Hydrodynamik

Verbesserte Rumpfform

Bei der Optimierung der Rumpfform geht es nicht nur um die Erzielung eines möglichst kleinen Widerstandes auf einem Entwurfstiefgang. Vielmehr liegt dem Optimierungsprozess eine Matrix mit komplexen Anforderungen zugrunde. Zu den adressierten Zielgrößen gehören:

• Minimaler Glattwasserwiderstand über den gesamten Bereich relevanter Beladungszustände
• Minimaler Fahrtwiderstand auf Flachwasser
• Minimale Zusatzwiderstände im Seegang
• Sicheres Verhalten im Seegang in Bezug auf strukturelle Unversehrtheit des Schiffes, Vermeidung von Ladungsschäden, Vermeidung von Personenunfällen
• Komfortables Bewegungsverhalten in Wellen
• Bestmöglicher Propulsionswirkungsgrad durch ideale Anordnung des Propellers und Optimierung des Nachstromfeldes

Die weit reichende und sorgfältige Optimierung der Rumpfform hinsichtlich dieser Leistungsparameter ist die Grundvoraussetzung zur Erreichung einer überlegenen Produktleistungfähigkeit, insbesondere im Hinblick auf minimalen Treibstoffverbrauch bei maximaler Tragfähigkeit.

Aus diesem Grund hat die Optimierung der Rumpfform bei der FSG einen hohen Stellenwert in der Produktentwicklung und wird bereits sehr früh in die konzeptionellen Überlegungen mit einbezogen. Um schnelle und präzise Aussagen zu den Leistungsparametern treffen zu können und somit die Entwicklung einer optimalen Lösung zu unterstützen, arbeitet die FSG mit modernen direkten Berechnungs- und Simulationsmethoden (CFD), die den jeweils aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik widerspiegeln. Viele der verwendeten Methoden sind Eigenentwicklungen und stehen der FSG exklusiv zur Verfügung. Ein Team von Spezialisten aus Hydrodynamik und Softwareentwicklung arbeitet konstant an der Verbesserung und Weiterentwicklung dieser Methoden, um jeweils die neuesten Erkenntnisse in der Produktentwicklung umsetzen zu können.

Verbesserter Antrieb

In der frühen Entwurfsphase werden zunächst immer unterschiedliche Antriebsvarianten in Betracht gezogen, bewertet und optimiert. Dies geht eng mit der Gestaltung der Hinterschiffsform einher. Beim Entwurf von RoRo- und RoPax-Schiffen kommen typischerweise dieselmechanische Antriebsanlagen mit Verstellpropellern oder dieselelektrische Antriebe, wahlweise mit Unterbringung des Propulsors in einer Gondel („Pod-Antrieb“), zum Einsatz. Der Grund für die Bevorzugung dieser Antriebskonzepte liegt in den erhöhten Anforderungen an die autonome Manövrierfähigkeit der Schiffe, da die Routen im Vergleich zu anderen Schiffstypen relativ kurz sind.

Je nach Betriebsprofil des Schiffes, erforderlicher Leistungsdichte am Propeller, Anforderungen an das Manövrierverhalten und Antriebskonzept fällt die Wahl auf eine Auslegung als Ein- oder Zweischrauber. Insgesamt findet hier eine Abwägung von Bau- und Betriebskosten in enger Kooperation mit dem Kunden statt. Die Propellergeometrie wird dabei wie die Rumpfform für jeden Entwurf individuell optimiert, da die hydrodynamischen Anforderungen für jedes Schiff sehr unterschiedlich sind. Bei der Optimierung des Propellers wird zum einen auf einen optimalen Wirkungsgrad geachtet, zum anderen muss die Kavitationsneigung ebenfalls berücksichtigt und auf ein akzeptables Maß reduziert werden. Das Kavitationsverhalten des Propellers hängt neben der Propellergeometrie stark von den Zuströmungsbedingungen zum Propeller ab, welche eben wiederum durch die Rumpfform beeinflusst werden. Ein zu stark kavitierender Propeller kann neben Strukturschäden am Propeller selbst zu Vibrationen führen, die dann den Komfort an Bord beeinflussen. Hierzu verfügt die FSG über potenzialtheoretische und viskose Berechnungsverfahren, welche durch eine Einbindung in die Entwurfssoftware eine zeitnahe Optimierung ermöglichen.

Verbesserte Anbauten

Alle Anbauten an dem Schiffsrumpf behindern die saubere Umströmung und verursachen dadurch zusätzlichen Widerstand, der wiederum zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch führt. Daher versucht man, etwaige Anbauten am Schiffsrumpf weitestgehend zu vermeiden, jedoch gibt es einige Bauteile, die bei fast jedem Schiff unvermeidlich vorhanden sind. Dazu gehören unter anderem:

• Schlingerkiele
• Ruder
• Wellenböcke
• Propellerwelle
• Wellenhosen

Im Hinterschiff ist die Vermeidung von unnötigen Anhängen aus einem weiteren Grund besonders wichtig: Zur Erreichung eines optimalen Propulsionswirkungsgrades muss die Anströmung des Propellers möglichst homogen und störungsfrei erfolgen. Das stellt für Rumpfanhänge in diesem Bereich besonders hohe Anforderungen.

Die nicht zu vermeidenden Anbauten müssen sorgfältig entworfen und optimiert werden, um die Störung der Strömung so gering wie möglich zu halten.

Um die Entwicklung von optimierten Anhängen zu unterstützen, arbeitet die FSG mit modernen, direkten Berechnungs- und Simulationsmethoden (CFD), die jeweils den aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik widerspiegeln. Viele der verwendeten Methoden sind Eigenentwicklungen und stehen der FSG exklusiv zur Verfügung. Ein Team von Spezialisten aus Hydrodynamik und Softwareentwicklung arbeitet konstant an der Verbesserung und Weiterentwicklung dieser Methoden, um jeweils die neuesten Erkenntnisse in der Produktentwicklung einsetzen zu können.

Verbessertes Seegangsverhalten

Die Optimierung des Seegangsverhaltens von Schiffen dient neben dem Erreichen einer hinreichend hohen Sicherheit in Bezug auf Schäden und Verlust von Schiff, Ladung und Personen an Bord auch der Reduzierung von wetterabhängigen Ausfallzeiten.

Durch Langzeitsimulationen in typischen Seegängen des betrachteten Seegebietes lassen sich Aussagen über Rollwinkel und Beschleunigungen an vorgegebenen Orten an Bord ermitteln. Die Fragestellung beispielweise, wie häufig die Ladung gegen Verrutschen gesichert werden muss, kann dadurch beantwortet werden. Durch entsprechende Gestaltung der Rumpfform und weiteren Maßnahmen zur Verbesserung des Seeverhaltens (z. B. Rolldämpfungssysteme) kann so die Einsatzfähigkeit des Schiffes entsprechend den Kundenanforderungen optimiert werden.

Die FSG hat es sich zum Ziel gesetzt, Schiffe mit einem höheren Sicherheitsniveau zu bauen, als nach den geltenden Stabilitätsvorschriften der IMO (International Maritime Organization) gefordert wird. Dazu wurde ein eigener Bewertungsindex basierend auf Langzeitauftretenswahrscheinlichkeiten eingeführt (Insufficient Stability Event Index, ISEI), mit dem sich Schiffe hinsichtlich gefährlicher Situationen im Seegang, beispielsweise durch parametrisches Rollen, quantitativ bewerten lassen.

Für jeden Entwurf werden dabei mehrere tausend Stunden Fahrt im Seegang simuliert, dies jeweils für unterschiedliche Ladefälle und Schiffsgeschwindigkeiten. Dadurch fließt ein repräsentativer Anteil des simulierten Schiffslebens in die Bewertung ein. Zusätzlich können kritische Situationen durch Kurzzeitsimulationen (wenige Sekunden) mit aufwändigeren viskosen Strömungslösern im Detail untersucht werden. Dies ist insbesondere bei der Bewertung der Gefährdung durch Seeschlag von Interesse.

Für die Sicherheit der Mannschaft und des Schiffes ist auch eine gute Manövrierfähigkeit von Bedeutung. Die Bewertung der Manövriereigenschaften, wie zum Beispiel Kursstabilität und Drehrate durch direkte Berechnungen auch schon im frühen Entwurf, ermöglicht eine kundenorientierte Anpassung der Manövrierorgane.

Verbesserte Struktur

Die dimensionierungsgebenden Lasten der Stahlstruktur beschränken sich nicht nur auf die globalen Lasten. Extrem hohe, sowohl lokal und zeitlich beschränkte Belastungen der Stahlstruktur sind ebenfalls für eine widerstandsfähige Stahlstruktur zu berücksichtigen. Die Klassifkationsgesellschaften haben zur Berücksichtigung des Seeschlags für die Auslegung der Strahlstruktur empirische Gleichungen formuliert, die in vielen Fällen die Wirklichkeit nur unzureichend abbilden können.

Die ausgedehnten Schäden, die im Vorschiffsbereich einiger Schiffe nach nur wenigen Jahren im Dienst behoben werden müssen, geben einen deutlichen Hinweis darauf, dass sich die empirischen Ansätze nicht immer eignen. Schiffe mit unterschiedlichen Betriebsprofilen sind von Seeschlag betroffen. Entweder sie fahren in zum Teil sehr schwerer See, um die ihnen auferlegten Transportaufgaben zu erfüllen, daher ist Seegang mit über 8m sig. Wellenhöhe nicht selten; oder die Schiffe sind diesen extremen Seegängen nicht ausgesetzt, allerdings fahren sie noch im moderaten Seegang annähernd Betriebsgeschwindigkeit. Diese lobenswerte Eigenschaft ist für die Einhaltung der Fahrpläne von Vorteil, verursacht aber u.U. permanente Deformationen der Plattenfelder im Vorschiff.

Doch auch die teil-globalen Effekte eines Seeschlags dürfen nicht vernachlässigt werden. Das Momentum des Vorschiffes wird nur zu einem geringen Anteil durch den Seeschlag, also das Aufschlagen der Struktur auf die Wasseroberfläche, gestoppt. Die Druckamplituden und -verteilung auf der gerade eintauchenden Struktur sind von enormer Bedeutung. Diese lassen sich mit der Annahme einer statischen Druckverteilung nicht zuverlässig errechnen. Daher wird für diese Fälle auf viskose Löser zurückgegriffen.

Die Herangehensweise für eine Berechnung der oben genannten Phänomene in Verbindung mit Seeschlag ist wie folgt:

• Identifikation der kritischen Umgebungs- und betrieblichen Bedingungen basierend auf der Seegangsstatistik des relevanten Seegebiets.
• Identifikation kritischer relativer Eintauchgeschwindigkeiten zwischen Schiffsrumpf und Wasseroberfläche
• Berechnung von 2D-Seeschlagslasten auf repräsentative Sektionen
• Aufbringen der Lasten auf ein 3D Stahl-Model
• FEM-Analyse der Lasten auf der Bugpforte
• Auswertung des Risikos durch die Seegangslasten
• Ausloten der Optionen, Änderungen der Konstruktion, Einschränken des Fahrgebiets und/oder Hinweise für die Besatzung.

Die oben beschriebene Vorgehensweise muss iterativ wiederholt werden, da kritische Lastsituationen nur anhand der Ergebnisse der FEM-Analyse endgültig festgestellt werden können.