Hydrodynamische Trägheiten an lateral schwingenden Propellerwellen

Hintergrund der Aufgabenstellungen:

Die Vermeidung zu starker Biegeschwingungen von Propellerwellenanlagen ist ein wesentlicher Aspekt der betriebssicheren Auslegung von Schiffs-Antriebsanlagen. Ein Auslegungsfehler in diesem Bereich wird meist erst bei der Erprobung der Schiffantriebsanlage unter Last auf der Probefahrt eines Schiffes deutlich. In der Regel zieht die Behebung solch eines Fehlers sehr zeit- und kostenintensive Nacharbeiten nach sich.

Zur Vermeidung derart kostspieliger Fehler werden Biegeschwingungsrechnungen für Propellerwellenanlage durchgeführt. Eine Vielzahl schwer bestimmbarer Randbedingungen sowie die Koppelung unterschiedlicher Effekte aus den Bereichen der Gleitlagertheorie, Hydrodynamik, Strukturmechanik und Rotordynamik verhindern bis heute jedoch eine zufriedenstellende Berechnungsgenauigkeit.

Einen wesentlichen Einfluss auf die Frequenzen von Biegeschwingungen besitzen mitschwingende Flüssigkeiten, sogenannte „Hydromassen“. Diese treten sowohl im Bereich des Propellers als auch im Bereich der in Öl oder Wasser geführten Propellerwellen auf. Aufgeteilt auf mehrere Arbeiten soll die Wirkung der Flüssigkeiten im Bereich der Propellerwelle näher untersucht werden.

Aufgaben für mehrere Arbeiten:

1.     Vergleich von Methoden zur Berücksichtigung der umgebenden Flüssigkeiten bei biegeschwingenden Antriebswellen.

Software: Vorzugsweise ANSYS, alternativ: andere auf dem Campus verfügbare FEM-

Software

- Modellierung von Hydromassen (ggf. auch -dämpfungen) nach unterschiedlichen gebräuchlichen Methoden für ein einfaches Schwingungssystem, für das bereits ein messtechnische Ergebnis der Hydromassenwirkung vorliegt (Im einfachsten Fall: Lateralschwingungen eines zylindrischen Starrkörpers).

- Modellierung von Hydromassen (ggf. auch -dämpfungen) nach unterschiedlichen Methoden für einen typischen Schiffsantriebsstrang mit großen Lagerabständen (Vorgabe kommt ggf. vom Betreuer)

- Durchführung von Schwingungsrechnungen, Vergleich und Bewertung der Methoden.

2.       Konstruktion einer Versuchsanlage zur Untersuchung der Wirkung von Flüssigkeiten auf biegeschwingende Antriebswellen

- Definition des Anforderungsprofils an einen Versuchsstand (methodisch, z.B. Mindmap):

               - drehende, nicht drehende Wellen,

               - elastische und starre Wellen,

               - Anregung bis zu welchen Frequenzen und Amplituden? 

               - Anzahl starrer oder verschiebbarer Lagerstellen

               - Flüssigkeiten (Öl, Salzwasser, Süßwasser)

               …

- Konstruktive Entscheidungen (methodisch, z.B. mit morphologischer Kasten) zur Erstellung eines geeigneten Versuchsstandes

               - Antriebsleistung

               - Regelung des Antriebs

               - Abdichtungen, IP-Schutz

               - Messtechnik

               - Korrosionsschutz

- Konstruktion (mit CAD-Werkzeug)

3.       Untersuchung der Wirkung von Flüssigkeiten auf biegeschwingende Antriebswellen

-          Durchführung von Versuchen in einem nach gemäß Arbeit 2 konstruierten und anschließend gebauten Versuchsstand mit Modellen, die in Arbeit 1 berechneten Modellen.

-          Analyse der Messergebnisse

-          Bewertung der Qualität der verschiedenen Berechnungsmethoden

-          Ggf. Vorschläge zur Verbesserung bestehender Methoden, der Messtechnik, des Versuchsstandes

Berechnungssoftware: Teils FEM (z.B. ANSYS), teils CAD