KR Webzine Vol.112

1. 序论

产业通信资源部主办DHMC, KOMERI主管的针对DWT 3~7k级别中小型船舶节能装置(Energy Saving Device, ESD)适用于实际船舶的项目中，KR参与了结构安全性验证部分。中小型船舶适用节能装置有附着在船体上控制船尾流动的鳍(Hull Fin)和附着于舵上控制螺旋桨Hub流动的舵球(Rudder Bulb)。此装置大约可以改善4~5%的航行效率，并与节省燃油效果一起成为IMO(International Maritime Organization)应对环境规制技术而备受瞩目。

为了验证鳍和舵球的结构安全性利用CFD(Computational Fluid Dynamics)进行流动分析，固有振动分析，屈服强度分析及疲劳分析来确认是否共振，应力水准，疲劳寿命等。

 

2. 负荷

舵的负荷根据屈服强度及疲劳分析要求的条件，将通过CFD得到的压力场映射到舵的结构模型确认
矢量来进行验证。当打满舵(±35도)的时候一侧的负荷达到了规范规定值的90%，确认符合。

<通过CFD流动分析生成负荷及负荷的映射>

为了计算作用在鳍的Morison负荷，以装载手册作为基础以航行最高比例对货物装载状态和压载水状态进行流体力学分析，求得速度及加速度值。抗力系数使用了KOMERI提供的值。并且适用了根据船体变形作用的Hull Girder负荷。

 

<通过CFD流动分析推测抗力系数并适用Morison负荷>

 

3. 固有振动

 

舵是受螺旋桨周期性负荷的结构物，假如螺旋桨转速和舵的固有振动相接近时有可能发生共振。舵的固有振动根据舵的强度及舵的质量会发生变化。特别是根据吃水及相对应舵的附加质量，其固有振动会发生变化。在这个项目中根据吃水变化计算固有振动，之后将其与负荷的频率进行比较确认了是否共振。

 

<舵(Rudder Bulb)的固有振动模式>

  

 

4. 强度评估及疲劳寿命

舵的强度评估是分别适用利用CFD计算的动态负荷以及根据吃水的静水压，进行了强度分析。为了确认根据螺旋桨旋转造成的舵的非对称负荷，适用了舵角为0度和作用最大压力的满舵状态，并且考虑螺旋桨转角组成了负荷条件(Load case)。针对舵球的焊接部位进行了疲劳寿命的评估。

 

 

<舵(Rudder Bulb)的强度评估>

  

鳍的强度评估则是将第2章中取得的Morison负荷适用于鳍的垂直方向，船舶的装载状态适用船体的Hull Girder负荷进行了强度分析。鳍是额外附着在船体的结构物，因此为了不给船体造成损伤，对船体内部进行了局部加强。对鳍的末端及Double Pad等应力部位和结构不连续部位进行了疲劳分析的审核。

 

<鳍(Hull fin)的强度评估>

 

 

 

 

<鳍(Hull fin)的疲劳评估部位>

 

5. 结论

· 本次研究中验证了节能装置鳍和舵球的结构安全性，并为了适用于类似结构树立了分析流程。
· 舵球的固有值分析由于海水造成附加重量及由于腐蚀造成质量减少，还考虑了制造过程中有可能发生重量增加

  的相应重量比例的负荷条件。
· 舵的主要模式形象是Lateral Mode，确认了根据舵的重量变化对固有振动的变化影响不是很大。但是根据吃

  水的增加发生的重量变化会使舵的固有振动与螺旋桨产生负荷的振动相接近。
· 利用CFD计算的动态压力分布，确认了螺旋桨旋转引起的舵非对称压力。利用CFD计算的动态压力值与规范的

  规定值进行比较，确认符合。
· 疲劳分析中考虑螺旋桨旋转引起的变动负荷及舵角变化引起的变动负荷，经过分析，确认具有充分的寿命。
· 为了计算作用在鳍的抗力，以装载指南为基础，在航行比例最高的货物装载状态下，根据船舶的主要航行线路

  适用相关海域的数据进行了航行分析，并算出了这时有可能发生的最大速度及加速度。
· 鳍(Hull fin)根据船舶的装载条件适用船体的Hull Girder负荷及局部的抗力对结构安全进行了审核，并确认了

  其结果满足要求。

6. 适用事例

 
举办航行性能改善对实船进行 Retrofit的技术成果共享技术研讨会

产业通信资源部主办DHMC, KOMERI主管的针对DWT 3~7k级别中小型船舶节能装置(Energy Saving Device, ESD)适用于实际船舶的技术研讨会于2018年6月4日在全南大佛产业集团举办。该产业是为了提高中小型船舶的竞争力及庆尚南道，全罗南道的船厂及器材厂家的上升，KR对附着在舵的舵球及附着在船体上的Hull Fin进行了CFD流动分析，固有振动分析，强度及疲劳寿命的评估，验证了其安全性。

包含KR在内，韩国海运集团，庆尚南道，全罗南道，KIAT，船公司等出席了研讨会并共享了技术成果， 技术成果之一节能装置的安装大约可以改善4~5%的航行效率，并且每年可以节省0.7亿韩币的燃油费用，作为IMO(International Maritime Organization)应对环境规制技术而备受瞩目。

本次实船适用是通过中小型船舶改造的国内第一次实用化成果，期待可以帮助提高中小型船厂的竞争力。
下列是为了3~7k级中小型船舶的节能安装ESD的图片。

 

<技术研讨会>

 

 

<ESD适用事例>

 

 

<舵球(Rudder Bulb)及鳍(Hull Fin)>