Zöllner, Joachim

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Conference Paper, Published VersionZöllner, JoachimModerner Binnenschiffbau zur Verbesserung derPropulsion und damit zur Reduzierung schiffsinduzierterEinflüsseVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/102304Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Zöllner, Joachim (2015): Moderner Binnenschiffbau zur Verbesserung der Propulsion unddamit zur Reduzierung schiffsinduzierter Einflüsse. In: Bundesanstalt für Wasserbau (Hg.):Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierteBelastungen. Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau. S. 27-33.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 27 - Moderner Binnenschiffbau zur Verbesserung der Propulsion und damit zur Reduzierung schiffsinduzierter Einflüsse Dipl.-Ing. Joachim Zöllner, Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V., Duisburg (DST) Propeller Propeller sind die wichtigsten Vortriebsorgane in der Schifffahrt (Bild 1). Die Erfindung aus dem Jahr 1827 stammt von Joseph Ressel, einem österreichischen Forstmeister. Die heutigen Propel-ler haben demnach eine fast 190-jährige Entwicklung durchlaufen und sind bezüglich ihres Wir-kungsgrades eine absolute Herausforderung für andersartige Vortriebsmittel.   Bild 1: Propellertypen Die Entwicklung ab den 50er Jahren ist geprägt durch den freien Propeller der Wageninger B-Serie Dieser Propellertyp war und ist maßgebend für viele Schiffsentwürfe. Der Propellerwirkungsgrad wächst mit größerem Durchmesser. Der freie Propeller wird in der Binnenfrachtschifffahrt nur noch selten verwendet. Die maximale Leistungsbeaufschlagung liegt bei ca. 300 kW pro m² Propeller-kreisfläche. Ein Düsenpropeller (Kaplan) kann mit einer Flächenbelastung PD/A0  350 kW/m² be-aufschlagt werden. Die Düse ist als Tragflügelprofil ausgebildet und erhöht den Gesamtschub um den Düsenschubanteil. Der Düsenschub entsteht durch die Anströmung des Düsenprofils, das an der gewölbten Innenseite im vorderen Eintrittsbereich eine Kraftkomponente (Lift) nach vorne auf-weist. In der jüngeren Vergangenheit sind verstärkt Sichelpropeller (Skew-Propeller) in Düsen ein-gesetzt worden. Gründe hierfür waren eine bessere Laufruhe durch den geschmeidigeren Kraft-aufbau am Propellerflügel bei Rotation und die höhere maximale spezifische Flächenbelastung PD/A0 von ca. 400 kW/m² (Tabelle 1). Tabelle 1: Propellervergleich  Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 28 - Schiffsgröße Die Vergrößerung der Schiffe führt zu einer anteilig pro Ladungstonne geringeren benetzten Ober-fläche des Unterwasserschiffes mit entsprechend geringerem Reibungswiderstand pro Tonne. Nachteilig an einer Schiffsvergrößerung ist die zunehmende Versperrung des Zustroms zum Pro-peller. Dieses hat eine deutliche Erhöhung des Ablösungswiderstandes zur Folge. Durch weiter-entwickelte Schiffsentwürfe hinsichtlich der Propellerzuströmung konnten beachtliche Erfolge er-reicht werden.  Die Schiffsgrößen entwickelten sich in Zeiten, in denen der Treibstoff drastisch teurer wurde (Öl-krisen 70er Jahre) oder die Personalkosten zeitversetzt anstiegen. In der jüngeren Vergangenheit hat das 2003er Niedrigwasser zu einer verstärkten Diskussion um die Schiffsgrößen geführt. Bei-spielhaft sind nachfolgend einige Schiffstypen dargestellt. Tabelle 2: Brennstoffverbrauch – Schiffsgrößenvergleich, h = 5,0 m, T = 2,5 m, v = 13 km/h   So ist in Tabelle 2 die Verringerung des ladungsspezifischen Leistungsbedarfs bis zum großen Rheinschiff zu erkennen. Die Vergrößerung auf die Jowi-Klasse zeigt zwar einen Sprung zu höhe-ren spezifischen Leistungen, jedoch stehen den spezifisch höheren Treibstoffkosten Einsparungen durch spezifisch geringere Personalkosten bei höherer Tragfähigkeit entgegen.   Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 29 - Schiffsform Um die Schiffsvergrößerung und/oder die Geschwindigkeitssteigerung zu realisieren, ist es unbe-dingt erforderlich, die Konturen der Schiffsenden geschmeidig zu gestalten. Knicklinien und stump-fe Übergänge in der Außenhaut sind zu vermeiden. Es kann durchaus sinnvoll sein, Teilvolumina des Laderaumes für eine gute Schiffskontur zu opfern. Bei modernen Containerschiffen wird bei-spielsweise an jeder Laderaumecke auf Stellplätze verzichtet, um den Entwurf den hydrodynami-schen Anforderungen entsprechend zu gestalten. Seit ungefähr den 80er Jahren ist es üblich, ein Spiegelheck anstelle eines Kreuzerhecks zu bauen. Der Vorteil des Spiegelhecks liegt in der grö-ßeren Decksfläche. Das Kreuzerheck begünstigt die achterliche Schiffsumströmung so, dass we-niger Ablösungswiderstand auftritt. Ein guter Kompromiss aus beiden Heckformen kann erzielt werden, wenn der Spiegel beim größten Tiefgang mit maximal halber Schiffsbreite eintaucht. Bei kleineren Tiefgängen taucht der Spiegel überhaupt nicht ein. Die unterschiedlichen Geschwindig-keiten von Propellerstrahl (hohe Geschwindigkeit) und Hinterschiffsumströmung (niedrige Ge-schwindigkeit) führen zu einer zusätzlichen Verwirbelung, die als Widerstand in Erscheinung tritt. Der Einbau einer sogenannten Abstromplatte (Bild 2) kann die Vermischung der unterschiedlichen Wassergeschwindigkeiten weiter hinter das Schiff verlagern, welches sich widerstandsmindernd auswirkt.  Bild 2: Abstromplatte   Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 30 - Ein besonderes Problem entsteht dann, wenn durch Mitnahme eines Schubleichters die Tragfä-higkeit erhöht wird. Das vordere Schiffsende sollte für die Einzelfahrt möglichst strömungsgünstig sein. Im Schubbetrieb mit einem vorgekoppelten Schubleichter sollte der Bug des schiebenden Fahrzeugs dagegen möglichst völlig sein, um die Wirbelbildung an der Koppelstelle klein zu halten (Bild 3).  Bild 3: Wirbelbildung an der Koppelstelle Am Beispiel eines kanalgängigen Schubverbandes konnten Modell- und Großversuche zum Ein-fluss der Koppelstelle durchgeführt werden (Bild 4). Der Einbau des Hartschaumkeils erbrachte jeweils eine Minderung der Antriebsleistung bei gleicher Geschwindigkeit von ca. 15 %  Bild 4:  Auffüllung der Koppelstelle   Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 31 - Entwurfsunterstützung durch Strömungsberechnungen Die computergestützten Methoden zur Ermittlung der Schiffsumströmung haben sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Hilfsmittel beim Entwurf von Schiffen entwickelt. Durch die Einbezie-hung der CFD-Verfahren (Computational Fluid Dynamics) schon in der Planungs- und Entwick-lungsphase eines Schiffes ist es möglich, unterschiedliche Formvarianten qualitativ zu bewerten und geeignete Maßnahmen zur hydrodynamischen Optimierung der Schiffslinien zu empfehlen. Dadurch kann die Anzahl der klassischen Modellversuche wesentlich reduziert werden. Der wesentliche Vorteil der numerischen Untersuchungen mit einem RANSE-Löser (Reynolds Averaged Navier Stokes) gegenüber dem klassischen Modellversuch ist insbesondere darin zu sehen, dass eine Vielzahl von Detailinformationen im Strömungsfeld um den Schiffskörper bereit-gestellt werden können, die durch herkömmliche Messtechnik mit einem vertretbaren Aufwand nicht erfasst werden können. Bei der Bewertung der integralen Größen (z.B. Schiffswiderstand) ist zu beachten, dass die Genauigkeit der berechneten Werte gegenwärtig noch nicht ausreichend genau ist, um auf Modellversuche zur Ermittlung des Widerstandes zu verzichten. Jedoch ist durch die Berechnung unterschiedlicher Formvarianten eine qualitative Bewertung des Widerstandes möglich, so dass im Anschluss an die numerische Optimierung der Schiffsform die experimentellen Untersuchungen mit der finalen formoptimierten Variante des Schiffes durchgeführt werden kön-nen. Im Rahmen eines FE-Projektes sollte auf der Basis von L x B x T = 110 m x 11,45 m x 2,8 m eine Schiffsform entworfen werden, die bei vorgegebenen Randbedingungen eine optimale Umströ-mung des Schiffkörpers ermöglicht. Ausgehend von einem Basisentwurf wurden unterschiedliche Formvarianten numerisch untersucht und die Form schrittweise optimiert. Die Berechnungen er-folgten aufgrund der moderaten Geschwindigkeiten ohne Berücksichtigung der Verformung der freien Wasseroberfläche bei unterschiedlichen Wassertiefen und Schiffstiefgängen. Die Wirkung des Propellers wird mit einem sogenannten Kraftscheibenmodell in einer Düse realisiert. Bei die-sem Modell werden der Schub und das Drehmoment mit einer radialen Verteilung in der Propeller-ebene vorgegeben. Alle Berechnungen wurden mit dem kommerziellen RANSE-Löser (Reynolds-Gemittelten-Navier-Stokes-Gleichungen) ANSYS-CFX durchgeführt. Exemplarisch werden im Bild 5 die Ablösezonen bei zwei Hinterschiffsvarianten gezeigt.   Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 32 -  Bild 5: Rückstromgebiete am Hinterschiff – T = 2,5 m; h = 5,0 m Das Bild 5 links zeigt das Schiff mit Tunnel und der entsprechenden Ablösezone. Im Bild 5 rechts  ist der Tunnel entfernt und die Ablösung am Spiegel ist kleiner. In den späteren Modellversuchen konnte dieser Unterschied quantifiziert werden (Tabelle 3). Tabelle 3: Leistungsvergleich mit und ohne Tunnel  Mit jeder Verbesserung des Propulsionsverhaltens geht auch eine bessere Umströmung um das Schiff einher. Durch Reduzierung der Druckgradienten und der Sekundärwellen werden auch die schiffsinduzierten Einflüsse der Schiffe auf die Umgebung verringert. Um den Stand der Entwicklung aufzuzeigen, sind exemplarisch vier Schiffsentwürfe eines Groß-motorschiffes aus den Jahren 1971 bis 2010 hinsichtlich ihrer verdrängungsspezifischen Pro-pellerdrehleistung in Bild 6 gegenübergestellt.   Bundesanstalt für Wasserbau (BAW), Universität Duisburg-Essen (UDE),  Duisburger Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V. (DST) Kolloquium Wechselwirkung Schiff/Wasserstraße  mit Auswirkungen auf Nautik und schiffsinduzierte Belastungen 26.11.-27.11.2015  - 33 -  V = Verdrängung, v = Geschwindigkeit Bild 6: Vergleich des verdrängungsspezifischen Leistungsbedarfs von vier verschiedenen GMS-Entwürfen, Länge x Breite = 110 m x 11,4 m  Ausgehend von dem Einschrauber aus dem Jahr 1971 mit 151 W/m³ bei 13 km/h konnten die spe-zifischen Leistungsbedarfe bei den späteren Entwürfen deutlich gesenkt werden. So weisen der Zweischrauber aus dem Jahr 1981 127 W/m³ und die Zweischrauber aus den Jahren 2005 und 2010 nur noch 99 bzw. 81 W/m³ Leistungsbedarfe auf. Die beiden letztgenannten Schiffsentwürfe sind geprägt durch den Einsatz moderner CFD-Verfahren.   0501001502002503003504008 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18P D/ V[W/m³]v [km/h]Spezifischer Leistungsbedarf EinzelfahrerBaujahr 1971 ; PD 1 x 1,56 ; Verdrängung 3110 m³ Baujahr 1981 ; PD 2 x 1,85 ; Verdrängung 3027 m³Baujahr 2005 ; PD 2 x 1,72 ; Verdrängung 3134 m³ Baujahr 2010 ; PD 2 x 1,60 ; Verdrängung 3133 m³h = 5 mT = 2,8 m

Moderner Binnenschiffbau zur Verbesserung der Propulsion und damit zur Reduzierung schiffsinduzierter Einflüsse

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/102304/1/04_Z%c3%b6llner_Moderner-Binnenschiffbau.pdf

Moderner Binnenschiffbau zur Verbesserung der Propulsion und damit zur Reduzierung schiffsinduzierter Einflüsse

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