Nieuws

Thruster Design

Thrustmaster
Thrustmaster

Een blik op de technische evolutie
Lezing door Ing. W. Leenes – Thrustmaster Europe
Tekst door Ing. T. Oomkens – WordPerfectText.com
(Gepubliceerd in SWZ Maritime in november 2012)

De markt van thrusters is continu in beweging en de eisen die aan de thrusters worden gesteld evolueren uiteraard mee. Fabrikanten hebben vaak een nauwe samenwerking met naval architects, classificatiebureaus en eigenaren om tot een optimale productdefinitie te komen. Aan de hand van het eisenpakket en afhankelijk van de vraag worden de voortstuwingsinstallaties doorlopend onderworpen aan een ononderbroken ontwikkelingsproces

De laatste jaren is onder andere de vraag naar Dynamic Positioning (DP)-systemen, ten gevolge van een combinatie van de toenemende petrochemische verwachtingen van ontwikkelingslanden en de onverzadigbare ‘consumptielust’ van de bestaande traditionele grote gebruikers, toegenomen. Om aan deze toenemende behoefte te voldoen, is er een aanzienlijke verruiming van activiteit op het gebied van olie- en gasexploratie gewenst. Echter, omdat de middelen van onze planeet eindig zijn en de huidige mogelijkheden in ondiepere wateren snel worden ingevuld, geëxploiteerd en uitgeput raken, moeten we locaties verder uit de kust en op steeds grotere diepten zoeken. In diepere wateren zijn het gewicht en de toepassingsmogelijkheden van traditionele kabels en touwen beperkt, waardoor de toepassing van DP een verschillend significant voordeel heeft. Aan de andere kant is de omvang van de noordpoolijskap met ongekende snelheid aan het afnemen en met recente ontwikkelingen in offshore-technologie ligt exploratie van dit gebied binnen handbereik. Er zijn serieuze voorspellingen dat het noordpoolgebied zeer binnenkort een haalbare optie voor exploratie van minerale bronnen wordt. Hiermee is de vraag naar de bouw van grote thrusters met ijsklasse de volgende stap na “DP conversie-mania”. Uit dit oogpunt hield Thrustmaster Europe, onderdeel van Thrustmaster of Texas, op 4 oktober een lezing voor de afdeling Noord van de KNVTS over de technische aspecten die bij bovengenoemde toepassingen komen kijken. Dit artikel is een samenvatting van de hoofdpunten.

Vermogens en toepassingen
Afhankelijk van het type thruster en het soort aandrijving bestaat er een typisch vermogensbereik voor elk soort thruster. Zo vallen hoofdvoortstuwingen die met een elektro- of dieselmotor worden aangedreven in een typisch vermogensbereik van 75 tot 8000 kW. Dit vermogensbereik wordt ook toegepast op hulpvoortstuwingen met dezelfde aandrijvingen. Hydraulisch aangedreven thrusters hebben een wat kleiner vermogensbereik, namelijk 22 tot 2000 kW. Vanwege het grote bereik in vermogen, de (compacte) afmetingen en de manoeuvreerbaarheid van het vaartuig zijn thrusters inzetbaar voor een zeer groot aantal toepassingen. Hierbij kan men denken aan tunnel thrusters voornamelijk voor binnenvaarttoepassingen en kleine azimuthale thrusters bij pontjes, casinoboten en
vrachtschepen. In de offshore gaat dit nog veel verder gezien het aantal variaties in deze vaartuigen. Sleepboten, werkschepen, semi-submersibles, bevoorradingsschepen, tankers en militaire toepassingen zijn slechts een aantal voorbeelden hiervan. Een speciale toepassing van thrusters is het type dat geschikt moet zijn voor toepassing in gebieden met ijs.

Dynamic Positioning
Waar in de natuur behoefte is aan het behouden van één en dezelfde positie gedurende een bepaalde periode (denk hierbij aan een kolibri of bepaalde insecten), heeft men ook in de scheepsvaart deze behoefte bij dergelijke toepassingen. Afhankelijk van de werklocatie zijn de omgevingsvariabelen, te weten golf-, wind- en stromingsinteractie, van grote invloed op het vermogen van een schip om op positie te kunnen blijven liggen. Om de scheepsbewegingen in drie (van de zes) vrijheidsgraden onder controle te houden, kunnen thrusters worden ingezet. De drie vrijheidsgraden die we voornamelijk met thrusters kunnen controleren bevinden zich alle in het
horizontale vlak en zijn:
• de langsscheepse beweging (schrikken of surge),
• de dwarsscheepse beweging (verzetten of sway) en
• rotatie rond de verticale as (gieren of yaw).
De controleprincipes voor het behouden van de scheepspositie bestaan uit referentiesystemen en sensoren en zorgen ervoor dat het schip binnen de gestelde toleranties van de positie- en richtingslimieten blijft. Dit kan variëren van een tolerantie van enkele centimeters tot enkele meters, afhankelijk van de toepassing en uiteraard
het beschikbare budget. Verder zorgt het systeem ervoor dat het brandstofverbruik en de slijtage van de diverse mechanische componenten tot een minimum wordt teruggebracht.
Eén van de belangrijkste componenten in het systeem heet het “Extended Kalman Filter”. Eenvoudig gesteld schat dit component de richting , positie en snelheid van het schip in elk van de drie vrijheidsgraden. Daarnaast voorspelt dit component de effecten van wind, stroming en golven. Fysiek kunnen we dit filter ons voorstellen als een soort “black box”, die voorspellingen aan een stukje software voedt. In feite is een Kalman-filter niets anders dan een rekenmethode waarmee de reeksen van meetgegevens worden gefilterd op willekeurige afwijkingen en verstoringen; het resultaat is te vergelijken met de lineaire “kleinste-kwadratenmethode”. Het Extended Kalman Filter is een statistische rekenmethode die is gebaseerd op differentiaal vergelijkingen en een niet-lineaire benadering tot resultaat heeft, die “de facto” als standaard binnen de wereld van navigatiesystemen wordt beschouwd.
Dynamic Positioning (DP) kan volgens IMO in drie hoofdklassen worden ingedeeld; een oplopend niveau van klasse 1 tot klasse 3. Bij een DP-1 systeem wordt gesproken van een alleenstaand systeem waarbij bij een enkelvoudige storing verlies van positie kan voorkomen. Een DP-2 systeem is een alleenstaand tweevoudig “redundant” systeem, waarbij niet één enkelvoudige storing in een actief systeem ervoor kan zorgen dat men uit koers raakt. Storing in een statisch component (kabels, leidingen et cetera) mag/kan hierbij nog wel tot verstoring leiden. Voor een DP-3 systeem, wat ook een alleenstaand systeem is, wordt een drievoudig “redundant” systeem toegepast, waarbij het derde systeem zich ook nog eens in een geheel aparte ruimte dient te bevinden op het schip. Brand in of overstroming van een willekeurig compartiment mag dan ook niet meer leiden tot een systeemfalen. Redundant houdt, in dit geval, in dat er meervoudige gescheiden systemen zijn. Wanneer één van de systeemcomponenten uitvalt, wordt dit opgevangen door het volgende systeem, dit om fouten en ongelukken tot een minimum te beperken. Om alles eenduidig en overzichtelijk te houden, hebben classificatiebureaus elk weer hun eigen klassenaanduiding voor ieder niveau van uitrusting. Hierop gaan wij niet nader in.
Het mag duidelijk zijn dat, voor men overgaat tot het plaatsen van een DP-systeem met thrusters, er eerst een degelijke DP-studie moet worden gemaakt, waarbij de omgevingsvariabelen, de scheepsvorm en alle dekapparatuur meegenomen worden in de berekening. Het resultaat van de berekening is een zogenaamde DP capability plot waarop een windroos staat met daarin in alle richtingen de (benodigde) positiehoudende capaciteit weergegeven (een zogenaamd polar diagram). Hierbij wordt tevens rekening gehouden met de redundantie van de thrusters: in diverse scenario’s laat men in de berekening thrusters “uitvallen” en wordt de DP-plot opnieuw berekend, hieruit moet blijken of er nog genoeg capaciteit is om op positie te blijven liggen.
Om in deze complexe vraag van DP te kunnen voorzien, ook voor bestaande vaartuigen, heeft Thrustmaster of Texas een gepatenteerd voortstuwingssysteem, genaamd Portable Dynamic Positioning System (PDPS), ontwikkeld. Dit bestaat uit hydraulisch aangedreven azimuthale thrusters die ieder schip of ponton kunnen converteren tot een DP-geclassificeerd vaartuig. Speciaal voor bestaande schepen heeft de firma ook de onderwater monteerbare thrusters ontwikkeld. Deze thrusters worden voornamelijk bij grotere aandrijfvermogens, met meer dan 2000 kW, toegepast. Voor deze optie wordt vaak gekozen bij schepen waarbij men geen of slechte toegang heeft tot de machinekamer voor het installeren van de machinerie van bovenaf. Een ander voordeel is dat een schip niet het dok in hoeft en hiermee geld kan worden bespaard.

IJsklasse (Ice Class)
Om te kunnen voldoen aan de Ice Class Rules van classificatiebureaus, moeten “gewone” thrusters aangepast worden wanneer men deze gaat gebruiken in schepen met een Ice Class-notatie. Ice Class betekent echter niet eenvoudig het toekennen van een klassenotatie aan een schip. Het gehele schip, niet alleen de romp, de uitrusting en de machines, maar ook de bemanning, moet klaar zijn voor Ice Class Rules. Een vaartuig of schip moet in staat zijn om door solide hard ijs of compact dun bros ijs te navigeren met of zonder ijsbreker ter ondersteuning.
Voor het toewijzen van een klassenotatie moet(en) eerst de locatie(s) worden bepaald waar het schip gaat varen. Het vaargebied voor Ice Class Rules omvat in het algemeen de kuststaten aan seizoensgebonden of het hele jaar door ijsbedekte oceanen of zeeën. Specifieke zeeën of oceanen, zoals de Oostzee, de Arctische zeegebieden en Canadese wateren (bijvoorbeeld Beaufort Sea) vallen ook onder Ice Class Rules.
Bij het werken met een classificatiebureau dat is aangesloten bij de International Association of Classification Societies (IACS), zoals bijvoorbeeld ABS, BV, DNV, GL of LRS, zijn in het algemeen de Ice Class Rules gebaseerd op de Fins/Zweedse Ice Rules van 1985. De Ice Class Rules zijn verdeeld in de categorieën IA Super, IA, IB en IC, waarbij IC de laagste klasse is. Echter, classificatiebureaus voegen vaak een paar extra niveaus toe om het bereik uit te breiden. In de meest recente versie van de Fins/Zweedse Ice Rules uit 2010 zijn de eerder genoemde categorieën nog uitgebreid met categorie II en III en worden eisen gesteld aan het minimaal geïnstalleerd vermogen per categorie. Het minimaal totaal vermogen van de voortstuwingsinstallatie voor de klassen IA, IB en IC (inclusief II en III) is daarbij gesteld op 740 kW. Voor ijsklasse IA Super moet het minimale
totale vermogen groter zijn dan 2800 kW. Deze algemene Ice Class Rules gelden normaal gesproken voor de noordelijke Baltische wateren.
Als we kijken naar de Arctische zeeën, dan heeft het Russian Maritime Register of Shipping (RMRS) een eigen reeks van Ice Class Rules met negen Ice Class niveaus (ICE 1 tot en met 3 en ARC 4 tot en met 9) en vier Ice Breaker-niveaus (Icebreaker 6 tot en met 9). In Canadese wateren (bijvoorbeeld Beaufort Sea en Baffin Bay Area) wordt het reglement van de Canadese regering toegepast op basis van de Canadian Arctic Shipping Pollution Prevention Regulations (CASPPR).
In 2008 zijn, naast de reeds bestaande gradaties, de Polar Ice Class Rules geïntroduceerd. De ontwikkeling van deze regelgeving is ontstaan in 1993 met als doel een reglement te ontwikkelen dat deel zou uitmaken van de harmonisatie van de Polar Shipping Regels van en voor IACS- en IMO-leden. De Polar Ice Class Rules hebben zeven verschillende niveaus, PC1 tot en met 7, waarbij PC7 de laagste klasse is. De twee laagste klassen zijn vooral bedoeld voor seizoensgebonden gebruik in eerstejaars ijs, terwijl de hogere klassen voor het gehele jaar door zijn, met operaties in eerstejaars ijs tot volledig operationeel het gehele jaar door in poolwateren (meerjarig ijs).
Tot slot is er nog de Finse Maritime Administration. Deze heeft de harmonisering gevolgd en de veranderingen doorgevoerd in de Baltic Ice Rules. Met als resultaat dat deze nu zijn gebaseerd op de Polar Ice Class Rules. De nieuwe Baltic Ice Rules zijn 15 december 2008 ingegaan, echter worden in principe pas voor het eerst op nieuwbouwschepen toegepast vanaf 1 januari 2010. Bij uitzondering werd het echter wel al op enkele schepen vanaf 15 december 2008 toegepast.
Afhankelijk van de omgevingsomstandigheden die meestal bepalend zijn voor een langere periode voor een bepaald project, wordt een Ice Class notatie toegewezen. De karakteristieken voor bepaling van de omstandigheden en dus de notatie, kunnen de volgende zijn: eerstejaars of meerjarig ijs, algemeen waargenomen ijsdiktes, seizoensgebonden omstandigheden (zomer/herfst of winter/voorjaar) of omstandigheden het hele jaar door. In het uiterste geval kunnen zelfs de karakteristieken en voorwaarden voor Ice Breakers van toepassing zijn.

Ice Class Rules voor thrusters
De ontwerpcriteria voor thrusters worden duidelijk vermeld in de Ice Class Rules en geven de eisen aan voor propellerbladen, assen, materialen, tandwielen, flexibele koppelingen, behuizingen, straalbuizen (indien aanwezig) en stuursystemen. Al deze criteria hebben te maken met het ijskoppel; de stootbelasting (impuls) van het schroefblad op het ijs. Massatraagheid speelt dan ook een grote rol in Ice Class-berekeningen voor mechanische thrusters. Door de vereiste hogere massatraagheid neemt de grootte/het gewicht van de thrusteronderdelen drastisch toe voor hetzelfde nominale ingangsvermogen en snelheid, met behoud van dezelfde propellerdiameter als voor een standaard thruster. Een bijkomende uitdaging in de huidige wereld van ontwerpers en fabrikanten van thrusters is het koppelen van het ontwerp van de thruster aan het ontwerp van
het vaartuig. Hierdoor wordt het meer en meer een uitdaging om richtlijnen te vinden voor het ontwikkelen van een standaard-range thrusters.
Door een ingenieus ontwerp kan Thrustmaster of Texas hydraulisch aangedreven thrusters leveren onder Baltische Ice Class Rules, die de massatraagheidsfactor voor het grootste gedeelte uitschakelen. Hierdoor kan de grootte van de thruster de “normale afmetingen” behouden en wordt de beïnvloeding van het ontwerp/type vaartuig op het thrusterontwerp tot een minimum beperkt. Deze thrusters zijn
verkrijgbaar tot 2000 PK. De hydraulische motor van dit type thruster wordt bewaakt door een zeer nauwkeurige koppelbeperking om schade aan de schroef te voorkomen door ijseffecten. Alleen de schroefbladsecties aan de bladwortel en -tip moeten voldoen aan de Ice Class Rules.

Nieuwe eisen voorhet gehele scheepsontwerp
De wereld van de scheepsbouw en offshore, staat aan de vooravond van de toetreding tot en ontwikkeling van geheel nieuwe vaar- en exploitatiegebieden. Dit levert niet alleen voor de naval architect interessante uitdagingen op, maar ook de voortstuwingsmiddelen worden aan nieuwe regelgevingen en eisen onderworpen.

 

photo courtesy of IHC Merwede