Het wordt in de toekomst mogelijk om de vorm van scheepsschroeven zodanig te optimaliseren, dat er minder brandstof wordt gebruikt en slijtage als gevolg van cavitatie wordt verkleind. Dit gebeurt met behulp van wetenschappelijk gefundeerde data van onderzoekers van het Institut für Allgemeine Elektrotechnik van de Universität Rostock De wetenschappers werken aan een verdere verfijning van het commerciële meetsysteem voor wereldwijd opererende onderzoekscentra voor de scheepsbouw.
De onderzoekers hebben een meetsysteem ontwikkeld, dat in staat is om de kleinste partikeltjes en belletjes (van 0,001 mm tot 0,1 mm) op een afstand van 2 m contactloos op meten en de resultaten onmiddellijk te presenteren. Daardoor is het ook mogelijk om in de stromingskanalen van testinstallaties voor de scheepsbouw en op de zee aan het echte schip onder ruwe omstandigheden micropartikels te meten zonder een monster te nemen.
Uitdagingen
Het instituut is al lang actief op het gebied van op laser gebaseerde snelheids- en partikelmeettechniek. De uitdaging van vandaag (hoge brandstofprijzen en klimaatdebatten) dwingt rederijen om bij de bouw van nieuwe schepen anders te denken. Momenteel vormen de energiekosten ongeveer de helft van de bedrijfskosten in de scheepvaart. Dalende vrachttarieven vergroten daarnaast de behoefte aan een zo efficiënt mogelijke techniek.
Dat is de reden voor onderzoek naar nieuwe scheepsrompontwerpen en schroefgeometrieën door Noordduitse scheepswerf-onderzoekscentra en universiteiten. Wie vandaag een oceaanreus laat bouwen, eist niet alleen voldoende transportcapaciteit maar ook hoge efficiëntie.
Al sinds 2009 worden samen met industriële en hogeschool partners onderzoeksprojecten uitgevoerd om de prognose voor meer efficiency van schepen veilig te stellen. Reders willen weten hoe het schip, de motor en de schroef moeten worden gebouwd om in de praktijk zo min mogelijk brandstof te verbruiken en zo veilig mogelijk te kunnen varen over de wereldzeeën.
Cavitatie
De zogenaamde cavitatie-effecten bij scheepsschroeven ontstaan bij de overgang van de zuigzijde van de schroef naar de perszijde. Ze zorgen ervoor dat belletjes eerst worden losgerukt om daarna in de buurt van de schroef te imploderen. Cavitatie wordt als volgt verklaart: als vloeistof met een hoge snelheid stroomt terwijl een object zich snel door de vloeistof beweegt, kunnen spontaan dampbellen ontstaan. Dit fysieke effect wordt aangeduid als cavitatie. In water kan dit al optreden bij een snelheid van 14 m/s. Cavitatie zorgt voor een hogere slijtage en vermindert de efficiëntie van de aandrijving.
Het onderzoeksteam heeft dit complexe effect onderzocht en wiskundig samengevat, waardoor in de toekomst een hoogwaardige schroefgeneratie mag worden verwacht. Door de data uit het meetsysteem van de onderzoekers uit Rostock wordt het voor de numerieke analyse in de toekomst mogelijk, om de schroefvorm zodanig te optimaliseren dat minder brandstof wordt verbruikt en de slijtage aan de schroef door de invloed van cavitatie kan worden verminderd. Ondertussen werken de onderzoekers aan een verdere verfijning van een commercieel meetsysteem voor de wereldwijd opererende testinstituten.
Onderzoek naar meetsysteem
Het onderzoeksteam heeft uitgebreide modeltesten uitgevoerd met stromings- en cavitatiekanalen. Ook is de speciaal uitgeruste veerboot voorzien van speciale meettechniek. Op deze manier werden in testopstellingen en op de open zee metingen gedaan aan micropartikels en geëvalueerd.
De optische 3D meettechniek heeft een sleutelfunctie in het onderzoek naar efficiëntere scheepsbouw in Rostock. Hiermee kunnen drie ruimtelijke snelheidscomponenten van de stroming worden vastgesteld en partikels kunnen worden gekarakteriseerd en geclassificeerd. Het instituut heeft de Hydrodynamic Nuclei Concentration Technique (HDNC) vanaf 2012 zo ver doorontwikkeld, dat deze niet alleen functioneert onder laboratoriumomstandigheden maar ook op een RORO-veerboot, die vaart tussen Rotterdam en Dublin.
HDNC
De HDNC-techniek is een op laser gebaseerd proces en is een doelgerichte doorontwikkeling van de Interferometric Particle Imaging techniek. De stroming wordt daarbij met een groene laserstraal doorgelicht en met een camera door een optiek onscherp opgenomen. Het resultaat is afbeeldingen van partikels, die een interferentiepatroon vertonen.
De analyse van het interferentiepatroon levert de partikelklasse en de grootte van de bellen. De onderzoekers hebben de belletjes onder het schip in de stroming naar de schroef geanalyseerd en voor de numerieke cavitatie onderzoeken aan de TU Hamburg beschikbaar gesteld.
Daarnaast biedt het principe uitgebreide toepassingsmogelijkheden in de meettechniek. Bij de Universität Rostock wordt de techniek gebruikt voor onderzoek van 3D printprocessen en voor het blootleggen van luchtinsluitingen in epoxyhars. In de spuitdiagnose kunnen de onderzoekers de grootteveranderingen van partikels tijdens het vriesdrogen meten.
Net als producenten van scheepsschroeven zijn ook fabrikanten van pompen geïnteresseerd in het cavitatie-onderzoek, omdat cavitatie een ongewenst proces is dat zorgt voor extra slijtage en trillingen. In zijn totaliteit is het door de universiteit ontwikkelde HDNC meetsysteem interessant voor veel industriegebieden, waar het om het meten van de kleinste druppeltjes of belletjes gaat.
