Bis zu 14 % Treibstoffeinsparung

Simulationstechnik und praktische Erfahrung zeigen: Treibstoffsparende Propeller lassen sich mit hoher Wiedergabetreue realisieren. Lars Greitsch von MMG erläutert Erkenntnisse über die Wirkung des Re-Design-Propellers
Vor dem Hintergrund von Tonnage-Überkapazitäten und niedrigen Charterraten steht die existierende Flotte immer stärker untereinander und mit aktuellen Neubauten[ds_preview] im Wettbewerb um Anschluss-Charter. Um bei den Treibstoffverbräuchen wettbewerbsfähig zu bleiben, sind oft Retrofit-Maßnahmen erforderlich. Der Propeller bietet dabei unter Berücksichtigung einer permanenten Geschwindigkeits- und Leistungsreduktion die notwendigen Entwurfsfreiräume, deren Nutzung zu einem gesteigerten Wirkungsgrad führen. Bereits seit einen Jahren beschäftigt sich die Mecklenburger Metallguss GmbH (MMG) in systematischen Modellversuchen in verschiedenen Re-Design-Projekten mit dem Thema des optimalen Propellers für die neuen Betriebsanforderungen. Das Unternehmen hat hier bereits Erfahrungen gesammelt und mehrere Projekte realisiert.

Seit die Re-Design-Propeller von MMG die ersten Containerschiffsserien antreiben, werden täglich erhebliche Treibstoffmengen eingespart. Die Bandweite der Schiffe reicht hier von 4.000TEU bis 14.000TEU. Dabei konnten durch Propellertausch und Einsatz der Flossenkappe ESCAP Wirkungsradverbesserungen von 3% bis 14% erzielt werden. Abb. 1 zeigt einen Re-Design-Propeller für ein 13.000-TEU-Containerschiff mit montierter ESCAP-Flossenkappe. Für dieses Beispiel konnte auf Basis des derzeitigen Schiffsbetriebs eine Amortisationszeit von sechs Monaten ermittelt werden. Das vom Betreiber gewählte neue Betriebsprofil beeinflusst hier neben der Entwurfsgüte der Originalkonfigurationen maßgeblich die Höhe der erzielbaren Einsparungen. Soll beispielsweise ein bereits sehr effizienter Originalpropeller auf Basis eines Betriebsprofils nahe der Originalspezifikation ersetzt werden, so sind die erreichbaren Wirkungsgradverbesserungen erwartungsgemäß niedrig.

Daher wird von MMG eine Re-Design-Studie angeboten, die die notwendigen Voruntersuchungen enthält, um eine entsprechende Entscheidungsvorlage zu erstellen. Die Berechnungen reichen dabei von der Aufbereitung der notwendigen Entwurfsgrundlage (Widerstandskurven, Propulsionsparameter) über Prognoserechnungen zur Ermittlung der notwendigen Mindestleistung bis hin zu einem vorläufigen Propellerentwurf, der eine kommerzielle Bewertung der angedachten Umrüstmaßnahme zulässt.

Viele dieser Vorstudien sind im Nachgang durch Modellversuche abgesichert worden, um dann nach erfolreichen Tests in konkrete Umrüstprojekte zu münden. Zur Unterstützung der Umrüstung und für eine erfolgreiche Montage des neuen Propellers auf die im Rumpf verbleibende Propellerwelle entwickelte MMG ein neues Messverfahren zur Verfikation des Traganteils der Propeller-Wellen-Verbindung. Dieses Verfahren ermöglicht eine genaue Vorfertigung der Propellernaben und reduziert die erforderlichen Dockzeiten.

Für den erfolgreichen hydroynamischen Entwurf der neuen Propeller kann dabei auf viele systematische Modellversuche zurückgegriffen werden. Die Suche des optimalen Re-Design-Propellers wird dabei durch numerische Berechungen unterstützt. Hier kann mittlerweile die instationäre Schiffsumströmungen vollständig simuliert werden. Die Berechnungen entsprechen dabei der Propulsionsversuche in der Versuchsanstalt.

Bedingt durch enge zeitliche Vorgaben sind auch erste Re-Design-Projekte vollständig auf Basis numerischer Berechnungen durchgeführt worden. Die Großausührungsbeobachtungen nach erfolgreicher Umrüstung bestätigen das gewünschte Zusammenspiel aus Hauptmaschine und Propeller und damit Eignung der Simulationen als Entwurfsverifikation. Tabelle 1 zeigt eine Auswahl von durchgeführten Projekten. Die Beobachtungen Projekten zeigen, dass beispielsweise sorgfältig durchgeführte Modellversuche für den Wirkungsgradunterschied zwischen altem und neuen Propeller nicht zu optimistische Ergebnisse liefern, sondern die Unterschiede realistisch und gegebenenfalls leicht konservativ darstellen. Entscheidend für die Identifikation des Verbesserungspotentials ist Berücksichtigung von Maßstabseffekten in Freifahrt- und Propulsionsversuch. Gerade durch die Verschiebung der Versuchsbereiche (niedrigere Schiffsgeschwindigkeiten, kleine Drehzahlen) ergeben sich größere Maßstabseinflüsse, die durch klassische Korrekturverfahren nur unzureichend abgedeckt werden. Dadurch können realistische Wirkungsgradverbesserungen dieser neuen Konfigurationen unterrepräsentiert werden. Die kommerzielle Bewertung der Ergebnisse führt dann unter Umständen zu zu einer Entscheidung gegen die Umrüstungsmaßnahme.

Eine besondere Herausforderung innerhalb des Propellerentwurfs im Rahmen eines Re-Design-Projektes ist die Berücksichtigung des avisierten Betriebsprofils bei der Wahl der optimalen Propellerhauptabmessungen. Damit müssen auf der einen Seite die Betriebsschwerpunkte direkten Eingang in die Propelleroptimierung finden. Zum anderen bedarf es auch einer exakten Berücksichtigung der Änderung der Wechselwirkung zwischen Propeller und Rumpf für unterschiedliche Propellerhauptabmessungen (z.B. Durchmesser) und Last- und Geschwindigkeitsbereiche. Die Absicherung dieses Einflusses wird bei MMG durch numerische Propulsionssimulationen umgesetzt. Hierbei wird die Schiffsumströmung mit Propeller und Anhängen mit Hilfe moderner, viskoser Strömungssimulationssoftware zeitlich aufgelöst berechnet (Abb. 2). Die ungleichförmige Zuströmung des Propellers hinter dem Rumpf sowie die wirkungsgradrelevante Wechselwirkung werden erfasst. Obwohl die Berechnungen sowie deren Vorbereitung vergleichsweise aufwändig sind, können in zeitkritischen Projekten die Gesamtlaufzeiten deutlich reduziert werden. Hiefür hat MMG die entsprechenden Kapazitäten geschaffen.

Probefahrten von umgerüsteten Schiffen belegen den Simulationen eine gute Entwurfstreue. Die für den Schiffsbetrieb wichtig Anpassung der Festpropeller an die Motorcharakteristik konnte dadurch gewährleistet werden. Darüberhinaus können auf Basis der Probefahrtbedingungen erste Aussagen zu den erreichten Verbesserungen abgeleitet werden. Weiterführende Auswertungen werden dann mit Hilfe von Betriebsdaten durchgeführt. Viele dieser hier erwähnten Technologien sind Teil eines neuen Entwurfs- und Herstellungsstandard, der von MMG auf der SMM vorgestellt wird.