Wat is een propeller-energiebesparend apparaat?

A propeller energiebesparend apparaat (ESD) is een aanvullend hydrodynamisch aanhangsel geïnstalleerd nabij de scheepsschroef – ervoor, erachter of direct erop – dat de voortstuwingsefficiëntie verbetert door de verdeling van de waterstroom te optimaliseren, het verlies aan rotatie-energie in het zog van de propeller te verminderen of energie terug te winnen die anders als turbulentie zou worden afgevoerd. Deze apparaten vervangen de propeller niet; ze werken er in combinatie mee om meer stuwkracht uit hetzelfde asvermogen te halen, waardoor het brandstofverbruik en de uitlaatemissies worden verminderd zonder dat er iets aan de hoofdmotor of de propeller zelf verandert.

Op grote commerciële schepen zoals tankers, bulkcarriers en containerschepen kunnen goed op elkaar afgestemde energiebesparende apparaten worden gerealiseerd brandstofbesparing van 3 tot 10% , wat zich vertaalt naar miljoenen dollars gedurende de levensduur van een schip. Gezien de regeldruk van de eisen van de Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI) en de Carbon Intensity Indicator (CII) van de Internationale Maritieme Organisatie (IMO), zijn ESD's een van de meest kosteneffectieve compliance-instrumenten geworden die beschikbaar zijn voor scheepseigenaren.

Waarom er sprake is van propeller-wake-verliezen – en hoe ESD’s deze aanpakken

Een conventionele propeller verleent zowel axiale (voorwaarts duwende) als rotatiesnelheid (wervelende) snelheid aan het water dat hij verplaatst. De rotatiecomponent – ​​de ‘slipstream-rotatie’ achter de propeller – vertegenwoordigt energie die door de motor is verbruikt, maar niet heeft bijgedragen aan de voorwaartse stuwkracht. Het gaat eenvoudigweg verloren als wervelende turbulentie in het zog van de propeller. Bovendien zorgt de niet-uniforme snelheidsverdeling van het zog van het schip dat de propellerschijf binnendringt voor drukschommelingen die de efficiëntie verminderen en bijdragen aan cavitatie.

Energiebesparende apparaten pakken deze verliezen aan via drie mechanismen:

• Voorconditionering van de stroom: Pre-swirl-apparaten die vóór de propeller zijn geïnstalleerd, roteren het binnenkomende water in de tegenovergestelde richting van de rotatie van de propeller, waardoor de relatieve aanvalshoek van elk blad effectief wordt vergroot en de stuwkracht per omwenteling wordt verbeterd.
• Energieterugwinning bij het ontwaken: Nawervelinrichtingen (roerbollen, schroefdopvinnen) recupereren de rotatie-energie in de slipstream van de propeller door het wervelende zog om te zetten in extra voorwaartse stuwkracht via vaste vinnen of geleidingsoppervlakken.
• Wake egalisatie: Statorvinnen of zogcompensatiekanalen herverdelen het niet-uniforme snelheidsveld dat de propellerschijf binnenkomt, waardoor fluctuerende bladbelastingen en cavitatie worden verminderd die zowel de efficiëntie als de levensduur van het blad aantasten.

Belangrijkste soorten energiebesparende apparaten voor propellers

Pre-wervelstator (PSS)

Een pre-swirl stator is een set vaste vinnen die vóór de propeller op de achterstevennok of de schroefasnok zijn gemonteerd. De vinnen zijn onder een hoek geplaatst om een ​​tegengesteld draaiende werveling te geven aan het water dat de propellerschijf binnendringt, waardoor de effectieve hoek van de waterinval op de propellerbladen wordt vergroot en de stuwkracht wordt verbeterd. Typische brandstofbesparingen zijn 3 tot 6% op schepen met één schroef. De PSS is een van de meest geïnstalleerde ESD-types vanwege zijn structurele eenvoud en betrouwbare prestaties bij een reeks operationele diepgangen en snelheden.

Wake-egalisatiekanaal (WED)

Een zogvereffeningskanaal is een gedeeltelijk of volledig ringvormig kanaal dat vóór de propeller is gemonteerd in het niet-uniforme gebied van het zog van het schip. Het kanaal versnelt langzaam bewegend water uit het bovenste zoggebied en vertraagt ​​sneller bewegend lager water, waardoor de snelheidsverdeling over de propellerschijf gelijk wordt gemaakt. Dit vermindert cavitatie, trillingen en geluid en verbetert tegelijkertijd de voortstuwingsefficiëntie 3 tot 5% . WED's zijn vooral effectief op volgebouwde schepen (tankers, bulkcarriers) met lage ontwerpsnelheden en sterk niet-uniform zog.

Vinnen van propellerdop (naafdop van drukvin)

Schroefdopvinnen vervangen de conventionele schroefdop door een eenheid met vaste vinnen die de naafwerveling omleiden - een geconcentreerde roterende stroom die zich achter de schroefdop vormt en puur energieverlies vertegenwoordigt. Door deze draaikolk te doorbreken en de rotatie-energie ervan terug te winnen als extra stuwkracht, realiseren cap fin-apparaten een brandstofbesparing van 1 tot 4% met minimale structurele aanpassingen. Ze zijn een van de gemakkelijkst aan te passen ESD-types, omdat ze alleen vervanging van de bestaande propellerkap vereisen.

Roerbol en vinnen

Een roerbol – een gestroomlijnde ellipsoïde die aan de voorrand van het roer is gemonteerd op de hartlijnhoogte van de propeller – verzacht de stroming van de propellernaafvortex over het roeroppervlak, waardoor de weerstand wordt verminderd. In combinatie met gedraaide roervinnen recupereert het apparaat ook rotatie-zogenergie. Dit gecombineerde systeem realiseert een brandstofbesparing van 4 tot 6% en heeft het extra voordeel dat het de roerkracht verbetert, waardoor de vereisten voor het roeroppervlak kunnen worden verminderd of de manoeuvreerbaarheid kan worden verbeterd.

Propeller Boss Cap-vinnen met Pre-Swirl-combinatie

Veel moderne ESD-installaties combineren meerdere apparaten – bijvoorbeeld een pre-swirl-stator vóór de propeller in combinatie met een dopvin erachter – om tegelijkertijd zowel de kwaliteit van de inkomende stroming als de terugwinning van zogenergie aan te pakken. Gecombineerde installaties kunnen een totale brandstofbesparing realiseren van 5 tot 10% , waarbij de specifieke combinatie wordt gekozen via computationele vloeistofdynamica (CFD)-analyse voor elke individuele romp- en propellerconfiguratie.

ESD-typen, posities en typische brandstofbesparingen

Welke schepen profiteren het meest van energiebesparende apparaten

Het energiebesparende voordeel van een ESD is niet uniform voor alle scheepstypen; het hangt af van de rompvorm, de ontwerpsnelheid, de propellerbelasting en de zogkarakteristieken. De hoogste winst wordt doorgaans behaald op:

• Grote tankers en bulkcarriers (VLCC, Capesize): Hun volledig gevormde rompen produceren een sterk niet-uniform, langzaam bewegend zog met een hoog rotatie-energieverlies - de omstandigheden waar ESD's het meest effectief in zijn.
• Containerschepen en grote vrachtschepen: Hoge asvermogensniveaus betekenen dat zelfs een efficiëntieverbetering van 3 à 5% een zeer grote absolute brandstofbesparing betekent; de commerciële prikkel is sterk.
• Schepen die met een stabiele ontwerpsnelheid varen voor lange reizen: ESD's zijn geoptimaliseerd voor een specifieke snelheid en diepgang. Schepen die consistent in de buurt van hun ontwerppunt opereren, realiseren het volledige voordeel, in tegenstelling tot schepen met zeer variabele snelheidsprofielen.