Blade cup method for cavitation reduction in marine propellers

Abstract

Cavitation is a phenomenon that affects the components of a vessel below the water-plane. In many different conditions, the components of the propulsion system must operate at the limits of their capacity. Various conditions create limits on the Naval Architect's ability to design efficient and effective propulsion system components. In most of the projects, engineers and designers focus on the propeller design at the very last stages of the project. Engine selection is performed based on the ship resistance at the target ship speed. Engine power and torque are one of the major inputs for the propeller design. The gearbox reduction ratio is the other input that has a significant influence on the propeller. After collecting all of these design inputs, there is one more major limit which is the stern shape of the boat. The stern shape has different characteristics according to the type and operating purposes of the boat. However, stern shape limits the propeller diameter in most cases. This limitation affects the design that the pitch of the propeller should be increased to reach the thrust needed for satisfying the hull speed requirements. In such cases, increasing the blade pitch leads to high pitch ratio propellers which create a risk for cavitation occurrence. Cavitation occurrence starts when the local pressure values around the blade become lower than the vaporization pressure at the operating condition. A high pitch ratio that indicates a high blade angle of attack creates a risk of cavitation in these conditions. Propeller blade cup which is a geometric change on the trailing edge of the blades can be used for cavitation reduction. The blade cup produces an additional thrust and the additional thrust provides an opportunity to reduce the blade angle of attack. The decrement in the angle of attack of the blades leads to a reduction in the cavitation risk. The main dimensions of the propeller can be determined for a vessel based on the propulsion system components. Engine determination is performed according to the aimed hull speed for the vessel. The propeller is the part that converts the engine power to thrust which is needed to reach the aimed speed. In most cases, propeller main dimensions are limited with the stern shape of the boats. This limitation leads to create highly pitched propellers to use the engine torque for reaching the top speed of the vessel. Additionally, not only the maximum speed should be satisfied but also the boat needs to operate at the design cruising speed at the efficient engine rotation speed. If all of the defined conditions and limitations are considered, operating at the aimed hull speed without propeller cavitation may not be possible by only changing the main characteristics of the propeller. The propeller cup is a trailing edge drop that can be applied to a propeller blade in order to create additional thrust. The additional thrust that is created by the blade cup leads to an increased torque of the propeller. Blade pitch reduction optimisation is performed to decrease the propeller torque to the level of the initial no-cup propeller. This optimisation process provides cavitation reduction because of the reduced blade angle of attack. In this thesis, cavitation validation is performed for both a 3D propeller and a 2D blade section. Then a 3D cavitating propeller is created and the cavitating propeller is investigated by applying different levels of blades cup by Computational Fluid Dynamics (CFD). After showing the cavitation reduction capabilities of the propeller trailing edge cup method, the cavitating propeller is analyzed in several propeller advance ratios to understand the effects of the cup and create a blade cup drop vs. angle of attack decrement method. In the series calculation section, the 500mm diameter propeller which is used in the series calculations is converted to different cupped propellers by using the calculation results. The thrust coefficient values 0.3 and 0.32 is used and open water efficiency results are compared for the specified thrust coefficients. The results and propeller conversion examples show that the original no-cup propeller which is a cavitating propeller can be converted to light, medium or heavy cupped blades. The result graphs provide the required P/D decrement for each cupping level. Cavitation can be reduced or eliminated with the help of cupping and P/D optimisation. The open water efficiency of the propellers can be increased or kept constant.

Kavitasyon gemi pervanelerinde ve sevk bileşenlerine görülebilen fiziksel bir olaydır. Kavitasyon, oluştuğu bileşeni etkileyebileceği gibi, sevk ve manevra sistemindeki diğer bileşenleri de olumsuz etkileyebilir. Sevk ve manevra bileşenlerine vereceği zarar, bu bileşenlerin hem kullanım ömrünü azaltır hem de kullanımları sırasında istenilen verimi sağlamasını engelleyebilir. Özellikle enerji verimliliğinin önemini giderek arttırdığı günümüzde, sevk ve manevra sistemlerinin düşük verimde çalışması kullanım sırasındaki enerji tüketimini arttıracağı gibi, kullanım ömürlerinin de azalması, ilgili parçalarının planlanan daha erken değişimine neden olabilir. Bu durum da, üretim ve değişim için fazladan enerji ve maliyet yükü getirecektir. Bir geminin tasarımında, geminin kullanım amacı en temel tasarım girdisidir. Tekne formu ve tüm fiziksel yapı kullanım amacı doğrultusunda şekillenecektir. Bununla birlikte, teknenin istenilen hızda sevk edilebilmesi için, birçok bileşenin tasarımı dikkatli şekilde yapılmalıdır. Bir teknenin pervanesinin tasarlanması ise tüm diğer bileşenler gibi kritik öneme sahiptir. Pervane üzerindeki hidrodinamik etkiler, pervanenin tasarımında çok büyük etkiye sahiptir. Teknenin hedeflenen seyir hızında oluşacak direnci yenecek özelliklere sahip bir sevk sistemi ve bileşenlerini oluşturmak, tasarımı yapan mühendislerin tüm tasarım girdilerini değerlendirmesini gerektirmektedir. Tekne formu, pervane üzerine gelen akış üzerine önemli etkiye sahiptir. Bununla birlikte, tekne kıç formu pervane önündeki akışı belirler. Hedeflenen tekne hızında iz, pervane tasarımının önemli bir girdisidir. Teknenin hedef hızında verimli bir şekilde seyir yapabilmesi için seçilmiş olan makinenin gücü ve buna bağlı tork değerleri de pervane tasarımını etkileyecek diğer önemli tasarım girdisidir. Birçok teknenin tasarımında, teknenin istenilen hızda sevk edilebilmesini sağlayacak makinenin seçiminin ardından, şaft dönüş hızını belirleyecek olan şanzıman redüksiyon oranı da belirlenir. Makineden pervaneye aktarılacak devir, hem pervanenin karakteristiği üzerinde çok büyük etkiye sahiptir hem de makineden pervaneye aktarılabilen torku, devir düşürme oranı kadar arttıracağı için, pervanenin çap ve hatvesinin belirlenmesinde önemli bir tasarım girdisi olacaktır. Pervane çapının mümkün olan en büyük çapta kullanılması, pervane veriminin en üst noktada tutulmasını sağlamaktadır. Ancak her tasarımın tekne kıç formundan gelen çap kısıtlaması mevcuttur. Karina ve pervane arasında etkileşimi azaltmak ve pervanenin teknede istenmeyen titreşim ve gürültü yaratmaması için, karina ve pervane kanat ucu arasın da belirli bir oranda boşluk bırakılması gerekir. Bu boşluk ile birlikte, teknenin sahip olabileceği maksimum pervane çapı belirlenir. Kanat sayısı ve kanat açılım oranlarının da belirlenmesinin ardından geriye kalan en kritik özellik pervanenin hatvesidir. Pervane hatvesi, pervanenin yaratması gereken itmenin oluşturulmasında kritik öneme sahiptir. Pervane hatvesinin arttırılması ile bir hidrofoil kesitinin hücum açısının arttırılması aynı anlama gelmektedir. Buna göre, hücum açısının arttırılması kesitin düşük basınç bölgesindeki hız değerlerini artıracaktır. Artan hızlar mevcut basınç değerlerini daha da düşüreceği için, suyun buharlaşma basıncı değerine yaklaşmasına neden olabilir. Hatta bazı durumlarda kanat üzerindeki basınç değerleri , pervanenin ya da hidrofoilin çalışma koşullarındaki buharlaşma basıncının altında düşebilir. Bu durumda kavitasyon görülmeye başlanacaktır. Kavitasyon oluşumunu azaltmak için bir hidrofoilin hücum açısı azaltılabilir ancak bu durumda istenilen kaldırma kuvveti değerine ulaşılamayacaktır. Aynı durum pervane açısından incelendiğinde ise, kavitasyon görülen bir pervanenin hatve/çap oranının azaltılması, kavitasyon oluşum riskini azaltacaktır. Ancak hidrofoilde istenilen kaldırma kuvveti değerine ulaşılamaması gibi, pervanede de istenilen itme değerine ulaşılamayacaktır. Hatve azaltılması sonucu kaybedilen itme değerine karşılık gelecek kadar itme, pervane devrini arttırarak sağlanabilir. Ancak bu durumda kavitasyon açısında sağlanan iyileştirme artan yerel hızlar nedeniyle tekrar kaybedilecektir. Tüm bu durumlar göz önüne alındığında, kavitasyon üreten bir pervanenin, pervaneye gelen akışının düzenlenme ihtimalinin olmadığı, pervane çapını büyütmenin fiziksel kısıtlar ve titreşim/gürültü gibi nedenlerle mümkün olmadığı tasarım kısıtları ve zorlukları olabilir. Tüm bunlara ek olarak, pervanenin devri de seçili makine-şanzıman ikilisi nedeniyle kısıtlanmış olabilir. Teknenin istenilen hızda sevk edilmesi için tasarlanan pervane tüm bu tasarım girdileri ve hedefleri nedeniyle kavitasyon yaparak çalışmak zorunda kalabilir. Bu koşullarda, teknenin seyir performansı, verimi, seyir konforu ve bileşenlerin ömrü negatif etkilenecektir. Pervane kanadı çıkış kenarı bükümü, tüm tasarım sınırları nedeniyle kavitasyon bölgesinde çalışmak zorunda kalan bir pervanenin kavitasyon riskinin azaltılması için bir çözüm metodu olarak incelenmiştir. Pervane kanadının çıkış kenarında yapılan büküm, ilgili bölgede pervanenin düşük basınç tarafındaki basınç değerlerinin, büküm olmayan versiyonuna göre daha düşük olmasını sağlar. Bu durum, bükümsüz pervaneye kıyasla fazladan itme sağlar. Eğer bir pervane, sadece çıkış kenarına büküm uygulanarak üretilirse, aynı devirse bükümsüz versiyonuna göre daha fazla itme ürettiği görülecektir. Çünkü kanadın hatvesi fiziksel olarak değiştirilmese de, çıkış kenarındaki büküm geometrisi, efektif hatveyi arttıracaktır. Efektif hatvedeki artış yarattığı fazladan itmenin yanı sıra, pervanenin tork ihtiyacını da arttıracaktır. Bu nedenle pervanenin hatvesi fiziksel olarak azaltılmalıdır. Bu azaltma, hem pervanenin çıkış kenarındaki bükümün arttırdığı efektif hatveyi azaltacak hem de tork limitinin aşılmaması sağlanacaktır. Çünkü çalışmadaki amaç, büküm uygulanmış pervanenin efektif hatvesi ile büküm uygulanmamış pervanenin efektif hatvesinin eşit olmasıdır. Büküm uygulandıktan sonra, pervane kanadının hücum açısı azaltılarak, bükümlü pervane ile bükümsüz pervanenin efektif hatveleri eşitlenir. Bu durumda, efektif hatveleri eşit olan ancak kanat hücum açıları farklı olan iki pervane elde edilmiş olur. Pervane kanadı üzerinde oluşan kavitasyonun azaltılması için düşük kanat açısı oldukça önemlidir. Ancak düşük kanat açısı genellikle istenilen itme değerlerine ulaşılması açısında önemli bir engeldir. Bu çalışmada, pervane çıkış kenarı bükümünü kullanılması sağlanarak, pervanelerin kanat açıları düşülür ve bu sayede önemli ölçüle kavitasyon iyileştirmeleri sağlanır. Ancak bu işlem yapılıp kavitasyon azaltılır ya da tamamen ortadan kaldırılırken en önemli noktalardan biri pervanenin itme ve verim değerinde azalma olmamasının sağlanmasıdır. Bu çalışmada öncelikle, hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözümlerinin kavitasyon açısından doğrulanması için, üç boyutlu bir pervanenin deney sonuçları ile yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu doğrulama çalışmasına ek olarak, bir hidrofoil geometrisi yine deney sonuçları ile kıyaslanarak, kanat üzerinde oluşan basınç dağılımları ve kavitasyon hacimleri incelenmiştir. Tüm bu doğrulama çalışmaları, daha sonra yapılacak olan kavitasyon çözümlerine ve kanat çıkış kenarı büküm uygulamalarının kavitasyon ile ilişkisinin incelenmesine öncülük etmiştir. Kanat çıkış kenarı bükümünün kavitasyon üzerindeki azaltıcı etkisinin incelenebilmesi için, kavistasyon üreten bir pervane oluşturulmuştur. Bu pervane farklı ilerleme katsayılarında hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı ile analiz edilmiştir. Bu pervanenin çıkış kenarına farklı seviyelerde çıkış kenarı bükümü uygulanmıştır. Çıkış kenarı bükümü uygulanması için, pervanelerin sehim fonksiyonu değiştirilmiştir. Sehim fonksiyonlarının değiştirilmesi sayesinde, kanat genişliğinin çıkış bölgesindeki son %10' luk kısmına büküm uygulanmıştır. Farklı seviyelerde yapılan sehim fonksiyonu değişimleri sayesinde, giderek artan büküm geometrileri oluşturulabilmiştir. Büküm uygulanan pervanelerin efektif hatvelerinin azaltılabileceğinin gösterilmesi için, oluşturulan tüm pervaneler, bükümsüz ilk pervanenin analiz edildiği tüm ilerleme katsayılarında hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı kullanılarak analiz edilmiştir. Bu çalışmalara ek olarak, seçilmiş olan pervanenin 0.7R kesitinin de çözümleri yapılmıştır. Bu çözümler yapılırken, üç boyutlu pervanenin analizlerinin yapıldığı ilerleme katsayıları ve büküm değerleri kullanılmıştır. Bu sayede, üç boyutlu olarak yapılan çalışmaların iki boyut ile karşılaştırılması, büküm ve hücum açısı değişimlerinin etkilerinin doğrulanması sağlanmıştır. Birçok tasarım kısıtının, pervane tasarımını zorlaştırdığı ve kavitasyon üretmeyen bir pervane oluşturmanın mümkün olmadığı durumlarda, pervane kanadı çıkış kenarı büküm uygulaması sayesinde performans karakteristiği değiştirilmiş bir pervanenin, hatve optimizasyonu ile kavitasyon karakteristiğinin de değiştirilmesi sağlanmaktadır. Tüm bu işlemler uygulanırken, pervanenin ve teknenin performansından kayıp olmaması, kullanılan makine gücünde ve şanzıman redüksiyon oranında değişim gerektirmemesi de çalışmanın en önemli noktasını oluşturmaktadır. Çalışmanın sonunda, seçili pervane için büküm seviyelerine karşılık gelen hatve azaltma grafikleri oluşturulmuştur. Bu sayede pervanenin farklı ilerleme katsayılarında, farklı büküm değerlerinde hatvesinin revize edilebilmesi sağlanmıştır. Bu revizyon ile birlikte kavitasyon oluşumunda önemli iyileştirmeler sağlanmıştır. Pervane çıkış kenarı büküm uygulaması, doğru şekilde uygulandığında, pervanenin hatve oranının azaltılmasına imkan sağlamakta ve bu şekilde pervanenin açık su karakteristiğinde negatif etkiler oluşmadan, kavitasyonun azaltılması ve bazı koşullarda ise tamamen ortadan kaldırılması mümkün olmuştur. Sonuç kısmında, tez çalışmasında kullanılan 500mm çapındaki pervanenin, 0.3 ve 0.32 itme katsayısı için P/D oranı ve kanat bükümü dönüşümleri için örnekler gösterilmiştir. Bu çalışmada, kanat çıkış kenarı bükümü uygulanmamış, 1.32 çap/hatve oranına sahip pervane, kavitasyonu azaltacak ya da tamamen ortadan kaldıracak şekilde, daha düşük hatve oranına sahip pervanelere dönüştülebilir. Bu işlem gerçekleştirilirken, dönüşümü yapılan pervanelerin açık su verim değerleri göstemiştir ki, kanat bükümü uygulanmış ve hatve oranı azaltılmış bir pervane, orjinal pervane ile aynı itmeyi sağlarken verim artışı da sağlamaktadır. Bu noktada en kritik kısım, kanat çıkış kenarındaki büküm oranının ne kadarlık efektif hatve artışı sağlayacağını hesaplayabilmektir. Oluşturulan grafikler bu dönüşümün yapılabilmesi için kullanılmıştır.