den indsprøjtede olie skal opnå selvantændelses temperatur,
før dette sker. Olier med et højt karbon indhold, som blandt andet heavy fuel, har i
forvejen større forsinkelse i antænding. Der er også forskel i brændværdien, som ofte er
lavere ved HFO på grund at højere vand og svovl indhold. Det vil sige at den tilføjede
energi til motoren er mindre.
7
2 12
3
Driftsprofil over 24 timer
Havne ophold
Ørresund
Kattegat
Olso fjorden
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 31 af 44
Analyse af drift i Oslofjorden
For at undersøge mugligheden for at hæve det effektive middeltryk på hovedmaskinerne
har jeg taget målinger af det indicerede middeltryk. Dette er gjort i Oslofjorden ved en
fart på 16,2 knob. Der er taget to målinger over 10 min. Dette gav i alt 10 målinger af det
indicerede middeltryk. Målingerne er vist i skemaet herunder.
Indicerede middeltryk
Indicerede effekt pr cylinder
Maks trykket Vinkel efter TDC for
makstryk
Middel værdi 16,7 Bar 373,3 kW 109,1 Bar 16o
Deviation 0,89 Bar 19,96 kW 4,02 Bar 2,09o
Deviation i % 5,7 % 5,7 % 3,8 % 13,1 %
Lade trykket under målingerne var 1,25 Bar på A siden og 1,54 Bar på B siden. Fuel olie
pumpernes indeks stod på 87% og effekt målingen viste 4400 kW. Resultaterne fra
cylinder A1 og B1 kan ses på Bilag 1 Test resultater for cylinder A1 og B1. Alle målinger
er ikke vist i et diagram, da dette bliver uoverskueligt og nærmest ubrugeligt.
Middelværdierne for begge prøver kan også ses i Bilag 2 Målinger fra test 1 og Bilag 3
Målinger fra test 2. Målingerne med de individuelle cyklusser har jeg gemt som om
komma separeret fil, hvilket vil sige jeg kan åbne dem i Excel med henblik på analyse.
Disse filer vil ikke ligge som en del af rapporten, men tal derfra vil blive anvendt. Dette
skyldes at filerne indeholder omkring 300.000 talværdier hver.
Nedenstående skema indeholder en sammenligning mellem de 2 tests.
Test 1 RPM
MIP [Bar]
Pow [kW]
Pmax [Bar]
Total
4482,7
Average 463,1 16,7 373,6 109,9
Deviation
0,94 20,88 4,16
Deviation [%]
5,6 5,6 3,8
Test 2 Total
4459,2 Average 463,1 16,7 371,6 109,7
Deviation
0,94 21 4,16
Deviation [%]
5,7 5,7 3,8
Sammenligning Total
4470,95 Average 463,1 16,7 372,6 109,8
Deviation
0,94 20,94 4,16
Deviation [%]
5,65 5,65 3,8
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 32 af 44
Makstrykket på motoren ligger på 76,5 % med en deviation på 3,8 %
max 109% 100 100 76,5%
max 137
målt
tilladt
PMakstryk i
P
Det er ved en belasting på 4400 kW altså en belastningsprocent på 74,1 %
,max
4400% 100 100 74.1%
5940
E
E
PBelastning i
P
Det maksimale effektive middeltryk er
,max
max2 2
59402055 20,6
5000,4 0,46 12
4 60 2 4 60 2
EPpe kPa Bar
nD S Z
Kees Kulkien beskriver i hans bog Diesel Engines at den energi, der afgår til friktion ikke
ændres ved ændringer af omdrejninger og tryk i motoren, eller at de er så små, at de kan
regnes for konstant. Det vil sige, at hvis vi skaber højere modtryk i motoren ved at øge
stigningen på skruven ved samme omdrejningstal, stiger den indicerede effekt uden at
den effekt, der afgår til friktionstab ændre sig. Derved må virkningsgraden i motoren
stige.
Friktionseffekten i motoren ligger på 70kW.
4470 4400 70F I EP P P kW
Det effektive tryk ved denne driftsituation er 16,4 Bar
2 2
44001644 16,4
4630,4 0,46 12
4 60 2 4 60 2
EPpe kPa Bar
nD S Z
Det giver et friktionstryk på 0,3 Bar
16,7 16,4 0,3pf pi pe Bar
Forbruget i denne driftssituation er ca. 1,88 l/kWh Skibets sidste brændolie analyse viste
en brændværdi på 42,61 MJ/kg med en massefylde på 859,9 kg/m3
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 33 af 44
859,91,88 1,62
1000k l o
kWh kWh
kSFOC SFOCkWh
1,62 440042620 84387
3600
44000,05 5%
84387
oo
Etot
o
P m hi kW
Pn
P
Effekt målingen som fuel måleren på skibet bruger, sidder på akslen efter
reduktionsgearet. Det har fornyligt ikke været muligt at kalibrere dette udstyr. Det har
givet nogle upålidelige målinger og det kan være årsagen til det tvivlsomme resultat ved
beregningen af motorens virkningsgrad.
For at holde værdierne op mod noget har jeg lavet samme beregninger ud fra test
rapporten fra fabrikken. Her har motoren et forbrug på 191,32 g/kWh ved en
bremseeffekt på 4432 kW. Testen er lavet med brændolie med en nedre brændværdi på
42.588 kJ/kg effekten er her målt på akslen lige efter motoren.
0,19132 443242588 10031
3600
44320,442 44,2%
10031
o o
Etot
o
P m hi kW
P
P
Disse resultater virker mere sandsynlig og derfor vil jeg vurdere den tidligere beregning til
at være forkert.
Sikkerhed og lovgivning I dette afsnit vil jeg forsøge at finde og beskrive den relevante lovgivning, der er
indvirkning på projektet. Derudover vil jeg vurdere sikkerheden i projektet, og hvad
eventuelle fejl vil medføre samt alvoren af disse fejl.
Risiko vurdering
Den nye propellerkurve vil mindske den overskudskræft, der er til belastningsændringer i
form af begroninger på skroget samt hårdt vejr med modvind og høje bølger. Den nye
kurve skulle gerne være designet således, at overbelastninger ikke forekommer ved
korrekt brug. Jo flere målinger, com er taget i vejrforhold, der skaber højere modstand jo
mere præcist bliver billede af hvor meget forbrændings trykket variere. Resultatet kan
bruges til vurderingen af, hvor tæt man kan gå på makstrykket. Hvis der i disse
beregninger sker en fejl, således at motorerne vil blive overbelastet, vil motorerne ikke
kunne nå den ønskede belastning på grund af et ”Load Increase controller”. En andet
mulighed for at forhindre en eventuel overbelastning af motoren er et system koblet
sammen med den elektriske governor. Her sammen holdes brændoliepumpernes indeks
med omdrejningstallet, dette forhold kan fortælle noget om belastningsgraden af
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 34 af 44
motoren. Det sammenholdes med motorens belastings diagram. Ved overbelastninger
kan den elektroniske governor reducere indeks på brændoliepumperne.
Hvis der sker store momentane overbelastninger af motoren, som systemet ikke kan nå at
reagere på, skulle der gå en sikkerhedsventil. Der sidder en Sikkerhedsventilen i
topstykkerne på alle stempler. Disse sikkerhedsventiler åbner ved et tryk på over 180 Bar.
Ved store overbelastninger vil hovedmaskinerne i værste tilfælde havarere, men med alle
de sikkerhedsforanstaltninger der er, vil de højest sandsynligt lukke ned på
overbelastning.
Derfor er det vigtigt med forsøg under kontrollerede og overvågede forhold. Efter flere
forsøg, der viser en sikker drift med den nye propeller kurve, vil den kunne blive en del af
den normale drift.
Lovgivning
Jeg har forsøgt at finde lovgivning, der omhandler belastning af maskiner og sø margin.
Det har jeg ikke haft held med.
På Retsinformations hjemme side har jeg fundet en forskrift med titlen: Bekendtgørelse
om Meddelelser fra Søfartsstyrelsen B, teknisk forskrift om skibes bygning og udstyr m.v.
Kapitel IX ”Sikker skibsdrift”. I dette kapitel er der beskrevet at der skal forekomme
dokumenter, der beviser sikker drift af skibet. Dette er skibets Safety Management
System (SMS) I SMS’en er alle procedurerne beskrevet. Det skal dokumenteres at skibet
overholder ISM koden. (Søfartsstyrelsen, 2012) Jeg har kun adgang til et uddrag af ISM
koden. I afsnit 7 står følgende.
”The Company should establish procedures, plans and instructions, including checklists as
appropriate, for key shipboard operations concerning the safety of the personnel, ship and
protection of the environment. The various tasks should be defined and assigned to
qualified personnel.” (International Maritime Organization)
Det betyder, som også beskrevet af søfartsstyrelsen, at der skal være en procedure for
alle opgaver, der har med sikkerhed af personale, skib og miljø.
I afsnit 10 Vedligehold af skib og udstyr står følgende i punkt 3.
“The Company should identify equipment and technical systems the sudden
operational failure of which may result in hazardous situations. The safety
management system should provide for specific measures aimed at promoting the
reliability of such equipment or systems. These measures should include the regular
testing of stand-by arrangements and equipment or technical systems that are not in
continuous use.” (International Maritime Organization)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 35 af 44
Det betyder at udstyr og tekniske systemers fejl, der kan medfølge farlige situationer, skal
identificeres. SMS’en skal specificere metoder til vedligehold eller forbedring af dette
udstyr. SMS’en skal også inkludere regulere test af stand by systemer.
Sikkerheds foranstaltninger
Som nævnt i tidligere afsnit skal der laves en procedure for brugen af en propellerkurve til
indenskærs brug. Denne procedure skal være en del af SMS’en ligesom en hotwork
permit. Normalt bliver udkast til proceduren sendt ind til rederiet, hvor den bliver
vurderet og godkendt hvis den er fundet tilstrækkelig.
Ting der skal med i overvejelserne er.
Hvor skal den nye propeller kurve bruges?
Kan den bruges hele vejen hvis vejrforholdene tillader det?
Hvis ja hvor er grænsen for hvor den ikke må bruges længere?
Skal der skiftes mellem kurverne manuelt eller automatisk?
Optimering På Tabel 1 Analyse af fabriks test er der lavet otte målinger fra fabrikken. Disse tests er
udført ved forskellige belastninger og ved forskelligt effektivt middeltryk. Her kan vi se et
sammenhæng mellem det effketive middeltryk og virkningsgraden på motoren. Friktions
tabet regnes som konstant, da ændringerne er forsvindende lille. Det vil sige, at forskellen
mellem det indicerede middeltryk og det effektive middeltryk er konstant. Fra måling fem
til måling fire holdes konstante omdrejninger med en forøgelse i det effektive middel tryk.
Dette giver en forøgelse i effektiviteten. I kolonden længst vil højer Bar/RPM,
sammelholder jeg det effektive middeltryk med omdrejningerne. Der ses det også at jo
højere trykket er ved lavere omdrejninger jo bedre effektivitet.
Tabel 1 Analyse af fabriks test
Måling nr.
Motor effekt
Spicifik brændolie forbrug
Tilført effekt Total virkingsgrad
Effektiv Middel Tryk
RPM Bar/RPM
1 3.009 kW 194,97 g/kWh 6.940 kW 43,36 % 11,78 Bar 442 0,0267
2 4.432 kW 191,32 g/kWh 10.031 kW 44,18 % 16,31 Bar 470 0,0347
3 5.072 kW 190,81 g/kWh 11.449 kW 44,30 % 17,83 Bar 492 0,0362
4 6.029 kW 189,26 g/kWh 13.499 kW 44,66 % 20,02 Bar 521 0,0384
5 5.999 kW 191,11 g/kWh 13.563 kW 44,23 % 19,92 Bar 521 0,0382
6 5.963 kW 191,35 g/kWh 13.498 kW 44,18 % 19,84 Bar 520 0,0382
7 5.971 kW 191,08 g/kWh 13.497 kW 44,24 % 19,86 Bar 520 0,0382
8 6.585 kW 193,86 g/kWh 15.102 kW 43,60 % 21,21 Bar 537 0,0395
Brændværdi af brændolie 42.588 kJ/kg
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 36 af 44
Det effektive middeltryk ligger i den nuværende drifts situation på 74,1 %. Det giver
25,9 % til belastningsændringer. Den største deviation i det effektive middeltryk er
5,7 % på de målinger som er foretaget. Det vil sige, at den største forøgelse i trykket
er 2,9 %. Disse målinger er dog taget over ti minutter på en dag, hvor vejret er
vurderet til at være mildt. Det giver et statisk billede, som beregninger kan laves ud
fra. Derfor vil jeg ikke komme med en endelig vurdering af en forøgelse af det
effektive middeltryk. Derimod vil jeg beregne, hvilken effekt en forøgelse af det
effektive middeltryk på 10 % teoretisk har på hovedmaskinerne. Det giver et
kræftoverskud på 15,9 % til accelerationer og belastningsændringer. Den ekstra
belastning sættes på ved at hæve stigningen på propellerne ved konstante
omdrejninger.
Det svarer til en trykstigning på.
max 0,1 20,6 0,1 16,4 18,46 1846nype pe pe Bar kPa
Den nye effekt leveret til akslen ved samme omdrejningstal.
2 2
,
4630,4 0,46 12 1846 4940
4 60 4 60 2E ny ny
nP D S Z pe kW
a
Hvis vi går ud fra, at virkningsgraden på propellerne er konstant, så vil vi nu have
overført 470 kW ekstra til vandet. Ifølge propeller loven er effekten proportional
med skibets fart i tredje potens. 3
EP c v Hvor c er en konstant for skibet.
3
3 3
1 13 3,
1 13 3
44701,05
16,2
494016,7
1,05
EE
E ny
ny
PP c v c
v
pv knob
c
Den øgede fart er ikke ønsket derfor kan omdrejningerne reduceres.
2
2 2
4 60
4 60 4 60 2 4470418
min0,4 0,46 12 1846
E ny
E
ny
nP D S Z pe
a
a P onD S Z pe
Her vil jeg gerne referere tilbage til Figur 11 Motor belastnings diagram på side 19.
Her er linjer med konstant effektivt middeltryk. Disse linjer har ikke samme stigning
som den linje, der definere motorens max moment ved et givent omdrejningstal. Det
vil sige, at en måling ved 418 o/min skal laves, hvorefter en ny beregning kan udføres,
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 37 af 44
hvor man hæver trykket det ønskede niveau. En række målinger ved forskellige trin
vil kunne give en ny propellerkurve med den ønskede belasting.
Hvis vi kigger på målingerne fra fabrikstestens specifikke målinger 5 til 4 og 6 til 7,
har man ved konstante omdrejninger hævet belastningen.
Effektforøgelsen ved rapportens opstillet målinger i forhold til fuld last:
,%
,max
4940100 100 7,9%
5940
EE
E
PP
P
Måling Effekt
forøgelse i %
Forøgelse af virkningsgrad
i % 7,9 %
5 til 4 0,50 0,43 6,86
6 til 7 0,13 0,06 3,68
I tabellen herover vises forøgelsen i effekt sammenlignet med forøgelsen i virkningsgrad.
Hvis vi antager, at forbedringen af virkningsgraden er konstant, kan det ses ud af
kolonnen længst til højre 7,9 %, hvad det vil give i forøgelse af virkningsgrad ved
rapportens beregning. Ud fra dette ses det, at forøgelsen i virkningsgrad ikke er konstant.
Til dette skal der også tages højde for usikkerhed og eventuelle fejlkilder. Der ses dog en
tydelig forbedring i virkningsgrad, i forhold til belastningsgraden, ind til det punkt, hvor
motoren når dens maksbelastning ved kontinuerlig drift. Herefter vil den ved højere
hastighed overskride motorens makshastighed og gå i overspeed. Ved højere belastninger
kan der ikke opretholdes tilstrækkeligt lufttryk til opretholde en effektiv forbrænding,
derfor vil effektiviteten falde.
Del Konklusion
De statiske målinger, brugt i rapporten, har givet et billede af en mulig optimering på
bekostning af kraftoverskud til belastningsændringer. Derfor er der udført en række
målinger af motorens effektive middeltryk, der viser en lille deviation. Den største
deviation er målt til 5,7 %, motorens belastningsgrad er målt til 74,1 %. Det er normalt at
have en motor margin på 10 % og en sø margin på 15 %, hvilket giver en motorbelastning
på 75 %. Det er rapportens mål at bevise, at sø marginen kan reduceres til fordel for en
forbedret virkningsgrad uden at forringe sikkerheden. Deviationsmålingerne viser, at sø
marginen sikkert kan reduceres. Der bør dog laves flere målinger, der verificere dette ved
forskelige vejrforhold og belastninger.
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 38 af 44
Propeller virkningsgrad I dette afsnit vil jeg belyse hvilken effekt, belastnings ændringer kan have på propellerne.
Jeg har forsøgt at
skaffe data på
propellerne uden
held, derfor forholder
jeg mig til teorien bag,
og bruger dette i min
konklusion. Figur 25
viser en graf over et
skib med konstant
hastighed på 14.5
knob. Grafen
tydeliggør forholdet
mellem
propellerhastigheden
og effekten. Den blå
kurve er ikke relevant,
da det er FPP
Propeller med forskellige diametre. Den viser at større propeller ved lavere hastighed,
giver en bedre virkningsgrad. Den røde kurve viser en CPP ved forskellige stigninger og
omdrejninger, der giver 14,5 knob. Her bliver det tydeligt at det optimale forhold mellem
diameter og stigning på propellerne er 0,7 ved denne fart (MAN Diesel & Turbo, 2011, s.
20).
Denne viden kan have indvirkning i både en positiv og negativ retning for rapportens mål.
Rapporten er baseret på at ændre belastningen ved at ændre på stigningen i forhold til
omdrejningerne. Man må gå ud fra, at propeller fabrikanten har designet propellerne, så
de har bedste virkningsgrad ved skibets normaldrift ved et rent skib uden belastninger fra
vind og vejr. Det vil sige, at propeller og propellerkurve er designet på en måde, så der er
plads til belastnings ændringer i form af begroninger på skib og propeller samt modvind
og bøjer. Efterhånden som skibets modstand bliver større og større, vil propellerne blive
hårdere belastet og dermed bevæge sig ud af dens bedste virkningsgrad. Når så den nye
propellerkurve belaster propellerne mere, må dens virkningsgrad blive forringet. Derfor
vil jeg tilføje et citat.
“The recommended use of a relatively high light running factor for design of the
propeller will involve that a relatively higher propeller speed will be used for layout
design of the propeller. This, in turn, may involve a minor reduction of the propeller
efficiency, and may possibly cause the propeller manufacturer to abstain from using a
large light running margin. However, this reduction of the propeller efficiency caused
Figur 25 Propeller design (MAN Diesel & Turbo, 2011, s. 20)
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 39 af 44
by the large light running factor is actually relatively insignificant compared with the
improved engine performance obtained when sailing in heavy weather and/or with
fouled hull and propeller.” (MAN Diesel & Turbo, 2011, s. 31)
Det beskriver at man under design stadiet af en propeller, dimensionerer propellen efter
en let belastet propeller. Dette gør at propellerne har højere hastighed, dette giver en lidt
dårligere virkningsgrad. Dette er dog ubetydeligt i forhold til den forbedrede
virkningsgrad på hovedmotoren under sejlads med en hårdt belastet propeller.
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 40 af 44
Konklusion Teorien og målingerne, der er fortaget til denne rapport, viser en mulig optimering af
skibets fremdrivningssystem. Optimereingen sker på bekostning af effekt overskud til
belastnings ændringer. Altså sænkes sø marginen for at hæve belastningen på
hovedmotorerne. Hvilket sker ved, at der laves en ny propeller kurve til brug i roligt
farvand. Der er fortaget målinger, der viser deviationen på det effektive middeltryk. Disse
målinger er foregået over ti min, og giver derfor kun et meget statisk billede af
deviationen. Deviationen er målt til en max på 5,7 % fra det laveste til det højeste tryk. En
gennemsnits beregning af det effektive middeltryk viste 74,1 % af det max tilladelige tryk.
Alle disse målinger er foretaget på en dag, hvor vejret er vurderet til at være mildt. For at
kunne lave en bedre beslutning af, hvor meget belastningen skal hæves, bør der laves
flere målinger ved forskellige vejrforhold og belastninger. Jeg lavede beregninger ved en
stigning på 10 % i effektivt middeltryk. Resultatet var en effekt stigning på 7,9 % ved
samme omdrejningstal. For at få en ide om en øget virkningsgrad lavede jeg en
sammenligning mellem øget effekt ved konstant omdrejningstal og forbedret
virkningsgrad. Dette er gjort mellem to sæt målinger fra fabrikstesten. Ud fra antagelsen
af at forbedringen af virkningsgraden er konstant, i forhold til effekt forøgelser ved
konstant omdrejninger, er disse beregninger sammenlignet med den forøget effekt i
beregningen på 7,9 %. Det har givet to forskellige tal, en forbedring i virkningsgrad på 3,6
% og 6,8 %. Det viser først og fremmest, at der er en besparelse ved den hævede
belastning. Det viser dog også, at man ikke kan regne forbedringen af virkningsgraden i
forhold til forøgelsen i effekt som værende konstant. Derfor bør der laves en test under
kontrollerede forhold, da det er svært at bestemme virkningsgraden ved beregning. Den
ændring i propellernes belastning har også en indvirkning på propellernes virkningsgrad.
Dette er dog ifølge teorien ubetydelig lidt i forhold til forbedringen af motorens
virkningsgrad ved højere belastning.
Med hensyn til love, omkring motorbelastning, har jeg ikke kunne finde nogen konkret
lov, der belyser problemstillingen. Motoren er lavet efter en standart, som er godkendt
inden for et vist arbejdsområde. Så længe belastningen ikke bevæger sig uden for det
område, er det ikke et problem. Men der skal laves en procedure for brugen af
propellerkurven til roligt farvand, som en del af skibets Safety Management System. Der
kan nemlig opstå et problem, hvis der ikke skiftes tilbage til normal drift, og skibet derfor
sejler ud på åbent vand, hvor bølgerne har stor indvirkning på skibets modstand. Her vil
man kunne risikere at motorernes belastning overstiges, hvilket kan resultere at en motor
sætter ud på grund af overlast eller i værste fald havarerer. Der er dog en række
sikkerhedsforanstaltninger, der skulle forhindre dette. Disse sikkerhedsforanstaltninger
bliver også kontrolleret med jævne mellemrum.
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 41 af 44
Perspektivering De store fordel ved den ændrede belastning er en eventuel besparelse i form af
brændstof. Der kan være nogle fordele og ulemper der følger med ændringerne af
belastning som følge af den nye propellerkurve. Skibet DFDS King Seaways har igennem
en periode haft problemer med rystelser i skibet, det problem blev løst ved at sænke
belastningen i forhold til omdrejningerne, så omdrejningerne på propellerne blev hævet.
Det vil sige at der kan forekomme ændringer i mængden af vibrationer til det værre eller
bedre. Derudover sænker man den overskudskræft, skibet har ved et givent
omdrejningstal, dermed er der mindre kræftoverskud til at accelerationer. Det gør
accelerationer træge.
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 42 af 44
Litteraturliste International Maritime Organization. (u.d.). Our Work: IMO. Hentede 25. 05 2015 fra IMO:
http://www.imo.org/OurWork/HumanElement/SafetyManagement/Pages/ISMCode.aspx
Kuiken, K. (2008). Diesel Engines I. Onnen: Target Gobal Energy Traning.
Kuiken, K. (2008). Diesel Engines II. Onnen: Targer Global Energy Traning.
Lauritsen, A. B., & Eriksen, A. B. (2012). Termodynamik (3 udg.). København: Nyt Teknisk
Forlag.
Maihak. (u.d.). Ship Preformance . Hentede 21. 05 2015 fra Hoppe Marine:
http://www.hoppe-marine.com/?q=en/node/9
MAN Diesel & Turbo. (2011). Basic Principles of Ship Prupulsion. København: MAN Diesel &
Turbo.
Nielsen, A., & Nielsen, J. (2002). Mekanisk Fysik og Varmelære (9 udg.). Odense:
Ehervervsskolernes Forlag.
Søfartsstyrelsen. (02. 04 2012). Retsinformation. Hentede 25. 05 2015 fra Retsinformation:
https://www.retsinformation.dk/forms/R0710.aspx?id=141283&exp=1#Bil14
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 43 af 44
Bilag
Bilag 1 Test resultater for cylinder A1 og B1
Cro
wn
Sea
way
s -
ME
4: A
1, B
1 -
03/0
5/20
15 1
4:28
:31
4030
2070
6050
-30
9010
0-2
0-1
010
080
Cra
nk
ang
le [
deg
]
74 6670 5864 60 5472 6878 76 62 56
Cylinder pressure [bar]
Jim Lindegaard Nielsen – A11548 Fremdrivnings optimering
Side 44 af 44
Bilag 2 Målinger fra test 1
Engine Cyl RPM MIP [Bar]
Pow [kW]
Pmax [Bar]
ME 4 A1 463.5 15.2 339.0 105.4
ME 4 A2 463.0 15.2 338.4 104.4
ME 4 A3 463.0 17.0 379.3 106.9
ME 4 A4 463.5 15.5 345.8 106.6
ME 4 A5 463.1 17.0 380.2 108.9
ME 4 A6 462.8 16.8 373.9 115.5
ME 4 B1 463.1 17.3 386.7 113.0
ME 4 B2 463.0 17.5 389.3 109.6
ME 4 B3 463.0 17.5 390.7 114.4
ME 4 B4 463.0 17.9 399.5 112.6
ME 4 B5 463.0 17.2 384.6 115.7
ME 4 B6 463.1 16.8 375.4 105.7
Total 4482.7
Average 463.1 16.7 373.6 109.9
Deviation 0.22 0.94 20.88 4.16
Deviation [%] 0.0 5.6 5.6 3.8
Bilag 3 Målinger fra test 2
Engine Cyl RPM MIP [Bar]
Pow [kW]
Pmax [Bar]
ME 4 A1 463.1 15.0 334.8 102.9
ME 4 A2 463.3 15.1 336.2 105.9
ME 4 A3 463.1 17.0 379.4 105.9
ME 4 A4 463.1 15.5 345.3 108.3
ME 4 A5 463.0 16.9 376.2 109.3
ME 4 A6 463.0 17.0 378.1 115.6
ME 4 B1 463.1 17.3 385.3 112.3
ME 4 B2 463.1 17.2 383.8 109.0
ME 4 B3 463.0 17.4 387.1 115.0
ME 4 B4 463.0 17.9 398.7 110.8
ME 4 B5 463.1 17.1 382.1 115.2
ME 4 B6 463.0 16.7 372.2 106.1
Total
4459.2 Average
463.1 16.7 371.6 109.7
Deviation
0.12 0.94 21.00 4.16
Deviation [%]
0.0 5.7 5.7 3.8