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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Inhalt
INHALT ....................................................................................................................................1
1. EINLEITUNG.......................................................................................................................2
2. FORDERUNGEN DER INDUSTRIE UND ÜBERBLICK ÜBER DAS
ENTWURFSPROGRAMM.....................................................................................................3
2.1 ENTWURFSFORDERUNGEN .................................................................................................3
2.2 PROGRAMM E4 ..................................................................................................................4
3. AUSGANGSZUSTAND.......................................................................................................6
3.1 SCHIFFSLINIEN...................................................................................................................6
3.2 WIDERSTANDSPROGNOSE ..................................................................................................8
3.3 VARIABLER TIEFGANG ......................................................................................................9
3.4 ANTRIEBSVARIANTEN......................................................................................................10
3.5 VERGLEICH AUSGANGSZUSTAND – ENTWURFSFORDERUNGEN .......................................13
3.5.1 Kann die geforderte Geschwindigkeit erreicht werden?.........................................14
3.5.2 Kann das Schiff vom minimalen auf den maximalen Tiefgang abgesenkt werden? 19
3.5.3 Kann der geforderte Pfahlzug erreicht werden?.....................................................21
3.5.4 Zusammenfassung....................................................................................................22
4. OPTIMIERUNG DES SCHIFFES MIT POD-ANTRIEB .............................................23
4.1 SCHIFFSLINIEN.................................................................................................................23
4.2.1 Kann die geforderte Geschwindigkeit erreicht werden?.........................................28
4.3 VARIABLER TIEFGANG ....................................................................................................29
4.3.1 Kann das Schiff vom minimalen auf den maximalen Tiefgang abgesenkt werden? 30
4.4 ANTRIEB MIT SIEMENS-SCHOTTEL-PROPULSOREN ..........................................................32
4.4.1 Kann der geforderte Pfahlzug erreicht werden?.....................................................32
4.4.2 Azipod als Alternative zu SSP..................................................................................33
4.5 VERGLEICH OPTIMIERTES SCHIFF MIT POD – ENTWURFSFORDERUNGEN .........................34
5. OPTIMIERUNG DES SCHIFFES MIT VERSTELLPROPELLER............................36
5.1 SCHIFFSLINIEN.................................................................................................................36
5.2 WIDERSTANDSBERECHNUNG ...........................................................................................38
5.3 VARIABLER TIEFGANG ....................................................................................................42
5.4 VERSTELLPROPELLER ALS ANTRIEB ................................................................................42
5.5 VERGLEICH OPTIMIERTES SCHIFF MIT VPP – ENTWURFSFORDERUNGEN ........................42
6. ÜBERPRÜFUNG DER STABILITÄT UND MANÖVRIERFÄHIGKEIT .................44
6.1 MASSENVERTEILUNG.......................................................................................................44
6.2 STABILITÄT .....................................................................................................................48
6.3 MANÖVRIERFÄHIGKEIT ...................................................................................................49
6.3.3 Überprüfung der IMO-Manöver und der Gierstabilität..........................................54
7. DISKUSSION UND AUSBLICK......................................................................................58
8. LITERATUR- UND QUELLENVERZEICHNIS...........................................................60
9. GLOSSAR ...........................................................................................................................61
ABBILUNGS- UND TABELLENVERZEICHNIS:............................................................62
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
1. Einleitung
Der Bund chartert zur Zeit Schlepper für die norddeutsche Bucht (Oceanic) und für
die Ostsee (Fairplay21), um die notwendige Notschleppkapazität vorzuhalten. Die
Oceanic ist ein relativ altes Schiff, jedoch mit hervorragenden Schleppeigenschaften.
Allerdings kann ihr großer Tiefgang von 7,4m in der deutschen Bucht zu einem
Hindernis werden. Auch die Ausrüstung ist lediglich auf Schlepp- und
Bergungsaufgaben ausgelegt.
Um nicht verschiedene Spezialschiffe in Bereitschaft halten zu müssen, werden vom
Bund neue Ausschreibungen für Schiffe, die besser an die erforderlichen Bedürfnisse
angepasst sind, erwartet. In der ersten Ausschreibung ist dem Bund ein geringer
Tiefgang (Beschränkung auf maximal 6m), ein ausreichender Pfahlzug (mindestens
160t) und die Fähigkeit, havarierte Passagiere aufnehmen zu können, wichtig.
Ebenfalls sollten Feuerlöscheinrichtungen an Bord installiert sein.
Herr Dipl.-Ing. Wibel von T&S Transport & Service GmbH & Co. (T&S) hat in den
letzten Jahren ein neues Konzept für einen Bergungsschlepper erarbeitet: das
Sicherheitsschiff 1 . Grundlage waren die Eckdaten der Ausschreibung des Bundes
sowie Forderungen der Küstenländer. 2 Zur weiteren Ausarbeitung des
Sicherheitsschiffs wurde die SSW Fähr- und Spezialschiffbau GmbH (SSW) 3 sowie als
Propulsionshersteller die Firma Schottel GmbH & Co. KG (Schottel) 4 hinzugezogen.
Für besagtes Sicherheitsschiff werde ich den Heckbereich optimieren für zwei
verschiedene Antriebsvarianten mit Hilfe des Entwurfprogamms E4. Dabei ist die
Einhaltung verschiedener Randbedingungen gefordert, die von T&S und SSW
angegeben wurden. Von Seiten der Technischen Universität Hamburg-Harburg
(TUHH) wird Herr Prof. Krüger vom Arbeitsbereich 3 – 14 Schiffsystem, Propulsionsund
Informationstechnik die Diplomarbeit betreuen.
1 Schiff & Hafen, Sicherheitsschiff für Nord- und Ostsee /2/
2 Schleppschifffahrt und Bergung, Der herkömmliche Bergungsschlepper genügt den Anforderungen
nicht mehr /24/
3 SSW /8/
4 Schottel /11/
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
2. Forderungen der Industrie und Überblick über das
Entwurfsprogramm
Der Auftraggeber für das Thema der Diplomarbeit, die Firma T&S, hat das Konzept
des sogenannten Sicherheitsschiffes entwickelt und die Entwurfsforderungen
zusammen mit der SSW festgelegt. Die im folgenden Kapitel aufgeführten
Entwurfsforderungen sind der Konsens von T&S und SSW.
Die Diplomarbeit habe ich im Arbeitsbereich Schiffssystem, Produktions- und
Informationstechnik der TUHH mit Hilfe des Methodenbank-Systems E4 erarbeitet.
Eine kurze Darstellung des Programms folgt in Kapitel 2.2.
2.1 Entwurfsforderungen
Die Entwurfsforderungen wurden von T&S gemeinsam mit der SSW erstellt. Ich habe
die Randbedingungen nach Gesprächen mit den zuständigen Vertretern beider
Firmen in einzuhaltende und wünschenswerte Forderungen unterteilt.
Zu den einzuhaltenden Forderungen gehören:
Bei einer Schiffslänge über alles von weniger als 100m ist ein Pfahlzug von 180t bei
optimalen Wetter- und Seegangsbedingungen einzuhalten. Des weiteren ist ein
variabler Tiefgang gefordert sowie eine maximale Geschwindigkeit von mindestens
18kn. Ein möglichst langer Balkenkiel ist vorzusehen. Die vorgegebene Schiffsbreite
von B = 20m
soll in jedem Fall beibehalten werden, um den Raumbedarf zu decken
und eine genügend große Fläche für das Hubschrauberlandedeck auf dem Vorschiff
zu erhalten.
Wünschenswert sind folgende Forderungen:
Ein minimaler Tiefgang von T = 5m
und ein maximaler Tiefgang von T = 7m
sollen
eingehalten werden. Die SSW schlägt eine metazentrische Höhe von GM = 1, 5m
vor.
Eine noch höhere Geschwindigkeit als v = 18kn
ist ein Wunsch von T&S. Bevorzugt
wird die dieselelektrische Antriebsvariante mit zwei Pods von T&S.
Das Schiff soll nach den Vorschriften des Germanischen Lloyd (GL) gebaut und
klassifiziert werden. Es ist geplant, dass der Bergungsschlepper bei Charterung durch
den Bund unter deutscher Flagge fährt. Somit sind die Forderungen der
Seeberufsgenossenschaft (SeeBG) ebenfalls einzuhalten.
Da das Schiff die Eisklasse E4 erhalten soll, sind spezielle Forderungen zu
berücksichtigen.
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Die Entwurfsforderungen sind in der folgende Tabelle 1 zusammengetragen.
Bezeichnung Daten Art der Forderung
Pfahlzug, optimale Bedingungen 180t einhalten
Maximale Länge über alles

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Das Methodenbank-System E4 ist in vier Hauptmodule aufgeteilt:
- Entwurf
- Stahl
- Maschine
- Sonstige
Die Einheit Maschine enthält Berechnungsmethoden aus dem Maschinenbau, der
Bereich Stahl beinhaltet Methoden der Festigkeitsberechnung.
In der Einheit Entwurf sind die Berechnungsmethoden und Daten zum Entwerfen und
Optimieren zusammengefasst. Darin sind unter anderem folgende Module enthalten,
die ich zur Erarbeitung der Diplomarbeit benutzt habe:
- Hauptdaten
- Schiffsform
- Raumaufteilung
- Schiffsleergewicht und Ladefälle
- Intakt- und Leckstabilität
- Widerstand und Propulsion
- Manövrierfähigkeit und Seegangseigenschaften
Im Bereich Hauptdaten sind unter anderem die Hauptabmessungen des Schiffes
gespeichert. Das Modul Schiffsform enthält die Schiffsrumpfbeschreibung und die
Methoden zur Verzerrung der Form. Auch weitere Anhänge, wie zum Beispiel die
Pod-Gondel, können eingegeben werden. Außerdem gibt es hier die Möglichkeit, die
Schiffsform mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) –Methoden zu
optimieren. Es stehen zwei potenzialtheoretische Methoden – Kelvin und Shallo 8 – zur
Verfügung. Zur Beschreibung der verschiedenen Räume und Tanks mit Berechnung
des Volumens ist das Kapitel Raumaufteilung vorgesehen. In Schiffsleergewicht und
Ladefälle kann durch Eingabe der verschiedenen Gewichte der Bauteile eine
Massenverteilung des Schiffes erstellt werden. Durch Zuladung von Einzellasten oder
Beladung von Räumen beziehungsweise durch Flutung von Tanks können
verschiedene Ladefälle konstruiert werden. Im nächsten Modul kann die Intakt- und
die Leckstabilität überprüft werden. Im Bereich Widerstand und Propulsion lassen
sich der Widerstand mit Hilfe unterschiedlicher Parametermethoden vorhersagen und
für verschiedene Propellerserien Freifahrtdiagramme erstellen. Das Modul
Manövrierfähigkeit enthält unter anderem die Berechnung der Ruderkräfte mit einer
Panelmethode und die Möglichkeit zur Überprüfung von IMO-Manövern 9 .
Eine ausführliche Beschreibung der einzelnen Module und Untermodule ist in dem
Programm E4 enthalten. 10
8 Kelvin /9/, Shallo (HSVA)
9 IMO: International Maritime Organization /15/
10 Dokumentation im CAD-Methodenbank System E4 /7/
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
3. Ausgangszustand
Um das Konzept Sicherheitsschiff weiter auszuarbeiten, hat die SSW einen
vorläufigen Generalplan und eine vorläufige Schiffsrumpfbeschreibung erstellt. Für
den Pod-Antrieb wurde der Propulsionshersteller Schottel herangezogen. Über den
Ausgangszustand sind mir von der SSW die bisherigen Unterlagen zu dem Projekt zur
Verfügung gestellt worden. Außerdem habe ich von Schottel Einbauskizzen für den
Antrieb erhalten.
Folgende Unterlagen beschreiben den Anfangszustand:
- vorläufige Schiffslinien als Spanten-, Seiten- und Wasserlinienriss
- ein vorläufiger Generalplan
- ein Vorschlag für Propulsion mit Freifahrtdiagramm für den Düsenpropeller
am Pod
- Einbauskizzen für die Pods und den Pumpjet
Diese Grunddaten sind von mir in das Programm E4 für die weitere Berechnung der
geforderten Ziele eingepflegt worden.
3.1 Schiffslinien
Anhand des Spantenrisses konnte ich den Schiffsrumpf in das Programm E4
eindigitalisieren. Der Schiffsrumpf wird dabei mit Hilfe von Spanten und Längslinien
durch ein Digitalisiergerät, das auf einer vorgegebenen Fläche Knotenpunkte der
Linien erfassen kann, eingegeben. Die Erfassungsmethode kann aus den
Knotenpunkten eine der Schiffsform angenäherte Form errechnen. Nach Auswahl der
Spanten, die den Schiffskörper bestmöglich beschreiben, habe ich durch die
wichtigsten Punkte auf den Spanten – wie zum Beispiel Boden-, Längs- oder
Seiteneinlauf – Längslinien gelegt. Die Linien, die durch die Eindigitalisierung nicht
exakt erfasst wurden oder durch andere kleinere Unregelmäßigkeiten nicht strakten,
wurden nachbearbeitet. Dabei habe ich mich mit Hilfe der vorgegebenen Linienrisse
und dem Generalplan an die Schiffsform gehalten. Zur besseren Einhaltung der
Schiffsform sind weitere Spanten und Längslinien hinzugekommen.
Die Hauptdaten des Ausgangsschiffes sind in Tabelle 2 zu finden.
Tabelle 2: Hauptdaten, Ausgangsschiff
Die in E4 eingepflegten Schifflinien werden in Abbildung 1 und Abbildung 2
dargestellt. Sie sind nicht maßstabsgerecht abgebildet.
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 1: Seitenlinienriss und Wasserlinienriss, Ausgangsschiff
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 2: Spantenriss, Ausgangsschiff
3.2 Widerstandsprognose
Die Widerstandsprognose wird zur Abschätzung der maximalen Geschwindigkeit
benötigt.
Um den Widerstand eines Schiffes vorhersagen zu können, sind verschiedene
Methoden, die auf wenigen Schiffsparametern aufbauen, meist mit Hilfe von
systematischen Modellversuchen entwickelt worden. 11 Sie sind auf bestimmte
Schiffstypen zugeschnitten oder gelten nur in angegebenen Froude-Zahl-Bereichen.
Da Abmessungen für Schlepper sehr speziell sind, fallen sie oft aus den angegebenen
Parameter-Bereichen. Deswegen kann der Widerstand von Schleppern mit den
meisten Methoden nicht vorhergesagt werden.
Für eine Widerstandsvorhersage des Bergungsschleppers berechnet die SSW die zu
erwartende Widerstandskurve bei wachsender Geschwindigkeit unter anderem mit
Hilfe der Methode SFB98 12 (genannt SSW 1). Allerdings gilt die Methode nur für
Schiffe mit einer Froude-Zahl F
n
≤ 0, 2 . Dabei weist der Schlepper bei T = 5m
schon
eine Froude-Zahl von F
n
= 0, 32 auf, bei größerem Tiefgang wird diese noch größer
ausfallen. Nach Aussage eines Werftvertreters soll die Widerstandsmethode jedoch
einen ersten Anhaltspunkt für diesen Schlepper liefern, da das L/B 13 -Verhältnis im
untersuchten Bereich von SFB98 liegt.
11 Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, 1998, S.188 /6/
12 SFB98: Methode zur Widerstandsprognose, siehe Dokumentation in E4 /7/
13 L/B: Länge zu Breite
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Der Widerstand ist in Abbildung 3 über die Fahrtgeschwindigkeit aufgetragen. Wie
beschrieben überdecken sich die Kurven SSW 1 und SFB98. Im weiteren Verlauf der
Arbeit werde ich nur noch die SSW 1-Kurve anführen.
Die Kurve SSW 1 ist mit Hilfe von Erfahrungswerten der Werft zu einer höheren
Widerstandsprognose hin verändert worden (SSW 2).
Abbildung 3: Widerstandsvorhersage der SSW für das Ausgangsschiff,
T = 5m
3.3 Variabler Tiefgang
Da ein variabler Tiefgang gefordert ist, muss der Schlepper eine Ballastwasser-
Kapazität aufweisen, die es ermöglicht, das Schiff vom minimalen auf den maximalen
Tiefgang absenken zu können. Die Einteilung der Ballastwasser-Tanks ist aus dem
Generalplan (Anhang A) entnommen und in E4 eingepflegt, siehe Abbildung 4.
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 4: Einteilung der Ballastwassertanks
Gut zu erkennen ist, dass die Außenhaut des Schleppers wie eine Doppelhülle
aufgebaut ist, die fast nur aus Ballastwassertanks besteht. Im ausgesparten Bereich
auf halber Schiffslänge sind die Stabilitätstanks angeordnet. Die Öltanks – sie sind
hier nicht mit abgebildet – haben keinen Kontakt zur Außenhaut.
Mit Eisklasse E4 sind nach den Vorschriften des GL alle Außenhauttanks zu
beheizen. 14
Der breite Balkenkiel ist von mir nicht mit in die Tanks integriert worden. Er enthält
also kein Ballastwasser.
Die Überprüfung, ob der Schlepper über eine ausreichende Ballastwasserkapazität
verfügt, um von einem Tiefgang von T = 5m
auf einen Tiefgang von T = 7m
abgesenkt werden zu können, erfolgt in Kapitel 3.5.
3.4 Antriebsvarianten
Es sind zwei Antriebsvarianten zu untersuchen:
- zwei Pods mit Festpropeller in Düsen und dieselelektrischem Antrieb
- zwei Verstellpropeller in Düse mit mechanischem Antrieb
Während für eine bestimmte Geschwindigkeit oder einen bestimmten Pfahlzug beim
dieselelektrischen Antrieb der Propeller mit der optimalen Drehzahl angesteuert
werden kann, wird beim mechanischen Antrieb die Drehzahl konstant gehalten und
die optimale Propellerflügelanstellung eingestellt.
Der dieselelektrische Antrieb ist im Gegensatz zum normalen Dieselantrieb schwerer
und hat einen schlechteren Wirkungsgrad. Eine Pod-Antriebsanlage hat jedoch den
Vorteil, dass die E-Motoren platzsparend direkt in der Gondel sitzen und die
Generatoren in der Schiffsmitte untergebracht werden können, ohne dass eine Welle
durch das Schiff geführt werden muss. Ein weiterer Vorteil der Pods ist, dass sie um
360° gedreht werden können, was die Manövrierfähigkeit deutlich verbessern soll.
14 Klassifikationsvorschriften des Germanischen Lloyd, Abschnitt 15 A 2.3 /1/
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Bei beiden Varianten soll ein Pumpjet im Vorschiff installiert werden, der zum
dynamischen Positionieren bei Feuerlöscheinsätzen ausgelegt ist und die „come
home“ Bedingung erfüllt. „Come home“ Bedingung bedeutet, dass das Schiff nach
Ausfall der Hauptmaschinen mit Hilfe des Pumpjets mit einer Geschwindigkeit von
5kn eigenständig zum nächsten Hafen fahren kann.
Die Propeller sind für den geforderten Pfahlzug ausgelegt. Sie sind mit einer Kortdüse
versehen, um bei gleichem Propellerdurchmesser eine höhere Schubkraft zu
erreichen und um den Propeller vor Grundberührung, Eis, Ketten oder Trossen zu
schützen.
Für den Pod-Antrieb hat Schottel folgende Ausgangsinformationen bereitgestellt:
- eine Einbauskizze des Pods SSP5 15
- die Leistung pro SSP5 beträgt P = 5600kW
- das Freifahrtdiagramm des Propellers Ka 4-70 in Düse 19a mit einer Tabelle
der Propellerhauptdaten
Durch die Forderung eines minimalen Tiefgangs von T = 5m
ist ein maximaler
Durchmesser der Kortdüse vorgegeben, da sie vollständig getaucht sein muss.
Wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 der Schiffslinien zu sehen, sind die Propeller mit
Düse in die Propulsionsmethoden von E4 einpflegt. Der Pod ist in den Schiffslinien
der optimierten Schiffsform, Kapitel 4.1, zu sehen. Dabei wird die Gondel als Ruder
eingegeben. Die Nachstromziffer w und die Sogziffer t sind von der SSW
prognostiziert worden: w = 0, 12 und t = 0, 15 mit η = 1, 0
Das Propellerfreifahrtdiagramm aus E4 entspricht in etwa dem von Schottel (siehe
Abbildung 5). Der Unterschied besteht darin, dass die Berechnung von Schottel
bereits verschiedene Widerstände – wie zum Beispiel den Gehäusewiderstand –
enthält. Die Widerstände beruhen auf Erfahrungswerten und experimentellen
Untersuchungen. Im Vergleich wird daher die maximale Schubkraft des Propellers in
der E4-Methode um etwa 10% zu hoch berechnet.
Die Berechnungen in E4 haben bei diesem Propeller beispielsweise einen
Propellerschub von ( E4)
= 959, kN ergeben, die Angabe von Schottel lautet
T rop
P
= 883, 75kN
.
T Prop
2
R
15 SSP = Schottel Siemens Propulsor /11/
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 5: Propellerfreifahrtdiagramm Ka 4-70 in Düse 19a (in E4 erstellt)
Eine schematische Darstellung des von Schottel vorgeschlagenen Pods SSP5 ist in
der Abbildung 6 zu sehen. Hier ist ein Twin-Propeller angebracht. In der hier
verwendeten Version mit Düse kommt nur ein Propeller zum Einsatz. Die Darstellung
eines Düsenpropellers (als Ruderpropeller) folgt in Abbildung 7.
Abbildung 6: Pod SSP5 mit Twin-Propeller
Abbildung 7: Düsenpropeller
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Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Für den Pumpjet SPJ520 von Schottel mit einer Leistung von 2500kW ist als
Ausgangsinformation eine Einbauskizze vorhanden. Er ist in Abbildung 8 schematisch
dargestellt.
Abbildung 8: Pumpjet SPJ520
Für die Antriebsvariante mit Verstellpropeller und mechanischem Antrieb sind keine
weiteren Vorgaben oder Informationen gegeben. Eine schematische Darstellung
eines Verstellpropellers ohne Düse zeigt Abbildung 9.
Abbildung 9: Verstellpropeller
3.5 Vergleich Ausgangszustand – Entwurfsforderungen
Nach Eingabe der Schiffsinformationen in das Programm E4 überprüfe ich, ob die
Entwurfsforderungen mit den vorgegebenen Daten bereits eingehalten werden. Die
wichtigsten Forderungen sind der hohe Pfahlzug, die Geschwindigkeit sowie der
variable Tiefgang. Eine tabellarische Gegenüberstellung der Forderungen mit dem
Ausgangszustand ist im letzten Unterkapitel aufgeführt.
Seite 13

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
3.5.1 Kann die geforderte Geschwindigkeit erreicht werden?
Zur Beantwortung dieser Frage wird der Schiffswiderstand zuerst mit weiteren
Parametermethoden, dann mit CFD-Berechnungen untersucht. Es folgt eine
Geschwindigkeits-Leistungs-Analyse basierend auf den Ergebnissen der
Widerstandsprognosen.
In E4 sind einige Methoden zur Vorhersage des Widerstandes enthalten. 16 Da die
Abmessungen für Schlepper bei fast allen Methoden aus mindestens einem
Parameterbereich herausfallen, sind die Ergebnisse als Anhaltspunkt und nicht als
realistische Widerstandsvorhersage zu verstehen. Die in Abbildung 10 aufgeführten
Widerstandskurven sind ermittelt worden, um einen besseren Eindruck über den
möglichen Verlauf des Widerstandes bei Zunahme der Geschwindigkeit zu erhalten.
Zum Vergleich sind die SSW-Kurven ebenfalls im Diagramm enthalten.
Sehr gut erkennbar ist, dass die SSW 1-Kurve, die dem SFB98-Ergebnis entspricht,
den Widerstand am niedrigsten voraussagt. Die SSW 2-Kurve ist ähnlich der von
Holtrop/Mennen 17 , allerdings steigt der Widerstand nach Holtrop/Mennen ab einer
Geschwindigkeit von etwa v = 17kn
erheblich steiler an. Der Widerstand wird daher
mindestens so hoch erwartet, wie es die SSW 2-Kurve prognostiziert.
Die Nachstromziffer w und die Sogziffer t sind nach den Erfahrungswerten von
Herrn Professor Krüger für die gegebene Rumpfform zu gut prognostiziert worden,
da die Schiffsform nicht so strömungsgünstig ist. Er schlägt folgende Werte vor:
w = 0,17 und t = 0, 16 mit η
R
= 1, 03
Die weiteren Berechnungen sind mit diesen Abschätzungen erfolgt.
16 siehe Dokumentation in E4 /7/
17 Holtrop/Mennen: Methode zur Widerstandsprognose, siehe Dokumentation in E4 /7/
Seite 14

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 10: Widerstandsvorhersagen für das Ausgangsschiff,
T = 5m
Eine für Schlepper und Fischerboote gültige Methode ist von Taggart 1954 entwickelt
worden. 18 Sie ist eine Weiterführung der Taylorversuche. Jedoch auch hier fällt der
betrachtete Schlepper aus den zulässigen Schiffsparameter-Bereichen heraus: der
prismatische Koeffizient ist zu hoch. Ich habe diese Methode nicht verwendet, da die
Methode für alte Schlepperformen entwickelt wurde, in E4 nicht berücksichtigt wird
und die Schiffsabmessungen nicht im zulässigen Bereich von Taggart liegen. Daher
habe ich mich auf obige Methoden und folgende CFD-Berechnungen beschränkt.
In den letzten Jahren wird eine Vorhersage des Wellenwiderstandes immer häufiger
mit Computational Fluid Dynamics, kurz CFD-Berechnungen unterstützt. In E4 sind
iterative Berechnungen nach Kelvin oder mit Shallo möglich. 19 Bei beiden
Berechnungsmethoden wird als Strömung eine Potenzialströmung idealisiert. Das
bedeutet, dass die Strömung als inkompressibel, reibungs- und rotationsfrei
angenommen wird.
Der Widerstand wird hier mit Hilfe der CFD-Methode von Kelvin ermittelt.
Diese CFD-Methode setzt eine vorhergehende Gittergenerierung am Schiffskörper
voraus, siehe Abbildung 11. Dabei können die Schiffsdaten Tiefgang und
Geschwindigkeit sowie Verfahrensdaten wie Gitterfeinheit und Anzahl der
18 Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, 1998, S.195 /6/
19 Programme Kelvin und Shallo: Berechnung des Wellenwiderstandes und der fahrtbedingten
Schwimmlagenänderung, siehe auch Dokumentation in E4 /7/,/9/
Seite 15

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Iterationsschritte selbst gewählt werden. Das Gitter kann in Blöcke unterteilt werden,
wobei darauf zu achten ist, dass die Ränder aufeinander abgestimmt sind.
Abbildung 11: Gittergenerierung zur CFD-Berechnung nach Kelvin
Die Druckverteilung am Rumpf ist für eine Geschwindigkeit von v = 17kn
in Abbildung
12 und Abbildung 13 dargestellt. Es ergeben sich hohe Druckdifferenzen ( c P
-Balken
am rechten Rand der Abbildungen), was bedeutet, dass das Schiff hohe Wellen
bewirkt, wodurch der Widerstand sehr groß wird. Das dazugehörige Wellenbild ist in
Abbildung 14 zu sehen. Der Balken am linken Rand der Abbildung zeigt die
Wellenhöhe an. Die Wellen sind sehr hoch und zerklüftet, was durch die schnelle
Veränderung der Farben dargestellt wird. Besser wäre ein gleichmäßiges Wellenbild
beziehungsweise eine gleichmäßigere Druckverteilung. Der Widerstand fällt geringer
aus, wenn die Zonen gleichen Drucks eine Fläche bilden und sich nicht in mehrere
kleinere Flächen aufteilen, auch wenn die Höhe des Drucks nicht abnimmt.
Abbildung 12: Druckverteilung am Rumpf bei
v = 17kn
und T 5m
= , Ausgangsschiff, Bugansicht
Seite 16

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 13: Druckverteilung am Rumpf bei
v = 17kn
und T 5m
= , Ausgangsschiff, Heckansicht
Abbildung 14: Wellenbild bei
T = 5m
, v 17kn
= , Ausgangsschiff
Für die geforderte Schiffsgeschwindigkeit von v = 18kn
können leider keine
Ergebnisse geliefert werden, da das Programm die Iteration aufgrund der großen
Wellenerzeugung durch den Rumpf schnell abbricht. Ergebnisse sind nur bis zu einer
Seite 17

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Geschwindigkeit von v = 17kn
zu erhalten. Hierbei sind alle Iterationsergebnisse zu
beachten, da sie erheblich schwanken. Der prognostizierte Widerstand (blaue Kurve)
wird zusammen mit den SSW-Kurven in Abbildung 15 gezeigt.
Abbildung 15: Vergleich der Widerstandsvorhersagen mit CFD, Ausgangsschiff,
T = 5m
Der durch die CFD-Methode ermittelte Widerstand liegt deutlich über denen der SSW
und der Parametermethode von Holtrop/Mennen.
Betrachtet man nun die Schubkraft T des ausgewählten Propellers Ka 4-70 in Düse
19a ist diese nach Angaben der SSW bei einer Fahrtgeschwindigkeit v = 17kn
T Prop
= 650kN
. Der Widerstand beträgt jedoch nach CFD-Methoden schon
R T
= 900kN . Es wäre maximal eine Schiffsgeschwindigkeit von v = 16kn
möglich, da
der Widerstand deutlich geringer ausfällt und der Propellerschub hier T Prop
= 710kN
beträgt.
Für eine Leistungsprognose wird von dem Leistungsbedarf der Pod-Antriebe von
zusammen Pbeide Pods
= 11200kW
ausgegangen. In dem Geschwindigkeits-Leistungs-
Diagramm in Abbildung 16 ist deutlich zu erkennen, dass die geforderte
Geschwindigkeit von v = 18kn
nicht erreicht werden kann: Nach Berechnungen mit
der CFD-Methode ist nur eine Geschwindigkeit unter v = 17kn
erreichbar.
Seite 18

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 16: Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm für das Ausgangsschiff
Die Kurven verlaufen ab einer Leistung von P = 10000kW
steil nach oben. Durch
Erhöhung der Leistung ist also keine nennenswerte Geschwindigkeitssteigerung zu
bewirken. Somit ist es dringend notwendig, den Schiffswiderstand zu verringern.
3.5.2 Kann das Schiff vom minimalen auf den maximalen Tiefgang
abgesenkt werden?
Die Verdrängung beträgt bei einem Tiefgang von
3
T = 5m V ( 5m)
= 5732,3m
,
3
bei T = 7m
V ( 7m)
= 8883,8m
.
Die Ballastwassertanks müssen daher ein Volumen von
3
∆ V = V ( 7m) −V
( 5m) = 3151,5m
beinhalten können.
Nach Eingabe der Tanks in E4 mit der Dichte von Salzwasser von ρ = 1,025 t
3 und
m
einer Flutbarkeit von 0,98 ergeben die volumetrischen Berechnungen eine
Ballastwasser-Kapazität von
3
V ( BW ) = 3878,9m
,
siehe Tabelle 3.
Das Schiff kann somit problemlos vom minimalen Tiefgang auf den maximalen
Tiefgang absenken und die Forderung wird erfüllt.
Seite 19

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Tabelle 3: Kapazität der einzelnen Ballastwasser-Tanks, Ausgangsschiff
Seite 20

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
3.5.3 Kann der geforderte Pfahlzug erreicht werden?
Schneekluth gibt in „Hydromechanik im Schiffsentwurf“ 20 für Seeschlepper mit
Kortdüse einen Trossenzug TZ [ N]
pro Maschinennennleistung P
nenn
[ kW ] von
TZ = 130... 150 N an.
kW
Die Pod-Variante von Schottel sieht eine Antriebsleistung durch die Pods von
P nenn
= 2 ⋅5600kW
= 11200kW
vor für einen geforderten Pfahlzug von m Pfahlzug
= 180t
.
Ich wähle zur Abschätzung
TZ = 150 N kW
Der Trossenzug wird damit zu
FT = TZ ⋅ Pnenn
= 1680kN
Der geforderte Pfahlzug m Pfahlzug
= 180t
entspricht einem Trossenzug von
FT = mPfahlzug
⋅ g = 1765, 8kN
.
Der Pfahlzug von m Pfahlzug
= 180t
wäre nicht erbracht.
Bei einer Erhöhung der Nennleistung um ∆ P = 600kW
würde der geforderte Pfahlzug
erreicht.
Die wirksame Maschinenleistung P ist laut obiger Literaturquelle um 20 - 30%
kleiner als die Maschinennennleistung P
nenn
:
P = 0 ,7...0, 8⋅
P nenn
Nach Angaben von T&S beträgt der Schleppwirkungsgrad aber µ
Schlepp
= 0, 85 .
P = 0 ,85⋅
Pnenn = 9520kW
Da der Schleppwirkungsgrad von T&S besser angegeben wird als von Schneekluth
geschätzt, wird davon ausgegangen, dass die installierte Leistung für den
geforderten Pfahlzug ausreicht.
Der angegebene Propeller Ka 4-70 in Düse 19a würde nach Berechnungen der Firma
Schottel einen Schub von T Prop
= 883, 75kN
erbringen bei einer Drehzahl von
1
n = 156
min
und einer Pod-Leistung von P Pod
= 5600kW
. Bei zwei Propellern wäre dies
ein Trossenzug von FT = 2 ⋅TProp
= 1767, 5kN
, was dem geforderten Pfahlzug
entspricht. Das dafür benötigte Drehmoment beträgt M Prop
= 343, 6kNm
. Der
angegebene Pod SSP5 verfügt jedoch nur über ein Drehmoment von
M Pod
5
= 270kNm
. Das bedeutet, dass die von Schottel vorgeschlagene Propeller-Pod-
Kombination den geforderten Pfahlzug nicht bewerkstelligen kann. Im Kapitel 4.4
wird die Propeller-Pod-Kombination optimiert.
20 Hydromechanik im Schiffsentwurf, H. Schneekluth, 1988, S.735 /3/
Seite 21

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
3.5.4 Zusammenfassung
Die wichtigsten Forderungen – der Pfahlzug und die maximale Geschwindigkeit –
sind mit den vorgegebenen Schiffslinien und den Pods von Schottel nicht einzuhalten.
Der Vergleich der Entwurfsforderungen mit dem Ausgangszustand ist in Tabelle 4
zusammengefasst.
Bezeichnung Forderungen Ausgangszustand
Pfahlzug 180t nein, Drehmoment Pod zu klein
Breite 20m ja
Maximale Länge über alles =18kn nein, Widerstand zu groß
Balkenkiel Schiffslänge ja
Tabelle 4: Vergleich Entwurfsforderungen – Ausgangszustand
Seite 22

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
4. Optimierung des Schiffes mit Pod-Antrieb
Bei den vorgegebenen Linien kann eine Geschwindigkeit von 18kn bei weitem nicht
erreicht werden, da die Schiffsform sehr strömungsungünstig gewählt ist. Zur
Widerstandsreduzierung muss daher nicht nur der Heckbereich des Schleppers,
sondern der gesamte Rumpf, insbesondere das Vorschiff betrachtet und verändert
werden.
Zur Propulsionsverbesserung ist nach einem Propeller mit weniger Drehmoment,
einem Pod mit mehr Drehmoment oder einer anderen Propeller-Pod-Variante zu
suchen.
4.1 Schiffslinien
Um den Widerstand zu reduzieren und so eine Fahrgeschwindigkeit von mindestens
18kn zu erreichen, habe ich folgende Veränderungen an den Schiffslinien
vorgenommen: Am Vorschiff ist ein Bugwulst eingestrakt worden, wodurch auch die
Spantformen zu verändern waren, damit sich im Winter Eisschollen nicht an
Hohlspanten verkanten können. Mit dem Bugwulst ist auch der Stevenwinkel steiler
geworden. (siehe Abbildung 17: Seitenlinienriss und Wasserlinienriss)
Außerdem wurde der Balkenkiel angelehnt an die GL-Vorschriften 21 dimensioniert –
er fällt etwas größer als nach den Vorschriften berechnet aus, ähnlich wie bei der
Oceanic 22 .
Auch hört der Balkenkiel nicht an der hinteren Schulter auf, sondern wird als Totholz
weitergeführt. Das Totholz verbessert die Manövrierfähigkeit des Schiffes, der lange
Balkenkiel verschlechtert sie. Da der Auftraggeber T&S auf einen langen Balkenkiel
besteht, um den Rumpf vor Grundberührung zu schützen, wird er beibehalten, aber
erst ab dem Pumpjet.
Nach den großen Veränderungen mit Bugwulst und Totholz sind weitere kleinere
Verbesserungen mit Hilfe der CFD-Berechnung erarbeitet worden. Die Form des
Bugwulstes wurde verbessert und die vordere Schulter etwas nach hinten
verschoben, damit sie weicher wird. Im Heckbereich wurden nur kaum merkliche
Veränderungen an hinterer Schulter und Kimmradius und Bodenkimmung
durchgeführt, die aus der Änderung von Balkenkiel und der Verlängerung zum
Totholz resultieren. Die Ergebnisse der CFD-Berechnungen sind in Abschnitt 4.2
Widerstandsberechnung diskutiert.
Die neuen Schiffslinien sind in Abbildung 17 und Abbildung 18 dargestellt. Sehr gut
zu erkennen ist die Veränderung der Vorschiffsform mit Einfügen des Bugwulstes und
der schmalere Balkenkiel. Des weiteren sind die Seitenlateralfläche und die
Frontlateralfläche mit angegeben.
21 Klassifikationsvorschriften des Germanischen Lloyd, Abschnitt 25 B /1/
22 Unterlagen und Zeichnungen der Oceanic, aus dem Archiv der Bugsier-Reederei, die
freundlicherweise zur Verfügung gestellt wurden.
Seite 23

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 17: Seitenlinienriss und Wasserlinienriss, Schlepper mit Pod
Seite 24

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 18: Spantenriss, Schlepper mit Pod
Die Hauptdaten sind in Tabelle 5 aufgelistet.
Tabelle 5: Schiffsdaten, Schlepper mit Pod
Seite 25

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
4.2 Widerstandsberechnung
Die Veränderungen der Schiffslinien werden von den Parametermethoden zur
Widerstandsvorhersage nicht erfasst. Daher wird der Widerstand nur noch mit Hilfe
der CFD-Methode Kelvin prognostiziert. Die Optimierung der Schiffslinien vor allem
im Vorschiffsbereich führte zu folgenden Ergebnissen:
Die Druckverteilung wird in einer Bug- und einer Heckansicht in Abbildung 19 und
Abbildung 20 für eine Geschwindigkeit v = 18kn
dargestellt. Die Zonen
unterschiedlichen Drucks sind sehr viel gleichmäßiger verteilt als beim
Ausgangsschiff. Auch das Wellenbild der Optimierung in Abbildung 21 sieht besser
aus (Abbildung 14). An der vorderen Schulter ist beispielsweise nur noch ein
Wellental vorhanden und die Wellen ab der hinteren Schulter sind sehr viel ruhiger.
Die Druckdifferenzen sind im Vergleich zum Ausgangsschiff (Abbildung 12 und
Abbildung 13) verkleinert worden. Dabei ist zu beachten, dass der Widerstand am
optimierten Schiffsrumpf bei der geforderten Geschwindigkeit von 18kn berechnet
wurde. Dies war beim Ausgangsschiff nicht möglich.
Abbildung 19: Druckverteilung am Rumpf bei
v = 18kn
und T 5m
= , Schlepper mit Pod, Bugansicht
Seite 26

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 20: Druckverteilung am Rumpf bei
v = 18kn
und T 5m
= , Schlepper mit Pod, Heckansicht
Abbildung 21: Wellenbild bei
T = 5m
, v 18kn
= , Schlepper mit Pod
Seite 27

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
4.2.1 Kann die geforderte Geschwindigkeit erreicht werden?
Für die geforderte Schiffsgeschwindigkeit von v = 18kn
liegt der berechnete
Widerstandswert unter dem, der für das Ausgangsschiff bei v = 17kn
ermittelt wurde.
Der Schiffswiderstand beträgt für den Schlepper mit Pod-Antrieben R T
= 840kN
. Die
Iterationsergebnisse schwanken sehr viel weniger als beim Ausgangsschiff. Der
prognostizierte Widerstand (türkise Kurve) ist zusammen mit den SSW-Kurven in
Abbildung 22 aufgetragen. Außerdem ist die Kurve des Propellerschubs laut Schottel
in das Diagramm eingefügt. Die Bezeichnung des Propellers lautet Ka 4-55 in Düse
19a. Seine Eigenschaften werden im Kapitel 4.4 erläutert.
Abbildung 22: Widerstandsvorhersage nach SSW und CFD-Berechnungen, Schlepper mit Pod
Das Diagramm zeigt die deutliche Widerstandsreduzierung durch die
Rumpfoptimierung: Die CFD-Kurve verläuft bis zu einer Geschwindigkeit von 18kn
unter der SSW 2-Kurve. Die CFD-Kurve steigt jedoch steiler an und erreicht bei
v = 18kn ungefähr den gleichen Wert wie die SSW 2-Kurve.
Aus Abbildung 22 ist ersichtlich, dass auch nach diesen Ergebnissen die geforderte
Geschwindigkeit von v = 18kn
nicht erreicht werden kann, obwohl der
Schiffswiderstand erheblich reduziert wurde. Nur mit Hilfe des Pumpjets, der bei
einer Geschwindigkeit von v = 17, 5kn
noch einen Schub von etwa T Pump
= 60kN
liefert 23 , kann eine maximale Schiffsgeschwindigkeit von v = 17, 5kn
erwartet werden:
23 Angabe von Schottel /11/
Seite 28

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
T + T > R
Prop
Pump
T
Der Gesamtschub von Propeller und Pumpjet ist größer als der Schiffswiderstand.
Erstaunlicher weise wäre laut Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm eine
Geschwindigkeit von v = 17, 5kn
auch ohne den Pumpjet möglich bei einer Leistung
für die Pods von je P = 5600kW
, siehe Abbildung 23.
Abbildung 23: Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm für den Schlepper mit Pod
4.3 Variabler Tiefgang
Durch die Modifizierung der Schiffsform hat sich die Verdrängung des Schiffes und
ebenfalls die Ballastwasserkapazität geändert. Die Einteilung der Ballastwasser-Tanks
bleibt die aus dem Generalplan (Anhang A), siehe Abbildung 4. Auch hier befindet
sich weder im Balkenkiel noch im Totholz Ballastwasser.
Seite 29

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 24: Ballastwassertanks in E4
4.3.1 Kann das Schiff vom minimalen auf den maximalen Tiefgang
abgesenkt werden?
Die Verdrängung beträgt bei einem Tiefgang von
3
T = 5m V ( 5m)
= 5637,4m
,
3
bei T = 7m
V ( 7m)
= 8849,9m
.
Die Ballastwassertanks müssen nun ein Volumen von
3
∆ V = V ( 7m) −V
( 5m) = 3212,5m
beinhalten können.
Nach der volumetrischen Berechnung in E4 ergibt sich eine Ballastwasser-Kapazität
3
von V ( BW ) = 3996,7m
,
siehe Tabelle 6.
Die Forderung wird auch bei dieser Rumpfform erfüllt.
Seite 30

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Tabelle 6: Kapazität der einzelnen Ballastwasser-Tanks, Schlepper mit Pod
Seite 31

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
4.4 Antrieb mit Siemens-Schottel-Propulsoren
Aufgrund der in Kapitel 3.5.3 beschriebenen Diskrepanz zwischen dem erforderlichen
Drehmoment für den Propeller und dem möglichen Drehmoment des SSP5, sind von
Schottel neue Vorschläge unterbreitet worden.
Da P = 5600kW
die größtmögliche Leistung für den SSP5 ist und der geforderte
minimale Tiefgang den Düsendurchmesser des Propellers begrenzt, kann bei
gegebenem Drehmoment nur die Drehzahl erhöht werden.
Es gilt:
P = 2 ⋅π
⋅ Q ⋅ n
mit Q als Drehmoment. 24
Bei gegebener Leistung P = 5600kW
und gegebenem Drehmoment Q SSP 5
= 270kNm
erhält man eine Drehzahl von
P
1
n = = 198
min
.
2 ⋅π
⋅ Q
Für diese Drehzahl ist jedoch der gewählte Propeller Ka 4-70 in Düse 19a nicht
ausgelegt. Deshalb hebt Schottel das Drehmoment des Elektro-Motors „für diesen
Fall“ auf Q SSP
′
1
5
= 290kNm
mit einer Drehzahl n = 184
min
. Da die Drehzahl mit der
Geschwindigkeit steigt, ist die Propellerauslegung „am oberen Limit der
Umfangsgeschwindigkeit als auch der Flächenbelastung“ angekommen. Schottel
weist dabei ausdrücklich darauf hin, dass eine Schiffsgeschwindigkeit von v = 17kn
nicht erreicht werden kann. 25
Da bei diesem Vorschlag von Schottel die geforderte Geschwindigkeit auf keinen Fall
eingehalten wird und die angebotene Propeller-Pod-Kombination absolut ausgereizt
ist, habe ich den Entwurf verworfen. Durch die geforderte Eisklasse E4 ist das
Drehmoment nochmals zu reduzieren, da der Elektromotor im kalten Wasser weniger
effektiv arbeiten kann. Außerdem müssen Schlepper im Einsatz grundsätzlich 100%
Leistung abrufen. Somit ist eine Ausschöpfung aller Möglichkeiten keine gute
Voraussetzung für einen reibungslosen und pannenfreien Betrieb. Des weiteren kann
mit der Propeller-Pod-Variante laut nachfolgender Informationen von Schottel der
geforderte Pfahlzug nicht realisiert werden.
4.4.1 Kann der geforderte Pfahlzug erreicht werden?
Schottel hat seinen Vorschlag nochmals überarbeitet und schlägt nun anstelle des
SSP5 den SSP7 vor mit neuem Propeller Ka 4-55 in gleicher Düse 19a. Das
Freifahrtdiagramm des Propellers ist in Abbildung 25 dargestellt.
24 Hydromechanik zum Schiffsentwurf, H. Schneekluth /3/, Ship Design for Efficiency & Economy, H.
Schneekluth & V. Bertram, /6/
25 Zitate und Angaben aus dem Fax von Schottel vom 12/09/03
Seite 32

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 25: Propellerfreifahrtdiagramm Ka 4-55 in Düse 19a (in E4 erstellt)
Schottel prognostiziert bei dem neuen Propeller einen Gesamtschub von
T = 1759, 2kN , mit dem ein Pfahlzug von 179,4t realisiert werden kann.
4.4.2 Azipod als Alternative zu SSP
Aufgrund der teilweise zeitaufwendigen Kommunikation und den langen Wartezeiten
bei Schottel, habe ich versucht, bei anderen Pod-Anbietern Informationen über ihre
Produkte zu erhalten. Mit den wichtigsten Eckdaten sind Anfragen an Rolls Royce
Marine (Mermaid) 26 und an ABB (Azipod) 27 verschickt worden. Durch die langen
Verhandlungen mit Schottel blieben den neu angefragten Pod-Anbietern nur drei
Wochen Zeit, um genügend Daten zu liefern.
Von Rolls Royce Marine habe ich vor Beendigung der Arbeit keine Antwort erhalten.
ABB haben sehr schnell reagiert und entsprechende Informationen geliefert. Dank
schnellem Informationsaustausch kann ich die Daten von ABB noch grob
berücksichtigen:
26 Rolls Royce Marine /60/
27 ABB /609/
Seite 33

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Bei einer Leistung von 6000kW pro Pod ist ein Pfahlzug von 180t mit einem
Traktorpropeller erreichbar. Der Propellerdurchmesser inklusive Düse wird 5m nicht
überschreiten. 28
Die Abmaße des Azipods konnten nicht mehr in das Modell von E4 eingepflegt
werden. Aber die Leistungswerte lassen vermuten, dass mit dieser Antriebsvariante
die geforderten Werte erreicht werden können. Vor allem scheint der Azipod nicht bis
auf das Äußerste ausgereizt zu sein. Das folgende Bild zeigt, dass der Azipod dem
SSP im Aufbau ähnelt (siehe Abbildung 26).
Abbildung 26: schematische Darstellung eines Azipods
4.5 Vergleich optimiertes Schiff mit Pod – Entwurfsforderungen
Mit der strömungsgünstigeren Schiffsform kann die geforderte Geschwindigkeit von
v = 18kn ebenfalls nicht erreicht werden, aber die Verbesserungen lassen eine
Geschwindigkeitsprognose von v = 17, 5kn
zu, die durch die zusätzliche Schubkraft
des Pumpjets erreicht wird.
Durch das Austauschen der Propeller-Pod-Kombination gegen den SSP7 mit Propeller
Ka 4-55 kann nur ein Pfahlzug knapp 180t bewerkstelligen. Für den Azipod wird
vermutet, dass ein Pfahlzug von 180t erreicht wird.
Der Vergleich der Entwurfsforderungen mit dem optimierten Schlepper mit Pod-
Antrieb ist in Tabelle 7 zusammengefasst.
28 Zitat aus eMail von Herrn Hackman: “…it should be a tractor propeller with a nozzle. With a 4m
prop + nozzle we can achieve 180t bollard pull. At bollard pull point the Azipod torque exceeds
propeller torque. The nozzle will increase the diameter by 25-30%…”, 03.10.2003
Seite 34

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Bezeichnung
Forderungen Schlepper mit Pod
Pfahlzug 180t ja, knapp
Maximale Länge über alles =18kn nein, aber 17,5kn
Balkenkiel Schiffslänge nein, vorne erst ab
Pumpjet
Tabelle 7: Vergleich Entwurfsforderungen – Schlepper mit Pod
Seite 35

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
5. Optimierung des Schiffes mit Verstellpropeller
Für die Antriebsvariante mit Verstellpropeller sind die optimierten Linien aus Kapitel 4
verändert worden, um sie an den neuen Antrieb anzupassen. Der Widerstand wird
sich dadurch kaum ändern.
Als Verstellpropeller wurde der von Schottel vorgeschlagene Propeller Ka 4-70 in
Düse 19a gewählt und ein Ruder mit Hilfe der Methoden in E4 erstellt.
5.1 Schiffslinien
Die Hauptdaten und die Schiffsform sind in Abbildung 27, Abbildung 28 und
Abbildung 29 zu sehen.
Die Schiffslinien haben sich nur wenig im Bereich des Totholzes geändert.
Da das hintere Lot per Definition durch die Ruderachse verläuft, und das Ruder
weiter hinten am Schiff sitzt als die Gondel eines Pod-Antriebes, verschiebt sich das
hintere Lot um 4,9m nach hinten, siehe in Abbildung 28 den Seitenlinienriss.
Abbildung 27: Hauptdaten, Schlepper mit VPP
Seite 36

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 28: Seitenriss und Wasserlinienriss, Schlepper mit VPP
Seite 37

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 29: Spantenriss, Schlepper mit VPP
5.2 Widerstandsberechnung
Da die Schiffslinien im Vorschiffsbereich nicht verändert und im Hinterschiffsbereich
nur das Totholz verlängert und eingestrakt worden sind, wird sich am Widerstand
wenig ändern.
Die Druckverteilung ist in Abbildung 30 und Abbildung 31 dargestellt und das
Wellenbild in Abbildung 32. Es ist ein anderer Iterationsschritt abgebildet als in
Kapitel 4.2, was an den nach oben verschobenen Druckdifferenzen zu erkennen ist.
Seite 38

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 30: Druckverteilung am Rumpf bei
v = 18kn
und T 5m
= , Schlepper mit VPP, Bugansicht
Abbildung 31: Druckverteilung am Rumpf bei
v = 18kn
und T 5m
= , Schlepper mit VPP, Heckansicht
Seite 39

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 32: Wellenbild bei
T = 5m
, v 18kn
= , Schlepper mit VPP
Durch die Schwankungen in den Iterationsergebnissen ist der exakte
Widerstandswert nicht zu ermitteln, sondern nur eine Näherung. Die Schwankungen
kommen zustande, weil die Schlepperform bei der geforderten Geschwindigkeit hohe
Druckdifferenzen erzeugt. Bei der CFD-Berechnung hat sich bei einer
Geschwindigkeit von v = 18kn
ein Widerstand von R T
= 830kN
ergeben (Vergleich mit
Kapitel 4.2: R TPod
= 840kN
). Durch die Modifizierungen im Hinterschiff hat sich der
Widerstand also nicht merklich verändert.
Da jedoch der Propeller Ka 4-70 mehr Schubkraft bei höherer Geschwindigkeit leistet
als der Propeller Ka 4-55, kann bei dem Schlepper mit Verstellpropellern eine
Geschwindigkeit von v = 17, 5kn
ohne Hilfe des Pumpjets prognostiziert werden, siehe
Abbildung 33. Auch das Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm in Abbildung 34 lässt
eine Vorhersage der maximalen Schleppergeschwindigkeit von v = 17, 5kn
zu. Es ist
hier sehr gut zu erkennen, dass auch mit einer realistischen Leistungserhöhung die
geforderte Geschwindigkeit von v = 18kn
nicht verwirklicht werden kann.
Seite 40

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 33: Widerstandsvorhersage nach SSW und CFD-Berechnungen, Schlepper mit VPP
Abbildung 34: Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm für den Schlepper mit VPP
Seite 41

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
5.3 Variabler Tiefgang
Da sich die Schiffsform nur minimal ändert, reicht die Kapazität an
Ballastwassertanks aus, um die Tiefertauchung von T = 5m
auf T = 7m
zu
ermöglichen. Die durch die Durchführung der Wellen durch die Außenhaut
betroffenen Ballastwassertanks machen eine Verkleinerung der Kapazität um
maximal 200m³ aus, wobei die Tiefertauchung immer noch gewährleistet werden
kann.
5.4 Verstellpropeller als Antrieb
Als Verstellpropeller wurde der Propeller Ka 4-70 in Düse 19a gewählt. Da der
Propeller für den Pod-Antrieb ausgelegt war, ist der Nabendurchmesser größer als
beim Festpropeller. Ich gehe davon aus, dass der Nabendurchmesser für dem
Verstellpropeller ausreichend groß ist. Das Propellerfreifahrtdiagramm ist in Kapitel
3.4, Abbildung 5 zu finden.
Nach Schneekluth sollte ein Ruder eine Ruderfläche von 12 bis 16% der
Hauptspantfläche haben. Damit wäre die Ruderfläche bei Anordnung eines Ruders
ungefähr 30m². Meines Erachtens muss die Gesamt-Ruderfläche bei Anordnung von
zwei Rudern etwas größer ausfallen.
Mit Hilfe der Dimensionierungsmethode eines Ruders in E4, ist ein Ruder nach GL-
Vorschriften erstellt worden. Es ist von mir ein HSVA-MP73 Profilruder mit einem
Seitenverhältnis von 2 ausgewählt worden. Bei einer Höhe von 6m und einer
Sehnenlänge von 3m wird ein Ruder die Ruderfläche von 18m² aufweisen. Die
Gesamtruderfläche beträgt dann 36m².
Da das Ruder möglichst weit hinten, sitzt ist die Lage des hinteren Lotes um 4,9m
nach hinten verschoben worden.
5.5 Vergleich optimiertes Schiff mit VPP – Entwurfsforderungen
Die Ergebnisse des Schleppers mit Verstellpropeller-Antrieb sind in Tabelle 8
zusammengetragen.
Seite 42

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Bezeichnung
Forderungen Schlepper mit VPP
Pfahlzug 180t ja
Maximale Länge über alles =18kn nein, aber 17,5kn
Balkenkiel Schiffslänge nein, vorne erst ab
Pumpjet
Tabelle 8: Vergleich Entwurfsforderungen – Schlepper mit VPP
Seite 43

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
6. Überprüfung der Stabilität und Manövrierfähigkeit
Zur Überprüfung der Stabilität und der Manövrierfähigkeit werden nur die optimierten
Varianten des Schleppers betrachtet. Zuvor werden zwei grobe Massenverteilungen
für die beiden Antriebsvarianten erstellt.
6.1 Massenverteilung
Da die SSW noch keine Massenverteilung für das Sicherheitsschiff ausgearbeitet hat
und auch keine Informationen von Vergleichsschiffen vorhanden sind, werden zwei
Massenverteilungen mit Hilfe einer groben Gewichtsabschätzung erstellt.
In der Studienarbeit „Entwurfsstudie eines Mehrzweckschleppers für die deutsche
Bucht“ 29 wird die Gewichtsverteilung nach Formeln für Trockenfrachter berechnet,
die dem Vorlesungsmanuskript „Einführung in die Projektarbeit“ 30 entnommen sind.
In einer anderen Studienarbeit „Erarbeiten von Entwurfsgrundlagen für
Hafenschlepper“ 31 sind Formeln zur Gewichtsabschätzung von Hafenschleppern
entwickelt worden. In „Ship Design for Efficiency & Economy“ 32 sind für kleine
Schlepper verschiedene Gewichte relativ zum Leerschiffsgewicht in Prozent
angegeben, jedoch sind bei den folgenden Formeln meist keine Faktorangaben für
Schlepper zu finden.
Ich habe anhand der oben genannten Literaturquellen die Formeln gewählt, die
meines Erachtens die plausibelsten Ergebnisse bei der Abschätzung der betreffenden
Gewichtsgruppe liefern.
Die Abschätzung der Daten ist für die Pod-Antriebsvariante im Folgenden ausführlich
erklärt.
Die benötigten Daten für die Berechnung sind in Tabelle 9 angegeben.
Das Deplacement ∆ des Schiffes setzt sich zusammen aus Leerschiffsgewicht
und Zuladung dw 33 :
∆ = ∆ leer
+ dw
Das Leerschiffsgewicht wird unterteilt in Rumpfstahlgewicht, Maschinengewicht,
Gewicht der Aufbauten und Deckshäuser und Gewicht von Einrichtung und
Ausrüstung. Bei der Gewichtsabschätzung wird eine Baureserve vorgesehen. 30
∆
leer
= m
Rumpf
+ mMaschine
+ mBack
+ mDeckshaus
+ mE+
A
+ mReserve
Tanks müssen nicht mehr abgeschätzt werden, da sie durch den Generalplan
vorgegeben sind.
∆
leer
29 Entwurfsstudie eines Mehrzweckschleppers für die deutsche Bucht, S. Bühring, 2001 /12/
30 Einführung in die Projektarbeit, W. Abicht, 1987 /5/
31 Erarbeiten von Entwurfsgrundlagen für Hafenschlepper, M. Bentin, 1999 /13/
32 Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, 1998, S.149ff /6/
33 dw = deadweight (englisch für Zuladung)
Seite 44

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Bezeichnung Kurzzeichen Wert Einheit
Dichte von Seewasser ρ 1,025 t/m³
Außenhautfaktor
f 1,004 -
Länge zwischen den Loten Schlepper mit Pod
AH
L 85,2 m
Breite B 20,0 m
Seitenhöhe D 9,2 m
Blockkoeffizient Schlepper mit Pod
c
B
0,662 -
Gewicht des Motors MAN 8L32/40 87 t
Gewicht des Pods
SSP5
90 t
SSP7
127
Gewicht des Propellers +Düse FPP 10 t
Gewicht Pumpjet SPJ520 40,5 t
Länge Back
L 63,7 51,1 m
mittlere Breite Back
Höhe Back
Länge Deckshaus
Breite Deckshaus
Höhe Deckshaus
PP
Back
B 19 m
Back
H 6,0 2,8 m
Back
L 19,6 m
Deckshaus
B 20 m
Deckshaus
H 11,3 m
Deckshaus
Tabelle 9: Zusammenfassung der Eingangsdaten für die Gewichtsabschätzung
Abschätzung des Rumpfstahlgewichts nach Bentin 34 :
m = ,0132 ⋅ L ⋅ B ⋅ D ⋅ c
0,
Rumpf
( ) 7699
1
B
m′
Rumpf
= 1252, 3t
Da der Schlepper die Eisklasse E4 erhalten soll, ist nach Angaben von Schneekluth
und Bertram 35 das Rumpfgewicht um 16% zu erhöhen.
m′
Rumpf
= 1 ,16 ⋅ m′
Rumpf
= 1452, 7t
Setze m Rumpf
= 1750t
Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach:
1
LCG Rumpf
= 42, 85m ab HL ⋅ Lüa
VCG Rumpf
4, 5m
2
1
≈ 2
= über Basis ⋅ D
Abschätzung des Maschinengewichts nach Bentin 36 :
m 3,7819
( ) 0, 834
Maschine
= ⋅ mMotor
+ mAntrieb
Variante 1 – zwei Pods:
Wahl des Motors MAN 8L32/40 37 mit Pod SSP7 und Pumpjet SPJ520
() − Ausdruck = 4 ⋅87t
+ 2 ⋅ ( 127t
+ 10t
) + 40,5t
= 662, 5t
m′
Maschine
= 852, 3t
Setze m Maschine
= 900t
Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach:
34 Erarbeiten von Entwurfsgrundlagen für Hafenschlepper, M. Bentin, 1999 /13/
35 Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, 1998, S.149ff /6/
36 Erarbeiten von Entwurfsgrundlagen für Hafenschlepper, M. Bentin, 1999 /13/
37 Internetseite von MAN B&W, /20/
Seite 45

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
LCG Maschine
= 38, 5m ab HL Lage der Motoren im Generalplan, völligster
Spant
VCG Maschine
= 4, 5m über Basis
1
≈ 2
⋅ D
Nach Angaben von Schneekluth/Bertram 38 wird das Backgewicht und das
Deckshausgewicht abgeschätzt. Für die Back setze ich eine spezifische Masse von
m
,
0, 07 t
spez Back
= 3 an. Der bei Schneekluth/Bertram angegebene Wert von 0,013 ist
m
für dieses Schiff meines Erachtens zu hoch, da in der Back auch Wohn- und
Aufenthaltsräume vorgesehen sind. Beim Deckshaus gehe ich von einer gemittelten
spezifischen Masse von m
,
0, 052 t
spez Deckshaus
= 3 aus.
m
Abschätzung des Backgewichts:
m = m ⋅ L ⋅ B ⋅ H
Back
spez
( ) Back
m′
Back
= 698, 6t
Setze m Back
= 700t
Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach:
1
LCG Back
= 55, 0m ab HL
3
⋅ LBack
1
VCG Back
= 13, 5m über Basis D + 2
⋅ H
Back
Abschätzung des Deckshausgewichts:
m = m ⋅ L ⋅ B ⋅ H
Deckshaus
spez
( ) Deckshaus
m′
Deckshaus
= 230, 3t
Setze m Deckshaus
= 250t
Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach:
1
LCG Deckshaus
= 50m ab HL
2
⋅ LDeckshaus
1
VCG Deckshaus
= 23, 6m über Basis D H Back
+ ⋅ H
Deckshaus
+
2
Das Gewicht von Einrichtung und Ausrüstung lässt sich nicht mit den Formeln für
Hafenschlepper abschätzen, deswegen wird auch hier auf die Formel von
Schneekluth/Bertram zurückgegriffen:
m E + A
= k ⋅ L ⋅ B mit k = 0, 4
m E + A
= 704t
Setze m E + A
= 800t
Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach:
LCG E + A
= 46m
ab HL
VCG E + A
= 11m
über Basis
Baureserve:
Laut Abicht 39 ist eine Baureserve von 2...8% vom Leerschiffsgewicht einzuplanen. Ich
wähle
m Reserve
= 100t
,
was 2,2% von ∆
leer
entspricht.
38 Ship Design for Efficiency & Economy, H. Schneekluth & V. Bertram, 1998, S.149ff /6/
39 Einführung in die Projektarbeit, W. Abicht, 1987 /5/
Seite 46

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Annahme der Lage des Schwerpunktes der Länge und der Höhe nach:
LCG Reserve
= 50m
ab HL
VCG Reserve
= 10m
über Basis
Die abgeschätzten Gewichte der fünf Gruppen und der Baureserve sind in Tabelle 10
zusammen mit den jeweiligen Längen- und Höhenlagen des Schwerpunktes
aufgeführt. Die Einzelgewichte werden in der Mitschiffsebene angenommen.
Bezeichnung Gewicht [t] LCG [m von HL] VCG [m über Basis]
Rumpf 1750 42,85 4,5
Maschine 900 38,50 4,5
Backaufbau 700 55,00 13,5
Deckshaus 250 50,00 23,6
Einricht. / Ausrüst. 800 46,00 11,0
Baureserve 100 50,00 10,0
Schiff leer 4500 44,986 8,722
Tabelle 10: abgeschätzte Gewichte mit jeweiliger Schwerpunktslage, Schlepper mit Pod
Die Gewichtsabschätzung der VPP-Variante ist in folgender Tabelle 11
zusammengefasst.
Bezeichnung Gewicht [t] LCG [m von HL] VCG [m über Basis]
Rumpf 1750 47,00 4,5
Maschine 900 40,00 4,5
Backaufbau 700 58,00 13,5
Deckshaus 250 53,20 23,6
Einricht. / Ausrüst. 800 49,00 11,0
Baureserve 100 54,00 10,0
Schiff leer 4500 48,167 8,239
Tabelle 11: abgeschätzte Gewichte mit jeweiliger Schwerpunktslage, Schlepper mit VPP
Mit einem Leerschiffsgewicht von ∆
leer
= 4500t
ist bei einem Tiefgang von T = 5m
eine Zuladung von
dw = ∆ − ∆
leer
= 1425t bei der Pod-Variante und
dw = ∆ − ∆
leer
= 1496t bei der VPP-Variante
möglich.
Da bei beiden Varianten kleinere Ballastwassertanks geflutet sind, um eine
Schwimmlage auf ebenem Kiel zu erzeugen, ist die mögliche Zuladung noch etwas
höher.
Seite 47

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
6.2 Stabilität
Um die Intaktstabilität des Schleppers zu untersuchen, sind verschiedene Ladefälle
definiert worden:
- leeres Schiff
- Anfang der Reise
- Ende der Reise
- Tiefertauchung 7m
- Tiefertauchung 6m
Die sogenannte Zuladung des Schleppers ist aus der Besatzung und dem Proviant,
der Ausrüstung und dem Löschschaum zusammengesetzt, siehe Tabelle 12. Des
weiteren sind die Öltanks und die Frischwassertanks voll. Bei den Ladefällen Ende
der Reise und Tiefertauchung sind die Massen entsprechend verringert worden.
Ladefall Zuladung Masse [t] LCG [m] VCG [m]
Antrieb Pod VPP Pod VPP
Anfang der Reise Besatzung und 50 50 54 15 15
Proviant
Ausrüstung 400 45 49 13,5 13,5
Löschraum 20 50 54 3 3
Öl & Frischwasser 822,66 45,22 3,51
Tabelle 12: Aufstellung der Zuladung des Schiffes
Nach dem GL sind für Schlepper folgende Vorschriften für jeden möglichen Ladefall
einzuhalten: 40
- metazentrische Höhe GM = 0, 6m
bei ϕ = 0°
- Hebelarm h = 0, 3m
bei ϕ = 30°
- Fläche unter der aufrichtenden Hebelarmkurve von ϕ = 0°
bis ϕ = 30°
:
A = 0, 055m
⋅ rad
30
- Fläche unter der aufrichtenden Hebelarmkurve von ϕ = 0°
bis ϕ = 40°
:
A = 0, 09m
⋅ rad
40
- Fläche unter der aufrichtenden Hebelarmkurve von ϕ = 30°
bis ϕ = 40°
:
A = 0, 03m
⋅ rad
30
/ 40
- Hebelarmumfang Umfang = 60°
Die metazentrischen Höhen bei ϕ = 0°
sind in Tabelle 13 aufgelistet. Da das GM so
hoch ist, sind die geforderten Vorschriften des GL leicht einzuhalten. In Abbildung 35
ist als Beispiel das GM und die Hebelarmkurve der Pod-Variante für den Ladefall
Tiefertauchung 7m dargestellt. Die Stabilität des Schleppers ist so hoch, dass der
Hebelarmumfang 80° weit überschreitet. Auch das Pfahlzug-Kriterium für Schlepper
und das Wetterkriterium (IMO 749) wird mit beiden Massenverteilungen eingehalten.
Der Trossenzug quer stellt wegen des hohen GM und der großen Hebelarmkurve
40 Klassifikationsvorschriften des Germanischen Lloyd, Abschnitt 25 A /1/
Seite 48

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
keine Gefahr für den Schlepper dar. 41 Für das Wohlbefinden der Mannschaft ist die
metazentrische Höhe jedoch zu reduzieren.
Lastfall GM von Schlepper mit Pod GM von Schlepper mit VPP
Leeres Schiff 3,241m 3,748m
Anfang der Reise 2,385m 2,566m
Ende der Reise 2,057m 2,303m
Tiefertauchung 6m 1,893m 2,221m
Tiefertauchung 7m 1,419m 1,815m
Tabelle 13: Zusammenfassung der metazentrischen Höhen für die Ladefälle
Abbildung 35: Anfangs-GM und Hebelarmkurve bei einer Tiefertauchung auf T=7m
6.3 Manövrierfähigkeit
Um die Manövrierfähigkeit des Schleppers bestimmen zu können, sind zuvor die
Kräfte am Pod beziehungsweise am Ruder mit Hilfe des Ruderprogramms in E4 zu
ermitteln. Dabei ist der Propeller der Pods auf die Ruderachse gelegt worden, da die
Methode nur Ruderkräfte berechnet, wenn in Strömungsrichtung der Propeller vor
dem Ruder angeordnet ist.
41 Stabilitätsvorschriften von Schleppern, Studienarbeit /14/
Seite 49

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Die Berechnung der Ruderkräfte erfolgte für die Anstellwinkel von –45° bis +45° in
5°-Abständen für sechs Geschwindigkeiten v = 10, 12, 14, 16, 17, 18kn
. Sie sind als
Längskraft, Querkraft oder Drehmoment über dem Ruderanstellwinkel aufgetragen.
Der Schubbelastungsgrad c th
ist definiert als
spezifischer Schub
c th
= .
Staudruck der Zuströmgeschwindigkeit
Die Ruderkräfte der Pods sind in Abbildung 36, Abbildung 37 und Abbildung 38 zu
sehen.
Abbildung 36: Längskraft Pod
Seite 50

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 37: Querkraft Pod
Abbildung 38: Drehmoment Pod
Seite 51

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Die Ruderkräfte des Verstellpropeller sind in Abbildung 39, Abbildung 40 und
Abbildung 41 zusammengefasst.
Abbildung 39: Längskraft Ruder
Seite 52

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 40: Querkraft Ruder
Abbildung 41: Drehmoment Ruder
Seite 53

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
6.3.3 Überprüfung der IMO-Manöver und der Gierstabilität
Die IMO-Resolution A.751(18) gilt für Schiff, die eine Länge von 100m oder größer
haben. Da die Länge zwischen den Loten L PP
= 85, 2m
beziehungsweise L PP
= 90, 1m
beträgt, sind die IMO-Vorschriften nicht einzuhalten. Um jedoch einen Überblick über
die Manövrierfähigkeit des Schleppers zu erhalten, sind sie von mir trotzdem
herangezogen worden.
Die Versuche sind bei 90% der Schiffsgeschwindigkeit, die bei 85% Motorenleistung
erreicht wird, durchzuführen. Da die prognostizierte Geschwindigkeit von v = 17, 5kn
bei 100% Leistung der Elektromotoren ermittelt wurde, sind die Versuche bei einer
Geschwindigkeit von v = 15kn
(anstelle von v = 16kn
) absolviert worden.
Folgende Manöver sind durchzuführen:
- Drehkreismanöver
- Zickzack-Manöver 10°/10°
- Zickzack-Manöver 20°/20°
- Stoppen
Ein Drehkreis-Manöver ist in Abbildung 42 zu sehen. Es ist bei einer Ruderlegung von
35° zu fahren. Dabei sind folgende Grenzen einzuhalten:
- Längsweg bei 90° Kursänderung a < 4 , 5⋅
LPP
- Durchmesser des Drehkreises d < 5 ⋅ LPP
Abbildung 42: Drehkreisversuch
Zickzack-Manöver sind mit den Ruderwinkeln 10°/10° und 20°/20° zu fahren. Ein
Beispiel ist in Abbildung 43 dargestellt. Dabei sind folgende Forderungen einzuhalten:
Seite 54

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
- bei 10°/10°:
o nach erstem Ruderlegen: nach 2 ,5 ⋅ LPP
Kurs von 10° erreichen
o erster Überschwingwinkel
L
α
S
< 10°
, wenn < 10 s
v
L
α
S
< 20°
, wenn ≥ 30s
v
⎛ 1
L ⎞
L
α
S
< ⎜5
+
2
⋅ ⎟°
, wenn 10 s < < 30s
⎝ v ⎠
v
o zweiter Überschwingwinkel: α ≤ α + 15°
S 2 S
- bei 20°/20°:
o erster Überschwingwinkel α ≤ 25°
S
Abbildung 43: Zickzack-Manöver
Eine Berechnung des Stoppmanövers ist in den E4-Methoden noch nicht
implementiert. Der Längsweg darf dabei nicht mehr als 15 Schiffslängen betragen.
Zum Stoppen wird der Pod-Antrieb um 180° gedreht, beim Verstellpropeller die
Propellerflügel gedreht. Da keine Wirkungsgradeinbußen wegen schlechter
Flügelanstellung gegeben sind, gehe ich davon aus, dass beide Antriebsvarianten die
Vorschrift einhalten.
Die Überprüfung des Drehkreis-Manövers und der Zickzack-Manöver sind in Tabelle
14 zusammengefasst.
Seite 55

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Forderung Pod Ergebnis
Pod
VPP
Ergebnis
VPP
Drehkreis
a < 4 , 5⋅
4 ,5 ⋅ L PP
= 383, 4m
476m 4 ,5 ⋅ L PP
= 405, 45m
250m
L PP
L PP
d < 5 ⋅
5 ⋅ L PP
= 426m
554m 5 ⋅ L PP
= 450, 5m
247m
Zickzack 10/10
L L
-
L
-
10 s < < 30s
= 11,04s
= 11,68s
v v
v
⎛ 1
L ⎞ ⎛ ⎞
α
S
< ⎜5
+
2
⋅ ⎟° ⎜5 + ⋅
L ⎟° = 10, 52°
8°
1
⎛ ⎞
2
⎜5 + ⋅
L ⎟° = 10, 84°
10°
1
2
⎝ v ⎠ ⎝ v ⎠
⎝ v ⎠
α ≤ α + 15°
- 13° - 14°
S 2 S
Zickzack 20/20
α ≤ 25° - 16° - 27°
S
Tabelle 14: Ergebnisse der Überprüfung der Manövrierfähigkeit
Während der Pod-Antrieb beim Drehkreismanöver die geforderten Grenzen nicht
einhält, werden die Grenzen vom Verstellpropeller-Antrieb eingehalten. Die Zickzack-
Manöver werden von beiden Antriebsvarianten erfolgreich berechnet, bis auf den
ersten Überschwingwinkel von maximal 25° beim Verstellpropeller. Er überschreitet
ihn jedoch nur um 2°.
Die Ergebnisse der Rechnung für den Pod-Antrieb sind kritisch zu hinterfragen, da
zur Berechnung der Kräfte am Pod der Propeller auf Pod-Achse gelegt wurde.
Die folgende Abbildung 44 zeigt, dass der Schlepper mit Pod-Antrieb nicht gierstabil
ist, also nicht gerade aus fährt. Zur Verbesserung der Gierstabilität könnte am
Heckende eine Stabilisierungsflosse angebracht werden.
Seite 56

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 44: Gierstabilität des Schleppers mit Pod-Antrieb
Seite 57

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
7. Diskussion und Ausblick
Mit der optimierten Rumpfform wird eine maximale Geschwindigkeit von 17,5kn mit
beiden Antriebsvarianten prognostiziert. Damit liegt das Ergebnis der
Widerstandsreduzierung knapp unter der geforderten Geschwindigkeit von 18kn.
Eine höhere Geschwindigkeit als 17,5kn würde sich nur durch eine sehr viel größere
Leistung ermöglichen lassen, was eine äußerst unwirtschaftlich und teuer wäre.
Besser wäre es, zu versuchen, den Rumpf weiter nach strömungsgünstigen
Gesichtspunkten zu optimieren.
Wenn der minimale Tiefgang höher gesetzt würde, zum Beispiel auf T=5,5m oder
T=6m, wäre die Möglichkeit, einen größeren Propellerdurchmesser zu installieren,
der einen höheren Schub für Pfahlzug und Geschwindigkeit liefern würde.
Durch eine Tiefgangsvergrößerung wären auch die Probleme, die der Pod-Antrieb mit
den Gondelabmessungen und der Drehmomentbegrenzung hervorgerufen hat,
leichter zu lösen. Dabei sollte der Vorschlag von ABB mit einem Traktor-Propeller in
Düse besondere Beachtung finden, da die Azipods sich als Antrieb bei mehreren
Eisbrechern bewährt haben und somit einen robusten Eindruck erwecken.
Die im Generalplan angegebenen Dieselöltanks haben weniger Fassungsvermögen
als angegeben. In der nächsten Entwurfsschleife sollte überprüft werden, ob die
Dieselölkapazität über einen gegebenen Zeitraum für verschiedene
Einsatzanforderungen ausreichend dimensioniert ist.
Zur Überprüfung der Stabilität und der Manövrierfähigkeit sind die
Massenverteilungen sehr grob aufgeteilt. Bei der nächsten Entwurfsschleife wäre eine
weitere Veränderung der Schifflinien eine gute Möglichkeit, den Widerstand weiter zu
reduzieren und gleichzeitig das GM zu vermindern: Wenn der Kimmradius
vergrößert würde und die Seite des Schiffes nicht senkrecht zur Wasserfläche,
sondern in einem kleinen Winkel nach unten verlaufen würde, würde sich der
Gewichtsschwerpunkt weiter nach oben verlagern. Außerdem ist damit die Gefahr
sich hochkant stellender Eisschollen geringer. Die Ballastwasserkapazität ist meines
Erachtens hoch genug, um trotz der vorgeschlagenen Veränderung der
Schiffsrumpfform eine Tiefertauchung von 2m zu gewährleisten.
Von T&S wurde ein Balkenkiel über die gesamte Schiffslänge gefordert. Diese
Forderung habe ich ab dem Pumpjet eingehalten. Im Vorschiffsbereicht noch einen
3m langen zusätzlichen Balkenkiel anzusetzen, erbringt meines Erachtens in keiner
Einsatzsituation Vorteile.
Bei Seegangsberechnungen sollte überprüft werden, ob ein Pfahlzug von 160t bei
gegebenen Wetter- und Seegangsbedingungen eingehalten werden kann. Außerdem
ist darauf zu achten, dass die maximale Aufwärtsbeschleunigung auf
Hubschrauberlandedeck bei gegebenem Seegang nicht den Grenzwert von 0,5 m/s²
übersteigt. Leider war es mir zeitlich nicht möglich, diese Berechnungen
durchzuführen.
Seite 58

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Das Konzept Sicherheitsschiff mit einem variablen Tiefgang ist eine gute Antwort auf
den vom Bund geforderten Tiefgang von 6m für einen Notfallschlepper in der
Deutschen Bucht.
Seite 59

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
8. Literatur- und Quellenverzeichnis
1. Klassifikations- und Bauvorschriften des Germanischen Lloyd, I. Schiffstechnik, Teil 1
Schiffskörper, 2000
2. Carsten S. Wibel, Schiff & Hafen, Heft 11/2000, Seite 31f: „Sicherheitsschiff für Nord- und
Ostsee“
3. H. Schneekluth “Hydromechanik zum Schiffsentwurf”, 3. Auflage 1988
4. M. Kloppenburg: Widerstand und Propulsion, Vorlesungsmanuskript sowie die Skripte zu den
„Physikalisch Technischen Laboren“.
5. W. Abicht „Einführung in die Projektarbeit“, Vorlesungsmanuskript Nr.38, 1987
6. H. Schneekluth & V. Bertram „Ship Design for Efficiency and Economy”, 1998
7. Stefan Krüger „CAD Einsatz im Schiffsentwurf“, Vorlesungsmanuskript sowie online
Dokumentation in E4, 1999/2003
8. Internetpräsentation der Firma SSW Fähr- und Spezialschiffbau GmbH: http://www.sswfaehr.com,
(10.2003)
9. H. Söding „Das Wellenwiderstands-Programmsystem Kelvin“, Institut für Schiffbau, Hamburg,
1999.
10. Stefan Krüger „Einfluß moderner Entwurfsmethoden auf die Produktentwicklung einer Werft“,
Jahrbuch der STG 92. Band, 1998
11. Internetpräsentation der Firma Schottel: http://www.schottel.de, (20.12.2000)
12. S. Bühring, Studienarbeit „Entwurfsstudie eines Mehrzweckschleppers für die Deutsche Bucht“
09/2001
13. M. Bentin, Studienarbeit „Entwurfsschleife für Hafenschlepper“, 1999
14. L. Laubenstein, Studienarbeit „Stabilitätsvorschriften von Schleppern“, 2000
15. International Maritime Organization (IMO): Resolution A749(18) , Resolution 75(69), MSC
Circ.884 und SLF 42/Inf.6
16. K. von Dokkum „Ship Knowledge, a modern encyclopedia”, 2003
17. Thomas Hackmann „Electric Propulsion and Power Plants
Applied in Recent Tanker Newbuildings”, Jahrbuch der STG 88. Band, 1994
18. Internetpräsentation der Firma Rolls Royce: http://www.rollsroycemarine.com, (09.2003)
19. Internetpräsentation der Firma ABB: http://www.abb.com, (09.2003)
20. Internetpräsentation der Firma MAN B&W: http://www.manbw.de, (16.09.2003)
21. Hans Gerd Knoop „Sicherheits- und Notfallkonzept Deutsche Bucht“, Schiff & Hafen
10/1997, Seite 76 f.
22. Internetpräsentation des Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (bmvbw):
http://www.bmvbw.de (09.2003)
23. Schiff & Hafen, Hefte 12/98 und 1/99, SUBS „Neuwerk“: „Ein in der technischen Ausführung
einmaliges Mehrzweckschiff“
24. Carsten S. Wibel „Der herkömmliche Bergungsschlepper genügt den Anforderungen nicht mehr“,
Schleppschifffahrt & Bergung (eine Sonderbeilage der „Deutsche Schiffahrts-Zeitung), Seite 5ff,
06/2000
25. Internetpräsentation der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung der Bundesrepublik Deutschland:
http://www.wsv.de (09.2003)
26. Report of Lord Donaldson’s Inquiry into the prevention of pollution from merchant shipping,
“Safer ships, clearer seas”, 05/1994
27. Hans-Jürgen Golchert „Schiffssicherheit und mariner Umweltschutz – Übersicht über Tendenzen,
Zielvorstellungen und neue Rechtsvorschriften am Beginn eines neuen Jahrtausends“, Verband
Deutscher Reeder e.V., STG-Reedereisprechtag am 25.Januar 2001 in Hamburg
28. Internetpräsentation der GAUSS (Gesellschaft für Angewandten Umweltschutz und Sicherheit im
Seeverkehr mbH, Bremen: http://www.gauss.org (09.2003), insbesondere die Materialsammlung
zum Thema Sicherheit- und Notfallkonzept Deutsche Bucht (Stand 12.01.1999)
29. Uwe Gragen, Joachim Gloel „Ein neues hocheffizientes Antriebssystem“, Schiff & Hafen 10/1997,
Seite 40 ff
30. Internetpräsentation der Schutzgemeinschaft Deutsche Nordseeküste e.V.: http://www.sdnweb.de
(09.2003), u.a. der Bericht vom SDN-Kolloguium „Sicherheit im Seeverkehr“.
31. H. Söding „Manövrierfähigkeit von Schiffen“, Vorlesungsmanuskript, 1995
Seite 60

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
9. Glossar
Bezeichnung
CFD
CAD
E4
SSW
GL
FSG
Pfahlzug
T&S
Bugsier
Schottel
Rolls Royce Marine
/ Mermaid
ABB / Azipod
HL, VL
C B
Fn
Cp
SSP
IMO
SeeBG oder SBG
VPP
FDS
ISM
Pod
LCG
VCG
Erklärung
Computational Fluid Dynamics
Computer-Aided Design
computergestützte Konstruktion/Entwurf
Entwurfs- und Optimierungsprogramm
SSW Fähr- und Spezialschiffbau GmbH, Werft
Germanischer Lloyd, Klassifikationsgesellschaft
Flensburger Schiffbau-Gesellschaft, Werft
Unter Pfahlzug versteht man den Trosenzug, den ein
festgehaltenes Schiff aufbringen kann. Er stellt den größten Zug
dar, den ein Schiff aufbringen kann.
T&S Transport & Service GmbH & Co KG, Reederei
Reederei- und Bergungs- Gesellschaft mbH & Co.
Schottel GmbH & Co. KG, Propulsionshersteller
Rolls-Royce AB – Kristinehamn, Schweden / Mermaid Pod
propulsion system
ABB Industry Oy Marine Group – Helsinki, Finland / Azipod©
Propulsion System
hinteres Lot, vorderes Lot
Blockkoeffizient / Völligkeitsgrad
Froude Zahl
Druckdifferenzenbeiwert
Siemens-Schottel Propulsor
International Maritime Organization
See Berufsgenossenschaft
Verstellpropeller
Forschungszentrum des Deutschen Schiffbaus in Hamburg
Institut für Schiffs- und Meerestechnik der Technischen
Universität Berlin
Antriebssystem mit einer Unterwassergondel in der der
elektrische Antriebsmotor mit untergebracht ist.
longitudinal centre of gravity
vertical centre of gravity
Seite 61

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbilungs- und Tabellenverzeichnis:
Tabelle 2: Hauptdaten, Ausgangsschiff ...........................................................................................6
Abbildung 1: Seitenlinienriss und Wasserlinienriss, Ausgangsschiff.................................................... 7
Abbildung 2: Spantenriss, Ausgangsschiff........................................................................................8
Abbildung 3: Widerstandsvorhersage der SSW für das Ausgangsschiff, T = 5m
................................ 9
Abbildung 4: Einteilung der Ballastwassertanks.............................................................................. 10
Abbildung 5: Propellerfreifahrtdiagramm Ka 4-70 in Düse 19a (in E4 erstellt) .................................. 12
Abbildung 6: Pod SSP5 mit Twin-Propeller..................................................................................... 12
Abbildung 7: Düsenpropeller ........................................................................................................ 12
Abbildung 8: Pumpjet SPJ520....................................................................................................... 13
Abbildung 9: Verstellpropeller....................................................................................................... 13
Abbildung 10: Widerstandsvorhersagen für das Ausgangsschiff, T = 5m
....................................... 15
Abbildung 11: Gittergenerierung zur CFD-Berechnung nach Kelvin.................................................. 16
Abbildung 12: Druckverteilung am Rumpf bei v = 17kn
und T = 5m
, Ausgangsschiff, Bugansicht.. 16
Abbildung 13: Druckverteilung am Rumpf bei v = 17kn
und T = 5m
, Ausgangsschiff, Heckansicht 17
Abbildung 14: Wellenbild bei T = 5m
, v = 17kn
, Ausgangsschiff.................................................. 17
Abbildung 15: Vergleich der Widerstandsvorhersagen mit CFD, Ausgangsschiff, T = 5m
................. 18
Abbildung 16: Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm für das Ausgangsschiff .................................. 19
Tabelle 3: Kapazität der einzelnen Ballastwasser-Tanks, Ausgangsschiff.......................................... 20
Tabelle 4: Vergleich Entwurfsforderungen – Ausgangszustand........................................................ 22
Abbildung 17: Seitenlinienriss und Wasserlinienriss, Schlepper mit Pod ........................................... 24
Abbildung 18: Spantenriss, Schlepper mit Pod ............................................................................... 25
Tabelle 5: Schiffsdaten, Schlepper mit Pod.................................................................................... 25
Abbildung 19: Druckverteilung am Rumpf bei v = 18kn
und T = 5m
, Schlepper mit Pod, Bugansicht
.......................................................................................................................................... 26
Abbildung 20: Druckverteilung am Rumpf bei v = 18kn
und T = 5m
, Schlepper mit Pod, Heckansicht
.......................................................................................................................................... 27
Abbildung 21: Wellenbild bei T = 5m
, v = 18kn
, Schlepper mit Pod ............................................. 27
Abbildung 22: Widerstandsvorhersage nach SSW und CFD-Berechnungen, Schlepper mit Pod.......... 28
Abbildung 23: Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm für den Schlepper mit Pod............................. 29
Abbildung 24: Ballastwassertanks in E4......................................................................................... 30
Tabelle 6: Kapazität der einzelnen Ballastwasser-Tanks, Schlepper mit Pod ..................................... 31
Abbildung 25: Propellerfreifahrtdiagramm Ka 4-55 in Düse 19a (in E4 erstellt) ................................ 33
Abbildung 26: schematische Darstellung eines Azipods .................................................................. 34
Tabelle 7: Vergleich Entwurfsforderungen – Schlepper mit Pod....................................................... 35
Abbildung 27: Hauptdaten, Schlepper mit VPP............................................................................... 36
Abbildung 28: Seitenriss und Wasserlinienriss, Schlepper mit VPP................................................... 37
Abbildung 29: Spantenriss, Schlepper mit VPP............................................................................... 38
Abbildung 30: Druckverteilung am Rumpf bei v = 18kn
und T = 5m
, Schlepper mit VPP, Bugansicht
.......................................................................................................................................... 39
Abbildung 31: Druckverteilung am Rumpf bei v = 18kn
und T = 5m
, Schlepper mit VPP, Heckansicht
.......................................................................................................................................... 39
Abbildung 32: Wellenbild bei T = 5m
, v = 18kn
, Schlepper mit VPP............................................. 40
Abbildung 33: Widerstandsvorhersage nach SSW und CFD-Berechnungen, Schlepper mit VPP.......... 41
Abbildung 34: Geschwindigkeits-Leistungs-Diagramm für den Schlepper mit VPP............................. 41
Tabelle 8: Vergleich Entwurfsforderungen – Schlepper mit VPP ...................................................... 43
Tabelle 9: Zusammenfassung der Eingangsdaten für die Gewichtsabschätzung ............................... 45
Tabelle 10: abgeschätzte Gewichte mit jeweiliger Schwerpunktslage, Schlepper mit Pod.................. 47
Tabelle 11: abgeschätzte Gewichte mit jeweiliger Schwerpunktslage, Schlepper mit VPP.................. 47
Tabelle 12: Aufstellung der Zuladung des Schiffes ......................................................................... 48
Tabelle 13: Zusammenfassung der metazentrischen Höhen für die Ladefälle ................................... 49
Abbildung 35: Anfangs-GM und Hebelarmkurve bei einer Tiefertauchung auf T=7m ........................ 49
Abbildung 36: Längskraft Pod....................................................................................................... 50
Abbildung 37: Querkraft Pod ........................................................................................................ 51
Abbildung 38: Drehmoment Pod ................................................................................................... 51
Seite 62

Optimierung des Heckbereichs eines Bergungsschleppers mit variablem Tiefgang
Abbildung 39: Längskraft Ruder.................................................................................................... 52
Abbildung 40: Querkraft Ruder ..................................................................................................... 53
Abbildung 41: Drehmoment Ruder................................................................................................ 53
Abbildung 42: Drehkreisversuch ................................................................................................... 54
Abbildung 43: Zickzack-Manöver................................................................................................... 55
Tabelle 14: Ergebnisse der Überprüfung der Manövrierfähigkeit...................................................... 56
Abbildung 44: Gierstabilität des Schleppers mit Pod-Antrieb ........................................................... 57
Anhang A: Generalplan
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