Scheepsbouw (2)

2de Bach NW

Samenvatting scheepsbouw

1/15

Spanningen veroorzaakt door dwarskrachten en buigmomentenDe verschillende soorten spanningen in een materiaal Inwendige kracht = kracht tussen twee delen van eenzelfde object Spanning = kracht per eenheid oppervlak (in N/m of Pascal)

Analyse van de spanningenTrekspanningen Definities Trek- of drukspanningen: inwendige spanningen loodrecht op beschouwde vlak Positief: trek Negatief: druk Gemiddelde spanning: = F / A

Wet van Hooke Elastische vervorming evenredig met rek =E* = lengtetoename / beginlengte E = elasticiteitsmodulus

Afgeleide grootheden Binnen bepaalde grenswaarden geen blijvende schade Treksterkte (Rm of r) = spanning waarboven materiaal zal breken Vloeigrens / elasticiteitsgrens (Rp of e) = spanning waarboven blijvende vervorming is ( ong. 2/3 van de treksterkte) Maximaal toelaatbare spanning ( max) = spanning die niet mag overschreden worden (ong. 2/3 van de vloeigrens)

Staal van hoge treksterkte (high resistance steel) Maximaal toelaatbare spanning evenredig met vloeigrens verhogen => minder staal gebruiken Elasticiteitsmodulus stijgt NIET evenredig => grotere vervormingen max 16kN/cm / (0,059 * L/D) o L = lengte schip o D = hoogte kiel tot dek

2de Bach NW De (af-)schuifspanningen Definitie


2/15

Afschuifkrachten: inwendige krachten parallel aan beschouwde oppervlak Tegengestelde en even grote krachten Positief: linker deel naar beneden =F/A

Wet van Hooke voor afschuiving Veroorzaken rotatie = *G G = glijdingsmodulus / elasticiteitsmodulus in afshuiving

Wederkerigheid van schuifspanningen Twee schuifspanning zelf loodrecht op elkaar, die elk inwerken op twee loodrecht op elkaar staande oppervlakjes, zijn gelijk Gevolgen o Buitenoppervlak geen afschuifspanningen o Grootste afschuifspanningen door zwaartepunt van doorsnede o Versterkingen in n richting, verminderen schuifspanningen ook in een andere richting

Belastingen op de scheepsromp Statisch o Gewichten structuur o Lading, brandstof, ballast, voorraden o Zware toestellen o Waterdruk Dynamisch o Golven o Traagheidskrachten (door bewegingen in de golven)

Bepaling van inwendige krachten en momenten in een schip Grootte inwendige kracht / moment te bepalen door schip door te snijden Effect uitwendige krachten linker op rechter deel => afschuifkracht en buigmoment Uitwendige krachten positief naar beneden & inwendige kracht positief naar boven => inwendige kracht = som uitwendige kracht links Momenten uitwendige krachten positief in tegenwijzerzin en inwendig moment positief in wijzerzin => inwendige moment = som uitwendige momenten links

2de Bach NW


3/15

Tekenconventies Inwendige dwars kracht positief als linker deel neerwaartse kracht uitoefent Inwendig buigmoment positief als linker deel moment uitoefent in tegenwijzerzin Beladen schip => negatieve buigmomenten & dwarskrachten links negatief

De berekening van de spanningen veroorzaakt door inwendige krachten en momentenDoor inwendige dwarskrachten Hoofdzakelijk verticale krachten Inwendige verticale dwarskrachten Veroorzaakt schuifspanningen Grootte maximale inwendige kracht te berekenen door oppervlak en maximaal toelaatbare gemiddelde schuifspanning

Door buigmomenten Trek ene zijde, druk andere zijde Tussenin neutraal vlak / neutrale vezel (loopt door zwaartepunt van doorsnede) Vervorming evenredig met afstand tot neutrale vezel = max * y / ymax * 10-3 Mc = max * I / ymax = max * Wb * 10-3 Wb = weerstandsmoment Bepalen maximaal toelaatbare buigmoment d.m.v. weerstandmoment en maximaal toelaatbare spanning Inwendige moment = statische belasting + golven (empirische formules)

Bepaling van het oppervlakte-traagheidsmoment Definitieformule: I = y * dA Balk: I = bh / 12 Stelling van Steiner: I = Iz + a * A o Iz = traagheidsmoment tov eigen zwaartepunt o a = afstand zwaartepunt tot neutrale vezel o A = oppervlak Dikwijls Iz te verwaarlozen tov tweede term Gevolg: grootste spanningen op dekplaten!

2de Bach NW


4/15

Verloop van de inwendige krachten en momentenGespreide lasten en puntlasten Puntlasten Komen fysisch niet voor Verdeelde belasting vervangen door puntlast, aangrijpend in zwaartepunt

Gespreide lasten F = 0 z p * dz

Verband tussen gespreide belastingen en de evolutie van de dwarskrachten Toename dwarskracht = som uitwendige krachten op beschouwde deeltje

Verband tussen de inwendige dwarskrachten en het inwendige buigmoment M + dM M dFu * dz/2 F dz = 0 dM / dz = F => M = 0 F * dz = 0 z p * dz * dz Inwendige momenten maximaal op plaatsen waar dwarskrachten nul zijn

Pompen en compressorenInleiding Drukstijging Pompen bij vloeistoffen, compressoren bij gassen pt = p + / 2 o pt = totale druk o p = statische druk

Berekening technische vermogen Technische vermogen = vermogen te leveren door energieverwekker Te leveren arbeid wi per kg Voor de pomp: pt1 & Na de pomp: pt2 & 2 wi = -w1

Te leveren compressiearbeid - 1 2 pt * d (bij verwaarlozing wrijvingsverliezen)

2de Bach NW


5/15

Voor pomp = 0, compressoren kan zeer groot worden Te leveren verplaatsingsarbeid Binnenkomende medium levert zelf arbeid, uitstromende medium moet energie meegegeven worden Bij vloeistoffen weinig verschil

Totale hydraulische of pneumatische arbeid Zonder wrijving of lekverliezen: wi = 1 v * dpt Is ook nuttige arbeid opgenomen door medium

Te leveren arbeid per kg In werkelijkheid moet er meer arbeid geleverd worden, rekening houdend met wrijvings- en lekverliezen (= vloeistof die in de pomp zelf terugstroomt van perszijde naar inlaatzijde) wt = 1 / * 1 v * dpt

Te leveren vermogen P = * wt = 1 / * 1 V * dpt

PompenTechnische vermogen P = 1 / * * * (pt2 pt1) = 1 / * V * (pt2 pt1) Verplaatsingsvermogen Verschil tussen totaaldruk & statische druk meestal te verwaarlozen

Soorten pompen Centrifugaalpompen / dynamische pompen Verdringingspompen / volumetrische pompen

Centrifugaalpompen Opwekking centrifugale kracht door snel draaiende waaier Geschikt voor o Water & andere producten met lage viscositeit o Verpompen grote debieten (laad- en ballastpompen) Eenvoudige constructie Niet zelfaanzuigend => als lucht in aanzuigleiding, kan niet weggezogen worden

2de Bach NW Verdringingspompen


6/15

Debiet onafhankelijk van tegendruk Zelfaanzuigend Constructie = duurder Gebruikt bij zeer hoge drukken / zeer gevaarlijke producten (zuigerpompen) Ideaal als tegendruk varieert (bij viskeuze vloeistoffen)

Pompcavitatie Drukdaling aan ingang door aanzuiging Als absolute statische druk = dampspanning vloeistof => dampbellen Bij compressie: dampbellen samengedrukt => trillingen en erosie Hangt af van o Temperatuur vloeistof o Verdampbaarheid vloeistof o Debiet pomp (groter debiet => grotere ladingsverliezen => lagere druk in pomp o Druk aangevoerde vloeistof Vermeden door o Vloeistoftemperatuur laag o Inlaatdruk hoog o Toerental verlagen o Persklep gedeeltelijk sluiten => daling debiet (enkel centrifugaalpompen)

Definities Zuigdruk Absolute mediumdruk in ingangspoort van de pomp

Ingangsdruk Druk aan ingangspoort van apparatuur

Totale opvoerhoogte Totale drukverschil Bestaat uit o Geometrische opvoerhoogte o Drukverschil o Snelheidsverschil o Drukverlies in leidingen Eerste 2 termen onafhankelijk van het debiet => statische opvoerhoogte H = (zb za) + (pb pa) / ( * g) + ( b - a) / (2 * g) + Hv = (pt2 pt1) / ( * g) Meestal pa = pb => statische opvoerhoogte wordt geometrische Snelheidscomponenten te verwaarlozen

2de Bach NW


7/15

NPSH (net positive suction head) NPHSr (NPSH-required) = te verwachten vermindering statische druk tussen pompinlaat en ingang rotor Cavitatie vermijden => drukval kleiner dan verschil statische druk aan pompingang en dampspanning (NPSHa = NPSH-available) NPSHr < (p1 + patm) / ( * g) pD / ( * g) + zp o p1 = statische overdruk aan ingang van de pomp o patm = atmosfeerdruk o pD = dampdruk, afhankelijk van de temperatuur o zp = correctiefactor, normaal verwaarloosd NPSHr stijgt met toenemende debiet Minimumverschil tussen NPSHr & NPSHa = 0,5 m Daling niveau in een reservoir => daling druk aan ingang => NPSHa verminderd => NPSHr moet verminderen => vermindering pompdebiet

Vloeistofslag Als stroomsnelheid van vloeistof plots verminderd Kinetische energie omgezet in drukpuls Vooral in lange leidingen Drukrimpel als vermindering niet plots maar wel heel snel verloopt Frequent voorkomende gevallen o Opstart van een pomp met lege persleiding o Brutaal sluiten van leidingen

Kenmerken van de centrifugaalpompen Toerentalregeling Toerental meestal opgelegd door de elektromotor Toerentalregeling enkel mogelijk bij turbopompen

Druk-volumedebietkarakteristiek Drukken gegeven in m vloeistofkolom of bar Tegendruk daalt, debiet kan verder stijgen Maximale drukstijging (bij nuldebiet) Debiet bij lage tegendrukken, zeer hoog vermogen Densiteit stijgt, centrifugaalkrachten stijgen Grotere vereist grotere motorvermogens

De vereiste en beschikbare netto positieve opvoerhoogte (NPSHr & NPSHa) NPSHr = pompafhankelijk

2de Bach NW Verloop pomprendement


8/15

Lage debieten & hoge tegendrukken => terugstroming Hoge debieten hoge ladingsverliezen Beste rendement tussenin

Verloop van het nodige technische vermogen of motorvermogen P = V / * (pt2 pt1) = V / * * g * H Vereiste vermogen beperkt worden door debiet beperken

Terugslagklep Stijgende tegendruk neemt debiet af Tegendruk te hoog => kans op terugstroming Terugslagklep ter bescherming van pomp & aanzuigleiding Onmiddellijk voorbij de persopening

Opstarten en drukregeling van centrifugaalpompen Nagenoeg gesloten persklep => voorkomen waterslag & beperking vereiste vermogen Drukregeling door smoren van persklep

Stromingsweerstand of gevraagde opvoerhoogte Stromingsweerstand = te realiseren opvoerhoogte Bestaat uit 2 delen o Onveranderlijke deel (afhankelijk van te overwinnen hoogteverschil & drukverschil tussen de tanks) o Veranderlijk deel (neemt toe met v, bepaald door stromingsweerstand in leidingen en kleppen) Werkingspunt gegeven door snijpunt weerstandscurve & pompkarakteristiek

Schakelen van centrifugaalpompen Parallel schakelen van pompen Debieten op tellen Werkingspunt = snijpunt totale pompenkarakteristiek & weerstandscurve Werkingspunt afzonderlijke pompen = zelfde hoogte (druk) Als totale opvoerhoogte groter dan grootst mogelijke drukstijging 1 van beide pompen => terugslagklep sluiten => pompkarakteristiek samenvallen met andere pomp Doel = debiet en vermogen verdelen over 2 pompen Kleiner debiet vermindert cavitatiegevaar Meestal beide pompen zelfde parallel karakteristieken

2de Bach NW Serieschakeling van pompen


9/15

Drukken optellen Werkingspunt = snijpunt totale pompenkarakteristiek & weerstandscurve Werkingspunt afzonderlijke pompen = zelfde debiet Doel = opvoerhoogte doen toenemen (vooral bij lange leidingen) Cavitatiegevaar in eerst geplaatste pomp neemt toe Vereist technische vermogen per pomp neemt toe (gevaar voor overbelasting)

Karakteristieken van verdringingspompen Het debiet-opvoerhoogtediagram Bijna verticaal Helling veroorzaakt door toenemende lekverliezen

De NPSHr-waarde Toerentalregeling Waarden nemen sterk toe met toenemende viscositeit

Het pomprendement Hoger naarmate tegendruk lager wordt (kleinere lekverliezen)

Het technische vermogen Daalt naarmate de tegendruk afneemt

Opstarten en drukregeling van verdringingspompen Debiet beperkt door toerental => geen speciale voorzorgen Teveel aan vloeistof ontsnapt via overdrukklep, veiligheidsklep of afstuurregeling

Onderlinge opstelling van verdringingspompen Serieschakeling geen zien gezien hoge drukken die gerealiseerd kunnen worden Parallelschakeling => debiet van bijna dubbel zo groot

2de Bach NW


10/15

CompressorenSoorten compressoren Ventilatoren, axiale en centrifugale compressoren Duwen gasstroom in axiale en/of radiale richting Meer radiale richting => meer druk dankzij centrifugaalkracht Hoge debieten & lage tegendrukken

Verdringingscompressoren Hogere drukken & kleinere debieten Twee- of meertrapscompressoren (serieschakeling) => nog hogere drukken (tussenkoeling!!)

Vloeistofslag Aanzuigen van vloeistof door de compressor Leidt tot ontoelaatbare botsingen

Karakteristieken Compressorkarakteristiek Vergelijkbaar met centrifugaalpomp => debiet neemt af bij toenemende tegendruk In genormaliseerde omstandigheden gegeven (afhankelijk van temperatuur en druk)

Compressorrendement Rendement uitgesprokener dan bij centrifugaalpomp Dichter bij lagere tegendrukken

Vermogen Neemt toe met volumedebiet (stemt overeen met massadebiet bij standaard inlaatvoorwaarden) Vermogenregeling kan door o Toerentalregeling o Aan- en uitregeling compressor o Smoren / afblazen uitgang o Smoren ingang Plotse drukstijging kan zeer grote vermogentoename teweegbrengen

2de Bach NW Opstarten


11/15

Koelcompressoren o Intens gesmoord aan ingang o Toerental beperken Luchtcompressoren o Ingang gesmoord & uitgang kortgesloten o Laag vermogen bij opstarten

CorrosiePrincipe Oxidatie van metalen => breking metaalbinding Geoxideerde metalen los van oppervlak

Voorwaarden om corrosie te bekomen Tweede element om oxidatie te veroorzaken o Ondergaat zelf een reductie o Zuurstof / zuur / ander geoxideerd metaal / elk ander element gevoelig voor reductie Ionen moeten oppervlak kunnen verlaten o Is niet het geval bij passivering Elektronen moeten metaal kunnen verlaten Ionen en moleculen makkelijk te verplaatsen in vloeistof

Classificatie van metalen naar hun gevoeligheid voor oxidatie Bij oxidatie wordt metaalmassa steeds meer negatief geladen Geen ionen meer in oplossing dankzij negatieve lading => evenwicht Gemakkelijkere oxidatie => grotere negatieve lading Negatieve lading wordt gemeten tov referentiemateriaal mbv spanningsmeter Bij andere referentie andere spanning maar zelfde volgorde Waterstof als referentie meest gebruikelijke!

2de Bach NW


12/15

Classificatie o Groep 1 Kalium Calcium Natrium Magnesium Aluminium o Groep 2 Zink Chroom IJzer Nikkel Tin Lood o Groep 3 Waterstof Koper Zilver Kwik o Groep 4 Platina Goud

Corrosie door een zuur Waterstofatomen nodig die gereduceerd kunnen worden Bij metalen van groep 1 ook mogelijk in zuiver water Zuiver zuur niet in staat metalen aan te tasten

Corrosie door zuurstof Groep 1 reageert hevig Groep 2 wordt langzaam aangetast Groep 3 moeten eerst opgewarmd worden Groep 4 is ongevoelig Aanwezigheid van water versnelt de oxidatie door zuurstof

2de Bach NW


13/15

De bescherming tegen deze corrosievormenVerven Verflaag remt verplaatsing water & gassen & geven soms galvanische bescherming Volgende gevaren o Slechte voorbereiding oppervlak (aanzuiging water door verflaag heen) o Reductiereactie onder verflaag

Kathodische bescherming Principe Voldoende negatieve stroom aanbrengen Twee manieren o Verliesanodes (aanbrengen zwakkere metalen als te beschermen oppervlak) o Opgedrukte stroom (stroom aanbrengen op te beschermen oppervlak)

Nevenreacties op de platen 2 H + 2 e -> H2 => explosief mengsel in gesloten ruimten & bros maken van metaal O2 + 2 H2O + 4 e -> 4 OH => toename pH => beschadiging verf, kalkvorming & corrosie aluminium

Nevenreacties op de anode Vorming Cl2 (= toxisch)

Bescherming door galvanische anodes Beperkte elektromotorische kracht => elke anode beschermt slechts beperkt oppervlak

Materiaalsoorten Magnesiumanodes (Mg-Al-Zn) o Grootste elektromotorische kracht: -1,5 tot 1,7 V o Aantal anodes beperkter / mindere geleidbaarheid (zoet) water o Elektromotorische kracht vlak naast anode te groot o Beperkingen in gesloten ruimtes o Levert 1230 Ah/kg Zinkanodes (Zn-Al-Cd of Zn-Hg) o Elektromotorische kracht: -1,05 V o Toegevoegde elementen om passivering zink tegen te gaan o Meest gebruikt in zeewater o Levert 780 Ah/kg

2de Bach NW


14/15

Aluminiumlegeringen (Al-Zn of Al-Zn-Sn of Al-Zn-Hg) o Elektromotorische kracht: -0,97 tot 1,15 V o Afhankelijk van behandeling & samenstelling materiaal o Beperkingen in gesloten ruimtes o Levert 2830 Ah/kg

Vorm van de anodes Hangt af van elektrische geleidbaarheid van water Klein => groot oppervlak in verhouding tot massa Groot => massieve blokken

Bescherming door opgedrukte stroom Werkwijze Gelijkstroombron gevoed door transformator & gelijkrichter Negatieve pool verbonden met romp, schroefas, schroef & roer Positieve pool verbonden met anode uit corrosiebestendig materiaal Spanning bijgestuurd op basis van spanningsmetingen tov referentieanode

Materialen voor anode Grafiet o Versterkt met hars o 2,5 10 A/m o Gevoelig voor chloor o Wordt niet meer gebruikt Gietijzer (met hoog siliciumgehalte) o 5 50 A/m o Corrosie van 1 kg/Ajaar Loodlegeringen o Met 2% zilver: 300 A/m o Andere samenstelling: 350 2000 A/m o Gevoelig voor slib Platina o Zeer duur o Dun laagje platina op blok tantaal & titanium o 500 700 A/m (met maximum van 1000 A/m) Anodes mogen niet overschilderd worden

Spanningsregeling Spanning voldoende negatief houden Permanent gemeten tov referentieanode uit zink Referentieanodes zo ver mogelijk van anodes Regeling manueel / automatisch Tussenoplossing: in haven meer negatieve gemiddelde potentiaal

2de Bach NW


15/15

Galvanische corrosieOorzaak Twee verschillende metalen in onderling contact in water Beide evenwichten verstoord Element meest negatieve potentiaal elektronen verliezen => corrosie

Oplossingen Verflaag / kathodische bescherming Beide metalen scheiden door elektrische isolatie / beide metalen beschermd vanuit zelfde stroombron (bij kathodische bescherming)

Corrosie in stilstaand water Evenwichtspotentiaal afhankelijk van aard van water (o.a. zuurstofgehalte) Zelfde materiaal, ergens zuurstofrijk water, ergens zuurstofarm => corrosie op plaats met minste zuurstof (waar het water stilstaat)

Putcorrosie Zuurstofrijk water aan hoge snelheid Bevordert reactie van zuurstof met elektronen Stromingen beperken tot 1,5 m/s Kleinste ongelijkheid veroorzaakt turbulentie => zuurstof uit water => andere evenwichtspotentiaal Zeer snelle corrosie (galvanische cel met onbeschermde plek en beschermlaag) Probleem bij roestvrij staal

Bescherming van de schroef, het roer en de stabilisatorvinnen Delen zijn dikwijls niet geschilderd Turbulentie enorm => bevordering corrosie Elektrisch verbinden maar weerstand tussen delen < 0,01 Bijzonder probleem: schroefasdichting met bronzen lagers & waterafdichting: weerstand < 0,001

Bacteriologische corrosie Reductie sulfaationen tot sulfide-ionen door bacterin Brengt oxidatie teweeg van metaal + pH stijging

Scheepsbouw (2)

Documents

Transcript of Scheepsbouw (2)