Εργαστήριο Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής

Eισαγωγή

Το Εργαστήριο Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής (ΕΝΘΥ) λειτουργεί από το 1979 στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου. Το Εργαστήριο ασχολείται με την εκπαίδευση, τη βασική και εφαρμοσμένη έρευνα και την παροχή τεχνολογικών υπηρεσιών. Πελάτες του ΕΝΘΥ είναι το Πολεμικό Ναυτικό, το Υπουργείο Εμπορικής Ναυτιλίας, τα μεγάλα ναυπηγεία, οι ναυτιλιακές επιχειρήσεις και τα ναυπηγικά γραφεία.

Οι υπηρεσίες που παρέχει το Εργαστήριο είναι η εκτέλεση πειραμάτων σε πειραματική δεξαμενή, μελέτες με χρήση προγραμμάτων Η/Υ καθώς και μετρήσεις επί πλοίου.

Από την έναρξη της λειτουργίας του το εργαστήριο έχει εκτελέσει δεκάδες πειραματικές και αναλυτικές εργασίες τα αποτελέσματα των οποίων περιέχονται σε 150 τεχνικές εκθέσεις.

Αντικείμενο των παρεχομένων υπηρεσιών είναι τα πλοία (εκτοπίσματος, ημι-εκτοπίσματος, ολισθάκατοι, ιστιοπλοϊκά σκάφη, υποβρύχια οχήματα) και παρελκόμενα αυτών (πτερύγια, καρίνες κλπ.) καθώς και άλλες θαλάσσιες κατασκευές (π.χ πλωτές ή σταθερές εξέδρες άντλησης πετρελαίου).

Οι υπηρεσίες του Εργαστηρίου αφορούν στις γνωστικές περιοχές της πρόωσης σκαφών, της συμπεριφοράς πλωτών μέσων σε κυματισμούς, καθώς και τη μέτρηση θορύβων-κραδασμών και ελικτικών ικανοτήτων σκαφών.

Αξιοσημείωτες εργασίες του Εργαστηρίου κατά την εικοσαετή λειτουργία του, που έχουν άμεση εφαρμογή στην παροχή υπηρεσιών του ΕΝΘΥ προς τρίτους  είναι:

• η βελτίωση της αντίστασης σκαφών με χρήση βολβών, πλευρικών sponsons, σφηνών που εφαρμόζονται και σε ήδη υπάρχοντα σκάφη.
• η βελτιστοποίηση της μορφής της γάστρας των πλοίων για τη βελτίωση της συμπεριφοράς τους σε κυματισμό.
• πρωτότυπα διαγράμματα επιλογής ελίκων από συστηματικές σειρές.
• η συμμετοχή του εργαστηρίου επί εξαετία σε πρόγραμμα ESPRIT της ΕΕ με θέμα την εγκατάσταση έμπειρων υπολογιστικών συστημάτων σε πλοία (expert systems)
• η ανάπτυξη συστηματικής σειράς ταχυπλόων σκαφών μήκους 15-60 m.
• η ανάπτυξη συστήματος σχεδίασης ταχυπλόων σκαφών με τη βοήθεια Η/Υ.

Αντίσταση – πρόωση (ship powering)

Η αντίσταση και η πρόωση των πλοίων μελετάται στο Εργαστήριο με τη διεξαγωγή πειραμάτων και αναλυτικών υπολογισμών. Τα αποτελέσματα αφορούν στην επιλογή του πλέον οικονομικού συστήματος πρόωσης. Είναι δυνατή τόσο η σχεδίαση εξ αρχής της μορφής του πλοίου όσο και ή τροποποίηση υπάρχουσας γάστρας ώστε να ελαχιστοποιείται η αντίσταση. Σχεδίαση έλικας με το μέγιστο δυνατό βαθμό απόδοσης και επιλογή μηχανών πρόωσης και μειωτήρων στο μέγεθος που χρειάζεται για την επίτευξη της ταχύτητας που έχει προδιαγραφεί.

Πειράματα

Παρά την σύγχρονη εξέλιξη των αναλυτικών υπολογισμών, τα πειράματα εξακολουθούν να είναι ο πλέον ασφαλής τρόπος μελέτης της πρόωσης των πλοίων. Η εμπειρία του ΕΝΘΥ σε μετρήσεις προτύπων και στην ανάλυση των μετρήσεων είναι μεγάλη, δεδομένου ότι έχουν δοκιμασθεί στη δεξαμενή μέχρι σήμερα πάνω από 120 πρότυπα.

Με την εκτέλεση των πειραμάτων φαίνονται άμεσα τυχόν προβλήματα τα οποία είναι εύκολο να διορθωθούν στην κλίμακα του προτύπου. Ανάμεσα στα διάφορα πειράματα που εκτελούνται στη δεξαμενή πιό συνηθισμένα είναι τα εξής:

• πειράματα αντίστασης,
• οπτική απεικόνιση της ροής γύρω από τη γάστρα,
• πειράματα μέτρησης πεδίου ομόρρου,
• πειράματα προσδιορισμού χαρακτηριστικών ελίκων σε ελεύθερη ροή και
• πειράματα αυτοπρόωσης.

Πειράματα αντίστασης: Η αντίσταση του σκάφους υπολογίζεται σε διάφορες ταχύτητες, εκτοπίσματα και διαγωγές. Με τροποποιήσεις του μοντέλου προκύπτει η τελική μορφή της γάστρας που θα παρουσιάζει τη μικρότερη αντίσταση. Για τη μείωση της αντίστασης του σκάφους πέρα από τις μεταβολές στις γραμμές του δοκιμάζονται πρωραίοι βολβοί στα πλοία εκτοπίσματος και πρυμναίες σφήνες, κινητά πτερύγια και αντιδιαβροχικές λωρίδες στα ταχύπλοα σκάφη. Τα παραπάνω μπορούν να τοποθετηθούν τόσο σε νέα όσο και σε ήδη υπάρχοντα σκάφη για τη μείωση της αντίστασης τους.

Οπτική απεικόνιση της ροής γύρω από την γάστρα: Με τα πειράματα αυτά αποφασίζεται η θέση των παρελκόμενων της γάστρας (παρατροπίδια, στηρίγματα αξόνων) ώστε να είναι ευθυγραμμισμένα με τη ροή, καθώς επίσης εξομαλύνονται περιοχές της γάστρας που παρουσιάζουν αποκόλληση της ροής.

Πειράματα μέτρησης πεδίου ομόρρου: Τα πειράματα αυτά δίνουν στοιχεία της ροής τα οποία απαιτούνται στην αναλυτική σχεδίαση της γεωμετρίας των ελίκων. Η μέτρηση του ομόρρου είναι, επίσης, σημαντική για την εκτίμηση των επιπέδων των θορύβων και κραδασμών από τη λειτουργία των ελίκων καθώς και των καταπονήσεων του αξονικού συστήματος πρόωσης.

Πειράματα αυτοπρόωσης: Τα πειράματα αυτοπρόωσης μαζί με τα πειράματα προσδιορισμού των χαρακτηριστικών ελίκων σε ελεύθερη ροή, δίδουν στοιχεία για τη σχεδίαση της έλικας και την επιλογή των μηχανών και μειωτήρων.

Αναλυτικοί υπολογισμοί

Στο εργαστήριο έχουν αναπτυχθεί προγράμματα Η/Υ τα οποία επιλύουν εξειδικευμένα προβλήματα υδροδυναμικής όπως:

• Αναλυτική σχεδίαση ελίκων ή άλλων μέσων πρόωσης για πλοία εκτοπίσματος και για ταχύπλοα σκάφη.
• Υπολογισμός δυνάμεων από την έλικα στο σκάφος, στο πηδάλιο και στο αξονικό σύστημα πρόωσης.
• Υπολογισμός της ροής γύρω από τη γάστρα.

Επίσης έχουν αναπτυχθεί προγράμματα για τον υπολογισμό της αντίστασης και πρόωσης σκαφών με τη βοήθεια συστηματικών σειρών. Με τη χρήση των προγραμμάτων αυτών περιορίζεται η έκταση της πειραματικής διερεύνησης των χαρακτηριστικών αντίστασης και πρόωσης, κυρίως κατά τη φάση της προκαταρκτικής μελέτης της προωστήριας εγκατάστασης ενός σκάφους.

Μετρήσεις επί πλοίου

Το Εργαστήριο Ναυτικής και Θαλάσσιας Υδροδυναμικής σε συνεργασία με τα Εργαστήρια Ναυτικής Μηχανολογίας και Γεωδαισίας του Ε.Μ.Π. αναλαμβάνουν μετρήσεις επί πλοίων που αφορούν σε:

• μέτρηση αποδόσεως προωστήριας εγκατάστασης,
• μέτρηση ταλαντώσεων μεταλλικής κατασκευής και θορύβων και
• μέτρηση ελικτικών ικανοτήτων πλοίων.

Δυναμική συμπεριφορά πλοίων και πλωτών μέσων σε κυματισμούς

Η δυναμική συμπεριφορά πλοίων και γενικά πλωτών μέσων σε πραγματικές καταστάσεις θάλασσας μελετάται με δοκιμές στην πειραματική δεξαμενή ή με αναλυτικούς υπολογισμούς. Με τα αποτελέσματα των μετρήσεων/υπολογισμών προσδιορίζεται ποσοτικά κατά πόσο ένα σκάφος ή εν γένει μια πλωτή κατασκευή ικανοποιεί κριτήρια όπως άνεσης επιβατών, αποτελεσματικής εργασίας του πληρώματος, επιχειρησιακής ικανότητας (για πολεμικά σκάφη ή άλλα σκάφη ειδικού τύπου), επιβίωσης, αντοχής μεταλλικής κατασκευής σε δυναμικές καταπονήσεις.

Πειράματα

Η πειραματική δεξαμενή διαθέτει σύγχρονο κυματιστήρα ο οποίος δημιουργεί πραγματικές καταστάσεις θάλασσας. Τα πειράματα εκτελούνται σε μετωπικούς κυματισμούς και μετρώνται οι κατακόρυφες κινήσεις και επιταχύνσεις του σκάφους σε διάφορα σημεία κατά μήκος του πλοίου, καθώς και ο αριθμός των διαβροχών του καταστρώματος, των σφυροκρούσεων της πρώρας και των αναδύσεων της έλικας.

Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα πειραματικής διερεύνησης των ελικτικών ικανοτήτων πλοίων σε εξωτερικό χώρο (π.χ. Λίμνη Βουλιαγμένης) και η σχεδίαση του/των πηδαλίων.

Αναλυτικοί υπολογισμοί

Με χρήση αναλυτικών μεθόδων υπολογίζονται όλες οι κινήσεις του πλοίου, γραμμικές και γωνιακές (μετατοπίσεις, ταχύτητες, επιταχύνσεις) για οποιαδήποτε κατάσταση θάλασσας σε οποιαδήποτε κατεύθυνση σχετικά με τη πορεία του σκάφους και για κάθε ταχύτητα του σκάφους.

Το ΕΝΘΥ έχει αναπτύξει αναλυτικές μεθόδους βελτιστοποίησης των γραμμών του σκάφους ως προς τη συμπεριφορά του σε κυματισμούς. Με τροποποίηση των γραμμών του σκάφους που γίνεται στη φάση της προμελέτης μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά η συμπεριφορά του σε κυματισμούς με ανάλογα οικονομικά οφέλη (αύξηση της άνεσης των επιβατών, αποτελεσματικότερη εργασία του πληρώματος, μικρότερη καταπόνηση προωστήριας εγκατάστασης και μεταλλικής κατασκευής σκάφους).

Τέλος, με αναλυτικές μεθόδους γίνεται η εκτίμηση της βελτίωσης της δυναμικής συμπεριφοράς των πλοίων με τη χρήση παρατροπιδίων ή αντιδιατοιχιστικών πτερυγίων.

Μετρήσεις επί πλοίου

Το ΕΝΘΥ έχει αναπτύξει ένα σύστημα μέτρησης της συμπεριφοράς του σκάφους σε κυματισμούς. Το σύστημα τοποθετείται επί πλοίου και μετρά τις επιταχύνσεις σε οποιοδήποτε σημείο του πλοίου (γέφυρα, ενδιαίτηση επιβατών και πληρώματος).

Το σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά τις δοκιμές παραλαβής του σκάφους για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς του σε θαλασσοταραχή, ή να τοποθετηθεί μόνιμα στο σκάφος δίνοντας πληροφορίες στον κυβερνήτη του σκάφους για τις επιταχύνσεις του σκάφους λόγω κυματισμών. Η μόνιμη εγκατάσταση του συστήματος είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στα ταχύπλοα σκάφη. Δεδομένου ότι το σύστημα μετρά την απόκριση του σκάφους στους κυματισμούς, δίνει άμεσα τη δυνατότητα στον κυβερνήτη να λαμβάνει εγκαίρως τα κατάλληλα μέτρα (αλλαγή ταχύτητας ή πορείας) καθώς και να επιβεβαιώνει μέσω του συστήματος ότι τα μέτρα που λαμβάνει είναι αποτελεσματικά.

Εξειδικευμένες υπηρεσίες

Το ΕΝΘΥ παρέχει στους πελάτες του, πέρα από όσα αναπτύχθηκαν παραπάνω. εξειδικευμένες μελέτες όπως:

• Σχεδιάσεις βολβών πλώρης για την επίτευξη της μείωσης της αντίστασης του σκάφους. Η μελέτη των βολβών είναι συνδιασμός αναλυτικών και πειραματικών μεθόδων και μπορεί να αυξήσει την ταχύτητα του σκάφους από 0.5 έως 1.0 κόμβο.
• Σχεδιάσεις πλευρικών προσθηκών (sponsons) για σκάφη που παρουσιάζουν μειωμένη ευστάθεια. Οι προσθήκες σχεδιάζονται με βάση τις γραμμές ροής της γάστρας και τις απαιτήσεις ευστάθειας που πρέπει να ικανοποιηθούν. Παράλληλα με την αύξηση της ευστάθειας τα sponsons επιτυγχάνουν και αύξηση της μεταφορικής ικανότητας.
• Σχεδιάσεις ταχυπλόων σκαφών. Το ΕΝΘΥ έχει αναπτύξει συστηματική σειρά ταχυπλόων σκαφών μήκους μέχρι 35 m κατάλληλη για τις ελληνικές θάλασσες.

• Σχεδίαση γάστρας ιστιοπλοικών σκαφών. Το Εργαστήριο σε συνεργασία με Ελληνες και ξένους σχεδιαστές ιστιοπλοϊκών σκαφών έχει προχωρήσει στη σχεδίαση γαστρών ιστιοπλοικών σκαφών και τη δοκιμή προτύπων. Η πειραματική διερεύνηση των χαρακτηριστικών της γάστρας ιστιοπλοικών σκαφών γίνεται με τη βοήθεια δυναμομέτρου έξι συνιστωσών δυνάμεων που διαθέτει το Εργαστήριο. Επίσης, το ΕΝΘΥ συνεργάζεται με την τεχνική επιτροπή του ORC (Offshore Racing Council).
• Ανασχεδίαση ελίκων: Το ΕΝΘΥ έχει ανασχεδιάσει έλικες υπαρχόντων σκαφών στα οποία η συνεργασία ελίκων – μηχανών δεν είναι αποτελεσματική (υπερφόρτωση μηχανών, υπαρξη κραδασμών κλπ.)
• Σχεδίαση μη συμβατικών μορφών γάστρας: Εχουν εκπονηθεί μελέτες και έχουν διεξαχθεί πειράματα γιά σκάφη τύπου Catamaran και SWATH σε συνεργασία με μελετητικούς φορείς του εξωτερικού.
• Μετρήσεις των ελικτικών ικανοτήτων πλοίων και σχεδίαση του συστήματος πηδαλιουχίας.

            Ακολουθούν μερικά αντιπροσωπευτικά παραδείγματα εφαρμογής των εξειδικευμένων υπηρεσιών του Εργαστηρίου:

1.         Σχεδίαση γάστρας πλοίων ημι-εκτοπίσματος

Εφαρμόστηκε στα νέα περιπολικά σκάφη του Πολεμικού Ναυτικού που σχεδιάσθηκαν στα Ελληνικά Ναυπηγεία ΑΕ. Αντικείμενο του προγράμματος ήταν η σχεδίαση γάστρας με υψηλές απαιτήσεις σε υδροδυναμικά χαρακτηριστικά. Το έργο περιελάμβανε δοκιμές αντίστασης σε ήρεμο νερό με πρότυπα των σκαφών αυτών, την αναλυτική σχεδίαση των ελίκων, πειράματα και υπολογισμούς δυναμικής συμπεριφοράς των πλοίων σε κυματισμούς και δοκιμές ελικτικών ικανοτήτων.

2.         Σχεδίαση πλευρικών προσθηκών (sponsons) υπάρχοντος σκάφους

Αντικείμενο του προγράμματος ήταν η πειραματική διερεύνηση της διαμόρφωσης πλευρικών προσθηκών στο Υ/Γ ΣΤΡΑΒΩΝ έτσι ώστε να βελτιωθούν σημαντικά τα χαρακτηριστικά εγκάρσιας ευστάθειας του σκάφους χωρίς να επηρεασθεί η ταχύτητα του. Το πρόγραμμα περιελάμβανε πειραματική διερεύνηση της επίδρασης των πλευρικών προσθηκών στην αντίσταση του σκάφους ώστε να επιτυγχάνουν την επιθυμητή αύξηση της ευστάθειας χωρίς να αυξάνουν την αντίσταση του σκάφους. Οι πλευρικές προθήκες σχεδιάστηκαν έτσι ώστε να βελτιώσουν τις γραμμές ροής γύρω από τη γάστρα και να επιτύχουν μείωση της αντίστασης του σκάφους.

3.         Ανασχεδίαση ελίκων υπάρχοντος σκάφους.

Αντικείμενο του προγράμματος ήταν η αναλυτική σχεδίαση νέων ελίκων για το σκάφος Ε/Γ-Ο/Γ ΜΥΡΤΟΣ καθόσον οι υπάρχουσες έλικες υπερφόρτωναν τις μηχανές του σκάφους. Με τη σωστή σχεδίαση των νέων ελίκων επιτεύχθηκε σημαντική αύξηση της ταχύτητας του σκάφους (2 κόμβοι).

4.         Σχεδίαση βολβού πλώρης σε υπάρχοντα πλοία.

Το πρόγραμμα εφαρμόσθηκε στο Ε/Γ-Ο/Γ ΜΑΚΕΔΩΝ. Αντικείμενο του προγράμματος ήταν η πειραματική διερεύνηση της δυνατότητας μείωσης της αντίστασης του σκάφους με την τοποθέτηση βολβού στην πρώρα του. Εναλλακτικές μορφές βολβών, με τροποποιημένες τις κύριες παραμέτρους σχεδίασής τους, σχεδιάστηκαν και τοποθετήθηκαν σε ξύλινο πρότυπο του σκάφους. Με τον τελικά επιλεγέντα βολβό προέκυψε σημαντική μείωση της αντίστασης του σκάφους στην περιοχή της υπηρεσιακής ταχύτητάς του.

5.         Διερεύνηση υδρουναμικών χαρακτηρικστικών ταχυπλόων σκαφών.

            Το εργαστήριο εκπόνησε σειρά μελετών και εκτέλεσε δοκιμές σε ταχύπλοο σκάφος αναψυχής τύπου ημιεκτοπίσματος που σχεδιάσθηκε από την ORION MARINE Ltd. Κατασκευάσθηκε ξύλινο πρότυπο του σκάφους και δοκιμάσθηκε τόσο σε ήρεμο νερό όσο και σε κυματισμούς αντιπροσωπευτικούς των ελληνικών θαλασσών. Επίσης έγινε μέτρηση του ονομαστικού ποσοστού ομόρρου. Το σκάφος ναυπηγήθηκε στο ολλανδικό ναυπηγείο Euroship.

            Επίσης το Εργαστήριο έχει εκτελέσει δοκιμές για λογαριασμό ξένων μελετητικών φορέων, ινστιτούτων και εταιρειών όπως το GETENA (Γένοβα, Ιταλία) και το A Group of Monde Carlo (Μόντε Κάρλο, Μονακό)

6.         Διερεύνηση υδροδυναμικών χαρακτηριστικών Αρματαγωγών

            Αντικείμενο του προγράμματος ήταν η υποστήριξη στην σχεδίαση των νέων Αρματαγωγών του Πολεμικού Ναυτικού. Εκπονήθηκε ένα εκτενές πρόγραμμα υπολογισμών και πειραμάτων αντίστασης και αυτοπρόωσης σε ήρεμο νερό, δυναμικής συμπεριφοράς σε κυματισμούς, καθώς και ελικτικών ικανοτήτων.

7.         Σχεδίαση ταχυπλόου σκάφους

            Αντικείμενο του προγράμματος ήταν αρχικά η προκαταρκτική διερεύνηση των υδροστατικών και υδροδυναμικών χαρακτηριστικών των ολισθακάτων τύπου LAMBRO LCS 53’ τα οποία προσφέρθηκαν στα πλαίσια διαγωνισμού του Λιμενικού Σώματος. Μετά την κατακύρωση του διαγωνισμού έγιναν εκτεταμένα πειράματα αντίστασης και δυναμικής συμπεριφοράς σε κυματισμούς για την πλήρη αποτίμηση των δυνατοτήτων των σκαφών. Ηδη έχουv κατασκευασθεί 12 τέτοια σκάφη.

8.         Σχεδίαση γάστρας σκάφους SWATH

            Το πρόγραμμα εφαρμόσθηκε στο Ε/Γ-Τ/Ρ ΝΙΚΟΛΑΟΣ τύπου SWATH-Catamaran. Αντικείμενο του προγράμματος ήταν η πειραματική διερεύνηση της υδρο-δυναμικής συμπεριφοράς του σκάφους με στόχο τη σημαντική βελτίωση της ταχύτητας υπηρεσίας. Κατασκευάσθηκε ξύλινο πρότυπο και διερευνήθηκαν οι περιπτώσεις ανύψωσης του βρεχόμενου καταστρώματος και η επιμήκυνση του σκάφους, η οποία τελικώς προκρίθηκε. Επίσης μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά πρόωσης του σκάφους.

Κατασκευή μοντέλων

Η κατασκευή των μοντέλων (πλοίων, ελίκων και παρελκομένων γάστρας) παίζει σημαντικό ρόλο στις πειραματικές μετρήσεις. Το πρώτο βήμα για την εκπόνηση αξιόπιστων πειραμάτων είναι η ακρίβεια της κατασκευής των μοντέλων.

Το Εργαστήριο διαθέτει εξειδικευμένο τεχνικό προσωπικό και σύγχρονα μηχανήματα για την κατασκευή μοντέλων πλοίων, ελίκων, και παρελκομένων γάστρας (αξονικά, πηδάλια, αρατροπίδια κ.λ.π) με μεγάλη ακρίβεια. Τα μοντέλα των πλοίων κατασκευάζονται συνήθως από ξύλο και τα μοντέλα ελίκων από μπρούτζο.

 

Video

Επικοινωνία με το Εργαστήριο

ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ *

EMAIL *

ΤΗΛΕΦΩΝΟ

ΜΗΝΥΜΑ

Αποστολή