Τριβολογική μελέτη πρυμναίου εδράνου χοάνης πλοίων

Ρωσσόπουλος, Γεώργιος-Νικήτας; Rossopoulos, Georgios-Nikitas

dc.contributor.author	Ρωσσόπουλος, Γεώργιος-Νικήτας	el
dc.contributor.author	Rossopoulos, Georgios-Nikitas	en
dc.date.accessioned	2018-07-11T10:53:41Z
dc.date.available	2018-07-11T10:53:41Z
dc.date.issued	2018-07-11
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47273
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15211
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Έδρανο χοάνης	el
dc.subject	Ευθυγράμμιση αξονικού συστήματος	el
dc.subject	Σχεδίαση διπλής κλίσης	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση σχεδίασης	el
dc.subject	Μοντελοποίηση εδράνου	el
dc.subject	Stern tube bearing	en
dc.subject	Shaft alignment	en
dc.subject	Bearing design optimization	en
dc.subject	Double slope bearing	en
dc.subject	Bearing modeling	en
dc.title	Τριβολογική μελέτη πρυμναίου εδράνου χοάνης πλοίων	el
dc.title	Tribological study of the stern tube bearing of marine vessels	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ναυτική μηχανολογία	el
heal.classification	Marine engineering	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/3d257f31491bff09371cddeac5c6626dc154db39
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/3d257f31491bff09371cddeac5c6626dc154db39
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-03-13
heal.abstract	Friction is one of the most important causes of energy losses in mechanical systems. In ships, substantial friction losses are present in the propulsion system, both in the engine and in the shaft arrangement. A proper shaft alignment should be attained in order not only to minimize these losses but also in order to avoid catastrophic failures. Journal bearings are mechanical components used to support the radial loads of rotating shafts. During operation, a thin lubricant film is created and maintained hydrodynamically between the shaft and the bearing, minimizing friction losses and preventing metal to metal contact. Performance of journal bearings is commonly quantified in terms of minimum lubricant thickness, friction losses and maximum pressure of the lubricant. All the above change substantially at different operating conditions (radial load, shaft rotational speed, lubricant viscosity). The stern tube bearing supports the weight of the overhanged propeller, as well as all transient hydrodynamic loads due to propeller operation; thus special attention must be applied during its design. In this research project, the optimum geometric parameters of a double slope aft stern-tube bearing are sought, for (a) maximizing the contact area between the bearing and the propeller shaft, and (b) minimizing the maximum local pressure exerted on the bearing surface. Here, the aft stern-tube bearing is modeled parametrically; apart from generic geometric parameters (L/D ratio, diameter, clearance, misalignment angle), additional geometric design parameters of the bearing are the two slope angles of the bearing surface and the longitudinal length of each sloped region. The computational approach used in the present study evolves from the solution of the Reynolds differential equation, which describes the phenomenon of hydrodynamic lubrication in the oil domain between the shaft and the bearing. To this end, custom software developed at NTUA is used. Apart from geometric optimization of the bearing, it is essential to couple the design of the stern tube bearing with a shaft alignment calculation tool, which will conclude to the exact geometry of the shaft at the position of the stern tube. An accurate calculation of shaft geometry during operation will result into better modeling of the fluid film and more accurate design of the double slope bearing, especially during transient loading, commonly applied to this type of bearings. This coupling also provides specific solutions based on the shaft alignment plan and not only the loading of the bearing itself. At first, the geometry of the lubrication film should be computed for a double-slope journal bearing. Then, the geometry is fed to the Reynolds equation solver, which yields bearing operational parameters (load, eccentricity, attitude angle, maximum pressure, etc.). The system is coupled to a general purpose optimizer to calculate the optimum geometry based on a fitness function. Maximum film thickness, minimum pressure or minimum friction losses are the deciding parameters used in the fitness function. These calculations can be performed for various external loads, L/D ratios and rotational speeds of the shaft. The optimized results are utilized to generate a 3D map of design variables leading to optimal bearing performance. Based on the above solution process, conclusions are drawn concerning the design geometry of the bearing for a given shaft alignment and can be deciding factor on weather a double-slope geometry is more beneficial than a single slope one. Last but not least, this method provides the optimum solutions for variable loading of the bearing, if that is required by the user.	en
heal.abstract	Η τριβή είναι η συνηθέστερη και πιο σημαντική αιτία ενεργειακών απωλειών σε ένα μηχανικό σύστημα. Στο σύστημα πρόωσης πλοίων, σημαντικές απώλειες λόγω τριβής παρουσιάζονται τόσο στη κύρια μηχανή όσο και στο αξονικό σύστημα. Η κατάλληλη ευθυγράμμιση του αξονικού συστήματος είναι απαραίτητη για την ελαχιστοποίηση των απωλειών αυτών, και για την αποφυγή καταστροφών ή φθορών. Τα ακτινικά έδρανα είναι μηχανολογικά τεμάχια που χρησιμοποιούνται για την παραλαβή των ακτινικών φορτίων ενός άξονα. Κατά τη λειτουργία, ένα λεπτό φιλμ λιπαντικού δημιουργείται και συντηρείται με υδροδυναμικό τρόπο μεταξύ του άξονα και του εδράνου, ελαχιστοποιώντας τις απώλειες λόγω τριβής και αποτρέποντας την επαφή μεταξύ των μετάλλων. Η απόδοση των ακτινικών εδράνων συνήθως ποσοτικοποιείται με βάση το ελάχιστο πάχος του λιπαντικού, τις απώλειες τριβής και τη μέγιστη πίεση λιπαντικού. Όλα τα παραπάνω αλλάζουν σημαντικά υπό διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας (ακτινικό φορτίο, ταχύτητα περιστροφής, ιξώδες λιπαντικού). Το πρυμναίο έδρανο χοάνης στηρίζει το βάρος της προεξέχουσας έλικας, καθώς και όλα τα μεταβατικά υδροδυναμικά φορτία λόγω της λειτουργίας της, επομένως χρειάζεται ιδιαίτερη μέριμνα κατά την σχεδίασή του. Στην παρούσα μελέτη, αναζητούνται οι βέλτιστες παράμετροι γεωμετρίας για ένα πρυμναίο έδρανο χοάνης με διπλή κλίση, με στόχο (α) τη μεγιστοποίηση της ενεργού επιφάνειας επαφής μεταξύ άξονα και εδράνου, (β) την ελαχιστοποίηση της τοπικής πίεσης στο σημείο επαφής. Το πρυμναίο έδρανο χοάνης μοντελοποιείται παραμετρικά: πέρα από τα γενικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά (λόγος L/D, διάμετρος, χάρη άξονα, γωνία απευθυγράμμισης) επιπλέον χαρακτηριστικά σχεδίασης του εδράνου είναι οι δύο τιμές κλίσης και η εγκάρσια θέση του σημείου αλλαγής κλίσης. Η υπολογιστική μεθοδολογία προκύπτει από την επίλυση της διαφορικής εξίσωσης του Reynolds, η οποία περιγράφει το φαινόμενο της υδροδυναμικής λίπανσης στην περιοχή μεταξύ άξονα και εδράνου. Η επίλυση της εξίσωσης Reynolds πραγματοποιείται με χρήση υπάρχοντος λογισμικού που έχει αναπτυχθεί στο ΕΜΠ. Πέρα από τη γεωμετρική βελτιστοποίηση του εδράνου, είναι σημαντικό να συνδεθεί η σχεδίασή του με κάποιο εργαλείο ευθυγράμμισης άξονα, το οποίο θα προσδιορίζει την ακριβή (καμπύλη) μορφή του άξονα στη θέση όπου τοποθετείται το πρυμναίο έδρανο χοάνης. Ο προσδιορισμός της ακριβούς γεωμετρίας του άξονα θα οδηγήσει σε ακριβέστερη μοντελοποίηση της γεωμετρίας του λιπαντικού φιλμ και της γεωμετρίας εδράνου με διπλή κλίση, ειδικά σε κατάσταση μεταβατικών φορτίσεων που επιβάλλονται συνήθως σε τέτοιο τύπο εδράνων. Αυτή η σύνδεση προσφέρει συγκεκριμένες λύσεις με βάση το εκάστοτε σχέδιο ευθυγράμμισης και όχι μοναδικά με βάση τη φόρτιση του εδράνου. Κατά την επίλυση, υπολογίζεται η γεωμετρία του φιλμ λιπαντικού στο έδρανο με τη διπλή κλίση. Έπειτα η γεωμετρία αυτή αποτελεί στοιχείο εισόδου στην επίλυσή της εξίσωσης Reynolds, μέσω της οποίας υπολογίζονται οι παράμετροι λειτουργίας του εδράνου (φορτίο, εκκεντρότητα, μέγιστη πίεση, κλπ.). Οι παραπάνω υπολογιστικοί αλγόριθμοι συνδυάζονται με εργαλείο βελτιστοποίησης γενικής χρήσης, το οποίο υπολογίζει τη βέλτιστη γεωμετρία με βάση μια αντικειμενική συνάρτηση. Οι στόχοι της βελτιστοποίησης θα είναι η μεγιστοποίηση του ελάχιστου πάχους λιπαντικού και η ελαχιστοποίηση της πίεσης, ή των απωλειών λόγω τριβής. Οι υπολογισμοί αυτοί μπορούν να επαναληφθούν για διάφορες τιμές εξωτερικών φορτίσεων, λόγων L/D και ταχυτήτων περιστροφής του άξονα. Τα αποτελέσματα θα συνθέσουν έναν τρισδιάστατο πίνακα από τον οποίο μπορούν να υπολογίζονται οι παράμετροι σχεδίασης, για τιμές εντός του εύρους υπολογισμών. Σύμφωνα με την παραπάνω μέθοδο επίλυσης, προκύπτουν συμπεράσματα σχετικά με τη γεωμετρία σχεδίασης του εδράνου, με δεδομένο σχέδιο ευθυγράμμισης, και ελέγχεται η αναγκαιότητα σχεδίασης του εδράνου με διπλή κλίση έναντι των σχεδιάσεων με απλή κλίση. Τέλος, η παρούσα μέθοδος μπορεί να υπολογίσει τη βέλτιστη σχεδίαση εδράνου, ακόμα και για ακραίες μεταβολές της φόρτισης του εδράνου.	el
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Παπαλάμπρου, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	132 σ.
heal.fullTextAvailability	true