Hoe beïnvloedt het operationele profiel de werking van een Energy Saving Device (ESD)?
Het operationele profiel bepaalt onder welke omstandigheden een Energy Saving Device (ESD) de voortstuwingsefficiëntie van een schip kan verbeteren. Veranderingen in vaarsnelheid, diepgang, trim en schroefbelasting beïnvloeden de stroming rond de achtersteven en de werking van de schroef en het roer. Daardoor kan dezelfde ESD bij verschillende bedrijfscondities een andere vermogensbesparing opleveren. Een Pre-Swirl Stator (PSS), Pre-Duct, Propeller Boss Cap Fin (PBCF) of Rudder Bulb wordt afgestemd op specifieke stromingsomstandigheden, maar moet tijdens de exploitatie vaak over een breder werkgebied functioneren. Een ontwerp dat bij de nominale kruissnelheid goed presteert, kan ook bij andere snelheden en beladingstoestanden voordeel bieden. De omvang van die verbetering hoeft echter niet gelijk te blijven. Voor een passende afstemming is daarom belangrijk hoe het schip daadwerkelijk wordt ingezet, bij welke bedrijfscondities het meeste voortstuwingsvermogen nodig is en hoeveel uren het schip onder die omstandigheden vaart. Zo kan een ESD worden ontwikkeld die niet uitsluitend bij een afzonderlijk ontwerpbedrijfspunt gunstig presteert, maar aansluit op het werkelijke gebruik van het schip.
Waarom verandert de ESD-prestatie met de vaarsnelheid?
Wanneer een schip sneller vaart, neemt de weerstand doorgaans toe en moet de schroef meer stuwkracht leveren. Afhankelijk van de voortstuwingsinstallatie veranderen daarbij het schroeftoerental, de bladbelasting en de snelheid waarmee het water het schroefvlak bereikt. Voor de hydrodynamische werking is vooral de verhouding tussen de axiale aanstroming en de omloopsnelheid van de schroefbladen belangrijk. Deze verhouding beïnvloedt de relatieve instroomhoeken en daarmee de krachten die op de bladen ontstaan.
Een snelheidsverandering hoeft deze verhouding niet altijd in dezelfde mate te veranderen. Wanneer de aanstroomsnelheid en het toerental ongeveer evenredig verschuiven, kan het hydrodynamische werkpunt van de schroef relatief weinig veranderen. Bij een andere verhouding tussen beide grootheden kunnen de bladbelasting en de stroming achter de schroef juist sterker afwijken. Daarbij blijft ook de verdeling van de aanstroming over het schroefvlak belangrijk. Zelfs wanneer de gemiddelde verhouding tussen aanstroomsnelheid en toerental ongeveer gelijk blijft, hoeft het wakeveld achter de romp niet dezelfde eigenschappen te behouden. De vaarsnelheid op zichzelf is daarom onvoldoende om te voorspellen hoeveel voordeel een ESD oplevert.
Bij een Pre-Swirl Stator verandert met de bedrijfscondities hoe de vaste vinnen voorrotatie opwekken en hoe de draaiende schroef die voorrotatie verwerkt. De stator beïnvloedt de relatieve aanstroming van de schroefbladen, maar de gunstige verdeling van die aanstroming hangt mede af van de schroefbelasting en het plaatselijke wakeveld. Een stator die bij een bepaald bedrijfspunt goed is afgestemd, kan bij een andere combinatie van snelheid en toerental daardoor een kleinere of juist grotere bijdrage leveren.
Een Pre-Duct beïnvloedt de stromingsgeleiding naar het schroefvlak en ondervindt daarbij zelf hydrodynamische krachten. Wanneer de snelheid en belasting veranderen, kunnen ook de drukverdeling op het ductprofiel en de interactie met de schroef verschuiven. Een gunstige stromingsgeleiding bij de nominale kruissnelheid betekent daarom niet dat de duct bij iedere andere snelheid dezelfde vermogensverbetering oplevert. Het uiteindelijke resultaat hangt mede af van de verhouding tussen de verbetering van de schroefwerking en de krachten die de duct zelf veroorzaakt.
Achter de schroef verandert eveneens de stroming waarmee de voorzieningen samenwerken. De eigenschappen van de schroefstraal en de stroming rond de naaf hangen samen met de belasting van de schroef. Daardoor kan de invloed van een PBCF op de naafwervel per bedrijfspunt verschillen. Bij een Rudder Bulb kan de druk- en snelheidsverdeling veranderen waarmee de schroefstraal het roer bereikt. In beide gevallen telt de invloed op de volledige schroef-roeropstelling, niet uitsluitend de plaatselijke verandering van de stroming.
Een lagere of hogere snelheid betekent overigens niet automatisch dat een ESD minder efficiënt wordt. Sommige ontwerpen behouden over een breed snelheidsgebied een gunstige werking. Andere geometrieën zijn gevoeliger voor afwijkingen van het oorspronkelijke ontwerpbedrijfspunt. De relevante vraag is daarom niet alleen hoe groot de verbetering bij de kruissnelheid is, maar ook hoe de voorziening presteert binnen het snelheidsgebied waarin het schip daadwerkelijk wordt gebruikt.
Hoe beïnvloeden diepgang en trim de werking van een ESD?
Bij een andere belading verandert de ligging van de romp in het water. De ondergedompelde rompvorm, weerstand en stroming rond de achtersteven kunnen daardoor afwijken van de oorspronkelijke ontwerptoestand. Vooral bij zeeschepen die regelmatig wisselen tussen beladen en ballastvaart kan dit gevolgen hebben voor de aanstroming van de schroef.
Een kustvaarttanker kan bijvoorbeeld tijdens een beladen reis met een aanzienlijk grotere diepgang varen dan tijdens de terugreis in ballast. De schroef en eventuele ESD behouden dezelfde positie ten opzichte van het achterschip, maar de stroming rond die onderdelen verandert mogelijk met de onderdompeling van de romp. Ook de benodigde stuwkracht kan bij vergelijkbare vaarsnelheid sterk verschillen tussen beide beladingstoestanden. De invloed van de belading ontstaat daardoor zowel via de veranderende scheepsweerstand als via de gewijzigde aanstroming van de voortstuwing.
Voor een Pre-Swirl Stator of Pre-Duct is vooral belangrijk hoe de verdeling van snelheid en stromingsrichting voor het schroefvlak verandert. Een andere diepgang kan het wakeveld beïnvloeden, waardoor de statorvinnen of duct met een gewijzigde aanstroming moeten samenwerken. De opgewekte voorrotatie, stromingsgeleiding en krachten op de voorziening kunnen daardoor afwijken van de toestand waarvoor het ontwerp oorspronkelijk is geoptimaliseerd.
Ook de werking van een PBCF of Rudder Bulb kan veranderen. Een andere schroefbelasting beïnvloedt de stroming rond de bladwortels en naafkap en de schroefstraal die het roer bereikt. Voor de PBCF kan dit gevolgen hebben voor de verhouding tussen de beïnvloeding van de naafwervel en de eigen krachten op de vinnen. Een Rudder Bulb krijgt te maken met een mogelijk andere snelheids- en drukverdeling rond de overgang tussen schroefnaaf en roer.
Bij een kleinere schroefonderdompeling kan bovendien de invloed van het vrije wateroppervlak toenemen. Hoe belangrijk dat is, hangt af van de schroefpositie, de beschikbare waterdekking en de bedrijfscondities. Wanneer de schroef relatief dicht onder het oppervlak komt te liggen, kunnen onder ongunstige omstandigheden ventilatie en cavitatieproblemen optreden of toenemen. Daarmee kan de voortstuwingsprestatie sterker veranderen dan op grond van de gewijzigde scheepsweerstand alleen zou worden verwacht. De beoordeling moet daarom ook rekening houden met de schroefonderdompeling bij relevante ballast- en trimstanden.
Trim beïnvloedt de stroming op een andere manier. Een schip kan bij dezelfde gemiddelde diepgang een andere ligging van voor- en achterschip hebben. Daarmee veranderen de ondergedompelde achterstevenvorm en de positie van de schroef ten opzichte van het wateroppervlak. Ook de scheepsweerstand kan verschuiven. Een gewijzigde trim kan daardoor tegelijkertijd de benodigde schroefstuwkracht en de plaatselijke aanstroming van een ESD beïnvloeden.
Een voorziening die bij volledige belading een gunstige vermogensbesparing oplevert, hoeft tijdens ballastvaart niet dezelfde verbetering te realiseren. Omgekeerd kan een ontwerp dat op meerdere beladingstoestanden is afgestemd ook buiten de oorspronkelijke ontwerpdiepgang goed functioneren. De technische beoordeling moet daarom aansluiten op de diepgangen en trimstanden die voor de exploitatie werkelijk belangrijk zijn.
Wat betekenen schroefbelasting, toerental en bladstand?
De schroefbelasting wordt niet uitsluitend bepaald door de vaarsnelheid. Een zeeschip kan bij dezelfde snelheid door het water meer stuwkracht nodig hebben wanneer wind en golven extra weerstand veroorzaken. Ook aangroei en een toenemende ruwheid van de romp kunnen de benodigde belasting verhogen. De schroef werkt dan onder andere hydrodynamische omstandigheden, hoewel de vaarsnelheid nauwelijks is veranderd. In zeegang kunnen bovendien de scheepsbewegingen en de wisselende aanstroming rond de achtersteven invloed hebben op het momentane schroefgedrag.
Bij een schroef met vaste spoed verandert de relatieve aanstroming van de bladen wanneer de verhouding tussen instroomsnelheid en toerental verschuift. Daardoor veranderen de plaatselijke invalshoeken, de bladbelasting en de stroming achter de schroef. Een Pre-Swirl Stator moet onder deze omstandigheden voorrotatie opwekken die nog steeds gunstig samenwerkt met de schroef. Ook de werking van een PBCF kan verschuiven, doordat de veranderende bladbelasting invloed heeft op de stroming rond de bladwortels en naafkap.
Bij een Controllable Pitch Propeller (CPP) komt de verstelbare bladstand erbij. Een CPP kan de benodigde stuwkracht leveren met verschillende combinaties van spoed en toerental, afhankelijk van de installatie en regelstrategie. Wanneer de bladstand verandert, verandert de geometrische stand van de schroefbladen. In combinatie met de relatieve aanstroming beïnvloedt dit de hydrodynamische invalshoek en belasting van de bladen.
Voor een ESD betekent dat dat twee bedrijfsstanden met vergelijkbare vaarsnelheid toch verschillende stromingsomstandigheden kunnen opleveren. De bladstand kan bijvoorbeeld veranderen terwijl het schroeftoerental vrijwel constant blijft. De stroming rond de naaf en de schroefstraal richting het roer kunnen dan anders zijn dan bij een installatie waarin het toerental sterker varieert. De ESD-prestatie moet daarom worden beoordeeld in samenhang met de werkelijke bediening en regeling van de schroef.
Tijdens manoeuvreren wijken de omstandigheden vaak nog sterker af van de normale vooruitvaart. Grote veranderingen in bladstand, toerental of roerhoek beïnvloeden de richting en verdeling van de stroming rond de voortstuwing. Een ESD die voornamelijk voor een gunstige werking tijdens kruissnelheid is ontworpen, hoeft in deze situaties geen vergelijkbare rendementsverbetering te leveren. De voorziening moet wel bestand zijn tegen de relevante hydrodynamische belastingen en mag de vereiste manoeuvreer- en stuurprestaties niet onaanvaardbaar beïnvloeden. Daarmee bestaat een belangrijk onderscheid tussen de bedrijfsstanden waarop de energiebesparing wordt geoptimaliseerd en de omstandigheden waaronder de installatie technisch moet kunnen functioneren. Niet iedere manoeuvreerstand hoeft even zwaar mee te wegen in de verwachte energiebesparing, maar de technische geschiktheid moet over het vereiste bedrijfsbereik behouden blijven.
Waarom is het gunstigste ontwerpbedrijfspunt niet altijd doorslaggevend?
Een ESD kan bij een bepaalde combinatie van snelheid, diepgang en schroefbelasting een duidelijke vermogensverbetering laten zien. Dat resultaat zegt echter niet automatisch hoeveel voordeel de voorziening tijdens de volledige exploitatie oplevert. Daarvoor is belangrijk hoe vaak het schip onder die omstandigheden vaart en hoeveel voortstuwingsvermogen daarbij nodig is.
Neem een kustvaarttanker die afwisselend beladen en in ballast vaart. Tijdens beladen reizen is bij een vergelijkbare snelheid doorgaans meer voortstuwingsvermogen nodig. Een ESD die onder die omstandigheden een bescheiden procentuele verbetering oplevert, kan per vaaruur toch meer voortstuwingsenergie besparen dan een voorziening die tijdens ballastvaart een hoger besparingspercentage behaalt. Het omgekeerde kan eveneens voorkomen wanneer de hydrodynamische prestaties anders verdeeld zijn.
Ook de bedrijfsduur speelt een rol. Een schip kan veel uren op een relatief lage snelheid varen, terwijl kortere perioden met een hogere vermogensvraag een aanzienlijk deel van het energiegebruik vertegenwoordigen. Het hoogste besparingspercentage bij een afzonderlijk bedrijfspunt hoeft daardoor niet samen te vallen met de grootste bijdrage aan de energiebesparing over het vaarprofiel.
Voor de beoordeling wordt daarom per representatief bedrijfspunt vastgesteld hoeveel schachtvermogen met en zonder ESD nodig is bij dezelfde snelheid door het water en dezelfde relevante scheeps- en omgevingscondities. Het vermogensverschil in kilowatt wordt vervolgens verbonden met het aantal bedrijfsuren onder die omstandigheden. Door de bijdragen over het vaarprofiel samen te nemen, ontstaat een beoordeling van de totale bespaarde schachtenergie. Daarbij tellen ook bedrijfspunten mee waarop de voorziening minder voordeel biedt of juist extra vermogen vraagt. Een eenvoudig gemiddelde van afzonderlijke besparingspercentages geeft hiervoor geen betrouwbare uitkomst.
Voor een schip dat vrijwel voortdurend binnen een beperkt snelheids- en belastingsgebied werkt, kan een gerichte optimalisatie voor dat gebied aantrekkelijk zijn. Bij een sterk wisselende exploitatie kan een ontwerp dat onder meerdere veelgebruikte omstandigheden een gunstige verbetering behoudt beter aansluiten op het werkelijke gebruik. Een bredere prestatieverbetering is daarbij niet automatisch belangrijker dan een uitgesproken optimum. De verdeling van de bedrijfsuren en het benodigde vermogen bepaalt welke prestaties het meeste gewicht verdienen.
Voor de beoordeling blijft onderscheid nodig tussen de hydrodynamische vermogensvermindering en de uiteindelijke brandstofbesparing. Een lagere schachtvermogensvraag betekent dat minder voortstuwingsenergie nodig is om onder dezelfde omstandigheden dezelfde scheepsprestatie te leveren. Hoe dit doorwerkt in het brandstofverbruik hangt mede af van de motorbelasting, het specifieke brandstofverbruik en de eigenschappen van de voortstuwingsinstallatie. De bespaarde schachtenergie kan daarom niet zonder aanvullende beoordeling rechtstreeks worden vertaald naar eenzelfde procentuele brandstofbesparing.
Hoe wordt een ESD afgestemd op het operationele profiel?
Een passende ESD wordt ontwikkeld vanuit de bedrijfscondities die voor het schip werkelijk belangrijk zijn. Daarbij worden de belangrijkste snelheden en beladingstoestanden verbonden met de bijbehorende diepgang, trim en schroefbelasting. Bij een CPP worden ook de gebruikelijke combinaties van bladstand en toerental betrokken. Deze gegevens laten zien bij welke omstandigheden de voorziening het grootste deel van de tijd moet functioneren en waar een vermogensverbetering de meeste waarde kan hebben.
Bij het samenstellen van het operationele profiel moet onderscheid worden gemaakt tussen snelheid door het water en snelheid over de grond. De hydrodynamische aanstroming van de romp en schroef hangt samen met de beweging van het schip ten opzichte van het water. Een veranderende stroming kan de snelheid over de grond beïnvloeden zonder dat de hydrodynamische bedrijfstoestand in dezelfde mate verandert. Ook moeten belading, trim en relevante weers- en golfcondities herkenbaar blijven in de gegevens. Anders kunnen verschillende bedrijfstoestanden ten onrechte als vergelijkbaar worden behandeld.
De beschikbare bedrijfsgegevens hoeven niet te leiden tot een afzonderlijke ontwerpberekening voor iedere reis. Omstandigheden met vergelijkbare hydrodynamische eigenschappen kunnen worden samengebracht in representatieve bedrijfspunten. Verschillen die de aanstroming, schroefbelasting of werking van de ESD wezenlijk veranderen, moeten wel afzonderlijk herkenbaar blijven. Een kustvaartschip dat bij verschillende snelheden zowel beladen als in ballast vaart, kan daardoor meer representatieve bedrijfspunten nodig hebben dan een zeeschip met een relatief constant vaarprofiel.
Vervolgens wordt onderzocht hoe de ESD bij deze omstandigheden met de bestaande voortstuwing samenwerkt. Daarbij gaat het niet alleen om de stroming rond de voorziening, maar ook om de veranderde schroefbelasting en de krachten op de romp en het roer. Berekeningen of modelproeven bij verschillende bedrijfspunten kunnen zichtbaar maken of de gunstige werking beperkt blijft tot een afzonderlijke ontwerpconditie of over een groter deel van het vaarprofiel aanwezig is. Bij de voorspelling van prestaties op ware grootte moet bovendien rekening worden gehouden met de beperkingen en onzekerheden van de gebruikte onderzoeksmethode.
De geometrie van een Pre-Swirl Stator, Pre-Duct of PBCF blijft tijdens de normale vaart doorgaans ongewijzigd. Ook een Rudder Bulb behoudt dezelfde vorm, hoewel de positie ten opzichte van de schroefstraal met de roeruitslag verandert. Deze voorzieningen kunnen daarom niet voor iedere snelheid en schroefbelasting afzonderlijk optimaal worden ingesteld. Het ontwerp vraagt om een afweging tussen de prestaties bij de belangrijkste bedrijfspunten en het gedrag onder afwijkende omstandigheden.
Wanneer een bepaalde geometrie bij de nominale kruissnelheid het grootste voordeel biedt, maar bij andere veelgebruikte bedrijfsstanden aanzienlijk minder gunstig werkt, kan een aangepaste uitvoering de voorkeur verdienen. Dat hoeft niet altijd een volledig ander ESD-type te zijn. Een gewijzigde stand of geometrie van de vaste statorvinnen, een aangepast ductprofiel of een andere naafvinconfiguratie kan de verdeling van de prestaties over het werkgebied beïnvloeden. Welke aanpassing zinvol is, hangt af van het betreffende schip en de hydrodynamische werking van de voorziening.
Ook veranderingen in de toekomstige inzet verdienen aandacht. Een bulkcarrier die structureel langzamer gaat varen of een kustvaartschip dat een andere verhouding tussen beladen en ballastreizen krijgt, kan vaker onder andere omstandigheden functioneren dan oorspronkelijk werd verwacht. Een ESD die sterk op het oude ontwerpbedrijfspunt is afgestemd, hoeft daardoor niet meer dezelfde energiebesparing over de exploitatie te leveren.
Het operationele profiel beïnvloedt de werking van een Energy Saving Device doordat snelheid, diepgang, trim en schroefbelasting de stroming rond de voorziening en de bestaande voortstuwing veranderen. Daarmee kan ook de vermogensvermindering per bedrijfspunt verschuiven. Een passend ontwerp houdt daarom rekening met de omstandigheden waarin het schip daadwerkelijk voortstuwingsenergie gebruikt en met de technische eisen buiten het belangrijkste werkgebied. Zo ontstaat een ESD die niet uitsluitend onder ideale ontwerpcondities gunstig presteert, maar een technisch verantwoorde verbetering kan leveren tijdens de werkelijke exploitatie van het schip.
Dit artikel binnen de reeks
Bij de selectie van een Pre-Swirl Stator, Pre-Duct, PBCF of Rudder Bulb telt niet alleen het werkingsprincipe, maar ook onder welke bedrijfscondities de voorziening voordeel biedt. Een volgende ontwerpvraag is hoe de afstemming van een ESD verschilt tussen een vaste schroef en een CPP, waarbij onder meer bladstand, toerental en naafconstructie van belang zijn. Deze afwegingen komen samen in de bredere samenhang tussen scheepsvoortstuwing en ESD-configuratie.