Unter dem Begriff „Energy Saving Device” (ESD) werden die Maßnahmen und Methoden zur Einsparung von Energie im Schiffsbetrieb im Vergleich zum „konventionellen” Schiff zusammengefasst. Energy Saving Devices beinhalten u.a. das Hinterschiff (Heckwulst, asymmetrischen Hinterschiff), den Propeller, Düsen, Leitflossen und das Ruder allein und in Kombination. An der Entwicklung von ESDs wurde bereits in den 70er Jahren gearbeitet. Schwerpunkte waren Untersuchungen über den Einfluss von Heckwülsten auf die Propulsion und die Schwingungserregung, der Entwurf und die Testung von kontrarotierenden und von überlappenden Propellern und die Entwicklung von Zustrom verbessernden Düsen [1], [2], [3]. Asymmetrische Hinterschiffe und Leitflossen wurden im Rahmen der Propulsionsoptimierung der Schiffe für die Erzeugung eines Vordralls in der Propellerzuströmung verwendet, um die Drallverluste des Propellers zu verringern. Die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich führte zur SVA Leitflosse. Modellversuche mit unterschiedlichen Schiffstypen und Großausführungsmessungen zeigten ein Potenzial von 2 bis 5 % Leistungseinsparung durch den Einsatz des SVA Leitflossensystems auf [4], [5], [6].

Verschiedene FuE-Vorhaben wurden bearbeitet, um den Entwurf von Propellern und Energy Saving Devices zu verbessern. Potenzialtheoretische Verfahren werden für den Entwurf und die Optimierung von Propellern genutzt. Viskose Berechnungsverfahren und Experimente werden zur Überprüfung des Entwurfes, die Prognose von Maßstabseinflüssen und für den Entwurf und die Optimierung von Propulsionssystemen, wie Düsenpropeller, Thruster und ESDs angewendet. Zur Überprüfung des Entwurfes von Propeller, Nabenkappenflossen und Ruder werden Geschwindigkeitsmessungen durchgeführt. Die von der SVA entwickelte HVV-Ablaufhaube (Hub Vortex Vane) führt zur Reduzierung des Nabenwirbels und verringert die Energieverluste des Propellers im Nabenbereich.

Systematische CFD Berechnungen wurden zur Analyse der Effektivität von Costa Propulsionsbirnen (Costa Bulb) an Rudern und zur Ableitung von Entwurfshinweisen durchgeführt [7]. Diese Arbeiten wurden im FuE-Verbundvorhaben BossCEff – „Steigerung des Propulsionswirkungsgrades und Verminderung der Nabenwirbelkavitation durch eine verbesserte Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen Propellerstrahl und Ablaufhaube“ weitergeführt [8], [9]. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Institut für Fluiddynamik und Schiffstheorie (FDS) und der Mecklenburger Metallguss GmbH (MMG) wurden spezielle Propellerablaufkappen für die Anwendung bei Rudern mit Propulsionsbirnen und Propellerablaufhauben mit Flossen entwickelt und untersucht.

Die Mecklenburger Metallguss GmbH entwickelte in dem Verbundvorhaben BossCEff eine neue energieeinsparende Flügelkappe, die MMG ESCAP®. Die Flügelhaube der MMG verbessert die Propulsionseigenschaften des Schiffes bei existierenden Propellern und bei Propeller Redesign Projekten. Die ESCAP® wird auch bei neu entworfenen Propellern erfolgreich angewendet.

Die folgenden maximalen Leistungseinsparungen konnten in den Untersuchungen der SVA [11], [12] für Schiffe mit Energy Saving Devices erreicht werden:

 

Die Hauptursache für anthropogene Geräuschemissionen im Meer ist gegenwärtig der Lärm von Schiffspropellern. Akustikuntersuchungen von propellerinduzierten Geräuschen werden in Form von Wasserschall-, Körperschall- und Druckschwankungsmessungen sowohl im Modellversuch als auch für die Großausführung durchgeführt [1].

Die Modellmessungen zur Ermittlung der Kavitationsgeräusche werden im Kavitationstunnel durchgeführt. Dabei kommen Hydrofone (am Dummymodell oder im strömungsentkoppelten Wasserkasten), Beschleunigungssensoren und Drucksensoren zum Einsatz, die einen möglichst großen Frequenzbereich abdecken. Die Messungen und die anschließende Skalierung der Schallpegel auf die Großausführung erfolgen nach der von der ITTC empfohlenen Richtlinie [2], [3].

In der Schlepprinne werden neben Druckschwankungsmessungen auch Wasserschallmessungen mit einer Hydrofonzeile, bestehend aus 16 Einzelhydrofonen, bei der Vorbeifahrt des Schiffsmodells durchgeführt [3]. Mit dieser akustischen Kamera ist eine Unterscheidung und Lokalisierung von Schallquellen möglich, so dass unter anderem die Geräuschentstehung am Bug eines Modellschiffes von den propellerinduzierten Geräuschen getrennt werden kann.

Darüber hinaus werden Bordmessungen für unterschiedliche Fragestellungen bezogen auf das reale Schiff angeboten. Neben Wasserschallmessungen im Fernfeld mit Hydrofonen vom Beiboot aus sind auch Druckschwankungs- und Beschleunigungsmessungen auf dem Schiff möglich.

Als Kavitationserosion wird eine Materialzerstörung bezeichnet, die durch bestimmte Kavitationsarten ausgelöst wird und an den betroffenen Stellen für Schäden sorgen kann. Auf Grund der Kompliziertheit des Vorganges der Kavitationserosion sind die Kenntnisse zum Erosionsmechanismus noch nicht vollständig. Die Erosionsgefährdung von Propellern, Rudern oder Anhängenwird überwiegend experimentell ermittelt.In den Versuchen wird die erosive Wirkung der beobachteten Kavitation bewertet und durch Soft Surface Versuche und/oder akustische Messungen validiert. Die Grundlagen für die Erosionsversuche in der SVA wurden in verschiedenen FuE-Vorhaben erarbeitet. In Zusammenarbeit mit dem Institut ZWFI „Akademik A. N. Krylow“ in Leningrad wurde das Soft Surface Verfahren zu einer Methode zur Vorhersage der Erosionsintensität weiterentwickelt [1]. Dazu wurden mit einem Kavitationsblasenerzeuger Parameter von Propellermaterialien (Erosionsfestigkeit) und Erosionslacken ermittelt. Mit diesen Werten kann mittels Experimenten eine Aussage über die Erosionsgefährdung und die Erosionsintensität [2] getroffen werden.

In Kooperation mit der Technischen Universität Dresden wurden Materialien untersucht und theoretische Verfahren [3] erarbeitet, um das Verständnis zum Erosionsmechanismus zu erweitern.

Im Zeitraum 1999 bis 2001 wurde das FuE-Vorhaben „Untersuchung von Schicht-, Blasen- und Wolkenkavitation und der damit verbundenen Erosionsprobleme“ mit Förderung durch das BMBF durchgeführt [4]. Im FuE-Vorhaben wurde in Zusammenarbeit mit dem iFL Magdeburg ein neuer Erosionslack entwickelt und getestet.

Kavitation am Modellpropeller und Ergebnis des ErosionsversuchsEine weitere Möglichkeit zur Erosionsprognose liefert die Akustik, woran derzeit im Rahmen des FuE-Vorhabens KONKAV III intensiv geforscht wird [5]. Demnach erzeugt erosive Kavitation andere Frequenzspektren als nicht erosive Kavitation, anhand derer eine Erosionsgefährdung detektiert werden kann. Gemessen wird dabei der Körperschall direkt am Modellpropeller, da die Implosion der Kavitationsblasen auf dessen Oberfläche für die Erosion verantwortlich ist.Diese Art der Erosionsdetektion bietet auch für das reale Schiff, bei dem eine Kavitationsbeobachtung in den meisten Fällen nur schwer möglich ist, interessante Einsatzmöglichkeiten. Ohne großen Aufwand ist es nur über die Beurteilung des Frequenzspektrums möglich zu bestimmen, ob die auftretende Kavitation erosiv ist oder nicht.

Der Propeller ist neben der Hauptmaschine der Haupterreger für Schiffsschwingungen. Für die Entstehung der propellererregten Schwingungen sind zwei Wirkungsmechanismen zu unterscheiden:

• Durch die Arbeit des Propellers im inhomogenen Nachstromfeld entstehen am Propeller periodisch schwankende Kräfte und Momente, die über die Wellenlager in den Schiffskörper eingeleitet werden.
• Das mit dem Propeller umlaufende Druckfeld erzeugt am Schiffskörper pulsierende Druckkräfte. Durch die Arbeit des Propellers im inhomogenen Nachstromfeld entstehen zusätzliche periodische Druckschwankungen, die durch zeitweise am Propellerflügel auftretende Kavitation noch wesentlich verstärkt werden können.

Die Messung der vom Propeller an der Außenhaut des Schiffes induzierten Druckschwankungen erfolgt in der großen Messstrecke (2600 mm x 850 mm x 850 mm) des Kavitationstunnels K15A von Kempf & Remmers [1], [2], [3]. Ein typischer Versuchsaufbau für Einschraubenschiffe ist im Bild dargestellt. Der Propeller wird mit dem Dynamometer H36 angetrieben. Bis zu 16 Drucksensoren werden oberhalb des Propellers im Hinterschiff eines Dummymodells angeordnet. Die Länge der Dummymodelle, gekürzte Modelle mit maßstäblicher Hinterschiffskontur, beträgt zwischen 2.2 bis 2.7 m. Mit dem Dummymodell wird standardmäßig die dreidimensionale Zuströmung zum Propeller, prognostiziert für die Reynoldszahl des Schiffes, simuliert. Im Rahmen von FuE-Vorhaben oder zum Vergleich mit Messungen an Schiffsmodellen kann auch die Nachstromverteilung des Modells simuliert werden.

Die Analyse von systematischen Versuchsserien zur Bestimmung des Einflusses von Versuchsparametern und Vergleiche mit Großausführungsmessungen sind die Basis der Kavitationsversuche und Druckschwankungsmessungen in der SVA. Die Versuche werden bei hohen Drehzahlen des Modellpropellers (n > 25 s^-1) durchgeführt. Der Sauerstoffgehalt des Wassers als Maß für den Gasgehalt des Wassers wird bei einem Sättigungsgrad von α/α_S > 60 % eingeregelt, um den Einfluss des Keimgehaltes des Wassers und damit der Maßstabseffekte auf die Kavitation zu minimieren. Zusätzlich werden die Druckschwankungsmessungen nach vorgegebenen Versuchsabläufen durchgeführt, die u.a. eine Einlaufphase der Versuchsanlage von mindestens einer Stunde sowie eine Reihe von zusätzlichen Messungen mit Variation der Propellerbelastung und Kavitationszahl sowie Variation der Versuchsparameter beinhalten.

Die Prognose und Simulation der Zuströmung zum Propeller entsprechend den Bedingungen am Schiff ist ein Kernpunkt der FuE-Arbeiten zur Weiterentwicklung der Versuchsmethoden für Kavitationsversuche und Druckschwankungsmessungen [4], [5]. In Vorbereitung der Messungen werden deshalb CFD-Berechnungen zur Umströmung des Schiffes für die Reynoldszahlen des Modells und Schiffes durchgeführt. Die Geschwindigkeitsverteilung in der Propellerebene des Dummymodells wird vor den Kavitationsversuchen und Druckschwankungsmessungen mit dem LDV-System gemessen.

Kavitationsversuche werden im Kavitationstunnel K15A von Kempf & Remmers durchgeführt. Der Kavitationstunnel hat zwei Messstrecken mit den Querschnitten 600 mm x 600 mm und 850 mm x 850 mm und einer Länge von jeweils 2.60 m. In der kleinen Messstrecke werden überwiegend Kavitationsversuche mit Propellern für schnelle Schiffe und Sonderversuche, wie Messungen an Profilen und Tragflügeln, Geschwindigkeitsmessungen mit LDV oder PIV, Erosionsversuche sowie Kalibrierungen von Geschwindigkeitsmesssystemen durchgeführt.

Die Untersuchung des Kavitationsverhaltens des Propellers im Nachstromfeld des Schiffes und die Messung der propellerinduzierten Druckschwankungen [2] – [6] erfolgen in der großen Messstrecke des Kavitationstunnels. Der typische Versuchsaufbau für ein Einschraubenschiff ist in der Prinzipskizze dargestellt. Der Propeller wird mit dem Dynamometer H36 von Kempf & Remmers angetrieben. Die Simulation des Nachstromfeldes, berechnet für die Reynoldszahl der Großausführung, erfolgt mit einem Dummymodell und zusätzlichen Sieben. Die Dummymodelle sind bis zu 2.60 m lang und im Hinterschiffsbereich dem Schiff geometrisch ähnlich. Die Versperrung des Messstreckenquerschnitts liegt im Bereich zwischen 10 bis 22 %. High-Speed-Aufnahmen von kavitierenden Propulsionssystemen finden Sie hier.

Hauptbestandteile des tiefgetauchten Waterjets (TWJ) sind Rotor, Stator und Düse. Die Kombination von Rotor und Stator gewährleistet einen annähernd drallfreien Strahl (minimale Drallverluste). Durch die Düsengeometrie kann die Geschwindigkeit und der Druck innerhalb des Linearjets beeinflusst werden (Verzögerungsdüse), um das Auftreten von Kavitation zu verringern. Der Linearjet wird unterhalb des Schiffbodens angeordnet. Grundlagenuntersuchungen im FuE-Vorhaben „Entwicklung Linear Jet für Yachten“ [1] zeigten, dass der tiefgetauchte Waterjet ein Propulsionssystem mit einem hohen Wirkungsgrad und guten Kavitationseigenschaften ist und insbesondere für schnelle Schiffe und Schiffe mit Tiefgangsbeschränkungen eingesetzt werden kann. In der SVA wurden im Zeitraum 2000 bis 2005 Studien und Projekte für Schiffe mit tiefgetauchten Waterjets in Zusammenarbeit mit der Industrie und Herstellern von Waterjets durchgeführt. Ende 2005 übernahm Voith Turbo Schneider Propulsion GmbH & Co. KG [4] (VOITH) die Entwicklung und Fertigung des Voith Linar Jets (VLJ). Im Verbund mit Voith wurden in der SVA die FuE-Vorhaben „Entwicklung und Optimierung eines tiefgetauchten Waterjets“ (2006 – 2007) und „Propulsion von Schiffen mit tiefgetauchten Waterjets“ (2008 – 2010) durchgeführt [2], [4]. Schwerpunkte der Vorhaben waren die Optimierung des tiefgetauchten Waterjets, die Ermittlung der Freifahrtkennwerte und Kavitationseigenschaften der TWJs, die hydrodynamische Integration der TWJs in den Schiffsentwurf, die Entwicklung der Versuchsmethodik und Prognoseverfahren für Schiffe mit TWJs und die Ermittlung der Propulsionseigenschaften von Schiffen mit TWJs. VOITH erhielt 2012 von der britischen Firma Turbine Transfer Ltd. den ersten Auftrag zur Lieferung von Voith Linear Jets für ein Windfarm Support Vessel (WSV). Die VLJs wurden 2013 durch VOITH entwickelt und gefertigt. In der SVA wurden systematische Versuche [3] und CFD-Berechnungen durchgeführt, um an Hand der Großausführungsmessungen mit dem WSV die Prognosemethoden zu überprüfen.