Verbundprojekt: MarTERA-HealthProp - Life Prediction and Health Monitoring of Marine Propulsion System under Ice Impact; Vorhaben: Experimentelle, analytische und numerische Untersuchung und Modellierungen von Eislasten am Propeller

Abstract

Das Projekt HealthProp_ILM ist ein Teilprojekt des Co-Fun MartERA Projektes HealthProp, welches mit internationalen Partnern aus Deutschland, Norwegen und Südafrika durchgeführt wurde. Für Deutschland, als Exportnation ist die Schifffahrt von großer Bedeutung und damit auch das Erschließen von Handelswegen wie den trans-Arktische Routen, auf der Ostsee, Kreuzfahrten im Eis oder Binnenschifffahrt in Nord und Ost Europa. Das Einschätzen von eisbedingten Belastungen am Antriebsstrang ist nicht nur für Schiffsbetreiber von Bedeutung, sondern auch von Herstellern der Komponenten. Unplanmäßige Wartungen auf Grund von eisbedingten Schäden können zu erheblichen finanziellen Konsequenzen führen. Das Ziel Propellereislasten genauer abschätzen zu können stützte sich auf eine Reihe von Experimenten in welchen Eisproben bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten gegen Stahlplatten gedrückt wurden. Diese Experimente wurden mit einem entwickelten numerischen finite Element Model reproduziert. Nach der Validierung der Simulationen wurden Experimente mit einer Eindringkante simuliert. Im folgenden Schritt wurden die Geschwindigkeiten und der Energieeintrag in Eis und Struktur nochmals erhöht und ebenfalls zur Weiterentwicklung der Simulation genutzt. Im finalen experimentellen Schritt wurde ein Propellerflügel der SA Agulhas II im Massstab 1:3 unter den Fallturm gestellt und mit Eislasten beaufschlagt. Im Projekt wurde auch eine Simulation für die Interaktion von Eisschollen und Schiff entwickelt, woraus die Eisfragmente bestimmt werden, welche im Propeller enden. Diese Dimensionen, werden weitergegeben um mit dem zuvor erzeugten Finiten Element Model die Kraft zu berechnen, welche auf den Propeller ausgeübt wird. Das daraus berechnete Moment an der Propellerwelle wurde mit gemessenen Momenten an der SA Agulhas II verglichen mit guter Übereinstimmung der maximalen Momentwerte. Eine Validierung des gesamten Lastspekturms war nicht möglich, weil die genaue Anordnung der Schollen zum Schiff unbekannt ist und einen signifikanten Einfluss auf die Eisfragmente und somit auch das Lastspektrum hat.

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The HealthProp_ILM project is a sub-project of the Co-Fun MartERA project HealthProp, which was carried out with international partners from Germany, Norway and South Africa. For Germany, as an export nation, shipping is of great importance and thus also the development of trade routes such as the trans-Arctic routes on the Baltic Sea, cruises in the ice or inland navigation in Northern and Eastern Europe. The assessment of ice-related loads on the drive train is not only important for ship operators, but also for component manufacturers. Unscheduled maintenance due to ice-related damage can lead to considerable financial consequences. The aim of estimating propeller ice loads more accurately was based on a series of experiments in which ice samples were pressed against steel plates at different speeds. These experiments were reproduced with a developed numerical finite element model. After validation of the simulations, experiments with an indentation edge were simulated. In the following step, the velocities and the energy input into the ice and structure were increased again and also used to further develop the simulation. In the final experimental step, a 1:3 scale propeller blade of the SA Agulhas II was placed under the drop tower and subjected to ice loads. The project also developed a simulation for the interaction of ice floes and ship, from which the ice fragments that end up in the propeller are determined. These dimensions are passed on to calculate the force exerted on the propeller using the previously generated finite element model. The calculated moment on the propeller shaft was compared with measured moments on the SA Agulhas II with good agreement of the maximum moment values. It was not possible to validate the entire load spectrum because the exact arrangement of the floes in relation to the ship is unknown and has a significant influence on the ice fragments and therefore also the load spectrum.