Statustagung Maritime Technologien · Es erwarten Sie Beiträge zum Umweltschutz, ... Otto von...

Schriftenreihe Projekttrger Jlich

Statustagung Maritime TechnologienTagungsband der Statustagung 2014


Gruwort

Maritime Technologien spielen bei zentralen Zukunftsfra-gen eine wichtige Rolle: Von der Rohstoffversorgung ber die Energieerzeugung bis hin zu Transport und Lo-gistik gewinnt die Nutzung der Meere an Bedeutung. Eine wesentliche Basis fr die technologische Leistungsf-higkeit des maritimen Sektors in Deutschland stellen die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen aus Wis-senschaft und Wirtschaft dar. Hierdurch sichern wir un-sere internationale Wettbewerbsfhigkeit und tragen zu Wachstum und Beschftigung bei.

Nur durch hochwertige, technisch anspruchsvolle Produkte und Dienstleistun-gen kann die Stellung der deutschen Unternehmen gefestigt und ausgebaut werden.

Das Bundesministerium fr Wirtschaft und Energie (BMWi) stellt daher fr Investitionen in Forschung und Entwicklung unter anderem Mittel im Programm Maritime Technologien der nchsten Generation zur Verfgung.

Auch die diesjhrige Statustagung und der begleitende Tagungsband vermitteln wieder interessante Einblicke in aktuelle Forschungsaktivitten. Die Prsentati-onen zu Projekten aus den Bereichen Schiffbau, Schifffahrt sowie Meerestech-nik beleuchten neben technischen Aspekten auch die Perspektiven der Verwer-tung und des Praxistransfers. Es erwarten Sie Beitrge zum Umweltschutz, zur maritimen Sicherheit sowie zu neuen Unterwassertechnologien.

Ich wnsche Ihnen viele gute Anregungen und Freude beim Lesen dieses Ta-gungsbandes.

Uwe Beckmeyer, MdB Parlamentarischer Staatssekretr beim Bundesminister fr Wirtschaft und Energie und Maritimer Koordinator der Bundesregierung

Inhaltsverzeichnis

FAME Kraftstoff- und Sauerstoffmanagement zur Emissionsreduzierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Carsten Rickert (Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG), Moritz Frobenius (AVL Deutschland GmbH), Hartmut Schneider (L'Orange GmbH), Christian Fink (LKV Universitt Rostock), Roland Pittermann (WTZ Rolau gGmbH)

BossCEff Steigerung des Propulsionswirkungsgrades durch Reduktion von Nabenwirbelverlusten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Lars Greitsch, Robert Pfannenschmidt (Mecklenburger Metallguss GmbH), Moustafa Abdel-Maksoud, Markus Durckbrod (Technische Universitt Hamburg-Harburg), Hans-Jrgen Heinke (Schiffbau-Versuchsanstallt Potsdam)

LESSEO Untersuchung der Lecksicherheit von Schiffen unter besonderer Bercksichtigung des zeitabhngigen Sinkverhaltens und dynamischer Einflsse aus groen freien Oberflchen . . . . . . . . . . . . . . . 37 Florian Kluwe (Flensburger Schiffbau-Gesellschaft mbH & Co. KG), Oliver Lorkowski (Flensburger Schiffbau-Gesellschaft mbH & Co. KG), Stefan Krger (Technische Universitt Hamburg-Harburg), Hendrik Dankowski (Technische Universitt Hamburg-Harburg) AKTOS Aktive Kontrolle von Torsionsschwingungen duch Kupplungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Dipl.-Ing. Jochen Exner (CENTA Antriebe GmbH, Haan) Dr. Ing. Mahamudul Hasan (CENTA Antriebe GmbH, Haan), Dipl.-Ing. Daniel Schlote (Fraunhofer LBF, Darmstadt) PREMAN Mastabseffekte und Umwelteinflsse bei der Vorhersage des Manvrierverhaltens seegehender Schiffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 A. Cura Hochbaum,J. Schwarz-Beutel, L. Koopmann (TU Berlin), O. el Moctar, J. Hpken, U. Lantermann (Universitt Duisburg-Essen), J. Lassen (Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH) MoVer Entwicklung eines modularen Verfahrens zur umfassenden Bestimmung des Bewegungsverhaltens von Schiffen in Richtungsseegngen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Dr. Katja Jacobsen, HSVA Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt IRO 2 Eisvorhersage und Eis-Routen-Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Nils Reimer (Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH), Prof. Dr. Lars Kaleschke (Universitt Hamburg), Dr. Mikhail Dobrynin (Universitt Hamburg) SUGAR II Submarine Gashydrat-Lagersttten, Erdgasproduktion und CO2-Speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Prof. Dr. Klaus Wallmann (GEOMAR Helmholtz-Zentrum fr Ozeanforschung Kiel) und das SUGAR Konsortium

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek.Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-bibliografie; detaillierte Bibliografische Daten sind im Internet ber abrufbar.

Fr den Inhalt und das Bildmaterial der einzelnen Beitrge tragen die Autoren die Verantwor-tung.

Alle Vorhaben, zu denen im vorliegenden Band Beitrge verffentlicht sind, wurden im Programm Maritime Technologien der nchsten Generation des Bundesministeriums fr Wirtschaft und Energie (BMWi) gefrdert. Der Tagungsband wurde aus Projektfrdermitteln des BMWi finanziert.

Herausgeber und VertriebForschungszentrum Jlich GmbHZentralbibliothek, VerlagD-52425 JlichTelefon 02461 61 - 53 68Telefax 02461 61 - 61 03E-Mail [email protected] www.fz-juelich.de/zb

Satz und LayoutKristina Ehrhardt, Projekttrger Jlich

BildnachweisIMPaC, Fa. Sadler Imageworks (Hamburg)

DruckDruckerei Mainz, Aachen


ISBN 978-3--95806-006-7

Vollstndig frei verfgbar im Internet auf dem Jlicher Open Access Server (JUWEL)unter www.fz-juelich.de/zb/juwel

Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie oder in einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reprodu- ziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfltigt oder verbreitet werden.

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FAME Kraftstoff- und Sauerstoffmanagement zur Emissionsreduzierung

Frderkennzeichen: 03SX292 A-D

Carsten Rickert (Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG)Moritz Frobenius (AVL Deutschland GmbH) Hartmut Schneider (L'Orange GmbH)Christian Fink (LKV Universitt Rostock)Roland Pittermann (WTZ Rolau gGmbH)

Einleitung

Am 01. Januar 2016 tritt in den Emissionsschutzgebieten (ECA = Emission Control Area) die IMO III Abgasgesetzgebung der International Maritime Or-ganisation (IMO) in Kraft. Diese gilt fr alle Schiffsdieselmotoren mit einer Leistung >130 kW und regelt insbesondere den Stickoxidaussto in Ab- hngigkeit der Motornenndrehzahl. Bezogen auf den heutigen Stickoxid-grenzwert beinhaltet die IMO III-Regelung eine Reduzierung um 75%. Auer-halb der ECAs bleibt dabei die seit 1. Januar 2011 gltige IMO II Norm aktiv.

Zielsetzung des Verbundvorhabens FAME war die Erarbeitung konkreter Lsungsanstze fr die Einhaltung zuknftiger Abgasnormen durch innermotorische Manahmen. Im Rahmen des Projektes wurde deshalb in Zu-sammenarbeit der Projektpartner AVL Deutschland GmbH, Caterpillar Moto-ren GmbH, LOrange GmbH, Universitt Rostock und WTZ Rolau gGmbH auf den Feldern Forschung, Entwicklung und Anwendung eine durchgngige Analyse verschiedener Technologien sowie der dazugehrigen physikali-schen Mechanismen zur Erhhung des Inertgasanteils im Brennraum durch-gefhrt. Dabei wurden sowohl bewhrte Techniken aus dem Nkw- und Pkw-Sektor auf ihre Tauglichkeit fr Schiffsdieselmotoren bei Einsatz aktueller und zuknftiger Marinekraftstoffe erprobt als auch neuartige Anstze entwickelt und kombiniert an drei Versuchsmotoren eingesetzt. Zur Erreichung dieser komplexen Zielsetzung wurden Arbeiten in den folgenden Bereichen durch-gefhrt:

Entwicklungeiner2-stufigenAufladungundeinerAbgasrckfhrung

Anpassung und Untersuchung einer stofftrennenden Membran- technologie zur Senkung des Sauerstoffanteils im Arbeitsgas

Entwicklung eines druckgesteigerten Prototypeinspritzsystems

SOTLL Sideways Offshore Transfer of LNG and LPG . . . . . . . . . . . . . . . 117 Christian Frohne (Nexans Deutschland GmbH), Christian Reiter (Nexans Deutschland GmbH), Sven Hoog (IMPaC Offshore Engineering GmbH, Hamburg), Johannes Myland (IMPaC Offshore Engineering GmbH, Hamburg), Joern Homann (Brugg Rohrsysteme, Wunstorf), Oliver Herbst (Brugg Rohrsysteme, Wunstorf), Gnther Clauss (Technische Universitt, Berlin), Sven Stuppe (Technische Universitt, Berlin), Matthias Dudek (Technische Universitt, Berlin) BioBind Luftgesttzte Beseitigung von Verunreinigungen durch l mit biogenen Bindern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Prof. Dr.-Ing. Fokke Saathoff (Univeristt Rostock, Lehrstuhl fr Geotechnik und Kstenwasserbau), M.Sc. Marcus Siewert (Univeristt Rostock, Lehrstuhl fr Geotechnik und Kstenwasserbau), Dr. Martin Powilleit (Univeristt Rostock, Lehrstuhl fr Geotechnik und Kstenwasserbau) EPES: Effiziente Prognose vibroakustischer Eigenschaften in der Schiffsentwurfsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Stephan Lippert (Technische Universitt Hamburg-Harburg, Institut fr Modellierung und Berechnung, Projekkoordinator EPES) Bernd Stritzelberger (Technische Universitt Hamburg-Harburg, Institut fr Modellierung und Berechnung) Otto von Estorff (Technische Universitt Hamburg-Harburg, Institut fr Modellierung und Berechnung, Projektleitung EPES) Robin Seiler (Technische Universitt Berlin, Fachgebiet Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme) Sebastian Mathiowetz (Technische Universitt Berlin, Fachgebiet Technische Akustik) Jos Luis Barros (Technische Universitt Berlin, Fachgebiet Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme sowie Fachgebiet Technische Akustik) Gerd Holbach (Technische Universitt Berlin, Fachgebiet Entwurf und Betrieb Maritimer Systeme) Julia Gro (Technische Universitt Darmstadt, Fachgebiet Systemzuverlssigkeit und Maschinenakustik) Joachim Bs (Technische Universitt Darmstadt, Fachgebiet Systemzuverlssigkeit und Maschinenakustik) Marius Karger (Novicos GmbH) Olgierd Zaleski (Novico GmbH) Christoph Tamm (Fraunhofer-Institut fr Betriebsfestigkeit und Systemzuverlssigkeit) Heiko Krger (Flensburger Schiffbau-Gesellschaft) Bastian Ebeling (ThyssenKrupp Marine Systems, Surface Vessels) Insa Bech (ThyssenKrupp Marine Systems, Surface Vessels) Norbert Hvelmann (ThyssenKrupp Marine Systems, Submarines) Wolfgang Sichermann (ThyssenKrupp Marine Systems, Surface Vessels) Nils Reichstein (Fr. Lrssen Werft) Bernhard Urban (Fr. Lrssen Werft)

ReFIT Refitting Ships for Improved Transport Efficiency . . . . . . . . . . . . 163Mattia Brenner (FRIENDSHIP SYSTEMS GmbH, Potsdam)Stefan Harries (FRIENDSHIP SYSTEMS GmbH, Potsdam)Stefan Wunderlich (FRIENDSHIP SYSTEMS GmbH, Potsdam)

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Grundlegende Untersuchung der Auswirkung geometrischer Dsen-parameter auf die Vorgnge bei Strahlzerfall, Gemischbildung, Verbrennung und Emissionsentstehung

Entwicklung verbesserter Simulationsverfahren

Anschlieend erfolgte die Zusammenfhrung der entwickelten Teillsungen in einem Versuchsmotor, dessen Abstimmung sowie die Bewertung in Bezug auf die Parameter NOx-Emission, Ruemission, Wirkungsgrad, thermische und mechanische Belastung.

II. Motivation

Die International Maritime Organisation (IMO) hat fr Schiffe mit einer Motor-leistung >130 kW die Emissionsgrenzen fr die Stickoxide (NOx) stufenweise gesenkt. Das Inkrafttreten der nchsten Stufe IMO Tier III [1], [2] am 01. Januar 2016 sieht eine Reduzierung der Stickoxidemissionen um 75% im Vergleich zur aktuell geltenden IMO Tier II Gesetzgebung vor, die auerhalb der Emissionsschutzgebiete weiterhin gltig bleibt. Der zulssige Schwefel-anteil im Marinekraftstoff bzw. die quivalenten Schwefelemissionen im Ab-gas werden zeitlich versetzt reduziert. Innerhalb der ECAs erfolgt dabei eine deutlich strkere Begrenzung als auerhalb. Ab 2015 ist hier ein Grenzwert von 0,1 % angesetzt (Abb. 1).

Abb. 1: IMO Grenzwerte fr Stickoxide und Schwefelanteil im Kraftstoff bzw. im Abgas

Whrend die IMO II NOx-Grenzwerte gut durch innermotorische Ma- nahmen erreicht werden konnten, kann eine weitere Reduktion nur durch katalytische Abgasnachbehandlung oder durch eine deutliche Senkung der Verbrennungsspitzentemperaturen im Zylinder erreicht werden. Dazu muss der Inertgasanteil der Brennraumladung erhht werden, was ohne weitere Manahmen zu steigenden Ru- und Partikelemissionen fhrt. Hier kann

zum einen durch globale innermotorisch wirkende Manahmen zur Luftver-sorgungmittelserhhterAufladegradealsauchdurchlokalinderVerbren-nungszone wirkende Manahmen zur verbesserten Durchmischung von Luft und Kraftstoff mittels optimierter Einspritzparameter reagiert werden.

Allgemeines Ziel des Projektes war es, innermotorische Technologien und Wirkmechanismen fr eine drastische Reduzierung der Stickoxidemissionen bei gleichzeitig minimalem Kraftstoffverbrauch sowie geringsten Ruemissi-onen zu erforschen und in Kombination an drei mittelschnelllaufenden Dieselmotoren einzusetzen.

III. Versuchstrger

Fr Versuche standen sowohl System- als auch Motorprfstnde zur Verfgung.

Am Lehrstuhl fr Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren der Uni- versitt Rostock konnten an einem Einspritzverlaufsindikator zeitlich hoch aufgelste Messungen der Einspritzrate durchgefhrt werden (Abb. 2). Au-erdem stehen zwei Hochdruck-Hochtemperaturkammern zur Untersuchung der Gemischbildung und Verbrennung mittels optischer und Lasermess- verfahren zur Verfgung. Eine der beiden Kammern wurde eigens fr das FAME Projekt neu konstruiert, um die Brennraumtemperaturen und Brenn-raumdrcke zum Zeitpunkt der Einspritzung bei einem realen Dieselmotor so nah wie mglich abbilden zu knnen (Abb. 3).

Abb. 2: Versuchsprfstand Einspritzverlaufsindikator

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Abb. 3: Versuchsprfstand Hochdruck-Hochtemperatur Kammer

Fr die Durchfhrung der Motorversuche stehen drei mittelschnell laufende Dieselmotoren zur Verfgung, die beiden 1-Zylinder Forschungsmotoren FM 16/1 und FM 24D der WTZ Rolau gGmbH (Abb. 4) und ein MaK 6 M 32 Versuchsvollmotor der Caterpillar Motoren GmbH (Abb. 5). Der FM 24D ist mit einer Abgasrckfhrung ausgerstet, der FM 16/1 mit einer stofftrennen-den Membran. Mit beiden Methoden kann die Sauerstoffkonzentration der Zylinderladung gesenkt werden. Die 1-Zylindermotoren sind fremdaufgela-den und verfgen ber ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit dem sich der Einspritzdruck, der Einspritzzeitpunkt, die Anzahl der Einspritzungen pro Arbeitsspiel sowie deren zeitliche Abstnde unabhngig vom Motorbe- triebspunkt einstellen lassen. Der Vollmotor ist ebenfalls mit einem Common-Rail-Einspritzsystemausgestattet.Erist2-stufigaufgeladenundbesitzteineAbgasrckfhrung sowie einen variablen Ventiltrieb. Insbesondere stand am FM 24D und am 6 M 32 neben dem Standard Common-Rail-Einspritz-system jeweils ein neues Einspritzsystem mit einem gesteigerten maximalen Einspritzdruck von 2000 bar zur Verfgung, welches bei der LOrange GmbH gefertigt wurde.

Abb. 4: 1 Zylindermotoren FM 24D mit Abgasrckfhrung und FM 16/1 mit Membran

Abb. 5: MaK 6 M 32 Versuchsmotor mit 2-stufiger Aufladung und Abgas-rckfhrung

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IV. Durchgefhrte Arbeiten im FAME Projekt

IV.1. Weiterentwicklung der Einspritztechnik

IV.1.1. Steigerung des Einspritzdrucks

Bei der LOrange GmbH wurde ein neues Common-Rail-Einspritzsystem ent-wickelt, mit dem sich ein maximaler Einspritzdruck von 2000 bar darstellen lsst. Dieser Schritt war Grundvoraussetzung, um die Ruemission bei gleichzeitiger Inertisierung der Zylinderladung unterhalb der Sichbarkeits-grenze zu halten. Bisherige Systeme fr Schiffdieselmotoren arbeiten mit Drcken bis ca. 1500 bar. Bei den heute verfgbaren Common-Rail-Syste-men fhren dynamische Effekte zu Druckspitzen im Rail, die mehrere Hun-dert Bar betragen knnen und somit den erzielbaren mittleren Druck aus Festigkeitsgrnden limitieren. Um den Einspritzdruck weiter zu steigern, wur-de der Kraftstoffspeicher vom Rail zum Injektor verlagert (Abb. 6). Zustzlich wurde die Hochdruckpumpe zur Darstellung von max. 2000 bar Raildruck konstruktiv berarbeitet.

Abb. 6: Neues Common-Rail-Einspritzsystem mit injektornahem Speicher-volumen

IV.1.2. Entwicklung neuer Einspritzdsengeometrien

Ein weiterer Schwerpunkt bei den Entwicklungsaktivitten der LOrange GmbH war die Herstellung neuartiger Einspritzdsengeometrien. Herkmm-liche Einspritzdsen weisen zentrisch gebohrte Spritzlcher auf, deren Ein-laufkanten durch hydroerosives (HE) Schleifen verrundet werden. Durch elektrokorrosive Bearbeitung als alternatives Fertigungsverfahren knnen bei der LOrange GmbH auch konische Spritzlcher (Abb. 7) hergestellt wer-den, die einem Ablsen der Strmung in den Spritzlchern und damit Kavita-tion und einer negativen Auswirkung auf den Strahlzerfall entgegenwirken. Die Auswirkung der neuen Spritzlochgeometrie auf die Gemischbildung, Ver-brennung und Schadstoffentstehung wurden an den System- und Motoren-prfstnden der Projektpartner detailliert untersucht.

Abb. 7: Zylindrische und konische Spritzlcher mit HE-verrundeten Einlauf-kanten

IV.2. Untersuchungen zur Gemischbildung

Am Lehrstuhl fr Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren der Universitt Rostock wurden die von der LOrange GmbH gefertigten Dsen zunchst am

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Abb. 8: Kennlinien der Injektoren

Abb. 9: Bestimmung des Strahlrandes durch Hell-Dunkel-Grenze

Einspritzverlaufsindikator vermessen. Dazu wurden die Kennlinien der Injek-toren ermittelt (Abb. 8). Die Kennwerte wurden fr 1D-Simulationen des hyd-raulischen Systems genutzt. Im Anschluss wurden die Strahleindringtiefen und die Strahlkegelwinkel in der HD-HT-Kammer gemessen (Abb. 9). Um das Verhalten des Einspritzstrahls bei verschiedenen Motorbetriebspunkten zu untersuchen, wurden die Gasdichte in der Kammer und der Einspritzdruck variiert. Es zeigt sich, dass der Raildruck und die Lochzahl den grten Ein-flussaufdieStrahleindringtiefehaben,whrenddieKonizittnureinengerin-genEinflusshat.

IV.3. Weiterentwicklung von Simulationswerkzeugen

Die AVL Deutschland GmbH fhrte eine Weiterentwicklung von Simulations-werkzeugen durch, so dass eine geschlossene Simulationskette von der Hy-draulik des Einspritzsystems bis zur Schadstoffentstehung whrend der Ver-brennung im Zylinder des Dieselmotors entstanden ist. Schwerpunkte waren die Entwicklung einer besseren Kopplung der 1D-Hydrauliksimulation und der 3D-Dseninnenstrmungssimulation (Abb. 10), die Implementierung ei-nes neuen Modells zum Strahlzerfall und die Erweiterung von Schadstoffbe-rechnungsmodellen, insbesondere von Ru.

Abb. 10: 3D-CFD-Berechnung der Dseninnenstrmung

Die verbesserten Modellanstze wurden schlielich am Beispiel der Verbren-nungssimulation des 6 M 32 zusammengefhrt (Abb. 11). Mit Hilfe der verbesserten Simulationswerkzeuge lassen sich jetzt detailliert die Vorgnge der Gemischbildung, Verbrennung und Schadstoffentstehung untersuchen. So knnen noch vor dem Bau von Prototypen aussichtsreiche Varianten von Einspritzdsen- und Brennraumgeometrieausgewhlt werden.

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Abb. 11: 3D-CFD-Verbrennungsrechnung

IV.4. Untersuchungen an 1-Zylindermotoren

IV.4.1. Grundlagenuntersuchungen mit Abgasrckfhrung

Bei der Abgasrckfhrung wird ein Teilstrom des Abgases der vom Zylinder angesaugten Frischluft zugemischt. Dadurch verringert sich der Sauerstoff-anteil der Zylinderladung und der Inertgasanteil wird erhht.

Exemplarisch zeigt das Abbildung 12 das Vorgehen bei der Versuchsdurch-fhrung am Beispiel des 25% Lastpunktes im Generatorbetrieb. Mit steigen-der AGR-Rate sinkt die NOx-Emission, wobei der Kraftstoffverbrauch leicht und die Ruemission deutlich ansteigen. Um die Ruemission wieder unter die Sichtbarkeitsgrenze zu drcken, ohne den NOx-Grenzwert zu berschrei-ten, erweisen sich eine Erhhung des Einspritzdrucks auf 2000 bar und eine Sptverstellung der Einspritzung als erfolgreich.

Abb. 12: Wirkung von AGR-Rate, Einspritzdruck und Einspritzbeginn im G25 Lastpunkt

Abb. 13: Zielerreichung durch AGR und Hochdruckeinspritzung

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hnlich der gezeigten Variation wurden fr die brigen relevanten Lastpunkte des Emissionszyklus die Emissionswerte und Kraftstoffverbruche gemes-sen, wobei neben der Anhebung des Einspritzdrucks auch eine Nacheinsprit-zung sowie unterschiedliche Dsengeometrien untersucht wurden. Es zeigt sich, dass die NOx-Emissionsgrenze IMO Tier III zwar allein durch Abgas-rckfhrung erreicht wird, aber dass fr die Darstellung einer unsichtbaren Ruemission bei gleichzeitig minimalem Kraftstoffverbrauch eine Anhebung des Einspritzdrucks auf 2000 bar notwendig ist (Abb. 13). Neue Dsengeo-metrien, wie z.B. konische Spritzlcher, wirken sich in einigen Lastpunkten positiv auf die Ruemission aus.

Die am FM 24D erprobte Strategie bildete das Konzept fr den Vollmotor 6 M 32.

IV.4.2. Grundlagenuntersuchungen mit Membranen

Bei der Membrantechnologie wird die Frischluft vor dem Motor ber eine stofftrennende Membran geleitet, die den Luftstickstoff und den Luftsauer-stoff zu einem bestimmten Grad trennt, sodass der sauerstoffarme (und stickstoffangereicherte) Teilstrom dem Motor zugefhrt wird.

Es wurden Membranmodule aus unterschiedlichen Polymeren untersucht, wie sie heute bereits in industriellen Prozessen angewendet werden. Deren Kennwerte wurden zunchst im fr einen Dieselmotor relevanten Ladedruck-bereich bis 5,5 bar und Stickstoffkonzentrationen von 79 bis 83 Vol. % ver-messen (Abb. 14). Analog zur Vorgehensweise mit Abgasrckfhrung am FM 24D wurden am FM 16/1 die Einspritzparameter bei verschiedenen Betriebs-drcken der Membran variiert. In der Summe ergibt sich mit der Membran-technik annhernd dasselbe Bild bzgl. der Schadstoffemissionen wie bei der Abgasrckfhrung. Eine Kombination aus hohem Einspritzdruck und Nach-einspritzung ermglicht die Darstellung der IMO Tier III Stickoxidemissions-grenze bei gleichzeitig unsichtbarem Ru und minimalem Kraftstoffverbrauch (Abb. 15).

Abb. 14: Vergleich der Kennwerte von Membranen

Abb. 15: Zielerreichung durch Ladeluftinertisierung und Hochdruckeinsprit-zung

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IV.5. Untersuchungen am Vollmotor

Der6M32MotorderCaterpillarMotorenGmbHwurdeaufein2-stufigesAufladesystemmit schaltbarer Hochdruck-AGR umgebaut (Abb. 16). DasKonzept sieht vor, dass der Motor innerhalb der ECAs mit dem ab 2015 dort vorgeschriebenen Kraftstoff mit niedrigem Schwefelanteil mit Abgasrckfh-rung betrieben wird und die IMO III Emissionsgrenzen erfllt. Auerhalb der ECAs wird die Abgasrckfhrung abgeschaltet, und der Motor kann mit kos-tengnstigem Schwerl betrieben werden. In diesem Betriebsmodus erfllt der Motor die IMO II Emissionsgrenze.

Abb. 16: Aufladeschema 6 M 32 mit 2-stufiger Aufladung und Hochdruckab-gasrckfhrung

DerAbstimmungdesAufladesystemskameinehoheBedeutungzu.DurchKreisprozessrechnungen wurde das System vorabgestimmt. Mit dem ge-whlten Konzept wurde ein Kompromiss aus ausreichendem Abstand zu den Betriebsgrenzen der Turbolader und hohem Wirkungsgrad gefunden.

MitdemvorhandenenEinspritzsystemundAufladekonzeptdes6M32kannmit optimiertem Luftmanagement die jeweils gltige Stickoxidemissionsgren-ze innerhalb und auerhalb der ECAs eingehalten werden (Abb. 17). Es sind aber noch weitere Schritte ntig, um das Ziel IMO III bei gleichzeitig un-sichtbarer Ruemission und minimalem Kraftstoffverbrauch darzustellen.

Abb. 17: NOx-Emissionsgrenzen werden am 6 M 32 erfllt

Mit der Inbetriebnahme des Hochdruck-Common-Rail-Einspritzsystems wur-den die Voraussetzungen geschaffen, die an den 1-Zylindermotoren erprob-ten Konzepte zur Reduzierung des Rues bei minimalem Kraftstoffverbrauch auf den Vollmotor zu bertragen. Zum Zeitpunkt der Berichterstellung stehen abschlieenden Versuche noch aus.

VIII. Literatur

[1] International Maritime Organisation, MP/CONF. 3/35, Annex Techni-cal code on Control of Emission of Nitrogen Oxides from Marine Die-sel Engines, 10/1997

[2] International Maritime Organisation, MEPC 58/23/Add.1, ANNEX 13, Amendments to the annex of the protocol of 1997 , 10/2008

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BossCEff Steigerung des Propulsionswirkungs-grades durch Reduktion von Nabenwirbelverlusten

Frderkennzeichen: 03SX296

Lars Greitsch, Robert Pfannenschmidt (Mecklenburger Metallguss GmbH)Moustafa Abdel-Maksoud, Markus Druckbrod (Technische Universitt Hamburg-Harburg) Hans-Jrgen Heinke (Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam)

Einleitung

Bedingt durch die Steigerung des Kostendrucks in der Schifffahrt, resultierend aus gestiegenen Kraftstoffpreisen, gesunkenen Transportvolumia und struktu-rellen berkapazitten, liegt der Fokus auf Manahmen, die zu zustzlichen Kraftstoffeinsparungen fhren. Zur Strkung der Position im Bereich Entwurf und Evaluation ergab sich damit fr die Verbundpartner die Notwendigkeit einer systematischen Untersuchung dieser propulsionsverbessernden Manahmen.

Der Stand der Technik bietet seit jeher viele verschiedene, teilweise untereinan-der konkurrierende Manahmen und Technologien, um den Gesamtwirkungs-grad von Schiffen zu steigern. Die Manahmen greifen dabei auf verschiedene physikalische Grundeffekte der Schiffspropulsion zurck. Daher stand zu Be-ginn der Planung des Vorhabens eine Vorauswahl der Manahmen an.

Ziel war es, Manahmen zu identifizieren, die ein gnstiges Verhltnis zwischen Aufwand und Leistungseinsparung zeigen. Auf Basis vorhandener Marktstudien wurden als Arbeitsgrundlage fr das Forschungsvorhaben BossCEff optimierte Ruderanlagen mit Propulsionsbirnen sowie Flossenkap-pen festgelegt. Beide Manahmen weisen geringe Kosten in der Anwendung auf. Darber hinaus waren fr beide propulsionsverbessernde Ma- nahmen Verbesserungspotentiale durch detaillierte numerische Berech- nungen und generische Optimierungen zu erwarten.

2. Vorgehensweise

Das Vorhaben gliederte sich in numerische und experimentelle Vorunter- suchungen, in die Entwicklung von Entwurfs- und Optimierungsverfahren so-wie die Validierung der Berechnungen mit Hilfe von schiffbaulichen Modell-versuchen. Die Antragsteller teilten sich die Gesamtaufgabe gem folgen-der Schwerpunktsetzung:

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1. BossOpt Entwicklung einer Entwurfsmethode (TUHH)

2. BossCalc Entwicklung von Berechnungsverfahren (MMG)

3. BossTest Entwicklung von Testverfahren (SVA)

3. Voruntersuchungen

Im Rahmen der Voruntersuchungen wurde eine Bestandaufnahme vorge-nommen, um sowohl die messtechnischen Mglichkeiten als auch den Stand der Entwurfs- und Berechnungskapazitten mit der gestellten Aufgabe zu vergleichen.

Um eine breite Validierungsbasis fr die zu entwickelnden Entwurfsverfahren zu erlangen, wurden Propellerfreifahrt-, Propulsions- und Kavitationsver- suche mit verschiedenen, im Vorhaben entworfenen Geometrievarianten von propulsionsverbessernden Manahmen im nabennahen Bereich durchge-fhrt (siehe Abb. 1). Darber hinaus wurden dreidimensionale Verteilungen des Strmungsfeldes im interessierenden Bereich betrachtet.

Abb 1: Testprogramm der verschiedenen Kombinationen aus Ablaufhaube und Rudergeometrie innerhalb der Voruntersuchungen

4. Entwicklung der Berechnungsmethoden

Als verwendete Berechnungsverfahren mssen vor allem das nicht-kommerzielle Paneelverfahren panMARE sowie der kommerzielle RANS-Lser Ansys CFX genannt werden. Daneben standen bei den Berechnungen auch MMG-interne Berechnungsverfahren zur Verfgung. Die Erweiterungen der Berechnungsverfahren konzentrierten sich auf

Erweiterung des Berechnungsverfahrens zur besseren Bercksichtigung der Propellernabe

Entwicklung eines geeigneten Kopplungsverfahrens zwischen Paneel-verfahren und RANS-Code

NebenderBercksichtigungderNabenflcheninderpotentialtheoretischenBerechnungsmethode zur Verbesserung der Erfassung der nabennahen Ge-schwindigkeiten stand die numerische Kopplung eines potentialtheoretischen Verfahrens zur Bercksichtigung der Propellerstrmung mit einem viskosen Strmungslser (RANSE-Lser) im Fokus.

Abb. 2: Propellerdiskretisierung des Kopplungsmodells

Das Kopplungsmodell wurde dabei unter Bercksichtigung der axialen Aus-dehnung der Propellergeometrie in Schiffslngsrichtung aufgesetzt, um alle Geschwindigkeitskomponenten der Propellerumstrmung hinreichend ge-nau aus der Propellerberechnung in die Gesamtstrmung zu bertragen (Abb. 2). Die notwendige Rckkopplung der effektiven Strmung erfolgte an Hand von Kontrollpunkten in einem idealen Abstand vor der Propellerebene. Zur Erfassung der instationren Effekte wurde die Berechnung dabei unter zeitlicherAuflsungdurchgefhrt.

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Zur Validierung der Methode wurden verschiedene Plausibilittsber- prfungen durchgefhrt. Dabei wurden die reine Propellerumstrmung sowie die Interaktion mit dem Schiffsrumpf zwischen der gekoppelten Rechnung und voll diskretisierten Berechnungen verglichen und ergaben gute berein-stimmung.

Nachfolgend wurden mit Hilfe der Kopplungsmethode Berechnungen der nabennahen Strmung durchgefhrt. Zur Untersttzung der Berechnungen konnteauf intensiveGitterstudienzur IdentifizierungdernotwendigenDis-kretisierungstiefe des Totwassergebiets hinter der Propellernabe aus den Voruntersuchungen zugegriffen werden.

5. Entwicklung der Entwurfsmethoden

Zur Entwicklung der Entwurfsmethoden unter Anwendung von Optimierungs-algorithmen wurden Konzepte fr die Parametrisierung der zu entwerfenden Geometrie. Neben bekannten Parametrisierungsanstzen fr Propulsions-birnen mussten neue Anstze fr sogenannte bergangshauben und die Flossenkappen gefunden werden, um den Optimierungsalgorithmen die not-wendige Variationsmglichkeit zu geben.

Abb. 3: Aufbau des Optimierungszyklus

Der Optimierungszyklus (siehe Abbildung 3) beinhaltet neben der erwhnten Geometrieerzeugung die Generierung der Rechengitter, die Berechnung so-wie die Auswertung der Ergebnisse auf Basis einer formulierten Zielfunktion. Die Berechnung erfolgte dabei unter Nutzung der gekoppelten Berechnungs-verfahren fr Propeller und globale Strmung.

6. Entwicklung der Testmethoden

Fr den Vergleich der einzelnen Varianten und zur Schaffung einer Validie-rungsgrundlage erfolgten umfangreiche Modellversuche. Neben dem be-kannten Containerschiff KCS wurden die Versuche mit Geometrien von Schttgut- und Mehrzweckfrachtern durchgefhrt. Dabei wurden verschiede-ne Propulsionsbirnen in Kombination mit bergangshauben sowie unter-schiedliche Flossenhauben untersucht.

Bei der Weiterentwicklung der Testmethoden stand die Entkopplung der Kraftmessung von Propeller und Ablaufhaube im Vordergrund. Mit Hilfe eines Doppeldynamometers mit zwei Propellerwellen hnlich dem Aufbau von Ver-suchen mit Gegenlaufpropellern konnten Krfte und Momente an Propeller und Kappe getrennt gemessen werden. Damit ergab sich die Mglichkeit der getrenntenAnalysederEinflssedeseinzelnenEntwurfs.

Abb. 4: Testaufbau mit Doppeldynamometer

NebendemEinflussderEntwurfsvarianteaufdieErgebnissestanddieFragenach Unterschieden in Abhngigkeit von der Testmethode. So wurde bei-spielsweise die Abstromrichtung bei Propellerfreifahrtversuchen untersucht. Es zeigte sich eine sehr starke Abhngigkeit der Propellerkennwerte von der Abstromrichtung. Damit ergibt sich die Notwendigkeit der Bercksichtigung dieser Effekte bei der Aufstellung von Leistungsprognosen fr den schiffbau-lichen Gesamtentwurf.

7. Zusammenfassung

Die Propulsionsverbesserung ist in den letzten Jahren wieder stark in den Fo-kus gerckt. Brennstoffkosten auf dauerhaft hohem Niveau sowie der gestie-gene Konkurrenzkampf der Reedereien lassen das Interesse hier stark wach-sen. Moderne CFD-Verfahren bieten die Mglichkeit bereits bekannte Lsungen weiter zu entwickeln und die erreichbaren Einsparungen zu steigern.

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BossCEff bot den Antragstellern einen tiefen Einblick in das Thema Propulsi-onsverbesserung durch Minimierung der Nabenwirbelverluste. Insbesondere die intensiven Voruntersuchungen boten bald nach Projektstart erste Validie-rungsflle. Die fr die Voruntersuchungen notwendigen systematischen Vor-entwrfe fhrten zu einem raschen Kenntnisgewinn zum Thema Nabenwir-belverluste und propulsionsverbessernde Manahmen. Die parallel laufenden grundlegenden Untersuchungen der nabennahen Strmung mit Hilfe von modernen CFD-Verfahren boten eine gute Untersttzung dieser Arbeiten.

Durch den hohen experimentellen Anteil des Vorhabens konnten die Ent-wurfsarbeiten parallel begleitet werden. Somit waren schnelle Reaktionszei-ten mglich. Insbesondere die komplexe nabennahe Strmung verlangt nach einer sorgfltigen Auswahl der verwendeten Methoden.

Die Antragsteller haben sich whrend der Laufzeit auf zwei Ausfhrungsvari-anten der Propulsionsverbesserung konzentriert. In die nhere Betrachtung kamen die Weiterentwicklung der Propulsionsbirne mit angepasster Ablauf-haube sowie die CFD-basierte Neuentwicklung der Flossenhaube als gnsti-ge Nachrstvariante.

8. Literatur

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LESSEO Untersuchung der Lecksicherheit von Schiffen unter besonderer Bercksichtigung des zeitabhngigen Sinkverhaltens und dynamischer Einflsse aus groen freien Oberflchen


Florian Kluwe (Flensburger Schiffbau-Gesellschaft mbH & Co. KG)Oliver Lorkowski (Flensburger Schiffbau-Gesellschaft mbH & Co. KG) Stefan Krger (Technische Universitt Hamburg-Harburg)Hendrik Dankowski (Technische Universitt Hamburg-Harburg)

Einleitung

Die Einfhrung der harmonisierten, probabilistischen Leckrechnung in 2009 [SOLAS II-1, Part B-1] haben zu einer neuen Bewertung des Sicherheits- niveaus von beschdigten Fahrgastschiffen gefhrt. In diesem Zusammen-hang gewinnt die zeitabhngige Betrachtung der Leckstabilitt zunehmend an Bedeutung.

In der harmonisierten Leckrechnung wird die Bewertung von Zwischen- flutungszustndengefordert.DiederzeitigePraxisberlsstesdemBerech-nungsingenieur, bzw. dem prfenden Mitarbeiter der Flaggenstaatsbehrde oder Klasse, festzulegen welche Zwischenflutungszustnde deterministischbetrachtetwerden.DamitbestehtdieGefahr,dasskritischeZwischenflutungs-zustnde bersehen werden. Eine zeitabhngige Berechnung der Leck- stabilitt unter fortschreitender Flutung bietet hier eine Alternative, um den tat-schlichen Flutungsvorgang zuverlssig zu betrachten.

Auch im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung der Safe Return to Port-Regeln, welche die Funktionsfhigkeit von Fahrgastschiffen fr be-stimmte Schadensszenarien adressieren, wird fr die Zukunft erwartet, dass die Anforderungen an den Nachweis einer sicheren Evakuierung des Schif-fes verschrft werden. Die Bewertung der Evakuierungszeit in einem solchen Fall erfordert ebenfalls eine zeitabhngige Betrachtung der Leckstabilitt, um zuverlssige Aussagen zur zeitabhngigen Schwimmlage in verschiedenen Schadensszenarien machen zu knnen.

Des Weiteren hat bereits die erste im Auftrag der EMSA (European Maritime Safety Agency) durchgefhrte Studie zur Sicherheit von RoRo-Passagierschif-fen [1] gezeigt, dass das Sicherheitsniveau von Fahrgastschiffen nach der

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harmonisierten Leckrechnung (SOLAS 2009) fallweise deutlich geringer ist als nach der alten deterministischen Passagierschiffsleckrechnung nach SOLAS 90 in Kombination mit dem in Europa verbindlichen Stockholmabkommen (EC-Directive 2003/25/EC), da nach der SOLAS 2009 kein Wasser auf Fahrzeug-decks bercksichtigt werden muss. Im Zuge des Vorhabens wurde daher auch die Frage errtert, ob auf Basis der bestehenden Vorschriften ein Kriterium ermittelt werden kann, das den Wasser-an-Deck Fall bercksichtigt und zu ei-nem quivalenten Sicherheitsniveau fhrt.

Im Verbundvorhaben LESSEO ist eine quasistatische Berechnungsmethode entwickelt worden, die eine zeitabhngige Bewertung der Leckstabilitt von Schiffen einschlielich Zwischenflutungszustnden [10] ermglicht. DieMe-thode wurde mit einer Modellversuchskampagne validiert, bei der Leckflle einesSchwimmkrpersimGlattwasser(statisch)undunterEinflusseinerer-zwungenen Bewegung (dynamisch) untersucht wurden. Im Vordergrund der ModellversuchskampagnestandenvorallemLeckfllemiteinersignifikantenFlutungsbehinderung,welchezukritischenZwischenflutungszustndenfhrenkann. Dies dient auch als Qualittskriterium fr die quasistatische Vorgehens-weise, da sich bei Flutungsbehinderung verstrkt dynamische Strmungs- einflssebemerkbarmachen.

Des Weiteren wurden mit der Methode Unfalluntersuchungen [7, 8, 11, 12, 13] durchgefhrt um den Unfallhergang einzelner Schiffe rekonstruieren zu kn-nen.

Weiterhin wurden die entwickelten Methoden angewendet um einen Vorschlag zur Bewertung von groen Wassermengen auf Fahrzeugdecks auszuarbeiten, der in die bestehenden Vorschriften integriert werden knnte.

Der folgende Bericht gibt eine bersicht zu den entwickelten Methoden und der angewendeten Modellversuchskampagne einschlielich einer Diskussion der erzielten Ergebnisse.

Numerische Methoden

Die quasistatische Flutungsmethode nach Dankowski [4] basiert auf einer Berechnung der Flsse durch ffnungen (z. B. Tren, Lecks) ber ein hyd-raulisches Modell. Aufgrund der vernderten Massenverteilung durch das zustzliche Wasser und dessen Ausbreitung im Schiff stellt sich eine neue Schwimmlage ein, die iterativ durch eine hydrostatische Berechnungs- methode ermittelt wird. Die quasistatische Methode wurde im Rahmen des Vorhabens bespielweise zur Unfalluntersuchung der Costa Concordia erfolg-reich angewendet um den Unfallhergang rekonstruieren zu knnen [8].

Bei der Flutung von groen freien Flchen wie beispielsweise Fahrzeug-decks auf Fhren ist die Dynamik der Wasserbewegung genauer zu berck-sichtigen. Diese Berechnung erfolgt mit Hilfe der numerischen Lsung der FlachwassergleichungenunterdemEinflussderaufdieWassermassenwir-kenden Beschleunigungen durch die Schiffsbewegung. Als numerisches Ver-fahren wird die Methode nach Glimm und Petey [5,6] verwendet. Diese wur-de im Rahmen des Vorhabens stabilisiert und erweitert, so dass auch komplexere Geometrien modellierbar sind. Somit ist es jetzt insbesondere mglich, die Geometrie von Fahrzeugdecks besser abzubilden und Leckflle mit Wasser auf dem Fahrzeugdeck im Seegang zu rechnen. Abbildung 1 zeigt am Beispiel der Estonia einen Vergleich der bestehenden (links) und der im Rahmen des Vorhabens erweiterten Diskretisierung des Fahrzeug-decks.

Abb. 1: Diskretisierung der Wasseroberflche durch eine rechteckige Grundflche (links) und mit neuem, flexibleren Gitter (rechts).

Als alternatives Verfahren zur Lsung der Flachwassergleichungen nach Saint-Venant wurde das Verfahren nach Kurganov [6] implementiert. Dieses Verfahren zeichnet sich durch seine Stabilitt und Rechengeschwindigkeit aus, sodass erwartet wird die ursprngliche Methode nach Glimm weiter sta-bilisieren und deren Laufzeit verkrzen zu knnen. Abbildung 2 zeigt die An-wendung des implementierten Lsers nach Kurganov auf ein klassisches Dammbruch-Problem.

Abb. 2: Zeitschritte zur Simulation des Dammbruch-Problems.

Das implementierte Verfahren wird derzeit noch mit weiteren Testfllen verifiziert.AnschlieendsolldasVerfahrenandiebestehendeMethodezurBerechnung von Schiffsbewegungen im natrlichen Seegang unter

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Bercksichtigung der dynamischen Bewegung von Leckwasser auf Decks angebunden werden.

Schwimmkrper

Zur Validierung der entwickelten Methoden wurde ein Schwimmkrper kons-truiert. Die Unterteilung des Schwimmkrpers wurde so gewhlt, dass sym-metrische und unsymmetrische Leckflle sowie Leckflle mit Flutungsbehin-derung untersucht werden knnen. Des Weiteren wurde ein Hauptdeck mit groer Decksflche vorgesehen um den Effekt groer freier Flssigkeits-oberflchenuntersuchenzuknnen.Abbildung3zeigt linkseineFotodesModells und rechts eine schematischer Darstellung der Unterteilung.

Abb. 3: Prinzipieller Aufbau des Schwimmkrpers.

Der Schwimmkrper ist 2 m lang, 0.42 m breit, 0.44 m hoch und wurde voll-stndigausAcrylglasgefertigt.DieflutbarenAbteilungensindinAbbildung3(rechts) blau dargestellt. Die Unterteilung ist an moderne RoPax-Entwrfe angelehnt. Abteilung 22 reprsentiert beispielsweise ein typisches Fahrzeug-deck, wobei sowohl die Variante mit seitlich angeordneten Treppenhusern und Schchten (Side-casing) als auch die mit zentral angeordneter vertika-ler Infrastruktur (Centre-casing) simuliert werden knnen. Abteilung 11 steht fr einen Hilfsmaschinenraum und Abteilung 15 ist ein typischer Leeraum um eine Bunkertankabteilung. Abteilung 14 wurde mit einem Lngsschott ausge-stattet, das an die Positionen 0.5B, 0.35B und 0.25B versetzt werden kann. In der Position 0.25B knnen die Abteilungen 2, 12 und 14 zu einem U-frmi-gen Tank kombiniert werden. Die Abteilungen 1 und 2 haben auf Mitte Schiff einen Mittellngstrger der Mannlochffnungen enthlt. Das Modell kann durchinsgesamt10externeffnungengeflutetwerden(vgl.gelbeffnun-gen in Abb.3): Ein Bodenleck in Abteilung 1, drei Seitenlecks in den Abteilun-gen 11,14 und 15 sowie vier Speigatte und eine Bug- und Heckpforte auf dem Fahrzeugdeck (Abteilung 22). Die Boden- und Seitenlecks sind auf kreisfrmigen Flanschen angeordnet, um die vertikale Position und Leck-

gre im Modellversuch variieren zu knnen. Die Lecks werden im Modell-versuch mit einem Stpselmechanismus geffnet. Des Weiteren verfgt das Modell ber 27 interne ffnungen (vgl. rote ffnungen in Abb.3), die je nach Leckfall mit Klebeband geschlossen oder geffnet sein knnen.

Messtechnik

ImModellversuchwurdendieFllstndeindengeflutetenAbteilungen,dieSchwimmlage des Modells und der Druck in den Doppelbodenabteilungen gemessen. Abbildung 4 gibt zeigt eine Prinzipskizze der installierte Mess-technik.

Die Messsysteme sind ber eine Leiterplatine an einen Bordrechner ange-schlossen, auf dem alle Messwerte verarbeitet und gespeichert werden. Die Steuerung der einzelnen Messsysteme erfolgt extern ber eine WLAN Ver-bindung zum Bordrechner. Die Stromversorgung der gesamten Bordelek-tronik erfolgt ber drei Lithium-Polymer-Akkus. Durch die autonome Strom-versorgung und Datenverarbeitung kann das Modell vllig frei schwimmen undwirdsomitnichtdurchdieMesstechnikbeeinflusst.

Abb. 4: Prinzipieller Aufbau der Messtechnik.

Fllstandsmessung

Das Modell ist mit insgesamt 26 resistiven Fllstandssensoren ausgestattet, die aus jeweils zwei Drhten bestehen und in der Forschungswerkstatt der

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Drucksensoren

Die beiden hinteren Doppelbodenabteilungen sind mit jeweils einem piezo-resistiven Drucksensor ausgestattet, der den relativen Druck unterhalb der Tankdecke misst. Das Messprinzip basiert auf der nderung des elektrischen Widerstands durch die Verformung einer Halbleitermembrane infolge des Druckanstiegs in den Doppelbodenabteilungen.

Bewegungsanreger

Im Hinterschiff ist weiterhin ein Bewegungsanreger installiert, mit dem das Modell in den dynamischen Leckfllen zu einer periodischen Rollbewegung angeregtwird.DerBewegungsanregerbestehtauszweigegenlufigrotie-renden Massen, die sich jeweils in Querrichtung zum gleichen Zeitpunkt berschneiden und von einem Elektromotor angetrieben werden. Die Fre-quenz des Rollmoments wird ber die Spannung des Elektromotors einge-stellt.

Modellversuchskampagne

Abbildung 5 zeigt den Umfang der durchgefhrten Modellversuchskampagne.

Abb. 5: Umfang der Modellversuchskampagne.

Die Modellversuche umfassen

Krngungs-Versuche zur Bestimmung des Gewichtschwerpunktes,

Rolldmpfungs-Versuche zur Ermittelung der Rolldmpfung und der

TUHH entwickelt wurden. Das Messprinzip basiert auf einer Korrelation zwischen dem Fllstand und dem elektrischem Widerstand am Sensor. Wird dieSondemitWasserbenetzt,flieteinStromzwischendenbeidenDrh-ten. Mit steigendem Fllstand sinkt der Widerstand und steigt die Stromstr-ke zwischen den beiden Drhten. Die Widerstandsnderung ist somit propor-tional zur Spannungsnderung am Sensor. Der Zusammenhang zwischen absoluter Fllhhe und Spannung wird aus der Kalibrierung abgeleitet. Die Kalibrierung wurde fr jeden Sensor mit dem Tankwasser der Modellversu-che durchgefhrt um vergleichbare Umgebungsbedingungen (z. B. Tempera-tur und Salzgehalt des Wassers) zu erhalten. Das beschriebene Messver-fahren erlaubt im Prinzip eine zuverlssige Ermittlung der Fllstnde, ist jedoch sensitiv in Bezug auf die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Sensoren. Um die Wechselwirkung zwischen benachbarten Sensoren zu vermeiden, werden jeweils 4 Fllstandsensoren zeitversetzt angesteuert.

Des Weiteren wird die Flutung in ausgewhlten Abteilungen durch lokal installierte Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet. An den Seiten-wnden der Abteilungen ist ein Raster aufgebracht, mit dem der gemessene FllstandanhandderKameraaufzeichnungverifiziertwerdenkann.

Messung der Schwimmlage

Die Bewegung und Schwimmlage des Modells wird ber eine Inertialmess-einheit (kurz IMU) und ein Stereo-Kamerasystem erfasst. Die IMU ist mit drei faseroptischen Kreiseln und drei Beschleunigungsmessern ausgestattet, die paarweise um 90 versetzt zu einander installiert wurden. Die Abtastrate der Sensoren betrgt 221 Hz. Aus den Sensoren folgenden direkt die Drehraten und Beschleunigungen entlang der drei Raumrichtungen. Die Lage (Position in Lngs-, Quer- und Vertikalrichtung und entsprechenden Drehwinkel) lsst sich mit der IMU nicht erfassen, da die Erdbeschleunigung eine Mittelpunkt-sabweichung der Sensoren zur Folge hat, die zu einem erheblichen Drift-Fehler in den integrierten Lageparametern fhrt [3]. Aus diesem Grund wird zur Erfassung der Schwimmlage das Stereo-Kamerasystem verwendet. Das Messprinzip des Kamerasystems basiert auf einer visuellen Erfassung eines optischen Merkmals, das aus 4 punktfrmigen Lichtquellen besteht (vgl. Abb. 4). Die Punktquellen werden durch einen Vergleich der Kamerabil-der zueinander in Beziehung gesetzt und mit einem Triangulationsverfahren die Lageparameter berechnet [3]. Die Abtastrate des Stereo-Kamerasystems betrgt 10 Hz.

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Trgheitsradien unter Bercksichtigung des hydrody-namischen Mas-senanteils,

Torricelli-VersuchezurBestimmungdesempirischenDurchfluwider-standsbeiwertes,

Statische und dynamische (mit Rollanregung) Flutungsversuche mit Flutungsbehinderung durch Einbauten, symmetrischer/asymmetrischer Flutung von 1-9 Abteilungen, Luftkompression im Doppelboden, Wasser auf dem Fahrzeugdeck.

Insgesamt wurden 15 Flutungsversuche durchgefhrt von denen zwei im fol-genden Kapitel exemplarisch beschrieben werden.

Leckfall mit statischer Ausgangsschwimmlage

Abbildung 6 zeigt den Flutungsprozess eines Leckfalls mit Flutungsbehinde-rung Beispiel von Abteilung 15.

Abb. 6: Flutung der Abteilung 15 zum Zeitpunkt 1s, 3s, 5s und 9s nach ffnung des Lecks.

Der Schwimmkrper befindet sich zu Beginn in der statischen Gleichge-wichtslage, ohne Trimm und Krngung.

Kurz nach dem ffnen des Lecks entsteht ein freier Wasserstrahl, der an der inneren Tankwand von Abteilung 15 aufsteigt. Der Flutungsprozess ist zu

diesem Zeitpunkt durch deutlich Spritzer und Luftblasenbildung gekenn-zeichnet (vgl. Zeitschritt 3s in Abb. 6). Infolge der Flutungsbehinderung sam-melt sich das Wasser zu Beginn auf der Steuerbordseite woraus ein krngen-des Moment entsteht (auermittiger Gewichtsschwerpunkt), dass den Schwimmkrper nach etwa 3s in eine deutlich Neigung versetzt. Bei fort-schreitender Flutung findet zunehmend einAusgleich der Fllstnde zwi-schen Backbord und der Steuerbordseite statt. Innerhalb der Abteilung bildet sich nach etwa 5s kurzzeitig eine Welle, die den Schwimmkrper zur Back-bordseite rollen lsst. Nach dem Ausgleich der Fllstnde steigt der Wasser-spiegel in der Abteilung quasistatisch an (vgl. Zeitschritt 9s), bis der Schwimm-krper nach etwa 12s seine Gleichgewichtslage erreicht.

Abbildung 7 einen Vergleich des gemessenen und berechneten Rollwinkels ber der Zeit.

Abbildung 7: Statische Flutung von Abteilung 15.

Die Flutungsbehinderung und Energiedissipation im Querflutungskanal wurde in der quasistatischen Methode durch zwei ffnungen mit entspre-chendem Widerstandsbeiwert modelliert. Der Vergleich zwischen berech-neten und gemessenen Rollwinkel zeigt, dass der kritische Zwischen- flutungszustandvonderquasistatischenFlutungsmethodeimBetragrichtigprognostiziert wird. Allerdings weist der berechnete Rollwinkel zu Beginn der Flutung einen Zeitversatz zum Modellversuch auf, da die quasi-statische Methode nicht die Massentrgheit und dynamische Flssigkeitsbewegung erfasst. Des Weiteren zeigt der Vergleich, dass die Rollbewegung des Schwimmkrpers im Modellversuch deutlich schneller erfolgt als in der Be-rechnungsmethode. Der gesamte Flutungsvorgang induziert eine Roll- bewegung des Schwimmkrpers um seine Gleichgewichtslage, die ebenfalls von der quasistatischen Methode nicht erfasst wird.

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Leckfall mit dynamischer Ausgangsschwimmlage

In folgenden wird die Flutung von Abteilung 15 bei dynamischer Ausgangs-schwimmlage betrachtet. In diesem Fall wird der Schwimmkrper durch den Bewegungsanreger whrend der Flutung zu einer Rollbewegung angeregt.

Abbildung 8 zeigt Ausschnitte des Flutungsprozesses zu den Zeitschritten 1s, 3s, 5s und 9s nach ffnen des Lecks.

Abb. 8: Dynamische Flutung von Abteilung 15.

Der Vergleich zur Abbildung 6 zeigt, dass das Wasser deutlich anders Verteilt ist als im statischen Fall (vgl. z. B. Zeitschritte 3s und 5s). In der Abteilung bildet sich eine dynamische Wasserbewegung (Wellenbewegung) aus, die einen Phasenversatz zur Anregung aufweist (vgl. 5s in Abb. 8). Ab- bildung 9 zeigt den Rollwinkel fr die Flutung von Abteilung 15 mit Rollbewe-gungsanregung.

DasLeckwurde imMaximumderRollbewegunggeffnetumdenEinflussauf die Schiffsbewegung so gering wie mglich zu halten. In Abbildung 9 ist zuerkennen, dass die Rollbewegung zu Beginn im Wesentlichen durch die in-duzierte Bewegung des Bewegungsanreger gekennzeichnet ist. Nach ca. 5s dmpft das Wasser zunehmend die Rollbewegung und verschiebt weiterhin die Rolleigenperiode des Schwimmkrpers hin zu kleinen Wellenlngen. Da-durchluftBewegungsanregerzuschnellumeinesignifikanteRollbewegungerzeugen zu knnen. Der Vergleich mit dem statischen Leckfall zeigt, dass sich der Bewegungsverlauf grundstzlich unterscheidet, da im dynamischen Fall keinkritischerZwischenflutungszustandauftrittbzw.dergrteRollwinkelzu

Beginn des Leckfalls vorliegt. Die Bewegung bzw. der Flutungsprozess wird somit im dynamischen Fall nicht so stark durch die Flutungsbehinderung be-einflusstwieimstatischenFall.DieFlutungszeit(biszumErreichendesmaxi-malen Fllstands in Abteilung 15) ist hingegen fr beide Flle vergleichbar (betrgt etwa 12s). Das bedeutet, dass bei diesem Leckfall die dynamische Wasserbewegung innerhalb der Abteilung zwar den Flutungsverlauf jedoch nichtdieZeitbiszumErreichenderEndschwimmlagebeeinflusst.

Abb. 9: Rollwinkel bei Flutung von Abteilung 15 mit Rollanregung.

Stabilittskriterien zur Bewertung groer Flssigkeitsoberflche auf Fahrzeugdecks

Unfalluntersuchungen wie die der MV Estonia, Salam Boccaccio 98 oder der Herald of Free Enterprise haben gezeigt, das typische Versagenszena-rien im Intakt-Fall auftreten. Dies gilt insbesondere auch fr Brandflle, bei denen mit einer erheblichen Wassermenge durch Lschwasser auf dem Fahrzeugdeck zu rechnen ist. Von daher erscheint es logisch, den Fall Was-ser-an-Deck eher der Intakt- als der Leckstabilitt zuzuordnen, weil fast alle relevanten Unflle keinerlei Beschdigung unter der Wasserlinie hatten. Aus diesem Grund wurde ein neues Intaktstabilittskriterium mit Wasser an Deck entwickelt. Die prinzipielle Vorgehensweise besteht aus zwei Schritten:

1. Ermittlung einer anzusetzenden Entwurfswassermenge auf dem Fahrzeugdeck.

2. Berechnung der statischen Hebelarme einschlielich dieser Wassermenge und Bewertung der Stabilitt mit ausgewhlten Kriterien.

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Zur Analyse der anzusetzenden Wassermenge auf dem Fahrzeugdeck wur-den verschiedene RoPax-Schiffe der Flensburger Schiffbau-Gesellschaft (FSG) untersucht, welche die deterministischen Leckstabilittsanforderungen nach SOLAS 90 und zustzlich die Anforderungen des Stockholmer Abkom-mens erfllen. Betrachtet man nun relevante Unflle, dann stellt man fest, dass sich das Schiff in einem gefhrlichen Zustand befand, die Crew dies aber nicht erkannte und diesen Zustand solange hat andauern lassen, bis sich die Stabi-litt des Schiffes so stark verringert hatte, dass meist eine irreversible Situation vorlag. Der Ansatz fr die anzusetzende Wassermenge muss also anschaulich Stabilittsnderungen des Schiffes bewerten. Als Bewertungsmastab wird hier die nderung der Rollperiode herangezogen.

Daher wurden die ausgewhlten Schiffe mit numerischen Rollausschwingver-suchen untersucht, bei denen fr jedes Schiff die Wassermenge auf dem Fahr-zeugdeck sukzessive erhht wurde. Der Verlauf der Rolleigenperiode ber der akkumulierten Wassermenge zeigt, dass die Rolleigenperiode zu Beginn nur leicht zunimmt. Nach Erreichen einer kritischen Wassermenge nimmt die Rolleigenperiode mit zunehmender Wassermenge stark zu, bis das Schiff schlielich kentert. Die Analyse des Rollausschwingversuches zeigt weiterhin, dass die Entwrfe ausreichend Stabilittsreserven aufweisen, sofern die Roll-eigenperiode kleiner als das zweifache der Rolleigenperiode im Ausgangszu-stand ist. Dieser Wert korreliert etwa mit der kritischen Wassermenge fr die untersuchten Entwrfe. Aus diesem Grund kann die Verdoppelung der Rollei-genperiode als erster Richtwert zu Beurteilung der anzusetzenden Wasser-menge und Bewertung der Stabilitt an Bord durch die Crew an Deck herange-zogen werden.

Zur Bewertung der Stabilitt wurden die Hebelarme der untersuchten Schiffe einschlielich dieser Wassermenge berechnet und die resultierenden Stabili-ttseigenschaftenbewertet.AusdenStabilittseigenschaftenwurdenvorlufi-ge Kriterien bezglich des maximalen Krngungswinkels, des maximalen He-belarms und der Flche unter der Hebelarmkurve abgeleitet. Die Kriterien sind mit dem Sicherheitsniveau aus SOLAS 90 und Stockholabkommen konsistent, da alle Schiffe mit SOLAS 90 und Stockholmer Abkommen auch die neuen Kriterien erfllen. Weitere Ausfhrungen zur Methodik und den angewendeten Kriterien sind in [2] enthalten.

Fazit und Ausblick

Das Verbundvorhaben LESSEO hat eine numerische Methode erarbeitet, die basierend auf einem quasistatischen Berechnungsansatz Flutungsvorgnge von leckgeschlagenen Schwimmkrpern im Zeitbereich abbilden und analy-sieren kann. Die Methode ist ausreichend genau soweit die Dynamik des

eingedrungenen Wassers, beispielsweise durch groe freie Flssigkeits-oberflchen,diedurchdieBewegungendesSchiffesimSeegangangeregtwerden, nicht von Bedeutung ist.

ZurUntersuchung freierFlssigkeitsoberflchensind imProjektMethodenweiterentwickelt worden, die Wasserdynamik in Tanks mittels Flachwasser-gleichungen modellieren. Dabei wurden zwei Anstze getestet.

Zur Validierung der entwickelten numerischen Methoden sind Modellversu-che mit einem eigens entworfenen Schwimmkrper, der typische Untertei-lungsschemata moderner RoRo-Fahrgastschiffe nachbildet, durchgefhrt worden.

Die durchgefhrte Modellversuchskampagne biete eine umfangreiche Da-tenbasis zur Validierung von quasistatischen und dynamischen Flutungsmo-dellen. Die Modellversuche umfassen sowohl symmetrische, unsymmetri-sche und dynamische Leckflle von schiffbautypischen Abteilungen und stellen somit eine wertvolle Ergnzung zu den bisher durchgefhrten Modell-versuchen dar. Der entwickelte Schwimmkrper bietet in seiner Konstruktion weitere Freiheitsgrade, die in Anschlussvorhaben genutzt werden knnten. Beispielsweise knnten Verzweigungsprobleme durch eine Variation des vertikalen Gewichtsschwerpunkts, Leckflle mit Stampferregung oder weite-re Leckfallkombinationen untersucht werden.

DievorlufigeAuswertungderFllstandsmessunghatgezeigt,dasstrotzderrumlichen Trennung eine Wechselwirkung zwischen den Sensoren auftritt sobald mehr als vier Sonden benetzt werden. Dies ist vor allem bei Leckfl-len mit mehr als 3 Abteilungen der Fall. Fr zuknftige Versuche knnte eine Erweiterung der zeitversetzten Ansteuerung auf mehr als vier Sensoren aus-gearbeitet werden (Multiplexverfahren), um auch Fllstnde in umfangrei-cheren Leckfllen zuverlssig messen zu knnen. Als Alternative zum Multi-plexverfahren knnten die Sensoren mit einem Faradayschen Kfigausgestattet werden, der die elektrischen Felder der einzelnen Sensoren abschirmt. In diesem Fall ist jedoch mit einer weiteren Flutungsbeeintrchti-gung durch die Sensoren und einem erhhten Fertigungsaufwand zu rech-nen. Weiterhin knnten Fllstandsmessungen durch Druck oder Ultraschall-sensoren in Betracht gezogen werden.

Die Auswertung der Modellversuche hat gezeigt, dass mit der quasistatischen Flutungsmethode im Prinzip auch kritische Zwischenflutungszu-stnde berechnet werden knnen. Der gemessene Rollwinkel konnte in dem dargestellten Leckfall mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit prognosti-ziert werden.Allerdings erfordert die Definition des numerischen Modells empirische Erfahrungswerte, die aus den Modellversuchen abgeleitet wer-

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den knnen. In Bezug auf die Flutungsgeschwindigkeit / Zeit bis zum Errei-chen der Endschwimmlage ist die Prognosegenauigkeit der quasistatischen Methode geringer. Die Auswertung de Modellversuche hat gezeigt, dass die prognostizierte Flutungszeit teilweise um bis zu 30% von den Messwerten abweicht [9]. Dies hngt stark von der Art der betrachteten Leckflle ab. Die lngeren in den Modellversuchen beobachteten Flutungszeiten knnten durch zustzliche Energiedissipation infolge von Spritzern, Wellenbewe-gung, oder Reibung an den Tankwnden, bzw. eine rezirkulierende Wasser-strmung in den Leckrumen hervorgerufen werden. Zustzlich hat natrlich die tatschlicheDurchflussratedurchdieLeckffnunggroenEinfluss,diehufigaufgrundlokalerStrmungsvorgngegeringerausflltalsnachderimfreienAusflussermitteltenTorricelli-Zahlzuerwartenwre.DesWeiterenhatdie Auswertung der Modellversuche gezeigt, dass die dynamische Schiffsbe-wegung vor allem bei sehr schnellen Flutungsvorgngen in der ersten Phase nacheinerBeschdigungeinenEinflussaufdenFlutungsvorganghat.DieKrngungszunahme erfolgt bei Leckfllen mit relativ schnellen Flutungsvor-gngen/groen Rollgeschwindigkeiten stufenfrmig, da der Schwimmkr-per kurzzeitig eine dynamische Gleichgewichtslage erreicht. In diesen Fllen spielt die Trgheit des Schwimmkrpers und damit die Dynamik dieses Vor-ganges eine groe Rolle. Aus diesem Grund soll die quasistatische Methode im nchsten Schritt um ein dynamisches Modell erweitert werden, um auch denEinflussderdynamischenSchiffsbewegungbesserabbildenzuknnen.

Die entwickelten Stabilittskriterien beschreiben eine Mglichkeit, wie das Sicherheitsniveau fr aktuelle Fahrgastschiffentwrfe hinsichtlich groer WassermengenaufFahrzeugdecksverbessertwerdenknnte.Diedefinier-ten Kriterien sind konsistent zum Sicherheitsstandard, der sich aus der An-wendung der SOLAS 90 Regeln in Kombination mit den Wasser-an-Deck Forderungen nach dem Stockholm Abkommen ergibt, da alle untersuchten Schiffe, die diesen Standard erfllen, auch die neuen Sicherheitskriterien er-fllen. Die Kriterien wurden als Intaktstabilittskriterien definiert und be-schreiben somit eine Stabilittsreserve bei groen Wassermengen auf den Fahrzeugzeugdecks im Intaktfall z. B. infolge von Lschwasser. Zurzeit wer-den die erarbeiteten Kriterien anhand von weiteren Fahrgastschiffentwrfen validiert und gegebenenfalls erweitert.

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AKTos Aktive Kontrolle von Torsionsschwingun-gen duch Kupplungselemente


Dipl.-Ing. Jochen Exner (CENTA Antriebe GmbH, Haan)Dr. Ing. Mahamudul Hasan (CENTA Antriebe GmbH, Haan)Dipl.-Ing. Daniel Schlote (Fraunhofer LBF, Darmstadt)

Aufgabenstellung

Dem Projekt AKTos liegt die Aufgabe zugrunde, erstmalig eine aktive, d. h. eine sich selbstadaptierende Kupplungskomponente im dieselmotorischen Antriebsstrang von Schiffen zu entwickeln. Diese Kupplungskomponente soll strende Torsionsschwingungen bzw. Drehungleichfrmigkeiten reduzieren, indem entweder die Basiskennwerte einer hochelastischen Kupplung, d. h. SteifigkeitundDmpfung,situationsgerechtundgeregeltsoverndertwer-den, dass eine optimale Kompensation erfolgt, oder dass durch eine zeitlich vernderliche Drehmomentschwingamplitude ein Gegensignal zur Anregung des Motors in der Summe einen mglichst guten Ausgleich nach auen be-wirkt.

Lsungsweg und Lsungsbeschreibung

Zur Lsung der Aufgabe wurde verstrkt die Simulationstechnik eingesetzt, indem ein speziell fr dieses Projekt definierter Referenzantriebsstrang (Abb. 1: Dieselmotor ca. 500kW, die neue aktive Kupplung und im Vergleich eine klassische Ringelementkupplung, bersetzungsgetriebe, Propeller) mglichst detailliert in seinem schwingungstechnischen Verhalten abgebildet wurde.

Abb. 1: Referenzantriebsstrang, Anlagenschema in offener Bauweise

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Die Funktionen und das multiphysikalische Verhalten des aktiven Kupp-lungsmoduls, sowie verschiedener alternativer Lsungsanstze, wurden da-bei umgesetzt. Anhand von Komponententests, in denen das Systemverhal-tenimkleinenUmfangverifiziertwerdenkonnte,wareineVerfeinerungderSimulationsmodelle schrittweise mglich. Auf Basis dieser Vorarbeiten war schlielich eine Festlegung auf ein favorisiertes Lsungskonzept fr den Ak-tor, als auch das aktive Kupplungssystem mglich. Die favorisierte Lsung bestand aus einer sequenziellen Anordnung einer ein- oder zweireihigen passiven Kupplung und einem neuartigen elektrodynamischen Aktormodul. Letzteres ermglichte die Einleitung von frequenzabhngigen Wechseldreh-momenten bis 600Nm in das Wellensystem. In Verbindung mit der hohen DynamikzurAuflsungvonmechanischenSchwingfrequenzenbis300Hzwre damit eine Kompensation der Anregungen bis zu einer 12ten Motorord-nung erreichbar.

Nachfolgend erfolgte die konstruktive Umsetzung, die Beschaffung der Ein-zelkomponenten, schlielich die Montage und Testerprobung des Aktormo-dul in einem dynamischen Verspannungsprfstand. Eine Reihe von Stan-dardtests, das Temperaturverhalten, und wichtige Kennwerte fr den regelungstechnischen Abgleich konnten so ermittelt werden.

Im Rahmen des Vorhabens wurde dieser Lsungsansatz schlielich als funktionsfhiger aktiver Kupplungsprototyp aufgebaut und im o.g. Referenz-antriebsstrang ausfhrlich getestet. Die Systemeigenschaften konnten im Vergleich zu heutigen passiven Kupplungen bestimmt werden.

Ergebnisse

Die Funktion und die Fhigkeit des neu entwickelten aktiven Kupplungssys-tems Schwingungen in dieselmotorischen Antriebsstrngen deutlich zu redu-zieren, konnte im Projektverlauf eindrucksvoll gezeigt werden. Das Kern- ergebnis, d. h. der Grad einer Reduktion der strenden Schwingungsamplitu-den bertrifft die Erwartungen. Konkret konnten die Schwingamplituden im Normalbetrieb bis zu 50% und im Zndaussetzerbetrieb bis zu 90% reduziert werden, jeweils verglichen mit einer bereits optimalen Auslegung mit passi-ven Gummiringkupplungen. Der real vermessene Aktor und Kupplungsauf-bau hat aus dem unstetigen Drehzahl- bzw. Drehmomentverlauf des Diesel-motors nahezu einen konstanten Verlauf gemacht, der eher dem einer elektrischen Antriebsmaschine nahe kommt. Die damit massiv reduzierten Drehschwingungen lassen sich vorteilhaft in Laufruhe, reduzierten Sicher-heitsfaktoren (vgl. Lastberhhungsfaktoren bei vielen Auslegungsnormen) und damit wenigstens langfristig in kleineren Baugren beispielsweise von Getrieben, und damit Massen, umsetzen.

Das elektrodynamische Aktorprinzip zeigt einen hohen Grad an Praxistaug-lichkeit, und zwar in Bezug auf das hohe Leistungsniveau von ca. 500kW bzw. 3000Nm Nennantriebsmoment, als auch in Bezug auf eine wirtschaftli-che Umsetzung einer spter geplanten Serienkomponente.

Die Schnelligkeit der Regelung zwischen der mechanischen Struktur, der Sensorik, der regelungstechnischen Verarbeitung zur Bestimmung einer Ak-torkraft, sowie der Aktorik selbst, ist hervorzuheben. So reagiert der Aktor, je nach zugrundeliegendem Regelungskonzept, in nur weniger als 500 msec auf einen neuen Lastfall, was in der Praxis quasi als Echtzeit beschrieben werden kann.

Ein weiterer Nutzen hat sich in der Anwendung der modelbasierten Simulati-on mittels von Softwareprogrammen wie matlab/simulink oder maplesim he-rausgestellt. Diese Art der Simulation hat sich als sehr przise in der Vorher-sage von spteren praktischen Messergebnissen bewhrt. Das Nebenziel zurVerifikationeinerderartigenEntwicklungsmethodikfraktiveSystemeistdamit erreicht.

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PREMAN Mastabseffekte und Umwelteinflsse bei der Vorhersage des Manvrierverhaltens seege-hender Schiffe


A. Cura Hochbaum, J. Schwarz-Beutel, L. Koopmann (TU Berlin)O. el Moctar, J. Hpken, U. Lantermann (Universitt Duisburg-Essen)J. Lassen (Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH)

1. Motivation

Die klassische Vorgehensweise, um die Manvriereigenschaften eines neuen Entwurfs zu bestimmen, besteht darin, Manvrierversuche in einem Schlepptank oder Manvrierbecken durchzufhren. Hierbei kann es sich um Versuche mit einem frei fahrenden Modell oder um Kraftmessungen bei er-zwungenen Bewegungen mit einem gefesselten Modell handeln. blicher-weise wird bei der Extrapolation der Ergebnisse aus Manvrierversuchen auf die Groausfhrung des Schiffes von der Annahme ausgegangen, dass Effekte, die aus der Nichteinhaltung des Reynoldschen hnlichkeitsge- setzes entstehen (sog. Mastabseffekte), sich gegenseitig aufheben, und die Versuchsergebnisse werden direkt auf die Groausfhrung bertragen. Es besteht nach wie vor keine genaue Kenntnis ber das Ausma der durch die Mastabseffekte verursachten Fehler. Die Klrung dieser Frage ist umso wichtiger, als dass Modellversuchsergebnisse in manchen Fllen ein besse-res Manvrierverhalten des Schiffes zeigen, als in Wirklichkeit.

Im Folgenden werden auszugweise Ergebnisse des Verbundvorhabens PREMAN dargestellt, wobei die Ergebnisse in vollem Umfang in den Ab-schlussberichten der Teilprojekte dargestellt werden.

2. Methodik

Es knnen im Wesentlichen zwei Mastabseffekte unterschieden werden:

1. Im Modellmastab ist die Reynoldszahl um zwei Grenordnungen kleiner als in der Groausfhrung. Hierdurch sind die Grenzschicht und Ablsungserscheinungen berzeichnet, was eine kleinere Anstrmge-schwindigkeit des Ruders und damit eine geringere Ruderwirksamkeit zur Folge hat.

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wurden von der Universitt Duisburg-Essen, die virtuellen gefesselten Tests von der Technischen Universitt Berlin durchgefhrt.

Abb. 2: Das frei manvrierende Modell des Zweischraubenschiffes.

Fr beide Schiffe wurden umfangreiche Groausfhrungsversuche durchge-fhrt, um eine berprfung der verschiedenen Manvrierprognoseverfahren zu ermglichen (siehe Abb. 3).

Abb. 3: Drehkreisversuch: Heckwasser des Einschraubenschiffes (links) und des Zweischraubenschiffes (rechts).

Im Rahmen von PREMAN wurden zudem folgende Themen behandelt:

EinflussderPropellerquerkrfteaufdasManvrierverhalten,

Bercksichtigung der Maschinendynamik und deren Implemen- tierung im Modellversuch mit frei fahrendem Modell,

QuantifizierungderStrmungskrfteinfolgeWindundWellen.

3. Testflle und Groausfhrungsmessungen

Umfangreiche Groausfhrungsmessungen auf zwei Schiffen (Hauptabmes-sungen siehe Tab. 1) wurden durch die grozgige Bereitstellung der Schiffe durch die Reedereien HARREN UND PARTNER und HAPAG-LLOYD er-mglicht. Die Messungen wurden vom GERMANISCHEN LLOYD, mit gro-er Untersttzung durch die Projektpartner, durchgefhrt.

2. Gegenber der Groausfhrung unterliegt das Modell einem verhlt-nismig greren Zhigkeitswiderstand, was bei Selbstpropulsion eine erhhte Belastung des Propellers und damit einhergehend eine strkere Anstrmung des Ruders zur Folge hat, sofern sich dieses im Propeller-strahlbefindet.DieRuderwirksamkeitwirdhierdurch imModellversuchknstlich erhht.

Darber hinaus knnen weitere Mastabseffekte auftreten. Aus der im Mo-dell hheren Schubbelastung des Propellers kann beispielsweise eine Ver-nderung der Begradigung der Ruderanstrmung resultieren. Ferner werden die Seitenkrfte vonRuder undRumpf von derReynoldszahl beeinflusst.Darber hinaus kann im Gegensatz zum Modellversuch in der Groaus- fhrung am Ruder Kavitation auftreten. Die beiden erstgenannten, entgegen-gesetzt wirkenden Effekte knnen sich im Falle eines Einschraubenschiffes ausgleichen. Die bliche Wahl des Selbstpropulsionspunktes des Modells (MSPP) statt des Selbstpropulsionspunktes der Groausfhrung (SSPP) kann jedoch, vor allem bei Zweischraubenschiffen, zu einem besseren Ma-nvrierverhalten des Modells fhren, als dies die Groausfhrung tatschlich widerspiegelt.

Abb. 1: Modell des Einschraubenschiffes beim gefesselten Versuch.

Eine zentrale Frage des Forschungsprojektes war, ob der Modellversuch im Modell-Selbstpropulsionspunkt oder Schiff-Selbstpropulsionspunkt durchzu-fhren ist. Zur Klrung dieser Frage wurden bei der HSVA umfangreiche Ver-suche mit gefesseltem (siehe Abb. 1) sowie frei fahrendem (siehe Abb. 2) Modell eines Ein- sowie eines Zweischraubenschiffes durchgefhrt. Wh-rend im gefesselten Versuch der Propulsionspunkt frei gewhlt werden kann, musste fr die Versuche mit frei fahrendem Modell eine neue Versuchstech-nik entwickelt werden, um den Propeller mittels einer Zugkraft zu entlasten.

Eine weitere zentrale Fragestellung des Projektes war, mit welcher Gte die numerische Vorhersage des Manvrierverhaltens von Schiffen mglich ist. Hierfr wurden zwei numerische Verfahren weiterentwickelt. Im Anschluss wurden RANS-basierte Simulationen der frei fahrenden und gefesselten Ma-nvrierversuche durchgefhrt (sog. virtuelle Tests). Die virtuellen freien Tests

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4. Modellversuche HSVA

Der CPMC (Computerized Planar Motion Carriage) wird bei Versuchen mit dem frei fahrenden Modell im Wesentlichen zur przisen Positionsverfolgung der ebenen Bewegung genutzt. Die Positionsverfolgung arbeitet dabei so genau, dass Relativbewegungen zwischen dem CPMC Kopf und dem Modell vernachlssigbar klein bleiben. Diese Voraussetzung ermglicht die Einlei-tung einer ueren Kraft in das frei fahrende Modell.

Die zur Wahl des Propulsionspunkts zustzlich ins Modell eingeleitete Rei-bungsabzugskraft ist von der Geschwindigkeit abhngig. Whrend diese beim Propulsionsversuch konstant ist, ist sie bei Rudermanvern mit dem frei fahrenden Modell vernderlich. Daraus resultiert die Forderung, dass der Reibungsabzug dynamisch aufgebracht werden muss.

Das von der HSVA neu entwickelte, weltweit einmalige Messsystem erlaubt eine reglergesteuerte Krafteinleitung in Abhngigkeit von der gemessenen Momentangeschwindigkeit. Diese Krafteinleitung wird ber die Auslenkung einer Feder gesteuert: An einem vertikalen Arm unterhalb des CPMC Kopfes besteht eine Seilverbindung zu einem Motor-Feder-System. Die eingeleitete Kraft wird an einer Kraftmessdose kontrolliert. Eine PID Regelung sorgt fr die Einhaltung der gewnschten Kraft.

Es wurden Modellversuche mit dem Einschrauber und dem Zweischrauber bei unterschiedlichen Reibungsabzugsintensitten durchgefhrt.

Abbildung 4 zeigt ein Z10/10-Versuch mit dem Modell des Einschraubers bei unterschiedlichen Reibungsabzugsintensitten (0% und 100%). Die Auswir-kung auf die berschwingwinkel ist marginal, tendenziell werden diese mit strkerem Reibungsabzug grer. Das zeitliche Verhalten wird jedoch merk-bar beeinflusst.DieReaktion auf einen verndertenRuderwinkelwirdmitsteigendem Reibungsabzug verzgert.

Abbildung 5 zeigt ein Z10/10-Versuch mit dem Modell des Zweischraubers. Die Wirkung auf den berschwingwinkel ist wie bei den Versuchen mit dem Einschrauber sehr klein. Der zeitliche Verlauf wird beim Einschrauber-Modell strkerbeeinflusstalsbeimZweischrauber.JedochwurdedasZweischrau-benmodell in einem recht kleinen Mastab gebaut, wodurch sich Mastabs-effekte entsprechend geringer auswirken.

Die Versuchstechnik wurde zustzlich um die Mglichkeit der automatisier-ten Drehzahlregelung erweitert, um die Maschinencharakteristik des echten Schiffes whrend eines Manvers korrekt nachzubilden. Hierfr lsst sich nun in der Versuchsanlage eine Leistungs-, bzw. Momentenkurve der Haupt-

Einschraubenschiff

Die Messfahrten mit dem Einschraubenschiff, einem 4.600 TEU Panmax-Containerschiff, fanden zwischen Kobe und Tokyo statt. Das Schiff war leicht achterlich vertrimmt. Die Tests wurden in tiefem Wasser und bei guten Wet-terbedingungen (miger Seegang, Wind: 4-5 Bft) durchgefhrt. Es wurden zwei Drehkreis- und sieben Z Versuche gefahren.

Zweischraubenschiff

Die Messfahrten mit dem Zweischrauben-Dockschiff fanden im rmelkanal vor der Mndung der Seine bei idealen Wetterbedingungen statt. Um die ausgeprgte Tidenstrmung (1.7 kn) korrigieren zu knnen, wurden in re-gelmigen Abstnden Drehkreise mit 720 Kursnderung gefahren. Das Schiff war leicht achterlich vertrimmt. Insgesamt wurden 23 Drehkreis- und 38 Z-Versuche gefahren. Hierbei wurden ausgewhlte Versuche fters wie-derholt.

Tab. 1: Hauptabmessungen und Propellerdaten der beiden Schiffe.

Abb. 4: Z10/10-Versuch mit dem Einschrauber.

LPP 281,59 m 95,60 m Art FP CPPB 32,00 m 19,60 m D 8,3 m 2,4 mTAP 12,24 m 3,99 m AE/A0 0,803 0,489TFP 10,90 m 3,75 m P/D 1,030 0,988cB 0,65 0,74 z 6 4v0 18,10 kn 10,50 kn 39,89 13,66

Hauptabmessungen PropellerdatenEinschrauber Zweischrauber Einschrauber Zweischrauber

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Direkte Manversimulationen bentigen numerische Verfahren zur Berech-nung der Schiffsbewegungen. Die planaren Bewegungen (Vorwrts-, Seit-wrtsbewegung und Gieren) wurden durch globale Gitterbewegung erfasst. Die Freiheitsgrade fr die Schiffsbewegungen Stampfen, Rollen und Tau-chen wurden nicht bercksichtigt.

Die Propeller- und Ruderbewegungen wurden als Rotationsbewegungen be-rcksichtigt. Dabei wurde neben der Sliding-Interface-(SI)-Technik fr die Propeller ebenfalls Multiple-Reference-Frames-(MRF) eingesetzt. Letztere Methode modelliert die Drehbewegung ohne direkte Rotation des Propeller-netzes. Das Lsungsgebiet wurde durch ein unstrukturiertes Hexaedernetz diskretisiert.AnderSchiffsoberflchewurdenPrismenschichteneingesetzt.Diese erlauben eine hhere Genauigkeit der Strmungslsung um das Schiff, insbesondere in der Grenzschicht. Die Zellen wurden an einen geeigneten dimensionslosen Wandabstand angepasst. Dabei bezeichnet denWandabstandzumerstenInterpolationspunkt,diekinematischeVisko-sitt und es gilt mit der Wandschubspannung .

Die RANS-Gleichungen sind mit den nichtlinearen Bewegungsgleichungen eines starren Krpers implizit gekoppelt, vgl. (el Moctar, et al., 2012).

Die Abmessungen des Rechengebietes betrugen vor dem Bug, hin-ter dem Heck und jeweils nach Steuer- und Backbord. Am Einstromrand wurden die Strmungsgeschwindigkeit, die turbulente kineti-sche Energie und die Dissipationsrate vorgegeben. Am Austrittsrand wurde der Druck vorgegeben und die Geschwindigkeiten wurden aus den benach-barten Zellen im Gebietsinneren extrapoliert. Es wurde das Mo-dell nach (Yakhot, et al., 1992) mit Wandfunktionen eingesetzt. Die Auslen-kungderfreienOberflchewurdemiteinerVolume-of-Fluid-(VOF)-Methodebercksichtigt. Sowohl fr die zeitliche als auch die rumliche Diskretisierung wurden Methoden mit einer Genauigkeit zweiter Ordnung verwendet. Der dimensionslose Wandabstand betrug im Mittel im Modellma-stab und in der Groausfhrung. Die Zeitschrittweite wurde so gewhlt, dass die Courantzahl unter Eins lag.

Die Strmungssimulationen wurden in zwei Schritten durchgefhrt. Zunchst erfolgte eine Propulsionssimulation, dabei wurden Rumpf, Propeller, Welle und Ruder geometrisch modelliert. Nach Erreichen des Selbstpropulsions-punktes wurde im zweiten Schritt die Simulation des Manvers gestartet. Die Propellerdrehzahl war whrend der gesamten Simulation konstant und ent-sprach dem Selbstpropulsionspunkt des Modells bzw. der Groausfhrung vgl. Abschnitt 6.

maschine des Schiffes hinterlegen. In der Praxis tritt beispielsweise bei Z-Versuchen mit stark gelegtem Ruder der Fall auf, dass die Propellerbelas-tung infolge der reduzierten Modellgeschwindigkeit stark zunimmt. In Abhngigkeit des am Modellpropeller gemessenen Drehmoments kann nun die Propellerdrehzahl so geregelt werden, dass das maximal von der Haupt-maschine mgliche Drehmoment zu keiner Zeit berschritten wird. Die Her-ausforderung besteht darin, die Kennlinie der Hauptmaschine zu bekommen. Fr die zur Verfgung stehenden Schiffe waren die Kennlinien von bauglei-chen Motoren bekannt und wurden hinsichtlich der Leistung an die der Schiffe angepasst.

Abb. 5: Z10/10-Versuch mit dem Zweischrauber.

5. Virtuelle frei fahrende Versuche

Das System der Erhaltungsgleichungen fr Masse und Impuls eines rei-bungsbehafteten inkompressiblen Fluids wird als Navier-Stokes-Gleichun-gen bezeichnet und lautet in Integralform:

Hierbei bezeichnet v den Geschwindigkeitsvektor, n den ueren Normalen-einheitsvektorderOberflchedesKontrollvolumens,TdenSpannungsten-sor und b den Vektor einer Volumenkraft. Turbulente Strmungen werden beschrieben durch die Zerlegung der Strmungsgren in einen Mittelwert und eine Schwankungsgre (Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-(RANS)-Gleichungen). Durch ein Turbulenzmodell wird das Gleichungssystem ge-schlossen und mittels eines Finite-Volumen-Verfahren diskretisiert. Die Si-mulationen zu den frei fahrenden Versuchen erfolgte mittels des kommerziellen Programmpakets STAR-CCM+ der Firma CD-adapco.

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Die dynamischen virtuellen Versuche werden durch die Verwendung von zeitabhngigen Randbedingungen ermglicht, wobei am Einstrmrand die GeschwindigkeitenentsprechenddervorgegebenenSchiffsbewegungdefi-niert werden. Die Vorgehensweise bei virtuellen gefesselten Manvrierversu-chen ist von (Cura Hochbaum, 2006) dargestellt und eine hierauf basierende Manvrierprognose ohne freieOberflche ist erfolgreich von (CuraHoch-baum, et al., 2008) umgesetzt worden.

Aus den Mittelwerten der simulierten stationren Versuche sowie den Zeitrei-hen der dynamischen Versuche werden in gleicher Form wie aus den realen Versuchen im Schlepptank mit einem CPMC die hydrodynamischen Manv-rierkoeffizientenabgeleitet.UnterVerwendungdieserKoeffizientenwerdendie Bewegungsgleichungen des manvrierenden Schiffes ber die Zeit inte-griert. Beispielhafte Ergebnisse dieser Manvrierprognosen sind in Kapitel 7 dargestellt.

Zur Bestimmung der Strmung um das Schiff werden die inkompressiblen RANS-Gleichungen numerisch mit der Finite-Volumen-Methode gelst. Die Turbulenzwirdmitdemk--SSTTurbulenzmodellvon(Menter&Esch,2001)unterVerwendungvonWandfunktionenmodelliert.DiefreieWasseroberfl-che wird mit der Volume-of-Fluid-Methode (VoF) bestimmt. Die Berechnungs-gitter wurden mit dem kommerziellen Gittererzeuger HEXPRESS erstellt. Geometrische Details wie die Wellenbcke beim Zweischraubenschiff wur-den ebenso bercksichtigt wie die Spalten zwischen Ruderblatt und Head-box bzw. Ruderhorn.

Im Projekt wurde ein neues Volumenkraftmodell fr die Approximation der Propellerwirkung whrend eines virtuellen Manvrierversuchs entwickelt. Mit diesem wird die Verteilung der Propellerkrfte in den Zellen der Propellerre-gion in Abhngigkeit des aktuellen Nachstroms aus einer Datenbank be-stimmt. Die Datenbank wird vorab mit Informationen gefllt. Hierfr werden RANS-Berechnungen mit OpenFOAM fr den homogen angestrmten dre-henden Propeller fr eine Reihe von Fortschrittsgraden und Anstrmwinkeln von (Yao, 2015) durchgefhrt. Fr jeden berechneten Fall wird anschlieend dieresultierendeSpannungsverteilungaufderPropelleroberflchefr jedeFlgelstellung auf die Zellen eines Polarrasters bertragen und anschlieend als ber eine Umdrehung zeitlich gemittelte Kraftkomponenten pro Flchen-einheit gespeichert.

Das implementierte Volumenkraftmodell ist gut geeignet, die mittlere Propel-lerwirkung zu approximieren. Fr die Geradeausfahrt weicht der Schub im Vergleich zu den Messungen fr beide Schiffe um maximal 0,8% ab. Die Variation des Schubes und Drehmoments bei groer Schrganstrmung wird zum Teil leicht unterschtzt.

Das numerische Gitter bestand aus fnf Teilgebieten: neben dem Gitter um den Rumpf wurden jeweils zwei zylinderfrmige Netze um die Propeller und Ruder generiert, vgl. Abbildung 6.

Abb. 6: Detailansichten des numerischen Gitters fr den Zweischrauber.

Es wurde eine Sensitivittsanalyse zur rumlichen Diskretisierung mit der MRF-Methode durchgefhrt. Dazu wurden zwei Gitter erzeugt: ein grobes mit Kontrollvolumina (KV) und ein feines mit KV. Die Un-tersuchungdesEinflussesderGitterauflsungerfolgtedurchSimulationeneines Z10/10-Versuchs in beiden Mastben. Die vorhergesagten ber-schwingwinkel zeigten lediglich eine geringe Sensitivitt bzgl. der rumlichen Auflsung.

Zur Untersuchung der Sensitivitt der zeitlichen Diskretisierung wurden zwei Zeitschrittweiten so gewhlt, dass die Propellerrotation der SI-Methode fnf bzw. zehn Grad pro Zeitschritt betrug. Der Unterschied in den berschwing-winkeln lag unter 1 %.

Im Rahmen des Projektes wurde eine Methode zur Bercksichtigung der Ma-schinendynamik entwickelt, welche auf dem Maschinenkennfeld basiert. Ba-sierend auf der aktuellen vom Propulsor angeforderten Leistung und der von der Maschine bei dieser Drehzahl lieferbaren Leistung wird der Drallsatz ge-lst, was ggf. zu einer nderung der Drehzahl fhrt. Mit diesem Verfahren ist es mglich, das Verhalten der Verbrennungsmaschinen zu imitieren, ohne signifikanteAnforderungenandieRechenleistung.

6. Manvrierprognose basierend auf virtuellen gefesselten Versuchen

Die Berechnung der gefesselten Manvrierversuche wurde mit der Open Source Toolbox OpenFOAM durchgefhrt. Um dies zu ermglichen, wurden verschiedene Anpassungen vorgenommen. So wurde beispielsweise der Solver um die Bercksichtigung von Inertialkrften ergnzt, da sich die Simu-lationen auf ein hybrides Koordinatensystem beziehen, welches zwar Tau-chen, Stampfen und Rollen nicht mitmacht, ansonsten aber mitbewegt wird.

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Groausfhrung ( ) zunchst ohne Bercksichtigung der FO be-rechnet. Zustzlich wurden fr beide Schiffe ausgewhlte Versuche auch mit FO wiederholt. Die bereinstimmung der hydrodynamischen Krfte und Mo-mente aus Berechnung und Modellversuch ist insgesamt gut bis sehr gut. Effekte aus der unterschiedlichen Wahl des Propulsionspunktes sind zwi-schen Modellversuch und Berechnung im Einklang. In Abbildung 9 sind fr beide Schiffe die Verlufe aus Berechnung und Messung ber eine Periode eines dynamischen reinen Gierversuchs dargestellt.

Abb. 9: Vergleich der Kraft- und Momentenverlufe einer Bewegungsperiode beim dynamischen Gierversuch (pure yaw test).

Abb. 10: Dimensionslose Seitenkraft bei statinonrem Driften des Einschrau-benschiffes.

Die Berechnungen fr die Groausfhrung wurden unter Verwendung der Gitter fr den Modellmastab durchgefhrt. Eine Vorabuntersuchung zum EinflussdesdimensionslosenWandabstandesy+ auf die Umstrmung einer ebenen Platte sowie des driftenden Einschraubenschiffes ergab, dass bei Verwendung von Wandfunktionen die gleichen Gitter fr die Reynoldszahl des Modells und der Groausfhrung verwendet werden knnen. In Ab- bildung 10 ist fr das Einschraubenschiff die dimensionslose Seitenkraft

Zur Validierung der RANS-Berechnungen des drehenden Propellers wurden im Umlauf- und Kavitationstank K27 der TU Berlin Querkraftmessungen an den Propellern des Einschraubers und Zweischraubers in schrger Anstr-mung durchgefhrt. Basis der Messtechnik ist ein Propellerdynamometer, bei dem die Propellerwelle durch ein spezielles Messglied getauscht wird, das die Messung von Propellerquerkrften ermglicht (Lassen, 1989). Das Dyna-mometer hat eine Schwenkeinrichtung, die es ermglicht, die Neigung der Propellerwelle im Bereich von 12,5 zu verstellen. Im Rahmen des Projek-tes wurde derAufbau dahingehendmodifiziert, dass eine Verstellung derPropellerwelle von 0 bis 25 erreicht werden kann. Die Messergebnisse zei-gen eine gute bereinstimmung mit den RANS-Berechnungen in den Werten von Schub (KT), Drehmoment (KQ) und vertikaler Seitenkraftkomponente (KF), siehe Abbildung 8.

Abb. 7: Propeller des Einschraubers (links) und des Zweischraubers (rechts) bei Anstrmwinkel =25 und Fortschrittgrad J=0,6

Abb. 8: Diagramme der Freifahrtversuche des Einschraubers (Propellerda-ten siehe Tab.1) fr Anstrmwinkel =0,10,20.

Fr beide Schiffe wurden alle fr die Manvrierprognose erforderlichen Ver-suche fr die Reynoldszahl des Modells mit dem Selbstpropulsionspunkt des Modells ( ) und der Groausfhrung sowie fr die Reynoldszahl der Groausfhrung mit dem Selbstpropulsionspunkt der

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ring sind, ist deren Vorhersage mittels numerischer Simulation schwierig. Fr den Z35/10 Versuch konnten sehr gute bereinstimmungen mit den Ergeb-nissen der Modellversuche erzielt werden.

Abb. 12: Gemessene und berechnete Z10/10-Versuch im Modellmastab (links) und Groausfhrung (rechts) fr den Zweischrauber.

hnliche Aussagen knnen fr die Simulationen im Groausfhrungsma-stab getroffen werden. In Abb. 12 (rechts) sind die berechneten und gemes-senen Verlufe des Gierwinkels, des Ruderwinkels und der Schiffsgeschwin-digkeit whrend eines Z10/10 Versuchs des Zweischraubers dargestellt. Der erste berschwingwinkel stimmt gut berein: 4,5 gemessen und 4,8 be-rechnet. Grere Differenzen zeigen sich beim zweiten berschwingwinkel, 8 gemessen gegenber 6,5 berechnet, sowie der Anschwenkzeit: 30,5 s im Versuch und 24 s in der Simulation.

Einige Faktoren erschweren den Vergleich zwischen Groausfhrungsmes-sungen und Simulationen. Da die Strmung ber Grund gewhnlich nicht bekannt ist, konnte

Statustagung Maritime Technologien · Es erwarten Sie Beiträge zum Umweltschutz, ... Otto von...

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