Autor: pa

Verbundvorhaben WELEKON

Titel: Experimentelle und theoretische Untersuchungen zur hydrodynamischen Auslegung eines Wellenenergiekonverters  
Laufzeit: 04/2012 – 09/2014
Projektmanager: M. Fröhlich
Förderung: Allianz industrieller Forschung
Projektträger: AiF
Partner: ENERLYT, Universität Rostock  
Reg.-Nr.: KF 2648103UW2

Ziel des FuE-Vorhabens war die Entwicklung, Optimierung und Erprobung einer Schwimmboje, im folgenden Wellenenergiekonverter genannt, die mit einem verankerten Unterwasserschwimmkörper verbunden ist und durch die vertikale Relativbewegung einen Generator betreibt.

Schwerpunkt der Schiffbau-Versuchsanstalt im FuE-Vorhaben war die Formgebung und die hydrodynamische Auslegung und Optimierung der Anlage. Die Formgebung des verankerten Schwimmkörpers und der beweglicher Generatorboje unter Berücksichtigung der Einsatzbedingungen wurden dabei optimal aufeinander abgestimmt. Für die Umsetzung waren sowohl hydrodynamische Berechnungen als auch Laborversuchsserien an verschiedenen zu entwickelnden Varianten (Basisform, modifizierte Basisform, Funktionsmuster) erforderlich. Sie erfolgten dahingehend, dass ein breites Band von Wellenspektren nach Amplitude und Frequenz für die Energiegewinnung genutzt werden kann. Für eine große Energieeffizienz wurde deshalb eine hohe Generatordrehzahl angestrebt. Die Entwicklung und Optimierung erfolgte durch den Einsatz numerischer Verfahren in Verbindung mit Laborversuchen bei Variation herauszuarbeitender relevanter kinematischer und hydrodynamischer Parameter.

Der innovative Kern seitens des Projektpartners Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH bestand im Rahmen des FuE-Projektes in der Erarbeitung und Bereitstellung aller erforderlichen hydrodynamischen Parameter, die für eine Auslegung und Optimierung eines Wellenenergiekonverters notwendig sind. Dabei handelte es sich um eine neuartige innovative Anlage, die den Ansprüchen der Nutzung regenerativer Energiequellen in vollem Umfang genügt und nach einem bisher nicht genutzten Funktionsprinzip arbeitet. Dieses Prinzip erlaubt die Nutzung der Energie der Orbitalbewegungen der Flüssigkeitsteilchen in Meereswellen für die Umsetzung in die Vertikalbewegung einer mechanischen Einheit von Schwimmkörper und Generatorboje mit Transformation dieser Vertikalbewegung in eine Rotationsbewegung zum Antrieb eines Generators.

Katamaran

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Titel: Bestimmung des Widerstandes von Offshore-Katamaranen in Verdrängerfahrt im Entwurfsstadium  
Laufzeit: 03/2012 – 07/2014
Projektmanager: T. Nietzschmann
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: MF140022

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung des Widerstandes von Katamaranen, die zunehmend in Konkurrenz zu anderen, konventionellen Fahrzeugtypen treten, bei Verdrängerfahrt. Dieses Verfahren wurde auf der Basis von systematischen Widerstandsversuchen durch Parametervariation dargestellt. Damit wird die Auswahl bzw. die Entscheidung für optimumsnahe Formparameter innerhalb der Entwurfsphase erleichtert, um die Anzahl der Entwurfsschleifen bzw. den mehrfachen oder mehrgleisigen Linienentwurf zu vermeiden. Weiterführend wurde die Anwendbarkeit potenzialtheoretischer Berechnungsmethoden für die Berechnung des Wellenwiderstandes von Katamaranen bzw. die Möglichkeiten und der Aufwand für die Verwendung viskoser Verfahren untersucht. Eine Anpassung vorhandener empirischer Verfahren bzw. eine Erweiterung der Datenbasis hat diese Möglichkeit der Bewertung verbessert. Außerdem wurden die Grenzen dieser Verfahren ausgelotet, um zukünftig in der konkreten Anwendung Entscheidungskriterien hinsichtlich der zu wählenden Betrachtungsmethode (Modellversuch, potenzialtheoretische Berechnung oder RANSE-Berechnung) zu haben. Die Rechenergebnisse wurden durch Versuchsergebnisse validiert.

In systematischen Untersuchungen wurde eine Matrix aus der Froudezahl (0.1 < Fn < 0.4) und dem Verhältnis Rumpfabstand/Länge aufgespannt. Untersetzt wurde diese Matrix durch Variation der Verdrängung über die Völligkeit der Rümpfe (0.4 ⩽ CB ⩽ 0.6). Ergänzend wurde für ausgewählte Fälle die Wirkung eines asymmetrischen Vorschiffes untersucht. Die gemessenen Widerstandskurven wurden in funktionaler Abhängigkeit von unterschiedlichen Formparametern (Breite, Froudezahl, Blockkoeffizient, Vorschiffsvariation) dargestellt. Zudem wurde das Entstehen des Wellenbildes im direkten Zusammenhang mit dem Widerstand gestellt. Das Wellenbild wurde mittels Ultraschallmessungen und vergleichend durch numerische Untersuchungen erfasst. Den Versuchen wurde eine Matrix an potenzialtheoretischen Berechnungen gegenübergestellt, um deren Verwendbarkeit und Einsatzgrenzen abzuklären. Für diese Berechnung wurde das Programmsystem KELVIN eingesetzt. Der Maßstabseinfluss wurde anhand viskoser Berechnungen für verschiedene Reynoldszahlen für ausgewählte Felder der Matrix abgeschätzt. Die viskosen Berechnungen erfolgten mit dem Verfahren ANSYS-CFX. Zur Modellierung der Turbulenz wurde das SST-Modell eingesetzt. Bei den numerischen Untersuchungen war, aufgrund des komplexen Strömungsfeldes die gesamte Struktur zu modellieren. Besonderes Augenmerk lag auf den Berechnungsgitter an der Wasseroberfläche. Die Anwendbarkeit der RANSE Rechnungen wurde ermittelt und die Umrechnung der Versuchsergebnisse auf die Großausführung anhand ausgewählter Konfigu-rationen wurde untersucht. Als Ergebnis der Berechnungen wurde abgeschätzt, welche Übereinstimmung mit den Modellversuchen erzielt werden kann.

OSV

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Titel: Offshore Support Vessel mit Voith Schneider Propeller  
Laufzeit: 01/2013 – 06/2014
Projektmanager: C. Heinke
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: MF120137

Vorhabensziel war die Verbesserung der Propulsionsprognose für Offshore Support Vessel (OSV) mit 2 Voith Schneider Propellern (VSP).

Ausgehend von einer Analyse von angewendeten Korrelationsverfahren für Schiff und VSP, verfügbaren Propulsionskennwerten, vorhandenen Bordmessungen und der Korrelation zu Propulsionsprognose konnte durch den Einsatz neuentwickelter VSP-Waagen, CFD-Berechnungen mit Beachtung des Versuchsaufbaus und systematische Versuche mit zusätzlichen Detailmessungen ein besseres Verständnis der Propulsion von OSV mit VSP und möglicher Probleme in der Versuchsdurchführung und Auswertung erreicht werden. Zur Bestimmung der maßgeblichen Einflussfaktoren auf die Propulsion von OSV mit VSP wurden die Versuche mit verschiedenen VSP-Modellen, deren Anordnungsvarianten und mit Variation der Gestaltung des Hecks durchgeführt. Systematisch wurde der Einfluss der Flügelgeometrie und der Einbaubedingungen auf die Propulsion geklärt. Zur Klärung der Beeinflussung der Antriebsleistung durch die Flügelgeometrie sowie der Einbaubedingungen wurden Detailmessungen zur Strömung im Hinterschiffsbereich und Messungen der Drücke im Bereich des VSP durchgeführt. In der Propulsionsprognose wurden dann Modifikationen (Reynoldszahl) geprüft. CFD Berechnungen mit Einhaltung der geometrischen Randbedingungen des Versuchs unterstützten die Analyse der Versuchstechnologie. Numerische Berechnungen bei mehreren Varianten wurden zur Bestimmung von Maßstabseffekten bei VSP Antrieben und zur Berechnung der Strömung unter Berücksichtigung des versuchsspezifischen Aufbaus durchgeführt, um auf Basis dieser Simulationen z.B. die Spalteffekte zu bestimmen.

Bordmessungen auf dem OSV „Edda Frahm“ wurden durchgeführt, um die Basis für den Vergleich der Prognosen mit den Großausführungsmessungen abzusichern. Ein Schwesterschiff, z. Zt. mit 2 VSP mit unterschiedlichen Flügeln ausgerüstet, konnte bezüglich der Leistungsaufnahme der unterschiedlichen VSP im Großausführungsmaßstab untersucht werden.

Die Modell- und Großausführungsmessungen sowie die CFD-Berechnungen wurden analysiert, um mögliche Einflussfaktoren auf die Güte der Propulsionsprognose herauszuarbeiten. Die Untersuchungsergebnisse waren Grundlage für die Bestimmung von Propulsionskennwerten für OSV mit VSP und führten zur Erarbeitung von Entwurfsempfehlungen für OSV mit VSP.