Schlepper sind mit einer leistungsstarken Antriebsanlage ausgerüstet, um andere Schiffe oder große schwimmfähige Objekte zu schieben oder zu ziehen. Die Schlepper sind überwiegend mit Düsenpropellern, Thrustern oder Voith-Schneider-Propellern ausgerüstet. Die Leistung und damit der Pfahlzug der Schlepper haben sich in den letzten Jahren deutlich erhöht. Deshalb müssen Aspekte der Reynoldszahlkorrektur für Düsenpropeller, Thruster und Voith-Schneider-Propeller sowie die Gefährdung hinsichtlich eines Schubabfalls durch Kavitation beim Entwurf stärker beachtet werden.

Im Rahmen von FuE-Vorhaben, gefördert durch das BMBF und das BMWi wurden in den letzten Jahren systematische Berechnungen und Modellversuche mit Schleppern und deren Antriebssysteme durchgeführt. Im FuE-Vorhaben „Korrelation Z-Antrieb mit Düsenpropeller“ wurden die Erkenntnisse auf dem Gebiet der CFD-Berechnungen erfolgreich für die systematische numerische Untersuchung von Düsenpropellern angewendet [1]. Die ermittelten Hinweise und Verfahren zur Reynoldszahlkorrektur sind eine wichtige Grundlage für die Bewertung von Versuchen mit freien Düsenpropellern oder mit Thrustern mit Düsenpropellern. In den FuE-Vorhaben „Erhöhung der Entwurfssicherheit von Düsenpropellersystemen unter Pfahlzugbedingungen“ und „Reynoldszahleinflüsse auf die Pfahlzugprognose“ wurden die Verfahren der Pfahlzugprognose bei Schleppern mit Düsenpropelleranordnung analysiert [2], [3]. Insbesondere die Erkenntnisse zum kavitationsbedingten Schubabfall des Düsenpropellers bei hohen Schubbelastungsgraden sind heute ein Bestandteil im Entwurfsprozess des Düsenpropellers. Mit dem von der SVA erarbeitetem Diagramm zur Abschätzung der Gefahr von kavitationsbedingtem Schubabfall kann die Notwendigkeit von Kavitationsversuchen bestimmt werden.

Umfangreiche Untersuchungen zur Kavitation an den Antriebssystemen von Schleppern wurden im Kavitationstunnel der SVA und im großen Umlauf- und Kavitationstunnel (UT2) der TU Berlin durchgeführt [2], [3], [4], [5]. Dazu wurden u.a. Pfahlzugversuche bei Kavitationsähnlichkeit mit Modellen von AHTs sowie Voith Water Traktoren (VWT) realisiert.Im FuE-Vorhaben „Prognosesicherheit für den Leistungsbedarf von Schleppern mit Düsenpropellersystemen“ wurden Geosim-Versuche mit Schleppermodellen sowie umfangreiche CFD-Berechnungen durchgeführt, um die Maßstabseinflüsse auf die Propulsionsprognose für Schlepper analysieren zu können. Die Ergebnisse der Messungen und Berechnungen wurden mit Großausführungsmessungen von AHTs verglichen und in die Prognoseverfahren integriert.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Abdel-Maksoud, M., Heinke, H.-J.: Scale Effects on Ducted Propellers, 24th Symposium on Naval Hydrodynamics, Fukuoka, Japan, 2002
[2] Mertes, P., Heinke, H.-J.: Aspects of the Design Procedure for Propellers Providing Maximum Bollard Pull, ITS 2008, Singapore, 2008
[3] Heinke, H.-J., Hellwig, K.: Aspekte der Pfahlzugprognose für Schlepper großer Leistung,104. Hauptversammlung der Schiffbautechnischen Gesellschaft, Hamburg, 2009
[4] Heinke, H.-J.: Model tests with Voith Schneider Propellers at high thrust coefficients, Hydrodynamic Symposium – Voith Schneider Propulsion, Heidenheim, March 2006
[5] Heinke, H.-J.: High-Speed Camera Observations of the Cavitation at a Voith Schneider Propeller, 2nd Symposium Voith Schneider Technology, Heidenheim, June 2008
[6] Heinke, H.-J., Grabert, R.: Influence of the Reynolds number on the characteristic of ducted propellers, 68. Sitzung des FA „Schiffshydrodynamik“ der STG, Hamburg, 08.10.2014

Die Leistungsprognose ist die grundlegende Aufgabe der Schiffbau-Versuchsanstalten.

Leistungsprognose auf Grundlage von Modellversuchen

Mit Hilfe von Modellversuchen wird die erforderliche Antriebsleistung für alle Arten von Wasserfahrzeugen ermittelt. Die klassische Leistungsprognose beruht auf

• Widerstandsversuchen
• Freifahrtversuchen
• und Propulsionsversuchen.

Mit Hilfe dieser Versuche lassen sich alle leistungsbestimmenden Parameter ermitteln. Die Extrapolation der Modellversuchsergebnisse erfolgt entweder ohne Bestimmung eines Formfaktors oder nach der “ITTC 1978 Performance Prediction Method“ mit Formfaktor. Beide Verfahren sind etabliert und liefern zuverlässige Ergebnisse für die Großausführung. Die SVA führt die Propulsionsversuche  unter Anwendung der Britischen Methode durch.

Voraussetzung für die Extrapolation der Versuchsergebnisse ist höchste Genauigkeit beim Messen und in der Modellfertigung. Die SVA hält die Vorgaben der ITTC (International Towing Tank Conference) für alle Bereiche des Versuchswesens ein. Modernste Mess- und Auswertungstechnik unterstützt den Versuchsingenieur und reduziert den Zeitaufwand für die Durchführung der Versuche.  Die Versuchsergebnisse und –verfahren werden laufend verifiziert und validiert.

Leistungsprognose auf Grundlage statistischer Daten

Auf Grundlage der SVA Datenbank sowie verschiedener empirischer Methoden ist die SVA Potsdam in der Lage, eine schnelle Leistungsprognose zu erstellen [1]. Dies ermöglicht eine erste Abschätzung des Leistungsbedarfs eines Wasserfahrzeugs im frühen Entwurfsstadium.

Leistungsprognose auf Grundlage viskoser CFD Berechnungen

In viskosen CFD-Simulationen („Computational Fluid Dynamics“) werden die Umströmung der Geometrie und der daraus resultierende Widerstand sowie das Nachstromfeld im Maßstab der Großausführung oder/und im Modellmaßstab berechnet. Anhand dieser Berechnungen können auch eventuelle Verbesserungspotenziale der Schiffslinien erkannt werden. Um den Effekt des arbeitenden Propellers auf den Schiffswiderstand einbeziehen zu können, werden in weiteren CFD-Berechnungen  die Propellerwirkung simuliert oder die reale Propellergeometrie berücksichtigt. Aus dem so berechneten Widerstand unter Propulsionsbedingungen bzw. aus dem berechneten Drehmoment lässt sich die Antriebsleistung ermitteln. Falls keine kundenspezifischen Propellerdaten vorliegen, werden ersatzweise hierzu die Polynome der Wageningen B-Serie verwendet.

Die Leistungsprognose auf Grundlage viskoser CFD-Berechnungen [2] ist für viele Anwendungsfälle eine Alternative zum Modellversuch, insbesondere dann, wenn nur einzelne Betriebspunkte gefragt sind. Die Ergebnisse können weiterhin zur allgemeinen Schiffsbegutachtung, zur Motorenauslegung und als Grundlage für den Propellerentwurf genutzt werden.

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Grabert, R.: Ein Verfahren zur Leistungsprognose nach Vergleichsschiffen, Schiffbauforschung 31(1992)1
[2]    Rieck, K., Hellwig-Rieck, K.: Numerische Propulsionsprognose von Schiffen, STG-hauptversammlung, Rostock, November 2011

Bitte lesen Sie hier weiter zur simulationsgestützten Schiffsformoptimierung.

Gute Schiffslinien sind die Grundlage für einen effizienten und sicheren Betrieb eines Schiffes. Die Kunden werden bei der Entwicklung optimaler Schiffslinien durch erfahrene Ingenieure und Nutzung effektiver Berechnungstools unterstützt. Der Entwurfsprozess findet in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden statt und wird von CFD-Berechnungen begleitet. Mit den Ergebnissen der CFD-Berechnungen kann eine Geschwindigkeits- und Leistungsprognose erstellt werden. Beim Linienentwurf werden die Programme CAESES und DELFTship professional eingesetzt. Die CFD-Berechnungen werden mit den viskosen CFD-Lösern ANSYS CFX bzw. Fluent durchgeführt. Zur Bewertung des Seegangsverhaltenseines Schiffsentwurfessteht das UTHLANDE Programmpaket zur Verfügung.

Sollten die Hauptabmessungen nicht fest vorgegeben sein, werden entsprechend der vorgegebenen Spezifikationen Parameterstudien angeboten. Hierbei werden mittels CFD-Berechnungen, mit statistischen Methoden und unter Verwendung der umfangreichen SVA Datenbank die günstigsten Werte für Parameter wie Hauptabmessungen (L, B, T) oder Koeffizienten (C_B, C_M, L_CB …) ermittelt. Hieraus kann der Einfluss von Änderungen der verschiedenen Formparameter auf die Leistung des Schiffes ermittelt werden.
 

Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Abdel-Maksoud, M.: Advantage of Application of CFD Methods in Ship Form Development, AEA – SVA Forum, Potsdam, 23rd March 2001
[2]    Grabert, R., Rieck, K.: Hull Form Optimisation of Ferries Using CFD, 10. SVA-Forum, Potsdam, 26. Juni 2003
[3]    Lübke, L.: STG 2009 – CFD-basierte Schiffsformoptimierung CFD-Sprechtag der STG, Hamburg, 25. September 2009
[4]    Steinwand, M.: High Efficiency Design in der SVA, 5. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 26. Januar 2012
[5]    Lübke, L.: CFD in Ship design, ANSYS Conference & 32nd CADFEM Users` Meeting 2014