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ERASK - Senkung von Spitzenwirbelkavitation an Schiffspropellern durch Flügelspitzenrauigkeit

Fördermittel-/Auftraggeber: Ministerium für Wirtschaft, Bau und Tourismus
Projektleiter: Dr.- Ing. F. Grüttner
Projektlaufzeit: 01.01.2011 – 31.04.2014

Kooperationspartner:

 

 

MMG Mecklenburger Metallguss Waren/Müritz

Universität Rostock,Lehrstuhl für Modellierung und Simulation

SVA Schiffstechnische Versuchsanstalt Potsdam

Projektidee

Die Seeschifffahrt steht aufgrund der weltwirtschaftlichen Entwicklung vor großen Herausforderungen. Der sich verschärfende Wettbewerb zwischen den Reedereien stellt neue Anforderungen an die Verfügbarkeit und an den effizienten Einsatz der Schiffe. Der daraus resultierende Kostendruck in der modernen Seeschifffahrt generiert eine Nachfrage nach immer effizienteren Schiffstypen mit breiten Leistungsbereichen, die für ihre Transportaufgaben mit immer leistungsfähigeren Motoren ausgerüstet werden. Dabei sind dieser Entwicklung klare Grenzen gesetzt. Mit Zunahme der erforderlichen Antriebsleistung werden immer leistungsfähigere Propulsionssysteme mit stetig wachsendem Schub erforderlich. Betrachtet man jedoch die historische Entwicklung der Propellergeometrien, so wird deutlich, dass, bedingt durch konstruktive schiffbauliche Vorgaben sowie Limitierungen durch die Materialeigenschaften und das technologische Handling, eine weitere Steigerung der Propellerkreisdurchmesser schwer zu realisieren ist. Um dem Bedarf nach immer größeren Antriebsleistungen trotzdem gerecht zu werden, musste die spezifische Flächenleistung der Propeller sukzessiv gesteigert werden. Moderne Propulsionssysteme erreichen heute spezifische Flächenleistungen von mehr als 800 kW/m².

  • Diagramm1
  • Diagramm21
  • MMG_Korund_3D_100x_01
  • P3130082
  • P9020363
  • PB290014
  • PB290044
  • PB300135
  • PC010144

Diese Entwicklung führt den Propellerentwurf in die Grenzbereiche klassischer Auslegungsverfahren. So berichtete der Germanische Lloyd in der Vergangenheit wiederholt über das vermehrte Auftreten erosiver Schadensbilder an Ruder- und Propelleranlagen. In Untersuchungen der betroffenen Schiffe konnte eine kontinuierliche Kavitationswirkung des Propulsions- und Manövriersystems als Schadensursache nachgewiesen werden. Das Spektrum der beobachteten strukturellen Schädigungen reicht dabei von oberflächlicher Erosion bis hin zum funktionellen Versagen von Ruder und Propeller und birgt neben dem rein finanziellen Schaden ein hohes Gefährdungspotential für den maritimen Verkehr. Neben diesen erosiven Auswirkungen des Propellerstrahls auf stromabwärts platzierte Bauteile, wie das Schiffsruder, entstehen aus den hohen Propellerstrahlbelastungen vermehrte Probleme im Hinblick auf die propellerinduzierten Druckimpulse. Grenzwerte für diese Vibrationserregungen haben sich weitestgehend in den technischen Spezifikationen etabliert. Die Einhaltung dieser Grenzwerte ist somit Voraussetzung für die vertragsgemäße Ablieferung des Propellers bzw. des Schiffes. Die Zuverlässigkeit in der Prognose der Druckschwankungen bleibt aber nach wie vor ein Aufgabenfeld.

Darüber hinaus ist in jüngster Vergangenheit die Lärmbelastung der Meere wieder verstärkt in den Blickpunkt administrativer Stellen, z.B. der IMO (IMO-MEPC58) gerückt. Das Unterwasserschall­spektrum der Ozeane ist heute wesentlich durch den maritimen Verkehr geprägt. Insbesondere in den für die Kommunikation großer Meeressäuger wichtigen Frequenz­bereichen von 5-250Hz sind die akustischen Einträge allein in den letzten 3 Jahrzehnten um bis zu 30dB angestiegen. Untersuchungen belegen, dass kavitierende Schiffspropeller in diesen niedrigen Frequenzen die dominierende Schallquelle darstellen. Obwohl die Zusammenhänge zwischen den in die Schiffsstruktur eingebrachten Vibrationen und der Schallausbreitung beim abgestrahlten Wasserschall noch nicht geklärt sind, zeigt sich die einheitliche Vorstellung, dass eine Reduktion der messbaren propellerinduzierten Druckimpulse in jedem Fall auch eine Reduzierung des abgestrahlten Unterwasserlärms zur Folge haben wird. Die Verminderung der durch den Spitzenwirbel verursachten Druckimpulse steht also im direkten Zusammenhang mit der aktuellen technischen Herausforderung.

Ausblick

In diesem Projekt wurden neuartige Methoden und Verfahren zur definierten Strukturierung der Flügeloberflächen von Schiffspropellern entwickelt, um durch einen zusätzlichen Energieeintrag die Zerstreuung des Spitzenwirbels zu erreichen und so erosive Schädigungen an Ruder und Propeller zu verhindern, Druckimpulse auf die Schiffsaußen­haut zu senken und den akustischen Eintrag in die Ozeane signifikant zu mindern. Im Ergebnis liegt ein Produkt vor, das zum einen aus der ingenieurtech­nischen Dienstleistung (Schadensanalyse am Schiff, Kavitationsprognose, Kavitationsde­tektion, Propulsionsnachrechnung, Bestimmung erforderlicher Oberflächenrauigkeiten) sowie einer individuell angepassten technischen Retrofit-Lösung (Aufbringen der Ober­flächenbeschichtung) besteht.

Den steigenden Kraftstoffverbrauch begegnen die Reedereien in der Regel durch einen Schiffsbetrieb mit verringerten Fahrtgeschwindig­keiten (slow steaming), wodurch die Kavitation des Propellers allgemein abnimmt. Es ist jedoch zu erwarten dass durch den zu beobachtenden Aufschwung der Schifffahrtsbranche und durch den steigenden Konsum (Transportvolumen) auch die Fahrtgeschwindigkeiten wieder erhöht werden. In der Folge kann davon ausgegangen werden, dass auch die Nach­frage an kavitationsmindernden Technologien wieder steigt. EUB hat in dem Projekt eine solche Technologie soweit vorbereitet, dass dieser Frage jederzeit mit einem Produkt be­gegnet werden kann. Somit liegt den beteiligten Projektpartnern eine Technologieführer­schaft inne, welche Mecklenburg-Vorpommern als Standort für die maritime Industrie stärken soll und kann.

Gefördert durch: Europäischer Sozialfonds, Europäischer Fonds für regionale Entwicklung, Europäische Union, Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Mecklenburg-Vorpommern

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