Techniek&innovatie
De FDHF van Van Oossanen Naval Architects is toegepast op het motorjacht ‘Galactica Star’ van Heessen Yachts.

Slim ontwerpen werpt zijn vruchten af


Zuinig zonder boeg- of hekgolf

Branche: Jachtbouw & Watersport, Scheepsbouw | Auteur: Hans Buitelaar | Publicatiedatum:

Naast zuinige motoren, minder vervuilende brandstoffen en slim energiemanagement wordt ook gewerkt aan zuinige schepen door rompvormen te ontwikkelen die minder weerstand ondervinden in het water. Een overzicht van recente ontwikkelingen.

“We maken onderscheid tussen een romp met weinig weerstand en een efficiënte romp”, zet Jan Jaap Nieuwenhuis uiteen, manager Design Department bij Conoship. “Vooral voor de relatief langzaam varende schepen die momenteel veel gevraagd worden, is een romp met een lage weerstand niet altijd de oplossing waarbij het minste vermogen nodig is voor de voortstuwing. Bij een romp met een achterschip dat weinig weerstand heeft, stroomt het water snel langs de romp en wordt het weinig ‘meegezogen’. Daardoor is het moeilijker voor de schroef om het water te versnellen en daarmee het schip voort te stuwen.

Er zijn daarentegen rompvormen die weliswaar iets meer weerstand hebben, maar waarbij de waterstroom langs de romp richting de schroef meer wordt vertraagd, waardoor de schroef makkelijker z’n werk kan doen. Het resultaat is een hogere ‘hull efficiency’ en daarmee een lager totaal benodigd voortstuwingsvermogen. We zoeken dus niet langer alleen een romp met weinig weerstand, maar naar de optimale combinatie van weerstand en hull efficiency.”

Schroefdiameter

De principes die Conoship toepast om de meest energiezuinige rompvorm voor een vrachtschip te creëren zijn al decennia bekend. Dankzij nieuwe technologie kunnen deze principes veel beter worden toegepast. Een van die principes is dat een schroef efficiënter is met een grotere schroefdiameter. Een schroef die groter is dan eigenlijk onder een schip past, zal de diepgang vergroten en is bovendien erg kwetsbaar. Bovendien veroorzaakt een schroef die te dicht bij de romp zit, te hoge geluids- en trillingsniveaus. Daarom pasten maritiem ontwerpers vaak tunnels in de romp toe om toch een schroef met een grotere diameter te kunnen benutten. Helaas levert een traditionele tunnelvorm veel extra weerstand op.

De Hull Vane vermindert de golfweerstand van schepen met wel 20 procent vermindert.“We hebben met behulp van computermodellen bestudeerd hoe de waterstromen langs de romp lopen op weg naar het achterschip”, meldt Nieuwenhuis. “Nu de rekensnelheid van computers is toegenomen en de programma’s die waterstromen in beeld brengen (CFD – computational fluid dynamics) steeds beter worden, kunnen we als scheepsontwerpers al voordat we een model testen heel goed zien hoe het water langs een romp zal stromen. Zo konden we de Cono Duct Tail ontwikkelen, waarbij de vorm van de tunnel in het achterschip zo is gekozen dat het water optimaal naar de schroef stroomt met een minimale weerstandsverhoging door de tunnel. Om de schroef is een straalbuis. Dat levert wat extra stuwvermogen van de schroef op. Bovendien is bij een straalbuis geen ‘vrijslag’ meer nodig tussen romp en schroefbladen. Door de straalbuis in de romp te integreren, is de schroefdiameter maximaal. Dat levert een uitzonderlijk hoog voortstuwingsrendement op.

Verschillen in druk

“CFD is werkelijk een grote doorbraak in het ontwerpen van hydrodynamisch beter gevormde rompen”, ervaart Albert Abma, scheepsontwerper bij Vripack Naval Architects. “Weerstand ontstaat door verschillen in de druk van het water op de romp. Dat veroorzaakt de golven. Die druk van het water op de romp wordt in CFD-programma’s met verschillende kleuren aangegeven. De druk wordt groot waar het water wordt opgestuwd en traag langs de romp stroomt. De druk wordt lager waar het snel langs de romp stroomt, op sommige plekken dus ook lager dan de druk bij een stilliggend schip. Zo hebben we de Greenstream binnenvaarttanker een stuk energiezuiniger kunnen maken. Met zo’n schip is dat eenvoudiger dan met jachten. Een schip in de beroepsvaart heeft een heel duidelijk omschreven operationeel profiel, waardoor de snelheid, de diepgang en het vaargebied voor een groot deel bekend zijn. Daar kun je een romp makkelijker voor optimaliseren dan bij schepen die een voortdurend wisselende lading, vaargebied en snelheid hebben.”

“Toch heb ik gemerkt dat slim ontwerpen zijn vruchten afwerpt”, vervolgt Abma. “Een week ‘poetsen’ in CFD levert met een beetje geluk al 20 procent weerstandsvermindering op en dus ook dat percentage aan brandstofbesparing. Dat kon vroeger niet, want voor iedere variatie op de rompvorm was weken rekenwerk nodig om de verandering in weerstand te bepalen.”

Het verbeteren van rompvormen staat niet op zichzelf, benadrukt Abma. “Het aantal liters brandstof die een schip verbruikt per afgelegde zeemijl, is altijd een resultante van drie dingen: de rompvorm, de voortstuwingstrein en het algemeen plan. Onze filosofie als ontwerpers is om deze drie in een zo vroeg mogelijk stadium van het ontwikkelen van een schip te integreren.”

Magische bulb

Ook bij Van Oossanen Naval Architects wordt gewerkt aan het hydrodynamisch verbeteren van rompen. De Fast Displacement Hull Form (FDHF) van het ontwerpbureau is inmiddels toegepast op het 65 meter lange motorjacht ‘Galactica Star’ van Heessen Yachts en bekroond met de titel ‘Best Yacht Design of the Year’ op de Asia Boating Awards. Daarnaast zijn nu twaalf schepen in aanbouw met de FDHF, waarvan elf motorjachten en één crewtender. De romp die snelheden kan halen van planerende jachten, maar toch altijd - waterverplaatsend - door het water blijft varen in plaats van eroverheen te scheren, bespaart 25 procent brandstofkosten op lagere snelheden en 15 procent op hogere snelheden ten opzichte van andere grote snelvarende jachten. Het geheim zit in een onderwater profiel dat op zowel hoge als lage snelheden nauwelijks golven veroorzaakt. Dat komt door een bijzondere bulb onder water voor de boeg. Deze bulb is breed en platter dan de gebruikelijke bulbs voor de boegen van zeeschepen. Ook wijst hij iets omhoog. De romp heeft veel volume voorin en loopt onder water redelijk vlak naar achteren omhoog om de afwatering in het achterschip heel geleidelijk te laten verlopen. Onder de kielbalk zit een forse skeg. “Het eerste schip voor de beroepsvaart waarin de FDHF toegepast wordt, is al in aanbouw”, onthult scheepsarchitect Perry van Oossanen. Helaas vereist het contract met de reder vooralsnog stilzwijgen.

Energie terugwinnen

Een tweede project van het ontwerpbureau dat de golfweerstand van schepen met wel 20 procent vermindert, is de Hull Vane. “Een horizontaal onder water onder het achterschip geplaatst roer”, omschrijft Van Oossanen het. “Deze is bedoeld om energie terug te winnen die in golven verloren gaat. Bij de meeste schepen loopt het achterschip op om de afstroming soepel te maken. Dat resulteert in een hekgolf achter het schip. De Hull Vane maakt van dat omhoog stromende water gebruik om het achterschip lift te geven. Een deel van die lift is omhoog, maar door de richting van de stroming is ook een deel van de lift naar voren. Het schip krijgt dus een extra naar voor gerichte kracht gratis erbij en ook nog eens een kleinere hekgolf, zodat minder weerstand ontstaat. Afhankelijk van de weersomstandigheden kan een Hull Vane tot 20 procent brandstof besparen.”

De toepassing is geschikt voor alle soorten schepen. “We hebben de toepassing op een kleiner cruiseschip, van 130 meter lang, doorgerekend”, meldt Van Oossanen, “Dat leverde 12 procent brandstofbesparing op. De onderwatervleugel is in onderzoek voor toepassing op marineschepen, bevoorradingsschepen voor de offshore en meer.” Het mooie van de Hull Vane is zijn eenvoud. Hij kan bovendien tegen een relatief bescheiden investering onder bestaande schepen worden geplaatst: een tamelijk simpele ingreep die retrofit kan worden toegepast en die een brandstofbesparing van zeker 10 procent oplevert.

“De bulb werkt normaal gesproken alleen echt goed bij een optimale snelheid en een optimale diepgang van het schip”, legt Nieuwenhuis uit. Op schepen met een variërend operationeel profiel heeft een bulb geen zin. Als het schip wel vaak op een vaste diepgang en met een vaste snelheid vaart, dan heeft de bulb zeker een positief effect.” De bulb veroorzaakt een eindje voor de boeg een extra boeggolf, die interfereert met de eigenlijke boeggolf van het schip. Als de snelheid en de diepgang goed zijn, schakelen de twee boeggolven elkaar uit.” De bijzondere bulb van de FDHF werkt bij een grotere variatie in snelheden, maar de diepgang is op een jacht een vaste waarde.

Slanke delen

Andere projecten die de weerstand van rompen proberen te verminderen, zijn te vinden in de bouw van motorjachten. Zo ontwikkelde Ludo van Well de ‘Zeezilt 40’, een motorjacht met een heel scherpe boeg en een smal centraal rompdeel. Om toch wat draagvermogen en volume in de romp te krijgen, loopt de boeg in twee concaven - holtes - door naar opzij. De boot is bijna een soort trimaran met drie heel slanke delen in het water. Tijdens testvaarten met een prototype van 30 voet, bleek het gevreesde dreunen van golven onder de concaaf bodem heel erg mee te vallen.

De ‘Zeezilt 40’, een motorjacht met een heel scherpe boeg en een smal centraal rompdeel.Van het schip op ware grootte is nog geen exemplaar gebouwd, al is het nieuwe vlaggenschip van reddingsbrigade KNRM, de NH1816, op dezelfde principes gebaseerd die Van Well ontwikkelde. Ook de Greenline Hybride jachten, ontworpen door de Sloveense broers Jakopin, maken gebruik van een heel scherp en slank onderwaterschip. Je kunt een boot langer op accu’s laten varen als het weinig kracht kost om vooruit te komen.

Deel deze pagina

Probeer TW

Geïnteresseerd in techniek? Kies dan voor Technisch Weekblad (TW)

TW biedt technici het laatste nieuws, achtergronden en opinie op het gebied van techniek en innovatie. TW lees je in print en altijd en overal online op je pc, tablet of smartphone. Voor studenten en starters onder de 35 jaar met een technische opleiding, is TW helemaal gratis! 

Naar de website van TW voor het laatste nieuws

Meer informatie over een abonnement

Betabanen

Maritiem Nederland

Welkom op de site van Maritiem Nederland, hét opinie- en vakblad voor de gehele maritieme sector in Nederland.

Editie MN 09-2018

Partners Maritiem Nederland