Autor: pa

Frachtschiffe

Frachtschiff
Frachtschiff in der Schleppinne

Mittels modernster Messtechnik höchster Genauigkeit können alle Frachtschiffstypen jeder Größe untersucht werden. Die Spanne reicht vom Binnenschubleichter bis zu den größten Containerschiffen und Bulkern.Zur Erstellung einer Leistungs- und Geschwindigkeitsprognose werden Widerstands-, Propulsions- und Freifahrtversuche in der 280 m langen Schlepprinne durchgeführt. Im Rahmen dieser Versuche ist die Bestimmung des EEDI-Index gemäß der Resolution Mepc.214(63) (2012 Guidelines On Survey And Certification Of The Energy Efficiency Design Index) möglich.

Um Frachtschiffe effizienter und sicherer zu machen, bietet die SVA Potsdam verschiedenste Leistungen an. Versuche zur Optimierung der Propellerdrehrichtung bei Mehrschraubern sowie eine Trimm- und Ruderwinkeloptimierung können zu signifikanten Leistungseinsparungen führen. Für den Entwurf eines nachstromangepassten Propellers werden Nachstrommessungen am Modell durchgeführt.

Das Seeverhalten des Schiffes kann in regulären und irregulären Seegängen sowie in Wellenpaketen ermittelt werden. Für die Untersuchung des arbeitenden Propellers unter Kavitationsähnlichkeit steht ein Kavitationstunnel (Kempf & Remmers) mit moderner Messtechnik zur Verfügung.

Holz-, GFK-, PU-Modelle

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Die Schiffsmodellrohlinge werden aus stabverleimten Abachiholz hergestellt.

Wasserstrahlschneidanlage

Die Bauteile werden rechnergestützt erstellt und mittels einer Hochdruck-Wasserstrahlschneidanlage gefertigt (3500 bar). Die Anlage schneidet die Teile passgenau und in schneller Abfolge effizient aus. Die Wasseraufnahme der Schnittteile ist sehr gering und lässt eine Weiterverarbeitung der Rohlinge nach einer Trockenzeit von einem Tag zu. Die Maschine hat einen Arbeitsbereich von 2000 mm x 4000 mm und ist darüber hinaus in der Lage bis zu 120 mm Stahl zu schneiden.

5-Achs-Fräsmaschine

Die verleimten Schiffsrohlinge werden auf der 5-Achs-Fräsmaschine, Fabrikat Huber& Grimme, mit Hilfe von Schrupp- und Schlichtfräsoperationen komplett bearbeitet und erreichen dabei ein nahezu perfektes Oberflächenfinish. Mit einem einmaligen manuellen Oberflächenschliff nach dem Fräsprozess ist das Modell zur weiteren Bearbeitung vorbereitet. Mit dem Einsatz der 5-Achs-Fräse werden die Anforderungen der ITTC hinsichtlich der Genauigkeit von Schiffsmodellen erfüllt (±1 mm, 0.5 % Lpp). Die Maschine hat ein maximalen Arbeitsbereich von 8000 mm x 2500 mm x 1200 mm, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit von bis zu 40 m/min und eine maximale Drehzahl von 24000 U/min.

DP-Simulationen/Berechnungen

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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)

DP-Versuche

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)

Reibungswiderstandsmessung

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Der Reibungswiderstand eines Schiffes ist ein wesentlicher Bestandteil des Gesamtwiderstandes. Dieser wird u.a. durch die Beschaffenheit der Außenhaut (z.B. Art der Beschichtung, Grad des Bewuchs) beeinflusst. Um den Leistungsbedarf zu minimieren und dadurch Kosten zu sparen und die Umwelt zu schonen, ist es daher sinnvoll den Reibungswiderstand durch spezielle Beschichtungen oder Oberflächenstrukturen so gering wie möglich zu halten. Entsprechende Untersuchungen können an dem Reibungsmessstand durchgeführt werden. Eine alleinige Rauhigkeitsanalyse der Oberfläche ist nicht ausreichend, um daraus deren exakten Reibungswiderstand abzuleiten. Experimentelle Untersuchungen lassen genauere Aussagen zu. Dafür werden in den Reibungsmessstand zwei Platten mit der zu untersuchenden Beschichtung so eingebaut, dass sie einen schmalen Rechteckkanal bilden, der von Wasser durchströmt wird. Über das gleichzeitige Messen der Wassergeschwindigkeit, des Druckverlustes vom Anfang bis zum Ende der Messstrecke sowie der Wassertemperatur kann auf die Wandschubspannung und schließlich auf den Reibungswiderstandsbeiwert der untersuchten Platten geschlossen werden. Die Ergebnisse sind auf das Schiff übertragbar. Um einen möglichst großen Geschwindigkeitsbereich abzudecken, können im Reibungsmessstand Geschwindigkeiten bis zu 20 m/s gefahren werden.

Diese Untersuchungen beschränken sich nicht nur auf die Schiffbaubranche, sondern sind auch in der Luftfahrt- und Automobilindustrie anwendbar. Die Ergebnisse aus dem Reibungsmessstand sind auch für die Anwendungen übertragbar und gewinnbringend umsetzbar, wo die Reibung eine Rolle spielt.

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsthemen

[1]    Schulze, R.: Measurement of Skin Friction Drag and Design of Riblet Structures for a Ship Application, AIRBUS, Bremen, 30. Juni 2015