Hoe bepaalt de romp-schroef-roerinteractie welke Energy Saving Device (ESD) geschikt is?
De romp-schroef-roerinteractie bepaalt welke Energy Saving Device (ESD) hydrodynamisch kansrijk is, omdat romp, schroef en roer gezamenlijk de stroming en vermogensvraag van een schip beïnvloeden. De vorm van het achterschip bepaalt hoe het water de schroef bereikt. De schroef versnelt en verdraait die stroming, waarna het roer de schroefstraal beïnvloedt en zelf hydrodynamische krachten ondervindt. Ook werkt de aanwezigheid van het roer door op de schroef. Een Pre-Swirl Stator (PSS) of Pre-Duct kan de aanstroming voor de schroef veranderen, terwijl een Propeller Boss Cap Fin (PBCF) of Rudder Bulb ingrijpt op de stroming rond de schroefnaaf en het achterliggende roer. Welke voorziening geschikt is, hangt niet alleen af van het aanwezige stromingsverschijnsel, maar vooral van de verbetering die daarmee in de volledige voortstuwing kan worden bereikt. Een gerichte ESD-selectie onderzoekt daarom welke hydrodynamische verliezen daadwerkelijk kunnen worden verminderd en of het schip daardoor onder vergelijkbare bedrijfscondities minder schachtvermogen nodig heeft.
Hoe vormt de romp het wakeveld bij de schroef?
De schroef van een schip werkt in een andere aanstroming dan een schroef tijdens een vrijwaterproef. Langs de romp ontstaat een grenslaag waarin het water ten opzichte van het schip langzamer beweegt dan de ongestoorde stroming. Naar de achtersteven wordt deze grenslaag doorgaans dikker. Ook de rompvorm, drukverdeling en aanwezige wervelstructuren veranderen de snelheid en richting waarmee het water het schroefvlak bereikt. Samen vormen deze invloeden het wakeveld.
Bij zeeschepen met een volle achtersteven, zoals bepaalde bulkcarriers en tankers, kunnen de snelheidsverschillen over het schroefvlak aanzienlijk zijn. Het wakeveld bestaat daarbij niet uitsluitend uit een gebied met een lagere axiale watersnelheid. Ook dwarsgerichte en roterende stromingscomponenten kunnen belangrijk zijn. Twee schepen met een vergelijkbare schroefdiameter kunnen daardoor een wezenlijk andere aanstroming hebben en verschillend reageren op dezelfde soort ESD.
Een schroefblad beweegt tijdens iedere omwenteling door verschillende delen van dit wakeveld. De plaatselijke instroomhoek en belasting veranderen daardoor voortdurend. Dat beïnvloedt de stuwkracht, het benodigde koppel en de drukverdeling op het blad. Bij voldoende sterke belastingwisselingen kunnen ook cavitatie, drukfluctuaties en trillingen ontstaan. De omvang daarvan hangt mede af van de schroefgeometrie en de bedrijfscondities.
Voor de hydrodynamische beoordeling is het onderscheid tussen de nominale en effectieve aanstroming belangrijk. Het nominale wakeveld beschrijft de stroming ter plaatse van het schroefvlak zonder werkende schroef. Zodra de schroef draait, verandert deze de stroming en het drukveld rond het achterschip. De schroef functioneert daardoor niet simpelweg in het ongewijzigde nominale wakeveld.
In voortstuwingsanalyses wordt daarnaast gewerkt met een effectieve wakefractie. Deze kan via een vergelijking van de schroef achter het schip met de vrijwaterkarakteristiek van die schroef worden bepaald, bijvoorbeeld bij overeenkomstige stuwkracht en toerental. Zo ontstaat een effectieve instroomsnelheid die voor de voortstuwingsberekening bruikbaar is. Deze wakefractie vertegenwoordigt echter geen rechtstreeks gemeten plaatselijke snelheidsverdeling. Dat onderscheid is relevant voor de ESD-keuze. Een gemiddelde wakefractie kan helpen de voortstuwingsprestatie te beschrijven, maar laat niet zien waar in het schroefvlak de snelheidsverschillen optreden of welke richting het water daar heeft. Juist deze plaatselijke eigenschappen kunnen bepalen of een verandering van de aanstroming technisch zinvol is.
Een ongelijkmatig wakeveld betekent bovendien niet automatisch dat een voorziening die de stroming gelijkmatiger maakt ook energie bespaart. Een schroef kan voordeel hebben van een aangepaste instroomrichting zonder dat de axiale snelheidsverdeling wezenlijk gelijkmatiger wordt. Omgekeerd kan een gunstiger ogend stromingsbeeld samengaan met extra hydrodynamische verliezen. Voor de selectie is daarom niet alleen belangrijk hoe het wakeveld eruitziet, maar vooral hoe de schroef daarop reageert en welke verandering de complete voortstuwing minder vermogen laat vragen.
Hoe beïnvloeden schroef en roer elkaar tijdens het varen?
De schroef versnelt het water naar achteren en geeft de schroefstraal doorgaans ook een roterende beweging. Het roer bevindt zich bij veel zeeschepen direct in deze stroming. De snelheid en richting waarmee het water het roer bereikt, verschillen daardoor over het roeroppervlak en veranderen met de schroefbelasting.
Deze aanstroming bepaalt mede welke krachten het roer ontwikkelt. Een gunstig ontworpen roer kan een deel van de rotatie in de schroefstraal benutten en onder geschikte omstandigheden een voorwaartse krachtcomponent opwekken. Het roer veroorzaakt tegelijkertijd hydrodynamische weerstand. Of de invloed op de voortstuwing gunstig is, hangt af van de netto krachten en van de reactie van de schroef op de aanwezige roergeometrie.
Die wisselwerking verloopt in beide richtingen. De schroef beïnvloedt niet alleen de stroming naar het roer, maar verandert ook het drukveld rond de achtersteven. Daardoor kan de weerstand van de romp tijdens voortstuwing afwijken van de weerstand zonder werkende schroef. Dit komt in de gebruikelijke voortstuwingsanalyse onder meer tot uitdrukking in de stuwkrachtsaftrek.
Ook het roer beïnvloedt de stroming en het drukveld in de nabijheid van de schroef. Een gewijzigde roervorm kan daardoor gevolgen hebben voor de belasting van de schroef, zelfs wanneer de schroefgeometrie zelf onveranderd blijft. De prestatie van een schroef in vrij water is om die reden niet rechtstreeks gelijk aan de bijdrage van die schroef aan de voortstuwing achter het schip.
Rond de schroefnaaf ontstaat bovendien een wervelstructuur die samenhangt met de stroming rond de bladwortels en naafkap. Deze naafwervel ontwikkelt zich in het gebied tussen schroef en roer. De afstand tussen beide onderdelen en de vorm van de roervoorzijde bepalen mede hoe de stroming zich daar gedraagt.
Voor een PBCF of Rudder Bulb is juist die plaatselijke wisselwerking belangrijk. Een PBCF verandert de stroming bij de draaiende naafkap, terwijl een Rudder Bulb vanaf het roer op hetzelfde stromingsgebied aangrijpt. Beide voorzieningen kunnen daardoor de naafstroming beïnvloeden, maar de verandering van de krachten op schroef en roer hoeft niet gelijk te zijn.
De gezamenlijke werking maakt ook duidelijk waarom meer schroefstuwkracht bij een onveranderd toerental niet automatisch een hogere voortstuwingsefficiëntie betekent. De benodigde schroefstuwkracht kan veranderen wanneer de krachten op romp, ESD en roer veranderen. Voor het schip telt uiteindelijk hoeveel schachtvermogen nodig is om dezelfde snelheid te behouden.
Welke interacties geven richting aan de ESD-selectie?
De hydrodynamische diagnose helpt bepalen waar een ESD verbetering kan bieden. Daarbij kan onderscheid worden gemaakt tussen de aanstroming aan de voorzijde van de schroef, de stroming rond de schroefnaaf en de benutting van de stroming achter de schroef. Deze gebieden zijn niet onafhankelijk van elkaar, maar vragen wel om verschillende technische onderzoeksvragen.
Wanneer een verandering van de instroomrichting mogelijk voordeel oplevert, kan een Pre-Swirl Stator worden onderzocht. De vaste vinnen wekken een gecontroleerde voorrotatie op, doorgaans tegengesteld aan de draairichting van de schroef. Daardoor verandert de relatieve instroomhoek van de schroefbladen en kan de schroef de benodigde stuwkracht met een gunstiger energieverdeling leveren.
De stator oefent zelf ook hydrodynamische krachten uit. Afhankelijk van de geometrie en stroming kan de axiale component daarvan gunstig of ongunstig zijn. Bovendien ontstaan stromingsverliezen rond de vinnen. Een beoordeling die uitsluitend naar de veranderde schroefbelasting kijkt, kan daarom een onvolledig beeld geven van de totale voortstuwingsprestatie.
Een Pre-Duct beïnvloedt eveneens de aanstroming aan de voorzijde van de schroef, maar gebruikt daarvoor een ductprofiel. De geometrie kan zowel de plaatselijke snelheidsverdeling als de instroomrichting veranderen. Ook de drukverdeling op het ductprofiel levert een eigen hydrodynamische kracht op. Sommige uitvoeringen combineren de duct met statorvinnen, waardoor stromingsgeleiding en voorrotatie gezamenlijk worden beïnvloed.
Een gunstige Pre-Duct-werking hoeft daarom niet uitsluitend voort te komen uit een gelijkmatiger wakeveld. Beslissend is hoe de gewijzigde aanstroming de schroefwerking en de krachten op de overige onderdelen verandert.
Achter de schroef liggen andere mogelijkheden. Een PBCF draait met de schroef mee en beïnvloedt de ontwikkeling van de stroming rond de naafkap. Een Rudder Bulb is verbonden met het roer en wordt afgestemd op de ruimte en stroming achter de schroefnaaf. Beide voorzieningen grijpen gedeeltelijk op hetzelfde stromingsgebied aan, maar beïnvloeden vanuit verschillende posities niet noodzakelijk dezelfde krachten.
De aanwezigheid van een sterke naafwervel is dan ook geen voldoende grond om rechtstreeks tussen een PBCF en Rudder Bulb te kiezen. Eerst moet duidelijk zijn welke rol de bestaande schroefnaaf en roervoorzijde in de stroming spelen en welk netto voordeel een aanpassing daar kan opleveren.
De hydrodynamische diagnose bepaalt zo welke ESD-mechanismen technisch kansrijk zijn. Welke afzonderlijke voorziening vervolgens de voorkeur verdient, vraagt een vergelijking van passende ontwerpen binnen de werkelijke scheepsconfiguratie.
Wat laat PBCF-onderzoek zien over de invloed van het roer?
De invloed van het roer op een ESD blijkt onder meer uit onderzoek naar Propeller Boss Cap Fins. Bij een experimentele en numerieke vergelijking in 2016 is onderzocht hoe de hydrodynamische prestaties van een PBCF veranderen wanneer verschillende roerconfiguraties achter de schroef worden geplaatst.
Bij het onderzochte ontwerpbedrijfspunt, met een voortgangsgetal J van 0,8, werd een efficiëntieverbetering door de PBCF van 1,47 procent zonder roer gerapporteerd. Voor de configuratie met een conventioneel roer werd 1,08 procent gerapporteerd en voor de uitvoering met een getordeerd roer 1,16 procent. Het onderzoek combineerde cavitatietunnelproeven met numerieke stromingsanalyses.
De percentages beschrijven de onderzochte schroef- en roeropstellingen. Het gaat niet om gemeten jaarlijkse brandstofbesparingen voor een volledig zeeschip op ware grootte. Ook is het verschil van 0,08 procentpunt tussen de twee roervarianten te klein om zonder een passende onzekerheidsbeoordeling een algemene voorkeur voor een bepaalde roervorm te onderbouwen.
De belangrijkste uitkomst ligt in de hydrodynamische samenhang. De PBCF veranderde de stroming rond de naafkap, maar beïnvloedde daarmee ook de krachten op het achterliggende roer. In de onderzochte configuraties werd een deel van het gunstige PBCF-effect gecompenseerd door een ongunstiger bijdrage van het roer. Daarmee laat het onderzoek zien waarom een voorziening rond de schroefnaaf niet uitsluitend op de plaatselijke wervelvermindering kan worden beoordeeld. De invloed op de roerbelasting bepaalt mede hoeveel voordeel voor de gezamenlijke schroef-roeropstelling overblijft.
Hetzelfde principe geldt voor ESDs die voor de schroef zijn geplaatst, al verschilt het werkingsmechanisme. Een Pre-Swirl Stator verandert de instroomrichting en daarmee mogelijk de belasting van de schroef en de resterende rotatie in de schroefstraal. Het roer ontvangt vervolgens een andere aanstroming en kan daardoor andere krachten ontwikkelen.
De invloed van het roer is dus geen vaste correctiefactor die achteraf op een berekende ESD-besparing kan worden toegepast. De wisselwerking moet onderdeel zijn van de onderzochte configuratie.
Hoe wordt de hydrodynamische diagnose vertaald naar een geschikte ESD?
Een onderbouwde ESD-selectie begint bij de bestaande voortstuwingsconfiguratie. De achterstevenvorm, schroefgeometrie, naafconstructie en roeropstelling bepalen gezamenlijk waar relevante hydrodynamische verliezen kunnen ontstaan en welke veranderingen technisch mogelijk zijn.
Bij een bestaand schip moet worden gecontroleerd of de beschikbare gegevens overeenkomen met de werkelijke uitvoering. Een eerdere schroefvervanging of aanpassing aan het roer kan de onderlinge afstemming hebben veranderd. Wanneer de oorspronkelijke tekeningen hiervoor onvoldoende betrouwbaar zijn, kunnen gerichte inspecties of geometrische metingen nodig zijn.
Vanuit de vastgestelde stromingsverschijnselen worden vervolgens kansrijke ESD-mechanismen geselecteerd. Daarbij gaat het niet uitsluitend om de vraag waar de voorziening wordt geplaatst, maar vooral om welke verandering van stroming en krachten wordt verwacht.
De geschiktheid moet daarna worden beoordeeld voor de volledige voortstuwingsconfiguratie. Daarvoor kunnen hydrodynamische berekeningen en, waar nodig, modelproeven worden gebruikt. Bij Computational Fluid Dynamics (CFD) moet de schroefmodellering voldoende nauwkeurig zijn om de interacties te beschrijven die voor de betreffende voorziening bepalend zijn. Vooral rond de naaf en bladwortels kunnen geometrische details belangrijk zijn.
Voor de prestatievergelijking moeten de onderzochte configuraties dezelfde scheepsprestatie leveren. Bij overeenkomstige snelheid door het water, diepgang en trim kan worden bepaald hoeveel schachtvermogen ieder ontwerp nodig heeft. Het toerental, koppel en de afzonderlijke krachten op schroef, roer en ESD hoeven daarbij niet gelijk te blijven. Juist de gezamenlijke verandering van deze grootheden bepaalt de netto vermogensvraag.
Ook de voorspellingsmethode moet passen bij de onderzochte voorziening. Niet iedere ESD heeft dezelfde schaalinvloeden of stelt dezelfde eisen aan de modellering. Een positieve uitkomst op modelschaal is daarom niet zonder passende onderbouwing rechtstreeks overdraagbaar naar een schip op ware grootte.
Naast de hydrodynamische verbetering moeten de technische gevolgen aanvaardbaar blijven. Een gewijzigde schroefbelasting kan invloed hebben op cavitatie, drukfluctuaties en trillingen. Bij voorzieningen rond het roer moeten ook de stuurwerking en manoeuvreereigenschappen voldoende geschikt blijven. Verder bepalen de beschikbare ruimte en constructieve mogelijkheden welke geometrieën daadwerkelijk kunnen worden toegepast.
Een kansrijke ESD hoeft niet onder alle bedrijfscondities dezelfde besparing op te leveren. Daarom moet de onderzochte werking aansluiten op de snelheden, diepgangen en schroefbelastingen die voor het schip relevant zijn. Een gunstige prestatie bij de nominale ontwerpsnelheid is minder waardevol wanneer het schip daar tijdens de exploitatie nauwelijks vaart.
De romp-schroef-roerinteractie bepaalt daarmee niet rechtstreeks dat een bepaald ESD-type voor ieder vergelijkbaar schip geschikt is. De interactie laat zien welke stromingsverschijnselen de voortstuwingsprestatie beïnvloeden en waar een aanvullende voorziening verbetering kan bieden. Een Pre-Swirl Stator, Pre-Duct, PBCF of Rudder Bulb vormt pas een geschikte oplossing wanneer de verwachte verandering voor het betreffende schip voldoende betrouwbaar is onderzocht en de gezamenlijke voortstuwing onder de relevante bedrijfscondities minder schachtvermogen nodig heeft.
Dit artikel binnen de reeks
Bij de keuze tussen een Pre-Swirl Stator, Pre-Duct, PBCF en Rudder Bulb tellen naast de hydrodynamische werking ook de beschikbare inbouwruimte en de bestaande schroef-roeropstelling mee. Hoe het operationele profiel, het schroeftype en mogelijke combinaties van voorzieningen die keuze beïnvloeden, komt aan bod bij de afstemming van ESDs op de scheepsvoortstuwing.