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Podded Drives

SSPCFK Propeller Pod in Cavitation Tunnel

Hauptmerkmal des Podded Drives ist die Integration eines leistungsstarken Elektroantriebes in einer hydrodynamisch optimierten Gondel unter dem Schiff, der direkt den Propeller antreibt. Die volle Leistung kann in jeder Schwenkrichtung (0 – 360°) eingesetzt werden.

Der Podded Drive ist ein Propulsionssystem mit den Komponenten Propeller und Podgehäuse. Die Entwicklung und Optimierung von Podded Drives erfordert Kenntnisse über das Zusammenwirken von Propeller und Podgehäuse sowie über den Einfluss von Entwurfsparametern auf die Kennwerte des Systems.

Die Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam arbeitet seit 1995 auf dem Gebiet von Podded Drives [1], [2]. Es wurden u. a. Untersuchungen zur Anwendbarkeit von Podded Drives, Umströmungsberechnungen, Analysen und Berechnungen von verschiedenen Podded Drives sowie zahlreiche Modelluntersuchungen [3], [4], [8] durchgeführt. Entwicklungen für Podded Drives wurden in Zusammenarbeit mit diversen Herstellern [3], [9] durchgeführt.

Im Rahmen eines BMWi geförderten Vorhabens „Integrierter Schiffsentwurf für Schiffe mit Podded Propulsor Systemen“ wurden die Aspekte des Schiffsentwurfes für Schiffe mit Podded Drives untersucht. Im vom BMWi geförderten Vorhaben „High-Speed Pod“ wurden Konzepte für Podded Drives mit Einsatzgeschwindigkeiten bis 30 kn entwickelt und experimentell und rechnerisch untersucht [5], [6]. Die im Vorhaben entwickelten Ideen und gewonnenen Erkenntnisse waren die Basis für die Entwicklung von High Efficiency Pods mit HTS-Technologie [9].

Die Manövriereigenschaften von Einschraubern mit Podded Drives wurden im Rahmen eines vom BMBF geförderten Vorhabens untersucht [7]. Die Anordnung des Pods am Hinterschiff und die Nutzung von Flossen sowie der Einfluss der Propelleranordnung wurden experimentell und rechnerisch analysiert.

Standard Podded Drives mit Zug- und Druckpropellervarianten wurden entwickelt und experimentell untersucht [6], [8], [9]. Die Podgehäuse wurden insbesondere hinsichtlich des Gondeldurchmessers und des Übergangs von der Propellernabe zur Gondel variiert, um den Einfluss dieser Geometrieparameter auf die Kennwerte von Podded Drives (Freifahrt, Propulsion, Kavitation) ermitteln zu können.

Die Entwicklung und die Untersuchung von Podded Drives stellt an die Messtechnik und Versuchsmethoden hohe Ansprüche. Für Freifahrt-, Propulsions-, Kavitations- und Manövrierversuche sowie Geschwindigkeitsmessungen an Podded Drives wurden Messsysteme entwickelt, erprobt und erfolgreich eingesetzt. Zur Validierung der Auswert- und Prognoseverfahren für Messungen mit Podded Drives wurden CFD-Berechnungen durchgeführt.

Mit den zur Verfügung stehenden schwenkbaren Messsystemen für Podded Drives mit Zug-, Druck-, Twin- und Gegenlaufpropelleranordnung können u.a. die Schübe und Momente des Propellers in der Welle sowie die Quer- und Vertikalkräfte an einem Käfig gemessen werden.

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Heinke, H.-J.: Azimuthing propulsion – Experiences of SVA, 6th SVA-Forum “Azimuthing Propulsion – new challenges and chances”, Potsdam, 29th April 1998
[2]    Abdel-Maksoud, M., Heinke, H.-J.: Investigation of Viscous Flow Around Modern Propulsion Systems, CFD ’99, The International CFD Conference, 5-7 June 1999, Ulsteinvik
[3]    Kaul, S., Heinke, H.-J.; Abdel-Maksoud, M.: Hydrodynamische Optimierung von Podded Drives und aktuelle Anwendungen in der Großausführung, 54. Sitzung des FA „Schiffshydrodynamik“ der STG, Hamburg, September 2000
[4]    Heinke, H.-J.: Kavitationsuntersuchungen zu Podded Drives, 20. Strömungstechnische Tagung des Instituts für Strömungsmechanik der TU Dresden, 6. Oktober 2000
[5]    Heinke, H.-J.: Alternative Propulsion Concepts for Fast Navy Ships, Part II: Podded drives for navy ships,  International Lecture Day “Unconventional Hull Forms for Naval Vessels”, Potsdam, September 2001
[6]    Heinke, C., Heinke, H.-J.: Investigations about the Use of Podded Drives for Fast Ships, FAST 2003, Ischia (Italy), Oct. 2003
[7]    Steinwand, M.: Manoeuvrability of a Single Screw Ship with Pod, Hydronav’2003, Gdansk, Poland, Oct. 2003
[8]    Heinke, H.-J.: Investigations about the forces and moments at podded drives, First International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion, Newcastle, UK, April 2004
[9]    Heinke, H.-J.: Hydrodynamische Untersuchungen für einen Podded Drive mit HTS-Synchronmaschine, Statustagung Schifffahrt und Meerestechnik, Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, 3. Dezember 2009, Rostock-WaPartner

Thruster (Ruderpropeller)

Thruster_Schottel_RuderpropThruster_Schottel_Ruderprop_CFD

Ruderpropeller (Thruster) sind Antriebe für Schiffe und Plattformen, bei denen die Manövrierfähigkeit ein wichtiges Einsatzkriterium ist. Ruderpropeller sind in der Regel um 360° schwenkbar, so dass der Systemschub in jede Richtung wirken kann. Der Propeller arbeitet vor oder hinter dem Thrustergehäuse (Gondel und Schaft) und es treten starke Wechselwirkungen zwischen Propeller und Gehäuse auf. Die experimentelle und numerische Untersuchung der Ruderpropeller ist wegen dieser Wechselwirkungen und durch besondere Betriebszustände (Pfahlzug, Manövrieren, Off-Design) anspruchsvoller als bei konventionellen Propellern. Bei der Analyse von Ruderpropellern werden überwiegend Freifahrt-, Propulsions- und Kavitationsversuche durchgeführt. Spezielle Antriebs- und Messsysteme sind für die Untersuchung von Ruderpropellern entwickelt worden. Die SVA verfügt für Versuche in der Schlepprinne und im Kavitationstunnel über Antriebs- und Messsysteme für Ruderpropeller mit Zug- oder Druckpropeller, Twinpropeller und Gegenlaufpropeller. Die Systeme ermöglichen die Messung der Schübe und Momente der Propeller sowie die Bestimmung des Gehäuswiderstandes. Die Systemkräfte und Momente der Thruster werden mit 3- oder 6-Komponentenwaagen gemessen.

Versuche und Berechnungen für Thruster werden insbesondere für die Antriebshersteller (Ermittlung der Kennwerte des Thrusters, Optimierung und Weiterentwicklung) und für Werften und Reeder (Propulsion) durchgeführt. Zur Umrechnung der Modellversuchsergebnisse auf die Großausführung hat die SVA eigene Verfahren zur Reynoldszahlkorrektur für Thuster entwickelt. Dazu wurden u.a. im FuE-Vorhaben „Korrelation Z-Antrieb mit Düsenpropeller“ [2], [4] systematische CFD-Berechnungen durchgeführt.

In den letzten Jahren wurden zunehmend Aspekte der DP-Fähigkeit von Ruderpropellern analysiert. Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Thruster für dynamische Positionierung“ [5], [6] wurden dazu umfangreiche Untersuchungen zum Einfluss von Gondel- und Düsenneigung auf die Kennwerte der Thruster, der Wechselwirkung des Thrusters mit der Plattform und der Wechselwirkung von Thrustern untereinander durchgeführt.

Für die Untersuchung der DP-Fähigkeit von Plattformen wurden spezielle Antriebs- und Messsysteme entwickelt, die eine Variation der Gondelneigung der Gehäuse sowie eine unbegrenzte Schwenkbarkeit der Thruster gewährleisten.

Thruster_CFD_PlatformThruster_Offshore_PlatformThruster_Offshore_Platform_in_SR

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsthemen

[1] Abdel-Maksoud, M., Heinke, H.-J.: Investigation of Viscous Flow around Modern Propulsion Systems, CFD’99, Ulsteinvik, Norway, June 1999
[2] Abdel-Maksoud, M., Heinke, H.-J.: Scale Effects on Ducted Propellers, 24th Symposium on Naval Hydrodynamics, Fukuoka, Japan, July 2002
[3] Heinke, H.-J.: Azimuthing propulsion – Experiences of SVA, 6. SVA – Forum „Azimuthing Propulsion – new challenges and chances“, Potsdam, April 1998, Schiffbauforschung 38 (1999) 1
[4] Heinke, H.-J., Abdel-Maksoud, M., Pierzynski,. M. (2006): Korrelation Z-Antrieb mit Düsenpropeller, Schiff & Hafen, 2006, Heft 5
[5] Heinke, H.-J.: Model Tests with the Voith Radial Propeller, 3rd Hydrodynamic Symposium on Voith Schneider Propulsion, Heidenheim, June 2010
[6] Heinke, C.: Erhöhung der DP-Fähigkeit durch optimalen Einsatz von Thrustern, STG-Hauptversammlung, Hamburg, November 2012, Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft, 107. Band, 2012

Twin- und Gegenlaufpropeller

TwinProps_GegenlaufProp_im_Versuch

FORTJES in the stern of a pleasure boat

Twinpropeller

Twinpropeller arbeiten mit einem Zug- und einem Druckpropeller mit gleichem Drehsinn. Der Entwurf des hinteren Propellers stellt erhöhte Anforderungen an die Berechnungsverfahren. Die Twinpropeller müssen so zueinander angeordnet werden, dass die Wirbelschleppe des vorderen Zugpropellers zwischen den Flügeln des hinteren Druckpropellers durchläuft. Durch die Kontraktion des Propellerstrahls des Zugpropellers gelangt zusätzlich seitliches Wasser zum Druckpropeller.

Werden Twinpropeller am Thruster (Schottel Twin Propeller (STP)) oder Podded Drive (Siemens Schottel Propulsor (SSP)) eingesetzt, muss das Gehäuse hydrodynamisch optimiert und mit Leitfinnen versehen werden. Der Drall im Propellerstrom des Zugpropellers wird auf diese Weise teilweise zurückgewonnen und die Zuströmung zum Druckpropeller gezielt beeinflusst.

Das Propellerberechnungsverfahren VORTEX der SVA wurde für den Entwurf und die Optimierung von Twinpropellern angepasst [1]. Die folgenden Bilder zeigen beispielhaft das hydrodynamische Modell und die berechnete Zuströmung zum Druckpropeller.

Gegenlaufpropeller (Contra-Rotating-Propeller)

Gegenlaufpropeller bestehen aus zwei gegenläufig drehenden Propellern. Durch den Gegenlaufpropeller können die Rotationsverluste vermieden werden, weil der hintere Propeller die Rotationsenergie der Strömung nutzen kann, die durch den vorderen Propeller induziert wird. Zusätzlich wird Belastung auf zwei Propeller verteilt.

Die SVA verfügt sowohl in der Schlepprinne wie im Kavitationstunnel über Messsysteme zur Untersuchung von Gegenlaufpropellersystemen. In den letzten Jahren wurden systematische Untersuchungen zum Einfluss des Abstandes der Gegenlaufpropeller und der Anordnung von Gondeln zwischen den Gegenlaufpropellern auf den Wirkungsgrad durchgeführt.

Im Auftrag von REINTJES wurde das Pod-Antriebssystems Fortjes® entwickelt [5], [6]. Das Antriebssystem findet seinen Einsatz speziell bei bis zu 40 m langen Gleiter- und Halbgleiteryachten im Leistungsbereich bis 3000 kW. Für den Entwurf der Gegenlaufpropeller wurde und wird das Verfahren VORTEX der SVA genutzt. Gondel und Schaft wurden völlig neuartig konzipiert, um die Vorteile des Gegenlaufpropellers auch am Pod optimal nutzen zu können.

 

TwinProps_GegenlaufPropTwinProps_HydrodynModell_CFD_mRandTwinProps_Zuströmung_CFD_mRand
TwinProps_SchottelTwinProp_mRandTwinProps_SSP_im_Versuch

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Schulze, R.; Bertolo, G.; Brighenti, A.; Kaul, S.: LUITO Development and Optimisation of the Propulsion System; Study, Design and Tests, PRADS, The Hague, September 20 – 25, 1998
[2] Kaul, S.; Heinke, H.-J.; Abdel Maksoud, M.: Hydrodynamische Optimierung von Podded Drives und aktuelle Anwendungen in der Großausführung (Anwendungsbeispiele SSP), 54. Sitzung des FA „Schiffshydrodynamik“ der STG, Hamburg, 13.09.2000
[3] Edel, K.-O.: Zum Entwurf gegenläufiger Propeller nach der Theorie von Lerbs (77. Mitteilung der SVA), Schiffbauforschung 10 (1971) 5/6
[4] Schmidt, D.: Propulsionsuntersuchungen mit Einzelpropeller und Gegenlaufpropeller am Modell eines Containerschiffes, Schiffbauforschung 14 1/2/1975
[5] Schulze, R.; Weber, A.: Application of the new FORTJES® Z-drive from REINTJES on planing vessels, 11th Intern. Conference on Fast Sea Transportation, FAST 2011, Honolulu, Hawaii, USA, Sept. 2011
[6] Schulze, R.; Weber, A.: The new FORTJES® Z-drive from REINTJES with contra rotating propellers for high speed applications, 11th Intern. Conference on Fast Sea Transportation, FAST 2011, Honolulu, Hawaii, USA, Sept. 2011

Entwurf von Propellern und Propulsionssystemen

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Die SVA verfügt über eine langjährige und vielfältige Erfahrung auf dem Gebiet des Propellerentwurfes und dem Design von komplexen Propulsionssystemen. Als Versuchsanstalt und Forschungseinrichtung verfügt die SVA Potsdam über den einzigartigen Vorteil, Erfahrungen aus der Grundlagen- und Anwendungsforschung direkt für den Entwurf von Antriebssystemen nutzbar machen zu können.

Wesentliche Teile der Entwurfsprogramme wurden in der SVA entwickelt. Dies umfasst Präprozessoren zur Propellerdefinition und zur Geometriebearbeitung sowie Nachrechenverfahren für Propeller, ummantelte Propeller, Twin- und Gegenlaufpropeller. Weiterhin sind mathematisch basierte Optimierungsverfahren und Postprozessoren zur Einschätzung der Kavitationseigenschaften, Druckschwankungsprognosen und Festigkeitsrechnungen mittels FEM-Analysen sowie Schnittstellen für die 3D-Modellierung enthalten. All diese Programme bilden das Programmpaket VORTEX. Andere Propellerhersteller und Klassifikationsgesellschaften nutzen unter anderem diese Software für den Entwurf und die Zertifizierung. Durch den engen Kontakt mit diesen Propellerherstellern und Klassifikationsgesellschaften wird die permanente Weiterentwicklung dieser Entwurfswerkzeuge unterstützt.

Die SVA hatte unter anderem wesentlichen Anteil an der Entwicklung des Twinpropellerkonzeptes von SCHOTTEL und setzte Meilensteine bei der Entwicklung von geräuscharmen Propellern für Forschungs- und Marineschiffe und U-Boote. Für große Schlepper wurden Düsenpropeller mit über 200 t Schubkraft entworfen. Insbesondere bei der Entwicklung von Düsenpropellern mit hohen Standschubforderungen konnte auf die breiten Erfahrungen mit umfangreichen CFD-Berechnungen von Propulsionssystemen am Schiff zurückgegriffen werden.

Entwürfe von Propellern und Propulsionssystemen können in der SVA im Modellmaßstab umfassend getestet werden, worauf trotz fortgeschrittener Berechnungsmethoden i. A. noch nicht verzichtet werden kann. Nach Propulsions- bzw. Kavitationsversuchen kann der Propellerentwurf verbessert werden, um den höchsten Ansprüchen der Praxis gerecht zu werden.

Zur Bestimmung des Verhaltens von Schiff und Antriebssystem sowie die Abstimmung zum Fahrmotor werden durch die SVA Probefahrten begleitet und spezielle Bordmessungen (Leistungsmessungen, Vibrations-, Druckschwankungs- und Akustikmessungen, Kavitationsbeobachtungen, Manövriermessungen) durchgeführt.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Schulze, R.: Globale Optimierung von Propellern, STG-Sprechtag, Flensburg 14. März 1997
[2] Schulze, R.; Bertolo, G.; Brighenti, A.; Kaul, S.: LUITO Development and Optimisation of the Propulsion System; Study, Design and Tests
PRADS, The Hague, September 20 – 25, 1998, 1998 Elsevier Science B.V.
[3] Schulze, R.: Globale Optimierung von Propellern und Propulsionssystemen, Schiff & Hafen 3/2005
[4] Mertes, P., Heinke, H.-J.: Aspects of the Design Procedure for Propellers Providing Maximum Bollard Pull, ITS 2008, Singapore, May 2008
[5] Steinwand, M.; Grabert, R.; Schulze, R.: Ruderentwurf – Aktuelle Entwicklungen, 102. STG Jahreshauptversammlung, Berlin, 23. Nov. 2007
[6] Schulze, R.; Richter, H.: Redundante Antriebe für Einschraubenschiffe, 102. STG Jahreshauptversammlung, Berlin, 23. Nov. 2007
[7] Schulze, R., Weber, A.: Application of the new FORTJES&rmark; Z-drive from REINTJES on planning vessels; 11th Intern. Conference on Fast Sea Transportation, FAST 2011, Honolulu, Hawaii, USA, Sept. 2011
[8] Schulze, R., Weber, A.: The new FORTJES&rmark; Z-drive from REINTJES with cotra rotating propellers for high speed applications, 11th Intern. Conference on Fast Sea Transportation, FAST 2011, Honolulu, Hawaii, USA, Sept. 2011
[9] Heinke, H.-J., Lübke, L. O.: Maßnahmen zur Energieeinsparung, Schiff & Hafen 10/2014

Slow Steaming & Re-Design

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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.

 

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Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Heinke, H.-J.; Lübke, L. O.: Maßnahmen zur Energieeinsparung, Schiff & Hafen, Nr. 10, 2014

Trimmoptimierung

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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