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Schiffstechnik | Ship Technology Den richtigen Trimm finden Die Betriebsoptimierung zur Senkung der Emissionen sowie zur Reduzierung des Verbrauchs bleibt allgegen wär tig in der Schifffahrt. Ein Einflussfaktor ist der Trimm Der Tiefgang muss bei der Trimmberechnung einbezogen werden © Wägener Trimmkennfelder liefern, bei den mitunter stark variierenden Betriebs- und Beladungszuständen, Informationen über den Leistungsbedarf der Hauptmaschine bei jeweiligen Kombinationen aus Trimm und Tiefgang in Abhängigkeit zur Schiffsgeschwindigkeit. Die Erstellung eines, auf Echtdaten basierenden, schiffsspezifischen Trimmkennfeldes wird durch eine exakte dynamische Trimm- und Tiefgangsmessung ermöglicht. Anhand eines solchen Kennfeldes kann die optimale Schwimmlage und damit der optimale Betriebspunkt mit dem geringsten Speedloss, also dem Geschwindigkeitsverlust gegenüber des Auslieferungszustandes, ermittelt werden. Durch die Verwendung realer Betriebsdaten kann so eine langfristige und zuverlässige Leistungseinsparung zugunsten des Kraftstoffverbrauchs erzielt werden. Beispielszenario Für die Erstellung eines schiffsspezifischen Trimmkennfelds und der damit einhergehenden Optimierung des Schiffsbetriebs, bedarf es nur geringer baulicher Eingriffe und weniger verlässlicher Sensoren. Der analytische Aufwand zur Sicherstellung einer sauberen Datenlage ist jedoch nicht zu vernachlässigen und wird zunehmend zum Paradigma. Bei der Datenvalidierung orientiert sich Hoppe Marine, neben Validierungs- und Korrelationsalgorithmen, an den Richtlinien der ISO 19030, um die aufgenommenen Messdaten nach Glattwasserbedingungen zu filtern. Darüber wird die grundsätzliche Funktionsweise der Sensoren sichergestellt. Nur so können vergleichbare Zustände hergestellt werden, welche eine spätere Optimierung erlauben. Neben der zu investierenden Zeit zum Erfahren einer hinreichenden Datenlage, erfordert die Erstellung eine Möglichkeit zur Messung dynamischer Tiefgänge, des dynamischen Trimms sowie der Propulsionsleistung. Die Notwendigkeit einer dynamischen Tiefgangsmessung bedingt sich daraus, dass der Trimm aus den dynamischen Tiefgängen abgeleitet wird. Die Lastverteilung durch Ladung bleibt zwar in der Regel während der Fahrt konstant, Ballastwechsel und die Umströmung des Schiffskörpers führen jedoch zu zeitlichen und geschwindigkeitsabhängigen änderungen des Trimms. Aus diesem Grund muss der Trimm zu jedem Zeitpunkt dynamisch ermittelt werden, um ein aussagekräftiges Trimmkennfeld erstellen zu können. Optimale und suboptimale Schwimmlagen liegen teilweise nah beisammen. Dies ist hier beispielsweise bei einem Tiefgang von ca. 13,80 m zu beobachten. Wie das Schaubild des Trimmkennfeldes zeigt, hat der Wechsel aus dem dunkelblauen in den energetisch ungünstigeren gelben Bereich bei gleicher Geschwindigkeit einen mehr als 20% höheren Leistungsbedarf zur Folge. Als Referenz für die Leistungszunahme gelten 100 % Power MCR (Maximale Dauerleistung) sowie die Designgeschwindigkeit bei Designtiefgang und ebenem Kiel. Wie bereits vermerkt, kann die tatsächliche Schwimmlage des Schiffes nicht korrekt bestimmt werden, wenn der dynamische Trimm hydrostatisch gemessenen Tiefgängen unterliegt. Diese Messmethode kann durch fehlerbehaftete Tiefgänge dazu führen, dass vermeintlich mit optimalem Trimm operiert wird, die Schwimmlage in Wirklichkeit hingegen zu einem unerwartet hohen Kraftstoffverbrauch des Schiffes führt. Um die aufgenommenen Messdaten verschiedener Systeme zu einem aussagekräftigen Kennfeld zusammenzufügen, muss sichergestellt werden, dass eine valide Datenbasis vorliegt. Bereits geringe Abweichungen durch Sensordriften, Nullpunktverschiebungen oder geschwindigkeitsabhängige Verzerrungen können die aufgenommenen Daten unbrauchbar machen. Als Grundlage erfolgreicher Optimierungen untersucht Hoppe Marine Auffälligkeiten in den Messwerten und bietet die Sicherstellung einer sauberen und validen Datenbasis an. Die Verarbeitung der von der Hoppe Marine gemessenen Tiefgänge inkludiert eine Selbstvalidierung und kommuniziert diesen Status intern über ein »Validity Flag«. Zur Sicherstellung einer lückenlosen und sauberen Datenlage ist der nächste Entwicklungsschritt die Messdatenverarbeitung und Sensorik dahingehend zu befähi 52 HANSA International Maritime Journal 10 | 2019
Schiffstechnik | Ship Technology Abstract: Finding of the right trim Vessel-specific trim maps created with real data offer significant value for ship operators, owners and managers. An existing draft measuring system can be enhanced by inertial measurement units to form a Dynamic Trim Measurement system. This, together with a shaft power meter and a speed log, can provide all of the data required. Such a system, and the resulting possibility to create trim maps, is a worthwhile investment for new and existing ships, due to low refit costs. With self-validating draft sensors and analysis expertise, Hoppe Marine offers ISO 19030 filtered data. Further info: redaktion@hansa-online.de Beispiel eines schiffsspezifischen Trimmkennfeldes. Farblich dargestellt zeigt es die theoretische Leistungszunahme in Abhängigkeit von Tiefgangs- und Trimmlage gen, dass der Sensor selbstständig Prognosen zu seinem Zustand meldet. Über dieses Verfahren kann vorausgesagt werden, wann einzelne Sensoren gewartet werden müssen, bevor es zu Ausfällen kommt oder definierte Gültigkeitsbereiche verlassen werden. Wartungseinsätze und Materialbeschaffungen können so besser geplant und an logistisch gut zugänglichen Orten durchgeführt werden. Im Endeffekt sinken durch eine optimierte Planung die Kosten. Mit der Möglichkeit, die Schwimmlage eines Schiffes während der Fahrt akkurat zu bestimmen, können diese Informationen ebenso Autoballasting- und Autotrimm-Systemen bereitgestellt werden. Jene Systeme sollen künftig Verwendung finden, um zu jedem Zeitpunkt die optimale Schwimmlage des Schiffes selbstständig einzustellen. Im Zuge dessen können Wachzeiten effizienter genutzt werden, da keine manuellen Eingriffe für Ballast- oder Trimmoperationen mehr notwendig sind. In Verbindung mit einer entsprechenden Tankmessanlage sowie Ventil- und Pumpensteuerungen für das Ballastwassersystem kann das Einstellen der Schwimmlage einen zunehmenden Automatisierungsgrad erlagen. Diese Funktionalität lässt sich mit Hilfe einer Schnittstelle zum Ladungsrechner verwirklichen. Die sequenziell abzufahrenden Pumpvorgänge müssen dabei so gesteuert werden, dass zu keinem Zeitpunkt die vom Ladungsrechner ermittelten und festgelegten Grenzwerte für Durchbiegung und Torsion überschritten werden. Möglichkeiten zum Retrofit Geschwindigkeitsabhängige Änderung von statisch (blau) und dynamisch (rot) gemessenen Tiefgängen Von älteren Schiffen sind oft keine Konstruktionszeichnungen mehr zugänglich, wodurch ein 3D-Modell für numerische Strömungssimulationen abgeleitet werden kann. Da sich Fullscale 3D-Scans lediglich in einem Trockendock erstellen lassen, bringt eine numerische Erstellung von Trimmkennfeldern für Retrofitlösungen meist erhebliche Mehrkosten mit sich. Ist bereits eine Tiefgangsmessanlage auf dem Schiff vorhanden, kann Hoppe Marine diese durch zusätzliche inertiale Messeinheiten zu einem System kombinieren, welches eine dynamische Tiefgangsmessung erlaubt. In Verbindung mit einer Leistungsmessanlage ist es dadurch möglich, ein schiffsspezifisches Trimmkennfeld während des normalen Schiffsbetriebs eigenständig zu erfahren. Neben Steigerung der Schiffseffizienz sinken damit die Betriebskosten bei kleinstmöglichem Aufwand des Retrofits. Autoren: Nicolas Harcke, Klas Reimer Data Scientists, Hoppe Bordmess technik © Hoppe Marine HANSA International Maritime Journal 10 | 2019 53
