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Zustromdüse zur Verbesserung des Schiffsantriebs ein Erfolg

Ein vor gut zehn Jahren auf den Markt gebrachtes einfaches Strömungsleitelement für Schiffe erspart mittlerweile weltweit pro Jahr eine Treibstoffmenge, die dem Verbrauch des gesamten deutschen Straßenverkehrs in drei Tagen entspricht.

An mehr als 800 Schiffen in aller Welt befindet sich mittlerweile, unsichtbar unter Wasser angebracht, eine Zustromdüse nach dem Patent von Herbert Schneekluth, der diese Vorrichtung Anfang der achtziger Jahre als Professor für Schiffbau an der RWTH Aachen entwickelt hat (Spektrum der Wissenschaft, Januar 1985, Seite 20). Es handelt sich um die neuartige Anwendung und wirkungsvolle Anordnung eines bekannten Strömungsleitelementes mit verblüffend einfachem Aufbau: eine Ringdüse mit Tragflügelprofil, die in zwei Halbschalen oberhalb der Propellerwelle dicht vor der Schiffsschraube angeordnet ist (Bild 1). Sie läßt sich auch nachträglich während einer routinemäßigen Dockung (zu Revision und Bodenanstrich) anbauen und erfordert keinerlei Änderungen am Propeller oder an sonstigen Bauteilen. Weil die Vorrichtung relativ zum Schiff verschwindend klein ist, kann sie unbedenklich mit großen Materialstärken sehr robust ausgeführt werden.

Wie wirkt die Zustromdüse, und welche Vorteile bringt sie? Die Antriebskraft eines Schiffes entsteht durch die vom Propeller erzeugte Strahlbeschleunigung in Verbindung mit weiteren Strömungsvorgängen, die insgesamt eine starke, komplizierte Wechselwirkung zwischen Rumpf und Propeller hervorrufen. Die gesamte von der Schiffsmaschine abgegebene Nutzleistung verbleibt im Wasser – in Gestalt der Strahlverluste des Propellers, der vom Schiff erzeugten Fahrtwellen und Wirbel sowie der Wassermassen, die infolge der Zähigkeit des Wassers am und hinter dem Schiff in Fahrtrichtung mitgeschleppt und als Mitstrom bezeichnet werden.

Natürlich versucht man, diese Verlustenergie möglichst gering zu halten. Zum Beispiel lassen sich durch eine große Propellerfläche die Strahlverluste reduzieren. Außerdem nutzt man einen Teil der Mitstromenergie für den Vortrieb aus, indem man einen Einzelpropeller – der bei Supertankern dann riesige Ausmaße hat – mittschiffs am Heck anordnet. Dort erfaßt er die mitlaufenden Wassermassen am besten, weil er im Zentralbereich des Mitstromes arbeitet. Diese Anordnung bringt einen erheblichen Gewinn beim Schub; allerdings verursacht sie auch Komplikationen: Durch die extrem ungleichmäßige Zuströmung des großen Mittelpropellers verschlechtert sich dessen Wirkungsgrad; zudem kommt es zu heftigen Vibrationen und Kavitationserscheinungen (kalte Dampfblasen, die durch extremen örtlichen Unterdruck entstehen und schlagartig kollabieren), wenn die Flügelspitzen den Bereich des stärksten Mitstroms im oberen Segment des Propellerkreises durchqueren.

Man kann die Schraube zwar mit konstruktiven Finessen gegen diese Störungen unempfindlicher machen und die Zuströmung durch geeignete Formung des Hinterschiffs gleichmäßiger gestalten; beides erhöht aber den Bauaufwand. Auf einfachere Weise und – zumindest partiell – noch wirkungsvoller läßt sich der Vortrieb dagegen mit hydrodynamischen Zusatzsystemen verbessern, die gezielt auf einzelne Strömungseffekte und örtliche Störungen einwirken. Zu diesem Zweck wurden neuerdings mehrere Strömungsleitsysteme entwickelt, von denen die Zustromdüse eines der einfachsten und das bisher weitaus erfolgreichste ist.

Ihre Wirkung beruht primär darauf, daß sie mit ihrem Tragflügelprofil eine Zirkulationsströmung um den Düsenring erzeugt, welche die Strömung im Inneren der Düse beschleunigt und außerhalb verzögert. Die Folge ist eine Umverteilung der Geschwindigkeiten innerhalb des Mitstrombereiches. In dem am schlechtesten mit Wasser versorgten oberen Segment des Propellerkreises erhöht die Düse die Zuströmgeschwindigkeit und kompensiert damit teilweise die Ungleichförmigkeit des Anströmfeldes. Die erforderliche Beschleunigungsenergie wird dem Mitstromfeld außerhalb der Düse entzogen, also aus sonst nicht nutzbarer Verlustenergie gewonnen. Auf dieser Wirkung beruht die ursprüngliche Bezeichnung Zustromausgleichsdüse.

Ein zweiter Nutzeffekt ist allerdings noch bedeutsamer: Die Düse unterdrückt in ihrem Inneren und im Bereich davor das Ablösen der Strömung von der Schiffswand, das an dieser Stelle normalerweise einsetzt, und verringert so die ungünstige Unterdruckwirkung (den Sog) vor dem Propeller. Dank des verbesserten Vorschubs durch diese beiden Haupt- und einige Nebeneffekte läßt sich eine bestimmte Geschwindigkeit mit weniger Leistung und entsprechend vermindertem Brennstoffbedarf einhalten. Der Gewinn beträgt durchschnittlich 6, in Einzelfällen bis zu 10 Prozent.

Die Leistungsersparnis ist allerdings nur einer der Vorteile der Schneekluth-Düse. Durch den Zustromausgleich nehmen auch die Vibrationen ganz erheblich ab. Dies ist ein nicht zu unterschätzender Aspekt, wenn man bedenkt, daß auf modernen Frachtschiffen die Aufbauten – der Arbeits- und Lebensbereich der Besatzung – sehr weit achtern liegen, also unmittelbar im Gebiet der stärksten Schwingungen über dem Propeller.

Anfänglich bildete die Treibstoffersparnis den Hauptgrund für den Einbau der Düse. Bis 1985 war sie so hoch, daß sich die Nachrüstung bei einem Schiff mit hoher Leistung und kurzen Liegezeiten in nur vier Monaten amortisierte. Die Verringerung der Vibrationen erschien dabei mehr als eine erfreuliche Zugabe. Als 1986 wegen eines deutlichen Preisrückgangs beim Erdöl die Brennstoffeinsparung wirtschaftlich weniger ins Gewicht fiel, erwies sich die Vibrationsminderung, deren Effekt in der Praxis geradezu spektakulär sein kann, als zusätzlicher Anreiz für den Einbau der Düse.

Weitere Gründe für ihren wirtschaftlichen Erfolg waren die Einfachheit und Wartungsfreiheit, so daß den erzielten Antriebsverbesserungen keine betrieblichen Risiken und Kosten gegenüberstehen. Bewährt hat sich auch das von Anfang an verfolgte Konzept, die Lizenzerteilung und Einbauberatung prinzipiell mit der Lieferung der vorgefertigten Düse – wenn nötig per Luftfracht nach Übersee – zu koppeln. Dies garantierte nicht nur einen ausreichenden Erfahrungsrückfluß, sondern sicherte auch einige Arbeitsplätze in Deutschland.

Die mit Zustromdüsen ausgerüsteten Schiffe überdecken das gesamte Spektrum der Schiffstypen und -größen vom Binnenschiff bis zum Supertanker mit 300||000 Bruttoregistertonnen, dessen Düse einen Innendurchmesser von 4,6 Metern erreicht. Zusammengenommen haben sie eine Antriebsleistung von ungefähr 6 Millionen Kilowatt und sparen dank der Düsenwirkung etwa 400||000 Tonnen Öl pro Jahr ein – das Äquivalent des gesamten Treibstoffverbrauchs durch den Straßenverkehr in Deutschland an drei Tagen.

Für die Weiterentwicklung der Zustromdüse zeichnen sich drei Hauptrichtungen ab. Zum einen wird an einer besonderen Ausführung für Doppelschrauber gearbeitet; speziell bei großen Passagierschiffen steht hier die Vibrationsminderung im Vordergrund. Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Kombination der Zustromdüse mit weiteren Strömungsleitelementen; bisher wurden überwiegend Großausführungen in Zusammenarbeit mit anderen Lizenzgebern erprobt. Eine wichtige Voraussetzung ist, daß die gleichzeitig angewandten Systeme ihre Rückgewinne aus verschiedenen Verlustquellen der Umströmung des Hinterschiffs erzielen, so daß sich die Einzelverbesserungen addieren. Besonders interessant ist die Kombination mit dem Spoiler-System, das Hermann Grothues- Spork an der Versuchsanstalt für Wasserbau und Schiffbau in Berlin entwickelt hat. Dabei handelt es sich um Leitflossen, die eine häufig vorkommende schädliche Fallströmung entlang der Schiffswand nutzbar machen – durch Umlenken in eine Richtung, die für den Antrieb generell, aber auch speziell für die Funktion der Zustromdüse günstiger ist (Bild 2).

Ein wichtiges künftiges Anwendungsgebiet ist schließlich die bisher kaum genutzte Möglichkeit, beim Entwurf von Schiffsneubauten von vornherein Hinterschiffsform, Propellerkonstruktion und Zustromdüse optimal aufeinander abzustimmen. Unter diesen Umständen lassen sich auf einfache Weise hydrodynamische Forderungen erfüllen, die bisher nur mit hohem konstruktivem und baulichem Aufwand – und entsprechenden Kosten – zu realisieren waren.



Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 1998, Seite 25
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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