Estimation of propeller ice torque in preliminary design phase - Development of a numerical model
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-06-10
Department
Major/Subject
Marine and Arctic Technology
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
70+2
Series
Abstract
Propeller-ice interaction crucially impacts ship's operational performance and safety in icy conditions. Ice torque, an essential design parameter for assessing a ship's propulsion system performance, refers to the additional rotational force applied to the propeller during interactions with ice. Estimating ice torque is challenging due to the randomness of ice loads. This thesis develops a method and a numerical model for the estimation of ice torque in preliminary design phase. The model, developed in MATLAB, utilizes a theoretical framework of propulsion system dynamics and full-scale propulsion data from existing reference ships to estimate ice torque for new designs. The model firstly calculates the reference ship ice torque inversely from propulsion motor torque and normalizes the result for a new design in preliminary design phase using scaling factors based on ice torque design regulations. Preliminary model assessment is conducted via comparative and sensitivity analyses. The model's maximum ice torque estimations matched the comparison data values with 84.3 to 93.3 % accuracy and qualitative similarities were found between the model estimates and the results of previous studies. Consistent performance was also proved with minimal sensitivity errors, ranging from -2.3 to 2.1 %, indicating low sensitivity. The numerical model was successful due to its comprehensive framework and usage of propulsion data. On the other hand, the accuracy of the model can be limited if the quality of the input propulsion data is insufficient. The main feature of the model is its ability to provide ice torque estimates, which can be used as key inputs for propulsion system simulations, enabling the optimization of the design. The model can be further developed through a broader validation process and by refining the normalization process.Potkurin ja jään vuorovaikutus vaikuttaa ratkaisevasti laivan toimintakykyyn ja turvallisuuteen jääolosuhteissa. Jäämomentti, joka on olennainen suunnitteluparametri arvioitaessa laivan propulsiojärjestelmän suorituskykyä, tarkoittaa ylimääräistä pyörimisvoimaa, jonka jää kohdistaa potkuriin. Jäämomentin arviointi on haastavaa jääkuormien satunnaisuuden vuoksi. Tässä diplomityössä kehitetään menetelmä ja numeerinen malli jäämomentin arvioimiseksi alustavissa suunnitteluvaiheissa. MATLAB-ohjelmalla kehitetyssä mallissa hyödynnetään propulsiojärjestelmän dynamiikan teoreettista viitekehystä sekä referenssilaivoilta mitattua täysimittakaavapropulsiodataa jäämomentin arvioimiseksi uusille laivoille. Malli laskee ensin referenssilaivan jäämomentin käänteisesti propulsiomoottorin vääntömomentista ja normalisoi tuloksen uudelle, alustavissa suunnitteluvaiheissa olevalle laivalle käyttämällä jäämomentin suunnittelumääräyksiin perustuvia skaalauskertoimia. Mallin suorituskykyä arvioidaan vertailu- ja herkkyysanalyysien kautta. Mallin arviot jäämomenttien maksimaalisista arvoista vastasivat vertailudatan arvoja, tarkkuuden vaihdellen 84.3 %:sta 93.3 %:iin. Lisäksi, mallin arvioissa löydettiin kvalitatiivisia yhteneväisyyksiä aiempien tutkimusten tuloksiin. Malli toimii johdonmukaisesti ja herkkyysvirheet ovat minimaalisia. Virhe vaihtelee -2.3 %:sta 2.1 %:iin, osoittaen herkkyyden olevan vähäinen. Malli toimi hyvin kattavan viitekehyksensä ja propulsiodatan käytön ansiosta. Toisaalta, mallin tarkkuus voi olla rajallinen, jos referenssipropulsiodatan laatu on riittämätön. Työkalun tärkein ominaisuus on sen kyky tuottaa jäämomenttiarvioita, joita voidaan käyttää koneistosimulaatioiden syötteinä, mikä mahdollistaa suunnittelun optimoinnin. Tulevaisuudessa mallia voidaan parantaa toteuttamalla laaja validointiprosessi ja kehittämällä normalisointiprosessia.Description
Supervisor
Musharraf, MashruraThesis advisor
Lehtonen, JesseSuominen, Mikko
Keywords
marine propulsion system, propeller-ice interaction, ice torque, numerical modeling