Waarom moet het effect van een ESD op de volledige voortstuwingsprestatie worden beoordeeld?
Het effect van een Energy Saving Device (ESD) moet op de volledige voortstuwingsprestatie worden beoordeeld, omdat een betere schroefwerking niet automatisch een even grote vermindering van het benodigde schachtvermogen oplevert. Een Pre-Swirl Stator (PSS), Pre-Duct, Propeller Boss Cap Fin (PBCF) of Rudder Bulb verandert de stroming rond de schroef. Daardoor kunnen ook de hydrodynamische krachten op de romp, het roer en de voorziening zelf veranderen. Een gunstig effect op de schroef kan gedeeltelijk worden gecompenseerd door extra verliezen elders. Omgekeerd kan een ESD de totale vermogensvraag verminderen doordat de voorziening zelf een gunstige kracht levert, ook wanneer het afzonderlijke schroefrendement nauwelijks verbetert. De werkelijke bijdrage ontstaat uit de gezamenlijke werking van alle betrokken onderdelen. Daarom worden niet alleen de stromingsveranderingen en afzonderlijke rendementen onderzocht, maar vooral het schachtvermogen dat de complete configuratie bij dezelfde scheepsprestatie nodig heeft.
Waarom bewijst een betere schroefwerking nog geen vermogensbesparing?
Het rendement van een scheepsschroef kan op verschillende manieren worden beoordeeld. Bij een vrijwaterproef wordt onderzocht hoe de schroef onder een uniforme aanstroming stuwkracht levert in verhouding tot het opgenomen vermogen. Achter een schip werkt dezelfde schroef in het wakeveld van de romp. De stroming is daar anders verdeeld en de werkende schroef beïnvloedt ook de drukverdeling rond het achterschip.
Het vrijwaterrendement en de prestaties van de schroef achter het schip zijn daarom niet hetzelfde. Bovendien beschrijft geen van beide afzonderlijk alle hydrodynamische bijdragen aan de voortstuwing. Ook de wisselwerking met de romp, het roer en eventuele aanvullende voorzieningen bepaalt hoeveel vermogen nodig is om het schip voort te bewegen.
In een traditionele voortstuwingsanalyse wordt deze wisselwerking onder meer beschreven met de effectieve volgstroom, de stuwkrachtsaftrek en het relatieve rotatierendement. De volgstroom beschrijft de invloed van de romp op de effectieve aanstroming van de schroef. De stuwkrachtsaftrek hangt samen met de verandering van de krachten op het schip door de werkende voortstuwing. Het relatieve rotatierendement vergelijkt het benodigde schroefkoppel in vrij water met het koppel achter het schip bij overeenkomstige stuwkracht en toerental. Een ESD kan meerdere van deze factoren tegelijk beïnvloeden. Bij een gecombineerde schroef-ESD-configuratie moet bovendien duidelijk zijn hoe de afzonderlijke krachten in de gebruikte rendementscijfers zijn verwerkt.
Een Pre-Swirl Stator laat zien waarom dat onderscheid belangrijk is. De vaste vinnen veranderen de richting waarmee het water de schroef bereikt. Daardoor kunnen de relatieve instroomhoeken en de verdeling van de bladbelasting gunstiger worden. De schroef kan vervolgens onder bepaalde omstandigheden met minder opgenomen vermogen de vereiste voortstuwing leveren. Dat betekent niet dat de vrijwaterkarakteristiek van de oorspronkelijke schroefgeometrie zelf is veranderd. De verbetering kan juist voortkomen uit de andere aanstroming waarin dezelfde schroef achter het schip werkt.
De statorvinnen ondervinden echter zelf hydrodynamische krachten. Afhankelijk van de geometrie en aanstroming kan de component van die krachten in de vaarrichting gunstig of ongunstig zijn. Ook de gewijzigde schroefwerking kan de krachten op het achterschip beïnvloeden. Wanneer deze effecten niet worden meegenomen, kan de verbetering van de schroef een onvolledig beeld geven van het resultaat voor het schip.
Het omgekeerde is eveneens mogelijk. Een Pre-Duct kan onder geschikte omstandigheden een gunstige voorwaartse krachtcomponent leveren. De totale vermogensvraag kan daardoor dalen, zelfs wanneer de schroef afzonderlijk slechts een beperkte rendementsverbetering laat zien. De verbetering ontstaat dan mede doordat de voorziening de verdeling van de voortstuwende en tegenwerkende krachten verandert.
Ook een lager schroefkoppel of een hoger stuwkrachtcijfer bewijst op zichzelf geen energiebesparing. Het benodigde schachtvermogen hangt samen met zowel het koppel als het toerental. Daarnaast moet de schroef voldoende voortstuwing leveren om de krachten op de volledige scheepsconfiguratie in evenwicht te brengen.
Een afzonderlijk schroefrendement blijft waardevol om de werking van een ontwerp te begrijpen. Voor een uitspraak over de energiebesparing van het schip is echter een bredere beoordeling nodig. De vraag is niet alleen of de schroef efficiënter werkt, maar of de volledige configuratie bij dezelfde scheepsprestatie minder vermogen vraagt.
Welke krachten op de romp, ESD en het roer moeten meetellen?
Een ESD beïnvloedt de voortstuwing via de stroming en de krachten op verschillende onderdelen. Welke bijdrage de voorziening levert, hangt daarbij mede af van de plaats waar de krachten ontstaan en hoe deze krachten aan het schip worden overgedragen.
Bij een Pre-Duct wordt de waterstroming voor de schroef door het ductprofiel geleid. De drukverdeling op het profiel veroorzaakt een hydrodynamische kracht die via de bevestiging op de scheepsconstructie wordt overgedragen. Tegelijkertijd verandert de aanstroming van de schroef. Daardoor kunnen het benodigde toerental, koppel en de geleverde schroefstuwkracht verschuiven.
De invloed blijft niet noodzakelijk beperkt tot de duct en de schroef. De gewijzigde aanstroming en schroefwerking kunnen ook de drukverdeling op het achterschip veranderen. Daardoor kan de hydrodynamische kracht op de romp afwijken van die van de oorspronkelijke configuratie. Een vergelijking die uitsluitend de afzonderlijke krachten op de duct en de schroef behandelt, kan deze bijdrage missen.
Bij een Pre-Swirl Stator ontstaat een vergelijkbare wisselwerking. De statorvinnen beïnvloeden de instroomrichting van de schroef, maar dragen de eigen hydrodynamische krachten via de bevestiging over aan de romp. De gezamenlijke prestatie hangt daardoor af van de veranderde schroefwerking, de statorkrachten en de reactie van de overige scheepsonderdelen.
Bij een Propeller Boss Cap Fin ligt de krachtsoverdracht anders. De PBCF draait mee met de schroefnaaf. De hydrodynamische krachten en het moment op de naafvinnen maken daardoor deel uit van de belasting op de draaiende schroefconstructie. Wanneer de stuwkracht en het koppel van de complete draaiende configuratie worden bepaald, moet duidelijk zijn of de bijdrage van de PBCF daarin al is opgenomen. Anders kan dezelfde bijdrage onbedoeld dubbel worden geteld of juist buiten de beoordeling blijven.
Dat onderscheid is ook belangrijk bij modelproeven en numerieke berekeningen. Een meting van uitsluitend de schroefbladen hoeft niet dezelfde krachtcomponenten te bevatten als een meting van de volledige schroef met naafkap en PBCF. Bij het vergelijken van onderzoeksresultaten moet daarom bekend zijn welke oppervlakken en onderdelen in de gerapporteerde stuwkracht en het koppel zijn meegenomen.
Een Rudder Bulb vormt daarentegen onderdeel van het roer. De bulb verandert de stroming en drukverdeling rond de voorzijde van het roer, terwijl de resulterende krachten via de roerconstructie worden overgedragen. Ook de stroming rond de schroefnaaf kan hierdoor veranderen. De invloed op het roer en de schroef moet daarom gezamenlijk worden beoordeeld.
Daarbij verdient aandacht dat een roer niet uitsluitend een tegenwerkende kracht hoeft te veroorzaken. Een passend ontworpen roer kan de roterende schroefstraal onder bepaalde omstandigheden zodanig beïnvloeden dat een voorwaartse krachtcomponent ontstaat. Wanneer een ESD de eigenschappen van de schroefstraal verandert, kan ook deze bijdrage verschuiven. De richting en omvang van de resulterende kracht hangen af van de roergeometrie, roerstand en plaatselijke aanstroming.
Voor de hydrodynamische beoordeling is daarom een consistente afbakening van de onderdelen nodig. Krachten op de romp, vaste voorzieningen, de draaiende schroefconfiguratie en het roer moeten zo worden verwerkt dat alle relevante bijdragen meetellen, zonder dezelfde kracht meerdere keren op te nemen. Daarbij moeten de krachten en momenten van dezelfde fysieke configuratie en hetzelfde bedrijfspunt afkomstig zijn.
De afzonderlijke krachten helpen vervolgens verklaren waarom een ESD werkt. Het gezamenlijke effect van die krachten bepaalt welk schachtvermogen het schip nodig heeft.
Hoe kan een gunstige stromingsverandering toch een tegenvallend resultaat opleveren?
Een ESD wordt vaak ontwikkeld vanuit een stromingsverschijnsel dat mogelijkheden voor verbetering biedt. Dat kan een ongelijkmatige aanstroming van de schroef zijn, resterende rotatie in de schroefstraal of een uitgesproken naafwervel. Wanneer een voorziening zo'n verschijnsel gunstig verandert, is daarmee nog niet vastgesteld hoeveel energie daadwerkelijk wordt bespaard.
Denk aan een hypothetische ontwerpstudie voor een zeegaande bulkcarrier waarvoor een Pre-Duct wordt onderzocht. Een eerste ontwerp zorgt voor een duidelijk gelijkmatiger aanstroming van de schroef. De schroef reageert gunstig, maar op het ductprofiel ontstaan relatief grote tegenwerkende hydrodynamische krachten. Een tweede ontwerp verandert de aanstroming minder sterk, maar heeft zelf een gunstigere krachtverdeling.
Het tweede ontwerp kan daardoor uiteindelijk minder schachtvermogen vragen, ondanks de kleinere plaatselijke stromingsverandering. Het resultaat hangt af van de volledige voortstuwing en niet uitsluitend van de mate waarin de aanstroming gelijkmatiger wordt. Bovendien is een gelijkmatig wakeveld op zichzelf geen optimaal ontwerpdoel wanneer de bestaande schroefgeometrie juist voordeel heeft van een bepaalde snelheids- of richtingsverdeling.
Een ander voorbeeld betreft de stroming rond de schroefnaaf. Een PBCF kan de ontwikkeling van de naafwervel beïnvloeden en daarmee de werking van de schroef verbeteren. De gewijzigde stroming bereikt echter ook het achterliggende roer. Wanneer de weerstand van het roer daardoor toeneemt, kan een deel van de verbetering verloren gaan.
Dit effect is in experimenteel en numeriek onderzoek naar PBCFs in schroef-roeropstellingen vastgesteld. Bij de onderzochte configuraties leidde de aanwezigheid van de PBCF tot een hogere roerweerstand, waardoor de netto verbetering van de schroef-roeropstelling kleiner werd. De omvang en richting van die interactie zijn afhankelijk van de geometrie en bedrijfscondities. Het onderzoeksresultaat betekent daarom niet dat iedere PBCF de roerweerstand verhoogt.
Een kleinere naafwervel is bovendien geen directe maat voor de totale energiebesparing. Een wervelstructuur kan plaatselijk afnemen terwijl andere stromingsverliezen toenemen. Omgekeerd kan een ESD de schroefbelasting en de verdeling van de hydrodynamische krachten verbeteren zonder dat alle zichtbare wervelstructuren verdwijnen.
Stromingsbeelden en afzonderlijke rendementen zijn daarom vooral waardevol als technische verklaring. De resultaten laten zien waar de werking verandert en kunnen helpen een geometrie verder te verbeteren. De doorslaggevende prestatie-indicator blijft de vermogensvraag van de volledige scheepsconfiguratie.
Waarom is het zelfvoortstuwingspunt bepalend voor de werkelijke besparing?
Bij een constante vaarsnelheid moet de voortstuwing voldoende kracht leveren om de tegenwerkende krachten op het schip te overwinnen. Het zelfvoortstuwingspunt is de bedrijfstoestand waarin dit krachtenevenwicht wordt bereikt. Het bijbehorende schroeftoerental en koppel bepalen hoeveel vermogen de schroef opneemt.
Wanneer een ESD wordt toegevoegd, kan het krachtenevenwicht veranderen. Een voorziening kan zelf een voorwaartse of tegenwerkende kracht veroorzaken, de schroefaanstroming beïnvloeden en de drukverdeling op de romp of het roer wijzigen. Daardoor hoeft de schroef niet dezelfde stuwkracht te leveren als in de referentieconfiguratie zonder ESD.
Dat heeft gevolgen voor de manier waarop de vermogensbesparing wordt vastgesteld. Een vergelijking bij hetzelfde toerental kan bijvoorbeeld laten zien dat een schroef met ESD meer stuwkracht levert. Maar wanneer het schip daardoor bij die instelling niet hetzelfde krachtenevenwicht heeft als de referentie, beschrijven beide berekeningen geen gelijkwaardige zelfvoortstuwingsprestatie.
Voor een betrouwbare vergelijking wordt daarom bij iedere configuratie het passende zelfvoortstuwingspunt bepaald. De scheepssnelheid door het water, diepgang, trim en relevante omgevingscondities worden gelijk gehouden. Het toerental wordt vervolgens zo nodig aangepast totdat het krachtenevenwicht voldoende nauwkeurig is bereikt. De vermogensvraag volgt uit het bijbehorende toerental en koppel.
Bij modelproeven of berekeningen met Computational Fluid Dynamics (CFD) op modelschaal kan bovendien een correctie nodig zijn voor het verschil in huidwrijvingsweerstand tussen model en schip op ware grootte. Ook de extrapolatie van de veranderde aanstroming vraagt bij bepaalde ESD-typen afzonderlijke aandacht. Een gevonden zelfvoortstuwingspunt op modelschaal is daarom niet zonder verdere beoordeling gelijk aan het bedrijfspunt van het uiteindelijke schip.
Bij een Controllable Pitch Propeller (CPP) komt de bladstand als aanvullende variabele in beeld. De benodigde voortstuwing kan met verschillende combinaties van bladstand en toerental worden geleverd, afhankelijk van de installatie en regelstrategie. Wanneer de ESD een andere combinatie gunstig maakt, moet duidelijk zijn welke instellingen en optimalisatiemogelijkheden bij de vergelijking zijn toegestaan. Dat onderscheid voorkomt dat een verbetering door een gewijzigde CPP-regeling ongemerkt volledig aan de ESD wordt toegeschreven. Wanneer de nieuwe regeling onderdeel vormt van een geïntegreerde optimalisatie, kan de totale prestatie van die configuratie worden beoordeeld. De gerapporteerde verbetering moet dan wel betrekking hebben op de volledige onderzochte aanpassing.
Ook de plaats waar het vermogen wordt bepaald verdient aandacht. Het door de schroef opgenomen vermogen en het op een ander punt in de aandrijflijn gemeten schachtvermogen hoeven niet precies gelijk te zijn wanneer mechanische verliezen of gekoppelde vermogensafnames een rol spelen. Voor de vergelijking moet daarom duidelijk zijn welke vermogensgrootheid wordt gebruikt en of die voor beide configuraties op dezelfde basis is vastgesteld.
Het zelfvoortstuwingspunt verbindt zo de plaatselijke hydrodynamische veranderingen met de werkelijke prestatie van het schip. Niet een afzonderlijke kracht of een gunstig schroefrendement bepaalt de besparing, maar het vermogen dat de volledige configuratie bij dezelfde scheepsprestatie nodig heeft.
Wat betekent de volledige voortstuwingsprestatie voor de ESD-beoordeling?
Een technisch onderbouwde ESD-beoordeling moet twee vragen beantwoorden. Welke hydrodynamische veranderingen veroorzaakt de voorziening? En hoeveel vermogen bespaart het schip wanneer alle relevante gevolgen daarvan worden meegenomen?
Voor de eerste vraag zijn stromingsbeelden, drukverdelingen en krachten op afzonderlijke onderdelen waardevol. Deze resultaten kunnen bijvoorbeeld laten zien dat een statorvin plaatselijk ongunstige voorrotatie veroorzaakt of dat een naafvoorziening de weerstand van het roer verhoogt. Daarmee wordt duidelijk waar verdere ontwerpaanpassing zinvol is.
De tweede vraag vraagt om een vergelijking van de volledige voortstuwingsprestatie. Daarvoor wordt vastgesteld hoeveel schachtvermogen de referentieconfiguratie en de uitvoering met ESD bij dezelfde snelheid en scheepstoestand nodig hebben. Het verschil vormt de voorspelde of gemeten vermogensbesparing onder die omstandigheden.
Een bruikbaar technisch resultaat maakt daarnaast herkenbaar welke veranderingen in de beoordeling zijn meegenomen. Bij een afzonderlijke ESD op de bestaande schroef moet duidelijk zijn wat de toegevoegde voorziening verandert. Wanneer tegelijk de schroefgeometrie, het roer of de CPP-regeling wordt aangepast, beschrijft het berekende voordeel een uitgebreidere voortstuwingsconfiguratie. Die totale verbetering mag niet zonder aanvullende onderbouwing uitsluitend aan de ESD worden toegeschreven.
De betrouwbaarheid van het vermogensverschil blijft eveneens belangrijk. Een kleine berekende verbetering kan technisch waardevol zijn, maar moet voldoende nauwkeurig worden vastgesteld om een overtuigende conclusie mogelijk te maken. De gekozen berekenings- of beproevingsmethode moet daarom geschikt zijn voor de stromingsverschijnselen die de betreffende ESD beïnvloedt. Een goede voorspelling van het oorspronkelijke schachtvermogen bewijst niet automatisch dat de verandering na toevoeging van de ESD met dezelfde nauwkeurigheid wordt bepaald.
Daarnaast kan de vermogensverbetering per bedrijfsconditie verschillen. Een voorziening die bij de nominale kruissnelheid gunstig presteert, hoeft bij een andere diepgang of schroefbelasting niet dezelfde bijdrage te leveren. Voor een zeeschip met wisselende belading of een breed snelheidsgebied moet daarom duidelijk zijn onder welke omstandigheden de netto verbetering behouden blijft. De uiteindelijke energiebesparing over het vaarprofiel volgt uit de vermogensverschillen en de bijbehorende bedrijfsuren.
Een gunstige vermogensvraag is ten slotte niet het enige technische criterium. De gewijzigde stroming kan ook gevolgen hebben voor cavitatie, trillingen, constructieve belastingen en manoeuvreerbaarheid. Deze effecten moeten binnen het vereiste bedrijfsbereik technisch aanvaardbaar blijven. Een voorziening die tijdens rechtuitvaren minder vermogen vraagt, kan daardoor alsnog ontwerpaanpassingen nodig hebben voordat toepassing verantwoord is.
Ook moet de hydrodynamische verbetering worden onderscheiden van de uiteindelijke brandstofbesparing. De hoeveelheid brandstof die met een vermindering van het schachtvermogen wordt bespaard, hangt onder meer af van de motorbelasting, het specifieke brandstofverbruik en eventuele gekoppelde installaties. Een procentuele vermogensbesparing mag daarom niet automatisch als dezelfde procentuele brandstofbesparing worden gepresenteerd.
Het effect van een Energy Saving Device moet op de volledige voortstuwingsprestatie worden beoordeeld omdat de voorziening de krachten en stroming rond meerdere onderdelen tegelijk kan veranderen. Een gunstige schroefwerking of plaatselijke stromingsverbetering is daarbij een waardevolle aanwijzing, maar vormt geen zelfstandig bewijs voor energiebesparing. De doorslaggevende vergelijking laat zien hoeveel vermogen de complete configuratie onder gelijkwaardige omstandigheden nodig heeft en of de vermindering voldoende betrouwbaar is vastgesteld. Daarmee wordt duidelijk waar de verbetering vandaan komt en welke bijdrage daadwerkelijk voor het schip overblijft.
Dit artikel binnen de reeks
Bij de vergelijking van ESD-ontwerpen onder representatieve bedrijfscondities wordt onderzocht welke uitvoering over het vaarprofiel de meeste voortstuwingsenergie kan besparen. Wanneer na installatie een lagere vermogensvraag wordt gemeten, is daarnaast een geschikte vergelijkingsbasis voor de afzonderlijke ESD-bijdrage nodig om de invloed van eventuele andere werkzaamheden te onderscheiden. De samenhang tussen ontwerpkeuze, prestatievergelijking en bewijsvoering staat centraal bij hydrodynamisch ontwerp en prestatievalidatie van ESDs.