RUNKOVÄRÄHTELY JA RUNKOÄÄNET Koneistojen aiheuttama värähtely Moottorin värähtelyheräte Moottorin tasapainottaminen Laivan runkorakenteen vasteet Laivamelu Peruskäsitteitä Dieselmoottorin runkoääniheräte ja joustava asennus Ilmaäänet ja niiden vaimentaminen Laivojen melutasot ja niiden alentaminen

RUNKOPALKIN VÄRÄHTELY Tyypillisen rahtilaivan runko on suuri massa ja elastinen poikittaisvärähtelyjen suunnassa. 'Hetkuminen' tuntuu koko laivan pituudella, paitsi tietenkin solmukohdissa. PYSTYSUUNNASSA POIKITTAISSUUNNASSA 2 nodes 2 nodes 3 nodes 4 nodes 3 nodes 4 nodes

Yleistä värähtelyistä Dieselmoottori ja potkuri ovat laivoissa yleensä tärkein värähtelyn ja melun lähde. ‘Global’, laivapalkki värähtelee, taajuus 1 … 10 Hz. ‘Local’, kansi tai muu paikallinen rakenne värähtelee, taajuus 10 … 30 Hz. Ilmaääni ja runkoääni vaikuttavat kuuluvuus-taajuusalueella 50 … 16000 Hz.

Värähtelyamplitudi, -nopeus ja -kiihtyvyys Sinmuotoisen värähtelyn amplitudi, nopeus ja kiihtyvyys ovat helposti muunneltavissa. Kuvassa taajuus ja värähtely-taso logaritmisella asteikolla. Esimerkki: 9 mm/s nopeustaso taajuudella 10 Hz vastaa amplitudia 0.15 mm tai 650 mm/s2 kiihtyvyyttä. Yleisin sallitun värähtelytason raja: 120 mm/s2 kiihtyvyys, kun taajuus <5 Hz ja 4 mm/s sitä korkeammilla taajuuksilla. Myöhemmin tullut monia ja tiukempia kriteerejä.

Ulkoisten voimien ja momenttien merkinnät 1st order = värähtely kampiakselin pyörimisnopeudella 2nd order = värähtely kaksinkertaisella pyörimisnopeudella Vaakamomentit pystyakselin ympäri M1H , M2H Guide force voima FG Momentin vaihtelu M Vaaka- voima FH1 FH2 Pysty- voima FV1 FV2 Pystymomentit vaaka-akselin ympäri M1V , M2V

Ulkoinen epätasapaino herättää runkovärähtelyä Epätasapaino välittyy fundamentin kautta laivan rakenteisiin. Ulkoinen vaakamomentti herättää laivapalkin vaakasuuntaista värähtelyä, ulkoinen pystymomentti vastaavasti pystyvärähtelyä. Ulkoiset momentit kasvavat käyntinopeuden neliössä, vääntömomentinvaihtelu riippuu moottorin kuormasta

Yhden sylinterin heräte 4-tahtimoottorin yhden sylinterin heräte on lähes saman-lainen. Työjakso kestää kaksi kampiakselin kierrosta eli 720 astetta. Kaasuherätteen suuruus riippuu moottorin kuormasta (tehollisesta keskipaineesta). Ei herätä runkovärähtelyä. Runkovärähtelyn synnyttävät pyörivien massojen epätasapainon keskipakoisvoima sekä edestakaisten massojen pystysuuntainen voima. Ne kasvavat suhteessa pyörimisnopeuden neliöön. 1-sylinterinen moottori on oikea jumputtaja. Käytetään vain koemoottorina ja vanhoissa kalastajaveneissä.

Yhden sylinterin kaasuheräte, ristikappalemoottori Kaasu-voima P 2-tahtimoottorin työkierto kestää 360o eli yhden kampiakselin kierroksen Voima Työkierron aikana kaikki muut paitsi kaasuvoima saavat negatiivisia arvoja Guide force-voima T Radiaali-voima R + - Tangentiaali-voima T 0 90 180 270 360 Kammenkulma, astetta

Massaherätteen komponentit Edestakaisin liikkuvat massat (mäntä, männäntappi ja kiertokangen yläpää) tuottavat pystysuuntaisen vaihtelevan voiman. Tärkeät kertaluvut 1 ja 2. Pyörivät epäkeskeiset massat (osa kampiakselia, kiertokangen alapää ja vastapainot) tuottavat kertaluvun 1 pyörivän voiman. Summana syntyvät: vaakavoima kertaluvulla 1; pystyvoimat kertaluvuilla 1 ja 2. Välittyvät laakerien kautta moottorin runkoon ja fundamenttiin.

Monen sylinterin heräte Monisylinterisen moottorin sylinterivoimat (pyörivä vakiovoima ja edestakainen pystyvoima) osin kumoavat toisensa. Summa on = 0 tai jäljelle jää voima tai voimapari (external couple). Kertaluvulla 1 summa on pyörivä voima tai voimapari. Asia voidaan esittää pysty- ja vaakasuuntaisen voiman (tai voimaparin) summana. Kertaluvulla 2 summa on pystysuuntainen voima (voimapari), sillä keskipakoisvoima ei esiinny kaksinkertaisella pyörimisnopeudella. Poikkeuksena V-moottori Sytytysjärjestys (kampiakselin jako) valitaan niin, että moottori käy mahdollisimman tasaisesti.

‘Huonot’ sylinteriluvut Kertaluvulla 1 Ulkoinen voima esiintyy vain 2-sylinterisellä 4-tahtimoottorilla. Ulkoinen voimapari esiintyy 4-tahtisten parittomilla sylinteriluvuilla. Ulkoinen voimapari esiintyy 2-tahtisten kaikilla paitsi 6, 10 ja 12. Kertaluvulla 2 Ulkoinen pystyvoima esiintyy 2- moottoreilla sekä 4-sylinterisellä 4-tahtimoottorilla. Ulkoinen voimapari esiintyy 4-tahtisten parittomilla sylinteriluvuilla ja 2-tahtisten kaikilla sylinteriluvuilla paitsi 8 ja 12. Eräille sylinteriluvuille saa vaihtoehtoisia sytytysjärjestyksiä, joilla tasapaino hyvä, mutta jokin muu ominaisuus huonompi.

Suuren hidaskäyntisen moottorin ulkoiset momentit Hidaskäyntinen RTA84T 2-tahtimoottori / 62 rpm. Kaikki voimat = 0. Yksikkö kNm Kertaluvun 1 momentit Kertaluvun 2 mom. Momentin- Normaalit VP Erikoismalli 1&2 balanseri Ei balanseria Balanseri vaihtelu syl MIV MIH MIV MIH MIV MIH M2V M2V M 4 5 6 7 8 9 10 12 1537 488 290 239 535 225 1537 488 290 239 535 225 3074 378 378 3265 4513 3139 911 1541 1084 655 1892 1563 1088 801 503 327 281 203 VP = vastapainot Balanserit esitetty seuraavilla sivuilla

Ulkoisten momenttien kumoaminen Kampiakselille kiinnitetyillä vastapainoilla voidaan säädellä kertaluvun 1 vaaka- ja pystymomenttien suhdetta. Kiinnostava 4-sylinterisellä! Näillä erikois-vastapainoilla kumotaan pysty-momenttia MIV mutta samalla kasvaa vaaka-momentti MIH. Vastakkainen asettelu on myös mahdollinen. Standardivastapainot antavat jaon 50% / 50% momenttien MIV, MIH välillä

Kertaluvun 2 ulkoisten momenttien tasapainotus 2 ketjukäyttöistä vastapainoa kehit-tävät kertaluvun 2 pystyvoiman Yleensä vastapainot asennetaan molempiin moottorin päihin. Saatavana on myös sähkökäyttöisiä ulkoisia tasapainotuslaitteita.

Myös kertaluvun 1 momentit voidaan tasapainottaa Vain kertaluvun 2 balanseri Kertalukujen 1 ja 2 balanseri Ketjukäyttöiset vas-takkaisiin suuntiin ‘tuplanopeudella’ pyörivät epäkesko-painot Hammaspyöräkäyt-töiset vastakkaisiin suuntiin kampiakselin nopeudella pyörivät epäkeskopainot Yleensä vastapainoparit asennetaan molempiin moottorin päihin. Saatavana myös sähkökäyttöisiä ulkoisia tasapainotuslaitteita.

Eri sylinterilukujen välinen vertailu Suuri hidaskäyntinen 2-tahtimoottori kNm 4000 2000 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Order 1 Balanserilla Sulzerilla ei enää ole 4-sylinterisiä RTA-moottoreita. Yhdistetty kertalukujen 1 ja 2 balanseri siis historiaa Order 2 Balanserilla

Keskinopean ZA40S-moottorin ulkoiset momentit Kaikki voimat = 0. Täysin tasapainossa L6, L8 ja vast. V-moottorit Ulkoiset momentit kasvavat suhteessa pyörimisnopeuden neliöön. Taulukossa momenttien lukuarvo [kNm] nimellisnopeudella 514 rpm. Moottori L6 L8 L9 V12 V14 V16 V18 Ulkoinen Pystysuunta I order 0 0 101 0 42 0 144 momentti II order 0 0 66 0 76 0 85 kNm Vaakasuunta I order 0 0 101 0 42 0 144 II order 0 0 0 0 42 0 47 PIENET SYLINTERILUVUT: Kertaluvulla 2 L4-moottorilla suuri pystyvoima ja L5-moottorilla suuri pystymomentti. Balanseri vakiona. HARVINAISET SYLINTERILUVUT Kertaluvulla 2 on V10-moottorilla suuret pysty- ja vaakamomentit (balanseri vakiona). L7-moottorilla suurehko pystymomentti.

Moottorin yläpään tuenta ja sisäiset momentit Hidaskäyntinen moottori on korkea ja kapea. Guide force-voimat taivuttavat helposti sen runkoa. Taivutus on suurinta sylinteriluvun kertaluvuilla, jolloin ne vaikuttavat samassa tahdissa. Esim. 5-sylinterisessä moottorissa kertaluvulla 5 H-värähtelymuoto. Sen suuruus riippuu täysin sijainnista resonanssiin eli moottorin tuennasta. Muillakin kertaluvuilla esiintyy sylinterien yhteisvaikutusta, joka aiheuttaa rungon muodonmuutoksia; amplitudeiltaan vähäisemmät C- ja X- muodot. Yläpään tuenta säästää aina hidaskäyntisen moottorin runkoa ja koneperustaa. Myös keskinopeilla moottoreilla esiintyy vastaavia voimia, jotka pyrkivät taivuttamaan runkoa. Ovat kuitenkin pieniä eivätkä vaadi toimenpiteitä.

Moottorin yläpään tuenta ja sisäiset momentit Esimerkki kertaluvuista ja muodoista 8-sylinterisellä 2-tahtimoottorilla H-muoto C-muoto X-muoto Harmoninen kertaluku 8 order 5 order 2 Sylinterien vektorit 12345678 1 7 1 2 4 2 3 4 6 3 5 6 8 3 5 7 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8

Yläpään tuenta Sylinterilohko yhdistetään poikittaisilla tukisauvoilla laivan laitarakenteisiin Poikittaistuet vaaditaan kaikille 4, 5, 6 ja 8- sylinterisille moottoreille. Laivan rungon joustavuuden takia käytetään hydraulisia tukia tai kitkatukia. Joissain tapauksissa moottorin yläpää tuetaan myös pitkittäissuunnassa. !

Koneperusta Tärkeää noudattaa Project Guide –oppaan mitoitusohjetta. Tärkeät lujuuselimet jatkumaan koneperustan ulkopuolelle! Moottorin ja mahdollisen vaihteen perustat sidotaan lujasti toisiinsa. Joustavasti asennetun moottorin alle koneperustan ja kaksoispohjan lisätty mitoitus. Erityistä huomiota vaativat 4- ja 5-sylinteriset hidaskäyntiset moottorit. Peräkulmien alle terästä!

Tankkerin ominaistaajuudet riippuvat päämitoista 300 250 200 Moottorin herätetaajuus (kertaluvut 1 ja 2) eivät saisi osua laivapalkin ominaistaajuuksien kohdalle. Esimerkkinä MT Tervi 5 node Vertical min-1 Horizontal min-1 4 node 150 100 50 150 100 50 3 node 3 node 2 node 2 node 20 40 60 80 20 40 60 80 Ship size 1000 DWT Ship size 1000 DWT

Peukalosääntöjä värähtelyriskin arvioimiseksi Edellisen kuvan viesti, että rungon ominaistaajuudet riippuvat päämitoista on peräisin MAN-B&W:n julkaisuista. PRU- luku (Power Related Unbalance) Nm/kW: jos PRU < 60, ei balanseria tarvita. jos PRU >220, tulisi balanseri asentaa.

Riittääkö hyvällä onnella vain yhden pään balanseri? POIKITTAISSUUNNASSA PYSTYSUUNNASSA 2 nodes 2 nodes 3 nodes 4 nodes Ulkoinen momentti Momenttivarsi Tasapainotusvoima Kun moottorin etupää on solmun kohdalla, riittääkö balanseri vain perässä? EI RIITÄ!

Runkovärähtelyriski - Yhteenveto Hidaskäyntisillä on tietyillä sylinteriluvuilla suuret ulkoiset momentit, keskinopeilla (suhteellisen) pienet Hidaskäyntisen moottorin kertalukujen 1 ja 2 herätteet ovat lähellä rungon globaaleja ominaistaajuuksia. Laivan rungon mitoitus ei ominaistaajuuksiin juuri vaikuta vaan päämitat! Iso syväys alentaa ominaistaajuutta (lastin ja ulkopuolisen veden massa ovat suurempia. Vaikkei resonanssia syntyisi, voi hidaskäyntisen moottorin ulkoinen momentti tuottaa häiritseviä runkovärähtelytasoja. Keskinopean kertalukujen 1 ja 2 herätteiden taajuudet ovat korkeampia, lokaalien runkovärähtelyjen alueella.

Runkovärähtelyriski - Yhteenveto Teräsrungolla on alhainen vaimennus. Siksi resonanssi on voimakas, mutta näkyy kapealla taajuusalueella. Pieni muutos rauhoittaa tilanteen. Ellei resonanssia esiinny, kasvaa värähtelytaso käyntinopeuden noustessa vakaasti. Moottorin heräte kasvaa sen 2. potenssissa. 500 kNm M1V –momentti aiheutti MT Tervin kansi-mökissä värähtelytason 15mm/s resonanssissa, mutta resonanssin ulko-puolella vain 1 mm/s Katkoviiva = tilanne ilman resonanssi 70 95 rpm

Entäs potkuri? Huono vanavesikenttä tai korkea teho tuottavat runkoon paineiskuja. Se herättää pystysuuntaista värähtelyä. Hallitsevat taajuudet 1- ja 2-kertainen lapataajuus. Ne sattuvat globaalin värähtelyn ylärajoille. Myös laaja levykenttä voi värähdellä. Paha kavitaatio vahvistaa herätettä näillä taajuuksilla. Saattaa herättää myös korkeataajuista jaksottaista ja ei-jaksollista värähtelyä.

Entäs potkuri? Teräsrungolla mitätön vaimennus => resonansssi on kapea. Häiritsevää lokaalia värähtelyä voi esiintyä kaukana potkurista olevissa osastoissa. Joskus vaihdettiin siksi potkurin siipilukua. Nykyisin paineiskut ja kavitaatio hallitaan hyvin. Monen vanhan autolautan keulasalonki värähteli täydellä purjehdusnopeudella pystysuunnassa 10mm/s, taajuus 4 x 180 rpm = 12 Hz.