<p><p>The thesis project is accomplished during winter and spring 2008 at Karlstad University at the faculty of technology and science. The tutor at Karlstad University is Nils Hallbäck and the examiner is Hans Johansson. Rolls-Royce at Kristinehamn in Sweden is the initiator for the project. The thesis project title is design of the blade bolt joint on Kamewa CPP. CPP stands for controllable pitch propeller. The study include two main aspects which are to analyze if the blade bolt joint which is used today can be applied on a larger propeller and if there are better solutions or other possibilities to join the blade to the hub. First the classification rules of some institutes were studied to find out which limitations there are. Bolted joint has to exceed a minimum bending strength and the bolts have to be made out of steel and their strength has to be at least 10.9. Today Rolls-Royce use ten bolts per propeller, five on each side of the blade. To analyze the strength of the blade bolt joint connection a FEM and an analytic analyze were made and the results compared with each other. Two cases were examined, one for drift and two when hitting an iceberg. The results were similar to each other for FEM and the analytic analyze. At drift all bolts were under the tensile strength of 750 MPa but when using ice loads some bolts started to deform. A new concept for the bolt connection was tested. Again the stress in the bolts stayed under the tensile strength at drift but deformed when applying ice loads. A difference between analytical and FEM analysis was that the stress difference between the bolts were minor in the FEM method. Another concept was only studied with FEM and it had a geometric locking devise combined with the same blade bolt connection as Rolls-Royce use today. At drift the locking devise didn’t support the connection much but when applying ice loads less bolts started to deform and less material in the bolts reached the tensile limit. All three concepts showed stress concentrations at the first two or three threads. The differences between the three concepts weren’t that large and to get better results other possibilities have to be considered. It is important to know how much torque has to be applied on the screw to get the right amount of pretension. Three aspects to consider are to apply the torque without getting any torsion in the screw, to lower the moment with the right coating or lubricant and to avoid the stress concentrations at the threads. Superbolts and clampnuts are two possibilities to avoid torsion in the screws. By using screw thread inserts or tension optimized threads the stress in the thread gets optimized and a coating or lubricant with a low friction coefficient will lower the torque. Three possible solutions are suggested.</p></p> / <p><p>Examensarbetet har utförts på fakulteten för teknik och naturvetenskap under vintern och våren 2008 och är en kurs på 22,5 hp med kurskoden MSGC 17. Handledare på Karlstads universitet är Nils Hallbäck och examinator är Hans Johansson. Rolls-Royce i Kristinehamn är uppdragsgivaren till examensarbetet. Uppgiften är att dimensionera ett bladförband till en stor Kamewa Ulstein CP-propeller. Frågeställningen som ska besvaras är om det går att använda dagens förband och undersöka om det finns bättre alternativ eller andra lösningar på problemet. Det finns inga ritningar på den storleken av propellrar som förbandet ska göras till. Därför måste man skala upp mått från mindre propellrar. Propellerdiameter är 7,7 meter och bladet med fot väger 10 ton efter skalningen. Förbandet ska klara av DNVs (Det Norske Veritas) klassificeringskrav för böjmotstånd och förbandet dimensioneras därefter. För dagens förband behövs det mycket stora skruvar för att klara klassificeringskravet. En analytisk och en FEM-analys genomfördes för att det inte finns något material att jämföra med. Krafter som måste betraktas är centrifugalkraften, tyngdkraften, framdrivningskraften från vattnet samt en isbelastning vid kollision med ett isberg. Framdrivningskraften varierar med 20 % när propellern passerar skrovet. Resultaten från analyserna gav att dagens förband klarar belastningarna vid drift, dock att bultarna börjar deformeras vid belastning med iskraften. I den analytiska analysen antar man att alla delar (bladfot, fläns och nav) är stela och inte deformeras. Dessutom tar man inte hänsyn till böjpåkänningarna som uppstår i skruvarna. Detta tas med i FEM-analysen samt att man räknar med olinjära materialsamband. Därför uppstår det stora spänningsskillnader, upp till 210 MPa, i bultarna vid FEM-analysen vilket inte sker vid de analytiska beräkningarna. Ett antal koncept genererades och två av dessa analyserades närmare. Båda koncepten är optimerade för centrifugalkraften eftersom den utgör den största belastningen under drift om man bortser ifrån förspänningen. Koncept 1 är ett förband som består av 16 bultar per propeller med tre olika storlekar. Enligt FEM analysen fås en jämnare spänningsfördelning över skruvarna än med dagens förband, medan den analytiska metoden ger ungefär samma fördelning som vid dagens förband. Alla skruvar håller sig under sträckgränsen vid drift. Vid isbelastningen uppnås sträckgränsen i många av de mindre skruvarna och skruvarna börjar deformeras plastiskt. I detta avseende stämmer den analytiska lösningen och FEM-analysen överens. Skillnaden är att den analytiska beräkningen visar större spänningsvariation bland skruvarna dvs. att den största och minsta spänningen hos bultarna är högre än vid FEM-beräkningarna. Det andra konceptet som analyserades närmare består av en formlåsning som sitter under bladet tillsammans med samma skruvar som används vid dagens förband. Vid drift märks knappt någon skillnad. Vid isbelastningen så tar formlåsningen dock upp mer spänning och avlastar skruvarna. Färre skruvar deformeras plastiskt. Det finns möjligheter att använda sig av redan befintliga lösningar som Superbolts, clampnuts och andra verktyg. Det som är avgörande för förbandets funktion är ett korrekt åtdragningsmoment. Positivt är att samtidigt kunna förspänna skruvarna utan torsion. En lösning är att ytbehandla skruvarna med en beläggning med känd friktionskoefficient.</p><p>Tre lösningsförslag har tagits fram som ger ett bättre resultat än dagens förband.</p></p>

The thesis project is accomplished during winter and spring 2008 at Karlstad University at the faculty of technology and science. The tutor at Karlstad University is Nils Hallbäck and the examiner is Hans Johansson. Rolls-Royce at Kristinehamn in Sweden is the initiator for the project. The thesis project title is design of the blade bolt joint on Kamewa CPP. CPP stands for controllable pitch propeller. The study include two main aspects which are to analyze if the blade bolt joint which is used today can be applied on a larger propeller and if there are better solutions or other possibilities to join the blade to the hub. First the classification rules of some institutes were studied to find out which limitations there are. Bolted joint has to exceed a minimum bending strength and the bolts have to be made out of steel and their strength has to be at least 10.9. Today Rolls-Royce use ten bolts per propeller, five on each side of the blade. To analyze the strength of the blade bolt joint connection a FEM and an analytic analyze were made and the results compared with each other. Two cases were examined, one for drift and two when hitting an iceberg. The results were similar to each other for FEM and the analytic analyze. At drift all bolts were under the tensile strength of 750 MPa but when using ice loads some bolts started to deform. A new concept for the bolt connection was tested. Again the stress in the bolts stayed under the tensile strength at drift but deformed when applying ice loads. A difference between analytical and FEM analysis was that the stress difference between the bolts were minor in the FEM method. Another concept was only studied with FEM and it had a geometric locking devise combined with the same blade bolt connection as Rolls-Royce use today. At drift the locking devise didn’t support the connection much but when applying ice loads less bolts started to deform and less material in the bolts reached the tensile limit. All three concepts showed stress concentrations at the first two or three threads. The differences between the three concepts weren’t that large and to get better results other possibilities have to be considered. It is important to know how much torque has to be applied on the screw to get the right amount of pretension. Three aspects to consider are to apply the torque without getting any torsion in the screw, to lower the moment with the right coating or lubricant and to avoid the stress concentrations at the threads. Superbolts and clampnuts are two possibilities to avoid torsion in the screws. By using screw thread inserts or tension optimized threads the stress in the thread gets optimized and a coating or lubricant with a low friction coefficient will lower the torque. Three possible solutions are suggested. / Examensarbetet har utförts på fakulteten för teknik och naturvetenskap under vintern och våren 2008 och är en kurs på 22,5 hp med kurskoden MSGC 17. Handledare på Karlstads universitet är Nils Hallbäck och examinator är Hans Johansson. Rolls-Royce i Kristinehamn är uppdragsgivaren till examensarbetet. Uppgiften är att dimensionera ett bladförband till en stor Kamewa Ulstein CP-propeller. Frågeställningen som ska besvaras är om det går att använda dagens förband och undersöka om det finns bättre alternativ eller andra lösningar på problemet. Det finns inga ritningar på den storleken av propellrar som förbandet ska göras till. Därför måste man skala upp mått från mindre propellrar. Propellerdiameter är 7,7 meter och bladet med fot väger 10 ton efter skalningen. Förbandet ska klara av DNVs (Det Norske Veritas) klassificeringskrav för böjmotstånd och förbandet dimensioneras därefter. För dagens förband behövs det mycket stora skruvar för att klara klassificeringskravet. En analytisk och en FEM-analys genomfördes för att det inte finns något material att jämföra med. Krafter som måste betraktas är centrifugalkraften, tyngdkraften, framdrivningskraften från vattnet samt en isbelastning vid kollision med ett isberg. Framdrivningskraften varierar med 20 % när propellern passerar skrovet. Resultaten från analyserna gav att dagens förband klarar belastningarna vid drift, dock att bultarna börjar deformeras vid belastning med iskraften. I den analytiska analysen antar man att alla delar (bladfot, fläns och nav) är stela och inte deformeras. Dessutom tar man inte hänsyn till böjpåkänningarna som uppstår i skruvarna. Detta tas med i FEM-analysen samt att man räknar med olinjära materialsamband. Därför uppstår det stora spänningsskillnader, upp till 210 MPa, i bultarna vid FEM-analysen vilket inte sker vid de analytiska beräkningarna. Ett antal koncept genererades och två av dessa analyserades närmare. Båda koncepten är optimerade för centrifugalkraften eftersom den utgör den största belastningen under drift om man bortser ifrån förspänningen. Koncept 1 är ett förband som består av 16 bultar per propeller med tre olika storlekar. Enligt FEM analysen fås en jämnare spänningsfördelning över skruvarna än med dagens förband, medan den analytiska metoden ger ungefär samma fördelning som vid dagens förband. Alla skruvar håller sig under sträckgränsen vid drift. Vid isbelastningen uppnås sträckgränsen i många av de mindre skruvarna och skruvarna börjar deformeras plastiskt. I detta avseende stämmer den analytiska lösningen och FEM-analysen överens. Skillnaden är att den analytiska beräkningen visar större spänningsvariation bland skruvarna dvs. att den största och minsta spänningen hos bultarna är högre än vid FEM-beräkningarna. Det andra konceptet som analyserades närmare består av en formlåsning som sitter under bladet tillsammans med samma skruvar som används vid dagens förband. Vid drift märks knappt någon skillnad. Vid isbelastningen så tar formlåsningen dock upp mer spänning och avlastar skruvarna. Färre skruvar deformeras plastiskt. Det finns möjligheter att använda sig av redan befintliga lösningar som Superbolts, clampnuts och andra verktyg. Det som är avgörande för förbandets funktion är ett korrekt åtdragningsmoment. Positivt är att samtidigt kunna förspänna skruvarna utan torsion. En lösning är att ytbehandla skruvarna med en beläggning med känd friktionskoefficient. Tre lösningsförslag har tagits fram som ger ett bättre resultat än dagens förband.