Schiffsneubauten müssen die EEDI bzw. EEOI Anforderungen erfüllen und vorhandene Schiffe werden häufig umgestaltet, um den ökologischen und wirtschaftlichen Anforderungen gerecht zu werden.

Bugwulst Retro-fit

Zu Minimierung der Kraftstoffkosten werden Schiffe heute bei niedrigeren Geschwindigkeiten betrieben als noch vor einigen Jahren. Während bei einem 5 Jahre alten Containerschiff die Froude-Zahl bezogen auf die Designgeschwindigkeit in einem Bereich von 0,21 bis 0,25 liegt, fahren diese Schiffe jetzt in einem Froude-Zahl Bereich von etwa 0,14 bis 0,16. Allein die Geschwindigkeitsreduzierung führt bereits zu deutlichen Kraftstoffeinsparungen. In den meisten Fällen ist dann jedoch der Bugwulst nicht für den neuen, reduzierten Geschwindigkeitsbereich optimal.

Der Originalbugwulst, der für eine Froude-Zahl von 0,21 optimiert worden ist, aber bei einer reduzierten Froude-Zahl von 0,145 fährt, erzeugt ein ungünstiges Wellensystem. Die Anwendung eines optimierten Bugwulstes für die neue, reduzierte Geschwindigkeit führte hier zu einer Leistungseinsparung von bis zu 8%.

Die SVA Potsdam nutzt für die Bugwulstoptimierung das FRIENDSHIP-Framework. Auf Basis der parametrisch beschriebenen Geometrie werden strukturierte und unstrukturierte Gitter-Topologien für CFD-Berechnungen generiert. Die numerischen Berechnungen werden mit dem Programm ANSYS CFX durchgeführt. In einer Mehrpunkt-Optimierung werden die Schiffslinien mit der erforderlichen Leistung und der Homogenität des Nachstromfeldes als Zielfunktion optimiert.

Propeller Re-Design

Auf Grund der geringeren Schubbelastung des Propellers beim Slow-Steaming ergeben sich größere Freiräume für den Propellerentwurf. Durch die Vergrößerung des Propellerdurchmessers, die Verringerung der Drehzahl, die Verringerung der Flügelzahl und des Flächenverhältnisses des Propellers sowie die Feinoptimierung der Propellerflügel können deutliche Wirkungsgradverbesserungen gegenüber dem vorhandenen, für hohe Schiffsgeschwindigkeiten entworfenen Propeller erreicht werden. Bei großen Containerschiffen werden z.B. beim Übergang zum Slow-Steaming die 6-flügeligen Propeller durch 5-flügelige Propeller ersetzt. Bei gleichzeitiger Vergrößerung des Propellerdurchmessers um bis zu 5% und Verringerung des Flächenverhältnisses um ein Drittel konnten Leistungseinsparungen von 9 bis 14% in Versuchen nachgewiesen werden.

Bei den deutlich langsameren Bulk Carriern werden zunehmend 4- und 3-flügelige Propeller sowohl für Re-Design Projekte wie auch für den Neubau des Schiffes entworfen und untersucht. Die Flächenverhältnisse dieser Propeller liegen im Bereich von AE/A0 = 0.35 bis 0.45. Systematische Untersuchungen haben gezeigt, dass die 3-flügeligen Propeller zumeist geringfügig höhere Druckschwankungsamplituden in der ersten Flügelzahlharmonischen erzeugen. Wenn der 3-flügeligen Propeller mit einem ausreichenden Skewwinkel entworfen wird, liegen die Druckschwankungsamplituden in den höheren Flügelzahlharmonischen in dem Bereich von Propellern mit höheren Flügelzahlen.

Der Trimm eines Schiffes beeinflusst den Leistungsbedarf. Durch eine optimale Trimmlage können oft mehrere Prozent Leistungseinsparung erreicht werden.

Trimmoptimierungsversuche wurden bereits  in den 1970er bis 1990er Jahren stardardmäßig durchgeführt. Im Rahmen des FuE-Projektes „Effektive Trimmoptimierung für Frachtschiffe“ [1] ist es gelungen, die Prognoseverfahren möglicher Leistungseinsparungen (rechnerische Trimmoptimierung) und die experimentelle Trimmoptimierung zu verbessern. Die Verfahren verfolgen unterschiedliche Ansätze von rein statistischer Auswertung umfangreicher Modellversuchsserien bis zur CFD-Simulation ganzer Trimmlagen-Matrizen:

• Prognose des Widerstandes des Schiffes für unterschiedliche Tiefgänge mit oder ohne Kombination verschiedener Trimmzustände mit dem Widerstandsverfahren nach Danckwardt und/oder der SVA-LSR Methode
• Formeln zur Erfassung des Einflusses von Teilabladung und/oder Trimm auf die Propulsionskennwerte
• Hybrides Verfahren: Prognose von Widerstand und Propulsion für Teilabladung und/oder Trimm durch Kopplung von Teilen des Widerstandsverfahrens von Danckwardt / SVA-LSR Methode mit Versuchsergebnissen
• Trimmoptimierung durch Modellversuche (EFD)
• Trimmoptimierung durch CFD-Berechnungen (CFD)

Im Ergebnis stehen Informationen zur Verfügung, durch die die Schiffsführung den optimalen Trimmzustand im Schiffsbetrieb einstellen kann. Der 3D-Contourplot zeigt exemplarisch die Abhängigkeit der Leistungseinsparung von Verdrängung und Trimmlage.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Heinke, C.: Effektive Trimmoptimierung für Frachtschiffe, Bericht 4394, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH, Juni 2015, Abschlussbericht

Für Slamminguntersuchungen wurde in der SVA ein hydraulischer Slammingsimulator entwickelt. Mit Hilfe der Anlage wird das Modell über zwei in Längsrichtung angeordnete, vertikal bewegliche Hydraulikkolben zu erzwungenen Tauch- und Stampfbewegungen sowie gekoppelten Bewegungen angeregt. Je nach Modellgröße sind Amplituden bis 0.1 m bei Frequenzen bis maximal 2 Hz erreichbar. Damit können Slammingbelastungen simuliert werden, bei denen die kritischen Eintauchgeschwindigkeiten deutlich überschritten werden. Es können sowohl Bodenslamming bei Gleitbooten als auch Bowflareslamming bei allen Schiffstypen mit deutlichem Spantausfall vor allem im Bugbereich untersucht werden. Die Anlage erlaubt die Simulation regulärer sowie irregulärer Bewegungen. Die Vorteile gegenüber Slammingmessungen in einem herkömmlichen Seegangsversuch bestehen in der gezielten Nachbildung von Slammingszenarien, die definierten Eintauchbedingungen zugeordnet werden können und in der exakten Reproduzierbarkeit der Versuchsbedingungen.

Die Ausrüstung von Modellen mit Miniaturdrucksensoren verschiedener Baugrößen ermöglicht die Messung von Slammingdrücken an gefährdeten Positionen des Rumpfes im Modellversuch unter extremen Seegangsbedingungen sowohl bei Fahrt als auch im Stand. Zudem können Slammingdrücke auch ergänzend bei regulären Seegangsversuchen gemessen werden.

Slammingerscheinungen werden mit vorhandenen CFD-Tools simuliert. Zur Ermittlung von Slamminghäufigkeiten dient das Programmsystem UTHLANDE. Für eine schnelle Abschätzung von Slammingdrücken hat die SVA ein vereinfachtes Verfahren entwickelt. Es basiert auf Ergebnissen systematischer  Modellversuche und erlaubt die Bestimmung des Slammingdruckes bei beliebiger Spantform, bei gegebener Fahrtgeschwindigkeit und Lage des Schiffes. Wichtiger Parameter ist dabei die Normalgeschwindigkeit zwischen Rumpf und Flüssigkeit am interessierenden Punkt der Rumpfoberfläche. Bereiche mit Lufteinschluss (Bodenslamming) können damit nicht erfasst werden.

Als Ergebnis der Bearbeitung verschiedener FuE-Vorhaben [1], [2], [3] verfügt die SVA über einen großen Erfahrungsschatz bei der Untersuchung von Slammingerscheinungen.

Untersuchungen des Rollverhaltens, speziell der Rolldämpfung von Schiffen, sind vor allem in den letzten Jahren zu einem speziellen Gebiet der hydrodynamischen Forschung geworden. Moderne Containerschiffe besitzen infolge hoher Decksladung nur noch geringe Stabilitätsreserven und sind damit in hohen Seegängen der Gefahr extremer Rollbewegungen ausgesetzt. Die Entwicklung von Spezialschiffen und Versorgern für den Offshore-Bereich ist von strengen Vorgaben hinsichtlich Positionierbarkeit und Bewegungsstabilisierung geprägt, um die Risiken beim Anlegen unter Seegangsbedingungen zu reduzieren.

Die SVA Potsdam verfügt über modernste Versuchsmethoden mit zugehörigen neuen Messmethoden. Innovative Verfahren zur Verbesserung des Rollverhaltens von Schiffen bietet die SVA vor allem zu gesteuerten Flossen, Rudern, Voith-Schneider-Anlagen sowie Rolldämpfungstanks und zu deren Optimierung an.

Die SVA verfügt über eine Anlage, die erzwungene Rollbewegungen von Schiffsmodellen bei Variation von Rollamplitude und -frequenz mit und ohne Fahrtgeschwindigkeit hervorruft. Hierbei werden die Rollmomente gemessen.

Parametererregtes Rollen kann mit dem Verfahren ROLF (nichtlineare Streifenmethode), welches in das Programmsystem UTHLANDE integriert wurde, simuliert werden. Für eine schnelle Abschätzung der Gefährdung eines Schiffes bezüglich parametererregter Rollschwingungen wird ein in der SVA entwickeltes Verfahren genutzt, das auf Basis der Schwankungen der metazentrischen Höhen einen Indikator liefert, ob für eine Kombination von Fahrgeschwindigkeit, Wellenhöhe und Wellenlänge eine Rollanregung zu erwarten ist.

Für die Auslegung von Rolldämpfungstanks stehen Berechnungsverfahren zur Verfügung, mit denen sowohl Frahm- als auch Boxtanks analysiert werden können.

Insbesondere für große Yachten und Kreuzfahrtschiffe bieten sich als Rolldämpfungseinrichtungen Flossensysteme an, die bei entsprechender Geometrie auch im Stand dämpfen. Die Rolldämpfungsraten dieser und ähnlicher Systeme werden in der Schlepprinne bei Beaufschlagung des Modells mit unterschiedlichen Seegangsspektren ermittelt.

Das Seegangsverhalten von Schiffen und Offshorekonstruktionen wird mittels Modellversuchen und mit numerischen Simulationen ermittelt.Modellversuche im Seegang werden in der Schlepprinne durchgeführt. Hierfür steht ein hydraulischer Wellenerzeuger, mit dem neben verschiedenen Wellenspektren auch reguläre Wellen und transiente Wellenpakete generiert werden können, zur Verfügung. Signifikante Wellenhöhen sind im Modellmaßstab bis 0.23 m bei Modalperioden bis zu 2.5 s möglich. Bei einem Modellmaßstab von etwa 1:40 können dabei Seegangsspektren bis zu Sturmstärke mit etwa 10 m signifikanter Wellenhöhe bei 18 s Modalperiode im Schiffsmaßstab nachgebildet werden. Der Vermeidung unerwünschter Wellenreflexionen dienen ein Strand mit natürlicher Neigung sowie zusätzliche seitliche Wellendämpfer zur Absorption von Diagonalwellen.

Seegangsversuche erfolgen mit freifahrenden, selbstangetriebenen Modellen zur Erfassung der Bewegungen und Beschleunigungen sowie der Wasserübernahme, Relativbewegung, Propelleraustauchung und von Slammingerscheinungen. Die Effektivität von gesteuerten Zero-Speed-Flossen hinsichtlich deren Rolldämpfung wird in Versuchen mit dem Modell ohne Fahrtgeschwindigkeit vorgenommen. Die Ermittlung von Kraftbeiwerten erfolgt in Versuchen mit gefesseltem Modell.

Seegangsversuche können in Gegen- und Folgesee sowie bei schräg anlaufendem Seegang bis maximal 35° Kursabweichung durchgeführt werden. Letztere erfolgen in Form von Zick-Zack-Fahrten, die von den Klassifikationsgesellschaften als Versuchstechnik anerkannt sind.
Das Bewegungsverhalten der Untersuchungsobjekte wird über ein hochauflösendes optisches Bahnverfolgungssystem erfasst. Dieses System erlaubt die berührungslose Messung der gekoppelten Bewegungen von Zweikörpersystemen in allen 6 Freiheitsgraden sowie Geschwindigkeiten und Beschleunigungen an definierten Positionen.

Für numerische Simulationen des Seegangsverhaltens steht das Programmsystem UTHLANDE zur Verfügung. Auf Basis einer linearen und nichtlinearen Streifenmethode erlaubt dieses System die Berechnung der Bewegungen und Belastungen von Einrumpfschiffen und Katamaranen für alle 6 Freiheitsgrade. Das Programm liefert die statistischen Kennwerte (Kurzzeit- und Langzeitstatistik) für lang- und kurzkämmigen Seegang mit Darstellung in kartesischen oder Polar-Diagrammen bzw. eine Videoanimation auf Basis eines „Ship motion viewer“. Das Verfahren liefert wertvolle Erkenntnisse bei Variation verschiedener seegangsspezifischer Parameter im Optimierungsprozess und dient als wertvolle Unterstützung von Modellversuchen.