Trimoptimering – et effektivt værktøj til at minimere energiforbruget

For nylig er en ny trend inden for skrogets udformning blevet populær, den såkaldte parametriske skrogoptimering, hvor designmålsætningerne udvides fra ét enkelt designpunkt til en operationel matrix, bestående af forskellige dykninger (dybgange) og hastigheder på skibet med bestemte sandsynligheder for forekomst.

I begge disse designmetoder fokuseres optimeringen på en foruddefineret vandlinje (WL)/dybgange, som er forbundet med skibets aktuelle deplacement. 

Betydelig indflydelse på fremdrivningseffekten

Nye studier har dog bevist, at en lille statisk (initial) trimændring har en markant indflydelse på skibets modstand/fremdrivningseffekt. Trim-effekten er derfor blevet anerkendt som en meget omkostningseffektiv metode til energibesparelse og reduktion af emissioner. Målet med denne tilgang er at sejle skibet med optimalt trim for at holde brændstofforbruget på et minimum. 

Trim-effekten varierer dog fra skib til skib og skal verificeres enten ved hjælp af CFD-beregninger (Computational Fluid Dynamics), simuleringer eller fuldskala (modstands- og fremdrivnings-)modelforsøg. Den sidstnævnte metode anbefales generelt, da den giver en mere præcis vurdering af variable parameteres effekt på det optimale trim. 

I slæbetanken kan vi styre trim-effekten på skibets fremdrivningsydelse ved at undersøge og definere de væsentligste fysiske faktorer. Generelt hævdes det, at effektgevinsten skyldes ændret strømning omkring bulben i stævnen. Dette er korrekt, men ændringer i andre vigtige parametre som følge af trim må også tages i betragtning (forudsat konstant deplacement).

Den neddykkede skrogform kendetegnes ved en bestemt 3D-overfladegeometri, som varierer ikke kun med middel-dybgange (WL), men også med trimændringer. 

Parametre, der varierer med trim

Ifølge grundlæggende skibsdesigntermer varierer følgende parametre med trim:

• Vådoverfladeareal; på grund af asymmetrisk skrogform for og agter 
• Vandlinjelængde (LWL); på grund af specifikke profiler på stævn/bulb og hæk 
• Formfaktor; på grund af variation i deplacementets langsgående fordeling (mere korrekt bevæger opdriftscentret sig fremad eller bagud afhængig af trimretningen) 
• Restmodstandskoefficient; på grund af variation af alle tre ovenstående parametre, hvilket primært påvirker bølgegenereringsmodstanden 
• Fremdrivningsfradrag; som følge af den samlede effekt af ændret skrogmodstand og tilhørende propelbelastning 
• Effektiv hækstrøm; på grund af variation i propellertilstrømningen med trim (forbundet med ovenstående vådoverflade og LWL variation)
• Propelvirkningsgrad; på grund af variation i propelbelastning 
• Relativ rotationsvirkningsgrad; på grund af variation i skrogstrømmens bagløb og propelbelastning

Baseret på vores modelforsøg kan vi konkludere, at den væsentligste faktor, der forårsager ændringer i fremdrivningseffekten når et skib trimmes, er restmodstandskoefficienten af ovennævnte årsager. Dog er trim-effekten på propulsionsfaktorerne også betydelig (bidrager til ca. 20% af de samlede besparelser) og må derfor ikke ignoreres. Derfor består den eksperimentelle undersøgelse af trim-effekten (baseret på et komplet sæt modstand- og fremdrivningstrimtest) af en testmatrix på typisk fem neutrale trims, fem trimmede tilstande (både for og agter) og fem til seks skibshastigheder.

Resultaterne fra forsøgene præsenteres generelt som relativ energibesparelse/straffen sammenlignet med neutral trim, hvor procenter angives i tabeller/figurer. Strøm-besparelser angives med et negativt tegn.

Vores testresultater viser mulige brændstofbesparelser på op til 15% ved bestemte optimale trimsammenlignet med referencesituationen (neutral trim og konstant deplacement). Ved normal drift i en flåde er de typiske besparelser 2-3%. Trim-effekten på fremdrivningseffekten er mest udtalt for containerskibe og LNG-tankskibe, hvor bulbstævnens neddykkethed har stor indflydelse på effektgevinsten. 

Billederne illustrerer ændringer i bølgesystemet for stævnen ved trim. Som det ses, kan trim fremover ofte være fordelagtigt (især for containerskibe). 

For yderligere information – kontakt Anthon Minchev