Berechnung und Konstruktion: Antriebssysteme für einige der größten Schiffe

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Schiffe halten die Weltwirtschaft in Bewegung. Ob es sich um Supertanker handelt, die uns mit Rohöl aus dem Nahen Osten versorgen, Containerschiffe, die Waren aus Asien anliefern, oder um Autotransporter, die in Europa produzierte Fahrzeuge in die ganze Welt bringen – die Reedereien erbringen jährlich eine Transportleistung von rund 60 Milliarden Tonnen-Kilometern. Das ist viermal soviel wie am Ende der 1960er Jahre. Um diesen enormen Anstieg zu bewältigen hat sich die maritime Transportindustrie in den letzten Jahrzehnten grundlegend verändern müssen. Die Schiffe sind größer und effizienter geworden, während die Reedereien gleichzeitig darum kämpfen, die Kosten angesichts ständig steigender und immer unberechenbarer Kraftstoffpreise im Griff zu behalten. Die Ingenieure in der Schiffsentwicklung stehen unter dem dauernden Druck, die Leistung und Zuverlässigkeit der Schiffe und ihrer Systeme zu verbessern. Nirgends ist dieser Druck deutlicher zu spüren als bei einer der wesentlichsten Komponenten moderner Schiffe: der Schiffsschraube.


MAN Diesel & Turbo mit Sitz in Deutschland steht beim Streben nach höherer Leistung von Schiffsantrieben an vorderster Front. MAN entwickelt und baut Antriebssysteme für Schiffe mit Leistungen von 4 bis 40 MW, Schiffsschrauben mit Verstellpropellern (CPP) mit bis zu 11 m Durchmesser und noch größeren Durchmessern bei Festpropellern. Maple, die weltweit führende Software für technische Berechnungen von Maplesoft, spielt eine wichtige Rolle dabei, diese Propeller effizient und zuverlässig zu machen und so die Kosten niedrig zu halten.


Schon 1897 hat MAN in Zusammenarbeit mit Rudolf Diesel, dem Erfinder des nach ihm benannten Motors, den ersten Dieselmotor gebaut. Das Unternehmen stellt seit 1902 Schiffsschrauben her und hat seither über 7’000 Propelleranlagen entwickelt, gefertigt und gewartet.


Moderne Verstellpropeller wie die Serie MAN Alpha CPP verbessern die Effizienz und Manövrierfähigkeit der Schiffe. Bei dieser Art von Propellern ist der Winkel der Blätter verstellbar, um unter allen Bedingungen ein optimales Verhältnis von Motordrehzahl und Fahrgeschwindigkeit zu erreichen und so die Effizienz des Antriebs zu maximieren und eine genaue Steuerung der Geschwindigkeit des Schiffs zu ermöglichen. Dies ist z.B. beim Manövrieren in Häfen sehr wichtig. Die Blätter können sogar soweit verstellt werden, dass sich die Antriebsrichtung umkehrt. Bei dieser Lösung entfällt die Notwendigkeit eines getrennten Umkehrgetriebes bzw. eines umsteuerbaren Motors.


Mads Hvoldal arbeitet als Maschinenbauingenieur beim MAN Diesel & Turbo Propulsion Competence Centre im dänischen Frederikshavn. Er gehört dort zu dem Team, das die mechanischen und hydraulischen Steuersysteme für die Verstellung der Propellerblätter entwickelt. „Wir produzieren eine Reihe von Standardausführungen, aber es liegt in der Natur der Branche, das viele Antriebssysteme speziell für einzelne Schiffe entwickelt werden“, erklärt er. Bei hoher Nachfrage nach neuen Schiffen ist die Entwicklung Hunderter verschiedener Konstruktionen pro Jahr nichts Außergewöhnliches. Dazu wird ein Softwaresystem benötigt, das robust und flexibel ist.


 „Wir beginnen mit den Grundspezifikationen, dem verfügbaren Druck des Hydrauliköls, der Größe des Propellers und der Geschwindigkeit, mit der die Blätter verstellt werden sollen“, so Hvoldal. „Anhand dieser Parameter berechnen wir die benötigten Größen der Komponenten, und dies sowohl für Standardteile wie Bolzen und Flansche als auch für die eigens entwickelten Komponenten des Systems. Anschließend geben wir diese Abmessungen für die detaillierte Entwicklung in unser Pro/Engineer 3D Modellierungssystem ein.“


Die Berechnungen zur Dimensionierung der Teile sind komplex, denn es müssen die Eigenschaften der hydraulischen Steuersysteme und der eingesetzten Werkstoffe berücksichtigt werden. Die sind besonders kritisch, weil Getriebe unter den rauen Bedingungen des Schiffsbetriebs über lange Zeit gut und zuverlässig funktionieren sollen. Die Schifffahrt gehört zu den Bereichen, wo der Kostendruck besonders hoch ist. Daher kommt eine Überdimensionierung der Teile nicht in Frage. Nach sorgfältiger Überlegung ist Maple ausgewählt worden, um diesen komplexen Entwicklungsprozess zu unterstützen. Vor allem ist die Entscheidung für Maple wegen seiner Geschwindigkeit und Genauigkeit gefallen.


„Wir haben begonnen, Maple für unsere Berechnungen bei der Konstruktion einzusetzen, und dabei ein anderes Mathematik-Softwarepaket ersetzt“, erklärt Hvoldal. „Bei dem anderen System mussten wir alle relevanten Gleichungen aus ihrem ursprünglichen Format in die Sprache des Systems umsetzen, bevor wir die Berechnungen durchführen konnten. Diese Vorgehensweise war zeitaufwendig, denn die Umsetzung musste von Hand erfolgen und nochmals überprüft werden. Ich hatte schon einiges an Erfahrung aus dem Einsatz von Maple bei der Entwicklung von Hydrauliksystemen in einer anderen Funktion. Dadurch waren mir die potenziellen Vorteile für unsere jetzige Arbeit klar.“ Der eigentliche Vorteil von Maple ist laut Hvoldal der, dass die Ingenieure die Gleichungen für die Entwicklung in ihrer ursprünglichen Form direkt in das System eingeben können. „Dadurch ist Maple im Einsatz schneller und es wird weniger Zeit für Überprüfung und Debugging des Codes benötigt.“


Das Propulsion Competence Center von MAN Diesel & Turbo in Frederikshavn setzt Maple seit rund sechs Monaten ein, und seine Leistung, Geschwindigkeit und Effizienz hat die Ingenieure überzeugt, dass dieses System das Potenzial bietet, seinen Einsatz künftig erheblich auszuweiten. „Bisher ersetzt Maple unser vorheriges System bei den Konstruktionsberechnungen”, schließt Hvoldal. „Wir untersuchen nun die Möglichkeit, Standardmodelle zu erstellen, um den Ablauf weiter zu vereinfachen und zu automatisieren, sowie eine Automatisierung der Verbindungen zwischen unseren anfänglichen Berechnungen und den detaillierten Modellen der Teile im 3D-CAD-System zu erreichen.“

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