DyPos

gefördert durch

BMWi - Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie

Partner

FSG, Meyer Werft, TUHH

Laufzeit

01.07.2012 - 30.06.2015

Das Vorhaben hat zum Ziel, eine Methodensammlung zur Bewertung von Positionier- und Anlegevorgängen zu entwickeln. Damit trägt das Vorhaben der Entwicklung Rechnung, dass sich die deutsche Schiffbauindustrie weg von Standardtonnage hin zu spezialisierten Prototypen hin bewegt. Es ist nämlich aufgrund der aktuellen Entwicklungen im Markt erkennbar, dass in Deutschland zunehmend Schiffe projektiert werden, die nicht mehr nur den klassischen Entwurfsforderungen (gegebener Design- Punkt und einfach nachweisbarer Bauvertrag) genügen müssen. Sondern es wird zunehmend verlangt, dass die Schiffe in vom Entwurfspunkt abweichenden Situationen betrieben werden müssen. Dies wurde bereits im BMWI- Vorhaben “OFF DESIGN“ untersucht, aber hier vor allem bezüglich der unterschiedlichsten Propulsionspunkte der mehr oder weniger stationären Geradeausfahrt. Dabei wurde auch der Zustand „Driften bei Schrägwind“ noch als stationäre Geradeausfahrt angesehen. Das hier vorgelegte Vorhaben geht noch einen Schritt weiter: Es ist nämlich aufgrund der aktuell im Markt vorhandenen Projekte – insbesondere gilt das für die sogenannten Windkraftaufstellschiffe, aber auch für andere Offshore- Einheiten wie auch für konventionelle Schiffe– klar erkennbar, dass sich die Entwurfsanforderungen deutlich verschoben haben, und zwar hin zu Fragen des dynamischen Positionierens in ungünstigen Umweltbedingungen. Vorher wurde ein Schiffskonzept im Wesentlichen durch die Frage der Tragfähigkeit und der zu erreichenden Geschwindigkeit bestimmt. Hatte das Schiff besondere Manövrieranforderungen, dann wurden die nötigen Manövrierorgane entworfen und in das Konzept integriert, wobei eventuell die nötige Leistung des Hauptantriebsstranges (PTO) oder der Hilfsmaschinen dann angepasst wurde.

Etwa so ist man auch bei der ersten Generation der Windkraftaufstellschiffe vorgegangen, allerdings zeigt sich nun an ersten Ergebnissen, dass diese tradierte Vorgehensweise nicht mehr funktioniert: Denn die Forderung nach einer Fähigkeit zum dynamischen Positionieren hat einen so großen Einfluss auf die Gesamtkonzeption des Schiffes, dass man diese von vorneherein in das Schiff hineinentwerfen müssen, was zu anderen Rumpfformen und Unterteilungen geführt hätte. So wurden aber einfach viele Einzelaggregate in das Schiff eingebaut in der Hoffnung, dass eine vernünftige Regelung das Problem schon lösen würde. Dabei hat man aber nicht bedacht, dass extrem viele Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Aggregaten untereinander sowie mit dem Rumpf entstehen, so dass man so viele Freiheitsgrade erhält, dass eine effiziente Regelung nicht mehr möglich ist. Dann kann aber entweder die DP- Forderungen nicht mehr erfüllen oder muss die Kapazität erhöhen. Das führt dann zu einer größeren Maschinenanlage und mehr Gewicht. Ersteres ist sehr teuer, letzteres kann dazu führen, dass die Payload des Schiffes reduziert werden muss, weil das Jacking-System das Schiff dann nicht mehr aufständern kann. Vermutlich wäre es in den meisten Fällen besser gewesen, das grundsätzliche DP- Konzept von verfügbaren Erfahrungen aus dem Fährenbau zu übernehmen, anstatt darauf zu bauen, dass viele Einzelaggregate das Problem schon lösen würden.

Daher ist es unbedingt nötig, dass die projektierende Werft das Gesamtsystem in der frühen Entwurfsphase exakt beurteilen kann, damit sie sich nicht alleine auf die Herstellerangaben der Komponentenzulieferer verlassen muss. Denn diese betrachten ja logischerweise nur ihre einzelnen Komponenten, nicht aber das Gesamtsystem.

Vergleichbare Entwicklungen finden im Bereich der RoRo- Schiffe sowie der kleineren RoPax- Schiffe statt: Wegen der inzwischen sehr ausgefeilten Rumpfdesigns hat die Antriebsleistung soweit abgenommen, dass oftmals bei der Auslegung der Gesamtanlage (Hauptantriebsstrang, PTO, Bordnetz, Hilfsdiesel) das Anlegemanöver die entwurfsbestimmende Anforderung ist. Dieses ist durchaus mit den DP- Forderungen für Offshore- Schiffe vergleichbar, denn es werden seitens der Auftraggeber zunehmend Szenarien mit hohen Windgeschwindigkeiten und auch Strom gefordert. Nun wird das an sich gleichartige Problem von der RoRo- und Fährenbauern aber anders angegangen: Denn es werden die Hauptantriebsanlagen mit Verstellpropellern und Rudern für die DP-Aufgaben mitbenutzt, was insgesamt zu einer übersichtlicheren und effiizienteren Anlage führt. Es können also Synergien ausgenutzt werden, wenn die Erfahrungen aus der Konzeption von Fähren in das Offshore- Geschäft übertragen werden. Andererseits sind auch für den Fährenbau zusätzliche Probleme entstanden, die mit heute verfügbaren Werkzeugen nicht abgebildet werden können: Die Diversifizierung der Designs macht es nicht mehr möglich, Erfahrungswerte von Lastannahmen einfach zu übertragen. Hier müssen spezifische Berechnungswerkzeuge für die frühe Entwurfsphase entstehen. Weiterhin nimmt die Zahl und Art der zu untersuchenden Lastfälle so zu, dass die bisherigen Verfahren, die einfach auf einem Kraft- und Momentengleichgewicht beruhen, nicht mehr ausreichend sind. Dazu muss nun auch der Hoovgaard- Effekt, also die Verstärkung des Propellerschultermomentes bei korrekter Drehrichtung, mitberechnet werden können. In der Vergangenheit wurde dieses als zusätzliche Sicherheit angesehen, das geht heute wegen des extremen Kostendruckes nicht mehr. Und schließlich stellt der geplante Einsatz von LNG als Brennstoff ein weiteres Problem für das DP oder Anlegen dar: Denn die Dieselmotoren erben nun viele Probleme des Otto- Prozesses, wozu auch das sogenannte Klopfen gehört. Daher kann der Diesel nicht so schnell hochgefahren werden, wie es z. B. für eine bestimmte Manövrieraufgabe nötig wäre. Das hat Einfluss auf das Gesamtsystem, denn bisherige Erfahrungswerte können nicht übernommen werden, sondern das System muss dynamisch überprüft werden. Bei großen Passagierschiffen ist im Laufe der Entwicklung ein vergleichbarer Trend zu verzeichnen: Die Schiffe werden immer größer, was sich zunächst auf größere Überwasserlateralflächen und damit große Windlasten auswirkt. Oft laufen diese Schiffe Destinationen an, die in Küstennähe sind und damit strengen Auflagen bezüglich des Umweltschutzes unterliegen. Daher dürfen die Schiffe nicht mehr einfach vor Anker gehen, sondern sie müssen dynamisch auf Position gehalten werden. Damit stehen nun auch die Entwerfer von großen Passagierschiffen vor dem Problem, mit den vorhandenen Anlagen DP- Probleme lösen zu müssen. Diese Schiffe haben wegen der großen Hotellast andere Antriebsanlagen, sie fahren dieselelektrisch mit POD- Antrieben. Diese Antriebsanlage soll nun auch zu DP- Zwecken verwendet werden, und damit sind die Probleme im Prinzip denen der Offshore- Schiffe vergleichbar.

Summa summarum ergeben sich aus der Situation, zunehmend komplexe Einzelbauten anbieten zu müssen, eine Reihe von Fragestellungen aus den DP- Anforderungen der Schiffe, die mit den vorhandenen Methoden nicht oder nur unbefriedigend gelöst werden können. Wenn die Berechnungen durch die Industrie nutzbringend angewendet werden sollen, dann müssen diese in der frühen Projektierungsphase erfolgen, so dass die Lösungsmöglichkeiten rechtzeitig in den Schiffsentwurf eingebracht werden. Daher werden alle Verfahren auch in die bei allen Partnern dorr vorhandene Entwurfsumgebung integriert.

Mehr Informationen erhalten Sie bei den Ansprechpartnern: Adele Lübcke, Hannes Hatecke, Philip Augener

Publikationen

Folgende Publikationen wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens erstellt:

[57048]
Title: Computation of Drift Forces for Dynamic Positioning within the Very Early Design Stage of Offshore Wind Farm Installation Vessels
Written by: Philip Augener, Stefan Krüger
in: OMAE, San Francisco, USA 2014
Volume: Number:
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Note: DYPOS

Abstract: The German government has decided upon the changeover from fossil and nuclear based electrical power generation to renewable energies. Following from this offshore wind farms are erected in the exclusive economic zones of Germany. For the transportation and installation as well as the maintenance of the wind turbine generators very specialized vessels are needed. The capability of dynamic positioning even in very harsh weather conditions is one of the major design tasks for these vessels. For this reason it is important to know the external loads on the ships during station keeping already in the very early design stage. This paper focuses on the computation of wave drift forces in regular and irregular waves as well as in natural seaway. For validation the results of the introduced calculation procedure are compared to measured drift force data from sea-keeping tests of an Offshore Wind Farm Transport and Installation Vessel.