Electric Actuation of Controllable Pitch Propellers

This bachelor’s degree project has been conducted at the Innovation and Design Engineering programme at Karlstad University and responds to 22.5 ETCS credits. The project has been carried out in co-operation with Rolls-Royce AB in Kristinehamn. Based upon a virtual order concerning a super yacht the objective has been to develop a controllable pitch propeller that is adjusted using electro mechanics, to eliminate the use of hydraulic oils and thus the risk of leakage to the seawater. The pre-study consisted of the two first phases of QFD-analysis (Quality Function Deployment). The first phase consists of gathering customer requirements. Representatives from different functions within Rolls-Royce AB were interviewed, as representatives for the customer. The demands they presented were used to find product features and functionalities. The results were put together in two Houses of Quality. The first house shows the relations between requirements and features/functionalities and their respective relevance in correlation to each other. House of Quality two describes the relations between features/functionalities and design solutions in a similar way. Based upon the QFD-analysis, a specification was generated to be used as guidance to generate ideas of how to solve the problem. A number of brainstorming methods were used and students from Karlstad University and Rolls-Royce AB participated in those sessions. Overall, some twenty ideas were gathered and five of those were considered feasible concepts. For further development, two of those concepts were chosen, using relative and weighted decision matrixes. This development consisted of solid modelling, based on current propeller arrangement designs, and stress calculations of the new parts of the system. Both concepts consist of an electrical engine, powering a trapezoid screw, which moves the crosshead. In Concept 1, the screw is mounted directly into the crosshead while in Concept 2; a push rod is used to transmit the motion. Both concepts appeared to meet up to the objectives, though Concept 1 fulfilled more demands and to a greater extent. For further development of this product, customer inquiries with closer customer contacts need to be conducted. It will also be necessary to contact the concerned classing societies, since current classification rules not can be applied to electromechanically controlled propellers.Detta examensarbete har utförts för examen på Innovations- och designingenjörsprogrammet vid Karlstads universitet och motsvarar 22,5 hp. Projektet har genomförts tillsammans med Rolls-Royce AB i Kristinehamn. Baserad på en virtuell order på en superyacht har målet varit att utveckla en justerbar propeller som regleras helt med elektromekanik. Detta för att eliminera användandet av hydraulolja och därmed risken för läckage till havsvattnet. Förstudien har bestått av de två första faserna av QFD-studie (Quality Function Deployment). Den första fasen består av insamlande av kundernas önskemål. Olika representanter inom företaget, som fått representera slutkunden, intervjuades och de önskemål som kom fram användes för att hitta produktegenskaper och funktioner. Resultaten sammanställdes i två kvalitetshus (House of Quality). Det första visar förhållandet mellan önskemål och egenskaper/funktioner samt deras respektive relevans i förhållande till varandra. Hus två beskriver på samma sätt förhållandet mellan egenskaper/funktioner och konstruktionslösningar. Utifrån QFD-studien sammanställdes en specifikation som användes som mall för att generera idéer kring lösningen av problemet. Ett antal olika kreativitetsmetoder användes och studenter från Karlstads universitet samt anställda från Rolls-Royce AB deltog i sessionerna. Totalt togs ett tjugotal idéer fram och fem av dessa bedömdes vara genomförbara koncept. Två av koncepten valdes ut, med hjälp av en relativ viktad kriterievalsmatris, för att utvecklas vidare. Utvecklingen bestod i att göra solidmodeller, baserat på de befintliga delarna i propellerarrangemanget, samt hållfasthetsberäkningar av de nya delar som kom att ingå i systemet. Båda koncepten bygger på att en trapetsgängad skruv, driven av en elmotor, förflyttar kolvstångshuvudet. I koncept 1 är skruven monterad direkt i detta och i koncept 2 överförs rörelsen via en tryckstång. Båda koncepten föreföll sig lösa det uppsatta problemet även om koncept 1 visade sig uppfylla fler önskemål och i högre utsträckning. För att komma vidare med produkten bör kundundersökningar med närmare kontakter till kunden genomföras. Det är också nödvändigt att kontakta berörda klassningssällskap, då dagens klassningsregler ej kan appliceras på elektromekaniska propellrar