Wanneer kiest u voor een Pre-Swirl Stator, Pre-Duct, PBCF of Rudder Bulb als ESD?
De keuze tussen een Pre-Swirl Stator (PSS), Pre-Duct, Propeller Boss Cap Fin (PBCF) en Rudder Bulb hangt af van de hydrodynamische verliezen die bij een schip kunnen worden beperkt. Een Pre-Swirl Stator komt in aanmerking wanneer gecontroleerde voorrotatie de schroef efficiënter kan laten werken. Een Pre-Duct is vooral interessant wanneer een aangepaste stromingsgeleiding naar het schroefvlak verbetering biedt. Rond de schroefnaaf kan een PBCF verliezen verminderen, terwijl een Rudder Bulb de stroming tussen schroefnaaf en roer gunstiger kan beïnvloeden. Welke Energy Saving Device (ESD) de voorkeur verdient, wordt mede bepaald door de achterstevenvorm, schroefgeometrie, roeropstelling en beschikbare inbouwruimte. Ook het vaarprofiel speelt mee, omdat de hydrodynamische bijdrage onder verschillende belastingen kan veranderen. De geschikte voorziening is uiteindelijk niet die met de sterkste plaatselijke stromingsverandering, maar de uitvoering waarmee het schip onder de relevante bedrijfscondities minder schachtvermogen nodig heeft.
Welke hydrodynamische verbetering bepaalt de eerste keuze?
Een gerichte ESD-selectie begint met het onderzoeken van de stroming rond de bestaande of geplande voortstuwing. Daarbij wordt onderscheid gemaakt tussen de aanstroming voor de schroef, de stroming die de schroef achterlaat en de wisselwerking met het roer. Deze gebieden bieden verschillende mogelijkheden voor verbetering, maar beïnvloeden elkaar ook. Een aanpassing voor de schroef verandert immers de belasting van de bladen en daarmee de stroming richting het roer.
De achterstevenvorm geeft een eerste aanwijzing voor de voorzieningen die onderzocht kunnen worden. Bij relatief volle, langzamere schepen, zoals bepaalde bulkcarriers en tankers, kan de stroming naar het schroefvlak sterk ongelijkmatig zijn. Een Pre-Duct kan dan mogelijkheden bieden om de aanstroming gunstiger te geleiden. Bij andere configuraties kan gecontroleerde voorrotatie meer voordeel opleveren. Pre-Swirl Stators worden onder meer toegepast bij slankere en snellere schepen, maar kunnen ook bij schepen met een voller achterschip kansrijk zijn. De rompvorm alleen bepaalt de keuze dus niet.
Belangrijker is welke verandering de bestaande schroef daadwerkelijk helpt. Een ongelijkmatig wakeveld hoeft niet zo gelijkmatig mogelijk te worden gemaakt. De snelheid en richting van de aanstroming bepalen samen de relatieve instroomhoek van het water op de schroefbladen. Een gerichte verandering van die hoek kan de schroefbelasting gunstiger verdelen, ook wanneer de axiale snelheidsverdeling niet overal gelijkmatiger wordt. Omgekeerd kan een voorziening die het wakeveld zichtbaar verbetert alsnog extra weerstand veroorzaken.
Achter de schroef moet onderscheid worden gemaakt tussen verliezen rond de naaf en de invloed van de schroefstraal op het roer. Een sterke naafwervel kan aanleiding zijn om een PBCF te onderzoeken, maar dezelfde stroming wordt mede beïnvloed door de aanwezige roergeometrie. Wanneer een Rudder Bulb de drukverdeling en stroming tussen schroefnaaf en roer gunstig kan veranderen, kan die oplossing eveneens kansrijk zijn.
De eerste technische beoordeling moet daarom duidelijk maken waar verbetering mogelijk is, welke voorziening daarop aangrijpt en hoe de overige onderdelen van de voortstuwing reageren. Daarmee ontstaat een gerichte selectie van werkingsprincipes die voor het betreffende schip verder onderzoek verdienen.
Wanneer verdient een Pre-Swirl Stator de voorkeur boven een Pre-Duct?
Een Pre-Swirl Stator (PSS) is vooral kansrijk wanneer een aangepaste instroomrotatie de schroef helpt om de benodigde stuwkracht met minder vermogen te leveren. Vaste vinnen voor de schroef geven het water een gecontroleerde rotatie tegen de draairichting van de schroef. Daardoor veranderen de relatieve instroomhoeken en de verdeling van de belasting over de schroefbladen. Bij een gunstige afstemming kan minder rotatie-energie in de uiteindelijke schroefstraal achterblijven.
Het voordeel hangt sterk af van de verdeling van de voorrotatie over het schroefvlak. Een stator die plaatselijk te veel of ongunstig gerichte voorrotatie opwekt, kan de schroefbelasting juist verslechteren. De vinnen veroorzaken bovendien eigen hydrodynamische krachten en stromingsverliezen. Voor de keuze telt daarom niet hoeveel voorrotatie mogelijk is, maar welke statorgeometrie de volledige voortstuwing het gunstigst laat functioneren.
Een Pre-Duct volgt een andere ontwerpbenadering. Het ductprofiel beïnvloedt de snelheid en richting waarmee het water het schroefvlak bereikt. De drukverdeling op de duct veroorzaakt daarnaast eigen hydrodynamische krachten. Afhankelijk van de uitvoering en plaatselijke stroming kunnen deze krachten een gunstige bijdrage aan de voortstuwing leveren of juist extra weerstand veroorzaken. Anders dan een straalbuis rond een schroef bevindt een conventionele Pre-Duct zich voor het schroefvlak.
Vooral bij een volle achtersteven met een ongunstige verdeling van de aanstroming kan een Pre-Duct een interessante onderzoeksrichting zijn. De duct kan de stroming naar bepaalde delen van het schroefvlak veranderen en daarmee de werking van de schroef verbeteren. De vorm, diameter en positie bepalen hoe groot die bijdrage wordt. Een gunstiger snelheidsverdeling is echter niet voldoende wanneer het ductprofiel zelf te veel hydrodynamische verliezen veroorzaakt.
Het onderscheid tussen beide voorzieningen is minder absoluut dan de benaming suggereert. Ook een Pre-Swirl Stator kan de axiale aanstroming beïnvloeden, terwijl bepaalde ductontwerpen met statorvinnen zowel stromingsgeleiding als voorrotatie opwekken. Een geïntegreerde Pre-Swirl Duct combineert deze werkingsprincipes. Voor de afzonderlijke keuze tussen een stator en een conventionele Pre-Duct blijft vooral belangrijk welk mechanisme bij de onderzochte scheepsconfiguratie de grootste nettoverbetering oplevert.
Wanneer gecontroleerde voorrotatie de schroefbelasting en de resterende rotatie in de schroefstraal gunstig beïnvloedt, kan een Pre-Swirl Stator de voorkeur verdienen. Als een aangepaste axiale aanstroming en de bijbehorende krachten op het ductprofiel meer voordeel bieden, kan een Pre-Duct geschikter zijn. Dat verschil moet worden beoordeeld bij hetzelfde voortstuwingsdoel, omdat een hogere schroefstuwkracht op zichzelf nog geen lager benodigd schachtvermogen betekent.
De beschikbare inbouwruimte kan de voorkeur eveneens veranderen. Een Pre-Swirl Stator vraagt geschikte bevestigingspunten en voldoende ruimte om de vinnen op de gewenste positie aan te brengen. Een Pre-Duct heeft ruimte nodig voor het profiel en de ondersteunende constructie. Wanneer de hydrodynamisch gewenste geometrie niet uitvoerbaar blijkt, kan een alternatief ontwerp met een iets kleinere berekende verbetering alsnog de betere technische oplossing zijn.
Wanneer kiest u voor een PBCF of Rudder Bulb?
Wanneer het verbeterpotentieel vooral rond de schroefnaaf en het achterliggende roer ligt, komen een Propeller Boss Cap Fin (PBCF) en Rudder Bulb in aanmerking. Beide beïnvloeden de stroming in dit gebied, maar vanuit een andere positie. Een PBCF is verbonden met de draaiende naafkap en werkt direct samen met de schroef. Een Rudder Bulb is verbonden met het roer en beïnvloedt de overgang tussen schroefnaaf en roer.
Een PBCF verdient vooral onderzoek wanneer de naafstroming zodanig kan worden beïnvloed dat de schroef efficiënter functioneert. De vinnen worden afgestemd op de geometrie van de schroefbladen, de naafkap en de plaatselijke stroming rond de bladwortels. Daarmee kan de sterkte van de naafwervel worden verminderd. Ook de hydrodynamische krachten op de vinnen zelf dragen bij aan het uiteindelijke resultaat. Een gunstige uitvoering kan onder meer de drukverdeling rond de naafkap verbeteren en het benodigde schroefkoppel verminderen.
De werking van een PBCF kan echter niet uitsluitend worden afgeleid uit de afname van de naafwervel. De vinnen veranderen ook de stroming richting het roer. Onderzoek aan schroef-roeropstellingen laat zien dat een PBCF de weerstand van het roer kan verhogen, waardoor de verbetering voor de volledige voortstuwing kleiner uitvalt dan bij een afzonderlijk onderzochte schroef. De bestaande roergeometrie moet daarom worden meegenomen in de beoordeling.
Bij een bestaand zeeschip kan een PBCF een relatief gerichte retrofit mogelijk maken doordat de voorziening op de naafkap wordt aangebracht. Dat is vooral aantrekkelijk wanneer de bestaande schroefgeometrie behouden kan blijven en de naafconstructie geschikt is voor een aangepaste kap. De vorm en bevestiging moeten wel aansluiten op de specifieke schroef. Een PBCF kan ook bij bepaalde verstelbare schroeven worden toegepast, maar niet iedere naafconstructie biedt daarvoor de benodigde constructieve mogelijkheden.
Een Rudder Bulb ligt eerder voor de hand wanneer de geometrische en hydrodynamische aansluiting tussen schroefnaaf en roer verbetering biedt. De bulb wordt afgestemd op de vorm van de naafkap, de schroefstraal en de bestaande roercontour. Vooral de onderlinge uitlijning, afstand en drukverdeling rond de voorzijde van het roer beïnvloeden de werking. Een gunstig ontwerp kan de verliezen rond de naafwervel beperken en de stroming tussen schroef en roer verbeteren.
De Rudder Bulb moet daarbij als onderdeel van de volledige schroef-roeropstelling worden ontwikkeld. Een andere bulbvorm beïnvloedt niet alleen de stroming achter de schroef, maar kan ook de weerstand, drukverdeling en krachten op het roer veranderen. De uitwerking moet daarom verder gaan dan de beoordeling van een gestroomlijnde verdikking op de voorrand. Ook het gedrag bij relevante roeruitslagen moet worden gecontroleerd.
De bestaande constructie kan een belangrijk onderscheid opleveren. Bij een PBCF zijn de naafkap, bevestiging en beschikbare ruimte richting het roer bepalend. Een Rudder Bulb vraagt een geschikte roervorm en voldoende afstand tot de draaiende schroefonderdelen. Vooral wanneer de schroef-roerafstand beperkt is, kunnen de beschikbare spelingen en mogelijkheden voor constructieve aanpassing de keuze beïnvloeden.
Hydrodynamisch bestaat evenmin een vaste voorkeursvolgorde. Beide voorzieningen kunnen gedeeltelijk op dezelfde verliezen aangrijpen. Wanneer het bestaande roer de stroming rond de schroefnaaf al gunstig beïnvloedt, kan de aanvullende verbetering van een PBCF beperkt zijn. Omgekeerd kan een PBCF de naafstroming zodanig veranderen dat een afzonderlijke Rudder Bulb minder toevoegt. Een vergelijking moet daarom betrekking hebben op de werkelijke schroef-roeropstelling, inclusief reeds aanwezige voorzieningen.
Een PBCF verdient dus niet automatisch de voorkeur omdat een naafwervel zichtbaar is. Evenmin is een Rudder Bulb vanzelf geschikter zodra voldoende ruimte tussen schroef en roer aanwezig is. De keuze volgt uit de verbetering die beide voorzieningen binnen de bestaande of geplande configuratie kunnen leveren.
Welke scheepskenmerken kunnen de voorkeursrichting veranderen?
De hydrodynamisch meest kansrijke ESD moet ook passen bij de constructie en bedrijfsomstandigheden van het schip. De achterstevenvorm, schroefpositie, beschikbare ruimte en bestaande appendages bepalen welke geometrieën kunnen worden aangebracht. Vooral bij retrofitprojecten kan de oorspronkelijke scheepsconstructie de ontwerpvrijheid aanzienlijk beperken.
Bij een Pre-Swirl Stator of Pre-Duct gaat het onder meer om de plaatsing ten opzichte van het schroefvlak en de mogelijkheden om de hydrodynamische krachten veilig aan de achtersteven over te dragen. Een ontwerp kan in een berekening gunstig presteren, maar constructief minder aantrekkelijk worden wanneer zware ondersteuningen of ingrijpende aanpassingen aan het achterschip noodzakelijk zijn. Ook de bereikbaarheid van de voorziening voor inspectie en onderhoud verdient aandacht.
Voor een PBCF spelen de naafkap, schroefconstructie en bevestigingsmogelijkheden een grotere rol. Bij een Rudder Bulb zijn vooral de bestaande roervorm, schroef-roerafstand en benodigde spelingen belangrijk. De constructieve gevolgen kunnen daardoor sterk verschillen, zelfs wanneer beide voorzieningen hydrodynamisch vergelijkbare verbeteringen laten zien.
Ook het type schroef beïnvloedt de ontwerpafweging. Bij een Controllable Pitch Propeller moeten de relevante bladstanden en toerentallen worden meegenomen. Een ESD die bij een bepaalde spoedinstelling gunstig presteert, hoeft bij een andere bladstand niet dezelfde vermogensverbetering te behouden. Voor voorzieningen rond de naaf kunnen bovendien aanvullende constructieve beperkingen gelden. Bij een vaste schroef vraagt de beoordeling vooral aandacht voor de veranderende combinatie van vaarsnelheid, toerental en schroefbelasting.
Het vaarprofiel bepaalt vervolgens onder welke omstandigheden de verwachte verbetering daadwerkelijk waarde heeft. Een kustvaarttanker die regelmatig wisselt tussen beladen en ballastvaart vraagt mogelijk om een andere ontwerpafstemming dan een zeeschip dat gedurende lange perioden met een vrijwel constante diepgang en kruissnelheid vaart. De belangrijkste bedrijfscondities moeten daarom onderdeel zijn van de beoordeling. Daarbij telt niet alleen de grootste verbetering bij een afzonderlijk bedrijfspunt, maar ook hoeveel tijd het schip daadwerkelijk onder de betreffende omstandigheden vaart.
Naast de vermogensverbetering verdienen cavitatie, trillingen en manoeuvreerbaarheid aandacht. Een gewijzigde aanstroming kan de belasting van de schroefbladen gunstiger verdelen, maar onder andere bedrijfscondities ook ongewenste drukwisselingen veroorzaken. Bij roervoorzieningen moet bovendien de stuurwerking bij relevante roeruitslagen behouden blijven. Een gunstige vermogensvoorspelling vormt daarom geen vervanging voor de beoordeling van deze eigenschappen.
De technische inpassing kan een aanvankelijk aantrekkelijke ESD minder geschikt maken. Omgekeerd kan een hydrodynamisch iets minder gunstige voorziening de voorkeur krijgen wanneer de constructieve aanpassingen beperkter zijn en de prestaties over het benodigde bedrijfsbereik voldoende betrouwbaar blijven.
Hoe wordt de definitieve ESD-keuze gemaakt?
De eerste hydrodynamische beoordeling bepaalt welke ESD-typen voor het schip kansrijk zijn. Daarna worden de meest geschikte ontwerpen onder gelijkwaardige omstandigheden vergeleken. Niet iedere voorziening hoeft daarbij even uitgebreid te worden onderzocht. Wanneer de bestaande geometrie of stroming een bepaald werkingsprincipe nauwelijks kansrijk maakt, kan dat type al in een vroege fase afvallen.
Voor de overblijvende kandidaten wordt vastgesteld hoeveel schachtvermogen het schip bij dezelfde snelheid, diepgang en trim nodig heeft. Daarbij worden de krachten op romp, schroef, roer en ESD gezamenlijk meegenomen. Het benodigde toerental en koppel kunnen per uitvoering verschillen. Alleen een hogere schroefstuwkracht bij hetzelfde toerental of een gunstiger stromingsbeeld geeft daarom nog geen volledig beeld van de voortstuwingsverbetering.
Bij deze vergelijking zijn de gekozen reken- en onderzoeksmethoden belangrijk. Berekeningen met Computational Fluid Dynamics (CFD) kunnen verschillen in stroming, krachten en benodigd vermogen zichtbaar maken. Modelproeven bieden aanvullende mogelijkheden om de voorspelde werking te controleren. Voor voorzieningen die de aanstroming voor de schroef veranderen, moet bovendien zorgvuldig worden omgegaan met schaaleffecten. Vooral de verhouding tussen axiale en tangentiële veranderingen in de aanstroming kan invloed hebben op de voorspelling van het benodigde vermogen op ware grootte.
Een vergelijkend onderzoeksproject voor een Handymax-bulkcarrier laat zien hoe zo'n keuze in de praktijk kan verlopen. Voor hetzelfde schip werden een Pre-Swirl Stator, Pre-Duct en Rudder Bulb ontworpen en hydrodynamisch beoordeeld. Na een gezamenlijke vergelijking werd de Pre-Swirl Stator geselecteerd en verder ontwikkeld voor toepassing op het schip. Naast de hydrodynamische prestaties speelden ook cavitatierisico's en praktische uitvoerbaarheid een rol. De geselecteerde stator werd vervolgens op ware grootte getest. De uitkomst laat zien dat verschillende ESD-principes voor dezelfde scheepsconfiguratie kansrijk kunnen zijn, terwijl uiteindelijk een specifieke uitvoering de voorkeur krijgt. De vergelijking omvatte geen PBCF en vormt geen algemene rangorde voor andere bulkcarriers of scheepstypen.
Wanneer meerdere ontwerpen een vergelijkbare vermogensverbetering opleveren, krijgen de betrouwbaarheid van de voorspelling en de technische inpassing meer gewicht. Een klein berekend verschil hoeft niet doorslaggevend te zijn wanneer het binnen de onzekerheid van de gebruikte beoordelingsmethode valt. In dat geval kan een ontwerp met een eenvoudiger bevestiging, betere onderhoudstoegang of minder ingrijpende aanpassingen de voorkeur verdienen.
Ook moet duidelijk zijn welke configuratie werkelijk wordt vergeleken. Een afzonderlijke Pre-Swirl Stator op de bestaande schroef is niet hetzelfde als een gezamenlijk geoptimaliseerde combinatie van stator en nieuwe schroef. Beide kunnen technisch geschikte oplossingen zijn, maar de berekende vermogensverbeteringen hebben betrekking op verschillende ontwerpuitgangspunten. Voor een betrouwbare vergelijking moeten die uitgangspunten herkenbaar blijven.
De uiteindelijke beoordeling moet bovendien onderscheid maken tussen schachtvermogen en brandstofverbruik. Een voorspelde vermindering van het benodigde schachtvermogen is niet zonder meer een even grote procentuele brandstofbesparing. Daarvoor moet worden onderzocht hoe de motor bij de gewijzigde belasting functioneert en hoeveel bedrijfsuren het schip bij de relevante snelheden en belastingen maakt.
De keuze voor een Pre-Swirl Stator, Pre-Duct, PBCF of Rudder Bulb volgt daarmee uit de verliezen die bij het betreffende schip daadwerkelijk kunnen worden beperkt. Een Pre-Swirl Stator verdient de voorkeur wanneer gecontroleerde voorrotatie de grootste betrouwbare nettoverbetering oplevert. Een Pre-Duct is geschikter wanneer stromingsgeleiding en de krachten op het ductprofiel gunstiger uitpakken. Bij verliezen rond de schroefnaaf en het roer bepaalt de werking van de volledige schroef-roeropstelling of een PBCF dan wel een Rudder Bulb de beste oplossing is.
Wanneer geen van deze voorzieningen onder de relevante bedrijfscondities een voldoende onderbouwde vermogensverbetering oplevert, kan het technisch verstandiger zijn om geen ESD toe te passen. Niet het type voorziening, maar de aantoonbare bijdrage aan een efficiënte en verantwoord uitvoerbare voortstuwing bepaalt uiteindelijk de keuze.
Dit artikel binnen de reeks
De keuze tussen de vier ESD-typen begint bij de wisselwerking tussen romp, schroef en roer. Welke besparing een geschikte voorziening tijdens de exploitatie kan opleveren, hangt daarnaast af van de invloed van het operationele profiel op de ESD-prestaties. Beide aspecten komen samen bij de afstemming van ESDs op de scheepsvoortstuwing.