Entwicklung einer Methodik zur Bestimmung der Hauptabmessungen von Kreuzfahrtschiffen in der frühen Entwurfsphase
Louis Lammers, Hochschule Bremen
Die Schiffbauindustrie unterliegt einem kontinuierlichen Wandel. Innovative Antriebssysteme und alternative Energieträger führen zu veränderten Entwurfsanforderungen und Randbedingungen. Eine schnelle Abschätzung der Energieeffizienz verschiedener Konzepte und zu erwartenden Hauptabmessungen wurde benötigt. Ein weiterer Anlass der Bachelorarbeit war die Vertragsgeschwindigkeit, auf die der Widerstand des Schiffes optimiert wird. Kreuzfahrtschiffe operieren jedoch selten auf der Vertragsgeschwindigkeit und der dazugehörigen Vertragsbedingung. Stattdessen liegt es im Interesse des Kunden, den Energieverbrauch und damit die Operationskosten zu minimieren, indem ein energieeffizienter Entwurf basierend auf einer Kreuzfahrt oder Operationsperiode gefunden wird. Daher wurde in der Bachelorarbeit eine Methodik mit NAPA entwickelt, um einen günstigen Startpunkt für die Hauptabmessungen eines energieeffizienten Entwurfs schnell zu bestimmen, losgelöst von Vertragspunkten. Die Hauptabmessungen sind maßgeblich für viele Bereiche des Entwurfs und wichtig, schnell zu bestimmen. Derzeit gibt es keine standardisierte Methodik, automatisiert auf Basis weniger Eingabeparameter den Entwurfsingenieuren einen günstigen Startpunkt für einen energieeffizienten Entwurf zu liefern.
Die Methodik setzt bei einer systematischen Rumpfverzerrung an, wobei das Deplacement konstant bleibt. Mit vorgegebenen Randbedingungen werden Rümpfe erzeugt, die Prüfungen unterzogen werden und anhand der Gesamtenergie in Bezug auf Energieeffizienz bewertet werden. Unter der Gesamtenergie wird jene Energie verstanden, die zum Betreiben des Schiffes innerhalb eines Jahres für ein bestimmtes Betriebsprofil benötigt wird, inkl. dem Manövrieren und dem Hotelbetrieb. Die Berechnung erfolgt auf Basis des Glattwasserwiderstands, mittels der von Holtrop und Mennen entwickelten Methode.
Die verzerrten Rümpfe werden zunächst hinsichtlich ihres verbleibenden Raumvolumens geprüft, um sicherzustellen, dass die vorgegebene Energiemenge weiterhin aufgenommen werden kann. Durch die Rumpfverzerrung verändert sich zusätzlich das Rumpfstahlgewicht und dessen Schwerpunkt. Basierend auf einer repräsentativen Auswahl von Kreuzfahrtschiffen wurden Korrelationen untersucht, um die Änderung des Rumpfstahlgewichts und dessen Schwerpunkt in die Methodik mit einzubeziehen. Als zweite Prüfung wird die Intaktstabilität nach den gängigen IS-Code Kriterien inkl. dem Passagiermoment und der Drehkreisfahrt durchgeführt. In der Legüberprüfung wird kontrolliert, ob jede Teilstrecke der vorgegebenen Kreuzfahrten mit einer Sea Margin und einem Sicherheitsfaktor überwunden werden kann. Während der Entwicklung der Methodik wurden Schwierigkeiten durch die Rumpfverzerrung und Fehler in den Berechnungen festgestellt. Daher wurde zudem ein Algorithmus entwickelt, um falsche Ergebnisse in der Bestimmung der Hauptabmessungen auszuschließen und die Durchführung der Methodik vor einem Scheitern zu bewahren.
Die Randbedingungen bzw. Eingabeparameter lassen sich in die Daten des Referenzschiffes und Vorgaben unterteilen. Zu dem Referenzschiff gehört der Basisrumpf, eine Hotel- und Manövrierleistung, das Basis-Leerschiffsgewicht, Ladefälle und Daten zu Widerstand und Propulsion. Zusätzlich werden Vorgaben definiert, die das Betriebsprofil, die Größe und Position des Energiespeichers und die Wirkungsgrade einbeziehen.
Darüber hinaus umfasst die Methodik eine Iterationsschleife, deren Zweck in der Anpassung des Energiespeichers auf das Betriebsprofil und den ermittelten, energieeffizientesten Rumpf liegt. Durch die somit neu entstandenen Entwurfsanforderungen konnten bessere Ergebnisse erzielt werden.
Die Methodik wurde auf das Referenzschiff und die Entwurfsanforderungen eines batterie- elektrischen Kreuzfahrtschiffes angewendet. Ein guter Startpunkt für günstige Hauptparameter wurde bestimmt. Zudem wurde die Methodik genutzt, Trends der Einflüsse der Hauptabmessungen auf die Energieeffizienz zu analysieren. Parameter der Methodik wurden bewertet und eingestellt, wie z.B. eine sinnvolle Anzahl an Iterationen oder den Bereich der zu untersuchenden Hauptabmessungen und Hauptverhältniswerte. Des Weiteren wurden Auswirkungen von Änderungen der Eingabeparameter untersucht.
