Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer webbasierten Entscheidungshilfe zur optimalen Ruderauslegung von Binnenschiffen auf Grundlage modernster Mess- und Berechnungsmethoden

Die ab 2020 gültigen strengeren Emissionsgrenzwerte für neue Schiffsmotoren und die mögliche Einführung eines Bewertungskriteriums hinsichtlich der energetischen Effizienz eines Binnenschiffsentwurfs stellen die Binnenschifffahrt vor große Herausforderungen. Eine individuelle und ganzheitliche Betrachtung des Zusammenwirkens von Schiffsrumpf, Antriebs- und Ruderanlage - wie bei Seeschiffen mittlerweile üblich - existiert in der Binnenschifffahrt bisher nicht. Es wird erwartet, dass mit einer systematischen Einbeziehung der Ruderanlagen und der zugehörigen Betriebsbedingungen Effizienzsteigerungen des Schiffsbetriebs bis zu 20 % erreicht werden können.

Auslegungsstrategien aus der Seeschifffahrt können aufgrund der komplexeren Manövrieranforderungen und der unterschiedlichen Bauweise der Ruderanlagen kaum angewendet werden. Innerhalb dieses Vorhabens soll daher ein allgemeiner Auslegungsleitfaden für Ruderanlagen von Binnenschiffen erarbeitet werden. Die hierzu fehlenden systematischen Daten werden sowohl mit Modellversuchen an aktuellen Rudertypen (die letzten systematischen Messungen sind ca. 30 Jahre alt), als auch mit numerischen Berechnungen im Modellmaßstab und in Großausführung ermittelt. Die Auswertung bereits laufender Großausführungsmessungen liefert Daten zu den realen Betriebsbedingungen.

Der allgemeine Auslegungsleitfaden, der im Projekt erstellt wird, führt zu einem direkten Nutzen für die KMU-dominierten Binnenschifffahrtsunternehmen. Sie werden in die Lage versetzt, Optimierungspotenziale bei Schiffsneu- und Umbauten verlässlich zu bewerten und umzusetzen. Die Ruderhersteller und Werften (ebenfalls meist KMU) können ihre Produkte weiterentwickeln und fundierte Beratungen und Dienstleistungen für ihre Kunden anbieten. Insbesondere für die Ingenieurbüros ist die Anwendung komplexer numerischer Simulationen von großem Interesse, da validierte Methoden zukünftig auch für die Untersuchung weiterer strömungsverbessernder Maßnahmen angewendet werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des dargestellten Vorhabens konnten mit Bezug auf die Ruderanlagen von Binnenschiffen eine Reihe wissenschaftlicher Fortschritte mit wesentlichem Praxisbezug erzielt werden. Mit der beschriebenen Realdatenauswertung liegen erstmals systematische Betriebsdaten von Binnenschiffen unter wechselnden Umgebungsbedingungen vor. Diese Auswertung hat auch für die vielfältigen zukünftigen Forschungsarbeiten zu Assistenzsystemen und dem automatisierten Fahren eine hohe Relevanz.

Auf dem Gebiet der experimentellen Untersuchungen hat sich das dargestellte Konzept für Ruderfreifahrtuntersuchungen inkl. der beschafften Sensoren in den ersten Einsätzen bewährt. Die gemeinsame Messwerterfassung der Kenngrößen des Propeller-Düse-Systems sowie der Ruderkräfte- und des Ruderdrehmoments waren in parametrischen Abhängigkeiten möglich. Die erzielten Ergebnisse zeigen eine hohe Qualität hinsichtlich der Auflösung des Ruderwinkels und der Wiederholbarkeit. Darüber hinaus konnte der Einsatz eines frei manövrierenden Schiffsmodells zur Untersuchung unterschiedlicher Ruderprofile erfolgreich durchgeführt werden. Beide experimentellen Methoden stehen für weitere Anwendungen mit ähnlichen Fragestellungen bereit.

Ebenfalls konnte eine RANSE-Methode der numerischen Hydrodynamik erfolgreich zur Nachrechnung durchgeführter Ruderfreifahrten eingesetzt werden. Die komplexe Modellbildung mit geometrisch aufgelöster Propellerrotation liefert Ergebnisse mit ordentlicher Übereinstimmung zu den Modellversuchen. Mit einigen weiteren Optimierungen lässt sich auch das numerische Verfahren für ähnliche zukünftige Fragestellungen anwenden.

Die erzielten Ergebnisse konnten schließlich mit weiteren Daten aus der Literatur zu einem digitalen Auslegungsleitfaden für Binnenschiffsruder verarbeitet werden. Hierin werden die wesentlichen Aspekte der Ruderauslegung betrachtet.