Forschung

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: 01/2017 – 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 – 04/2019
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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OWT

Im FuE-Vorhaben sollen die Herausforderungen an die Versuchstechnologien sowie die Auswert- und Prognoseverfahren infolge der aktuellen Entwicklung im Propellerentwurf und –betrieb analysiert und Anweisungen für die Durchführung, Auswertung und Integration von Freifahrtversuchen in den Prozess der Bewertung von Propellern durch Freifahrtkennlinien und Propulsionsprognosen erarbeitet werden.

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Titel: Erhöhung der Qualität der Propulsionsprognose durch zuverlässige Freifahrtmessungen und Reynoldszahlkorrekturverfahren
Laufzeit: 05/2016 – 04/2018
Projektmanager: H.-J. Heinke
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: MF150180

Im Gegensatz zu Vorhaben zur Verbesserung der Reynoldszahlkorrektur soll in diesem Projekt die Verbesserung der Qualität des Freifahrtversuchs selbst im Vordergrund stehen. Die Reynoldszahlkorrekturverfahren sollen dann auf der Basis zuverlässiger Messergebnisse kritisch bewertet werden.

Zur Erhöhung der Qualität der ermittelten Freifahrtkennwerte von modernen Propellern (kleine Sehnenlängen, niedrige Drehzahlen, spezielle Profile) und zur Weiterentwicklung der Versuchs- und Auswertmethoden bei Freifahrt- und Propulsionsversuchen sollen im FuE-Vorhaben systematische Messungen und Berechnungen durchgeführt werden. Darüber hinaus soll die Integration von Reynoldszahlkorrekturverfahren auf der Basis des äquivalenten Profils oder der Streifenmethode in die Propulsionsprognose durchgeführt werden. Dabei werden folgende Zielstellungen verfolgt:

  • Überprüfung der Eignung des quasi-stationären Freifahrtversuchs zur Bestimmung der Freifahrtkennlinien.
  • Überprüfung der Eignung des Reverse Open Water Tests (Dynamometer vor dem Propeller) zur Bestimmung der Freifahrtkennlinien.
  • Ermittlung und Analyse von Einflussfaktoren auf die Freifahrtmessungen (Wechselwirkung des Propellers mit dem Dynamometer, Wechselwirkung des Propellers mit der Zu- und Ablaufgeometrie, Turbulenzgrad und Sekundärströmungen im Wasser).
  • Kontrolle der Güte der Messungen durch die Umrechnung der gemessenen Freifahrtkennlinien auf eine typische Reynoldszahl der Großausführung.
  • Analyse der Propulsionsauswertung bei Reynoldszahlen des Modellpropellers im unterkritischen Bereich.
  • Überprüfung der Ersetzung der Reynoldszahlkorrektur für die Propellerkennwerte in der ITTC 1978 Methode durch theoretisch anspruchsvollere Verfahren.

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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 – 12/2018
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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Headbox

Zielstellung des Vorhabens ist die Entwicklung von optimalen Headbox-Lösungen für die Integration von Vertikal-Achsen-Rotoren an Schiffen mit größeren Gillungswinkeln.

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Titel: Optimierung der Einbaubedingungen von Systemen mit Vertikal-Achsen-Rotoren (VAR) bei Offshore Support Vessel (OSV) und Doppelendfähren (DEF)
Laufzeit: 11/2015 – 04/2018
Projektmanager: C. Heinke
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: MF150107

Durch die Anordnung der Vertikal-Achsen-Rotoren in Headboxen soll die Propulsionsgüte der Schiffe deutlich verbessert werden, was zur Reduzierung der Treibstoff- bzw. Betriebskosten und zur Verringerung der Umweltbelastungen im Schiffsbetrieb führt.

Beim Offshore Support Vessel soll durch die Anordnung des VAR in einer Headbox der VAR vom Schiffskörper ferngehalten werden. Dadurch wird die Druckverteilung im Hinterschiffsbereich beeinflusst und die Umströmung des Schiffes bestimmt. Bei Doppelendfähren besteht die Schwierigkeit in der Anordnung der VAR im Vor- und Hinterschiffsbereich. Der Strahl des vorderen Antriebes trifft auf jeden Fall auf den Schiffskörper. Dieser Effekt muss in die Optimierung zusammen mit der Leistungsaufteilung auf den vorderen und hinteren Antrieb beachtet werden.

Die Gestaltung der Headbox ist ein Kompromiss zwischen der Widerstandserhöhung infolge der Headbox und der Verbesserung des Gütegrades des Schiffes durch die Beeinflussung der Sogziffer und der effektiven Nachstromziffer unter Propulsionsbedingungen. Entwurfsparameter sind u.a. die Geometrie der Headbox (Zu- und Ablaufbereich), die Neigung der VAR im Verhältnis zu den Hinterschiffslinien sowie Details im hinteren Bereich der Headbox, wie Abrisskanten.

Das in der SVA entwickelte Senkscheibenmodell für Vertikal-Achsen-Rotoren soll überprüft und für die Anwendung im FuE-Vorhaben weiterentwickelt und mit ANSYS-CFX gekoppelt werden. Durch die damit erreichbare Vereinfachung der viskosen Umströmungsberechnungen können Optimierungsverfahren zur Variation der Headboxgeometrie genutzt werden. Grundlage für die Validierung des Senkscheibenmodells und der Umströmungsberechnungen sind Modellversuche mit den VARs sowie mit den Schiffen. Bei den Versuchen sollen die in der SVA entwickelten VAR-Waagen eingesetzt werden, um die Schübe und Drehmomente der VAR messen zu können. Die Strahlgenerierung durch den VAR und dessen Ausbreitung sollen durch PIV-Messungen erfasst werden. Bei diesen Messungen ist zu prüfen, ob eine räumliche Schräganströmung die Kennwerte der VAR beeinflusst.

Im Ergebnis des Vorhabens sollen Entwurfshinweise für die Gestaltung der Headbox bei OSV und DEF sowie die damit verbundenen Einbauwinkel für die Vertikal-Achsen-Rotoren erarbeitet werden, um für die Schiffstypen Offshore Support Vessel (OSV) und Doppelendfähren (DEF) mit geneigt eingebauten VAR Standardlösungen anbieten zu können. Weiterhin sind Grundlagen für die Propulsionsprognose von Schiffen mit VAR mit Headboxen (Propulsionskennwerte) zu erarbeiten und die Versuchs- (Freifahrt) und Prognosemethoden zu überprüfen.

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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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SWIP-CFD

Ziel des Vorhabens ist die Erstellung einer schnellen und genauen Widerstandsprognose für schnelle Schiffe im Gleitzustand mit Hilfe von CFD-Berechnungen, ohne auf umfangreiche Modellversuche zurückgreifen zu müssen.

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Titel: Gekoppeltes CFD-Verfahren zur Widerstandsprognose von Schiffen im Gleitzustand
Laufzeit: 08/2015 – 12/2017
Projektmanager: E. Schomburg
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: MF140198

Durch die Variation von widerstandsbeeinflussenden Maßnahmen wie Spritzleisten oder Interceptoren werden weiterhin die Grundlagen für eine Optimierung solcher Anhänge geschaffen.

Als Grundlage für die Verifizierung der CFD-Berechnungen dienen Großausführungsmessungen und Modellmessungen eines typischen Gleiters. Dazu wird die Versuchstechnik der SVA für schnelle Schiffe weiterentwickelt. Um den Einfluss der Reynoldszahl auf die Schwimmlage und den Widerstand eines Gleitbootes zu bestimmen, werden die Versuche in 2 Modellmaßstäben sowie mit der Großausführung durchgeführt. Um den Einfluss der Reynoldszahl zu bestimmen, werden die Versuchsergebnisse auf die Großausführung umgerechnet. Die hierfür benötigte benetzte Wasseroberfläche wird mit einem neuartigen geschleppten Kamerasystem in der Schlepprinne ermittelt. In den Modellversuchen wird zusätzlich der Einfluss der Schwerpunktlage sowie von verschiedenen Spritzleisten und eines Interceptors bestimmt. Damit stehen umfangreiche Messdaten für die anschließenden CFD-Berechnungen zur Verfügung.

Für die Labormodelle wird durch CFD-Berechnungen der Einfluss der Schlepprinne bei freier Schwimmlage, der Einfluss einer laminar-turbulenten Transition sowie der Einfluss der Aufbauten bei verschiedenen Geschwindigkeiten abgeschätzt. Alle in den Versuchen bestimmten Einflüsse (große dynamische Trimmwinkel, Lage des Schwerpunktes, Spritzleisten, Interceptor) sollen auch in den CFD-Berechnungen abgebildet werden. Hierzu wird zunächst die Gittertopologie, die Größe des Rechengebiets, die globale Gitterfeinheit, die Auflösung von Kanten und der Spritzleisten sowie des Staukeils und der freien Wasseroberfläche variiert, um ein minimal erforderliches Berechnungsgitter zu entwickeln. Ausgewertet wird die Konvergenz des Widerstands, des Auftriebs und des Trimmmoments um den Schwerpunkt. Die Schwimmlage wird hierbei nicht mit dem sonst üblichen sehr langsam rechnendem und relativ anfälligem/instabilem „Rigid-Body-Modell“ bestimmt, sondern mit einem gekoppelten Verfahren aus schnellen, stabilen stationären Berechnungen und einem Optimierer berechnet. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass jegliche Überwasserschiffe und Zusatzwiderstände sowie unterschiedliche Propellerschubachsen rechnerisch berücksichtigt werden können ohne diese im Berechnungsgitter berücksichtigen zu müssen. Durch eine Actuator-Disk kann eine Propellerwirkung simuliert werden und der Widerstand unter Propulsionsbedingungen und ohne/mit Überwasserschiff berechnet werden.

Die erzielten Ergebnisse können möglicherweise als Basis genutzt werden, um ein gesuchtes CFD-Benchmark für schnelle Schiffe bei der ITTC einzuführen.

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CAPiTan – Complete Auto Pilot Tank Testing

Ziel des geplanten Vorhabens ist es, eine Versuchstechnologie zu entwickeln, zu erproben und zu etablieren, die es ermöglicht, die akustische Signatur eines Schiffsmodells mit verbesserter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu erfassen.

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Titel: CAPiTan – Complete Auto Pilot Tank Testing
Laufzeit: 08/2015 – 12/2017
Projektmanager: T. Nietzschmann
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: EuroNorm
Reg.-Nr.: MF140226

Zwei Modelle, die charakteristische Schiffsformen im küstennahen Einsatz verkörpern und ein gierinstabiles Verhalten erwarten lassen, werden hinsichtlich der hydrodynamisch induzierten akustischen Signatur mittels einer längs in der Schlepprinne angeordneten Hydrofonzeile vermessen. Diese Messung erfordert ein freifahrendes Modell in der Schlepprinne, um Hintergrundrauschen weitestgehend zu eliminieren. Darüber hinaus wird ein stabiler und gleichbleibender Fahrtzustandes des Modells vorausgesetzt.

Die Realisierung des konstanten Fahrtzustandes soll durch die Entwicklung, Programmierung und Verwendung eines Autopiloten gelöst werden. Basis für die Einstellung des Kursreglers und den Aufbau des Autopiloten ist die Messung des Bewegungsverhaltens des Schiffsmodelles in der Schlepprinne. Von entscheidender Bedeutung sind neben der Momentangeschwindigkeit der Kurswinkel und der Querversatz, da die Schlepprinne räumlich begrenzt ist. Der Einfluss weiterer Größen soll während der Bearbeitung abgeschätzt werden. Grundsätzlich sind diese Informationen aus den Messungen extrahierbar.

Der Kursregler muss zeitoptimal und einfach aufgebaut sein. Da während der Schalluntersuchungen Störeinflüsse, wie Ruderlegen, minimiert werden sollen, ist es Ziel des Reglers, vor Eintritt in die akustische Messstrecke die Kursdaten perspektivisch einzustellen, anstatt zu korrigieren, um konstante Parameter zu erhalten. Zum Vergleich der akustischen Eigenschaften ist es wichtig, die versuchsrelevanten Daten wie Kurs, Geschwindigkeit und Position immer synchron mit zu erfassen. Parallel hat natürlich die Kollisionsverhütung in der Schlepprinne Priorität.

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Verbundvorhaben TIDALPower

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Prognose der Turbinengitterleistung und der akustischen Charakteristik der Großausführung auf Basis von Modellversuchen.

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Titel: Entwicklung eines Plattformsystems zur kosteneffizienten Nutzung von Gezeitenströmungsenergie
SVA-Teilvorhaben: Modellturbinengitter im Versuchswesen
Laufzeit: 07/2015 – 06/2018
Projektmanager: U. Barkmann
Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Projektträger: Projektträger Jülich
Partner Schottel Hydro, Universität Siegen, Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik, HSVA
Reg.-Nr.: 03217D

Ausgehend von der Untersuchung von Einzelrotoren werden diese in ein Turbinengitter integriert, um einerseits die Interaktionen zwischen den Rotoren und andererseits die Kennwerte des Gesamtgitters zu bestimmen. Die für den Einzelrotor entwickelten Reynoldszahlkorrekturen sollen für den Einsatz der Modellturbinen in einem Turbinengitter angepasst werden.

Ein Turbinenrotor mit feststehenden Blättern wird entwickelt und in zwei Größen gefertigt. Für diese Rotoren werden systematisch Turbinenkennlinien (Leistung, Schub, Wirkungsgrad) bestimmt und Reynoldszahlvariationen durchgeführt. Die entwickelte Reynoldszahlkorrektur für den spezifischen Rotorentwurf wird kalibriert und weiterentwickelt, um genaue Prognosen der Kennlinien für die Großausführung auf Basis von Modellversuchen zu erzielen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird ein Konzept für Geometrien einer Familie von fortschrittlichen Turbinenrotoren erarbeitet.

Zur Entwicklung einer Versuchstechnologie für Modellturbinengitter werden ein Testgitter entwickelt und gebaut sowie Korrekturmodelle entwickelt, um aus den Modellmessungen Prognosen zur der Leistungsfähigkeit von Turbinengittern im Großausführungsmaßstab zu ermitteln. Für eine Bewertung der Schallabstrahlung und -ausbreitung von Turbinen sollen akustische Messungen mit einem Einzelrotor im Kavitationstunnel Aufschluss über hydrodynamische Geräuschquellen (Druckschwankungen, Kavitation) geben. Für die Auswertung der akustischen Signale wird eine Software entwickelt, die die Empfehlungen der ITTC berücksichtigt und die komplette Versuchsauswertung mit Umrechnung auf die Großausführung automatisiert und standardisiert ablaufen lässt. Der Vergleich der Modellmessungen mit vorhandenen Großausführungsmessungen soll Aufschluss über die Skalierungsmethodik geben. Diese Skalierungsmethode soll Bestandteil der Auswertesoftware sein und zukünftig zur Geräuschprognose von Turbinen genutzt werden.

Um Aussagen zu den Interaktionen in einem Turbinengitter zu erhalten, werden entsprechend dem technischen Konzept mehrere Turbinen in einem ebenen Gitter platziert und die Wechselwirkungen zwischen den Rotoren untersucht. Messungen der Kennlinie und des Reynoldszahleinflusses an einer Turbine im Turbinengitter sollen erfolgen. Mittels PIV-Messungen hinter dem Turbinengitter soll das Nachstromfeld und die Strömung im Nachlauf erfasst werden. Die Messungen sollen durch CFD-Berechnungen des Turbinengitternachstroms ergänzt werden und eine Kalibrierung der CFD-Berechnungen von komplexen Turbinengitterströmungen ermöglichen. Auf dieser Basis soll ein Prognoseverfahren entwickelt werden, das neben leistungsrelevanten Parametern auch Aussagen über die Akustik von Turbinengittern in Großausführungsmaßstab mittels überschaubarer Modellversuche ermöglicht.

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