chap7_a2

1

2

Resistencia y Propulsion del Buque

Objetivos

• Predicción de la energía del barco - Sistema de transmisión de la potencia del motor en el agua y el concepto - La resistencia del buque y sus componentes · Resistencia a la fricción · Resistencia por formación de olas y remolinos · otros - La expansión Froude - Cálculo de la potencia del efectivo• Teoría Propela - Componentes de hélice y definiciones - Teoría de la hélice - cavitación

3

Potencia de una Instalación Propulsora

Sistema de transmisión del Buque

Motor Caja reductora

Chumacerade empuje Sello

HeliceStrut

BHP SHP DHP

THP

EHP

IHP

4

Motor

Caja reductora Chumacera

de empuje Sellos

HeliceStrut

SHP DHP

THPIHP

EHP

BHP

Potencia Indicada (IHP)

- Potencia que efectua la máquina en el interior de los

cilindros

Potencia de Máquinas


Potencia al Freno(BHP)

- Potencia de salida en el eje que sale del motor antes

los engranajes de reducción. Potencia real de la máquina

Motor

Caja reductora Chumacera

de empuje Sellos

HeliceStrut

SHP DHP

THP

BHP

EHP

IHP



5

6

Engine

ReductionGear Bearing Seals

ScrewStrut

BHP

SHPDHP

THP

EHP

Potencia en el Eje(SHP)

- Potencia de salida después de los reductores

- SHP = BHP - pérdidas de engranaje de reducción

IHP



7

Engine


ScrewStrut

BHP

SHPDHP

THP

EHP

IHP



Potencia Entregada(DHP)

- Entrega de potencia a la hélice

- DHP = SHP - Pérdidas en ejes, cojinetes y sellos

8



Engine


ScrewStrut

BHP

SHP

DHP

THP

EHP

Potencia de Empuje del Propulsor (THP)

- Energía creada por el tornillo / hélice

- THP = DHP - Pérdidas de hélice

THP es el resultado final de todas las pérdidas de HP a lo largo de

la cadena cinemática

Relative Magnitudes

BHP > SHP > DHP > THP > EHP

E/G R/GBHP SHP Shaft

Bearing Prop.DHP THP EHP

Hull

La relación inversa NUNCA puede ser verdad porque no SIEMPRE hay cierta pérdida de potencia debido al calor, la fricción, y el sonido


9

10

Potencia Efectiva(EHP)

VTanque de Remolque Carro de Remolque

Measured EHP

EHP: La potencia necesaria para mover el casco del barco en un momento dado velocidad en ausencia de acción hélice

EHP no está relacionado con el sistema de tren de potencia

• EHP puede determinarse a partir de los experimentos en el tanque de remolque a distintas velocidades de la nave modelo.

• EHP del modelo de barco se convierte en EHP de la escala completa derminada por la ley de Froude.

11

0

200

400

600

800

1000

Effe

ctive

Ho

rse

po

we

r, E

HP

(H

P)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Ship Speed, Vs (Knots)

POWER CURVEYARD PATROL CRAFT

Curva típica de EHP YP

La EHP requerida variará dependiendo de la velocidad del barco


12

La pérdida de HP a lo largo de la cadena cinemática se puede relacionar en términos de


RENDIMIENTO, o “”

1. Efeciencia de Engranajes

gear = SHP BHP

Potencia en el EjePotencia al Freno

Destaca la pérdida de potencia desde el motor hasta el eje, como resultado de los engranajes de reducción

SHP es siempre menor que BHP

Eficiencia

13

2. Eficiencia en el eje de transmisión

shaft = DHP SHP

- La pérdida de potencia de los engranajes de reducción de la hélice debido a la rodamientos y sellos que apoyan y sellan el eje de transmisión

- La pérdida de la energía se convierte en calor y el sonido debido a la fricción

Potencia Entregada Potencia en el Eje


14


• Eficiencia del Casco

THP

EHPH

- La eficiencia del Casco cambia debido a las interacciones del casco -hélice.- Barco bien diseñado: - Barco mal diseñado:

1H1H

Well-designed

Poorly-designed

- Flujo no es suave.- THP se reduce.- Se necesita alta THPpara una velocidad de diseño

Potencia EfectivaPotencia de Empuje

- Relaciona el empuje HP requerido de la hélice al HP efectiva necesaria para remolcar el barco a través del agua

- La pérdida de poder será una función del diseño del casco

15

Screw


• Eficiencia de la Helice

DHP

THPpropeller

SHP DHP

THP

EHP

• Combina las pérdidas debido a los rodamientos, guías, y la eficiencia de la hélice

• Compara la salida de los engranajes de reducción para el remolque HP requerida

• Comúnmente rangos de 55 a 75%• Una vez que HP se encuentra, puede probar diferentes centrales eléctricas,

engranajes, y la eficiencia de combustible

16


• Coeficiente de Propulsion (PC)

SHP

EHPp

0,65 a 0,60 helice) (1 0,60, a 0,55helices) (2 carga

0,65 a 0,60 helice) (1 0,55, a 0,50 helices) (2 icoTrasatlánt

propeller designed for well 0.6ηp

Coeficiente de propulsión o rendimiento general de la instalación, que es el producto del rendimiento mecánico por el rendimiento a la transmisión de la línea de eje por el rendimiento de propulsión ( helice) por el rendimiento de carena Tomando los valores medios el valor de Kp = es variable para cada tipo de maquina y velocidad.

IHP

BHPm

ptm ,,

i

SHP

DHP

BHP

SHPt

17

Ejemplo:

Ensayo con modelo ha determinado que un buque tiene un EHP de 30.000 HP a una velocidad de 19 nudos. Asumiendo una eficiencia de propulsión de 70%, lo SHP se requiere para ser instalado para alcanzar 19 nudos?


SHP

EHPp

Ejemplo:

A través de modelos de diseño de un barco, se encuentra que el remolque caballos de fuerza requerida para mantener una velocidad de 20 nudos es 23.500 HP. Suponiendo una eficiencia de propulsión del 68%, ¿cuál es la potencia requerida esperada de los engranajes de reducción (caballos de fuerza del eje)?

18

Resistencia al Avance

• Resistencia Total del Casco(RT)La fuerza que experimenta el buque, opuesta al movimiento de del mismo mientras se mueve.Cálculo EHP

P

ST

P

s Hft lb

sft

V(lb) R)EHP(H

550buque del velocidadV

casco al totalaresistenci

S TR

P

ST

Hatts

Wattss

J

s

ftlb

s

ftlbVR

550/1W 1

:

Power

19


Tipo de buque VelocidadM

Esloram

DesplazamientoTm

Área Secc. Maestra

m2

C

Rápido 17 10 17480 138 236

Pasaje 11 131 12400 115 204

Carga 11 105 7985 90 214

Carga 10,5 98 4590 83 264

Valores aproximado de las constante para hallar la potencia indicada

20

Consumo de Combustible es:Maquinas propulsoras

Alternativas…. consumo….280 a 300 gr/BHPMotores diesel grandes a mediano…consumo…155 a

165 gr/BHPTurbinas a vapor grandes a medianas…consumo…160

gr / BHP

Capacidad de Volumen de Combustibles y Autonomía:Combustible a base de carbón, Volumen = 1 Autonomía

=1Combustible Diesel o Fuel-oil, Volumen 0,33

Autonomía=4Combustible Fuel-oil caldera, volumen 0,33 y

Autonomía 2,75


21

Ejemplo .

La potencia indica del buque tipo E, cargado hasta la lina de verano, para la velocidad de 14 nudos IHP=4500 CV. El rendimiento mecánico orgánico de la máquina es de 80%, la perdida en la línea de ejes es del 4% y el coeficiente propulsivo es el 60%. Se pide:a.La resistencia total del buque a la marcha b.Potencia al freno y potencia en el eje PHPc.Cuál es el coeficiente de almirantazgo para la potencia indicada y efectiva.d.Si el consumo horario es 165 gr/BHP/hora, ¿cuántas toneladas de combustible deben embarcarse para navegar 2000 millas con un margen del 20% de reserva.e.Cual es la Autonomía del buque en combustible embarcado


22

3. Dado los siguientes datos:L=9 mD=1,5mT=0,76mB=3 mCurvas HibrostaticasDesp= 7,978 tmVs=7,775 m3Cb= 0,398V=18 nudos Buque de 1 helice, con caja reductora

Calcular la EHP ,Rt, los rendimientos de la cadena cinemática del sistema de propulsión, IHP, BHP,SHP,DHP


23

Resistencia al Avance (cont)

•Coeficiente de Resistencia total del casco

- Valor adimensional de resistencia total

5.0 2 SV

RC

s

TT

sumergido casco del mojada superficie la de area

Buque del Velocidad

Fluido del Densidad

casco del totalasResistenci

casco del totalaResistenci de eCoeficient

S

V

R

C

S

T

T

dimension-nonlb

2

2

4

2

ftsft

ftslb

24

Resistencia al Avance(cont)

• Coeficiente de Resistencia total del casco (cont)

-Resistencia Total del buque a escala completa se puede determinar usando ST VSC , , and

TST CSVlbR 25.0)(

completa escala a buque del velocidad

forma de curvas departir a obtenido

agua del spropiedade de tabala la en disponible

modelo del prueba lapor odeterminad

:

:

:

:

S

T

V

S

C

25

Resistencia al Avance (cont)

• Relación del coeficiente de resistencia total y la velocidad

0

5000

10000

15000

20000

Tota

l R

esis

tance, R

t (lb

)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Ship Speed, Vs (knots)

TOTAL RESISTANCE CURVEYARD PATROL CRAFT

alta velocidada 5 a

baja velocidada 2

2

n

V

VCRn

S

STT

alta velocidada 6

baja velocidada 3

2

n

V

VVCVREHPn

S

SSTST

26

Componentes de la Resistencia Total

• Resistencia total

AWVT RRRR d Viscocidala a aResistenci : RV

Ola la de aResistenci : RW

Aireal aResistenci : RA

• Resistencia a la Viscosidad

- Resistencia debido a la viscocidad que ejerce el fluido sobre

el casco. (Debido a la fricción del agua contra la superficie del

buque)

- Viscosidad, la velocidad del barco, la superficie mojada del

barco generalmente afectar a la resistencia viscosa.

27

Components of Total Resistance

• Resistencia de la Ola - Resistencia causada por las olas generadas por el movimiento de la nave - La resistencia de la Ola afectada por la relación manga-eslora, desplazamiento, la forma del casco, el número de Froude (Eslora y velocidad)• Resistencia del aire - Resistencia causada por el flujo de aire sobre el buque sin viento presente. - La resistencia del aire afectada por el área proyectada, la forma del buque por encima de la línea de agua, velocidad y dirección del viento. - Típicamente 4 ~ 8% de la resistencia total

28

Components of Total Hull Resistance

•La resistencia total y la magnitud relativa de los componentes

- Velocidad baja: Viscocidad R - Alta Velocidad: Formación de Olas R- Hump (Hollow) : Ubicación es en función de la Eslora y velocidad del barco.

Viscocidad

Resistencia al Aire

Formacion de Olas

Speed (kts)

Res

ista

nce

(lb

)

Hump

Hollow

29

Why is a Golf Ball Dimpled?

• Let’s look at a Baseball (because that’s what I have numbers for)– At the velocities of 50 to 130 mph dominant in baseball the air passes

over a smooth ball in a highly resistant flow.– Turbulent flow does not occur until nearly 200 mph for a smooth ball– A rough ball (say one with raised stitches like a baseball) induces

turbulent flow

– A baseball batted 400 feet would only travel 300 feet if it was smooth.– A non-dimpled golf ball would really hamper Tiger Woods’ long game

30

Coefficient of Viscous Resistance

• Viscous Flow around a ship

Real ship : Turbulent flow exists near the bow.

Model ship : Studs or sand strips are attached at the bow

to create the turbulent flow.

31

Coefficient of Viscous Resistance (cont)

• Coefficients of Viscous Resistance - Non-dimensional quantity of viscous resistance - It consists of tangential and normal components.

FF KCC normaltangentialV CCC

• Tangential Component : - Tangential stress is parallel to ship’s hull and causes a net force opposing the motion ; Skin Friction - It is assumed can be obtained from the experimental data of flat plate.

FC

flow shipbow stern

FC

tangential

norm

al

32


S

n

nF

FV

LVR

RC

CC

)2(log

075.0

210

of Component Tangential

Semi-empirical equation

watersalt for

water freshfor

/sft101.2791

/sft101.2260

/s)(ft ViscosityKinematic

)Speed(ft/s Ship

(ft)L

Number Reynolds

25-

25-

2

pp

S

n

V

L

R

33


• Tangential Component (cont’d)

- Relation between viscous flow and Reynolds number

· Laminar flow : In laminar flow, the fluid flows in layers

in an orderly fashion. The layers do not mix transversely

but slide over one another.

· Turbulent flow : In turbulent flow, the flow is chaotic and

mixed transversely.

Laminar Flow Turbulent Flow

Flow overflat plate

5105about Rn

5105 about Rn

34

• Normal Component

- Normal component causes a pressure distribution along the

underwater hull form of ship

- A high pressure is formed in the forward direction opposing

the motion and a lower pressure is formed aft.

- Normal component generates the eddy behind the hull.

- It is affected by hull shape.

Fuller shape ship has larger normal component than slender

ship. Full shipSlender ship

large eddy


small eddy

35

• Normal Component (cont’d)

- It is calculated by the product of Skin Friction with Form Factor.

23

)(

)(

)()()(

)(ft 19 K

K

ftL

ftB

ftTftBftL

C

CKC

F

Fv

Factor Form

Coeff. Friction Skin

of Component Normal


36

23

)(

)(

)()()(

)(ft 19 K

ftL

ftB

ftTftBftL

FF C KC normaltangentialV CCC

210 )2(log

075.0

nF R

C

Summary of Viscous Resistance Coefficient

watersalt for

water freshfor

/sft101.2791

/sft101.2260

/s)(ft ViscosityKinematic

)Speed(ft/s Ship

(ft)L

Number Reynolds

25-

25-

2

pp

S

n

Sn

V

L

R

LVR K= Form Factor

37

• Reducing the Viscous Resistance Coeff.

- Method : Increase L while keeping the submerged volume constant

1) Form Factor K Normal component KCF

Slender hull is favorable. ( Slender hull form will create a smaller pressure difference between bow and stern.)

2) Reynolds No. Rn CF KCF

Summary of Viscous Resistance Coefficient

38

Wave-Making Resistance

Typical Wave Pattern

Bow divergent waveBow divergent wave

Transverse wave

L

Wave Length

Stern divergent wave

39

40

Wave-Making Resistance

Transverse wave System

• It travels at approximately the same speed as the ship.• At slow speed, several crests exist along the ship length

because the wave lengths are smaller than the ship length.• As the ship speeds up, the length of the transverse wave

increases.• When the transverse wave length approaches the ship length,

the wave making resistance increases very rapidly.

This is the main reason for the dramatic increase in

Total Resistance as speed increases.

41

Wave-Making Resistance (cont)

Transverse wave System

Wave Length

WaveLength

SlowSpeed

HighSpeed

Vs < Hull Speed

Vs Hull Speed

Hull Speed : speed at which the transverse wave length equals the ship length. (Wavemaking resistance drastically increases above hull speed)

42

Divergent Wave System

• It consists of Bow and Stern Waves.

• Interaction of the bow and stern waves create the Hollow or

Hump on the resistance curve.

• Hump : When the bow and stern waves are in phase,

the crests are added up so that larger divergent wave systems

are generated.

• Hollow : When the bow and stern waves are out of phase,

the crests matches the trough so that smaller divergent wave

systems are generated.


43

Calculation of Wave-Making Resistance Coeff.

• Wave-making resistance is affected by - beam to length ratio - displacement - hull shape - Froude number• The calculation of the coefficient is far difficult and inaccurate from any theoretical or empirical equation. (Because mathematical modeling of the flow around ship is very complex since there exists fluid-air boundary, wave-body interaction)• Therefore model test in the towing tank and Froude expansion are needed to calculate the Cw of the real ship.


44

Reducing Wave Making Resistance

1) Increasing ship length to reduce the transverse wave - Hull speed will increase. - Therefore increment of wave-making resistance of longer ship will be small until the ship reaches to the hull speed. - EX : FFG7 : ship length 408 ft Which ship requires more hull speed 27 KTS horse power at 35 KTS? CVN65 : ship length 1040 ft hull speed 43 KTS


45

Reducing Wave Making Resistance (cont’d)

2) Attaching Bulbous Bow to reduce the bow divergent wave

- Bulbous bow generates the second bow waves .

- Then the waves interact with the bow wave resulting in

ideally no waves, practically smaller bow divergent waves.

- EX :

DDG 51 : 7 % reduction in fuel consumption at cruise speed

3% reduction at max speed.

design &retrofit cost : less than $30 million

life cycle fuel cost saving for all the ship : $250 mil.

Tankers & Containers : adopting the Bulbous bow


46

Bulbous Bow


47

Coefficient of Total Resistance

Allowancen Correlatio

1

: C

CCK)(C

CCCC

A

AWF

AWVT

Coefficient of total hull resistance

Correlation Allowance

• It accounts for hull resistance due to surface roughness, paint roughness, corrosion, and fouling of the hull surface.• It is only used when a full-scale ship prediction of EHP is made from model test results. • For model,• For ship, empirical formulas can be used.

. 0 smooth is surface model SinceAC

48

Other Type of Resistances

• Appendage Resistance

- Frictional resistance caused by the underwater appendages

such as rudder, propeller shaft, bilge keels and struts

- 224% of the total resistance in naval ship.

• Steering Resistance

- Resistance caused by the rudder motion.

- Small in warships but troublesome in sail boats

•Added Resistance

- Resistance due to sea waves which will cause the ship

motions (pitching, rolling, heaving, yawing).

49

Other Resistances

• Increased Resistance in Shallow Water

- Resistance caused by shallow water effect

- Flow velocities under the hull increases in shallow water.

: Increment of frictional resistance due to the velocities

: Pressure drop, suction, increment of wetted surface area

Increases frictional resistance

- The waves created in shallow water take more energy from

the ship than they do in deep water for the same speed.

Increases wave making resistance

50

Basic Theory Behind Ship Modeling

• Modeling a ship - It is not possible to measure the resistance of the full-scale ship - The ship needs to be scaled down to test in the tank but the scaled ship (model) must behave in exactly same way as the real ship.- How do we scale the prototype ship ? - Geometric and Dynamic similarity must be achieved.

?

DimensionSpeedForce

prototype Model

prototype shipmodel ship

51

Basic Theory behind Ship Modeling

• Geometric Similarity - Geometric similarity exists between model and prototype if the ratios of all characteristic dimensions in model and prototype are equal. - The ratio of the ship length to the model length is typically used to define the scale factor.

Volume :

Area :

:

Factor Scale

3

33

2

22

)(ft

)(ft

)(ftS

)(ftS

(ft)L

(ft)L

λ

M

S

M

S

M

S

Length ModelM

shi scale fullS

:

p:

52


• Dynamic Similarity - Dynamic Similarity exists between model and prototype if the ratios of all forces in model and prototype are the same. - Total Resistance : Frictional Resistance+ Wave Making+Others

S

MSM

M

S

S

MSM

M

M

S

S

M

MM

S

SS

nMnSnMnS

nWnV

L

LVV

L

L

v

vVV

gL

V

gL

V

v

VL

v

VL

FFRR

FfCRfC

,

,

)( ),(

,

53


• Dynamic Similarity (cont’d)

- Both Geometric and Dynamic similarity cannot be achieved

at same time in the model test because making both Rn and

Fn the same for the model and ship is not physically possible.

)(1

100

10)(10

kts

ft

ftkts

L

LVV

S

MSM

)(100

) (assume 10

100)(10

kts

vvft

ftkts

L

L

v

vVV

SM

M

S

S

MSM

Example

Ship Length=100ft, Ship Speed=10kts, Model Length=10ftModel speed to satisfy both geometric and dynamic similitude?

54


• Dynamic Similarity (cont’d) - Choice ? · Make Fn the same for the model. · Have Rn different Incomplete dynamic similarity - However partial dynamic similarity can be achieved by towing the model at the “corresponding speed” - Due to the partial dynamic similarity, the following relations in forces are established.

WSWM CC

VSVM CC

55


• Corresponding Speeds

M

M

S

SnMnS

gL

V

gL

VFF ,

- Example : Ship length = 200 ft, Model length : 10 ft Ship speed = 20 kts, Model speed towed ?

ktsktsV

LLV

L

LVV

S

MSS

S

MSM

47.4 20

120

1

/

1

(ft)L

(ft/s)V

(ft)L

(ft/s)V

M

M

S

S

1kt.=1.688 ft/s

56


• Modeling Summary

AWFAWVT CCKCCCCC )1(

AMWMMFMTM CCKCC )1(

)5.0*( 550

)(

)1(

2sSSTSTS

STS

ASWSSFSTS

VSCRVR

hpEHP

CCKCC

AMFMTMWM CKCCC )1(FroudeExpansion

Measured in tank

)calculatedor (given, 0

smooth) is Model( 0

)givenor Calculated .factor scale todue(

d)(calculate ,

)//V ,( S

AS

AM

MS

FSFM

MMSnMnSWMWS

C

C

KK

CC

gLVgLFFCC

1)

2)

3)

Documents

chap7_a2