Hoe verschilt het ontwerp van een ESD bij een vaste schroef en een CPP?
Het ontwerp van een Energy Saving Device (ESD) verschilt bij een schroef met vaste spoed en een Controllable Pitch Propeller (CPP) vooral doordat de bladstand van een CPP tijdens bedrijf kan veranderen. Bij een vaste schroef blijft de geometrische bladstand ongewijzigd, terwijl een CPP met verschillende spoedinstellingen stuwkracht kan leveren. Daardoor veranderen de belasting van de schroefbladen en de stroming rond de schroef en naaf. Een ESD met doorgaans vaste geometrie moet daar hydrodynamisch op aansluiten. Dat stelt aanvullende eisen aan de afstemming van een Pre-Swirl Stator (PSS), Pre-Duct, Propeller Boss Cap Fin (PBCF) of Rudder Bulb. Vooral bij voorzieningen rond de schroefnaaf speelt ook de constructie van het verstelmechanisme een rol. Beide schroeftypen kunnen met een ESD worden gecombineerd, maar bij een CPP moet het ontwerp rekening houden met de relevante bladstanden, de bijbehorende toerentallen en de invloed daarvan op de voortstuwing. De uitdaging is om de voorziening bij de belangrijkste bedrijfsinstellingen efficiënt te laten werken en tegelijkertijd de technische geschiktheid binnen het vereiste bedrijfsbereik te behouden.
Wat verandert aan de schroefgeometrie en de aanstroming?
Bij een schroef met vaste spoed, een Fixed Pitch Propeller (FPP), hebben de bladen een onveranderlijke geometrische stand ten opzichte van de naaf. Tijdens bedrijf kan de hydrodynamische belasting wel veranderen. Wanneer de verhouding tussen de aanstroomsnelheid en het toerental verschuift, verandert de richting waarmee het water de draaiende bladen bereikt. Daardoor veranderen de hydrodynamische invalshoek, drukverdeling en krachten op de bladen, hoewel de bladgeometrie gelijk blijft.
Bij een CPP kunnen de bladen om de eigen verstelassen draaien. Daarmee verandert de geometrische bladstand, zonder dat de vorm van het afzonderlijke bladprofiel verandert. De hydrodynamische invalshoek wordt daarnaast bepaald door de relatieve aanstroming, die onder meer samenhangt met het toerental, de scheepssnelheid en de door de schroef opgewekte stroming. Een verandering van de bladstand leidt daardoor niet noodzakelijk tot een even grote verandering van de hydrodynamische invalshoek. Wel kunnen de verdeling van de bladbelasting, het benodigde koppel en de stroming achter de schroef verschuiven.
Dit onderscheid heeft directe gevolgen voor een ESD. Bij een FPP werkt de voorziening samen met een vaste bladgeometrie die onder verschillende hydrodynamische belastingen functioneert. Bij een CPP kan ook de geometrische stand van de bladen veranderen. Twee bedrijfsstanden met vrijwel dezelfde vaarsnelheid kunnen daardoor een andere combinatie van bladstand, toerental en schroefbelasting hebben. De voorrotatie die een stator opwekt of de stroming die een naafvoorziening beïnvloedt, hoeft bij die instellingen niet dezelfde bijdrage aan de voortstuwing te leveren.
Dat betekent niet dat een CPP minder geschikt is voor een ESD. De verstelbaarheid biedt mogelijkheden om de schroef onder uiteenlopende omstandigheden gunstig te laten functioneren. Bij het ESD-ontwerp moet alleen duidelijk zijn welke instellingen werkelijk worden gebruikt en hoe de voorziening daarop reageert. Bij een FPP is eveneens beoordeling over de relevante bedrijfspunten nodig, maar daar ontbreekt de aanvullende variatie van de geometrische bladstand tijdens bedrijf.
Hoe verschilt de afstemming van een Pre-Swirl Stator of Pre-Duct?
Een Pre-Swirl Stator (PSS) wekt met vaste vinnen voor de schroef een gecontroleerde voorrotatie op tegen de draairichting van de schroef. De voorziening verandert daarmee de relatieve aanstroming die de schroefbladen verwerken. De vorm en stand van de statorvinnen worden afgestemd op de plaatselijke stroming en de manier waarop de schroef de opgewekte voorrotatie benut.
Bij een FPP kan deze afstemming worden ontwikkeld in samenhang met de vaste bladhoekverdeling. De stator moet vervolgens bij de relevante toerentallen en belastingen gunstig blijven samenwerken met de schroef. Bij een CPP komt daar de invloed van de verstelbare bladstand bij. De statorvinnen behouden dezelfde geometrie, maar de relatieve instroomhoeken en belasting van de schroefbladen kunnen met de spoedinstelling veranderen. Daardoor kan ook de verdeling van de voorrotatie die de schroef gunstig kan benutten per bedrijfsstand verschillen.
Voor de engineering is vooral belangrijk welke combinatie van statorgeometrie en gebruikte CPP-instellingen de vermogensvraag verlaagt. Een stator die bij een hoge bladstand een gunstige verbetering oplevert, hoeft bij een kleinere bladstand niet even effectief te zijn. De grootste voorrotatie bij een afzonderlijke instelling is bovendien niet noodzakelijk de beste ontwerpuitkomst. De stator veroorzaakt zelf hydrodynamische krachten en verliezen, die samen met de veranderde schroefwerking moeten worden beoordeeld.
Een Pre-Duct beïnvloedt vooral de stromingsgeleiding naar het schroefvlak. De duct verandert de plaatselijke snelheidsverdeling en stromingsrichting, terwijl de drukverdeling op het ductprofiel eigen hydrodynamische krachten veroorzaakt. Ook beïnvloedt de werkende schroef de stroming en drukverdeling rond de duct. Voor de netto vermogensverbetering telt daarom niet alleen de gewijzigde aanstroming, maar ook de bijdrage van de duct zelf.
Bij een FPP verandert deze wisselwerking wanneer de aanstroming, het toerental en de belasting verschuiven. Bij een CPP kan de bladstand daarnaast de schroefbelasting en het bijbehorende drukveld veranderen. Daardoor kan dezelfde duct bij verschillende spoedinstellingen een andere invloed hebben op de aanstroming en de totale voortstuwingsprestatie. Bij geïntegreerde ductontwerpen met statorvinnen moet ook de opgewekte voorrotatie in de beoordeling worden betrokken.
De praktische ontwerpvraag is bij beide voorzieningen vergelijkbaar: welke vaste geometrie levert een gunstige verbetering bij de belangrijkste bedrijfscondities? Voor een CPP moet die vraag echter ook worden beantwoord voor de relevante variatie van de bladstand. Dat kan betekenen dat een stator- of ductgeometrie met een iets kleinere verbetering bij de nominale instelling uiteindelijk geschikter is, omdat de werking bij andere veelgebruikte CPP-instellingen gunstiger blijft.
De toepassing van een Pre-Swirl Stator of Pre-Duct vraagt bij een CPP dus niet om een ander fundamenteel werkingsprincipe. Het verschil ligt in de hydrodynamische afstemming op een schroef waarvan de geometrische bladstand tijdens bedrijf kan veranderen.
Welke gevolgen heeft de CPP-naaf voor een PBCF of Rudder Bulb?
Rond de schroefnaaf worden de constructieve verschillen tussen een FPP en CPP duidelijker zichtbaar. Bij een vaste schroef zijn de bladen in een onveranderlijke stand met de naaf verbonden. Een CPP bevat een mechanisme waarmee de bladen om de verstelassen kunnen draaien. De bladvoeten, bevestigingen en onderdelen van de hydraulische of mechanische verstelling stellen daardoor specifieke eisen aan de naafconstructie. Afhankelijk van de uitvoering kunnen ook de naafafmetingen en de vorm van de naafkap afwijken van die van een vergelijkbare vaste schroef.
Voor een Propeller Boss Cap Fin (PBCF) is vooral de combinatie van naafgeometrie en plaatselijke stroming belangrijk. De vinnen worden op de meedraaiende naafkap aangebracht en beïnvloeden de stroming die achter de schroefbladen en rond de naaf ontstaat. Bij een FPP kunnen de vorm, stand en positie van de vinnen worden afgestemd op de vaste bladgeometrie en de stroming rond de bladwortels.
Bij een CPP verandert deze stroming wanneer de bladstand wordt versteld. De PBCF draait met de naaf mee, maar de geometrische stand van de vinnen verandert niet samen met de verstelbare schroefbladen. Daardoor kan de hydrodynamische wisselwerking tussen de bladwortels, naafkap en vinnen bij verschillende spoedinstellingen uiteenlopen. De invloed op de naafwervel, het schroefkoppel en de krachten op de PBCF kan daarmee veranderen.
In een numerieke openwaterstudie is een model van een verstelbare schroef met en zonder PBCF bij vier spoedverhoudingen vergeleken. Deze opzet onderzoekt de schroefwerking bij verschillende bladstanden, zonder de volledige romp-schroef-roerinteractie na te bootsen. De onderzochte resultaten hebben echter betrekking op specifieke schroefconfiguraties en kunnen niet zonder aanvullende beoordeling worden vertaald naar de vermogensbesparing van een volledig schip. Voor het ontwerp blijft daarom belangrijk hoe de gekozen PBCF bij de werkelijke CPP-naaf en de relevante bedrijfsstanden functioneert.
Naast de hydrodynamische afstemming moet de voorziening constructief geschikt zijn. Een PBCF kan op bepaalde CPP-systemen worden toegepast, maar niet iedere naafconstructie biedt daarvoor dezelfde mogelijkheden. De vorm van de naafkap, de bevestiging, aanwezige onderdelen van het verstelmechanisme en eventuele voorschriften van de schroeffabrikant kunnen beperkingen opleggen. Afhankelijk van de uitvoering moet ook worden gecontroleerd of de beschikbare ruimte geschikt blijft bij het verstellen van de schroefbladen. De volledige naafconstructie en het benodigde verstelbereik zijn daarom belangrijker dan uitsluitend de nominale bladstand.
Voor een Rudder Bulb ligt het verschil anders. De bulb maakt deel uit van het roer en wordt afgestemd op de stroming tussen schroefnaaf en roer. Zowel bij een FPP als bij een CPP zijn de naafvorm, schroef-roerafstand en onderlinge uitlijning belangrijk. De geometrische aansluiting moet passen bij de werkelijke onderdelen en de beschikbare ruimte.
Een CPP kan een andere naafvorm hebben dan een vergelijkbare vaste schroef. Dat kan gevolgen hebben voor de uitvoerbare contour en positie van de Rudder Bulb. Daarnaast kan een verandering van de bladstand de eigenschappen van de schroefstraal beïnvloeden. De bulb krijgt daardoor bij verschillende spoedinstellingen mogelijk een andere snelheids- en drukverdeling aangeboden. De uitwerking op de volledige schroef-roeropstelling moet worden beoordeeld, omdat een gunstige verandering rond de naaf niet automatisch een even grote nettovermogensverbetering oplevert.
De verstelbare bladstand maakt een Rudder Bulb niet automatisch moeilijker om te installeren. De constructieve geschiktheid hangt vooral af van de naaf- en roergeometrie, terwijl de hydrodynamische afstemming mede wordt bepaald door de stroming die de schroef bij de relevante bladstanden achterlaat.
Het onderscheid tussen beide naafgerelateerde voorzieningen blijft daarmee belangrijk. Een PBCF moet direct passen bij de draaiende naafkap en de stroming rond de schroefbladen. Een Rudder Bulb wordt vanuit het roer afgestemd op de geometrie en stroming in het gebied achter de schroefnaaf. Bij een CPP vragen beide voorzieningen aandacht voor de veranderende schroefwerking, maar de constructieve gevolgen zijn niet hetzelfde.
Welke bladstanden en bedrijfscondities bepalen het ontwerp?
Voor de afstemming van een ESD moet bekend zijn onder welke omstandigheden de schroef tijdens de exploitatie werkt. Bij een FPP gaat het onder meer om de relevante combinaties van aanstroomsnelheid, toerental en belasting. Bij een CPP komen daar de werkelijk gebruikte bladstanden en de bijbehorende regelstrategie bij. Vooral de manier waarop bladstand en toerental gezamenlijk worden geregeld, bepaalt welke stromingsomstandigheden de ESD tijdens normaal bedrijf tegenkomt.
Een CPP op een kustvaartschip of RoRo-schip kan bijvoorbeeld gedurende langere perioden met een vrijwel constant toerental werken, waarbij de benodigde stuwkracht voornamelijk via de bladstand wordt geregeld. Bij een andere installatie kunnen toerental en bladstand gezamenlijk veranderen. Ook gekoppelde apparatuur, zoals een asgenerator, kan afhankelijk van de elektrische configuratie invloed hebben op de toegestane toerentalinstellingen. De ESD moet in deze gevallen worden afgestemd op de bedrijfsstanden die de voortstuwingsinstallatie daadwerkelijk gebruikt.
Dat betekent niet dat iedere mogelijke spoedinstelling even zwaar moet meewegen bij de optimalisatie. Vooral de bedrijfsstanden waarin de schroef gedurende langere tijd veel voortstuwingsenergie verwerkt, bepalen waar een rendementsverbetering de meeste waarde heeft. Een ESD wordt daardoor niet vanzelfsprekend afgestemd op de maximale bladstand of uitsluitend op de nominale kruissnelheid. Bij een schip dat vrijwel voortdurend binnen een beperkt spoedbereik werkt, kan een gerichte optimalisatie passend zijn. Wanneer verschillende bladstanden tijdens de exploitatie veel worden gebruikt, verdient een bredere afstemming aandacht.
De regelstrategie kan zelf ook onderdeel van de ontwerpafweging worden. Een ESD verandert mogelijk de relatie tussen de benodigde stuwkracht, het schroeftoerental en het koppel. Daardoor kan de gunstigste combinatie van bladstand en toerental met ESD afwijken van de oorspronkelijke instelling zonder ESD. Of die verandering daadwerkelijk kan worden benut, hangt af van de beschikbare regelmogelijkheden en de bedrijfsgrenzen van de voortstuwingsinstallatie.
Naast de hydrodynamische optimalisatie bestaat een afzonderlijke eis aan de technische geschiktheid. Tijdens manoeuvreren, achteruitslaan en andere noodzakelijke bedrijfsstanden kunnen de bladstand, stuwkrachtrichting en stroming sterk afwijken van de normale vooruitvaart. Een CPP kan daarbij achterwaartse stuwkracht leveren door de bladstand om te keren, zonder dat de draairichting van de schroefas hoeft te veranderen. De ESD hoeft in deze situaties niet dezelfde efficiëntiewinst te leveren, maar moet wel geschikt zijn voor de belastingen en stromingsomstandigheden die kunnen optreden. Ook de vereiste stuur- en manoeuvreerprestaties moeten behouden blijven.
Voor een CPP moeten dus twee ontwerpvragen afzonderlijk worden beantwoord. Bij welke bladstanden en toerentallen moet de ESD daadwerkelijk energie besparen? En binnen welke overige bedrijfsstanden moet de voorziening technisch veilig en betrouwbaar blijven functioneren? Dit onderscheid voorkomt dat een gunstig resultaat bij een nominale bladstand ten onrechte als bewijs voor de geschiktheid van de gehele installatie wordt beschouwd.
Hoe wordt het ESD-ontwerp voor beide schroeftypen beoordeeld?
De ontwerpbeoordeling begint met de geometrie en bedrijfsgegevens van de bestaande of geplande schroef. Bij een FPP zijn onder meer de diameter, bladgeometrie, naafvorm, draairichting en relevante toerentallen en belastingen nodig. Voor een CPP moeten daarnaast de gebruikte bladstanden, bijbehorende toerentallen en gegevens over de verstelbare naaf beschikbaar zijn.
Voor voorzieningen rond de naaf is aanvullende geometrische informatie belangrijk. Een PBCF moet passen bij de werkelijke naafkap en bevestigingsmogelijkheden. Bij een CPP kunnen gegevens over de bladvoeten, het verstelmechanisme en de bewegingsruimte noodzakelijk zijn om de constructieve geschiktheid vast te stellen. Voor een Rudder Bulb zijn vooral de naafvorm, schroef-roerafstand en roergeometrie relevant.
Vervolgens wordt onderzocht hoe de ESD bij de gekozen bedrijfsstanden met de schroef samenwerkt. Hydrodynamische berekeningen kunnen laten zien hoe de plaatselijke aanstroming, schroefbelasting en krachten op de voorziening veranderen. Bij een CPP moet de invloed van de relevante bladstanden voldoende nauwkeurig worden beschreven. Vooral bij een PBCF kan de lokale stroming rond de bladwortels en naaf een gedetailleerde schroefmodellering vereisen. Modelproeven kunnen aanvullende onderbouwing leveren, waarbij de voorspelling van de prestaties op ware grootte afzonderlijke aandacht vraagt.
Een bruikbare vergelijking gaat uit van een duidelijke referentie zonder ESD. Voor de referentie en de voorgestelde uitvoering worden dezelfde scheepssnelheid, diepgang, trim en relevante omgevingscondities aangehouden. Het benodigde toerental en koppel mogen verschillen, omdat de ESD juist de werking van de schroef kan veranderen. De vergelijking moet betrekking hebben op de volledige voortstuwing, inclusief de hydrodynamische krachten op romp, schroef, roer en ESD.
Bij een CPP moet daarnaast duidelijk zijn hoe met de regelstrategie wordt omgegaan. Wanneer de ene configuratie met een geoptimaliseerde combinatie van bladstand en toerental wordt beoordeeld, terwijl de andere de oorspronkelijke instellingen behoudt, kan het berekende verschil niet zonder meer uitsluitend aan het ESD worden toegeschreven. Voor een eerlijke vergelijking moet daarom worden vastgesteld welke bedrijfsinstellingen voor beide configuraties zijn toegestaan en of eventuele aanpassingen aan de regeling onderdeel van de voorgestelde oplossing zijn. Zo blijft onderscheid mogelijk tussen het effect van de ESD en een verbetering die door een andere schroefregeling ontstaat.
Een gunstiger instroomhoek, kleinere naafwervel of hogere schroefstuwkracht bij hetzelfde toerental is op zichzelf onvoldoende bewijs voor energiebesparing. De relevante maatstaf is hoeveel schachtvermogen het schip bij dezelfde prestatie nodig heeft. Ook moet de beoordeling rekening houden met de onzekerheid van de gebruikte berekeningen of modelproeven. Een voorspelde vermogensvermindering kan bovendien niet zonder aanvullende analyse worden gelijkgesteld aan eenzelfde procentuele brandstofbesparing.
De hydrodynamisch kansrijke uitvoering moet vervolgens constructief worden gecontroleerd. Bij een FPP ligt de nadruk op de bevestiging, beschikbare inbouwruimte en aansluiting op de bestaande schroef- en roeropstelling. Bij een CPP kunnen de naafconstructie, verstelbare bladen en benodigde bewegingsruimte aanvullende eisen stellen. Ook cavitatie, trillingen, belastingen bij afwijkende bedrijfsstanden en manoeuvreerbaarheid moeten binnen het vereiste bedrijfsbereik technisch aanvaardbaar blijven.
Het fundamentele werkingsprincipe van een Energy Saving Device verandert niet doordat het schip een vaste of verstelbare schroef heeft. Bij een FPP werkt het ESD samen met een onveranderlijke bladgeometrie onder wisselende hydrodynamische belastingen. Bij een CPP komt daar de variatie van de geometrische bladstand bij, met gevolgen voor de schroefstroming, de mogelijke afstemming van de regelstrategie en soms de constructieve inpassing. Een geschikt ontwerp houdt rekening met deze verschillen en levert onder de belangrijkste bedrijfsinstellingen een voldoende betrouwbaar onderbouwde verlaging van de vermogensvraag op, zonder de technische geschiktheid onder andere noodzakelijke bedrijfscondities te verliezen.
Dit artikel binnen de reeks
Naast de schroefuitvoering bepaalt ook het operationele profiel van het schip welke bedrijfscondities voor de afstemming van een ESD belangrijk zijn. Voorzieningen die afzonderlijk gunstig presteren, leveren samen niet vanzelf extra voordeel op. Dat vraagt een beoordeling van de technische geschiktheid van gecombineerde ESDs. Deze ontwerpafwegingen maken deel uit van de bredere afstemming van ESDs op de scheepsvoortstuwing.