Forschung

Zweischrauber

Ziel des Vorhabens ist die kritische Überprüfung und Vervollkommnung von Verfahren zur Prognose der Propulsion bzw. der Propellerkennwerte für Zweischrauber mit Wellenleitung. Die Reynoldszahleffekte auf die Kennwerte sollen aufgezeigt und besser als bisher im Entwurfsprozess des Schiffes und Propulsionssystem einbezogen werden.

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Titel: Maßstabseffekte auf die Propulsion von Zweischraubern
Laufzeit: 10/2017 – 03/2020
Projektmanager: R. Grabert
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF170024

Die Genauigkeit der rechnerischen und experimentellen Prognosen der Kennwerte von Zweischraubern (Propulsion) und der Propeller (Kavitation, Druckschwankungen, Schallpegel) soll durch die stärkere Beachtung der Reynoldszahleffekte in der Durchführung und Auswertung von Modellversuchen sowie der Verbesserung der viskosen Berechnungen erhöht werden. Zur Weiterentwicklung der Methode für die Propulsionsprognose für Zweischrauber mit Wellenleitung muss der Maßstabseinfluss auf die nominelle und effektive Zuströmung zum Propeller analysiert werden, um eine Korrekturfunktion für die effektive Nachstromziffer ableiten zu können. Der Einfluss der Maßstabskorrektur der effektiven Nachstromziffer auf die Propulsionsprognose (Geschwindigkeit, Drehzahl, Leistung) von Zweischraubern mit Wellenleitung muss überprüft werden. Dazu ist u.a. ein Vergleich mit Ergebnissen von Probefahrten notwendig. Die relevanten Entwurfs- und Betriebsparameter für den Propeller an Zweischraubern mit Wellenleitung sollen möglichst exakt bestimmt werden, um den überwiegend sehr hohen Anforderungen an den Propellerentwurf besser als bisher gerecht zu werden.

Zur Untersuchung der Reynoldszahleffekte auf die Propulsion von Zweischraubern sind viskose Umströmungsberechnungen des Schiffes mit arbeitendem Propeller notwendig. Die Korrelation von nomineller und effektiver Nachstromziffer bei Zweischraubern mit Wellenleitung sowie der Einfluss der rotierenden Welle auf die Zuströmung zum V-Bock und zum Propeller soll ermittelt werden. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Genauigkeit der CFD-Berechnungen müssen grundlegende Untersuchungen zur Variation der Gitter, zu den Turbulenzmodellen und zum Solver durchgeführt werden. Zur Validierung der Berechnungen sollen Geosim-Versuche (Propulsion) mit einem Zweischrauber durchgeführt werden. Die Ergebnisse der Modellversuche werden für die Propulsionsprognose mit der derzeitigen ITTC-Methode und der weiterentwickelten Methode verwendet.

Durch Berechnungen und Kavitationsversuche in modell- und großausführungsähnlichen Nachstromfeldern soll die Wirkung der Maßstabseffekte auf die Zuströmung und damit auf den Propellerentwurf (Propellerkennwerte, Kavitationsverhalten, Druckschwankungen, Erosionsgefährdung) aufgezeigt werden. Es soll gezeigt werden, dass die Erfassung der großausführungsähnlichen Zuströmung zum Propeller ein wichtiger Aspekt in der Erhöhung der Prognosegenauigkeit ist.

Die Erkenntnisse aus dem Vorhaben werden in die Verfahrensanweisung zur Durchführung und Auswertung von Propulsionsversuchen von Zweischraubern mit Wellenleitung eingearbeitet. Die Ergebnisse des Vorhabens werden der ITTC zur Verfügung gestellt.

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Wetterkriterium

Im Rahmen des FuE-Vorhabens sollen alternative experimentelle und zu entwickelnde numerische Simulationsmodelle untersucht werden, die es ermöglichen, auch mit Labormodellen üblicher Größe, wie sie für Widerstands- und Propulsionsversuche zum Einsatz kommen, in Verbindung mit numerischen Simulationen akzeptable Kennwerte zu liefern, die dem Nachweis der Vorschriften des Wetterkriteriums vor allem für derzeit marktbestimmende moderne Großyachten und Fährschiffe Rechnung tragen.

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Titel: Anwendung des IMO-Wetterkriteriums bei großem B/T-Verhältnis
Laufzeit: 05/2018 – 10/2020
Projektmanager: Dr. M. Fröhlich
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF170115

Mit dem Ergebnis des FuE-Vorhabens sollen Empfehlungen formuliert werden, die für die genannten Schiffstypen, die überwiegend durch ein großes Breiten-Tiefgangs-Verhältnis und durch eine hohe Schwerpunktlage gekennzeichnet sind, Alternativen bereitstellen, um den Nachweis für das Wetterkriterium zu liefern.

Das angestrebte kombinierte Verfahren aus Modellversuch und numerischer Simulation zur Ermittlung der im IMO-Wetterkriterium nachzuweisenden Kenngrößen soll es ermöglichen, mit nur einem einzigen Basisversuch und anschließenden numerischen Simulationen die erforderlichen Kennwerte für den Windkrängungshebelarm und den Rückrollwinkel gemäß den Vorgaben des Wetterkriteriums zu ermitteln. Dafür sind umfangreiche Modellversuche mit zwei Labormodellen mit großem Maßstabsunterschied und mit einem weiteren Modell eines Schiffstyps vorgesehen, das ebenfalls nicht den Randbedingungen für B/T und Höhe des Massenschwerpunktes genügt. Unsicherheiten ergeben sich vor allem durch noch nicht zu prognostizierende Maßstabseffekte, Instabilitäten und Konvergenz der Simulationen und Probleme bei der Gittergenerierung für das Simulationsmodell. Simulationen von Bewegungen von Schiffen in regulären Wellen ohne Fahrtgeschwindigkeit sind prinzipiell mit den gegenwärtigen RANSE- Verfahren in guter Qualität beherrschbar.

Zielgerichtete Recherchen, Analysen und Definitionen zu Möglichkeiten, erforderlichen Randbedingungen und Simulationszeiten bilden die Grundlage für eine erfolgreiche Bearbeitung des FuE-Vorhabens und zur Erreichung der Zielstellung. Dabei werden neueste verfügbare Entwicklungen für die geplante Anwendung von RANSE-Lösern, vor allem unter dem Aspekt der Berücksichtigung freier Driftbewegungen ohne Fahrtgeschwindigkeit, berücksichtigt.

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ReProDuct

Für die Umrechnung von Modellversuchsergebnissen mit Düsenpropellern auf die Großausführung soll ein Reynoldszahlkorrekturverfahren ähnlich wie für freie Propeller entwickelt werden. Darüber hinaus gehend sollen die geometrischen Einflussfaktoren auf die Wirksamkeit von Düsenpropellern im Modell- und Großausführungsmaßstab durch systematische Messungen und Berechnungen ermittelt, verifiziert und analysiert werden.

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Titel: Entwicklung eines Reynoldszahlkorrekturverfahrens für Düsenpropeller
Laufzeit: 08/2018 – 02/2021
Projektmanager: E. Schomburg
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF180031

Es wird davon ausgegangen, dass der Maßstab (die Reynoldszahl), das Düsenprofil, der Spalt zwischen Flügelspitze und Düseninnenwand, die Wölbungs- und Steigungsverteilung sowie der Flügelumriss einen wesentlichen Einfluss auf die Reynoldszahleffekte bei Düsenpropellern haben. Es ist insbesondere zu prüfen, wie der Spitzenwirbel des Propellers die Durchströmung der Düse und damit die Düsenpropellerkennwerte beeinflusst.

Die Analyse der Reynoldszahlabhängigkeit der Um- und Durchströmung des Düsenpropellers vom Maßstab und von Geometrieparametern soll nicht nur für die Ableitung des Reynoldszahlkorrekturverfahren genutzt werden. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeiten soll in der Klärung des Widerspruchs zwischen dem mess- und berechenbaren Reynoldszahleinfluss auf die Kennwerte von Düsenpropellern und der Nichtanwendung dieser Erkenntnisse in der Praxis (Pfahlzug- und Propulsionsprognosen) liegen.

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Propeller Cupping

Um Profile mit Cup gezielt im Propellerentwurf für schnelle, mittelgroße Schiffe einsetzen zu können, müssen Propellerentwurfsverfahren so weiterentwickelt werden, dass insbesondere die Strömung hinter dem Cup (Profil mit endlicher Dicke) erfasst und berücksichtigt wird. Im Vorhaben sollen Propeller mit Cup kritisch analysiert werden, um Möglichkeiten zur Verbesserung des Kavitationsverhaltens und zur Verminderung des kavitationsbedingten Schubabfalls zu finden.

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Titel: Propeller Cupping
Laufzeit: 01/2018 – 06/2020
Projektmanager: R. Klose
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: 49MF170056

Folgende Ziele werden im Rahmen des des FuE-Vorhabens angestrebt:

  • Entwicklung und Integration eines Modells zur Berücksichtigung von Profilen mit Cup in potenzialtheoretischen Berechnungsverfahren zur Auslegung von Propellern.
  • Analyse der Wirkungsweise und Effektivität von Propellern mit unterschiedlichen Cupvarianten hinsichtlich der Kennwerte ohne und mit Kavitation durch die Analyse von Experimenten und Berechnungen.
  • Integration der Erkenntnisse in den Propellerentwurf für schnelle, mittelgroße Schiffe (Propellerdurchmesser ca. 1 bis 2 m).
  • Entwicklung eines Profils mit Cup für den Grundentwurf von Propellern mit Cup.
  • Ermittlung des Einflusses des Cups sowie Variationen davon auf die Kennwerte ohne und mit Kavitation und Ableitung von Entwurfsgrundlagen.
  • Erarbeitung von Unterlagen zum Betriebsverhalten von Propellern mit Cup (Einfluss der Kavitation auf die Kennwerte, Beschleunigungsverhalten, Vertikalkräfte bei Schräganströmung, Stopp- und Rückwärtsfahrteigenschaften).

 

Im Rahmen der Entwicklung des Modells zur Berücksichtigung des Cups in potenzialtheoretischen Berechnungsverfahren und zur Untersuchung der Wirkungsweise des Cups sollen Messungen mit Tragflügeln (2D) sowohl mit Profilen mit Cup als auch ohne Cup durchgeführt werden. Ausgewählte Messpunkte werden mit einem viskosen Verfahren nachgerechnet. Die Ausbildung der Ablöse- und Kavitationszone hinter dem Profil mit Cup mit stumpfer Hinterkante wird in Freifahrtversuchen überprüft.

Die Kennwerte der Propeller mit Cup werden mit einem potenzialtheoretischen Propellerverfahren berechnet. Der Vergleich von berechneten und gemessenen Kennwerten gibt Aufschluss über die Güte der Modellbildung, die Anwendungsgrenzen und die Notwendigkeit der Präzisierung des Modells. Ausgehend von den Ergebnissen wird eine Variation der Profilform im Bereich des Cups vorgenommen. Auf dieser Basis werden Entwurfshinweise für den Cup abgeleitet.

Ausgewählte Betriebspunkte der Propelleruntersuchungen werden mit den entwickelten Berechnungsverfahren nachgerechnet. Die Ergebnisse der Berechnungen werden an Hand der Modellmessungen validiert. Die Eignung von Propellern mit Cup für moderne schnelle Schiffe soll auf der Grundlage der Berechnungen und Versuche analysiert und zusammengefasst werden.

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ESD@SHIP

Ziel des Teilvorhabens der Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH (SVA) im Verbundvorhaben ist es, Konzepte zum Schiffslinienentwurf mit ESDs für Off-Design-Bedingungen zu entwickeln und die experimentellen und numerischen Grundlagen dementsprechend zu entwickeln, anzupassen bzw. weiter zu verbessern.

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Titel: ESD@SEA – Entwurf von propulsionsverbessernden Maßnahmen (Energy Saving Devices) bei Betriebsbedingungen
SVA-Teilvorhaben: Schiffsoptimierung unter Berücksichtigung von propulsionsverbessernden Maßnahmen bei Betriebsbedingungen(ESD@SHIP)
Laufzeit: 06/2017 – 05/2020
Projektmanager: M. Steinwand
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner: Van der Velden Barkemeyer GmbH, TUHH, MMG
Reg.-Nr.: 03SX436C

Dies gilt besonders unter Berücksichtigung der derzeit vom Markt geforderten Genauigkeiten von numerischen Berechnungen und Laborversuchen. Hier sind insbesondere ein neu zu entwickelndes Mess- und Aufteilungskonzept für die Wechselwirkungen der ESDs mit Schiff und Propeller sowie die Entwicklung von Standard-Prozeduren für die Analyse von ESDs unter realen Betriebsbedingungen wesentlich. Es soll zudem eine effiziente Abarbeitungsprozedur von ähnlichen oder gleichen Fragestellungen erarbeitet werden.

Die Schwerpunkte liegen in der Analyse, welche Auswahl von Betriebsbedingungen den realen Schiffsbetrieb abbilden und den daraus abgeleiteten Rahmenbedingungen für die Schiffsformentwicklung von Schiffen mit ESDs für reale Betriebsprofile. Zwischenschritte zum Erreichen dieses Zieles sind die Definition einer möglichst allgemein verwendbaren Standard-Untersuchungsmatrix zur Bestimmung des realen Leistungsbedarfs von Schiffen in Off-Design-Bedingungen, die Auswahl von zwei Basis-Schiffsgeometrien, die Entwicklung und Beschreibung von Messsystemen zur Messung von Kräften an ESDs und der Bestimmung von Wechselwirkungen zwischen Schiff und ESD im Modellmaßstab, die Methodenentwicklung zur Optimierung der Schiffslinien, die Optimierung unter Berücksichtigung von ESDs und Off-Design-Betriebszuständen. Optimierung auf Grundlage der Untersuchungsmatrix und der bestimmten Wechselwirkungsparameter und die Validierung der Ergebnisse zur Leistungseinsparung der im Optimierungsprozess entwickelten Schiffsformen und EDSs.

Im Ergebnis steht der SVA Potsdam die Messtechnik, die Verfahren und das Know-How zur Verfügung, um auf Basis von gegebenen Betriebsbedingungen den realen Leistungsbedarf von Schiffen zu bestimmen und auf Basis dieses Wissens die Schiffsform unter Berücksichtigung von verwendeten ESDs zu optimieren.

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HiOcav

Im Teilvorhaben der SVA des Verbundvorhabens HiOcav sollen experimentelle und numerische Methoden zur mehrdimensionalen Erfassung der Kavitationserscheinungen am Propeller und der Prognose der vom Propeller induzierten Druckschwankungen konzipiert, entwickelt, erprobt und in die Praxis überführt werden.

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Titel: HiOcav – Verbesserte Prognose der durch die Wechselwirkung zwischen Schicht- und Spitzenwirbelkavitation bedingten Druckschwankungen höherer Ordnung
SVA-Teilvorhaben: Mehrdimensionale optische und akustische Erfassung der Schicht- und Spitzenwirbelkavitation am Modellpropeller
Laufzeit: 06/2017 – 05/2020
Projektmanager: R. Klose
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner: TMS, TUHH (FDS), Uni Rostock (IAE, INT), MMG, FORTech Software GmbH, Otto Piening GmbH
Reg.-Nr.: 03SX435B

Die Messtechnologien des Kavitationsversuchs (Versuchsaufbau, Messtechnik, Messwerterfassung, Messwertauswertung) sollen im Vorhaben auf ein höheres Niveau gehoben werden. Aufbauend auf Arbeiten im FuE-Vorhaben KonKav II sollen zum Entwurf des Dummymodells adjungierte Verfahren in Verbindung mit dem Verfahren CAESES eingesetzt werden. Das bestehende vollparametrische Modell soll verbessert und teilweise ersetzt werden, zusätzlich sollen teilparametrische Modelle der Flächenverzerrung (Morphen) angewandt werden, die der Geometriemanipulation zusätzliche Flexibilität verleihen. Durch die Kopplung von panMARE mit ANSYS und OpenFOAM sollen die Messungen am Propeller effektiv vorbereitet und systematische Berechnungen durchgeführt werden. Die Entwicklung der numerischen Verfahren sowie der Messtechnik zur Erfassung der Kavitation und des Einflusses der Kavitation auf die propellerinduzierten Druckschwankungen sind die Voraussetzungen für die tiefgehende Analyse der Prozesse. Die räumliche Erfassung der Kavitation am Propeller sowie der Wirkung auf die Druckschwankungen ist dabei eine extrem hohe Anforderung, die durch die Zusammenarbeit mit den Partnern gemeistert werden soll.

Dabei stehen folgende Ziele im Fokus:

  • Erhöhte Genauigkeit der Prognose von Druckschwankungen höherer Ordnung durch Verbesserung numerischer Verfahren sowie Weiterentwicklung und Fusion verschiedener optischer und akustischer Messverfahren
  • Besseres Verständnis von Kavitationsvorgängen an der Blattspitze und des Zusammenhangs mit kavitationsinduzierten Druckschwankungen

Im Rahmen des Verbundvorhabens sollen Untersuchungen mit drei unterschiedlichen Versuchsobjekten und -anordnungen durchgeführt werden: Tragflügel (Phase I), Propeller im axialen Nachstromfeld eines Profils (Phase II), Propeller im räumlichen Nachstromfeld am Schiff (Phase III).

Im Ergebnis des FuE-Vorhabens können die Nutzer des Programmsystems panMARE die Kavitation am Propeller und die damit verbundene Vibrationserregung und Geräuschabstrahlung mit größerer Sicherheit prognostizieren. Den Nutzern der experimentellen Fluid Dynamik können Untersuchungen mit höherer Aussagekraft angeboten werden.

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DPQuer

Ziel des Teilvorhabens der SVA Potsdam im Verbundvorhaben ist es, das Verhalten der Schuberzeugung von Querstrahlrudern bei DP-Operationen unter Berücksichtigung der Motionstabilisierung auf Basis von Messungen und numerischen Berechnungen zu untersuchen und damit die Entwicklung der DP-System-Regelung zu unterstützen.

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Titel: DPQuer – Entwicklung eines automatischen Positionierungssystems für Schiffe mit Voith-Schneider Propellern
SVA-Teilvorhaben: Operationsbedingungen von Querstrahlrudern beim dynamischen Positionieren
Laufzeit: 02/2017 – 01/2020
Projektmanager: M. Steinwand
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner: Voith, TUHH, Uni Rostock
Reg.-Nr.: 03SX428D

Die dafür notwendigen experimentellen und numerischen Untersuchungen sollen in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern geplant und an geeigneten Objekten durchgeführt werden.

Die Schwerpunkte können in folgende Etappen unterteilt werden:

  • Definition des Untersuchungsbereichs für die Bestimmung der Schubkräfte von Querstrahlanlagen unter Berücksichtigung des dynamischen Lastenwechsels und von Lufteinbruch
  • Untersuchungen von Querstrahlrudern numerisch und experimentell
  • Validierung der Regelung/Allokationsmodelle mit DP-Versuchen unter Berücksichtigung der Dynamik der Querstrahlanlagen

Im Ergebnis des Verbundvorhabens werden die Dynamik von Querstrahlrudern bei schnellen Schubwechseln, der Einfluss von Lufteinbruch und dessen Reduzierung durch eine geeignete Moti-onstabilisierung in die DP-Regelung (Regelungs- bzw. Allokationssystem) einfließen. Alle Entwicklungen lassen sich auch auf andere Antriebskonfigurationen von Schiff, Antriebs- und Steuersystem, Umweltbedingungen und Versuchsanordnungen, die für das dynamische Positionieren geeignet sind, adaptieren und erweitern.

Im Anschluss der Untersuchungen sollen die, durch die gewonnen Erkenntnisse, unterstützten Einstellungen für das Allokations-/Regelungssystem im Experiment und von den Partnern bei Großausführungsmessungen überprüft werden. Es werden Messungen und Entwicklungen zur Untersuchung von Querstrahlrudern und der dazugehörigen Berechnungen durchgeführt.

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Numraos

Auf Grund der Beschränkungen einer Schlepprinne der SVA soll ein numerisches Verfahren entwickelt werden, mit dessen Hilfe die Reaktionen eines Schiffes in einem zu generierenden transienten Wellenzug für spezielle Parameterkombinationen von Geschwindigkeit und Kurswinkel simuliert werden, die durch Laborversuche in einer Längsschlepprinne nicht oder nur unzureichend abgebildet werden können.

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Titel: Numraos – Numerische Simulation der Schiffsreaktion bei Fahrt durch ein transientes Wellenpaket mit variabler Anlaufrichtung zur Ermittlung der Übertragungsfunktionen
Laufzeit: 04/2017 – 09/2019
Projektmanager: Dr. M. Fröhlich
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: VF160005

Auf Grund der Beschränkungen einer Schlepprinne der SVA soll ein numerisches Verfahren entwickelt werden, mit dessen Hilfe die Reaktionen eines Schiffes in einem zu generierenden transienten Wellenzug für spezielle Parameterkombinationen von Geschwindigkeit und Kurswinkel simuliert werden, die durch Laborversuche in einer Längsschlepprinne nicht oder nur unzureichend abgebildet werden können. Da die Reaktionszeit in einem transienten Wellenpaket nur wenige Sekunden beträgt, wird erwartet, dass die Simulationszeiten gegenüber aufwändigen Simulationen in irregulären Seegängen auf ein vertretbares Maß reduziert werden können. Aus den auf diese Weise für beliebige Kurswinkel simulierten Zeitschrieben der Schiffsreaktionen können dann durch Division mit dem Wellensignal die Übertragungsfunktionen ermittelt werden. Ein wesentlicher Schwerpunkt bei dieser Zielstellung wird in der Generierung von in beliebiger Richtung laufender Wellenpakete und der geeigneten Gitterstruktur gesehen, die das Rechengebiet für aussagekräftige Ergebnisse umfassend beschreiben.

Zur Validierung des Verfahrens soll die Versuchstechnik in transienten Wellenpaketen erweitert werden. Die Optimierung von Regelalgorithmen bei Fahrt schräg durch ein transientes Wellenpaket ist dabei ein wesentlicher Bestandteil. Zur Lieferung ausreichender Validierungsdaten sollen Laborversuche an zwei unterschiedlichen Schiffstypen in Wellenpaketen bei Variation der Fahrgeschwindigkeiten und des Kurswinkels durchgeführt werden. Die Anwendbarkeit des Verfahrens soll durch weitere Versuche in regulären Wellen nachgewiesen und durch Versuche in Wellenspektren im Vergleich mit der Methode von Zick-Zack-Fahrten geprüft und abgeglichen werden. Für die weitere Validierung des Simulationsverfahrens sollen Berechnungen von Übertragungsfunktionen auf Basis der Streifenmethode herangezogen werden. Eine abschließende Validierung mit aus der Literatur verfügbarer Daten (ITTC anerkannte Vergleichsschiffe) soll zeigen, in welchen Grenzen das entwickelte Verfahren auch ohne Unterstützung zusätzlicher experimenteller Untersuchungen zu ausreichend genauen Ergebnissen führt.

Bekanntermaßen finden neue numerische Verfahren erst nach umfassender Prüfung ihre Akzeptanz in der Forschung und der Industrie. Unter diesem Aspekt wird das neue numerische Verfahren über einen bestimmten Zeitraum zunächst in Kombination mit Modellversuchen eingestuft.

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ProRatio

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Aussagefähigkeit von Propulsionsmessungen im Modell- und Großausführungsmaßstab zu erhöhen und den zeitlichen Aufwand für Modellversuche zur Leistungsbestimmung von Schiffen zu reduzieren. Bei der quasistationären Methode wird davon ausgegangen, dass die instationären Bedingungen im quasistationären Modellversuch die entsprechenden stationären Bedingungen repräsentieren.

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Titel: ProRatio – Propulsionsprognose unter Anwendung von quasistationären Messungen und der Rationalen Methode
Laufzeit: 05/2016 – 10/2018
Projektmanager: M. Steinwand
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: VF150037

Die Anwendung von quasistationären Propulsionsmessungen in Modellversuchen verspricht eine deutliche Reduzierung der notwendigen Versuchszeiten. Dies wird möglich, wenn statt konventioneller stationärer Messungen quasistationäre Messungen bei einem Betriebszustand durchgeführt werden. Dazu müssen während einer Fahrt des Schleppwagens mehrere Betriebszustände bei gleicher Genauigkeitsanforderung erfasst werden. Für die Auswertung der Versuche soll auch im Modellversuch die rationale Methode angewendet werden, die die Propulsionskennziffern anhand von Ansätzen aus den Propulsionsversuchen ableitet.

Mit dem Projekt wird folgende Zielsetzung verfolgt:

  • Untersuchung der Eignung verschiedener quasistationärer Versuchsanordnungen als Grundlage zur Durchführung von quasistationären Propulsionsversuchen zur Leistungsprognose.
  • Untersuchung der Anwendbarkeit von quasistationären Propulsionsfahrten zur Bestimmung der Wechselwirkungsparameter zwischen den einzelnen Propulsoren und dem Schiff bei hybriden Antrieben.
  • Anwendung der rationalen Theorie zur Bestimmung der Wechselwirkungsparameter zwischen Schiffsmodell und Propulsor.
  • Untersuchungen zur Anwendbarkeit von quasistationären Propulsionsfahrten der rationalen Theorie zur Bestimmung des Schubes bei unkonventionellen Antrieben (Waterjet, Voith-Schneider-Propeller, Tiefgetauchter Waterjet, integrierter Düsenpropeller, etc.).
  • Entwicklung einer Versuchs- und Auswertmethode zur Durchführung von quasistationären Versuchen unter Verwendung der rationalen Methode zur allgemeinen Anwendung.

Als Ergebnis wird ein Verfahren entwickelt, mit dem Modellversuche bei gleicher Genauigkeit kosteneffizienter und somit wettbewerbsfähiger durchgeführt werden können, mit dem zusätzlichen Vorteil, unkonventionelle Antriebssysteme hydrodynamisch vollständig analysieren zu können.

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Verbundvorhaben HYKOPS

Das Ziel des Verbundvorhabens ist die Schaffung von Geometriestandards und Designmethoden für hydrodynamische Komponenten im Rahmen des Aufbaus eines einheitlichen Frameworks für Entwickler, Versuchsanstalten und Großausführungsfertigung im Verbund.

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Titel: Entwicklung eines Frameworks zum Entwurf hydrodynamischer Komponenten für innovative Manövrier- und Propulsionsorgane
SVA-Teilvorhaben: PROPDETAILS – Generierung von Propellerdaten in Blattschnitten und Erfassung von Konstruktionsdetails
Laufzeit: 03/2016 – 02/2019
Projektmanager: U. Barkmann
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner Flensburger Schiffbau Gesellschaft, DST, HSVA, Technische Universität Hamburg-Harburg, Universität Rostock, ISA, Mecklenburger Metallguss GmbH, Friendship Systems
Reg.-Nr.: 03SX401C

Im Teilvorhaben PROPDETAILS sollen die Aspekte der Versuchsanstalt in dem Framework berücksichtigt werden. Dieses befasst sich mit der Generierung von Propellerdaten in Form von Blattschnitten aus 3D-Daten und der Erfassung des Einflusses von Konstruktionsdetails auf die Propellercharakteristik. Es soll ein Konverter für PFF-Dateien bereitgestellt werden. Ein Schwerpunkt besteht in der Rückführung von Profildaten aus 3D Geometrien, die durch das Einscannen mit einem fotogrammetrischen System entstanden sind. Eine Methode soll erarbeitet werden, bei der mittels potenzialtheoretischer Berechnungen von den gefertigten Propellern deren Kennlinie berechnet und zur Evaluierung der Fertigungsgenauigkeit herangezogen wird. Der Einfluss von Propellerradien am Propellerfuß und –spitze sowie der Einfluss der Antisingkante soll im Nachstromfeld untersucht werden, um den Einfluss von Propellerdetails auf die Charakteristik aufzuzeigen. Damit sollen Anforderungen an die Genauigkeit der Detailbeschreibung im Framework spezifiziert werden.

Durch eine Anforderungsanalyse werden die notwendigen Fähigkeiten des Frameworks anhand von Propulsionssystemen definiert. Die Basis des Frameworks bildet dass durch Implementierung zu entwickelnde Datenmodell. Im Bereich des hydrodynamischen Designs lassen sich mit potenzialtheoretischen Strömungslösern in verhältnismäßig kurzer Zeit die Strömungsverhältnisse hydrodynamischer Komponenten berechnen. Die SVA Potsdam nutzt dabei VORTEX zur Berechnung von Propellerkennlinien und arbeitet mit PFF-Dateien als Geometriefunktion. Die Implementierung des entwickelten Datenmodells in das VORTEX Programm soll realisiert werden. Es soll eine Methode erarbeitet werden, bei der mittels potenzialtheoretischer Berechnungen von den gefertigten Propellern deren Kennlinie berechnet und zur Evaluierung der Fertigungsgenauigkeit herangezogen wird. Den Ausgangspunkt für die Berechnungen bilden die aus den Oberflächenmessungen gewonnenen 3D-Daten, die in Blattschnittdaten umgerechnet werden. Die Implementierung einer „One Click“–Freifahrtrechnung soll in das Framework erfolgen. Die durchzuführenden Versuche sollen die im Vorhaben entwickelten Verfahren validieren sowie Parameter bezüglich der Genauigkeit der verwendeten Modelle liefern. Damit bilden die Modellversuche die grundlegende Eingangsinformation für die zu entwickelnden Geometriedetails. Das im Forschungsvorhaben HYKOPS zu entwickelnde Datenformat soll im Fall von Propellern Radien an den Flügelfüßen und Flügelspitzen beschreiben. Das zu entwickelnde Datenformat soll allgemeingültig für alle Formen von extrudierten Profilformen definiert werden und somit sämtliche Anhänge und ihre Position am Schiff beschreiben können.

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Verbundvorhaben OWIDET

Das Gesamtziel des Verbundprojektes besteht in der anwendungsorientierten Entwicklung von Optimierungstools zum Bau von Energieübertragungsplattformen (EÜP) für den künftigen nationalen und internationalen Wind-Offshore-Markt.

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Titel: Entwicklung von Tools zum Design innovativer Offshore-Wind-Installationsschiffe
Laufzeit: 11/2015 – 10/2018
Projektmanager: Dr. M. Fröhlich
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner Nordic Yards, Universität Rostock, Alstom
Reg.-Nr.: 03WKCR2F

Das Projekt 2 konzentriert sich auf den Marktbereich EÜP und die dazugehörigen Bereiche Design, Planung, Fertigung sowie Betrieb und Wartung von EÜP.

Das Ziel der SVA ist die Bereitstellung von umfangreichen Parametern und Entwicklungstools zum Seeverhalten und der dynamischen Positionierung eines neuartigen Installationsschiffes.

In mehreren Phasen erfolgt die Entwicklung eines geeigneten hydrodynamischen Entwurfsweges von windparktypischen Schiffsformen am Beispiel eines Offshore-Wind-Installationsschiffes. Angefangen von der Analyse der Anforderungen über die Auswahl von geeigneten Berechnungs- und Optimierungswerkzeugen wird eine auf die Anforderungen orientierte Untersuchungsmatrix zusammengestellt. Darüber hinaus wird ein optimiertes hydrodynamisches Schiffskonzept für Offshore-Wind-Installationsschiffe erforscht. Entsprechend den besonderen Anforderungen eines Offshore-Wind-Installationsschiffes (veränderte hydrostatische Eigenschaften während des Jack-up-Vorgangs, möglichst gutes Seegangs- und DP Verhalten bei den unterschiedlichen Phasen Transport, Positionierung und Jack-Up-Prozess) werden neue bzw. umfangreichere Entwurfsmethoden entwickelt, um den erhöhten Anforderungen Rechnung zu tragen.

Am Beispiel eines Offshore-Wind-Installationsschiffes soll der Berechnungsaufwand, der Optimierungsprozess und die Eignung der gewählten „Werkzeuge“ für die hydrodynamische Bestimmung der Eigenschaften unter Berücksichtigung der für die Plattformen und Installations-/Wartungsschiffe typischen Eigenschaften erforscht werden. Dafür werden umfangreiche Laborversuche mit einem Modell in geeignetem Maßstab für eine finale Verifikation der hydrodynamischen Auslegung durchgeführt.

Die Untersuchungen zu den folgenden Schwerpunkten werden in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern durchgeführt:

  • Bestimmung der geeigneten Mittel zur Bestimmung des Seegangsverhaltens für die unkonventionellen Schiffs- und Plattformformen
  • Optimierung der Rumpfgeometrie hinsichtlich des Seegangsverhaltens und Analyse des Aufwand-Nutzen-Verhältnisses für unterschiedliche Herangehensweisen
  • Datenermittlung zur Erweiterung bestehender dynamischer Positionierungssysteme (DP-Systeme) an gewachsene Anforderungsprofile
  • Untersuchung und eine mögliche Erweiterung der zulässigen Umweltbedingungen und deren Einfluss auf das Einsatzprofil

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Verbundvorhaben EVIW

Ziel des Verbundprojektes ist, wesentliche Grundlagen zu Weiterentwicklung, Transport und Installation von Offshore-Wind-Strukturen zu legen:

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Titel: Entwicklung der Versuchsmethodik zur schwimmenden Installation von Windkraftkomponenten
Laufzeit: 11/2015 – 10/2018
Projektmanager: M. Steinwand
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner Neptun Ship Design GmbH, OPN Managment GmbH
Reg.-Nr.: 03WKCR3C

  • Vergrößerung des Installationszeitfensters und Verbesserung der Arbeitssicherheit für das Personal durch die Entwicklung einer innovativen Errichter- und Montagetechnologie zur Optimierung des Errichtungsprozesses
  • Erhöhung des Standardisierungsgrades und damit Schaffung von Kostenreduktionspotenzial durch Entwicklung eines Designleitfadens für flexible Transport- und Handlingsysteme und dessen Anwendung in der Planung von Logistik- und Installationsprozessen
  • Entwicklung von auf die verschiedenen Applikationen anpassbaren Systemen für die effektive Herstellung, Verschiffung, Montage und das Monitoring während des Betreibens und für Servicezwecke der Offshore-Gründungsstrukturen
  • Entwicklung einer innovativen Technologie zum schnellen und mit geringem Aufwand praktizierbarem parkinternen Verlegen von Unterseekabeln
  • Entwicklung und Einführung von Beschichtungskonzepten und Prozeduren zur Reduktion von mechanischen Schäden während des Lagerns, des Transports und der Errichtung von OWEA-Segmenten.

Zielstellung der SVA ist die Entwicklung der Versuchsmethodik und hydrodynamischer Installationsgrundsätze zur schwimmenden Installation von Windparkkomponenten für das Jack-up-Verfahren mit Teilbelastung der Jack-up-Beine, um auch für halbschwimmende Jack-up-Bedingungen für Offshore-Wind-Installationsschiffe Modelluntersuchungen durchzuführen.

Dazu werden folgende Schwerpunkte bearbeitet:

  • Erarbeitung eines Konzeptes für die labormäßige Umsetzung eines generischen Versuchsaufbaus
  • Konstruktion und Fertigung eines Labormodells mit dazugehörigem Messaufbau
  • Umsetzung des Messkonzeptes Laboruntersuchungen zum Jack-Up-Vorgang
  • Analyse und Bewertung des Messkonzepts und der Ergebnisse, Erarbeitung einer Anwendungsmatrix (Seegang, Meeresbodenbeschaffenheit)

Durch validierte Berechnungen und den Vergleich von Laborversuchen und Großausführungsmessungen wird ein abgesichertes Verfahren zur Analyse von Offshore-Wind-Installationsschiffen zur Verfügung gestellt. Auf Basis der Untersuchungsergebnisse werden die Ergebnisse generalisiert, so dass zukünftige Installationsentscheidungen dadurch unterstützt werden können. Es wird herausgearbeitet, welches der optimale Teillastbereich für eine gegebene Anforderung für formtypische Installationsschiffe ist. Der Messaufbau wird so konzipiert, dass die einzelnen Kräfte der Jack-up-Beine auf den Meeresboden in Abhängigkeit des Seegangs erfasst werden können. Die Untersuchungen werden durch die Berechnungen der Partner begleitet.

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Verbundvorhaben PropNoise – Sopran –

Das Hauptziel des Vorhabens ist die Entwicklung und die Validierung von numerischen Methoden und das Erstellen von Handlungsanweisung für die Berechnung der Harmonischen und des breitbrandigen Geräuschspektrums von Schiffspropellern.

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Titel: Untersuchung der vom Propeller abgestrahlten Geräusche
Laufzeit: 10/2015 – 09/2018
Projektmanager: L. Lübke
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner VTT, Finflo Oy, Mecklenburger Metallguss GmbH
Reg.-Nr.: 03SX398A

Ein wichtiger Aspekt für die Prognose der Unterwasserschalls ist die Fluid-Struktur Kopplung (FSI). In strukturmechanischen Berechnungen sollen die Eigenfrequenzen des Propellers genauer untersucht werden. In den strömungsmechanischen Berechnungen liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Selbstanregung der Propellerflügel aufgrund von Instabilitäten an der Profilaustrittskante. Hier sind umfangreiche Simulationen notwendig, um die hydrodynamische Anregung richtig zu berechnen. Ferner sollen hydro-elastische Effekte am Propeller infolge einer inhomogenen Strömung und deren Einfluss auf die propellerinduzierten Druckschwankungen unter Berücksichtigung der Kavitation untersucht werden. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung von Wolkenkavitation und der verbesserten Prognose der kavitationsbedingten Geräuschabstrahlung.

Die im Vorhaben entwickelten Verfahren sollen durch Versuche im Modell- und Großausführungsmaßstab validiert und kalibriert werden. Dazu sollen Laborversuche mit dem Standardkavitator der ITTC (Untersuchung der Schallabstrahlung durch unterschiedliche Kavitationsarten) und Propellern ohne und mit Kavitationsidentität in homogener und inhomogener Zuströmung durchgeführt werden. Die Untersuchungen mit einem im Vorhaben entwickelten Propeller dienen der Analyse und der Bewertung der Effektivität moderner, akustisch optimierter Propeller und deren Geräuschabstrahlung. Die Ergebnisse der Modell- und Großausführungsmessungen und Berechnungen sollen zur Weiterentwicklung der Prognoseverfahren für Kavitationsgeräusche verwendet werden. Ein weiterer Aspekt der Untersuchungen ist, unterschiedliche Ansätze bei den Schallmessungen im Kavitationstunnel zu untersuchen und die Messtechnik zu verbessern, wobei ITTC-konforme und nicht- ITTC-konforme Schallmessungen verglichen werden sollen.

Um die Prognose der vom Propeller induzierten Geräusche zuverlässiger gestalten zu können, sollen die Einflussfaktoren auf das Geräuschspektrum ermittelt werden. Modellpropeller mit unterschiedlicher Anzahl von Flügeln sollen dazu in homogener und inhomogener Zuströmung untersucht werden. Dabei sollen die Druckschwankungen, der Körperschall und der Wasserschall breitbandig gemessen werden. Neben der Erweiterung der Kenntnisse im hydrodynamischen Versuchswesen dienen die Messergebnisse als Grundlage für die Validierung der Berechnungsmethoden.

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