Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang. Inhalt

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1 Inhalt INHALT EINLEITUNG FORDERUNGEN DER INDUSTRIE UND ÜBERBLICK ÜBER DAS ENTWURFSPROGRAMM ENTWURFSFORDERUNGEN PROGRAMM E AUSGANGSZUSTAND SCHIFFSLINIEN WIDERSTANDSPROGNOSE VARIABLER TIEFGANG ANTRIEBSVARIANTEN VERGLEICH AUSGANGSZUSTAND ENTWURFSFORDERUNGEN Kann die geforderte Geschwindigkeit erreicht werden? Kann das Schiff vom minimalen auf den maximalen Tiefgang abgesenkt werden? Kann der geforderte Pfahlzug erreicht werden? Zusammenfassung OPTIMIERUNG DES SCHIFFES MIT POD-ANTRIEB SCHIFFSLINIEN Kann die geforderte Geschwindigkeit erreicht werden? VARIABLER TIEFGANG Kann das Schiff vom minimalen auf den maximalen Tiefgang abgesenkt werden? ANTRIEB MIT SIEMENS-SCHOTTEL-PROPULSOREN Kann der geforderte Pfahlzug erreicht werden? Azipod als Alternative zu SSP VERGLEICH OPTIMIERTES SCHIFF MIT POD ENTWURFSFORDERUNGEN OPTIMIERUNG DES SCHIFFES MIT VERSTELLPROPELLER SCHIFFSLINIEN WIDERSTANDSBERECHNUNG VARIABLER TIEFGANG VERSTELLPROPELLER ALS ANTRIEB VERGLEICH OPTIMIERTES SCHIFF MIT VPP ENTWURFSFORDERUNGEN ÜBERPRÜFUNG DER STABILITÄT UND MANÖVRIERFÄHIGKEIT MASSENVERTEILUNG STABILITÄT MANÖVRIERFÄHIGKEIT Überprüfung der IMO-Manöver und der Gierstabilität DISKUSSION UND AUSBLICK LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS GLOSSAR...61 ABBILUNGS- UND TABELLENVERZEICHNIS:...62 Seite 1

2 1. Einleitung Der Bund chartert zur Zeit Schlepper für die norddeutsche Bucht (Oceanic) und für die Ostsee (Fairplay21), um die notwendige Notschleppkapazität vorzuhalten. Die Oceanic ist ein relativ altes Schiff, jedoch mit hervorragenden Schleppeigenschaften. Allerdings kann ihr großer Tiefgang von 7,4m in der deutschen Bucht zu einem Hindernis werden. Auch die Ausrüstung ist lediglich auf Schlepp- und Bergungsaufgaben ausgelegt. Um nicht verschiedene Spezialschiffe in Bereitschaft halten zu müssen, werden vom Bund neue Ausschreibungen für Schiffe, die besser an die erforderlichen Bedürfnisse angepasst sind, erwartet. In der ersten Ausschreibung ist dem Bund ein geringer Tiefgang (Beschränkung auf maximal 6m), ein ausreichender Pfahlzug (mindestens 160t) und die Fähigkeit, havarierte Passagiere aufnehmen zu können, wichtig. Ebenfalls sollten Feuerlöscheinrichtungen an Bord installiert sein. Herr Dipl.-Ing. Wibel von T&S Transport & Service GmbH & Co. (T&S) hat in den letzten Jahren ein neues Konzept für einen Bergungsschlepper erarbeitet: das Sicherheitsschiff 1. Grundlage waren die Eckdaten der Ausschreibung des Bundes sowie Forderungen der Küstenländer. 2 Zur weiteren Ausarbeitung des Sicherheitsschiffs wurde die SSW Fähr- und Spezialschiffbau GmbH (SSW) 3 sowie als Propulsionshersteller die Firma Schottel GmbH & Co. KG (Schottel) 4 hinzugezogen. Für besagtes Sicherheitsschiff werde ich den Heckbereich optimieren für zwei verschiedene Antriebsvarianten mit Hilfe des Entwurfprogamms E4. Dabei ist die Einhaltung verschiedener Randbedingungen gefordert, die von T&S und SSW angegeben wurden. Von Seiten der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) wird Herr Prof. Krüger vom Arbeitsbereich 3 14 Schiffsystem, Propulsionsund Informationstechnik die Diplomarbeit betreuen. 1 Schiff & Hafen, Sicherheitsschiff für Nord- und Ostsee /2/ 2 Schleppschifffahrt und Bergung, Der herkömmliche Bergungsschlepper genügt den Anforderungen nicht mehr /24/ 3 SSW /8/ 4 Schottel /11/ Seite 2

3 2. Forderungen der Industrie und Überblick über das Entwurfsprogramm Der Auftraggeber für das Thema der Diplomarbeit, die Firma T&S, hat das Konzept des sogenannten Sicherheitsschiffes entwickelt und die Entwurfsforderungen zusammen mit der SSW festgelegt. Die im folgenden Kapitel aufgeführten Entwurfsforderungen sind der Konsens von T&S und SSW. Die Diplomarbeit habe ich im Arbeitsbereich Schiffssystem, Produktions- und Informationstechnik der TUHH mit Hilfe des Methodenbank-Systems E4 erarbeitet. Eine kurze Darstellung des Programms folgt in Kapitel Entwurfsforderungen Die Entwurfsforderungen wurden von T&S gemeinsam mit der SSW erstellt. Ich habe die Randbedingungen nach Gesprächen mit den zuständigen Vertretern beider Firmen in einzuhaltende und wünschenswerte Forderungen unterteilt. Zu den einzuhaltenden Forderungen gehören: Bei einer Schiffslänge über alles von weniger als 100m ist ein Pfahlzug von 180t bei optimalen Wetter- und Seegangsbedingungen einzuhalten. Des weiteren ist ein variabler Tiefgang gefordert sowie eine maximale Geschwindigkeit von mindestens 18kn. Ein möglichst langer Balkenkiel ist vorzusehen. Die vorgegebene Schiffsbreite von B = 20m soll in jedem Fall beibehalten werden, um den Raumbedarf zu decken und eine genügend große Fläche für das Hubschrauberlandedeck auf dem Vorschiff zu erhalten. Wünschenswert sind folgende Forderungen: Ein minimaler Tiefgang von T = 5m und ein maximaler Tiefgang von T = 7m sollen eingehalten werden. Die SSW schlägt eine metazentrische Höhe von GM = 1, 5m vor. Eine noch höhere Geschwindigkeit als v = 18kn ist ein Wunsch von T&S. Bevorzugt wird die dieselelektrische Antriebsvariante mit zwei Pods von T&S. Das Schiff soll nach den Vorschriften des Germanischen Lloyd (GL) gebaut und klassifiziert werden. Es ist geplant, dass der Bergungsschlepper bei Charterung durch den Bund unter deutscher Flagge fährt. Somit sind die Forderungen der Seeberufsgenossenschaft (SeeBG) ebenfalls einzuhalten. Da das Schiff die Eisklasse E4 erhalten soll, sind spezielle Forderungen zu berücksichtigen. Seite 3

4 Die Entwurfsforderungen sind in der folgende Tabelle 1 zusammengetragen. Bezeichnung Daten Art der Forderung Pfahlzug, optimale Bedingungen 180t einhalten Maximale Länge über alles <100m einhalten Breite 20m einhalten Minimaler Tiefgang 5m optional Maximaler Tiefgang 7m optional Maximale Geschwindigkeit 18kn einhalten Balkenkiel (Breite variabel) Schiffslänge einhalten 2 Antriebsvarianten 2xPod dieselelektrisch einhalten 1 Pumpjet vorne 2xVPP mechanisch Eisklasse E4 einhalten Metazentrische Höhe GM 1,5m optional GL-Klassifizierung, SeeBG Vorschriften einhalten Tabelle 1: Entwurfsforderungen 2.2 Programm E4 Die Abkürzung E4 bezeichnet ein offenes CAD-Methodenbank-System für den schiffbaulichen Entwurf. Es ist ein Entwurfs- und Optimierungsprogramm für Schiffe, welches in verschiedene Module unterteilt ist, die vom Nutzer selbst angepasst werden können. Die erste Version von E4 wurde als Forschungsvorhaben zwischen 1988 und 1991 an vier Institutionen entwickelt. Beteiligt waren das Institut für Schiffbau der Universität Hamburg (IfS, heute aufgeteilt in drei Arbeitsbereiche der Technischen Universität Hamburg-Harburg), die Flensburger Schiffbau-Gesellschaft mbh (FSG), das Forschungszentrum des Deutschen Schiffbaus in Hamburg (FDS) und das Institut für Schiffs- und Meerestechnik der Technischen Universität Berlin (ISM). 5 Im Vergleich zu Konkurrenzprogrammen wie Napa 6 hat E4 den Vorteil, dass Verbesserungen oder neue Programm-Module von Werft-Ingenieuren schnell und einfach in das bestehende Programm eingefügt werden können. Offenes System bedeutet, dass der Quellcode für den Benutzer zugänglich und veränderbar ist. Damit kann es ständig mit schnellem Feedback aus der Praxis weiterentwickelt und an die jeweiligen Anforderungen des Anwenders angepasst werden. Obwohl das System alle wichtigen Berechnungen, die auf einer Werft vor und während der Bauphasen eines Schiffes ausgeführt werden, abdeckt, wenden das Programm E4 nur wenige Nutzer an, so z. B. die FSG 7 und der Arbeitsbereich Schiffssystem, Produktions- und Informationstechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH). 5 Anwenderdokumentation von E4 Version 2.0, 1995 /7/ 6 Napa Oy, Helsinki, Finland 7 Jahrbuch der STG 92. Band, Einfluß moderner Entwurfsmethoden auf die Produktentwicklung einer Werft /10/ Seite 4

5 Das Methodenbank-System E4 ist in vier Hauptmodule aufgeteilt: - Entwurf - Stahl - Maschine - Sonstige Die Einheit Maschine enthält Berechnungsmethoden aus dem Maschinenbau, der Bereich Stahl beinhaltet Methoden der Festigkeitsberechnung. In der Einheit Entwurf sind die Berechnungsmethoden und Daten zum Entwerfen und Optimieren zusammengefasst. Darin sind unter anderem folgende Module enthalten, die ich zur Erarbeitung der Diplomarbeit benutzt habe: - Hauptdaten - Schiffsform - Raumaufteilung - Schiffsleergewicht und Ladefälle - Intakt- und Leckstabilität - Widerstand und Propulsion - Manövrierfähigkeit und Seegangseigenschaften Im Bereich Hauptdaten sind unter anderem die Hauptabmessungen des Schiffes gespeichert. Das Modul Schiffsform enthält die Schiffsrumpfbeschreibung und die Methoden zur Verzerrung der Form. Auch weitere Anhänge, wie zum Beispiel die Pod-Gondel, können eingegeben werden. Außerdem gibt es hier die Möglichkeit, die Schiffsform mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) Methoden zu optimieren. Es stehen zwei potenzialtheoretische Methoden Kelvin und Shallo 8 zur Verfügung. Zur Beschreibung der verschiedenen Räume und Tanks mit Berechnung des Volumens ist das Kapitel Raumaufteilung vorgesehen. In Schiffsleergewicht und Ladefälle kann durch Eingabe der verschiedenen Gewichte der Bauteile eine Massenverteilung des Schiffes erstellt werden. Durch Zuladung von Einzellasten oder Beladung von Räumen beziehungsweise durch Flutung von Tanks können verschiedene Ladefälle konstruiert werden. Im nächsten Modul kann die Intakt- und die Leckstabilität überprüft werden. Im Bereich Widerstand und Propulsion lassen sich der Widerstand mit Hilfe unterschiedlicher Parametermethoden vorhersagen und für verschiedene Propellerserien Freifahrtdiagramme erstellen. Das Modul Manövrierfähigkeit enthält unter anderem die Berechnung der Ruderkräfte mit einer Panelmethode und die Möglichkeit zur Überprüfung von IMO-Manövern 9. Eine ausführliche Beschreibung der einzelnen Module und Untermodule ist in dem Programm E4 enthalten Kelvin /9/, Shallo (HSVA) 9 IMO: International Maritime Organization /15/ 10 Dokumentation im CAD-Methodenbank System E4 /7/ Seite 5

6 3. Ausgangszustand Um das Konzept Sicherheitsschiff weiter auszuarbeiten, hat die SSW einen vorläufigen Generalplan und eine vorläufige Schiffsrumpfbeschreibung erstellt. Für den Pod-Antrieb wurde der Propulsionshersteller Schottel herangezogen. Über den Ausgangszustand sind mir von der SSW die bisherigen Unterlagen zu dem Projekt zur Verfügung gestellt worden. Außerdem habe ich von Schottel Einbauskizzen für den Antrieb erhalten. Folgende Unterlagen beschreiben den Anfangszustand: - vorläufige Schiffslinien als Spanten-, Seiten- und Wasserlinienriss - ein vorläufiger Generalplan - ein Vorschlag für Propulsion mit Freifahrtdiagramm für den Düsenpropeller am Pod - Einbauskizzen für die Pods und den Pumpjet Diese Grunddaten sind von mir in das Programm E4 für die weitere Berechnung der geforderten Ziele eingepflegt worden. 3.1 Schiffslinien Anhand des Spantenrisses konnte ich den Schiffsrumpf in das Programm E4 eindigitalisieren. Der Schiffsrumpf wird dabei mit Hilfe von Spanten und Längslinien durch ein Digitalisiergerät, das auf einer vorgegebenen Fläche Knotenpunkte der Linien erfassen kann, eingegeben. Die Erfassungsmethode kann aus den Knotenpunkten eine der Schiffsform angenäherte Form errechnen. Nach Auswahl der Spanten, die den Schiffskörper bestmöglich beschreiben, habe ich durch die wichtigsten Punkte auf den Spanten wie zum Beispiel Boden-, Längs- oder Seiteneinlauf Längslinien gelegt. Die Linien, die durch die Eindigitalisierung nicht exakt erfasst wurden oder durch andere kleinere Unregelmäßigkeiten nicht strakten, wurden nachbearbeitet. Dabei habe ich mich mit Hilfe der vorgegebenen Linienrisse und dem Generalplan an die Schiffsform gehalten. Zur besseren Einhaltung der Schiffsform sind weitere Spanten und Längslinien hinzugekommen. Die Hauptdaten des Ausgangsschiffes sind in Tabelle 2 zu finden. Tabelle 2: Hauptdaten, Ausgangsschiff Die in E4 eingepflegten Schifflinien werden in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt. Sie sind nicht maßstabsgerecht abgebildet. Seite 6

7 Abbildung 1: Seitenlinienriss und Wasserlinienriss, Ausgangsschiff Seite 7

8 Abbildung 2: Spantenriss, Ausgangsschiff 3.2 Widerstandsprognose Die Widerstandsprognose wird zur Abschätzung der maximalen Geschwindigkeit benötigt. Um den Widerstand eines Schiffes vorhersagen zu können, sind verschiedene Methoden, die auf wenigen Schiffsparametern aufbauen, meist mit Hilfe von systematischen Modellversuchen entwickelt worden. 11 Sie sind auf bestimmte Schiffstypen zugeschnitten oder gelten nur in angegebenen Froude-Zahl-Bereichen. Da Abmessungen für Schlepper sehr speziell sind, fallen sie oft aus den angegebenen Parameter-Bereichen. Deswegen kann der Widerstand von Schleppern mit den meisten Methoden nicht vorhergesagt werden. Für eine Widerstandsvorhersage des Bergungsschleppers berechnet die SSW die zu erwartende Widerstandskurve bei wachsender Geschwindigkeit unter anderem mit Hilfe der Methode SFB98 12 (genannt SSW 1). Allerdings gilt die Methode nur für Schiffe mit einer Froude-Zahl F n 0, 2. Dabei weist der Schlepper bei T = 5m schon eine Froude-Zahl von F n = 0, 32 auf, bei größerem Tiefgang wird diese noch größer ausfallen. Nach Aussage eines Werftvertreters soll die Widerstandsmethode jedoch einen ersten Anhaltspunkt für diesen Schlepper liefern, da das L/B 13 -Verhältnis im untersuchten Bereich von SFB98 liegt. 11 Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, 1998, S.188 /6/ 12 SFB98: Methode zur Widerstandsprognose, siehe Dokumentation in E4 /7/ 13 L/B: Länge zu Breite Seite 8

9 Der Widerstand ist in Abbildung 3 über die Fahrtgeschwindigkeit aufgetragen. Wie beschrieben überdecken sich die Kurven SSW 1 und SFB98. Im weiteren Verlauf der Arbeit werde ich nur noch die SSW 1-Kurve anführen. Die Kurve SSW 1 ist mit Hilfe von Erfahrungswerten der Werft zu einer höheren Widerstandsprognose hin verändert worden (SSW 2). Abbildung 3: Widerstandsvorhersage der SSW für das Ausgangsschiff, T = 5m 3.3 Variabler Tiefgang Da ein variabler Tiefgang gefordert ist, muss der Schlepper eine Ballastwasser- Kapazität aufweisen, die es ermöglicht, das Schiff vom minimalen auf den maximalen Tiefgang absenken zu können. Die Einteilung der Ballastwasser-Tanks ist aus dem Generalplan (Anhang A) entnommen und in E4 eingepflegt, siehe Abbildung 4. Seite 9

10 Abbildung 4: Einteilung der Ballastwassertanks Gut zu erkennen ist, dass die Außenhaut des Schleppers wie eine Doppelhülle aufgebaut ist, die fast nur aus Ballastwassertanks besteht. Im ausgesparten Bereich auf halber Schiffslänge sind die Stabilitätstanks angeordnet. Die Öltanks sie sind hier nicht mit abgebildet haben keinen Kontakt zur Außenhaut. Mit Eisklasse E4 sind nach den Vorschriften des GL alle Außenhauttanks zu beheizen. 14 Der breite Balkenkiel ist von mir nicht mit in die Tanks integriert worden. Er enthält also kein Ballastwasser. Die Überprüfung, ob der Schlepper über eine ausreichende Ballastwasserkapazität verfügt, um von einem Tiefgang von T = 5m auf einen Tiefgang von T = 7m abgesenkt werden zu können, erfolgt in Kapitel Antriebsvarianten Es sind zwei Antriebsvarianten zu untersuchen: - zwei Pods mit Festpropeller in Düsen und dieselelektrischem Antrieb - zwei Verstellpropeller in Düse mit mechanischem Antrieb Während für eine bestimmte Geschwindigkeit oder einen bestimmten Pfahlzug beim dieselelektrischen Antrieb der Propeller mit der optimalen Drehzahl angesteuert werden kann, wird beim mechanischen Antrieb die Drehzahl konstant gehalten und die optimale Propellerflügelanstellung eingestellt. Der dieselelektrische Antrieb ist im Gegensatz zum normalen Dieselantrieb schwerer und hat einen schlechteren Wirkungsgrad. Eine Pod-Antriebsanlage hat jedoch den Vorteil, dass die E-Motoren platzsparend direkt in der Gondel sitzen und die Generatoren in der Schiffsmitte untergebracht werden können, ohne dass eine Welle durch das Schiff geführt werden muss. Ein weiterer Vorteil der Pods ist, dass sie um 360 gedreht werden können, was die Manövrierfähigkeit deutlich verbessern soll. 14 Klassifikationsvorschriften des Germanischen Lloyd, Abschnitt 15 A 2.3 /1/ Seite 10

11 Bei beiden Varianten soll ein Pumpjet im Vorschiff installiert werden, der zum dynamischen Positionieren bei Feuerlöscheinsätzen ausgelegt ist und die come home Bedingung erfüllt. Come home Bedingung bedeutet, dass das Schiff nach Ausfall der Hauptmaschinen mit Hilfe des Pumpjets mit einer Geschwindigkeit von 5kn eigenständig zum nächsten Hafen fahren kann. Die Propeller sind für den geforderten Pfahlzug ausgelegt. Sie sind mit einer Kortdüse versehen, um bei gleichem Propellerdurchmesser eine höhere Schubkraft zu erreichen und um den Propeller vor Grundberührung, Eis, Ketten oder Trossen zu schützen. Für den Pod-Antrieb hat Schottel folgende Ausgangsinformationen bereitgestellt: - eine Einbauskizze des Pods SSP die Leistung pro SSP5 beträgt P = 5600kW - das Freifahrtdiagramm des Propellers Ka 4-70 in Düse 19a mit einer Tabelle der Propellerhauptdaten Durch die Forderung eines minimalen Tiefgangs von T = 5m ist ein maximaler Durchmesser der Kortdüse vorgegeben, da sie vollständig getaucht sein muss. Wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 der Schiffslinien zu sehen, sind die Propeller mit Düse in die Propulsionsmethoden von E4 einpflegt. Der Pod ist in den Schiffslinien der optimierten Schiffsform, Kapitel 4.1, zu sehen. Dabei wird die Gondel als Ruder eingegeben. Die Nachstromziffer w und die Sogziffer t sind von der SSW prognostiziert worden: w = 0, 12 und t = 0, 15 mit η = 1, 0 Das Propellerfreifahrtdiagramm aus E4 entspricht in etwa dem von Schottel (siehe Abbildung 5). Der Unterschied besteht darin, dass die Berechnung von Schottel bereits verschiedene Widerstände wie zum Beispiel den Gehäusewiderstand enthält. Die Widerstände beruhen auf Erfahrungswerten und experimentellen Untersuchungen. Im Vergleich wird daher die maximale Schubkraft des Propellers in der E4-Methode um etwa 10% zu hoch berechnet. Die Berechnungen in E4 haben bei diesem Propeller beispielsweise einen Propellerschub von ( E4) = 959, kn ergeben, die Angabe von Schottel lautet T rop P = 883, 75kN. T Prop 2 R 15 SSP = Schottel Siemens Propulsor /11/ Seite 11

12 Abbildung 5: Propellerfreifahrtdiagramm Ka 4-70 in Düse 19a (in E4 erstellt) Eine schematische Darstellung des von Schottel vorgeschlagenen Pods SSP5 ist in der Abbildung 6 zu sehen. Hier ist ein Twin-Propeller angebracht. In der hier verwendeten Version mit Düse kommt nur ein Propeller zum Einsatz. Die Darstellung eines Düsenpropellers (als Ruderpropeller) folgt in Abbildung 7. Abbildung 6: Pod SSP5 mit Twin-Propeller Abbildung 7: Düsenpropeller Seite 12

13 Für den Pumpjet SPJ520 von Schottel mit einer Leistung von 2500kW ist als Ausgangsinformation eine Einbauskizze vorhanden. Er ist in Abbildung 8 schematisch dargestellt. Abbildung 8: Pumpjet SPJ520 Für die Antriebsvariante mit Verstellpropeller und mechanischem Antrieb sind keine weiteren Vorgaben oder Informationen gegeben. Eine schematische Darstellung eines Verstellpropellers ohne Düse zeigt Abbildung 9. Abbildung 9: Verstellpropeller 3.5 Vergleich Ausgangszustand Entwurfsforderungen Nach Eingabe der Schiffsinformationen in das Programm E4 überprüfe ich, ob die Entwurfsforderungen mit den vorgegebenen Daten bereits eingehalten werden. Die wichtigsten Forderungen sind der hohe Pfahlzug, die Geschwindigkeit sowie der variable Tiefgang. Eine tabellarische Gegenüberstellung der Forderungen mit dem Ausgangszustand ist im letzten Unterkapitel aufgeführt. Seite 13

14 3.5.1 Kann die geforderte Geschwindigkeit erreicht werden? Zur Beantwortung dieser Frage wird der Schiffswiderstand zuerst mit weiteren Parametermethoden, dann mit CFD-Berechnungen untersucht. Es folgt eine Geschwindigkeits-Leistungs-Analyse basierend auf den Ergebnissen der Widerstandsprognosen. In E4 sind einige Methoden zur Vorhersage des Widerstandes enthalten. 16 Da die Abmessungen für Schlepper bei fast allen Methoden aus mindestens einem Parameterbereich herausfallen, sind die Ergebnisse als Anhaltspunkt und nicht als realistische Widerstandsvorhersage zu verstehen. Die in Abbildung 10 aufgeführten Widerstandskurven sind ermittelt worden, um einen besseren Eindruck über den möglichen Verlauf des Widerstandes bei Zunahme der Geschwindigkeit zu erhalten. Zum Vergleich sind die SSW-Kurven ebenfalls im Diagramm enthalten. Sehr gut erkennbar ist, dass die SSW 1-Kurve, die dem SFB98-Ergebnis entspricht, den Widerstand am niedrigsten voraussagt. Die SSW 2-Kurve ist ähnlich der von Holtrop/Mennen 17, allerdings steigt der Widerstand nach Holtrop/Mennen ab einer Geschwindigkeit von etwa v = 17kn erheblich steiler an. Der Widerstand wird daher mindestens so hoch erwartet, wie es die SSW 2-Kurve prognostiziert. Die Nachstromziffer w und die Sogziffer t sind nach den Erfahrungswerten von Herrn Professor Krüger für die gegebene Rumpfform zu gut prognostiziert worden, da die Schiffsform nicht so strömungsgünstig ist. Er schlägt folgende Werte vor: w = 0,17 und t = 0, 16 mit η R = 1, 03 Die weiteren Berechnungen sind mit diesen Abschätzungen erfolgt. 16 siehe Dokumentation in E4 /7/ 17 Holtrop/Mennen: Methode zur Widerstandsprognose, siehe Dokumentation in E4 /7/ Seite 14

15 Abbildung 10: Widerstandsvorhersagen für das Ausgangsschiff, T = 5m Eine für Schlepper und Fischerboote gültige Methode ist von Taggart 1954 entwickelt worden. 18 Sie ist eine Weiterführung der Taylorversuche. Jedoch auch hier fällt der betrachtete Schlepper aus den zulässigen Schiffsparameter-Bereichen heraus: der prismatische Koeffizient ist zu hoch. Ich habe diese Methode nicht verwendet, da die Methode für alte Schlepperformen entwickelt wurde, in E4 nicht berücksichtigt wird und die Schiffsabmessungen nicht im zulässigen Bereich von Taggart liegen. Daher habe ich mich auf obige Methoden und folgende CFD-Berechnungen beschränkt. In den letzten Jahren wird eine Vorhersage des Wellenwiderstandes immer häufiger mit Computational Fluid Dynamics, kurz CFD-Berechnungen unterstützt. In E4 sind iterative Berechnungen nach Kelvin oder mit Shallo möglich. 19 Bei beiden Berechnungsmethoden wird als Strömung eine Potenzialströmung idealisiert. Das bedeutet, dass die Strömung als inkompressibel, reibungs- und rotationsfrei angenommen wird. Der Widerstand wird hier mit Hilfe der CFD-Methode von Kelvin ermittelt. Diese CFD-Methode setzt eine vorhergehende Gittergenerierung am Schiffskörper voraus, siehe Abbildung 11. Dabei können die Schiffsdaten Tiefgang und Geschwindigkeit sowie Verfahrensdaten wie Gitterfeinheit und Anzahl der 18 Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, 1998, S.195 /6/ 19 Programme Kelvin und Shallo: Berechnung des Wellenwiderstandes und der fahrtbedingten Schwimmlagenänderung, siehe auch Dokumentation in E4 /7/,/9/ Seite 15

16 Iterationsschritte selbst gewählt werden. Das Gitter kann in Blöcke unterteilt werden, wobei darauf zu achten ist, dass die Ränder aufeinander abgestimmt sind. Abbildung 11: Gittergenerierung zur CFD-Berechnung nach Kelvin Die Druckverteilung am Rumpf ist für eine Geschwindigkeit von v = 17kn in Abbildung 12 und Abbildung 13 dargestellt. Es ergeben sich hohe Druckdifferenzen ( c P -Balken am rechten Rand der Abbildungen), was bedeutet, dass das Schiff hohe Wellen bewirkt, wodurch der Widerstand sehr groß wird. Das dazugehörige Wellenbild ist in Abbildung 14 zu sehen. Der Balken am linken Rand der Abbildung zeigt die Wellenhöhe an. Die Wellen sind sehr hoch und zerklüftet, was durch die schnelle Veränderung der Farben dargestellt wird. Besser wäre ein gleichmäßiges Wellenbild beziehungsweise eine gleichmäßigere Druckverteilung. Der Widerstand fällt geringer aus, wenn die Zonen gleichen Drucks eine Fläche bilden und sich nicht in mehrere kleinere Flächen aufteilen, auch wenn die Höhe des Drucks nicht abnimmt. Abbildung 12: Druckverteilung am Rumpf bei v = 17kn und T 5m =, Ausgangsschiff, Bugansicht Seite 16

17 Abbildung 13: Druckverteilung am Rumpf bei v = 17kn und T 5m =, Ausgangsschiff, Heckansicht Abbildung 14: Wellenbild bei T = 5m, v 17kn =, Ausgangsschiff Für die geforderte Schiffsgeschwindigkeit von v = 18kn können leider keine Ergebnisse geliefert werden, da das Programm die Iteration aufgrund der großen Wellenerzeugung durch den Rumpf schnell abbricht. Ergebnisse sind nur bis zu einer Seite 17

18 Geschwindigkeit von v = 17kn zu erhalten. Hierbei sind alle Iterationsergebnisse zu beachten, da sie erheblich schwanken. Der prognostizierte Widerstand (blaue Kurve) wird zusammen mit den SSW-Kurven in Abbildung 15 gezeigt. Abbildung 15: Vergleich der Widerstandsvorhersagen mit CFD, Ausgangsschiff, T = 5m Der durch die CFD-Methode ermittelte Widerstand liegt deutlich über denen der SSW und der Parametermethode von Holtrop/Mennen. Betrachtet man nun die Schubkraft T des ausgewählten Propellers Ka 4-70 in Düse 19a ist diese nach Angaben der SSW bei einer Fahrtgeschwindigkeit v = 17kn T Prop = 650kN. Der Widerstand beträgt jedoch nach CFD-Methoden schon R T = 900kN. Es wäre maximal eine Schiffsgeschwindigkeit von v = 16kn möglich, da der Widerstand deutlich geringer ausfällt und der Propellerschub hier T Prop = 710kN beträgt. Für eine Leistungsprognose wird von dem Leistungsbedarf der Pod-Antriebe von zusammen Pbeide Pods = 11200kW ausgegangen. In dem Geschwindigkeits-Leistungs- Diagramm in Abbildung 16 ist deutlich zu erkennen, dass die geforderte Geschwindigkeit von v = 18kn nicht erreicht werden kann: Nach Berechnungen mit der CFD-Methode ist nur eine Geschwindigkeit unter v = 17kn erreichbar. Seite 18

19 Abbildung 16: Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm für das Ausgangsschiff Die Kurven verlaufen ab einer Leistung von P = 10000kW steil nach oben. Durch Erhöhung der Leistung ist also keine nennenswerte Geschwindigkeitssteigerung zu bewirken. Somit ist es dringend notwendig, den Schiffswiderstand zu verringern Kann das Schiff vom minimalen auf den maximalen Tiefgang abgesenkt werden? Die Verdrängung beträgt bei einem Tiefgang von 3 T = 5m V ( 5m) = 5732,3m, 3 bei T = 7m V ( 7m) = 8883,8m. Die Ballastwassertanks müssen daher ein Volumen von 3 V = V ( 7m) V ( 5m) = 3151,5m beinhalten können. Nach Eingabe der Tanks in E4 mit der Dichte von Salzwasser von ρ = 1,025 t 3 und m einer Flutbarkeit von 0,98 ergeben die volumetrischen Berechnungen eine Ballastwasser-Kapazität von 3 V ( BW ) = 3878,9m, siehe Tabelle 3. Das Schiff kann somit problemlos vom minimalen Tiefgang auf den maximalen Tiefgang absenken und die Forderung wird erfüllt. Seite 19

20 Tabelle 3: Kapazität der einzelnen Ballastwasser-Tanks, Ausgangsschiff Seite 20

21 3.5.3 Kann der geforderte Pfahlzug erreicht werden? Schneekluth gibt in Hydromechanik im Schiffsentwurf 20 für Seeschlepper mit Kortdüse einen Trossenzug TZ [ N] pro Maschinennennleistung P nenn [ kw ] von TZ = N an. kw Die Pod-Variante von Schottel sieht eine Antriebsleistung durch die Pods von P nenn = kW = 11200kW vor für einen geforderten Pfahlzug von m Pfahlzug = 180t. Ich wähle zur Abschätzung TZ = 150 N kw Der Trossenzug wird damit zu FT = TZ Pnenn = 1680kN Der geforderte Pfahlzug m Pfahlzug = 180t entspricht einem Trossenzug von FT = mpfahlzug g = 1765, 8kN. Der Pfahlzug von m Pfahlzug = 180t wäre nicht erbracht. Bei einer Erhöhung der Nennleistung um P = 600kW würde der geforderte Pfahlzug erreicht. Die wirksame Maschinenleistung P ist laut obiger Literaturquelle um 20-30% kleiner als die Maschinennennleistung P nenn : P = 0,7...0, 8 P nenn Nach Angaben von T&S beträgt der Schleppwirkungsgrad aber µ Schlepp = 0, 85. P = 0,85 Pnenn = 9520kW Da der Schleppwirkungsgrad von T&S besser angegeben wird als von Schneekluth geschätzt, wird davon ausgegangen, dass die installierte Leistung für den geforderten Pfahlzug ausreicht. Der angegebene Propeller Ka 4-70 in Düse 19a würde nach Berechnungen der Firma Schottel einen Schub von T Prop = 883, 75kN erbringen bei einer Drehzahl von 1 n = 156 min und einer Pod-Leistung von P Pod = 5600kW. Bei zwei Propellern wäre dies ein Trossenzug von FT = 2 TProp = 1767, 5kN, was dem geforderten Pfahlzug entspricht. Das dafür benötigte Drehmoment beträgt M Prop = 343, 6kNm. Der angegebene Pod SSP5 verfügt jedoch nur über ein Drehmoment von M Pod 5 = 270kNm. Das bedeutet, dass die von Schottel vorgeschlagene Propeller-Pod- Kombination den geforderten Pfahlzug nicht bewerkstelligen kann. Im Kapitel 4.4 wird die Propeller-Pod-Kombination optimiert. 20 Hydromechanik im Schiffsentwurf, H. Schneekluth, 1988, S.735 /3/ Seite 21

22 3.5.4 Zusammenfassung Die wichtigsten Forderungen der Pfahlzug und die maximale Geschwindigkeit sind mit den vorgegebenen Schiffslinien und den Pods von Schottel nicht einzuhalten. Der Vergleich der Entwurfsforderungen mit dem Ausgangszustand ist in Tabelle 4 zusammengefasst. Bezeichnung Forderungen Ausgangszustand Pfahlzug 180t nein, Drehmoment Pod zu klein Breite 20m ja Maximale Länge über alles <100m ja Minimaler Tiefgang 5m ja Maximaler Tiefgang 7m ja Geschwindigkeit >=18kn nein, Widerstand zu groß Balkenkiel Schiffslänge ja Tabelle 4: Vergleich Entwurfsforderungen Ausgangszustand Seite 22

23 4. Optimierung des Schiffes mit Pod-Antrieb Bei den vorgegebenen Linien kann eine Geschwindigkeit von 18kn bei weitem nicht erreicht werden, da die Schiffsform sehr strömungsungünstig gewählt ist. Zur Widerstandsreduzierung muss daher nicht nur der Heckbereich des Schleppers, sondern der gesamte Rumpf, insbesondere das Vorschiff betrachtet und verändert werden. Zur Propulsionsverbesserung ist nach einem Propeller mit weniger Drehmoment, einem Pod mit mehr Drehmoment oder einer anderen Propeller-Pod-Variante zu suchen. 4.1 Schiffslinien Um den Widerstand zu reduzieren und so eine Fahrgeschwindigkeit von mindestens 18kn zu erreichen, habe ich folgende Veränderungen an den Schiffslinien vorgenommen: Am Vorschiff ist ein Bugwulst eingestrakt worden, wodurch auch die Spantformen zu verändern waren, damit sich im Winter Eisschollen nicht an Hohlspanten verkanten können. Mit dem Bugwulst ist auch der Stevenwinkel steiler geworden. (siehe Abbildung 17: Seitenlinienriss und Wasserlinienriss) Außerdem wurde der Balkenkiel angelehnt an die GL-Vorschriften 21 dimensioniert er fällt etwas größer als nach den Vorschriften berechnet aus, ähnlich wie bei der Oceanic 22. Auch hört der Balkenkiel nicht an der hinteren Schulter auf, sondern wird als Totholz weitergeführt. Das Totholz verbessert die Manövrierfähigkeit des Schiffes, der lange Balkenkiel verschlechtert sie. Da der Auftraggeber T&S auf einen langen Balkenkiel besteht, um den Rumpf vor Grundberührung zu schützen, wird er beibehalten, aber erst ab dem Pumpjet. Nach den großen Veränderungen mit Bugwulst und Totholz sind weitere kleinere Verbesserungen mit Hilfe der CFD-Berechnung erarbeitet worden. Die Form des Bugwulstes wurde verbessert und die vordere Schulter etwas nach hinten verschoben, damit sie weicher wird. Im Heckbereich wurden nur kaum merkliche Veränderungen an hinterer Schulter und Kimmradius und Bodenkimmung durchgeführt, die aus der Änderung von Balkenkiel und der Verlängerung zum Totholz resultieren. Die Ergebnisse der CFD-Berechnungen sind in Abschnitt 4.2 Widerstandsberechnung diskutiert. Die neuen Schiffslinien sind in Abbildung 17 und Abbildung 18 dargestellt. Sehr gut zu erkennen ist die Veränderung der Vorschiffsform mit Einfügen des Bugwulstes und der schmalere Balkenkiel. Des weiteren sind die Seitenlateralfläche und die Frontlateralfläche mit angegeben. 21 Klassifikationsvorschriften des Germanischen Lloyd, Abschnitt 25 B /1/ 22 Unterlagen und Zeichnungen der Oceanic, aus dem Archiv der Bugsier-Reederei, die freundlicherweise zur Verfügung gestellt wurden. Seite 23

24 Abbildung 17: Seitenlinienriss und Wasserlinienriss, Schlepper mit Pod Seite 24

25 Abbildung 18: Spantenriss, Schlepper mit Pod Die Hauptdaten sind in Tabelle 5 aufgelistet. Tabelle 5: Schiffsdaten, Schlepper mit Pod Seite 25

26 4.2 Widerstandsberechnung Die Veränderungen der Schiffslinien werden von den Parametermethoden zur Widerstandsvorhersage nicht erfasst. Daher wird der Widerstand nur noch mit Hilfe der CFD-Methode Kelvin prognostiziert. Die Optimierung der Schiffslinien vor allem im Vorschiffsbereich führte zu folgenden Ergebnissen: Die Druckverteilung wird in einer Bug- und einer Heckansicht in Abbildung 19 und Abbildung 20 für eine Geschwindigkeit v = 18kn dargestellt. Die Zonen unterschiedlichen Drucks sind sehr viel gleichmäßiger verteilt als beim Ausgangsschiff. Auch das Wellenbild der Optimierung in Abbildung 21 sieht besser aus (Abbildung 14). An der vorderen Schulter ist beispielsweise nur noch ein Wellental vorhanden und die Wellen ab der hinteren Schulter sind sehr viel ruhiger. Die Druckdifferenzen sind im Vergleich zum Ausgangsschiff (Abbildung 12 und Abbildung 13) verkleinert worden. Dabei ist zu beachten, dass der Widerstand am optimierten Schiffsrumpf bei der geforderten Geschwindigkeit von 18kn berechnet wurde. Dies war beim Ausgangsschiff nicht möglich. Abbildung 19: Druckverteilung am Rumpf bei v = 18kn und T 5m =, Schlepper mit Pod, Bugansicht Seite 26

27 Abbildung 20: Druckverteilung am Rumpf bei v = 18kn und T 5m =, Schlepper mit Pod, Heckansicht Abbildung 21: Wellenbild bei T = 5m, v 18kn =, Schlepper mit Pod Seite 27

28 4.2.1 Kann die geforderte Geschwindigkeit erreicht werden? Für die geforderte Schiffsgeschwindigkeit von v = 18kn liegt der berechnete Widerstandswert unter dem, der für das Ausgangsschiff bei v = 17kn ermittelt wurde. Der Schiffswiderstand beträgt für den Schlepper mit Pod-Antrieben R T = 840kN. Die Iterationsergebnisse schwanken sehr viel weniger als beim Ausgangsschiff. Der prognostizierte Widerstand (türkise Kurve) ist zusammen mit den SSW-Kurven in Abbildung 22 aufgetragen. Außerdem ist die Kurve des Propellerschubs laut Schottel in das Diagramm eingefügt. Die Bezeichnung des Propellers lautet Ka 4-55 in Düse 19a. Seine Eigenschaften werden im Kapitel 4.4 erläutert. Abbildung 22: Widerstandsvorhersage nach SSW und CFD-Berechnungen, Schlepper mit Pod Das Diagramm zeigt die deutliche Widerstandsreduzierung durch die Rumpfoptimierung: Die CFD-Kurve verläuft bis zu einer Geschwindigkeit von 18kn unter der SSW 2-Kurve. Die CFD-Kurve steigt jedoch steiler an und erreicht bei v = 18kn ungefähr den gleichen Wert wie die SSW 2-Kurve. Aus Abbildung 22 ist ersichtlich, dass auch nach diesen Ergebnissen die geforderte Geschwindigkeit von v = 18kn nicht erreicht werden kann, obwohl der Schiffswiderstand erheblich reduziert wurde. Nur mit Hilfe des Pumpjets, der bei einer Geschwindigkeit von v = 17, 5kn noch einen Schub von etwa T Pump = 60kN liefert 23, kann eine maximale Schiffsgeschwindigkeit von v = 17, 5kn erwartet werden: 23 Angabe von Schottel /11/ Seite 28

29 T + T > R Prop Pump T Der Gesamtschub von Propeller und Pumpjet ist größer als der Schiffswiderstand. Erstaunlicher weise wäre laut Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm eine Geschwindigkeit von v = 17, 5kn auch ohne den Pumpjet möglich bei einer Leistung für die Pods von je P = 5600kW, siehe Abbildung 23. Abbildung 23: Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm für den Schlepper mit Pod 4.3 Variabler Tiefgang Durch die Modifizierung der Schiffsform hat sich die Verdrängung des Schiffes und ebenfalls die Ballastwasserkapazität geändert. Die Einteilung der Ballastwasser-Tanks bleibt die aus dem Generalplan (Anhang A), siehe Abbildung 4. Auch hier befindet sich weder im Balkenkiel noch im Totholz Ballastwasser. Seite 29

30 Abbildung 24: Ballastwassertanks in E Kann das Schiff vom minimalen auf den maximalen Tiefgang abgesenkt werden? Die Verdrängung beträgt bei einem Tiefgang von 3 T = 5m V ( 5m) = 5637,4m, 3 bei T = 7m V ( 7m) = 8849,9m. Die Ballastwassertanks müssen nun ein Volumen von 3 V = V ( 7m) V ( 5m) = 3212,5m beinhalten können. Nach der volumetrischen Berechnung in E4 ergibt sich eine Ballastwasser-Kapazität 3 von V ( BW ) = 3996,7m, siehe Tabelle 6. Die Forderung wird auch bei dieser Rumpfform erfüllt. Seite 30

31 Tabelle 6: Kapazität der einzelnen Ballastwasser-Tanks, Schlepper mit Pod Seite 31

32 4.4 Antrieb mit Siemens-Schottel-Propulsoren Aufgrund der in Kapitel beschriebenen Diskrepanz zwischen dem erforderlichen Drehmoment für den Propeller und dem möglichen Drehmoment des SSP5, sind von Schottel neue Vorschläge unterbreitet worden. Da P = 5600kW die größtmögliche Leistung für den SSP5 ist und der geforderte minimale Tiefgang den Düsendurchmesser des Propellers begrenzt, kann bei gegebenem Drehmoment nur die Drehzahl erhöht werden. Es gilt: P = 2 π Q n mit Q als Drehmoment. 24 Bei gegebener Leistung P = 5600kW und gegebenem Drehmoment Q SSP 5 = 270kNm erhält man eine Drehzahl von P 1 n = = 198 min. 2 π Q Für diese Drehzahl ist jedoch der gewählte Propeller Ka 4-70 in Düse 19a nicht ausgelegt. Deshalb hebt Schottel das Drehmoment des Elektro-Motors für diesen Fall auf Q SSP 1 5 = 290kNm mit einer Drehzahl n = 184 min. Da die Drehzahl mit der Geschwindigkeit steigt, ist die Propellerauslegung am oberen Limit der Umfangsgeschwindigkeit als auch der Flächenbelastung angekommen. Schottel weist dabei ausdrücklich darauf hin, dass eine Schiffsgeschwindigkeit von v = 17kn nicht erreicht werden kann. 25 Da bei diesem Vorschlag von Schottel die geforderte Geschwindigkeit auf keinen Fall eingehalten wird und die angebotene Propeller-Pod-Kombination absolut ausgereizt ist, habe ich den Entwurf verworfen. Durch die geforderte Eisklasse E4 ist das Drehmoment nochmals zu reduzieren, da der Elektromotor im kalten Wasser weniger effektiv arbeiten kann. Außerdem müssen Schlepper im Einsatz grundsätzlich 100% Leistung abrufen. Somit ist eine Ausschöpfung aller Möglichkeiten keine gute Voraussetzung für einen reibungslosen und pannenfreien Betrieb. Des weiteren kann mit der Propeller-Pod-Variante laut nachfolgender Informationen von Schottel der geforderte Pfahlzug nicht realisiert werden Kann der geforderte Pfahlzug erreicht werden? Schottel hat seinen Vorschlag nochmals überarbeitet und schlägt nun anstelle des SSP5 den SSP7 vor mit neuem Propeller Ka 4-55 in gleicher Düse 19a. Das Freifahrtdiagramm des Propellers ist in Abbildung 25 dargestellt. 24 Hydromechanik zum Schiffsentwurf, H. Schneekluth /3/, Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, /6/ 25 Zitate und Angaben aus dem Fax von Schottel vom 12/09/03 Seite 32

33 Abbildung 25: Propellerfreifahrtdiagramm Ka 4-55 in Düse 19a (in E4 erstellt) Schottel prognostiziert bei dem neuen Propeller einen Gesamtschub von T = 1759, 2kN, mit dem ein Pfahlzug von 179,4t realisiert werden kann Azipod als Alternative zu SSP Aufgrund der teilweise zeitaufwendigen Kommunikation und den langen Wartezeiten bei Schottel, habe ich versucht, bei anderen Pod-Anbietern Informationen über ihre Produkte zu erhalten. Mit den wichtigsten Eckdaten sind Anfragen an Rolls Royce Marine (Mermaid) 26 und an ABB (Azipod) 27 verschickt worden. Durch die langen Verhandlungen mit Schottel blieben den neu angefragten Pod-Anbietern nur drei Wochen Zeit, um genügend Daten zu liefern. Von Rolls Royce Marine habe ich vor Beendigung der Arbeit keine Antwort erhalten. ABB haben sehr schnell reagiert und entsprechende Informationen geliefert. Dank schnellem Informationsaustausch kann ich die Daten von ABB noch grob berücksichtigen: 26 Rolls Royce Marine /60/ 27 ABB /609/ Seite 33

34 Bei einer Leistung von 6000kW pro Pod ist ein Pfahlzug von 180t mit einem Traktorpropeller erreichbar. Der Propellerdurchmesser inklusive Düse wird 5m nicht überschreiten. 28 Die Abmaße des Azipods konnten nicht mehr in das Modell von E4 eingepflegt werden. Aber die Leistungswerte lassen vermuten, dass mit dieser Antriebsvariante die geforderten Werte erreicht werden können. Vor allem scheint der Azipod nicht bis auf das Äußerste ausgereizt zu sein. Das folgende Bild zeigt, dass der Azipod dem SSP im Aufbau ähnelt (siehe Abbildung 26). Abbildung 26: schematische Darstellung eines Azipods 4.5 Vergleich optimiertes Schiff mit Pod Entwurfsforderungen Mit der strömungsgünstigeren Schiffsform kann die geforderte Geschwindigkeit von v = 18kn ebenfalls nicht erreicht werden, aber die Verbesserungen lassen eine Geschwindigkeitsprognose von v = 17, 5kn zu, die durch die zusätzliche Schubkraft des Pumpjets erreicht wird. Durch das Austauschen der Propeller-Pod-Kombination gegen den SSP7 mit Propeller Ka 4-55 kann nur ein Pfahlzug knapp 180t bewerkstelligen. Für den Azipod wird vermutet, dass ein Pfahlzug von 180t erreicht wird. Der Vergleich der Entwurfsforderungen mit dem optimierten Schlepper mit Pod- Antrieb ist in Tabelle 7 zusammengefasst. 28 Zitat aus von Herrn Hackman: it should be a tractor propeller with a nozzle. With a 4m prop + nozzle we can achieve 180t bollard pull. At bollard pull point the Azipod torque exceeds propeller torque. The nozzle will increase the diameter by 25-30%, Seite 34

35 Bezeichnung Forderungen Schlepper mit Pod Pfahlzug 180t ja, knapp Maximale Länge über alles <100m ja Breite 20m ja Minimaler Tiefgang 5m ja Maximaler Tiefgang 7m ja Geschwindigkeit >=18kn nein, aber 17,5kn Balkenkiel Schiffslänge nein, vorne erst ab Pumpjet Tabelle 7: Vergleich Entwurfsforderungen Schlepper mit Pod Seite 35

36 5. Optimierung des Schiffes mit Verstellpropeller Für die Antriebsvariante mit Verstellpropeller sind die optimierten Linien aus Kapitel 4 verändert worden, um sie an den neuen Antrieb anzupassen. Der Widerstand wird sich dadurch kaum ändern. Als Verstellpropeller wurde der von Schottel vorgeschlagene Propeller Ka 4-70 in Düse 19a gewählt und ein Ruder mit Hilfe der Methoden in E4 erstellt. 5.1 Schiffslinien Die Hauptdaten und die Schiffsform sind in Abbildung 27, Abbildung 28 und Abbildung 29 zu sehen. Die Schiffslinien haben sich nur wenig im Bereich des Totholzes geändert. Da das hintere Lot per Definition durch die Ruderachse verläuft, und das Ruder weiter hinten am Schiff sitzt als die Gondel eines Pod-Antriebes, verschiebt sich das hintere Lot um 4,9m nach hinten, siehe in Abbildung 28 den Seitenlinienriss. Abbildung 27: Hauptdaten, Schlepper mit VPP Seite 36

37 Abbildung 28: Seitenriss und Wasserlinienriss, Schlepper mit VPP Seite 37

38 Abbildung 29: Spantenriss, Schlepper mit VPP 5.2 Widerstandsberechnung Da die Schiffslinien im Vorschiffsbereich nicht verändert und im Hinterschiffsbereich nur das Totholz verlängert und eingestrakt worden sind, wird sich am Widerstand wenig ändern. Die Druckverteilung ist in Abbildung 30 und Abbildung 31 dargestellt und das Wellenbild in Abbildung 32. Es ist ein anderer Iterationsschritt abgebildet als in Kapitel 4.2, was an den nach oben verschobenen Druckdifferenzen zu erkennen ist. Seite 38

39 Abbildung 30: Druckverteilung am Rumpf bei v = 18kn und T 5m =, Schlepper mit VPP, Bugansicht Abbildung 31: Druckverteilung am Rumpf bei v = 18kn und T 5m =, Schlepper mit VPP, Heckansicht Seite 39

40 Abbildung 32: Wellenbild bei T = 5m, v 18kn =, Schlepper mit VPP Durch die Schwankungen in den Iterationsergebnissen ist der exakte Widerstandswert nicht zu ermitteln, sondern nur eine Näherung. Die Schwankungen kommen zustande, weil die Schlepperform bei der geforderten Geschwindigkeit hohe Druckdifferenzen erzeugt. Bei der CFD-Berechnung hat sich bei einer Geschwindigkeit von v = 18kn ein Widerstand von R T = 830kN ergeben (Vergleich mit Kapitel 4.2: R TPod = 840kN ). Durch die Modifizierungen im Hinterschiff hat sich der Widerstand also nicht merklich verändert. Da jedoch der Propeller Ka 4-70 mehr Schubkraft bei höherer Geschwindigkeit leistet als der Propeller Ka 4-55, kann bei dem Schlepper mit Verstellpropellern eine Geschwindigkeit von v = 17, 5kn ohne Hilfe des Pumpjets prognostiziert werden, siehe Abbildung 33. Auch das Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm in Abbildung 34 lässt eine Vorhersage der maximalen Schleppergeschwindigkeit von v = 17, 5kn zu. Es ist hier sehr gut zu erkennen, dass auch mit einer realistischen Leistungserhöhung die geforderte Geschwindigkeit von v = 18kn nicht verwirklicht werden kann. Seite 40

41 Abbildung 33: Widerstandsvorhersage nach SSW und CFD-Berechnungen, Schlepper mit VPP Abbildung 34: Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm für den Schlepper mit VPP Seite 41

42 5.3 Variabler Tiefgang Da sich die Schiffsform nur minimal ändert, reicht die Kapazität an Ballastwassertanks aus, um die Tiefertauchung von T = 5m auf T = 7m zu ermöglichen. Die durch die Durchführung der Wellen durch die Außenhaut betroffenen Ballastwassertanks machen eine Verkleinerung der Kapazität um maximal 200m³ aus, wobei die Tiefertauchung immer noch gewährleistet werden kann. 5.4 Verstellpropeller als Antrieb Als Verstellpropeller wurde der Propeller Ka 4-70 in Düse 19a gewählt. Da der Propeller für den Pod-Antrieb ausgelegt war, ist der Nabendurchmesser größer als beim Festpropeller. Ich gehe davon aus, dass der Nabendurchmesser für dem Verstellpropeller ausreichend groß ist. Das Propellerfreifahrtdiagramm ist in Kapitel 3.4, Abbildung 5 zu finden. Nach Schneekluth sollte ein Ruder eine Ruderfläche von 12 bis 16% der Hauptspantfläche haben. Damit wäre die Ruderfläche bei Anordnung eines Ruders ungefähr 30m². Meines Erachtens muss die Gesamt-Ruderfläche bei Anordnung von zwei Rudern etwas größer ausfallen. Mit Hilfe der Dimensionierungsmethode eines Ruders in E4, ist ein Ruder nach GL- Vorschriften erstellt worden. Es ist von mir ein HSVA-MP73 Profilruder mit einem Seitenverhältnis von 2 ausgewählt worden. Bei einer Höhe von 6m und einer Sehnenlänge von 3m wird ein Ruder die Ruderfläche von 18m² aufweisen. Die Gesamtruderfläche beträgt dann 36m². Da das Ruder möglichst weit hinten, sitzt ist die Lage des hinteren Lotes um 4,9m nach hinten verschoben worden. 5.5 Vergleich optimiertes Schiff mit VPP Entwurfsforderungen Die Ergebnisse des Schleppers mit Verstellpropeller-Antrieb sind in Tabelle 8 zusammengetragen. Seite 42

43 Bezeichnung Forderungen Schlepper mit VPP Pfahlzug 180t ja Maximale Länge über alles <100m ja Breite 20m ja Minimaler Tiefgang 5m ja Maximaler Tiefgang 7m ja Geschwindigkeit >=18kn nein, aber 17,5kn Balkenkiel Schiffslänge nein, vorne erst ab Pumpjet Tabelle 8: Vergleich Entwurfsforderungen Schlepper mit VPP Seite 43

44 6. Überprüfung der Stabilität und Manövrierfähigkeit Zur Überprüfung der Stabilität und der Manövrierfähigkeit werden nur die optimierten Varianten des Schleppers betrachtet. Zuvor werden zwei grobe Massenverteilungen für die beiden Antriebsvarianten erstellt. 6.1 Massenverteilung Da die SSW noch keine Massenverteilung für das Sicherheitsschiff ausgearbeitet hat und auch keine Informationen von Vergleichsschiffen vorhanden sind, werden zwei Massenverteilungen mit Hilfe einer groben Gewichtsabschätzung erstellt. In der Studienarbeit Entwurfsstudie eines Mehrzweckschleppers für die deutsche Bucht 29 wird die Gewichtsverteilung nach Formeln für Trockenfrachter berechnet, die dem Vorlesungsmanuskript Einführung in die Projektarbeit 30 entnommen sind. In einer anderen Studienarbeit Erarbeiten von Entwurfsgrundlagen für Hafenschlepper 31 sind Formeln zur Gewichtsabschätzung von Hafenschleppern entwickelt worden. In Ship Design for Efficiency & Economy 32 sind für kleine Schlepper verschiedene Gewichte relativ zum Leerschiffsgewicht in Prozent angegeben, jedoch sind bei den folgenden Formeln meist keine Faktorangaben für Schlepper zu finden. Ich habe anhand der oben genannten Literaturquellen die Formeln gewählt, die meines Erachtens die plausibelsten Ergebnisse bei der Abschätzung der betreffenden Gewichtsgruppe liefern. Die Abschätzung der Daten ist für die Pod-Antriebsvariante im Folgenden ausführlich erklärt. Die benötigten Daten für die Berechnung sind in Tabelle 9 angegeben. Das Deplacement des Schiffes setzt sich zusammen aus Leerschiffsgewicht und Zuladung dw 33 : = leer + dw Das Leerschiffsgewicht wird unterteilt in Rumpfstahlgewicht, Maschinengewicht, Gewicht der Aufbauten und Deckshäuser und Gewicht von Einrichtung und Ausrüstung. Bei der Gewichtsabschätzung wird eine Baureserve vorgesehen. 30 leer = m Rumpf + mmaschine + mback + mdeckshaus + me+ A + mreserve Tanks müssen nicht mehr abgeschätzt werden, da sie durch den Generalplan vorgegeben sind. leer 29 Entwurfsstudie eines Mehrzweckschleppers für die deutsche Bucht, S. Bühring, 2001 /12/ 30 Einführung in die Projektarbeit, W. Abicht, 1987 /5/ 31 Erarbeiten von Entwurfsgrundlagen für Hafenschlepper, M. Bentin, 1999 /13/ 32 Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, 1998, S.149ff /6/ 33 dw = deadweight (englisch für Zuladung) Seite 44

45 Bezeichnung Kurzzeichen Wert Einheit Dichte von Seewasser ρ 1,025 t/m³ Außenhautfaktor f 1,004 - Länge zwischen den Loten Schlepper mit Pod AH L 85,2 m Breite B 20,0 m Seitenhöhe D 9,2 m Blockkoeffizient Schlepper mit Pod c B 0,662 - Gewicht des Motors MAN 8L32/40 87 t Gewicht des Pods SSP5 90 t SSP7 127 Gewicht des Propellers +Düse FPP 10 t Gewicht Pumpjet SPJ520 40,5 t Länge Back L 63,7 51,1 m mittlere Breite Back Höhe Back Länge Deckshaus Breite Deckshaus Höhe Deckshaus PP Back B 19 m Back H 6,0 2,8 m Back L 19,6 m Deckshaus B 20 m Deckshaus H 11,3 m Deckshaus Tabelle 9: Zusammenfassung der Eingangsdaten für die Gewichtsabschätzung Abschätzung des Rumpfstahlgewichts nach Bentin 34 : m =,0132 L B D c 0, Rumpf ( ) B m Rumpf = 1252, 3t Da der Schlepper die Eisklasse E4 erhalten soll, ist nach Angaben von Schneekluth und Bertram 35 das Rumpfgewicht um 16% zu erhöhen. m Rumpf = 1,16 m Rumpf = 1452, 7t Setze m Rumpf = 1750t Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach: 1 LCG Rumpf = 42, 85m ab HL Lüa VCG Rumpf 4, 5m = über Basis D Abschätzung des Maschinengewichts nach Bentin 36 : m 3,7819 ( ) 0, 834 Maschine = mmotor + mantrieb Variante 1 zwei Pods: Wahl des Motors MAN 8L32/40 37 mit Pod SSP7 und Pumpjet SPJ520 () Ausdruck = 4 87t + 2 ( 127t + 10t ) + 40,5t = 662, 5t m Maschine = 852, 3t Setze m Maschine = 900t Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach: 34 Erarbeiten von Entwurfsgrundlagen für Hafenschlepper, M. Bentin, 1999 /13/ 35 Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, 1998, S.149ff /6/ 36 Erarbeiten von Entwurfsgrundlagen für Hafenschlepper, M. Bentin, 1999 /13/ 37 Internetseite von MAN B&W, /20/ Seite 45

46 LCG Maschine = 38, 5m ab HL Lage der Motoren im Generalplan, völligster Spant VCG Maschine = 4, 5m über Basis 1 2 D Nach Angaben von Schneekluth/Bertram 38 wird das Backgewicht und das Deckshausgewicht abgeschätzt. Für die Back setze ich eine spezifische Masse von m, 0, 07 t spez Back = 3 an. Der bei Schneekluth/Bertram angegebene Wert von 0,013 ist m für dieses Schiff meines Erachtens zu hoch, da in der Back auch Wohn- und Aufenthaltsräume vorgesehen sind. Beim Deckshaus gehe ich von einer gemittelten spezifischen Masse von m, 0, 052 t spez Deckshaus = 3 aus. m Abschätzung des Backgewichts: m = m L B H Back spez ( ) Back m Back = 698, 6t Setze m Back = 700t Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach: 1 LCG Back = 55, 0m ab HL 3 LBack 1 VCG Back = 13, 5m über Basis D + 2 H Back Abschätzung des Deckshausgewichts: m = m L B H Deckshaus spez ( ) Deckshaus m Deckshaus = 230, 3t Setze m Deckshaus = 250t Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach: 1 LCG Deckshaus = 50m ab HL 2 LDeckshaus 1 VCG Deckshaus = 23, 6m über Basis D H Back + H Deckshaus + 2 Das Gewicht von Einrichtung und Ausrüstung lässt sich nicht mit den Formeln für Hafenschlepper abschätzen, deswegen wird auch hier auf die Formel von Schneekluth/Bertram zurückgegriffen: m E + A = k L B mit k = 0, 4 m E + A = 704t Setze m E + A = 800t Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach: LCG E + A = 46m ab HL VCG E + A = 11m über Basis Baureserve: Laut Abicht 39 ist eine Baureserve von 2...8% vom Leerschiffsgewicht einzuplanen. Ich wähle m Reserve = 100t, was 2,2% von leer entspricht. 38 Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, 1998, S.149ff /6/ 39 Einführung in die Projektarbeit, W. Abicht, 1987 /5/ Seite 46

47 Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach: LCG Reserve = 50m ab HL VCG Reserve = 10m über Basis Die abgeschätzten Gewichte der fünf Gruppen und der Baureserve sind in Tabelle 10 zusammen mit den jeweiligen Längen- und Höhenlagen des Schwerpunktes aufgeführt. Die Einzelgewichte werden in der Mitschiffsebene angenommen. Bezeichnung Gewicht [t] LCG [m von HL] VCG [m über Basis] Rumpf ,85 4,5 Maschine ,50 4,5 Backaufbau ,00 13,5 Deckshaus ,00 23,6 Einricht. / Ausrüst ,00 11,0 Baureserve ,00 10,0 Schiff leer ,986 8,722 Tabelle 10: abgeschätzte Gewichte mit jeweiliger Schwerpunktslage, Schlepper mit Pod Die Gewichtsabschätzung der VPP-Variante ist in folgender Tabelle 11 zusammengefasst. Bezeichnung Gewicht [t] LCG [m von HL] VCG [m über Basis] Rumpf ,00 4,5 Maschine ,00 4,5 Backaufbau ,00 13,5 Deckshaus ,20 23,6 Einricht. / Ausrüst ,00 11,0 Baureserve ,00 10,0 Schiff leer ,167 8,239 Tabelle 11: abgeschätzte Gewichte mit jeweiliger Schwerpunktslage, Schlepper mit VPP Mit einem Leerschiffsgewicht von leer = 4500t ist bei einem Tiefgang von T = 5m eine Zuladung von dw = leer = 1425t bei der Pod-Variante und dw = leer = 1496t bei der VPP-Variante möglich. Da bei beiden Varianten kleinere Ballastwassertanks geflutet sind, um eine Schwimmlage auf ebenem Kiel zu erzeugen, ist die mögliche Zuladung noch etwas höher. Seite 47

48 6.2 Stabilität Um die Intaktstabilität des Schleppers zu untersuchen, sind verschiedene Ladefälle definiert worden: - leeres Schiff - Anfang der Reise - Ende der Reise - Tiefertauchung 7m - Tiefertauchung 6m Die sogenannte Zuladung des Schleppers ist aus der Besatzung und dem Proviant, der Ausrüstung und dem Löschschaum zusammengesetzt, siehe Tabelle 12. Des weiteren sind die Öltanks und die Frischwassertanks voll. Bei den Ladefällen Ende der Reise und Tiefertauchung sind die Massen entsprechend verringert worden. Ladefall Zuladung Masse [t] LCG [m] VCG [m] Antrieb Pod VPP Pod VPP Anfang der Reise Besatzung und Proviant Ausrüstung ,5 13,5 Löschraum Öl & Frischwasser 822,66 45,22 3,51 Tabelle 12: Aufstellung der Zuladung des Schiffes Nach dem GL sind für Schlepper folgende Vorschriften für jeden möglichen Ladefall einzuhalten: 40 - metazentrische Höhe GM = 0, 6m bei ϕ = 0 - Hebelarm h = 0, 3m bei ϕ = 30 - Fläche unter der aufrichtenden Hebelarmkurve von ϕ = 0 bis ϕ = 30 : A = 0, 055m rad 30 - Fläche unter der aufrichtenden Hebelarmkurve von ϕ = 0 bis ϕ = 40 : A = 0, 09m rad 40 - Fläche unter der aufrichtenden Hebelarmkurve von ϕ = 30 bis ϕ = 40 : A = 0, 03m rad 30 / 40 - Hebelarmumfang Umfang = 60 Die metazentrischen Höhen bei ϕ = 0 sind in Tabelle 13 aufgelistet. Da das GM so hoch ist, sind die geforderten Vorschriften des GL leicht einzuhalten. In Abbildung 35 ist als Beispiel das GM und die Hebelarmkurve der Pod-Variante für den Ladefall Tiefertauchung 7m dargestellt. Die Stabilität des Schleppers ist so hoch, dass der Hebelarmumfang 80 weit überschreitet. Auch das Pfahlzug-Kriterium für Schlepper und das Wetterkriterium (IMO 749) wird mit beiden Massenverteilungen eingehalten. Der Trossenzug quer stellt wegen des hohen GM und der großen Hebelarmkurve 40 Klassifikationsvorschriften des Germanischen Lloyd, Abschnitt 25 A /1/ Seite 48

49 keine Gefahr für den Schlepper dar. 41 Für das Wohlbefinden der Mannschaft ist die metazentrische Höhe jedoch zu reduzieren. Lastfall GM von Schlepper mit Pod GM von Schlepper mit VPP Leeres Schiff 3,241m 3,748m Anfang der Reise 2,385m 2,566m Ende der Reise 2,057m 2,303m Tiefertauchung 6m 1,893m 2,221m Tiefertauchung 7m 1,419m 1,815m Tabelle 13: Zusammenfassung der metazentrischen Höhen für die Ladefälle Abbildung 35: Anfangs-GM und Hebelarmkurve bei einer Tiefertauchung auf T=7m 6.3 Manövrierfähigkeit Um die Manövrierfähigkeit des Schleppers bestimmen zu können, sind zuvor die Kräfte am Pod beziehungsweise am Ruder mit Hilfe des Ruderprogramms in E4 zu ermitteln. Dabei ist der Propeller der Pods auf die Ruderachse gelegt worden, da die Methode nur Ruderkräfte berechnet, wenn in Strömungsrichtung der Propeller vor dem Ruder angeordnet ist. 41 Stabilitätsvorschriften von Schleppern, Studienarbeit /14/ Seite 49

50 Die Berechnung der Ruderkräfte erfolgte für die Anstellwinkel von 45 bis +45 in 5 -Abständen für sechs Geschwindigkeiten v = 10, 12, 14, 16, 17, 18kn. Sie sind als Längskraft, Querkraft oder Drehmoment über dem Ruderanstellwinkel aufgetragen. Der Schubbelastungsgrad c th ist definiert als spezifischer Schub c th =. Staudruck der Zuströmgeschwindigkeit Die Ruderkräfte der Pods sind in Abbildung 36, Abbildung 37 und Abbildung 38 zu sehen. Abbildung 36: Längskraft Pod Seite 50

51 Abbildung 37: Querkraft Pod Abbildung 38: Drehmoment Pod Seite 51

52 Die Ruderkräfte des Verstellpropeller sind in Abbildung 39, Abbildung 40 und Abbildung 41 zusammengefasst. Abbildung 39: Längskraft Ruder Seite 52

53 Abbildung 40: Querkraft Ruder Abbildung 41: Drehmoment Ruder Seite 53

54 6.3.3 Überprüfung der IMO-Manöver und der Gierstabilität Die IMO-Resolution A.751(18) gilt für Schiff, die eine Länge von 100m oder größer haben. Da die Länge zwischen den Loten L PP = 85, 2m beziehungsweise L PP = 90, 1m beträgt, sind die IMO-Vorschriften nicht einzuhalten. Um jedoch einen Überblick über die Manövrierfähigkeit des Schleppers zu erhalten, sind sie von mir trotzdem herangezogen worden. Die Versuche sind bei 90% der Schiffsgeschwindigkeit, die bei 85% Motorenleistung erreicht wird, durchzuführen. Da die prognostizierte Geschwindigkeit von v = 17, 5kn bei 100% Leistung der Elektromotoren ermittelt wurde, sind die Versuche bei einer Geschwindigkeit von v = 15kn (anstelle von v = 16kn ) absolviert worden. Folgende Manöver sind durchzuführen: - Drehkreismanöver - Zickzack-Manöver 10 /10 - Zickzack-Manöver 20 /20 - Stoppen Ein Drehkreis-Manöver ist in Abbildung 42 zu sehen. Es ist bei einer Ruderlegung von 35 zu fahren. Dabei sind folgende Grenzen einzuhalten: - Längsweg bei 90 Kursänderung a < 4, 5 LPP - Durchmesser des Drehkreises d < 5 LPP Abbildung 42: Drehkreisversuch Zickzack-Manöver sind mit den Ruderwinkeln 10 /10 und 20 /20 zu fahren. Ein Beispiel ist in Abbildung 43 dargestellt. Dabei sind folgende Forderungen einzuhalten: Seite 54

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