Promotionsvortrag Lars Adamek 1 20060910 Promotionsvortrag 17.10.2006 Schnelle Containerschiffe Möglichkeiten und Grenzen Promotionsvortrag Dipl. Ing., MSc Lars Adamek
PromotionsvortragLars Adamek 1
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Schnelle ContainerschiffeMöglichkeiten und Grenzen
Promotionsvortrag
Dipl. Ing., MSc Lars Adamek
PromotionsvortragLars Adamek 2
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
• Schifffahrt – Anwendungen und Anforderungen
• Schiffsantrieb
� Wirkungsgradeinflüsse
� Widerstandsanteile
� Rumpfwiderstand
• Höchstgeschwindigkeit des Containertransports
� Rumpfformen
� Vergleich der Alternativen
• Fazit
Gliederung
PromotionsvortragLars Adamek 3
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Gütertransport Passagiertransport
Sicherheitstechnische Aufgaben Spezialaufgaben
Schiffsanwendungen
PromotionsvortragLars Adamek 4
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
WirkungsgradLebensdauer
WirkungsgradLebensdauer
WirkungsgradLebensdauer
WirkungsgradLebensdauer
WirkungsgradEnergiedichte
Geschwindigkeit
LebensdauerWirkungsgrad
Geschwindigkeit
EnergiedichteWirkungsgrad
EnergiedichteWirkungsgrad
SignaturGeschwindigkeit
EnergiedichteWirkungsgrad
SignaturGeschwindigkeit
KraftLebensdauer
WirkungsgradLastflexibilität
Gütertransport Passagiertransport
Sicherheitstechnische Aufgaben Spezialaufgaben
Anforderungen
PromotionsvortragLars Adamek 5
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000in
1.0
00 t
dw
vor1975
1976bis
1980
1981bis
1985
1986bis
1990
1991bis
1995
1996bis
2000
Stückguttransporter
Containerschiffe
Massengutschiffe
Öl- undÖlproduktetanker
Hader A., Monden R.; Nutzung der hohen See als Transportweg –
Möglichkeiten zur Erhebung von Entgelten, Berlin 2002
Ladekapazität der dt. Handelsflotte
PromotionsvortragLars Adamek 6
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Bunkerkosten
65%
Verwaltung
1%
Kapitalkosten
20%
Personal
8%Reparatur &
Instandhaltung
5%
Versicherung
1%
Beispiel: 1.700 TEU-Containerfrachter
9 Mio. US$/Jahr
Hader A., Monden R.; Nutzung der hohen See als Transportweg – Möglichkeiten zur Erhebung von Entgelten, Berlin 2002
Hansa Hamburg Shipping; Factsheet MS Matthias Claudius; Hamburg, 2005
Kosten
PromotionsvortragLars Adamek 7
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
1,5*10-19*10-22,5*10-1Luft (10 t)
5,5*10-22*10-1Luft (300 t)
8*10-23,7*10-22,2*10-22*10-2Straße
3*10-210-26*10-3Schiene
2*10-22*10-3See
(10.000 t)
3*10-37*10-4See
(100.000 t)
500 kn200 kn100 kn50 kn20 kn10 knP / (m * v)
Schenzle, P.; Sustainable Sea Traansportation – The Zero-Emission Ship?; STG Hauptversammlung Hamburg 2002
Spezifischer Transport Energiebedarf
PromotionsvortragLars Adamek 8
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
• Schifffahrt – Anwendungen und Anforderungen
• Schiffsantrieb
� Wirkungsgradeinflüsse
� Widerstandsanteile
� Rumpfwiderstand
• Höchstgeschwindigkeit des Containertransports
� Rumpfformen
� Vergleich der Alternativen
• Fazit
Gliederung
PromotionsvortragLars Adamek 9
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
ηD = ηM. ηP
. ηHPB = v . (RT + RA) . ηD
PB Antriebsleistung des Motors
V Schiffsgeschwindigkeit
ηD Propulsionsgütegrad
RT Schleppwiderstand
ηM Wirkungsgrad des Motors (0,3 bis 0,45)
ηP Wirkungsgrad des Propellers
(0,34 bis 0,8)
ηH Schiffseinflussgrad (0,95 bis 1,4)
RT
v
RA
ηMηH ηP
Wirkungsgradkette
PromotionsvortragLars Adamek 10
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
• Schifffahrt – Anwendungen und Anforderungen
• Schiffsantrieb
� Wirkungsgradeinflüsse
� Widerstandsanteile
� Rumpfwiderstand
• Höchstgeschwindigkeit des Containertransports
� Rumpfformen
� Vergleich der Alternativen
• Fazit
Gliederung
PromotionsvortragLars Adamek 11
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
DLBc
WLWLB ⋅⋅
∆=cB Blockkoeffizient
∆ Wasserverdrängung
AWL Fläche an der Wasserlinie
D Tiefgang
Schiffsabmessungen
PromotionsvortragLars Adamek 12
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Großtanker Frachter Fährschiffe Kriegsschiffe
20 bis 4515 bis 3013 bis 2612 bis 17V in kn
0,25 bis 0,40,5 bis 0,7 0,5 bis 0,750,8 bis 0,85cB
Fn-Zahl ca. 0,4ca. 0,3ca. 0,2ca. 0,15
MAN Marine Power; Basic Principles of Ship Propulsion; Augsburg 2004
Einfluss FormgebungLadekapazität und Froude-Zahl
PromotionsvortragLars Adamek 13
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
1. Druckwiderstand
Druck des Wassers auf Rumpf
2. Reibungswiderstand
Reibung an der Oberfläche des Rumpfs
3. Wellenwiderstand = f(Fn)
Druck des Wellensystems durch Erdschwere
Zähigkeitswiderstand = f(Re)
Anteile des Schiffswiderstands:
ν⋅= lv
Re
lg
vFn
⋅=
Oertel, H.; Prandtl – Führer durch die Strömungslehre,, Braunschweig, 2002
Widerstandsanteile
PromotionsvortragLars Adamek 14
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
2F
2WT
AFWT
DTB
v2
Scv2
ScR
RRRR
vRP
⋅ρ⋅⋅+⋅ρ⋅⋅=
++=η⋅⋅=
≈ 2 bis 10 %
= f(v²) ADM
D3
B c
vP
32 η∆=
Abschätzung durch Admiralitätsformel:
RT SchleppwiderstandPB MotorleistungRF ReibungswiderstandRW WellenwiderstandRA Luftwiderstand
cF ReibungskoeffizientcW WellenkoeffizientcADM AdmiralitätskoeffizientS benetzte Oberflächev Schiffsgeschwindigkeit∆ Verdrängung
Schleppleistung
PromotionsvortragLars Adamek 15
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
0
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
600.000
0 10 20 30 40
Geschwindigkeit in kn
Wid
erst
ands
kraf
t in
kN
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
Fro
ude-
Zah
l
Rwave
Rfriction
Rtotal
F
Beispiel:
Widerstandsverhalten eines Containerschiffs
We
lle
nb
erg
Wellenberg
PromotionsvortragLars Adamek 16
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Wellengeschwindigkeit im Wasser:
πλ⋅=
2
gv
Dr. Würsig, G.; Rumpfgeschwindigkeit von Schiffen, Hamburg, 2006
Für λ = LWLergibt sich die sog. Rumpfgeschwindigkeit:
Max. Geschwindigkeit bei Verdrängungsfahrt π⋅=2
Lgv WL
Alternative: GLEITEN
Rumpfgeschwindigkeit
PromotionsvortragLars Adamek 17
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Charakteristische Daten:
Länge 20 m � vRumpf = 10,8 kn
Breite 4,4 m
Tiefgang 1,3 m
Gewicht 24,2 t
Motorleistung 2 * 500 PS
Innenministerium Baden-Württemberg; Neue Boote für Wasserschutzpolizei, Stuttgart, 2000
Boot derWasserschutzpolizei als Beispiel
PromotionsvortragLars Adamek 18
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
0 10 20 30
Geschwindigkeit in kn
Wid
erst
ands
kraf
t in
kN
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Fro
ude-
Zah
l
Rwave
Rfriction
Rtotal
F
Widerstandskräfte des WaPo-Bootes
PromotionsvortragLars Adamek 19
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Geschwindigkeit-Leistungs-Kennfelddes WaPo-Bootes
0200
400
600
8001.000
1.200
1.400
1.600
0 10 20 30
Geschwindigkeit in kn
Leis
tung
in k
W
Effective PowerBrake Power
Vmax = 22 kn bei 740 kW
ηD = 62,1 %
PromotionsvortragLars Adamek 20
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
• Schifffahrt – Anwendungen und Anforderungen
• Schiffsantrieb
� Wirkungsgradeinflüsse
� Widerstandsanteile
� Rumpfwiderstand
• Höchstgeschwindigkeit des Containertransports
� Rumpfformen
� Vergleich der Alternativen
• Fazit
Gliederung
PromotionsvortragLars Adamek 21
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Schleppwiderstand SonstigeWiderstände
Wellenwiderstand Reibungswiderstand
Schiffswiderstand
Illies, K.; Handbuch der Schiffsbetriebstechnik, Braunschweig, 1984
Schiffswiderstand
PromotionsvortragLars Adamek 22
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
90 %45 %Reibungswiderstand
5 %40 %Wellenwiderstand
3 %5 %Verwirbelungswiderstand
2 %10 %Luftwiderstand
ca. 0,15ca. 0,4Fn
Langsame SchiffeSchnelle Schiffe
MAN Marine Power; Basic Principles of Ship Propulsion; Augsburg 2004
Widerstandsanteile
PromotionsvortragLars Adamek 23
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
S
!
M FF =
SM FnFn = SM ReRe =
S
S
M
M
Lg
v
Lg
v
⋅=
⋅
M
S
L
L=λλ
= SM
vv
S
SS
M
MM LvLv
ν⋅=
ν⋅
FM Widerstandskraft am Modell
vM Schiffsgeschwindigkeit
λν=ν⇒
SM
LM Länge an der Wasserlinieλ Größenverhältnis Schiff/Modell
Kraftermittlung am Modell
PromotionsvortragLars Adamek 24
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Daher Modellversuche bei kleinerer Re, da Medium mit
ausreichender Viskosität nicht verfügbar. Direkte Messung
des Widerstands nur in Originalgröße möglich!
500 mm²/s10 bis 20 mm²/sKin. Viskosität
2 m200 mSchiffslänge
1 m/s
(λ=100)
10 m/s
(18 kn) Geschwindigkeit
ModellGroßausführung
Modellparameter Schleppversuch
PromotionsvortragLars Adamek 25
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Schleppwiderstand (FT) Sonstige Widerstände
Wellenwiderstand (FW) Reibungswiderstand (FR)
Schiffswiderstand
1. Messung FTM(FnM = FnS; ReM < ReS)
2. Berechnung FRMaus Strömungsversuchen an querschnittsgleichen Flächen(seit 1957 mittels ITTC-Reibungslinien)
3. FWM = FTM – FRM
4. Umrechnung FRM auf FRS;FWM = FWS
5. FTS = FWM + FRS
Nicht berücksichtigt
Dr. Hollenbach; HSVA Test Facilities, Hamburg, 2006
Widerstandsberechnung
PromotionsvortragLars Adamek 26
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006Dr. Hollenbach; HSVA Test Facilities, Hamburg, 2006
Computerized
Planar
Motion
Control
Schleppversuch (HSVA)
PromotionsvortragLars Adamek 27
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
.
TriNav – Naval Architects; Fishing Boat Desoigners and Naval Architecture Services; St. John´s, 2006
1. Linienführung
2. Widerstandsverringernde Anbauten
.PD
PD
Möglichkeiten zur Reduzierung des Schleppwiderstands
PromotionsvortragLars Adamek 28
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
a, ∆ - Typ b, 0 - Typ c, ∇ - Typ
Verdrängungsvolumen ca. 0,25 bis 0,35 % der Schiffsverdrängung.
Relative Länge 2,8 bis 3,2 % der Länge der Wasserlinie.
Reduktion des Wellenwiderstands bis ca. 30 % möglich!
Kracht, A.; Design of Bulbous Bows,; The Society of Naval Architects and Marine Engineers, New York, 1978
Bugwulstform
PromotionsvortragLars Adamek 29
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Länge Wulst: -2 bis 0
Länge Rumpf: 0 bis 4
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
rel. Länge
rel.
Wel
lenh
öhe
Rumpf
Wulst
Rumpf+Wulst
Bugwulstwirkung
PromotionsvortragLars Adamek 30
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
• Schifffahrt – Anwendungen und Anforderungen
• Schiffsantrieb
� Wirkungsgradeinflüsse
� Widerstandsanteile
� Rumpfwiderstand
• Höchstgeschwindigkeit des Containertransports
� Rumpfformen
� Vergleich der Alternativen
• Fazit
Gliederung
PromotionsvortragLars Adamek 31
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
Möglichkeiten zur Geschwindigkeitserhöhung:
1. Mehr Leistung � Grenze durch Wellenberg
2. Rumpfform
1. „Länge läuft !“ � Rumpf verlängern
2. Schlankheitsgrad Rumpf � Katamaran
3. Gleiten � Kleinere Schiffe
Erhöhung der Transportgeschwindigkeit
PromotionsvortragLars Adamek 32
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
32,5 kn
2.500 t
1,1 m
27 m
180 m
Gleiter
2 * 12.500 t25.000 t25.000 tVerdrängung
32,5 kn45,9 kn32,5 knRumpf-
geschwindigkeit
11 m
27 m
180 m
Referenzfrachter
mit Knickrumpf
8,8 m11 mTiefgang
2 * 13,5 m13,5 mBreite
180 m360 mLänge
KatamaranLanger Rumpf
Mögliche Rumpfformen
PromotionsvortragLars Adamek 33
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
• Schifffahrt – Anwendungen und Anforderungen
• Schiffsantrieb
� Wirkungsgradeinflüsse
� Widerstandsanteile
� Rumpfwiderstand
� Propulsor
• Höchstgeschwindigkeit des Containertransports
� Rumpfformen
� Vergleich der Alternativen
• Fazit
Gliederung
PromotionsvortragLars Adamek 34
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
0
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
0 10 20 30 40 50Geschwindigkeit in kn
Wel
lenw
ider
stan
d in
kN Referenz
Langschiff
Gleiter
Katamaran
Wellenwiderstand der Entwürfe
PromotionsvortragLars Adamek 35
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
0
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
600.000
0 10 20 30 40 50
Geschwindigkeit in kn
Rei
bung
swid
erst
and
in k
N
Referenz
Langschiff
Gleiter
Katamaran
Reibungswiderstand der Entwürfe
PromotionsvortragLars Adamek 36
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
0
200.000
400.000
600.000
800.000
1.000.000
0 10 20 30 40 50
Geschwindigkeit in kn
Sch
lepp
wid
erst
and
in k
N
Referenz
Langschiff
Gleiter
Katamaran
Schleppwiderstand der Entwürfe
PromotionsvortragLars Adamek 37
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
0
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
0 10 20 30 40 50
Geschwindigkeit in kn
Leis
tung
in k
W Referenz
Langschiff
Gleiter
Katamaran
14 MW
153 MW
118 MW
44 MW
Antriebsleistung der Entwürfe
PromotionsvortragLars Adamek 38
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
163.200 kW530.000 kW168.100 kW216.100 kWPmax
1,9 * 10-2
(21,6 kn)
1 * 10-1
(43 kn)
1,5 * 10-2
(27,4 kn)
2 * 10-2
(20,7 kn)
Spez. Transport-
energiebedarf
40,5 m27 m13,5 m27 mBreite
32,5 kn100 kn45,9 kn32,5 knVmax
43,0 kn
Gleiter
21,6 kn27,4 kn20,7 knvRef
(bei 32.300 kW)
Referenzfrachter
mit Knickrumpf
KatamaranLanger Rumpf
Leistungsmerkmale der Entwürfe
PromotionsvortragLars Adamek 39
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
Jahr
esun
terh
alt i
n T
€
Referenz Referenzschnell
Langschiff Gleiter Katamran
Verwaltung
Reparatur & Instandhaltung
Versicherung
Personal
Kapitalkosten
Bunkerkosten9.9
30
47
.92
7
37
.92
2
12
7.9
61
36
.88
0
Kostenvergleich
PromotionsvortragLars Adamek 40
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
• Schifffahrt – Anwendungen und Anforderungen
• Schiffsantrieb
� Wirkungsgradeinflüsse
� Widerstandsanteile
� Rumpfwiderstand
� Propulsor
• Höchstgeschwindigkeit des Containertransports
� Rumpfformen
� Vergleich der Alternativen
• Fazit
Gliederung
PromotionsvortragLars Adamek 41
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
3*10-210-26*10-3Schiene
8*10-23,7*10-22,2*10-22*10-2Straße
1,5*10-19*10-22,5*10-1Luft (10 t)
5,5*10-22*10-1Luft (300 t)
7 * 10-110-1See
(1.000 t)
5 * 10-22*10-22*10-3See
(10.000 t)
3*10-37*10-4See
(100.000 t)
500 kn200 kn100 kn50 kn20 kn10 knP / (m * v)
Schenzle, P.; Sustainable Sea Traansportation – The Zero-Emission Ship?;
STG Hauptversammlung Hamburg 2002
Spezifischer Transport Energiebedarf
PromotionsvortragLars Adamek 42
2006
0910
Pro
mot
ions
vort
rag
17.10.2006
• Seetransport ist sehr energieeffizient
• Transportgeschwindigkeit ist durch Wellenbildung
begrenzt
• Optimierung der Effizienz ist insbesondere durch
Formgebung des Rumpfs möglich
• Gleitschiffe könnten 60 kn erreichen
(10 % der Lufttransportgeschwindigkeit)
• Schneller Transport durch Gleitschiffe ist ca. 2,5 mal so
energieintensiv wie Lufttransport
Geschwindigkeit der Schiffe wird mit deren Größe weiter steigen.
Dienstgeschwindigkeit wird auch in Zukunft 30 kn nicht übersteigen.
Fazit