Wanneer is een combinatie van meerdere Energy Saving Devices (ESDs) technisch zinvol?
Een combinatie van meerdere Energy Saving Devices (ESDs) is technisch zinvol wanneer de voorzieningen gezamenlijk meer voortstuwingsvermogen besparen dan de beste afzonderlijke oplossing en de extra technische complexiteit gerechtvaardigd is. Een Pre-Swirl Stator (PSS) of Pre-Duct kan de aanstroming van de schroef verbeteren, terwijl een Propeller Boss Cap Fin (PBCF) of Rudder Bulb de stroming rond de schroefnaaf en het roer beïnvloedt. Dat biedt mogelijkheden om verschillende hydrodynamische verliezen te beperken, maar de voorzieningen werken niet onafhankelijk van elkaar. Een verandering van de schroefaanstroming beïnvloedt ook de schroefbelasting en de stroming die achterliggende onderdelen bereikt. Daardoor kunnen ESDs elkaar versterken, gedeeltelijk hetzelfde verlies beperken of elkaars werking ongunstig beïnvloeden. De afzonderlijke besparingen mogen daarom niet zonder meer worden opgeteld. Of een combinatie geschikt is, hangt af van de aanvullende vermogensbesparing, de onderlinge hydrodynamische interactie en de mogelijkheden om de voorzieningen veilig en betrouwbaar in de bestaande of geplande voortstuwing te integreren.
Wanneer vullen verschillende ESDs elkaar hydrodynamisch aan?
ESDs kunnen elkaar aanvullen wanneer een eerste voorziening hydrodynamische verliezen beperkt en een tweede voorziening verbetering kan bieden op een gebied dat daarna nog overblijft. Dat kan bijvoorbeeld het geval zijn wanneer de aanstroming voor de schroef gunstiger wordt gemaakt, terwijl achter de schroef nog verliezen rond de naaf of in de samenwerking met het roer aanwezig zijn. De plaats van beide voorzieningen geeft een eerste aanwijzing, maar bepaalt niet zelfstandig of hun werking elkaar aanvult.
Een Pre-Swirl Stator verandert bijvoorbeeld de richting waarmee het water de schroef bereikt. Daardoor kunnen de relatieve instroomhoeken en belasting van de schroefbladen veranderen. Ook de rotatie in de schroefstraal en de stroming richting het roer kunnen verschuiven. Wanneer achter dezelfde schroef een Rudder Bulb wordt toegepast, moet de bulb dus worden afgestemd op de stroming die ontstaat met de stator aanwezig. De oorspronkelijk gunstige bulbgeometrie hoeft onder deze omstandigheden niet de beste uitvoering te blijven.
Bij een Pre-Duct en PBCF ontstaat een vergelijkbare wisselwerking. De duct beïnvloedt de snelheid en richting van het water voor het schroefvlak. Daardoor kan de schroef anders worden belast en verandert mogelijk ook de naafstroming waarop de PBCF aangrijpt. Een PBCF die voor de oorspronkelijke schroefwerking is ontworpen, kan na toevoeging van de duct een andere hydrodynamische bijdrage leveren. In tijdafhankelijke stromingsberekeningen van deze combinatie zijn zowel een gunstiger axiale stroming als minder rotatiegerelateerde energie rond de naaf gevonden. Deze lokale stromingsuitkomsten beschrijven nog niet het totale voortstuwingsrendement. Of dit ook een aanvullende verlaging van het benodigde schachtvermogen oplevert, moet voor de volledige voortstuwing worden vastgesteld.
Het is daarom onvoldoende om vast te stellen dat twee ESDs verschillende werkingsprincipes hebben. De eerste voorziening kan de omstandigheden waarop de tweede is ontworpen wezenlijk veranderen. Soms ontstaat daardoor een gunstigere samenwerking, maar het kan ook betekenen dat de tweede voorziening minder verbetering overhoudt. De aanvullende bijdrage wordt pas duidelijk wanneer beide onderdelen samen met de schroef en het roer worden beoordeeld.
Welke combinaties van ESDs kunnen technisch interessant zijn?
Een Pre-Swirl Stator in combinatie met een Rudder Bulb is een voorbeeld van twee voorzieningen die aan weerszijden van de schroef werken. De stator verandert de instroomrichting, terwijl de bulb de stroming tussen schroefnaaf en roer beïnvloedt. Bij een groot ertsdragermodel zijn zelfvoortstuwingsproeven op zee en numerieke berekeningen gebruikt om de combinatie te vergelijken met de configuratie zonder beide voorzieningen. Voor die vergelijking is een verbeterde voortstuwingsprestatie gerapporteerd. Daarmee is de technische mogelijkheid onderbouwd, maar niet dat iedere schroef-roeropstelling met beide voorzieningen beter presteert dan met de afzonderlijke ESDs. De aanvullende waarde moet voor de betreffende configuratie worden vastgesteld.
Een Pre-Duct en Pre-Swirl Stator kunnen eveneens worden gecombineerd. De duct beïnvloedt de stromingsgeleiding naar het schroefvlak en de statorvinnen wekken gecontroleerde voorrotatie op. Deze functies kunnen in een geïntegreerde constructie worden samengebracht, bijvoorbeeld met vinnen binnen een duct. Het ductprofiel beïnvloedt dan de aanstroming van de vinnen, die op hun beurt de stroming richting de schroef veranderen.
Zo'n geïntegreerde uitvoering moet als geheel worden ontworpen. De gunstigste ductvorm zonder statorvinnen hoeft niet dezelfde te zijn wanneer de vinnen worden toegevoegd. Ook hun positie, profielvorm en instelhoek kunnen veranderen doordat beide onderdelen op dezelfde stroming aangrijpen. De afzonderlijke bijdragen zijn bij een volledig geïntegreerd ontwerp bovendien niet altijd zonder aanvullende vergelijkingen te onderscheiden. Een gecombineerde duct-statorvoorziening is daarom meer dan het eenvoudig samenvoegen van twee bestaande ontwerpen.
Ook een Pre-Swirl Stator en PBCF kunnen elkaar aanvullen. De stator verandert de aanstroming voor de schroef, terwijl de PBCF de stroming rond de meedraaiende naafkap beïnvloedt. Numerieke openwaterberekeningen aan een dergelijke combinatie laten een verbetering ten opzichte van de basisschroef zonder beide voorzieningen zien. De afzonderlijke meerwaarde boven alleen een stator is in die vergelijking niet vastgesteld. De onderzochte resultaten zijn echter afhankelijk van de specifieke schroef, statorgeometrie en naafvinnen. Veranderingen van stuwkracht, koppel of schroefrendement mogen daarbij niet rechtstreeks worden gelijkgesteld aan de brandstofbesparing van een volledig schip.
Voor een PBCF en Rudder Bulb ligt de afweging anders. Beide voorzieningen kunnen verliezen rond de schroefnaaf beperken, maar werken vanuit verschillende onderdelen. De PBCF draait met de naafkap mee en beïnvloedt de stroming direct achter de schroefbladen. De Rudder Bulb maakt deel uit van het roer en beïnvloedt de overgang tussen schroefnaaf en roer. Hun hydrodynamische bijdragen kunnen daardoor gedeeltelijk overlappen zonder identiek te zijn.
Wanneer een Rudder Bulb de naafwervel al sterk beïnvloedt, kan de aanvullende bijdrage van een PBCF kleiner worden. Dat sluit verdere verbetering niet uit. De naafvinnen kunnen nog steeds gunstige hydrodynamische krachten opwekken en de stroming anders beïnvloeden dan de bulb. Voor bepaalde zeeschepen zijn daarom speciale PBCF-ontwerpen ontwikkeld die ook bij een beperkte afstand tot een Rudder Bulb kunnen worden toegepast. De beschikbaarheid van zo'n uitvoering bewijst op zichzelf echter nog niet hoeveel extra schachtvermogen het betreffende schip bespaart.
De technische betekenis van deze combinaties verschilt dus per configuratie. Bij een Pre-Swirl Stator en Rudder Bulb ligt de mogelijke aanvulling vooral in de gewijzigde stroming voor en achter de schroef. Een geïntegreerde Pre-Duct met statorvinnen vraagt om een gezamenlijke optimalisatie van onderdelen die dezelfde instroom beïnvloeden. Bij een PBCF en Rudder Bulb verdienen de gedeeltelijk overlappende werking rond de naaf en de beschikbare inbouwruimte bijzondere aandacht. Welke combinatie de voorkeur verdient, volgt uit de gezamenlijke prestatie en niet uit een vaste rangorde tussen ESD-typen.
Wanneer kunnen ESDs elkaar juist tegenwerken?
Twee afzonderlijk effectieve ESDs kunnen gezamenlijk minder vermogen besparen dan de som van hun afzonderlijke verbeteringen. Daarvoor bestaan verschillende verklaringen die bij een technische beoordeling van elkaar moeten worden onderscheiden.
Een eerste mogelijkheid is overlappende werking. Wanneer een Pre-Swirl Stator de stroming zodanig verandert dat bepaalde verliezen achter de schroef al kleiner worden, blijft voor een achterliggende voorziening mogelijk minder verbetering over. De tweede ESD kan dan nog steeds positief bijdragen, maar minder dan wanneer deze afzonderlijk op het oorspronkelijke schip zou worden toegepast. Dat is niet noodzakelijk een negatieve hydrodynamische interactie: een deel van het oorspronkelijke verlies is eenvoudigweg al beperkt.
Een tweede mogelijkheid is dat de voorzieningen elkaars werking daadwerkelijk ongunstig beïnvloeden. Bij een Pre-Duct met statorvinnen kan bijvoorbeeld een stromingsverdeling ontstaan waarvoor de gekozen vinstanden onvoldoende geschikt zijn. De vinnen veroorzaken dan mogelijk extra verliezen, terwijl de resulterende instroom minder gunstig aansluit op de schroefbladen. Een aangepaste duct- of statorgeometrie kan nodig zijn om de samenwerking te verbeteren.
Ook achter de schroef kunnen ongunstige effecten optreden. Een PBCF kan de naafwervel beperken, maar verandert tegelijkertijd de stroming en drukverdeling die het roer bereikt. Onderzoek naar PBCFs in schroef-roeropstellingen laat zien dat een gunstige werking rond de naaf gepaard kan gaan met een hogere roerweerstand. Daardoor kan de netto verbetering van het volledige voortstuwingssysteem kleiner uitvallen dan de verbetering van de schroef alleen.
Een derde mogelijkheid is dat de afzonderlijke ontwerpen gezamenlijk niet optimaal zijn. Een stator die zonder Rudder Bulb een gunstige voorrotatie opwekt, hoeft niet dezelfde geometrie te behouden wanneer de bulb wordt toegevoegd. Hetzelfde geldt voor een PBCF die in combinatie met een Pre-Duct een andere naafstroming krijgt aangeboden. Gezamenlijke optimalisatie kan dan een beter resultaat opleveren dan het ongewijzigd combineren van twee afzonderlijk ontworpen voorzieningen.
Daarnaast kunnen combinaties de drukverdeling en wisselende belastingen op de schroef en het roer veranderen. Mogelijke gevolgen voor cavitatie, trillingen en manoeuvreerbaarheid moeten daarom worden onderzocht. Een lagere gemiddelde vermogensvraag is niet voldoende wanneer de gecombineerde configuratie onder noodzakelijke bedrijfscondities technisch onaanvaardbare effecten veroorzaakt.
Het onderscheid tussen overlappende werking, werkelijk ongunstige interactie en onvoldoende gezamenlijke optimalisatie is belangrijk. Een tegenvallende besparing laat zien dat de combinatie minder voordeel oplevert dan verwacht, maar verklaart nog niet welk hydrodynamisch mechanisme daarvoor verantwoordelijk is. Zelfs wanneer de gezamenlijke besparing kleiner is dan de som van de afzonderlijke besparingen, kan de combinatie nog steeds beter presteren dan iedere afzonderlijke voorziening.
Welke constructieve beperkingen bepalen of een combinatie uitvoerbaar is?
Een hydrodynamisch kansrijke combinatie moet binnen de bestaande of geplande scheepsconfiguratie passen. Vooral rond het schroefvlak kunnen de beschikbare ruimte, bevestigingspunten en onderlinge afstanden beperkingen opleggen aan de uitvoerbare geometrie.
Bij een Pre-Duct en Pre-Swirl Stator moet voldoende ruimte aanwezig zijn voor de duct, statorvinnen en eventuele ondersteuningsconstructies. Wanneer beide functies worden geïntegreerd, kunnen onderdelen gezamenlijk worden bevestigd. Dat kan constructieve voordelen bieden, maar verandert ook de verdeling van de hydrodynamische krachten. De sterkte en stijfheid van de ondersteuning moeten daarom worden beoordeeld voor de volledige configuratie.
De bevestigingsconstructie moet bovendien passen bij de wisselende belastingen die tijdens de exploitatie kunnen optreden. Een voorziening die tijdens rechtuitvaren gunstig functioneert, kan onder andere schroefbelastingen of manoeuvreeromstandigheden andere krachten ondervinden. Ook trillingsgevoeligheid en onderhoudstoegang zijn relevant. De benodigde ondersteuning mag de stroming naar de schroef niet zodanig verstoren dat de verwachte hydrodynamische verbetering wezenlijk verloren gaat.
Achter de schroef zijn vooral de naafkap, schroef-roerafstand en bestaande roergeometrie bepalend. Een PBCF vraagt ruimte voor de naafvinnen en een geschikte bevestiging aan de meedraaiende naafkap. Een Rudder Bulb moet aansluiten op de geometrie van de schroefnaaf en voldoende speling behouden ten opzichte van de draaiende onderdelen. Bij gecombineerde toepassing kan de beschikbare afstand de uitvoerbare vormen sterk beperken.
Een kortere PBCF kan bij bepaalde configuraties uitkomst bieden, maar het verminderen van de naafkaplengte of aanpassen van de vinnen verandert ook de hydrodynamische werking. Een constructief passende uitvoering is daarom niet automatisch een efficiënte uitvoering. De gewijzigde geometrie moet opnieuw op de bijdrage aan de volledige schroef-roeropstelling worden beoordeeld.
Bij een Controllable Pitch Propeller (CPP) kunnen aanvullende beperkingen gelden. Niet iedere verstelbare naaf is geschikt voor een PBCF. De uitvoering van de naafkap, bevestigingsmogelijkheden en eventuele bewegingsruimte van de verstelbare bladen moeten aansluiten op het gekozen ontwerp. Ook wanneer een Rudder Bulb aanwezig is, moeten de relevante spelingen en bedrijfsstanden worden gecontroleerd.
De mogelijkheden verschillen verder tussen nieuwbouw en retrofit. Bij nieuwbouw kunnen onderlinge afstanden, bevestigingspunten en onderhoudstoegang vanaf het begin worden meegenomen. Bij een bestaand zeeschip zijn de beschikbare ruimte en constructie grotendeels gegeven. Een combinatie die voor nieuwbouw aantrekkelijk is, kan daardoor bij retrofit ingrijpende wijzigingen vragen of technisch minder geschikt blijken.
De uiteindelijke uitvoerbaarheid hangt dus niet alleen af van de vraag of beide voorzieningen afzonderlijk kunnen worden geïnstalleerd. Hun gezamenlijke geometrie, belastingen, bewegingsruimte en onderhoudbaarheid moeten passen binnen de volledige voortstuwingsconfiguratie.
Hoe wordt de aanvullende prestatie van meerdere ESDs vastgesteld?
De technische meerwaarde van een combinatie wordt beoordeeld door het benodigde schachtvermogen van de volledige voortstuwingsconfiguratie vast te stellen. Daarbij worden de scheepssnelheid door het water, diepgang, trim en andere relevante uitgangscondities gelijk gehouden. Het toerental en koppel kunnen per configuratie verschillen, omdat een ESD juist de werking van de schroef verandert.
Bij twee voorzieningen biedt een vergelijking van vier configuraties een duidelijke basis: het schip zonder ESDs, uitsluitend met voorziening A, uitsluitend met voorziening B en met beide voorzieningen samen. Deze vergelijking maakt zichtbaar hoeveel de afzonderlijke ontwerpen besparen en welk resultaat ontstaat wanneer ze worden gecombineerd.
Een fictief voorbeeld verduidelijkt het verschil. Stel dat een kustvaartschip bij een bepaalde snelheid 4.000 kW schachtvermogen nodig heeft zonder ESD. Met uitsluitend voorziening A daalt dit naar 3.880 kW en met uitsluitend voorziening B naar 3.920 kW. Wanneer beide voorzieningen samen 3.850 kW vragen, bedraagt de gezamenlijke besparing 150 kW.
Voorziening A bespaart afzonderlijk 120 kW en voorziening B 80 kW. Wanneer B aan de configuratie met A wordt toegevoegd, daalt het vermogen echter van 3.880 naar 3.850 kW. De aanvullende bijdrage van B bedraagt dan 30 kW. De afzonderlijke besparingen van 120 en 80 kW mogen dus niet worden opgeteld als voorspelling van het gezamenlijke resultaat.
Ook de omgekeerde vergelijking is relevant. Wanneer voorziening A wordt toegevoegd aan het schip waarop B al aanwezig is, daalt de vermogensvraag van 3.920 naar 3.850 kW. De aanvullende bijdrage van A bedraagt dan 70 kW. De extra winst van iedere voorziening hangt dus af van de configuratie waarmee wordt vergeleken.
In dit voorbeeld ligt de gezamenlijke besparing 50 kW onder de som van beide afzonderlijke besparingen. Toch bespaart de combinatie meer vermogen dan iedere afzonderlijke voorziening. Het verschil van 50 kW toont aan dat de effecten niet optelbaar zijn, maar bewijst niet dat beide voorzieningen elkaar hydrodynamisch tegenwerken. Daarvoor moeten de stroming en krachten op de afzonderlijke onderdelen worden onderzocht. De genoemde vermogens zijn uitsluitend fictieve rekenwaarden en vormen geen voorspelling voor een werkelijk schip.
De vier configuraties moeten bovendien volgens dezelfde ontwerpuitgangspunten worden vergeleken. Wanneer A en B afzonderlijk zijn geoptimaliseerd en vervolgens ongewijzigd worden gecombineerd, beschrijft de vergelijking de interactie tussen die bestaande ontwerpen. Wordt de geometrie van beide voorzieningen daarna gezamenlijk aangepast, dan ontstaat een nieuwe configuratie. De prestatie daarvan kan beter of slechter uitvallen, maar moet afzonderlijk worden gerapporteerd.
Bij een CPP moet ook duidelijk zijn hoe de schroefinstellingen worden behandeld. Wanneer de gunstigste combinatie van bladstand en toerental verandert na toevoeging van een ESD, kan dat onderdeel zijn van de totale voortstuwingsverbetering. De uitgangspunten voor de regelstrategie en de toegestane optimalisatie moeten dan wel voor alle onderzochte configuraties gelijkwaardig zijn.
Computational Fluid Dynamics (CFD) kan inzicht geven in de gewijzigde aanstroming, drukverdeling en hydrodynamische krachten. Vooral bij combinaties moet de schroefwerking voldoende nauwkeurig worden beschreven om de relevante onderlinge interacties betrouwbaar te beoordelen. Modelproeven kunnen de berekende prestatie verder onderbouwen en helpen bij de beoordeling van schaalinvloeden. De voorspelling van het benodigde schachtvermogen op ware grootte vraagt daarbij om een geschikte beoordelings- en extrapolatiemethode.
Bij kleine aanvullende besparingen verdient de onzekerheid bijzondere aandacht. Een voorspelde verbetering van de tweede voorziening heeft weinig besliswaarde wanneer het verschil niet betrouwbaar van de onzekerheid in de berekeningen of metingen kan worden onderscheiden. De technische conclusie moet daarom aansluiten op de nauwkeurigheid waarmee de aanvullende bijdrage daadwerkelijk is vastgesteld.
Wanneer een zeeschip bij verschillende snelheden of beladingstoestanden opereert, kan bovendien de onderlinge samenwerking tussen de ESDs veranderen. Een combinatie die bij de nominale kruissnelheid gunstig presteert, hoeft bij een andere schroefbelasting niet dezelfde extra besparing op te leveren. De technische beoordeling moet daarom rekening houden met de relevante bedrijfscondities. Een voorspelde schachtvermogensbesparing mag bovendien niet zonder aanvullende beoordeling worden gelijkgesteld aan eenzelfde procentuele brandstofbesparing.
Wanneer is één ESD technisch de betere oplossing?
Een afzonderlijke ESD verdient de voorkeur wanneer de belangrijkste hydrodynamische verliezen daarmee al voldoende worden beperkt en een tweede voorziening weinig aanvullende verbetering oplevert. De extra constructie kan dan meer complexiteit, onderhoud en potentiële storings- of trillingsbronnen introduceren zonder dat daar een betekenisvolle vermogensbesparing tegenover staat.
Dat kan vooral spelen bij voorzieningen die gedeeltelijk dezelfde naafstroming beïnvloeden. Een PBCF en Rudder Bulb kunnen afzonderlijk kansrijk zijn, terwijl de gezamenlijke verbetering beperkt blijft doordat hun effecten deels overlappen. Ook een beperkte schroef-roerafstand kan ertoe leiden dat beide ontwerpen zo sterk moeten worden aangepast dat de oorspronkelijke hydrodynamische voordelen verminderen.
Anders ligt het wanneer na toepassing van de eerste voorziening een duidelijk verbeterpotentieel overblijft waarop een tweede ESD effectief kan aangrijpen. Vooral bij nieuwbouw of een omvangrijke retrofit kan gezamenlijke ontwikkeling van de geometrie dan een zinvolle verbetering opleveren. De combinatie moet wel technisch uitvoerbaar zijn en onder de relevante bedrijfscondities voldoende betrouwbaar blijven functioneren.
Bij vergelijkbare hydrodynamische prestaties kunnen ook praktische verschillen doorslaggevend worden. Een afzonderlijke voorziening kan eenvoudiger worden bevestigd, beter bereikbaar zijn voor inspectie en minder ingrijpende aanpassingen aan de bestaande achtersteven vragen. Een kleine, onzeker voorspelde extra besparing vormt dan niet vanzelfsprekend een goede reden voor een complexere constructie.
Een combinatie van meerdere Energy Saving Devices is technisch zinvol wanneer de voorzieningen gezamenlijk een voldoende betrouwbaar onderbouwde extra vermogensbesparing leveren en hun hydrodynamische en constructieve werking goed op elkaar aansluit. De beslissende vraag is niet hoeveel afzonderlijke voorzieningen kunnen worden toegepast, maar welke verbetering de tweede ESD werkelijk toevoegt aan de configuratie die al aanwezig is. Wanneer dat voordeel beperkt blijft, onvoldoende zeker is of gepaard gaat met onaanvaardbare technische nadelen, is een goed afgestemde afzonderlijke voorziening de betere oplossing.
Dit artikel binnen de reeks
Of meerdere voorzieningen elkaar aanvullen, hangt mede af van de afstemming van ESDs op een vaste schroef of CPP, waarbij de bladstand, schroefbelasting en naafconstructie van belang zijn. Ook wanneer een combinatie technisch uitvoerbaar is, kan onderhoud of heroptimalisatie een betere eerste stap zijn dan een ESD. Hoe deze afwegingen binnen de volledige voortstuwing samenhangen, komt aan bod bij de configuratie van ESDs in de scheepsvoortstuwing.