Earthing of propeller shaft : Concept development for low maintenance shaft earthing device

Abstract

Detta masterprojekt genomfördes på Rolls-Royce AB (nu känt som Kongsberg Maritime per 1 april 2019) i Kristinehamn, Sverige. Avhandlingen fokuserar på att utveckla en jordningsutrustning för propelleraxlar som kräver lågt underhåll till företagets nya poddrivna framdrivningssystem. Många elektriska maskiner med roterande axlar utsätts för skador på grund av flödet av elektriska laddningar genom axeln och komponenter med hög resistanselektrisk kontakt. Det är därför viktigt att mildra denna inducerad axelspänning, antingen genom isolering eller genom att ändra urladdningsvägen. Avhandlingen syftar till att identifiera konceptlösningar för jordning av propelleraxlar som är kostnadseffektiva, kräver lågt underhåll och uppfyller prestandakraven fastställda av företaget. En systematisk utvecklingsprocess används över hela projektet som består av fyra huvudaktiviteter. Den första aktiviteten är att skapa en kravspecifikation baserat på information från kunder, förstudie och kunskapssökning. Förundersökningen genererade en grundläggande kunskapsbas för olika jordningsmetoder och de tribologiska aspekterna för glidande elektrisk kontakt. Den andra aktiviteten består av att generera koncept genom att ta fram huvudlösningar och dellösningar för varje genererat koncept baserat på kriterierna i den framtagna kravspecifikationen. För att underlätta processen är huvuduppgiften för enheten indelad i två kategorier, en med fokus på kontaktmetod och den andra montering av enheten. Den tredje aktiviteten är utvärdering och poängsättning av utvecklade lösningar för att göra det slutliga konceptet. Den fjärde och sista aktiviteten är att skapa en produktbeskrivning av det valda konceptet baserat på layout och detaljerade tekniska aspekter. De slutliga resultaten av avhandlingen är en produktbeskrivning av ett "Multiple fiber brushes" jordningsenhetskoncept, med en lösning på hur man optimerar design och prestanda parametrar för en viss specifik slitstyrka. En grundläggande konstruktionslösning presenteras med optimerade prestandaparametrar som är lämpliga för prestandakraven i företagets nya poddrivna framdrivningssystem. Tre framtida projekt kan tas fram från resultaten av denna avhandling. Dessa potentiella projekt kan mer ingående titta på den strukturella utformningen av jordningsanordningen, val av komponentmaterial och praktisk prestationstestning av en fiberborste prototyp.This master thesis project has been done at Rolls-Royce AB (now known as Kongsberg Maritime as of April 1st2019) located in Kristinehamn, Sweden. The focus of the thesis is to develop a low maintenance propeller shaft earthing device for the company’s new podded propulsion system. Many electrical machines with a rotating shaft are exposed to damage due to the flow of electrical charges through the shaft and components with high resistance electrical contact. It is therefore important to mitigate this induced shaft voltage either by insulation or by altering the discharge path.  The thesis purpose is to identify concept solutions for earthing of propeller shafts that are cost effective, requires low levels of maintenance and fulfills performance requirements. A systematic development process is used throughout the project, which consists of four main activities. The first activity is to create a requirement specification from customer input, pre-study and knowledge search. The pre-study generated a fundamental base of knowledge for different earthing methods and the tribological aspects for sliding electrical contact.  The second activity is generating concepts by deriving main solutions and sub-solutions for each generated concept based on the criteria in the developed requirement specification. To make the process easier the main function of the device is divided into two categories, one focusing on contact method and the other assembly.  The third activity is evaluation and scoring of developed solutions to make the final concept selection. The fourth and final activity is to create a product description of the selected concept based on layout and detailed engineering aspects. The final results of the thesis is a product description of a  “multiple fiber brushes” earthing device concept, with a solution on how to optimize design and performance parameters for a certain specific wear rate. A fundamental construction solution is presented with optimized performance parameters suitable for the performance demands of the company’s new podded propulsion system. Three future projects could be extracted from the results of this thesis. These potential projects will in more detail focus on the structural design of the earthing device, component material selection and practical performance testing of a fiber brush prototype