Διερεύνηση τριβολογικών χαρακτηριστικών μηχανολογικών συστημάτων συμβατικών εμπορικών πλοίων

Χάρβαλος, Γεώργιος; Charvalos, Georgios

dc.contributor.author	Χάρβαλος, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Charvalos, Georgios	en
dc.date.accessioned	2021-02-02T09:03:34Z
dc.date.available	2021-02-02T09:03:34Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52848
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20546
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	Απώλειες τριβής	el
dc.subject	Δίχρονος ναυτικός κινητήρας Diesel	el
dc.subject	Αξονικό σύστημα	el
dc.subject	Κατανάλωση καυσίμου	el
dc.subject	Πλοία μεταφοράς φορτίου χύδην	el
dc.subject	Έδρανα ολίσθησης	el
dc.subject	Friction losses	en
dc.subject	Two-stroke marine Diesel engine	en
dc.subject	Shafting system	en
dc.subject	Fuel oil consumption	en
dc.subject	Bulk Carriers	en
dc.subject	Journal bearings	en
dc.title	Διερεύνηση τριβολογικών χαρακτηριστικών μηχανολογικών συστημάτων συμβατικών εμπορικών πλοίων	el
dc.title	Investigation of tribological properties of mechanical systems of conventional merchant vessels	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ναυτική Μηχανολογία	el
heal.classification	Marine Engineering	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-22
heal.abstract	Η πλειοψηφία των εμπορικών δραστηριοτήτων παγκοσμίως επιτυγχάνεται μέσω των θαλάσσιων μεταφορών, μια τάση η οποία παρουσιάζει αυξητική τάση τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες. Σήμερα, υπάρχουν 50000 περίπου πλοία, τα οποία με τους διεθνείς πλόες τους, εξυπηρετούν σχεδόν το 90% των μεταφορών της παγκόσμιας αγοράς του εμπορίου και αντιστοιχούν στο 1% της κατανάλωσης ενέργειας σε σχέση με τους υπόλοιπους τομείς της οικονομίας. Ένα σύγχρονο εμπορικό πλοίο καλείται να συμμορφωθεί με τρεις σημαντικές, συχνά αντικρουόμενες, προδιαγραφές: την αξιοπιστία, τον επιτυχή χρόνο παράδοσης και την ελαχιστοποίηση των λειτουργικών εξόδων. Η κύρια παράμετρος που καθορίζει την ανταγωνιστικότητα ενός εμπορικού πλοίου, είναι η λειτουργία της εγκατάστασης πρόωσης. Η πλειοψηφία των εμπορικών πλοίων φέρει δίχρονη, αργόστροφη μηχανή Diesel. Η ναυτική αυτή μηχανή Diesel συνδυάζει υψηλή απόδοση και ισχύ με χαμηλό βάρος εγκατάστασης, μειωμένη ειδική κατανάλωση καυσίμου και κόστος συντήρησης. Η ναυτική μηχανή Diesel είναι αποδέκτης ποικίλων κανονισμών επιβολής ορίων ρυπογόνων ουσιών. Καθώς οι κανονισμοί εξελίσσονται, οι έρευνες εστιάζουν στο σχεδιασμό ενεργειακά αποδοτικότερων πλοίων με χαμηλή ειδική κατανάλωση καυσίμου. Μείωση στη κατανάλωση καυσίμου οδηγεί στη μείωση αέριων εκπομπών και στην ελαχιστοποίηση των λειτουργικών εξόδων του πλοίου. Μια προσέγγιση στο σχεδιασμό αποδοτικότερων πλοίων είναι η μελέτη των απωλειών τριβής. Για μια ναυτική δίχρονη μηχανή, οι απώλειες λόγω τριβών αποτελούν το 3-6% της ισχύς πέδης. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς των απωλειών τριβής των φορτηγών πλοίων χύδην λόγω λειτουργίας της κύριας μηχανής. Για την επίτευξη των απαραίτητων υπολογισμών, σχεδιάστηκε κατάλληλο λογισμικό. Κύριο χαρακτηριστικό του λογισμικού είναι η δυνατότητα δημιουργίας ψηφιακού πλοίου, με γνώμονα τη διαδικασία σχεδιασμού προμελέτης, το οποίο παρουσιάζει ομοιότητες με πλοίο του πραγματικού στόλου. Αυτό επιτυγχάνεται με χρήση της βάσης SeaWeb, η οποία περιέχει πληροφορίες για τις διαστάσεις και τα μεγέθη του στόλου των φορτηγών πλοίων χύδην. Με χρήση εμπειρικών σχέσεων και μεθόδων που βρέθηκαν στη βιβλιογραφία, το λογισμικό υπολογίζει τις γεωμετρικές παραμέτρους του πλοίου, την ολική του αντίσταση για την οποία επιλέγει κατάλληλη δίχρονη μηχανή πρόωσης από έγκυρο βιομηχανικό κατάλογο. Έπειτα, οι απώλειες τριβής της μηχανής υπολογίζονται από τις εμπειρικές σχέσεις για τη δεδομένη μηχανή. Οι απώλειες τριβής του αξονικού συστήματος μελετώνται ξεχωριστά, καθώς το πρόγραμμα εκτιμά το βάρος του αξονικού και βαίνει στον υπολογισμό των απωλειών με κατάλληλη μέθοδο που προσφέρει η βιβλιογραφία. Αφού γίνει επεξήγηση της υπολογιστικής διαδικασίας, πραγματοποιείται παράδειγμα υπολογισμών ενός πλοίου. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μια παραμετρική μελέτη, με στόχο τη διερεύνηση της σχέσης των απωλειών τριβής με το μέγεθος του πλοίου. Προσομοιώνοντας 100 πλοία, 20 από κάθε τάξη φορτηγών πλοίων, η συμπεριφορά των απωλειών έναντι του μεγέθους πλοίου, της αντίστασης, του βυθίσματος και της ταχύτητας μελετάται. Από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης παράγεται παλινδρομικό μοντέλου υπολογισμού της ισχύος απωλειών λόγω τριβής την οποία συνδέει με γεωμετρικές παραμέτρους και παραμέτρους πρόωσης του πλοίου. Οι τριβολογικές απώλειες της μηχανής βρέθηκαν να κυμαίνονται από 4-6% της συνολικής ισχύς πέδης, ενώ οι απώλειες στο αξονικό εντοπίστηκαν στο διάστημα 0.1-0.25%, υποστηρίζοντας πως η εκτίμηση 0,5-1% που συναντάται συνήθως στη βιβλιογραφία τις υπερεκτιμά. Το τελικό στάδιο της εργασίας είναι η πραγματοποίηση 9 προσομοιώσεων σε όλο το στόλο. Χρησιμοποιήθηκαν τα πλοία της βάσης SeaWeb και στο κάθε ένα προσδόθηκε ένα συγκεκριμένο σημείο λειτουργίας. Η ισχύς και οι στροφές του σημείου καθορίστηκαν από τη δεδομένη αντίσταση και βύθισμα του πλοίου. Σε κάθε προσομοίωση διαφορετικό ποσοστό του στόλου θεωρείται πως εφαρμόζει 10 ή 20% μείωση στην ταχύτητα υπηρεσίας. Για κάθε προσομοίωση, υπολογίστηκαν οι απώλειες τριβής και η αντίστοιχη ποσότητα καυσίμου που καταναλώθηκε σε διάρκεια ενός έτους. Η μελέτη έδειξε πως 62853 TJ καταναλώνονται σε ένα έτος κατά μέσο όρο, λόγω λειτουργίας της κύριας μηχανής, τα οποία αντιστοιχούν σε 3012 χιλιάδες τόνους καυσίμου. Τέλος, το παλινδρομικό μοντέλο εφαρμόζεται στα πλοία των προσομοιώσεων και τα αποτελέσματά του συγκρίνονται με αυτά που προέκυψαν από τη διαδικασία.	el
heal.abstract	The majority of the trading activities worldwide is seaborne, a trend that constantly increases over the last four decades. Currently, 50000 vessels operate globally, being capable of servicing 90% of the transportations of the global trading market and accounting for 1% of the total energy consumption between all economic sectors. A modern merchant vessel has to comply with three very important, often colliding, requirements; reliability, successful time of delivery and minimal operational expenses. A main parameter determining whether a merchant vessel is competitive is the operation of her propulsion system. The majority of cargo vessels are equipped with a two-stroke, slow-speed Diesel engine to cover the propulsion requirements. Marine Diesel engines combine high efficiency and power output in respect to weight of installation, fuel consumption and maintenance costs. The marine Diesel engine is subjected to various regulations regarding limitation of emissions during operation. Due to these ongoing regulations, research focuses on the design of more efficient vessels, with low fuel oil consumption. Reduced fuel oil consumption leads to reduced gaseous emissions and less operational expenses. An approach to this, is the effort of reducing the frictional losses of the vessel. Currently a marine two-stroke Diesel engine bears frictional energy losses of the magnitude of 3-6% of the total brake power. Scope of the present work is to study the behavior of friction losses of the propulsion train of bulk carriers, including main engine losses and loses of the intermediate and stern tube bearings. In order to perform the necessary calculations, in house software has been developed. The key feature of the software is the ability to create a virtual vessel through the basic steps of preliminary ship design, which exhibits similarities to the existing fleet. This is achieved by exploiting the SeaWeb database which provides principal data of the bulk carrier fleet. With empirical relations and methods proposed in the abundant literature, the software is capable of calculating geometrical parameters, the total resistance of a vessel and select a proper engine from a valid industry catalogue as propulsion installation. Then, engine friction is calculated by empirical relations based on the data of the obtained engine. Friction at the shafting system is dealt separately; the software calculates the shafting weight and by proper method found in literature provides the relevant estimation of tribological losses. Following the explanation of workflow, a single-vessel example is performed, as a demonstration of the workflow. Afterwards, a parametric study is done, in order to investigate the dependence of frictional losses on vessel size. In particular, 100 vessels have been selected, 20 from each bulk carrier class; the dependence of losses on vessel size, resistance, draft and speed has been computed and analyzed. Based on the results, a regression model has been extrapolated, relating friction power loss to geometrical, propulsion and operational parameters of the vessel. Engine friction losses were found to lie between 4 and 6% of the total brake power, while shafting friction losses varied in the range of 0.1-0.25%, proving that the literature estimate of 0.5-1% to be an overestimate. The final act on this work was the execution of nine simulations on the whole bulk-carrier fleet. The vessels from SeaWeb database were used, with each one having assigned a specific engine operational point. Power and revolutions at each point were defined by resistance and draft values. At each simulation, a different fraction of the fleet was considered to apply 10% or 20% speed reduction, due to slow steaming. Through each simulation, the annual energy losses and amount of fuel consumed due to friction were estimated. The study showed that, on average, only from operation of the main engine, 62602 TJ of energy are lost due to frictional forces, which lead to an annual fuel consumption due to friction of 3012 thousand tones. Finally, the regression friction model was performed on the database vessels and the results were compared to the simulation results of the calculation procedure.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Καϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Παπαλάμπρου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	147 p.	en
heal.fullTextAvailability	false