Schnelle Containerschiffe Möglichkeiten und Grenzen

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1 Schnelle Containerschiffe Möglichkeiten und Grenzen Dipl. Ing., MSc Lars Adamek Lars Adamek

2 Gliederung Schifffahrt Anwendungen und Anforderungen Schiffsantrieb Wirkungsgradeinflüsse Widerstandsanteile Rumpfwiderstand Höchstgeschwindigkeit des Containertransports Rumpfformen Vergleich der Alternativen Fazit Lars Adamek

3 Schiffsanwendungen Gütertransport Passagiertransport Sicherheitstechnische Aufgaben Spezialaufgaben Lars Adamek

4 Anforderungen Gütertransport Passagiertransport Wirkungsgrad Lebensdauer Wirkungsgrad Lebensdauer Wirkungsgrad Energiedichte Geschwindigkeit Lebensdauer Wirkungsgrad Geschwindigkeit Wirkungsgrad Lebensdauer Wirkungsgrad Lebensdauer Energiedichte Wirkungsgrad Sicherheitstechnische Aufgaben Spezialaufgaben Energiedichte Wirkungsgrad Signatur Geschwindigkeit Energiedichte Wirkungsgrad Signatur Geschwindigkeit Kraft Lebensdauer Wirkungsgrad Lastflexibilität Lars Adamek

5 Ladekapazität der dt. Handelsflotte in tdw vor bis bis bis bis bis 2000 Stückguttransporter Containerschiffe Massengutschiffe Öl- und Ölproduktetanker Hader A., Monden R.; Nutzung der hohen See als Transportweg Lars Adamek Möglichkeiten zur Erhebung von Entgelten, Berlin

6 Kosten Beispiel: Bunkerkosten 65% TEU-Containerfrachter 9 Mio. US$/Jahr Kapitalkosten 20% Verwaltung 1% Reparatur & Instandhaltung 5% Versicherung 1% Personal 8% Hader A., Monden R.; Nutzung der hohen See als Transportweg Möglichkeiten zur Erhebung von Entgelten, Berlin 2002 Lars Adamek Hansa Hamburg Shipping; Factsheet MS Matthias Claudius; Hamburg,

7 Spezifischer Transport Energiebedarf P / (m * v) 10 kn 20 kn 50 kn 100 kn See ( t) 7*10-4 3*10-3 See ( t) 2*10-3 2*10-2 Schiene 6* kn 500 kn 3*10-2 Straße 2*10-2 2,2*10-2 3,7*10-2 8*10-2 Luft (10 t) 2,5*10-1 9*10-2 1,5*10-1 Luft (300 t) 2*10-1 5,5*10-2 Schenzle, P.; Sustainable Sea Traansportation The Zero-Emission Ship?; STG Hauptversammlung Hamburg 2002 Lars Adamek

9 Wirkungsgradkette R A v η H η P η M R T P B = v. (R T + R A ). η D η D = η M. η P. η H P B V η D R T Antriebsleistung des Motors Schiffsgeschwindigkeit Propulsionsgütegrad Schleppwiderstand Lars Adamek η M η P η H Wirkungsgrad des Motors (0,3 bis 0,45) Wirkungsgrad des Propellers (0,34 bis 0,8) Schiffseinflussgrad (0,95 bis 1,4)

11 Schiffsabmessungen c B = B WL L WL D Lars Adamek c B A WL D Blockkoeffizient Wasserverdrängung Fläche an der Wasserlinie Tiefgang

12 Einfluss Formgebung Ladekapazität und Froude-Zahl Großtanker Frachter Fährschiffe Kriegsschiffe c B 0,8 bis 0,85 0,5 bis 0,75 0,5 bis 0,7 0,25 bis 0,4 V in kn 12 bis bis bis bis 45 Fn-Zahl ca. 0,15 ca. 0,2 ca. 0,3 ca. 0,4 MAN Marine Power; Basic Principles of Ship Propulsion; Augsburg 2004 Lars Adamek

13 Widerstandsanteile Anteile des Schiffswiderstands: 1. Druckwiderstand Druck des Wassers auf Rumpf 2. Reibungswiderstand Reibung an der Oberfläche des Rumpfs Zähigkeitswiderstand = f(re) v l Re = ν 3. Wellenwiderstand = f(fn) Druck des Wellensystems durch Erdschwere Oertel, H.; Prandtl Führer durch die Strömungslehre,, Braunschweig, 2002 Lars Adamek Fn = v g l

14 Schleppleistung R T = R c T W P B = = R S R W T + ρ v 2 v η 2 R + F c + F D R A S 2 bis 10 % ρ v 2 2 Abschätzung durch Admiralitätsformel: v η PB = c = f(v²) ADM D R T P B R F R W R A Schleppwiderstand Motorleistung Reibungswiderstand Wellenwiderstand Luftwiderstand c F c W c ADM Reibungskoeffizient Wellenkoeffizient Admiralitätskoeffizient benetzte Oberfläche Schiffsgeschwindigkeit Verdrängung Lars Adamek S v

15 Wellenberg Beispiel: Widerstandsverhalten eines Containerschiffs Widerstandskraft in kn Geschwindigkeit in kn Lars Adamek Wellenberg 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Froude-Zahl Rwave Rfriction Rtotal F

16 Rumpfgeschwindigkeit Wellengeschwindigkeit im Wasser: v = g λ 2 π Für λ = L WL ergibt sich die sog. Rumpfgeschwindigkeit: Max. Geschwindigkeit bei Verdrängungsfahrt L 2 π Dr. Würsig, G.; Rumpfgeschwindigkeit von Schiffen, Hamburg, 2006 Lars Adamek v = g WL Alternative: GLEITEN

17 Boot der Wasserschutzpolizei als Beispiel Charakteristische Daten: Länge 20 m v Rumpf = 10,8 kn Breite 4,4 m Tiefgang 1,3 m Gewicht 24,2 t Motorleistung 2 * 500 PS Innenministerium Baden-Württemberg; Neue Boote für Wasserschutzpolizei, Stuttgart, 2000 Lars Adamek

18 Widerstandskräfte des WaPo-Bootes Widerstandskraft in kn , , , , , ,2 0 0, Geschwindigkeit in kn Lars Adamek Froude-Zahl Rwave Rfriction Rtotal F

19 Geschwindigkeit-Leistungs-Kennfeld des WaPo-Bootes Leistung in kw Geschwindigkeit in kn Effective Power Brake Power η D = 62,1 % V max = 22 kn bei 740 kw Lars Adamek

21 Schiffswiderstand Schiffswiderstand Schleppwiderstand Sonstige Widerstände Wellenwiderstand Reibungswiderstand Illies, K.; Handbuch der Schiffsbetriebstechnik, Braunschweig, 1984 Lars Adamek

22 Widerstandsanteile Schnelle Schiffe Langsame Schiffe Fn ca. 0,4 ca. 0,15 Reibungswiderstand 45 % 90 % Wellenwiderstand 40 % 5 % Verwirbelungswiderstand 5 % 3 % Luftwiderstand 10 % 2 % MAN Marine Power; Basic Principles of Ship Propulsion; Augsburg 2004 Lars Adamek

23 Kraftermittlung am Modell λ = v M! F = F Fn M = Fn S Re M = ReS M g L L L S M M = v M v S g L S v = S λ S v L ν M M M ν M = = v L ν S ν S S λ S F M v M Widerstandskraft am Modell Schiffsgeschwindigkeit Lars Adamek L M λ Länge an der Wasserlinie Größenverhältnis Schiff/Modell

24 Modellparameter Schleppversuch Geschwindigkeit Schiffslänge Kin. Viskosität Großausführung 10 m/s (18 kn) 200 m 10 bis 20 mm²/s Modell 1 m/s (λ=100) 2 m 500 mm²/s Daher Modellversuche bei kleinerer Re, da Medium mit ausreichender Viskosität nicht verfügbar. Direkte Messung des Widerstands nur in Originalgröße möglich! Lars Adamek

25 Widerstandsberechnung Schiffswiderstand Schleppwiderstand (F T ) Sonstige Widerstände Nicht berücksichtigt 1. Messung F TM (Fn M = Fn S ; Re M < Re S ) 2. Berechnung F RM aus Strömungsversuchen an querschnittsgleichen Flächen (seit 1957 mittels ITTC- Reibungslinien) 3. F WM = F TM F RM Wellenwiderstand (F W ) Reibungswiderstand (F R ) 4. Umrechnung F RM auf F RS ; F WM = F WS 5. F TS = F WM + F RS Dr. Hollenbach; HSVA Test Facilities, Hamburg, 2006 Lars Adamek

26 Schleppversuch (HSVA) Computerized Planar Motion Control Dr. Hollenbach; HSVA Test Facilities, Hamburg, 2006 Lars Adamek

27 Möglichkeiten zur Reduzierung des Schleppwiderstands 1. Linienführung PD PD Widerstandsverringernde Anbauten Lars Adamek 2... TriNav Naval Architects; Fishing Boat Desoigners and Naval Architecture Services; St. John s,

28 Bugwulstform a, - Typ b, 0 - Typ c, - Typ Verdrängungsvolumen ca. 0,25 bis 0,35 % der Schiffsverdrängung. Relative Länge 2,8 bis 3,2 % der Länge der Wasserlinie. Reduktion des Wellenwiderstands bis ca. 30 % möglich! Kracht, A.; Design of Bulbous Bows,; The Society of Naval Architects and Marine Engineers, New York, 1978 Lars Adamek

29 Bugwulstwirkung 2,5 2 1,5 1 0, , rel. Wellenhöhe rel. Länge Rumpf Wulst Rumpf+Wulst -1-1,5 Länge Wulst: -2 bis 0 Länge Rumpf: 0 bis 4 Lars Adamek

31 Erhöhung der Transportgeschwindigkeit Möglichkeiten zur Geschwindigkeitserhöhung: 1. Mehr Leistung Grenze durch Wellenberg 2. Rumpfform 1. Länge läuft! Rumpf verlängern 2. Schlankheitsgrad Rumpf Katamaran 3. Gleiten Kleinere Schiffe Lars Adamek

32 Mögliche Rumpfformen Referenzfrachter mit Knickrumpf Langer Rumpf Gleiter Katamaran Länge 180 m 360 m 180 m 180 m Breite 27 m 13,5 m 27 m 2 * 13,5 m Tiefgang 11 m 11 m 1,1 m 8,8 m Verdrängung t t t 2 * t Rumpfgeschwindigkeit 32,5 kn 45,9 kn 32,5 kn 32,5 kn Lars Adamek

33 Gliederung Schifffahrt Anwendungen und Anforderungen Schiffsantrieb Wirkungsgradeinflüsse Widerstandsanteile Rumpfwiderstand Propulsor Höchstgeschwindigkeit des Containertransports Rumpfformen Vergleich der Alternativen Fazit Lars Adamek

34 Wellenwiderstand der Entwürfe Wellenwiderstand in kn Geschwindigkeit in kn Referenz Langschiff Gleiter Katamaran Lars Adamek

35 Reibungswiderstand der Entwürfe Reibungswiderstand in kn Referenz Langschiff Gleiter Katamaran Geschwindigkeit in kn Lars Adamek

36 Schleppwiderstand der Entwürfe Schleppwiderstand in kn Referenz Langschiff Gleiter Katamaran Geschwindigkeit in kn Lars Adamek

37 Antriebsleistung der Entwürfe Leistung in kw MW 118 MW 44 MW 14 MW Geschwindigkeit in kn Referenz Langschiff Gleiter Katamaran Lars Adamek

38 Leistungsmerkmale der Entwürfe Referenzfrachter mit Knickrumpf Langer Rumpf Gleiter Katamaran v Ref (bei kw) 20,7 kn 27,4 kn 43,0 kn 21,6 kn V max 32,5 kn 45,9 kn 100 kn 32,5 kn P max kw kw kw kw Breite 27 m 13,5 m 27 m 40,5 m Spez. Transportenergiebedarf 2 * 10-2 (20,7 kn) 1,5 * 10-2 (27,4 kn) 1 * 10-1 (43 kn) 1,9 * 10-2 (21,6 kn) Lars Adamek

39 Kostenvergleich Jahresunterhalt in T Verwaltung Reparatur & Instandhaltung Versicherung Personal Kapitalkosten Bunkerkosten 0 Referenz Referenz schnell Langschiff Gleiter Katamran Lars Adamek

40 Gliederung Schifffahrt Anwendungen und Anforderungen Schiffsantrieb Wirkungsgradeinflüsse Widerstandsanteile Rumpfwiderstand Propulsor Höchstgeschwindigkeit des Containertransports Rumpfformen Vergleich der Alternativen Fazit Lars Adamek

41 Spezifischer Transport Energiebedarf P / (m * v) 10 kn 20 kn See ( t) 7*10-4 3*10-3 See ( t) 2*10-3 2*10-2 See (1.000 t) 50 kn 5 * 10-2 Schiene 6*10-3 Schenzle, P.; Sustainable Sea Traansportation The Zero-Emission Ship?; Lars Adamek STG Hauptversammlung Hamburg Straße 2*10-2 2,2*10-2 3,7*10-2 8*10-2 Luft (10 t) 2,5*10-1 Luft (300 t) 100 kn 200 kn 500 kn 7 * *10-2 9*10-2 1,5*10-1 2*10-1 5,5*10-2

42 Fazit Seetransport ist sehr energieeffizient Transportgeschwindigkeit ist durch Wellenbildung begrenzt Optimierung der Effizienz ist insbesondere durch Formgebung des Rumpfs möglich Gleitschiffe könnten 60 kn erreichen (10 % der Lufttransportgeschwindigkeit) Schneller Transport durch Gleitschiffe ist ca. 2,5 mal so energieintensiv wie Lufttransport Geschwindigkeit der Schiffe wird mit deren Größe weiter steigen. Dienstgeschwindigkeit wird auch in Zukunft 30 kn nicht übersteigen. Lars Adamek