Offshore & Energie

Bitte lesen Sie hier weiter zu Seegangsversuchen und numerischen Simulation von Schiffen und Strukturen im Seegang.

Die Dynamic Positioning Capability (DP Capability) definiert die Positionshaltefähigkeit eines Schiffes bei gegebenen Umwelt- und Operationsbedingungen. Als Ergebnis der Modellversuche werden DP Capability Plots sowie Daten zur Auslegung der Regelungssysteme bereitgestellt. Für DP Capability Plots werden im Modellversuch die äußeren Kräfte auf das Schiff durch Seegang, Strömung und Wind bestimmt.  Dafür stehen in der Schlepprinne eine Windanlage, eine Wellenmaschine sowie Kraftmesswaagen zur Bestimmung der Kräfte am Schiff zur Verfügung. Als Ergebnis werden die DP Capability Plots für verschiedene Szenarien und Umweltbedingungen aufgetragen. Zur Auslegung von DP Regelungssystemen werden dynamische Umweltbedingungen in der Schlepprinne mit freifahrenden Modellen realisiert. Beliebige irreguläre Seegänge und Windprofile können erzeugt werden. Das Modell kann dabei mit Rudern, Querstrahlern, Thrustern, VSPs und anderen Steuerorganen ausgerüstet werden. Das Überwasserschiff wird modelliert.

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Steinwand, M., Wuttke, H., Schleusener, B.: Prognose quasistationärer Rumpfkräfte anhand von Vergleichsschiffen, numerische Modellierung von Steuer- und Propulsionsorganen und Verifikation simulierter Manöver, Bericht 3735, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam, November 2010 (Abschlussbericht)
[2]    Steinwand, M., Schomburg, E.: 360° – Strömungskräfte auf das Schiff, STG-Sprechtag Manövrieren, 14. Mai 2014, Hamburg
[3]    Steinwand, M.: Dynamic Positioning von Schiffen und Plattformen mit Motionstabilisierung unter Verwendung von x/y-Logik, 8. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 29. Januar 2015
[4]    Steinwand, M.: Forces on Podded Drives in Manoeuvring Condition, SVA-CTO-Meeting, Brieselang, 6. Juni 2015
[5]    Steinwand,M.: Bestimmung der Kräfte und Momente auf das Unterwasserschiff über Anströmwinkel von360°, Bericht 4342, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam, Juni 2015 (Abschlussbericht)

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Als „Dynamische Positioning“ (DP) wird das Halten der Position eines Schiffes unabhängig von Seegang, Wind und Strömung bezeichnet. Für Offshore-Schiffe und Plattformen sind DP-Fähigkeiten (allg. als „DP-Capabilities“ bezeichnet) entscheidend, um ihren Auftrag jederzeit ausführen zu können. Beim Entwurf dieser Systeme sind Kenntnisse über die am Schiff angreifenden Kräfte erforderlich, um die DP-Antriebssysteme auslegen bzw. steuern zu können. Diese Kräfte werden an der SVA Potsdam neben den experimentellen Verfahren auch mit mathematischen Mitteln bestimmt. Die auf das Schiff angreifenden Kräfte sind:

  • Windkräfte
  • Seegangskräfte
  • Strömungskräfte

Jeder dieser Kraftanteile wird einzeln bestimmt und die Gesamtkraft durch Superposition berechnet.

  • Windkräfte werden mittels empirischer Formeln berechnet, üblicherweise nach Blendermann [1] oder Isherwood [2]. Die Berechnung der Windkräfte kann für beliebige Überwasserschiffe durchgeführt werden
  • Die Kräfte durch den Seegang werden mit dem Programmsystem UTHLANDE berechnet. Hierbei werden Methoden der linearen Streifentheorie eingesetzt. Die Driftkräfte werden für den jeweils gegebenen Seegang bestimmt.
  • Die Strömungskräfte werden aus Beiwerten aus der  SVA-eigenen umfangreichen Datenbank von Vergleichsschiffen gewonnen. Darüber hinaus fließen die Ergebnisse des Forschungsprojektes „Bestimmung der Kräfte und Momente auf das Unterwasserschiff über Anströmwinkel von 360°“ in die Prognoseverfahren der SVA ein.

Als Ergebnis werden DP Capability Plots für die verschiedenen untersuchten Szenarien und Umweltbedingungen geliefert. Das Beispiel zeigt einen einzelnen DP Capability Plot für ein Schiff mit Bug- und Heckthruster. Die Prognoseberechnung liefert die erforderlichen Schübe der Thruster, die für die untersuchte Kombination aus Seegang, Wind und Strömung zum Halten der Position erforderlich sind.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Blendermann, W.: Parameter Identification of Wind Loads on Ships, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 51 (1994)
[2]    Isherwood: Wind resistance of merchant ships, Royal Inst. of Nav. Arch., 1972
[3]    Steinwand, M., Wuttke, H., Schleusener, B.: Prognose quasistationärer Rumpfkräfte anhand von Vergleichsschiffen, numerische Modellierung von Steuer- und Propulsionsorganen und Verifikation simulierter Manöver, Bericht 3735, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam, November 2010 (Abschlussbericht)
[4]    Steinwand, M., Schomburg, E.: 360° – Strömungskräfte auf das Schiff, STG-Sprechtag Manövrieren, 14. Mai 2014, Hamburg
[5]    Steinwand, M.: Dynamic Positioning von Schiffen und Plattformen mit Motionstabilisierung unter Verwendung von x/y-Logik, 8. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 29. Januar 2015
[6]    Steinwand, M.: Forces on Podded Drives in Manoeuvring Condition, SVA-CTO-Meeting, Brieselang, 6. Juni 2015
[7]    Steinwand,M.: Bestimmung der Kräfte und Momente auf das Unterwasserschiff über Anströmwinkel von 360°, Bericht 4342, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam, Juni 2015 (Abschlussbericht)

Bordmessungen

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Zur Bestimmung der Leistungsaufnahme des Propellers an der Großausführung werden im Rahmen von Meilenfahrten bei der Abnahme von Schiffsneubauten sowie bei Problemstellungen im Bereich Abstimmung Propeller / Maschine, Leistungsmessungen an der Propellerwelle durchgeführt.

Hierzu werden das Drehmoment und die Drehzahl an der Propellerwelle oder an Getriebekoppelwellen bzw. Zwischenwellen gemessen.

Die Messung des Drehmoments erfolgt mit Dehnungsmessstreifen, die Drehzahlmessung mit einem Magnet – Hallsensor System. Mit einem Bluetooth Funkmessmodul werden die Signale aufbereitet und digital zu einem Messcomputer übertragen.

Zeitäquidistant können weitere Messwerte wie Geschwindigkeit, Kurs, Ruderwinkel und Schwimmlage des Schiffes aufgezeichnet werden. Hierzu stehen GPS / DGPS-Systeme, Gyroskope und weitere Messtechnik zur Verfügung.

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Zur Analyse der Schwingungserregung und Geräuschabstrahlung durch den Propeller oder Anhänge am Schiffe erfolgen Kavitationsbeobachtungen, Druckschwankungsmessungen an der Außenhaut des Schiffes, Körperschallmessungen an der Propellerwelle und Wasserschallmessungen vom Beiboot aus. Die Beobachtung der Kavitation kann über Fenster in der Außenhaut des Schiffes oder über Mikrokameras mit Endoskop erfolgen. Die vom Propeller induzierten Druckschwankungen werden mit Absolutdrucksensoren in der Außenhaut über dem Propeller gemessen. Beschleunigungsmessungen mit hohen Datenraten an der Welle des Propellers werden zur Bewertung der hydroakustischen Kennwerte von Propellern genutzt. Wasserschallmessungen werden nach Möglichkeit mit Hydrofonen durchgeführt, die von einem Beiboot aus in verschiedenen Wassertiefen angeordnet werden.

 

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Vor der Auslieferung und der Abnahme von Schiffsneubauten wird in einem Versuch mit der Großausführung (Meilenfahrt) die bei gegebener Leistung erreichbare Geschwindigkeit bzw. die Leistungsaufnahme für eine gegebene Geschwindigkeit bestimmt. Es wird zum einen überprüft, ob die vertraglich vereinbarten Parameter erreicht werden und zum anderen, ob der erforderliche EEDI eingehalten wird.

Zur Bestimmung der Wellenleistung werden das Drehmoment und die Drehzahl an der Propellerwelle für eine gegebene Geschwindigkeit gemessen. Diese Messung kann von der SVA auf dem Schiff mit eigener Messtechnik vorgenommen werden.

Im Gegensatz zu Modellversuchen sind die Bedingungen bei Meilenfahrten in den seltensten Fällen ideal. Es lässt sich kaum vermeiden, dass Meilenfahrten bei Wind und Wellen, unter Flachwassereinfluss in Gebieten mit Strömung usw. durchgeführt werden müssen. Um die Umwelteinflüsse auf die Vertrags- bzw. Versuchsbedingungen umzurechnen, müssen die Meilenfahrtmessungen ausgewertet werden. Die SVA Potsdam bietet solche Berechnungen an, die entsprechend den aktuellen Standards von IMO und ITTC ausgeführt werden.

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