Bessere Schiffspropeller mit CFD-Simulation

Mit einer Länge von 400 Metern und einer Kapazität von knapp 19.000 TEU (Einheiten, die 20 Fuß entsprechen) ist die Barzan eines der größten Containerschiffe weltweit. Es wird von einem 10-Zylinder-Zweitakt-Dieselmotor von MAN betrieben, mit einer Propellerwellenleistung von 61.000 kW. Allein dieser eine Propeller muss die gesamte Ausgangsleistung effizient in Vortrieb umsetzen. Schiffspropeller für Antriebe dieser Größe haben einen Durchmesser von zehn Meter und mehr, wiegen über 100 Tonnen und werden mit hoher Präzision aus Speziallegierungen wie Bronze oder Kupfer-Nickel-Legierungen gefertigt.

Die größte Herausforderung für Designer von Schiffspropellern besteht darin, die verfügbare Motorleistung so effizient wie möglich einzusetzen, um den Treibstoffverbrauch und damit die Betriebskosten zu senken: ein Schiff mit einer Kapazität von 19.000 TEU verbraucht mehr als 150 Tonnen Marinedieselöl pro Tag, bei Kosten von 300 USD pro Tonne.

Aber Propeller, bei denen zu großer Wert auf die Ausgangsleistung gelegt wird, können unterschiedliche Kavitationseffekte erzeugen, was zu unerwünschter stärkerer Geräuscherzeugung führt und eine Erosion der Propellerstruktur zur Folge hat.

Dr. Keun Woo Shin ist Forschungsingenieur in der Abteilung Propeller & Aft-Ship R&D bei MAN Diesel & Turbo in Frederikshavn, Dänemark. Als Mitglied eines 40-köpfigen Teams arbeitet er seit vielen Jahren an der auf CFD basierenden Optimierung von Schiffspropellern und damit verknüpften Themen, einschließlich Simulationen, die den Effekt des Kielwassers berücksichtigen, und Kavitationssimulationen mit einer Schätzung des Verschleißrisikos sowie der Analyse von Skalierungseffekten. Die Vorlaufzeiten für normale Propellerdesigns sind mit ungefähr einer Woche extrem kurz. Deshalb wurden schon früh mit großem Elan moderne Simulationstechniken eingesetzt.

Seit 2004 setzt MAN die CFD-Lösung Star-CCM+ von Siemens für die Analyse und Optimierung von Schiffspropellern ein. Kappelpropeller sind effizienter als herkömmliche Propeller. Die Flügeloberflächen sind nicht mehr schraubenförmig, und ihre Spitzen ähneln in Form und Funktion stark den Winglets an den Tragflächenenden moderner Flugzeuge. Um die größtmögliche Antriebseffizienz zu erreichen, wird beim Design ein gewisser Grad an Kavitation ganz bewusst in Kauf genommen. Zu starke Kavitation kann jedoch hohe Druckimpulse auf den Schiffsrumpf, Oberflächenerosion an Propeller und Steuerruder sowie eine Verringerung des Vortriebs verursachen.

Um die Kavitation-Faktoren genauer zu untersuchen, hat Dr. Shin bei Man Diesel & Turbo untersucht, wie sich eine modifizierte Geometrie der Enden der Propellerflügel von Kappelpropellern auswirkt. Für die Berechnungen wurde die CFD-Lösung STAR-CCM+ Version 9.02 von Siemens eingesetzt.

Simulation mit Rechengitter

Für CFD-Simulationen im Bereich der Schifffahrt werden Rechengitter mit mehreren Millionen Zellen verwendet. Während die experimentellen Untersuchungen an einem vollständigen Schiffsmodell durchgeführt wurden, wurden in der Simulation die axialen (Geschwindigkeitseintritt) und transversalen (Pulsquelle) Strömungskomponenten als Eintrittsrandbedingungen verwendet. Die Untersuchung ohne Propeller zeigte eine gute Übereinstimmung für die Axialströmung, während die im Versuch beobachtete Aufwärtsströmung in der CFD-Simulation nicht auftrat. Dafür wurde ein Berechnungsgitter erstellt, bei dem der Propeller von einem rotierenden Gitter umgeben ist.

Es stellte sich heraus, dass die Gestalt, das Ausmaß und die Form der berechneten Kavitation gut mit den Versuchsergebnissen übereinstimmten. Im Vergleich zum Referenzpropeller kann eine Verringerung der Blattkavitation erreicht werden, indem man beim Hochgeschwindigkeitspropeller bei einer Neigungsverringerung um zehn Prozent die Propellergeschwindigkeit um 0,5 RPS senkt. Doch dann tritt eine Spitzenwirbelkavitation auf, die die Effizienz des Propellers um 0,5 Prozent verringert. Bei der Propellervariante mit niedriger Spitzenlast bei Verringerung der Neigung um 60 Prozent steigt bei einer Erhöhung der Propellergeschwindigkeit von 0,5 RPS die Blattkavitation, und es tritt auch Spitzenkavitation auf. Ein gutes Ergebnis, wenn man akzeptiert, dass die Effizienz aufgrund von Spitzenwirbelkavitation sinkt. hei