unitatea invatare 1 vn

Fenomene dinamice de la bordul navelor

7 Vibraţii şi Noxe Navale

Unitatea de învăţare nr. 1 FENOMENE DINAMICE DE LA BORDUL NAVELOR Cuprins Pagina

Obiectivele unităţii de învăţare nr. 1 8

1.1 Generalităţi asupra fenomenelor dinamice de la bordul navelor 8

1.2 Vibraţii generate de motorul naval 9

1.2.1 Vibraţiile liniilor de arbori ale motoarelor navale 10

1.2.2 Vibraţiile structurilor de rezistenţă ale motoarelor navale 11

1.3 VibraţiI generate de elicea navală 12

1.4 Vibraţiile datorate efectelor mării 13

1.5 Interacţiunea dinamică corp navă-motor naval 15

Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 1 17

Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare 18

Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 1 19



OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 1

Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 1 sunt:

• Însuşirea unor cunoştinţe minimale despre fenomenele dinamice de la bordul navelor;

; • Cunoaşterea surselor de excitaţie a vibraţiilor la bordul navelor şi a

principalelor moduri de prevenire şi reducere a acestora.

1.1 Generalităţi asupra fenomenelor dinamice de la bordul navelor Creşterea dimensiunilor navelor comerciale şi a puterii instalaţiilor lor de propulsie în ultimele decenii ridică în faţa proiectanţilor şi constructorilor de nave numeroase probleme tehnice, una dintre cele mai importante fiind aceea a vibraţiilor la bordul navelor. Fenomenele vibratorii de la bordul navelor sunt cu atât mai importante, cu cât acestea afectează, simultan:

- anduranţa diferitelor părţi ale structurii corpului navei; - starea tehnică a diverselor maşini şi aparate instalate la bord; - confortul echipajului.

Dacă ne punem problema originii acestor vibraţii, constatăm că diversele părţi ale structurii corpului navei constituie sisteme elastice supuse excitaţiilor ce au drept surse următoarele: motorul principal şi motoarele auxiliare, elicea şi efectele mării. Pentru a studia problema vibraţiilor la bordul navelor este necesar, ca de altfel în orice studiu de vibraţii, să se ţină cont de două aspecte complementare ale fenomenelor şi anume: sursele de excitaţie, ca şi răspunsul structurilor şi aparatelor propulsive şi auxiliare la aceste excitaţii. Deci, pentru a preîntâmpina apariţia unor vibraţii supărătoare, este necesară abordarea simultană, atât din punct de vedere static cât şi dinamic, a comportării instalaţiei de propulsie şi a corpului navei.



1.2 Vibraţii generate de motorul naval Conform celor prezentate anterior, generatorul principal de vibraţii la bordul navelor îl constituie motorul principal, de propulsie. De aceea, în paragrafele următoare vom face o trecere în revistă a principalelor vibraţii generate de motorul principal: vibraţiile liniilor de arbori şi ale structurilor de rezistenţă ale acestora.

Fig. 1.1. Schema surselor de excita ţie a vibra ţiilor la bordul navelor şi a principalelor moduri de prevenire şi reducere a acestora.

Ameliorarea siajului

Forma bulbului

pupa

Modificare

a formelor

pupa

Mãrirea jocului

axial elice-corp Bolta pupa

Cârma

Jetul de apã

pupa

Elice

Excitaþiile liniei de arbori

Numãr

de pale

Torsiune

pale

Reduce-

re

diametru

Presiuni

asupra

boltei pupa

Excitaþiile cârmei ºi apendicilor

Joc axial elice-

cârmã

Profile

Linia de arbori

Diame-

trul

arbori-

lor

Poziþie

paliere

Aliniere

corectã

Rigidizare

carcasã

lagãr axial

Vibraþiile

structurii

Efectele mãrii

Forma

provei

Forma

etravei

Fund Schim-

barea

capului

sau

vitezei

Calare corectã elice-

motor

Motor principal

Cuplaje

Moduri de

prevenire

Remedii

Remedii



1.2.1 Vibraţiile liniilor de arbori ale motoarelor navale Instalaţiile de propulsie navală cu motoare diesel cuplate direct cu propulsorul prezintă două surse principale de excitaţie a vibraţiilor liniilor lor de arbori, şi anume motorul principal propriu-zis şi elicea navală. Forţele de excitaţie a liniilor de arbori, pentru mecanismul unui motor naval lent, sunt redate în figura 1.2, în care cu F s-a notat forţa axială totală, rezultată prin însumarea dintre forţa de presiune a gazelor,

pF şi forţa de inerţie a maselor în mişcare alternativă,

aF , care se

descompune într-o componentă normală, N , acţionând în capul de cruce, şi o componentă B , ce acţionează în lungul bielei. Această din urmă forţă se descompune, la rândul său, într-o componentă tangenţială, T şi o componentă radială, Z , ambele acţionând în butonul de manivelă.

Fig. 1.2. Schema for ţelor de excita ţie a vibra ţiilor liniilor de arbori a unui motor naval lent.

Modelele matematice pentru diferitele forme de vibraţie conduc la sisteme de ecuaţii diferenţiale. Parametrii din aceste ecuaţii pot fi constanţi, cum ar fi, de exemplu, masele şi rigidităţile, sau variabile, cum ar fi turaţia, puterea, frecvenţa excitaţiei şi timpul. Rezonanţa se produce atunci când pulsaţia excitaţiei de un anumit ordin armonic coincide cu pulsaţia proprie a sistemului. În vecinătatea acestei pulsaţii, multiplicatorul dinamic conduce la creşterea amplitudinilor vibraţiilor, acestea fiind limitate doar de gradul de amortizare al sistemului. Evident că situaţia poate fi periculoasă şi trebuie evitată, pentru aceasta find posibile două rezolvări:

- acţiunea în antifază cu excitaţia la frecvenţa de rezonanţă; aceasta înseamnă compensare activă, ceea ce implică utilizarea unor soluţii tehnice sofisticate, cum ar fi sisteme digitale de control sau calculatoare;

- modificarea comportării dinamice a sistemului, astfel ca vârfurile amplitudinilor să nu depăşească valorile acceptabile impuse de societăţile de clasificare navală, sau ca



rezonanţa să nu se producă în vecinătatea regimului nominal al motorului; aceasta este şi soluţia cea mai utilizată şi poate fi obţinută prin modificarea geometriei sistemului.

Liniilor de arbori antrenaţi direct de motoarele navale de propulsie le sunt specifice următoarele trei tipuri principale de vibraţie:

- vibraţii torsionale ale liniei de arbori; - vibraţii de încovoiere ale liniei de arbori; - vibraţii axiale ale liniei de arbori.

1.2.2 Vibraţiile structurilor de rezistenţă ale motoarelor navale Forţa normală ce acţionează în capul de cruce (figura 1.2), prin componentele sale rezultate din forţele de presiune a gazelor şi de inerţie a maselor în mişcare alternativă dezvoltate în fiecare cilindru al motorului, generează momente de ruliu, ce variază cu unghiul de rotaţie al arborelui cotit. Ele se numesc forţe şi momente laterale, ele suportând dezvoltări în serie Fourier. Aceste forţe şi momente excită vibraţiile structurilor de rezistenţă ale motoarelor navale de propulsie, vibraţii având un caracter deosebit de complex, determinat de forma constructivă foarte complicată a acestor structuri şi de caracterul complex al solicitărilor. Gradul de excitaţie, pentru întregul motor, pentru un ordin armonic dat, depinzând de ordinea de aprindere, ca şi configuraţiile caracteristice modurilor de vibraţie ale structurilor de rezistenţă. În funcţie de numărul de cilindri şi de ordinul armonic, aceste excitaţii laterale pot genera vibraţii ale structurii de rezistenţă a motorului. Aceste vibraţii pot afecta agregatele montate pe motor, cum ar turbosuflantele de supraalimentare, etc., putând cauza şi vibraţii locale în compartimentul de maşini şi ale structurii dublului fund, aceste fenomene impunând luarea de măsuri preventive. Remediul uzual pentru vibraţiile structurii de rezistenţă a motorului îl constituie montarea de traverse de rigidizare în partea superioară a acestuia.



1.3 Vibraţii generate de elicea navală Elicea poate excita vibraţiile corpului navei prin:

- forţe şi momente transmise corpului navei, prin intermediul liniei de arbori;

- fluctuaţiile presiunii repartizate pe bolta pupa imersă; - forţe şi momente acţionând asupra cârmei şi

lagărelor liniei axiale. Elicea transmite liniei de arbori variaţii ale celor trei forţe şi momente în lungul şi, respectiv, în jurul axelor sistemului prezentat în figura 1.3. Vom face doar câteva consideraţii asupra principalilor parametri având influenţă asupra nivelului vibratoriu indus de elice în linia de arbori a motorului de antrenare:

- raportul de disc: acesta influenţă este determinată de numărul de pale; alegerea numărului de pale al elicei se va face concomitent cu o analiză a siajului şi a riscului de apariţie a diverselor tipuri de vibraţie ale liniei de arbori a motorului naval;

- torsiunea palelor: metodă foarte eficace pentru reducerea excitaţiilor transmise liniei de arbori;

- numărul de pale: acesta trebuie să fie în concordanţă cu numărul de cilindri ai motorului, şi anume, pentru evitarea fenomenelor rezonante, numărul de pale nu va fi divizor al numărului de cilindri ai motorului;

- siajul: totalitatea formelor dârei din pupa navei, diversele armonici ale siajului depinzând de formele pupa ale corpului navei, forme mai aviate conducând la reducerea neuniformită-ţii siajului;

- cavitaţia: atâta timp cât nu atinge un nivel prohibitiv ce poate conduce la diminuări ale randamentului propulsiv, se consideră a avea o influenţă redusă asupra excitaţiilor tran-smise de elice liniei de arbori.

Fig. 1.3. For ţele şi momentele transmise de elicea naval ă liniei de

arbori a motorului de propulsie.



1.4 Vibraţiile datorate efectelor mării Considerând acţiunea hulei asupra corpului navei ca o sursă de excitaţie ce poate genera fenomene vibratorii ale structurii acesteia, se impune menţiunea că interesul major este concentrat asupra vibraţiilor verticale de ansamblu ale navei. Conform acestei orientări actuale în concepţia navelor, se pot distinge două tipuri de excitaţii: whipping (biciuire) şi springing (arcuire). Fenomenul de whipping, care este şi cel mai cunoscut, este rezultatul impactului produs de şocurile hidrodinamice aplicate fundului navei, în zona prova. Este de două tipuri:

- slamming, atunci când şocul se produce pe partea plană a fundului navei, când aceasta recade în apă după emersiune (figura 1.4,a);

- slapping, atunci când şocul este produs asupra etravei, fără emersiune. Fenomenul de springing este cel de-al doilea tip de excitaţie, datorat forţelor hidrodinamice ale hulei şi corespunde unui fenomen de intrare în vibraţii întreţinute ale corpului (figura 1.4,b).

Fig. 1.4. Eviden ţierea excita ţiilor vibra ţiilor corpului navei. Deşi influenţa condiţiilor de navigaţie asupra whipping-ului este majoră, o prevenire, încă din faza de proiectare, se poate face orientativ, pe baza următoarelor consideraţii:

- favorizarea generării fenomenelor de slamming sau slapping prin forma plată sau de U pronunţat a fundului carenei şi pantele prea pronunţate ale operei moarte;

- menţinerea pescajului în orice condiţii de navigaţie, la nivelul recomandat; - evitarea, pe cât posibil, a prezenţei bulbului de etravă;

Fenomenul este sensibil la lungimea navei şi în unele cazuri, la viteza sa. În privinţa springing-ului nu există nici o posibilitate concretă de diminuare, acesta fiind dependent de viteza şi lungimea navei, precum şi de repartiţia încărcăturii şi balastului la bord.



Pentru whipping, printr-o balastare corespunzătoare se poate obţine o creştere a pescajului prova, iar în cazul springing-ului, prin modificarea repartiţiei încărcăturii la bord. O analiză a vibraţiilor corpului generate de sursele de excitaţie menţionate anterior, conduce la diferenţierea a trei categorii de vibraţii:

- vibraţii locale; - vibraţii ale ansamblelor; - vibraţii ale cocii.

Din categoria vibraţiilor locale fac parte acele vibraţii care pot excita un element de structură (coaste, panouri, plăci, traverse, pereţi despărţitori) al căror comportament dinamic are o influenţă redusă asupra elementelor adiacente. Categoria a doua de vibraţii enumerată afectează părţi importante din corpul navei precum: suprastructura, rufurile, partea posterioară a cocii, etc., care pot fi considerate ca formând un ansamblu. În figura 1.5 sunt prezentate vibraţiile verticale şi longitudinale ale suprastructurii. Ultima categorie şi cea mai importantă, cuprinde la rândul său, o serie de tipuri de vibraţii ale cocii:

- vibraţii de încovoiere verticale; - vibraţii de încovoiere transversale; - vibraţii torsionale cuplate cu cele de

încovoiere; - vibraţii longitudinale.

În general, vibraţiile cocii devin semnificative în momentul în care se constată rezonanţa dintre frecvenţa proprie a acesteia şi frecvenţa excitaţiei.

Fig. 1.5. Schema de producere a vibra ţiilor de ansamblu verticale şi longitudinale ale suprastructurii.



1.5 Interacţiunea dinamică corp navă-motor naval Masele în mişcare alternativă şi de rotaţie aferente fiecărui mecanism motor generează forţe periodice de ordinul întâi şi doi în fiecare cilindru. Pentru motoarele cu număr uzual de cilindri, rezultanta vectorială a acestor forţe este nulă. Aceste forţe, numite forţe libere, deşi au o rezultantă nulă, dau naştere unor momente de dezechilibru, momente libere, nenule; în principal, la motorul naval, se iau în consideraţie momentele de ordinul întâi vertical şi orizontal, VM 1 şi HM 1 , ca şi momentul de ordinul doi vertical, VM 2 (figurile 1.6 şi 1.7). Aceste momente libere pot excita vibraţiile corpului navei atunci când sunt îndeplinite una sau mai multe din următoarele condiţii:

- frecvenţa armonicei excitatoare este apropiată de cea a corpului navei (rezonanţa); condiţia aceasta este dependentă de structura corpului navei şi de repartizarea încărcăturii la bord.

- momentele libere acţionează în apropierea unui nod al modului propriu de vibraţie al corpului navei (figura 3.14); aceasta depinde de poziţia de instalare a motorului la bordul navei;

- amplitudinea momentelor libere de dezechilibru depăşeşte influenţa amortizării structurale a corpului navei, această amplitudine depinzând de mărimea alezajului şi de ordinea de aprindere.

Fig. 1.7. Schema momentelor de dezechilibru vertica le şi orizontale ale motorului naval instalat la bordul navei, generatoare de vibra ţii corespunz ătoare ale corpului.

Fig. 1.6. Schema momentelor libere ce ac ţioneazã asupra

motorului naval



Fig. 1.8. Schema ac ţiunii momentelului de dezechilibru verticale de ord inul doi în raport cu modul propriu de vibra ţie al corpului navei.

Momentul liber de ordinul doi este redus, în mod uzual la motoarele navale moderne, prin montarea compensatorilor cu mase de echilibrare (contragreutăţi) de tip Lanchester, la fiecare capăt al motorului, care se rotesc cu viteză dublă faţă de cea a arborelui cotit. Avantajul compensatorilor este acela că rezolvarea dezechilibrului excitator se realizează direct la sursa de excitaţie. Soluţia de generare a unui moment egal dar în opoziţie de fază poate fi realizată prin compensator de ordinul doi acţionat electric şi montat în compartimentul maşinii cârmei (fig 1.9). Avantajul unui asemenea compensator electric este acela de a fi permanent reglabil, dar, exceptând costul ridicat, nu este performant pentru compensarea momentelor libere mari, specifice motoarelor navale lente.

Fig. 1.9. Modul de ac ţiune al compensatorilor electrici Momentele libere de ordinul întâi,

HM

1 şi

VM

1provin din suma vectorială a forţelor libere

datorate maselor în mişcare de rotaţie şi a celor aflate în mişcare alternativă, aceste momente acţionând cu frecvenţă egală cu cea corespunzătoare arborelui cotit. Valoarea cea mai mare o au în cazul motoarelor cu patru cilindri, faţă de motoarele cu număr mai mare de cilindri.



De reţinut! Principalele surse de vibraţii la bordul navelor sunt motoarele navale, propulsorul şi efectele mării.

Test de autoevaluare 2.1 1. Fenomenul de whipping este rezultatul impactului produs de şocurile hidrodinamice aplicate fundului navei, în zona prova. Apariţia acestuia este datorată navigaţiei în condiţii hidrometeorologice, care permit deplasări relative ale etravei, suficient de importante pentru a provoca impactele respective. Dintre acestea menţionăm fenomenul slamming, atunci când: a) şocul se produce pe partea plană a fundului navei, când aceasta

recade în apă după emersiune (fig. VN!, b); b) momentele de dezechilibru ale motorului depăşesc nivelul admisisbil; c) nu se dispune de dispozitive de echilibrare-compensare la bord; d) toate răspunsurile anteriore sunt valabile. 2. Fenomenul de springing este cel de-al doilea tip de excitaţie al corpului navei datorat efectelor mării (fig. VN1, b), datorat: a) şocului ce se produce pe partea plană a fundului navei, când aceasta

recade în apă după emersiune b) forţelor hidrodinamice ale hulei şi corespunde unui fenomen de intrare

în vibraţii întreţinute ale corpului; c) momentele de dezechilibru ale motorului depăşesc nivelul admisisbil; d) nu se dispune de dispozitive de echilibrare-compensare la bord.



Lucrare de verificare la Unitatea de înv ăţare nr. 1 Să se întocmească schema surselor de vibraţie de la bordul navelor, cu intercuplajele dintre acestea.

Răspunsuri şi comentarii la întreb ările din testele de autoevaluare 1. a; 2. b.

Recapitulare Interacţiunea dinamică corp navă-motor naval.

VN 1



Concluzii Forţele şi momentele libere pot excita vibraţiile corpului navei atunci când frecvenţa armonicei excitatoare este apropiată de cea a corpului navei (rezonanţa).

Bibliografie 1.Bărănescu, G. Teoria echilibrajului motoarelor cu ardere internă în linie, Editura Academiei Române, Bucureşti, 1975. 2.Brayard, J. Avant projet de l'hélice standard, sillage et suction, ENSTA, Paris, 1975. 3.Brayard, J., Chataignier, P. Efforts subis par le navire à la mer, ENSTA, Paris, 1974. 4.Bryndum, L., Jakobsen, S.B. Vibration Characteristics of Two-Stroke Low Speed Diesel Engines, MAN B&W, Copenhagen, 1987. 4.Buzbuchi, N., Dragalina, Al., Manea, L., Moroianu, C., Dinescu, C. Motoare navale. Procese şi caracteristici, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1997. 6.Buzbuchi, N. Dinamica sistemelor de propulsie navală, Tipografia Institutului de Marină Civilă Constanţa, 1998. 7.Buzbuchi, N., Dinescu, C. Vibraţiile motoarelor navale, Tipografia Institutului de Marină Civilă, Constanţa, 1993. 8.Buzbuchi, N., Dinescu, C. Complemente de dinamica motoarelor navale, Editura Alas, Călăraşi, 1995. 9.Buzbuchi, N., Taraza, D. On Vibration Analysis in Ship Installations with Two-Stroke Diesel Engines, the Transaction Volume of the Motor and Motor Vehicle Engines, Izmir, 1993. 10.Jenzer, J. Vibration Analysis for Modern Ship Machinery, New Sulzer Diesel, Winterthur, Switzerland, 1991. 11.Jenzer, J., Frossard de Saugny, H. On the Dynamics of Diesel Power Plant, New Sulzer Diesel, Winterthur, Switzerland, 1991. 12.Taraza, D., Buzbuchi, N. Consideraţii asupra vibraţiilor complexe ale motoarelor navale, Volumul celei de-a VII-a Conferinţe naţionale de vibraţii mecanice, Timişoara, 1993. 13.*** Reccomandations en vue de limiter les effets des vibrations à bord des navires, Bureau Veritas, N.I., Juin, 1979. 14.*** An Intoduction to Vibration Aspects of Two-Stroke Diesel Engines in Ships, MAN B&W a/s, Copenhagen, Denmark.

unitatea invatare 1 vn

Documents