Lars Adamek - Schnelle Containerschiffe

Transcrição

Schnelle Containerschiffe
Möglichkeiten und Grenzen
20060910 Promotionsvortrag
Promotionsvortrag
Dipl. Ing., MSc Lars Adamek
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
1
Gliederung
• Schifffahrt – Anwendungen und Anforderungen
• Schiffsantrieb
• Höchstgeschwindigkeit des Containertransports
Rumpfformen
Vergleich der Alternativen
• Fazit
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Wirkungsgradeinflüsse
Widerstandsanteile
Rumpfwiderstand
2
Schiffsanwendungen
Sicherheitstechnische Aufgaben
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Passagiertransport
Spezialaufgaben
Gütertransport
17.10.2006
3
Anforderungen
Wirkungsgrad
Lebensdauer
Wirkungsgrad
Lebensdauer
Wirkungsgrad
Lebensdauer
Wirkungsgrad
Lebensdauer
Sicherheitstechnische Aufgaben
Energiedichte
Wirkungsgrad
Signatur
Geschwindigkeit
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Energiedichte
Wirkungsgrad
Signatur
Geschwindigkeit
Passagiertransport
Wirkungsgrad
Energiedichte
Geschwindigkeit
Lebensdauer
Wirkungsgrad
Geschwindigkeit
Energiedichte
Wirkungsgrad
Spezialaufgaben
Kraft
Lebensdauer
Wirkungsgrad
Lastflexibilität
17.10.2006
Gütertransport
4
Ladekapazität der dt. Handelsflotte
14.000
in 1.000 tdw
12.000
10.000
Stückguttransporter
8.000
Containerschiffe
6.000
4.000
Massengutschiffe
2.000
vor 1976 1981 1986 1991 1996
1975 bis
bis
bis
bis
bis
1980 1985 1990 1995 2000
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Hader A., Monden R.; Nutzung der hohen See als Transportweg –
Möglichkeiten zur Erhebung von Entgelten, Berlin 2002
Öl- und
Ölproduktetanker
0
17.10.2006
5
Kosten
Beispiel:
1.700 TEU-Containerfrachter
9 Mio. US$/Jahr
Kapitalkosten
20%
Verwaltung
1%
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Reparatur &
Instandhaltung
5%
Personal
8%
Versicherung
1%
Hader A., Monden R.; Nutzung der hohen See als Transportweg – Möglichkeiten zur Erhebung von Entgelten, Berlin 2002
Hansa Hamburg Shipping; Factsheet MS Matthias Claudius; Hamburg, 2005
17.10.2006
Bunkerkosten
65%
6
Spezifischer Transport Energiebedarf
See
(100.000 t)
See
(10.000 t)
10 kn
20 kn
7*10-4
3*10-3
2*10-3
2*10-2
Schiene
Straße
Luft (10 t)
Luft (300 t)
Promotionsvortrag
Lars Adamek
2*10-2
2,2*10-2
50 kn
100 kn
200 kn
6*10-3
10-2
3*10-2
3,7*10-2
8*10-2
2,5*10-1
500 kn
9*10-2
1,5*10-1
2*10-1
5,5*10-2
Schenzle, P.; Sustainable Sea Traansportation – The Zero-Emission Ship?; STG Hauptversammlung Hamburg 2002
17.10.2006
P / (m * v)
7
Gliederung
• Schiffsantrieb
Rumpfformen
• Fazit
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Widerstandsanteile
Rumpfwiderstand
8
Wirkungsgradkette
RA
v
ηP
ηM
RT
PB = v . (RT + RA) . ηD
PB
V
ηD
RT
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Antriebsleistung des Motors
Schiffsgeschwindigkeit
Propulsionsgütegrad
Schleppwiderstand
ηD = ηM . ηP . ηH
ηM
Wirkungsgrad des Motors
(0,3 bis 0,45)
ηP
Wirkungsgrad des Propellers
(0,34 bis 0,8)
ηH
Schiffseinflussgrad
(0,95 bis 1,4)
17.10.2006
ηH
9
Gliederung
• Schiffsantrieb
Rumpfformen
• Fazit
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Widerstandsanteile
Rumpfwiderstand
10
Schiffsabmessungen
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Blockkoeffizient
Wasserverdrängung
Fläche an der Wasserlinie
Tiefgang
∆
cB =
B WL ⋅ L WL ⋅ D
cB
∆
AWL
D
17.10.2006
11
Großtanker
Frachter
Fährschiffe
Kriegsschiffe
0,8 bis 0,85
0,5 bis 0,75
0,5 bis 0,7
0,25 bis 0,4
V in kn
12 bis 17
13 bis 26
15 bis 30
20 bis 45
Fn-Zahl
ca. 0,15
ca. 0,2
ca. 0,3
ca. 0,4
cB
Promotionsvortrag
Lars Adamek
MAN Marine Power; Basic Principles of Ship Propulsion; Augsburg 2004
17.10.2006
Einfluss Formgebung
Ladekapazität und Froude-Zahl
12
Widerstandsanteile
Anteile des Schiffswiderstands:
1. Druckwiderstand
Zähigkeitswiderstand = f(Re)
2. Reibungswiderstand
Reibung an der Oberfläche des Rumpfs
3. Wellenwiderstand = f(Fn)
Druck des Wellensystems durch Erdschwere
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Re =
v⋅l
ν
Fn =
v
g ⋅l
Druck des Wassers auf Rumpf
Oertel, H.; Prandtl – Führer durch die Strömungslehre,, Braunschweig, 2002
17.10.2006
13
Schleppleistung
≈ 2 bis 10 %
Abschätzung durch
Admiralitätsformel:
RT = RW + RF + RA
ρ 2
ρ 2
R T = cW ⋅ S ⋅ ⋅ v + cF ⋅ S ⋅ ⋅ v
2
2
∆ 3 v 3ηD
PB =
c ADM
2
= f(v²)
RT
PB
RF
RW
RA
Schleppwiderstand
Motorleistung
Reibungswiderstand
Wellenwiderstand
Luftwiderstand
Promotionsvortrag
Lars Adamek
cF
cW
cADM
S
v
∆
Reibungskoeffizient
Wellenkoeffizient
Admiralitätskoeffizient
benetzte Oberfläche
Verdrängung
PB = R T ⋅ v ⋅ ηD
17.10.2006
14
Wellenberg
0,40
0,35
500.000
0,30
Wellenberg
400.000
300.000
200.000
0,25
0,20
0,15
0,10
100.000
0,05
0
0,00
0
10
20
30
Rwave
Rfriction
Rtotal
F
40
Geschwindigkeit in kn
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Widerstandskraft in kN
600.000
Froude-Zahl
Beispiel:
Widerstandsverhalten eines Containerschiffs
15
Rumpfgeschwindigkeit
Wellengeschwindigkeit im Wasser:
g ⋅λ
2π
Für λ = LWLergibt sich die sog. Rumpfgeschwindigkeit:
v =
Max. Geschwindigkeit bei Verdrängungsfahrt
g ⋅ L WL
2π
Alternative: GLEITEN
Promotionsvortrag Dr. Würsig, G.; Rumpfgeschwindigkeit von Schiffen, Hamburg, 2006
Lars Adamek
17.10.2006
v =
16
Boot der
Wasserschutzpolizei als Beispiel
vRumpf = 10,8 kn
Promotionsvortrag Innenministerium Baden-Württemberg; Neue Boote für Wasserschutzpolizei, Stuttgart, 2000
Lars Adamek
Charakteristische Daten:
Länge
20 m
Breite
4,4 m
Tiefgang
1,3 m
Gewicht
24,2 t
Motorleistung 2 * 500 PS
17.10.2006
17
6.000
1,2
5.000
1,0
4.000
0,8
3.000
0,6
2.000
0,4
1.000
0,2
0
0,0
0
10
20
Froude-Zahl
Widerstandskraft in kN
Widerstandskräfte
des WaPo-Bootes
Rwave
Rfriction
Rtotal
F
30
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
18
1.600
1.400
1.200
1.000
800
600
400
200
0
Effective Power
Brake Power
0
10
20
Promotionsvortrag
Lars Adamek
30
ηD = 62,1 %
Vmax = 22 kn bei 740 kW
17.10.2006
Leistung in kW
Geschwindigkeit-Leistungs-Kennfeld
des WaPo-Bootes
19
Gliederung
• Schiffsantrieb
Rumpfformen
• Fazit
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Widerstandsanteile
Rumpfwiderstand
20
Schiffswiderstand
Schiffswiderstand
Schleppwiderstand
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Reibungswiderstand
Wellenwiderstand
Sonstige
Widerstände
Illies, K.; Handbuch der Schiffsbetriebstechnik, Braunschweig, 1984
17.10.2006
21
Schnelle Schiffe
Langsame Schiffe
ca. 0,4
ca. 0,15
Reibungswiderstand
45 %
90 %
Wellenwiderstand
40 %
5%
Verwirbelungswiderstand
5%
3%
Luftwiderstand
10 %
2%
Fn
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Widerstandsanteile
MAN Marine Power; Basic Principles of Ship Propulsion; Augsburg 2004
17.10.2006
22
Kraftermittlung am Modell
!
Fn M = Fn S
Re M = ReS
vS
vM
=
g ⋅ LM
g ⋅ LS
LS
vS
λ=
vM =
LM
λ
v M ⋅ L M vS ⋅ LS
=
νM
νS
νS
⇒ νM =
λ
FM
vM
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Widerstandskraft am Modell
LM
λ
Länge an der Wasserlinie
Größenverhältnis Schiff/Modell
17.10.2006
FM = FS
23
Modellparameter Schleppversuch
Großausführung
Modell
Geschwindigkeit
10 m/s
(18 kn)
1 m/s
(λ=100)
Schiffslänge
200 m
2m
10 bis 20 mm²/s
500 mm²/s
Kin. Viskosität
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Daher Modellversuche bei kleinerer Re, da Medium mit
ausreichender Viskosität nicht verfügbar. Direkte Messung
des Widerstands nur in Originalgröße möglich!
17.10.2006
24
Widerstandsberechnung
1. Messung FTM
(FnM = FnS; ReM < ReS)
Schiffswiderstand
2. Berechnung FRM
Schleppwiderstand (FT)
Sonstige Widerstände
Nicht berücksichtigt
aus Strömungsversuchen an
querschnittsgleichen Flächen
(seit 1957 mittels ITTCReibungslinien)
3. FWM = FTM – FRM
4. Umrechnung FRM auf FRS;
Reibungswiderstand (FR)
FWM = FWS
Wellenwiderstand (FW)
5. FTS = FWM + FRS
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Dr. Hollenbach; HSVA Test Facilities, Hamburg, 2006
17.10.2006
25
Schleppversuch (HSVA)
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Computerized
Planar
Motion
Control
Dr. Hollenbach; HSVA Test Facilities, Hamburg, 2006
17.10.2006
26
Möglichkeiten zur Reduzierung
des Schleppwiderstands
1.
Linienführung
PD
PD
Widerstandsverringernde Anbauten
Promotionsvortrag
Lars Adamek
2.
.
.
TriNav – Naval Architects; Fishing Boat Desoigners and Naval Architecture Services; St. John´s, 2006
17.10.2006
27
Bugwulstform
a, ∆ - Typ
b, 0 - Typ
c, ∇ - Typ
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Verdrängungsvolumen ca. 0,25 bis 0,35 % der Schiffsverdrängung.
Relative Länge 2,8 bis 3,2 % der Länge der Wasserlinie.
Reduktion des Wellenwiderstands bis ca. 30 % möglich!
Kracht, A.; Design of Bulbous Bows,; The Society of Naval Architects and Marine Engineers, New York, 1978
17.10.2006
28
2,5
2
1,5
1
0,5
rel. Wellenhöhe
Bugwulstwirkung
Rumpf
0
-4
-3
-2
-1
-0,5 0
Wulst
rel. Länge
1
2
3
4
Rumpf+Wulst
-1
-1,5
Länge Wulst: -2 bis 0
Länge Rumpf: 0 bis 4
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
29
Gliederung
• Schiffsantrieb
Rumpfformen
• Fazit
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Widerstandsanteile
Rumpfwiderstand
30
Erhöhung der Transportgeschwindigkeit
Möglichkeiten zur Geschwindigkeitserhöhung:
1. Mehr Leistung
Grenze durch Wellenberg
1. „Länge läuft !“
Rumpf verlängern
2. Schlankheitsgrad Rumpf
Katamaran
3. Gleiten
Kleinere Schiffe
Promotionsvortrag
Lars Adamek
2. Rumpfform
17.10.2006
31
Referenzfrachter
mit Knickrumpf
Langer Rumpf
Gleiter
Katamaran
Länge
180 m
360 m
180 m
180 m
Breite
27 m
13,5 m
27 m
2 * 13,5 m
Tiefgang
11 m
11 m
1,1 m
8,8 m
Verdrängung
25.000 t
25.000 t
2.500 t
2 * 12.500 t
Rumpfgeschwindigkeit
32,5 kn
45,9 kn
32,5 kn
32,5 kn
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Mögliche Rumpfformen
32
Gliederung
• Schiffsantrieb
Propulsor
Rumpfformen
• Fazit
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Widerstandsanteile
Rumpfwiderstand
33
500.000
Referenz
400.000
Langschiff
300.000
Gleiter
Katamaran
200.000
100.000
0
0
Promotionsvortrag
Lars Adamek
10
20
30
40
50
Wellenwiderstand in kN
Wellenwiderstand der Entwürfe
17.10.2006
34
600.000
500.000
Referenz
400.000
Langschiff
300.000
Gleiter
200.000
Katamaran
100.000
0
0
10
20
30
40
Reibungswiderstand in kN
Reibungswiderstand der Entwürfe
50
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
35
1.000.000
Referenz
800.000
Langschiff
600.000
Gleiter
400.000
Katamaran
200.000
0
0
10
20
30
40
Schleppwiderstand in kN
Schleppwiderstand der Entwürfe
50
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
36
Antriebsleistung der Entwürfe
Leistung in kW
500.000
400.000
Referenz
Langschiff
Gleiter
Katamaran
300.000
153 MW
118 MW
200.000
44 MW
14 MW
100.000
0
10
20
30
40
0
50
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
37
Referenzfrachter
mit Knickrumpf
Langer Rumpf
Gleiter
Katamaran
20,7 kn
27,4 kn
43,0 kn
21,6 kn
Vmax
32,5 kn
45,9 kn
100 kn
32,5 kn
Pmax
216.100 kW
168.100 kW
530.000 kW
163.200 kW
27 m
13,5 m
27 m
40,5 m
2 * 10-2
1,5 * 10-2
1 * 10-1
1,9 * 10-2
(20,7 kn)
(27,4 kn)
(43 kn)
(21,6 kn)
vRef
(bei 32.300 kW)
Breite
Spez. Transportenergiebedarf
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Leistungsmerkmale der Entwürfe
38
Kostenvergleich
120.000
100.000
Verwaltung
Reparatur & Instandhaltung
Versicherung
36.880
20.000
127.961
40.000
37.922
60.000
47.927
80.000
9.930
Jahresunterhalt in T€
140.000
Personal
Kapitalkosten
Bunkerkosten
0
Promotionsvortrag
Lars Adamek
Gleiter
Katamran
Referenz Referenz Langschiff
schnell
17.10.2006
39
Gliederung
• Schiffsantrieb
Propulsor
Rumpfformen
• Fazit
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Widerstandsanteile
Rumpfwiderstand
40
Spezifischer Transport Energiebedarf
See
(100.000 t)
See
(10.000 t)
10 kn
20 kn
7*10-4
3*10-3
2*10-3
2*10-2
See
(1.000 t)
Schiene
Straße
2*10-2
2,2*10-2
50 kn
200 kn
500 kn
5 * 10-2
10-1
7 * 10-1
6*10-3
10-2
3,7*10-2
8*10-2
2,5*10-1
Luft (10 t)
Luft (300 t)
Promotionsvortrag
Lars Adamek
100 kn
Schenzle, P.; Sustainable Sea Traansportation – The Zero-Emission Ship?;
STG Hauptversammlung Hamburg 2002
3*10-2
9*10-2
1,5*10-1
2*10-1
5,5*10-2
17.10.2006
P / (m * v)
41
•
•
•
•
•
Seetransport ist sehr energieeffizient
Transportgeschwindigkeit ist durch Wellenbildung
begrenzt
Optimierung der Effizienz ist insbesondere durch
Formgebung des Rumpfs möglich
Gleitschiffe könnten 60 kn erreichen
(10 % der Lufttransportgeschwindigkeit)
Schneller Transport durch Gleitschiffe ist ca. 2,5 mal so
energieintensiv wie Lufttransport
Geschwindigkeit der Schiffe wird mit deren Größe weiter steigen.
Dienstgeschwindigkeit wird auch in Zukunft 30 kn nicht übersteigen.
Promotionsvortrag
Lars Adamek
17.10.2006
Fazit
42

Lars Adamek - Schnelle Containerschiffe

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