Udviklingshus nytænker undervandsmotoren med 3D-print og 'omvendt' opbygning

Propeller og motorer under vandet kan være noget af en udfordring. Lejer, pakninger og smøring i et aggressivt miljø som saltvand kræver, at teknikken ofte efterses og vedlige­holdes.

Med det udgangspunkt gik det lille udviklingshus Kapacitet i Hellerup i 2014 i gang med at udtænke en ny kombination af elmotor og propel, som kunne installeres på de såkaldte ‘hull cleaners’ eller skibssiderensere, som fjerner begroning og skidt fra skibssider, når skibene lastes og losses:

»Sådan en hull cleaner vejer omkring 1.000 kg, og processen skal gå temmelig hurtigt, for skibene ligger måske kun ved kaj i 10 timer. Vi havde derfor brug for en løsning med høj effekt,« forklarer seniorproduktudvikler Anders Michelsen fra Kapacitet.

Artiklen fortsætter efter grafikken

Illustration: MI Grafik

Eksisterende rensemaskiner er udstyret med et antal hydraulisk drevne propeller, så de kan styres op og ned ad skibssiderne. Men hydraulikken er sårbar under vandet, og propellerne kan blive ramt af skidt og store objekter som flasker og affald. Andre elektriske versioner havde magnetiske koblinger og gear, som slet ikke kunne holde til belastningen. Så udfordringen var at udvikle en kombination af motor og propel, som var mere robust.

Propel på indersiden

Løsningen blev en elmotor, hvor propellen monteres på indersiden af rotoren. Dette kaldes også en ringmotor, og en af de store fordele, når det gælder en elmotor, som skal være nedsænket i vand, er, at der ikke er brug for et traditionelt akselleje:

»I stedet har vi indstøbt både rotor og stator hver for sig og bruger det omgivende vand som leje mellem stator og rotor. Balancen er, at spalten mellem rotor og stator skal være så lille som mulig for at få den mest effektive motor og så stor som mulig for at få den mest robuste motor,« forklarer Anders Michelsen. I periferien er der yderligere lagt et hydrodynamisk leje, som kan håndtere de aksiale kræfter. Konstruktionen betyder, at motoren kun fungerer, når den er under vand.

Teknikken er ikke helt ukendt, da den bruges på nogle af de store forsyningsskibe til boreplatforme. Men ingen havde udviklet en version i den størrelse, som Kapacitet have brug for, og i selve produktionsprocessen har Kapacitet udviklet nogle specielle teknikker.

Det er nemlig meget vigtigt, at der ikke gemmer sig luftbobler inde i motoren, også selv om de nærmest er mikroskopiske:

»Hvis motoren kommer ned på dybt vand, er der risiko for, at boblerne kollapser og rykker rundt på viklingerne i motoren. Det kan føre til hotspots og kortslutninger,« siger Anders Michelsen.

3D-printet propel

Motoren er altså indkapslet og robust, men det egentlige party-trick er den 3D-printede propel. Ved at sætte den på indersiden og rent fysisk bytte om på, hvor propel-­bladene er monteret, opnås nemlig en række fordele:

»Da vandhastigheden er lavest ved tipperne, hvor afrivningen sker, larmer propellen simpelthen ikke særlig meget,« siger Anders Michelsen, som blandt andet har solgt en motor til en tysk yachtbygger, der gerne vil have en støjsvag bovpropel. I de kredse er der nemlig en vis prestige i at kunne lægge til kaj uden at bruge bovpropellen – næstbedst er, hvis ingen kan høre den.

Konstruktionen betyder også, at skidt og større genstande nemt suges igennem propellen uden at gøre skade. Men hvis det skulle ske, kan propellen let udskiftes. Den er skruet fast med 12 skruer på indersiden og kan nemt fjernes.

Den 3D-printede plastpropel vejer heller ikke særlig meget og kan nemt sendes med luftfragt:

»Men i virkeligheden kunne vi bare sende en CAD-fil til kunden, som så kunne få den printet ud hos den lokale 3D-printvirksomhed,« siger Anders Michelsen. Det er dog endnu ikke noget, som er blevet forsøgt.

At propellen er 3D-printet har også betydning for kundernes individuelle behov. Nye propeller med andre karakteristika kan nemt printes, og hele udviklingsprocessen har også været drevet af muligheden for hurtigt at kunne teste nye versioner af propellen. Kapacitet har dog ikke selv investeret i 3D-printere:

»Udviklingen går simpelthen så hurtigt, at omkostningen i tid og penge vil være alt for stor for os. Det kan meget bedre betale sig at få dem printet ude i byen, hvor de har de nyeste 3D-printere,« siger Anders Michelsen.

Interesse fra forskellige kunder

Da Kapacitet er et udviklingshus, er selve salget og produktionen af motor og propel lagt over i virksomheden Copenhagen Subsea. Her har man allerede mærket stor interesse for konstruktionen til meget andet end hull cleanere. Det gælder både universiteter og producenter af undervandsdroner og ROV’er.

Også fra marinen har der været interesse, hvilket skyldes, at den meget støjsvage undervandsmotor egner sig vældig godt til minerydning. Miner har det nemlig med at blive ustabile, hvis de udsættes for for store vibrationer; for eksempel kraftige lyde.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Det ser interesant ud; men kunne man ikke lave en type med aksel der med arme trak på ydersiden?

  • 1
  • 11

Jeg tænker lidt hen ad en cementomrører, der er jo masset af 'ældre' både hvor det måske kunne være interessant. Det består jo at to principper, en ringmotor og en centerløs propel.

  • 0
  • 0

Tror sagtens den kunne laves uden 3D printer.

Ja, en ru overflade vil jo aldrig være en fordel!

At den kan pumpe lige effektivt i begge retninger kan måske være godt i nogle anvendelser, men den vil så pumpe mindre effektivt end hvis pumpen kunne optimeres til kun at pumpe i én retning!

Det ville heller ikke forringe effektiviteten voldsom hvis propellerbladene blev støbt sammen i centrum. Det ville garanteret give mindre vibrationer og forøge levetiden!

John Larsson

  • 3
  • 6

Nu er ringmotor til undervands brug (rim thruster på engelsk) ikke en ny opfindelse. Det er mindst 10 år siden jeg selv så de første. Og en hurtigt søgning viser et væld af muligheder. Fra thrustere der er mindre end disse, til nogle der er flere metre i diameter.

Men det lader til at de har designet et meget nydeligt produkt. Jeg har intet at udsætte på selve produktet. Men lidt på det hype der er omkring det.

Hydrauliske thrustere til undervandsbrug har det med at kræve en hel del vedligehold. Men de har det også med at være særdeles robuste. Jeg har set nogle der fik så mange tæsk af de lignede et gammelt kødben som et søuhyre havde gnavet på. Men de virkede stadig godt nok til at få ROV'en tilbage med.

At støbe elektriske komponenter ind, så der ikke er luftbobler er besværligt. Men det er der nu mange der har kunne gøre i årtier. Og 700 m er ikke særlig dybt i denne sammenhæng. Jeg har selv lavet støbninger der har været nede på over 2000 m.

Ensartet trust i begge retninger er ofte en god ting. Men det kan man også opnå med traditionelle thrustere. Det kræver en propel der er designet til formålet, og at man husker at vende dem rigtigt. men det kan gøres.

Magnetiske koblinger har den fordel at propellen kan blive blokeret uden at thrusteren bliver beskadiget.

Det med "praktisk talt ikke er noget slid i motoren" køber jeg ikke helt. Det magnetiske felt mellem stator og rotor har det med at samle ferromagnetiske partikler. så som rust. Men også naturligt forekommende partikler i havbunden. Disse kan forårsager en del slid.

Nylon er ikke et materiale jeg er glad for til ting der skal være dimensions stabile. Det kan absorbere op til 5 % vand. Og jeg har set nylon dele blive så forvrænget af den ekspansion vandoptagning forårsager at de ikke længere kunne bruges. (Men hvis der er taget behørigt hensyn til denne egenskab, så er det ikke nødvendigvis et problem)

Hydrostatiske leger er et tveægget sværd. Almindelige lejer er besværlige at beskytte ordenligt i saltvand. Men de er meget mere modstandsdygtige mod vibrationer fra en beskadiget propel. og de kan skiftes. Hydrostatiske lejer er meget simpel. Og i forbindelse med undervands teknik, så er simpel meget godt. Men de har det med at blive beskadiget hvis der kommer vibrationer i propellen. Og det kan ødelægge hele den dyre thruster. At de ikke kan testes på dæk, det er en meget stor ulempe. Det er fast procedure at køre test af motorerne både før og efter hvert eneste dyk.

Lidt for meget hype for min smag. Men det er vel normalt når et firma prøver at promovere lige deres produkt. Det negative værende sagt, så ligner det en rigtig god thruster.

Lidt positivt: Støjsvage motoren har mange fordele. Undervands navigations systemer er akustiske,og kan forstyrres af skruestøj. Hvis man laver præcise opmålinger med eksempelvis multibeam, så kan vibrationer være et stort problem. At propellerne starter med at være lidt ru er faktisk en fordel. Hvis man skifter en beskadiget propel med en helt ny kan det give en ubalance i trykkraften fra de forskellige thruster. Dette gør det sværere at lave præcise manøvre. Det at man nemt kan få special lavede propeller kan sommetider være en stor fordel. Specielt de vertikale thrustere er det sommetider ønskværdigt at have anderledes trykkraft i.

Alt i alt et spændende produkt.

PS. har indtil for nyligt arbejdet med ROV'er og anden undervands teknologi i 20 år.

  • 14
  • 0

Det med "praktisk talt ikke er noget slid i motoren" køber jeg ikke helt. Det magnetiske felt mellem stator og rotor har det med at samle ferromagnetiske partikler. så som rust. Men også naturligt forekommende partikler i havbunden. Disse kan forårsager en del slid.

Nylon er ikke et materiale jeg er glad for til ting der skal være dimensions stabile. Det kan absorbere op til 5 % vand. Og jeg har set nylon dele blive så forvrænget af den ekspansion vandoptagning forårsager at de ikke længere kunne bruges. (Men hvis der er taget behørigt hensyn til denne egenskab, så er det ikke nødvendigvis et problem)

Jeg får det indtryk, at produktet endnu ikke er langtidstestet under virkelige forhold.

I dag kan 3D-printes i mange materialer, og der kommer stadigt nye til. Måske kan findes et andet materiale end nylon.

  • 0
  • 0

Jeg forstår ikke rigtig hvorfor en rug overflade er en fordel.

Jeg har selv en jetski, og pumpen fra fabrikken er udstyret med en glasblæst rustfri stål impeller. Den har en rug overflade. Der er megen diskution om hvorvidt det er bedre med rug eller højglans poleret overflader.

Tanken bag rug overflade skulle være mindre kavitation under høj last. (min pumpe er 160mm diameter, 228KW effekt)

Det ville være skønt hvis nogen af jer smarte hoveder herinde kunne gi jeres mening..

Hilsen Brian

  • 1
  • 0

Det kunne man sikkert godt - vi er bare blevet glade for elmotorprincippet, fordi der ikke er noget mekanisk som tandhjul eller andet, som er i indgreb med hinanden. Men du må meget gerne putte en tegning ind her (kan man det?) eller maile den til os (hello@kapacitet.dk), så vi kan se, hvad du har i tankerne. Mange hilsner Kapacitet A/S

  • 2
  • 0

Thomas, jeg er selv ROV Pilot/Tech, og jeg er enig med dig i dine synspunkter, som helt sikkert er formet af praktisk erfaring Selve støbningen kan i produktion sagtens udføres med vacuum-teknik, så luft kan elimineres tæt på 100%.

Der skal ikke meget magnet til, før der kan opstå problemer med partikler som samles op når fartøjet er i vandet, men der kan helt sikkert findes en løsning når blot man er opmærksom på det i designfasen. Jeg er også lidt ked af, at man tilsyneladende ikke kan foretage deck checks på thrusterne, det er lidt bøvlet at opdage en fejl lige efter launch, og så skulle lave abort. Klienterne har en tendens til ikke at være synderlig imponerede når den slags sker ;o) Jeg har lidt svært ved at gennemskue hvordan tryklejet virker, altså hvordan de aksiale kræfter håndteres så propellen ikke hopper ud, men jeg går ud fra, at problemet allerede er løst, og jeg bare ikke kan regne den ud.

  • 0
  • 0

Det er vel det, endedækslerne i hver ende er til for?

Det er det måske nok, de kan i hvertfald forhindre rotoren i at hoppe ud, men der er vel nødt til at være en form for trykleje, som optager kræfterne fra propellen. Det kan være at det er det, som der er det verdensrevolutionerende i denne motor; at man har fundet en måde at opbygge en blivende pude af vand som optager og overfører de aksiale kræfter til selve thrusterhuset, og dermed til den enhed der skal drives. Jeg kan bare ikke lige gennemskue det udfra det billedmateriale vi har til rådighed.

  • 0
  • 0

Hydraulikerne her på Grundfos siger at en ru overflade med en helt bestemt ruhed er bedre end en glat. De siger at forklaringen ikke er simpel.

  • 0
  • 0

Ru overflade: Vi tager gerne Grundfos-hydraulikernes ord for, at det ikke er enkelt at forklare, hvorfor en ru overflade kan bruges. Vi skal heller ikke gøre os til orakler på den front, men da vi testede en glattere propel, kunne vi ikke måle nogen forskel.

Hullet i midten af propellen giver den fordel, at omkringsvømmende ting suser lige igennem uden at sidde fast. Det har vi haft glæde af i havnemiljøer (hvor der altid flyder ting og sager rundt), og vi har ikke haft problemer med vibrationer, så vi vil helst beholde hullet.

Ensartet thrust i begge retninger er ikke altid relevant. Vi har også printet propeller, som er optimeret til max thrust i én retning på bekostning af præstationerne i ”bakgear”, så det kan vi tilpasse den enkelte kundes behov. Netop muligheden for skræddersyede propelblade er i øvrigt én af grundene til at 3D-printe dem.

Holdbarhed er en afgørende parameter i undervandsindustrien, så vi har været småfanatiske omkring netop dette igennem hele projektet. Vi har bl.a. igennem to år haft motoren i brug under realistiske forhold (rensning af skibsskrog i Middelhavet), og det har givet os mulighed for at perfektionere den. Netop skrogrensning er meget krævende for motoren, fordi den skal operere med konstant høj effekt og i vand, som er fyldt med afskrab fra skibssiden. Se en film her: https://www.youtube.com/watch?v=aPqJucwHZO4 .

Pre-launch-test: Motorerne er forsynede med et slangesystem, så de kan tilføres ”smørevand” til testning i luft.

Hydrodynamisk leje: Rene, du er på rette spor! Det er netop en vandfilm, som overfører de aksiale kræfter. ”Verdensrevolutionerende” er måske så meget sagt, men metoden reducerer i hvert fald sliddet på motoren meget betydeligt.

Thomas Lodberg, du har mange interessante pointer! Dem vil vi tygge på i ro og mag - tak for dine gode indspark!

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten