Vrachtschepen krijgen wind in de zeilen

924625

TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT

AFDELING DER MARITIEME TECHNIEK

LABORATORIUM VOOR SCHEEPSHVDROMECHANICA

Delft University of Technology

Ship Hydromechanics Laboratory Mekelweg 2

2628CD DELFT

The Netherlands Phone 015 -786882

,-VRACHTSCHEPEN KRIJGEN WIND IN DE

ZEILEN

Rapportno .530-P

Prof.i]. .J. Gerritsma

januari 198,1

Vracht.schepen krijgen wind

in de zeilen

De Royal Institution

of Naval Architects

organiseerde in

no-vember 1980 te

Lon-den een driedaags

symposium over

'Windpropulsion of

Commercial Ships',

waar achttien

lezin-geñ werden

gepresen-teerd voor een gehoor

van 160 deskundlgen

van twintig

verschil-lende nationaliteiten

[1]. Zowel de techniek

als de economie van

door wind

voortge-stuwde schepen (ook

wel 'windschepen'

ge-noemd in navolging

van stoom- en

motor-schepen), waren on

derwerpen van

dis-cussie. Kort daarvoor

(juni 1979) vond het

eerste symposium

over dit onderwerp

plaats, eveneens in

Londen,

georgani-seerd door het

De-partment of Industry

UK [2]. Blijkbaar

groeit de

belangstel-ling voor

windvoort-stuwing snel.

Prof. ir. J.

Gerritsma

De oorzaak van de groeiende belangstelling voor

wind-schepen is de stijgende prijs van de brandstof voor sche-pen. Zo bed roeg de prijs voor scheepsdieselolie in.1972 $ 35 per ton. In 1978 was dat al $ 144 perton,.terwi.jleendergaande.stijging wordt ver-wacht. Deze stijgingen heb-ben grote invloed op de cx-ploitatiekosten van een schip. Inalbeelding I staande brandstofkosten weergege-yen in percenten van de totale kosten voor'zowel de olietan-kers, buikschepen als contai-nerschepen [3].

Uit de grafiek blijkt dat het aandeel vande brandstofkos-ten in de totale exploitatie-kosten in de beschouwde

pe-node ongeveer verdubbeld

is. Het gevoig van deze trend is dat veel koopvaardijsche-pen langzamer zijn gaan va-ren.

In sommige gevalien

worden zelfs voortstuwings-installaties omgebouwd naar kielner vermogen en efficiën-ter brandstofverbruik. Zo vond een ingrijpende verbou-wing plaats van twee contai-nerschepen van de Nediloyd (totale kosten: 100 miljoen gulden). De Seatrain Lines

verbouwde vier

container-schepen en denken daarmee 50% aan brandstof te bespa-ren, dOor o.a. gebruik te ma-ken van een snelheidsreduc-tie van 26 naar 21 knopen. Als dergelijke drastische maatre-gelennodig zijn ore de stijgen-de exploitaitekosten het hoofd te kunnen bieden, is het wellicht verklaarbaar dat de belangstelling voor wind-voortstuwing op

verschillen-* De auteurvan dit artikel is hoogieraar bij de Vakgroep Scheepshydromechanica van de TH Deift.

de plaatsen in de wereld

groeiende is. Het is bekend dat de containerschepen met veel windvangend opperviak aanzieniijk kunnen profiteren van eënachterfljke wind. Bij een groot containerschip le-vert onderdeze omstandighe-den een windkracht van 7-8 Beaufort een stuwkracht van

30 kN op. Toepassing van

hulpzeilvermogen op be-staande rnotorschepen werd dan ook al vrij snel genoemd als een praktisch bruikbare

methode van

brandstofbe-sparing. Merkwaardig ge-noeg vond een eerste gesiaag-de toepassing plaats bij het versiepen van het booreiland de 'Rowan-Juneau', een

hef-platform dat in 1978 werd

voorzien van twee hulpzeilen met elk een oppervlakte van 600 m2. Dc winst in snelheid bedroeg 0,5-1 knoop. De kos--tenbesparing op een reis van 6000 miii werd geraamd op $ 200 000. De kosten van de zeilen en de bjjbehorende me-chanische bediening bedroe-genca. $ 250 000.

Op 1 augustus 1980 werd door de Japanse werf 'Nippon Ko-kan' een 1600 tons tanker (af-bedding 2) met hulpzeiiver-mogen te water gelaten (to-taal zeiiopperviak 200 m2).

Men verwacht dat met de

huipzeilen een brandstofbe-sparing van 10-15% kan wor-den bereikt. Erzjjnmeeracti-viteiten op dit gebied gaande

o.a. in Frankrijk, Engeiand

en Rusiand. Met uitzondering van een Franse motorzeiler,

bestemd voor de

visserij (1981) zijndaarvanechternog weinig concrete gegevens be-kend.

Zellvoortstuwing

vroeger en nu

Ook nu nog zljn er grote aan-tailen zeilende . vrachtsche-pen in gebruik, met name in

Indonesie (10000), India (8000) het Midden Oosten, het Caraibische gebied enz. In Bangladesh keren inheem-se schippers soms terugnaar -zeilvoortstuwing, omdat de exploitatie van hun scheep-jes. gemoderniseerd met mo-toren, door de gestegen brandstoflcosten niet meerlo- -nend is. Huipzeilvermogen is ook bij de lets grotere-typen in gebruik, bijvoorbeeld bij de Indiase 'brig' een motorzeiter van 300 ton. Op de lange rou-tes verdween echter het zeil-vrachtschip. Engeiand ver-kocht in die periode tussen 1914 en 1920 zijn iaatste.zeil-schepen aan Noorwegen, waar deze nog enkeie jaren economisch bruikbaar Wa-ren, vanwege de toen lagere

loonkosten in dat land. Dc

laatste gnote 'square riggers' zijn op dit moment in gebruik als opleidingsschip, waarbij soms hoog wordt opgegeven over de karaktervorming die

de opleiding op zo'n schip

met zich mee zoubrengen.

Eengroot zeilschip vereist al. een hechte samenwerking tussen de bemanningsieden onderling, terwijl de omstan-digheden sores rnoeilijk zijn. Zeiischepen zijn sterk aThan-kehjk van de windsterkte en de windrichting. In het verle-den had dit een gei-inge ge-middelde sneiheid per reis tot gevolg. Dc bekende klipper 'Cutty Sark' bereikte een

ge-middelde sneiheid van 7,3

knopen op het traject Austra-lie-Engeiand. Voor die tijd een goed resultaat. Bij gunsti-ge wind kon met dit schip een sneiheid van 18 knopen wor-den bereikt. Hieruit blijkt wel de zeer grote invloed gedu-rende eenreis van variatiesin de windsneiheid en windrich-ting. Men hield dan ook terde-ge rekening met bet statis-tisch bekende patroon van de

deingenleur 22januari 1981 nummer4

Albeelding1:brandstoflcosten als percentage van de totale kos-ten (3)

heersende winden, zoals bjj-voorbeeld de passaten. Grote

omwegen werden gemaakt

om windstille gebieden rond de evenaar (de Doldrums) te vermijden [4]. Voor een zeil-schip is dan ook geen 'dienstsnelheid'

te

definië-ren, zoals bij mechanisch voortgestuwde schepen ge-bruikeltjk is. Bij zeilschepen is het van belang de reisduur te betrekken op de Iengte van het traject, dat onder ideale omstandigheden afgelegd

kan worden, Met behuip

daarvan is een sneiheid te de-finiëren ('track made good') die een vergeli.jking met de dienstsnelheid van stoom- en motorschepen mogelijk

maakt. Athankeluk van de

grootte en het type varieerde deze 'track made good' vol-gens Mearns tussen 4,6 en 6,8 knopen (5). In 1870 bedroeg de gemiddelde dienstsnelheid van stoomschepen at 7,5 kno-pen. In combinatie met de be-ter te voorspellen aankomst-tijd is dat de ernstigste bed

rei-de Ingenleur 22januari 1981

Afbeelding 2: 'ShIn Al toku Maru', een tanker met mechanlsch te bedienen hulpzellen

ging van het 19e eeuwse zeil-schip geweest,

De windrichting is betangrijk in verband met de koers die het schip moet varen om een bepaalde bestemming te be-reiken. Moderne zeiljachten kunnen zeer hoog aan de wind zeilen: de hoek 'y (albeelding 3) kan bjjvoorbeeld 350 bedra-gen, zodat de snelheidscom-ponent in de richting van de wind (de 'speed made good') nog 82% van de scheepssnet-heid is. De zeitschepen van de 19e eeuw konden dat minder goed. De 'Cutty Sark' bereik-te niet meer dan 65° aan de

wind, zodat de 'speed made

good' slechts 42% van de

scheepssnelheid was. Naar-mate men teruggaat in de his-tone wordt de 'speed made

good' kleiner en kleiner en

veel van de in de oudheid af-gebeelde schepen konden

ei-genlijk atleen met de wind

achterlijker dan dwars zeilen.

De zeer veel betere

eigen-schappen van het moderne

nummer 4

C,'

.0I

0-

jI

zeitjacht zjjntedankenaande toepassing van hydrodyna-misch goed gevormde rom-pen, kielen en roeren en aan aerodynamisch beter ge-vormde zeilen. De 19e

eeuw-se zeilschepen hebben een

Iangzame empirische ontwik-keling doorgemaakt en

kon-den niet profiteren van de

theoretische en experimente-le methoden die de moderne

scheepsbouwkunde ter

schikking heeft. Ook het be-schikbare materiaat speelde daarbij een rol. De hanteer-baarheid van de zeilen maak-te een verdeling van het totale zeilopperviak in kleinere

een-heden nodig. Zo beschikte

een 'square rigger'

bijvoor-beeld over zes afzonderlijke zeilen per mast. De openin-gen tussen die afzonderlijke zeilen zijn uit aerodynamisch

oogpunt niet efficient. Een

aaneengesloten

zeilopper-viak per mast zou een

aan-zienlLjk grotere zeilkracht ge-yen. De hanteerbaarheid en de bediening van de

gecom-Afbeelding 3: delinitle van 'speed madegood'

pliceerde tuigage bepaalden het aantal bemanningsleden. Omstreeks 1870 was één man per 150 m2 zeil nodig. Een groot zeilschip beschikte dan ook over een bemanning van 40-50 man. De gecompliceer-de tuigage zouflueen hinder-lijke sta-in-de-weg betekenen bij het laden en lossen van het schip. Bij een aantal

scheeps-typen is dat aspect echter

minder kritisch, zoals bij-voorbeeld bij tankers en bulk-schepen, die niet over eigen laadfaciliteiten beschikken.

De manoeuvreerbaarheid van het oude zeilschip was een zwak punt. Het afmeren in een haven nam soms zeer veel tijd in beslag. Het is daar-om niet verwonderlijk dat een eerste toepassing van stoom-machines plaatsvond op sleepboten, ter assistentie van de grote zeilschepen. Bij de. huidige drukte in het Ka-naal en de daar geldende ver-keersregeling is een conven-tioneel zeilvrachtschip door

7

40 tankers 30-F% bulkschapen

--Ii 10 !zZ containerschepen 0 '71 '72 '73 '74 '75 '76 '77 '78 '79 joar

zijn afliankelijkheid van windsterkte en windrichting daar niet op zijn plaats. Een hulpmotor van voldoend ver-mogen is voor die omstandig-heden noodzakelijk. Daarbij komt nog dat slechte aan de 'windse eigenschappen' van

de 'square riggers' risico's

met zich meebrengt. Zo is het met deze zeilschepen moei:

Albeelding 4: polalr snelhcidsdlagram van hat 'Dynasblp', Iengte 150 m, breedte 21 m, dlepgang 9,2 m, totaal zeiloppervlak 9600 m2 1J

lijk om bij stormweer weg te zeilen van de lage wal.

Moderne windschepen

Bij

toepassing van

wind-voortstuwing op

koopvaar-dijschepen moeten de

ge-noemde bezwaren van het

19e eeuwse zeilschip zoveel mogelijk worden vemieden om een economische exploi-tatie mogelijk te maken. Om de veiligheid en de behouden sneiheid te verhogen kan een zeilschip optimaal

gerou-teerd worden, zoals dat

te-genwoordig met vele

vracht-schepen gebeurt. Golf- en

windverwachtingen ztjn en-kele dagen van te voren met acceptabele nauwkeurigheid

te voorspellen en men

ver-wacht in de naaste toekomst een zeven a tiendaagse voor-spelling te kunnen geven. Er bestaan rekenmethoden om in een gegeven wind- en golf-veld optimale routes te

bepa-len. Dat kan ôOk voor een

windschip, waarvoor dan we!

het polair snelheidsdiagram bekend moet zijn (afbeelding

4). Door gebruik te maken

van gesimuleerde wind- en golfcondities, gebaseerd op statistisch materiaal heeft Mays [6] eenontwerpvaneen modern windschip, het zgn. Dynaschip van Prolls [7] opti-maal gerouteerd op bet traject van New York naar het

En-gelse Kanaal, zowel in ooste-lijke als in westeooste-lijke richting varend. Het Dynaschip, waarvan de snelheidspolaire in afbeelding 4 is gegeven, is voorzien van een hulpmotor die het schip een snelheid van 12 knopen kan geven. Bij de bepaling van de optimale rou-te is een kosrou-tenfunctie gehan-teerd die bestaat uit een corn-binatie van de gezeilde tijd en

de brandstofkosten van de

hulpmotor. Het blijkt dat op-timaal routeren 20% voordeel geeft t.o.v. een ideale kortste route.

De van ouds bekende

zeilrou-tes waren aanleiding voor

Hood om een combinatie van wind- en motorschepen voor het vervoer van graan op het traject Sydney-Rotterdam te bestuderen [8]. Zijn

wind-schip (zonder hulpmotor) vaart van Sydney via Kaap L-oorn naar Kaapstad en

van-daar weer

naar Sydney, steeds met de overheersende westelijke wind achterlijker

dandwars inkomend, (atheel-ding 5). Een motorschip

ver-voert daarna de lading van

Kaapstad naar Rotterdam.

Het ontwerp windschip (600 000 dwt) is voorzien van 20 000 m2 zeil, verdeeld over zeven masten met elk twee driehoekige oprolbare zeilen vn elk 1425 m2. Die zeilen kunnen met bomen dwarsuit

Albee ding 5: gemlddelde windriching in Juli

worden gezet. Hoewel 50%

olie bepaard zou worden,

weegt dit volgens de bereke-ningen van Hood niet op te-gen de extra kosten die

moe-ten worden gemaakt

o.a. doordat steeds twee schepen nodig zijn en de lading van de een naar de ander moet wor-den overgebracht. Dit nog af-gezien van het feit of een der-gelijk groot windschip tech-nisch te verwezenlijken is.

Hoewel hier en daar (voorna-melijk in Engeland) stemmen zijn opgegaan om bij bet ont-werp van grote windschepen de dread in de 19e eeuw weer op te pakken en door toepas-sing van de moderne techno-logie het zeilschip van de 19e

eeuw te verbeteren (betere

masten, zeildoek, lieren e.d.) lijkt deze werkwijze toch te conventioneel. Een iets ver-dergaande ontwikkeling is

het reeds genoemde

schip van Prölls. Het Dyna-schip is een vrachtDyna-schip van Ca. 16 000 dwt met een

hulp-motor van 1500 pk. Het ont-werp uit 1967 ondervindt ook nu nog belangstelling. De ge-staagde masten van het

zeil-schip zijn vervangen door

mechanisch draaibare

onge-staagde masten. De zeilen

kunnen per mast gecombi-neerd worden, zodat een veel betere aspectverhouding en daarna een betere

lift-drift-verhouding ontstaan in ver-gelijking met bet dwarsge-tuigde 19e eeuwse zeilschip (atbeelding 6). De zeilen

kun-nen niechanisch langs rails gezet en gestreken worden,

zodat met een kleinere

be-manning kan worden

vol-staan. Opmerkelijk zijn de

beide zwaarden, gesitueerd aan vOOr- en achterschip om het zijdelings afdrijven te be-perken en de balans van het windschip te verbeteren. Volgens atbeelding 4 is een aan de windse koers van 48°

mogelijk.

Naast het zeilsysteem van het Dynaschip zijn in atbeeldingl nog vijf andere mogelijkhe-den van windvoortstuwing weergegeven. Modernisering van langsscheepse zeilen is voorgesteld om de goede aan de windse eigenschappen van dit type te combineren met de eenvoudige bediening. Een Frans vissersschip met

langs-scheepse hulpzeilen zal in

1981 gereed komen. A!le drie-hoekige zeilen van deze

de Ingenleur 22januari 1981 nummer4

schoener zijn mechanisch te bedienen [9] en op te rollen,

net zoals bij een rolfok van

een zeiljacht.

Mn de verbetering van !aag-scheepse zeilen wordt even-eens aandacht besteed. Daar-bij is o.a. de aandacht gericht op het elimineren van de

sto-rende invloed van de mast

door deze op te nemen in een

modern 'Dyna' 'Dyne'

zeiIschip tripod poletype

Afbeeldlng 6: mogettJke ontwlkketlng van bet traditlonele zeiltulg (1]

dubbel uitgevoerd zeil dat een profielvorm

aanneemt (de

Princeton Sailwing).

Vaste zeilen, in de vorm van vleugels, al of niet voorzien van flappen om het profieleen welving te geven, ofcombina-ties van een vast vOórdeel met een achterdeel van doek, zijn toegepast op zeer

snellejach-ten (catamarans en

trima-rans). De toepassing daarvan

op vrachtschepen lijkt nog

met waarschijnlijk onder

an-dere omdat reven bij veel

wind veel moeilijker is dan bjj de toepassing van zeildoek.

Er zijn ook andere

wind-voortstuwers dan 'zeilen'

be-studeerd en uitgeprobeerd.

Een oud systeem is het

'Flett-ner Rotor'-schip.

In 1925

werd de 'Buckau' met steun van de Duitse overheid voor-zien van twee verticale draai-ende cilinders. Aange-stroomd door de wind wordt door het zgn. 'Magnuseffect' een Iiftkracht opgewekt, waardoor de rotors mm

of

meer als een zeil of vleugel werken (zieafbeelding 7). De 'Buckau', zeilde met deze uit-rusting de Atlantische

Oce-ann over. De gemiddelde

sneiheid stelde echter teleur. Ann de wind isde weerstand van dit systeem relatief hoog en vôOrde wind kande beno-digde stuwkracht alleen wor-den opgebracht met een grote

dwarsscheepse component.

Ook het 'Flettner

Rotor'-schip kan met tegen de wind in varen. Dit is in principe we! mogelijk met het

windmolen-of

windturbineschip. Het idee is a! oud. Er bestaat een patent uit 1811 op naam van Robert Dawson, waarin werd

beoogd roeiriemen via een

mechanisme te koppelen nan een 'windrotor' met verticale as. In 1933 deed Lord

Braba-zon proeven met een viii

draaiende windmolen

ge-monteerd op een jacht. Dc

boot werd door deze installa-tie voortgestuwd gebruikma-kend van het autogim-effect,

dus zonder toepassing van

een schroef in het water [10].

Bates koppelde de

lucht-schroefaan een schroef in het water en toonde can dat een dergelijk windschip tegen de wind in kan varen [11]. On-langs is een sportbootjevoor-zien van een dergelijke voort-stuwing op de markt versche-nen. Blijkbaar

is een

be-trouwbare oplossing

gevon-den voor cle mechanische

overbrenging van Iucht-schroef naar waterIucht-schroef. De windmolen- of windturbi-neschepen, zoals deze sche-. pen in de Engeistalige liters-tuur

meestal worden

ge-noemd, zi.jn onderwerp van uitvoerige studie o.a. bij At-kins Research and Develop-ment (Epson). De

belangstel-Afbeeldlng 7:zestypen wlndschepen

ling richt zich voornamelijk op de windturbines met verti-cale as van het

'Musgrove'-type [12] dat met steun van

het Engelse Department of

Energy is ontwikkeld voor

het opwekken van

elektri-sche energie. De Musgrove-windturbine heeft rechte bin-den, die opgehangen zijn can armen, bevestigd can de ver-ticale as (zie afbeelding 7).

Ten opzichte van een

sys-teem met een horizontale as is het voordeel dat geen zware

haakse overbrenging hoog

boven het zwaartepunt van

het schip nodig is. In principe kan men de spoed van de

bla-den per omwenteing laten

variëren. Als dit systeem can-gedreven wordt dan kan met

cycische

variatie

van de

spoedhoek van de bladen de

richting van de stuwkracht

worden gevarieerd, zoals dat

bij een Voith-Schneider

pro-peller gebeurt.

De mogelijkheid om tegen de wind in te varen is niet alleen beiangrijk om de reisduur te

bekorten, maar ook wordt

met zo'n systeem de veilig-heid gediend in gebieden met verkeersregeling, terwijl daarnaast de mogelijkheid wordt geboden om vrij te 'zei-len' van de lage wal.

Velen twijfelen can de

be-trouwbaarheid en veiligheid van windturbineschepen doordat als gevoig van de

be-windturbine

Iangsscheapse zeilen

-wegingen van het schip in

zeegang (slingeren, stampen en gieren) aanzienlijke mas-sakrachten op de bewegende delen zullen worden uitgeoe-fend. Ook wordt

geluidshin-der veroorzaakt door de

windturbine(s) als nadeel ge-noemd. G. W. Schaeferen K. Allsopp hebben nit theore-tisch oogpunt de mogelijk-heid van viiegervoortstuwing geanalyseerd [13]. Over de praktische toepassing maken zij zeif de opmerking dat nog

een 'large

credibility gap' overbrugd moet worden. Gesteld wordt dat het gebruik

van vliegers

als scheeps-voortstuwing (zie afbeelding 7) voordelen heeft t.o.v. zei-len. In de eerste plants neemt de windsnelheid toe met de hoogte boven het zee-opper-vlak, waarbij ook de wind-richting kan veranderen, zo-dat vliegerschepen hoog can de wind t.p.v. het zeeopper-viak kunnen varen. Er is op enkele van de bekende zeil-routes op grotere hoogte zells

deIngehleur 22januari 1981 nummer 4

Magnuseffect (Flettner-rotor) zeilen, in vorm van vleugels

10

een 180° richtingsverschil

mogelijk. De kracht op de

vlieger is ongeveer evenredig

nan het kwadraat van de

windsnelheid zodat met mm-der

zeil' kan worden

vol-staan. Onderzoek aan vlie-gers heeft tot een sterk

verbe-terde stabiliteit geleid. Het

aangrijpingspunt van de sleepkracht op het schip kan ten aanzien van de stabiliteit van bet schip gunstig worden gekozen. Daar komt nog bij dat de benodigde lieren slechts een geringe obstructie zullen vormen op het dek. In 1977 is een catamaran het Kanaal overgestoken voort-getrokken door vliegers. Ook schijnt twee eeuwen geleden deze wijze van windvoortstu-wing door Samoa's inde Stile

Zuidzee te

zijn toegepast.

Proeven met grotere

corn-merciële schepen zijn echter nog niet uitgevoerd.

Prestatieberekening

van windschepen

Het populaire snelheidsdia-gram, waarvan inafbeelding4

een voorbeeld is gegeven,

vormt de grondsiag voor een prestatieberekening. Om een dergelijke polaire te bereke-nen is het nodig om de krach-ten die de windvoortstuwer levert te kennen, evenals de hydrodynamische reactie-krachten die op het schip wor-den uitgeoefend. In het alge-meens is dit krachtenspel niet symmetrisch ten opzichte van het

Iaagscheeps-symme-tne-vlak van bet schip

(af-beelding 8).

Dc prestatieberekening van

een windschip verloopt als

volgt:

Dc koers Pi-w van bet schip ten opzichte van de wind, de windsnelheid V.p,,, de scheepssnelheidV3en de hel-lingshoek 4)bepalendeschijn-bare wind en de schijn-bare windhoek AW dus:

VAW=VAW (Vu,, V,

4)

(1)

Dc invalshoek

a van de

schijnbare wind op de zeilen

is bet

verschil tussen de

schijnbare windhoek en de

drifthoek 3,

dus =3Aw-P,en:

e=e(V.r,,Vs,i3.rw,4),P) (2)

Uit het evenwicht van de

ho-rizontale componenten van de wind krachten en de hydro-dynamische krachten in de x-en y-richting volgt bij én

be-paalde stand van de zeilen

t.o.v. hartschip (E-c3): F(VAW, a, 4))=

Du(V,,13,4),Sr) - (3)

FAY(VAW, a, 4))=

LH(Vs,P,41,&r) (4) Wi1fl 8r de roerhoek is. Dc indices A en H geven respec-tievelijk de windkrachten en de hydrodynamische krach-ten aan. Het moment even-wicht orn de z- en x-as levert:

M(VAW,a

13, br) (5) M,jc(VAW,a,4))=

=MHX(4), V5) (6)

Met deze zes niet-Iineaire

vergeijkingen zijn de onbe-kendenVAW,E, p, Vs, 13 en met een iteratief rekenproces te bepalen, waarbij wordt uit-gegaan van de windsnelheid

V en de windrichting 13i'w

Dc roerhoek 8rflt voor het

evenwicht om de z-as; de

roerkracht is in atbeelding 8 eenvoudigheidshalve wegge-laten.

Het verband kan ge-optimaliseerd worden door variatie van de stand van het zeil t.o.v. de schijnbare wind, waardoor uiteindelijk bet p0-laire snelheidsdiagram ont-steat, waarvan een voorbeeld in afbeelding 4 is gegeven. De windkrachten kunnen op mo-delschaal in een windtunnel worden bepaald, terwiji de bydrodynamische krachten op modelschaal in een sleep-tank gemeten kunnen worden als functie van , p en V5[l4]. Dergelijke gegevens ztjn voor commerciële windschepen schaars. In het Laboratorium voor Scheepshydromechani-ca van de TH Deift is

onder-zoek gaande om voor een

trawler en een vrachtschip

dergelijke hydrodynamische gegevens te bepalen. In te-genstelling tot moderne zeil-jachten is de dwarskrachtpro-duktie van deze iumpvormen relatief gering. Bij het varen in zeegang bevat Dif

(vergelij-king (13)) extra weerstand

door de invloed van golven. Deze weerstand is vrij goed te berekenen als het spectrum van de zeegolven en de vorm van de romp van het schip

be-kend zijn [15]. Dc geschetste snelheidsberekening houdt geen rekening met instatio-naire invloeden van de scheepsbewegingen in gol-yen en van de turbulentie van de wind. In 't algemeen zal als randconditie moeten gelden dat de hellingshoek een be-paalde maxirnumwaarde niet inag overschrijden buy. 10°

bij commerciële windsche-pen. Bij hogere

windsnelhe-den moet in het

rekenpro-gramma 'gereefd' worden.

Recente

prakttjk-proeven en plannen

In 1979 zujn uitvoerige prak-tijkproeven uitgevoerd door de Japanse werf Nippon Ko-kan in verband met een

on-derzoek naar de

levensvat-baarheid van

zeilvoortstu-wing op vrachtschepen. Dit onderzoek wordt financieel gesteund doorde Japan Mari-ne MachiMari-nery Development Association.

In de eerste

plaats zijn voorbereidende proeven uitgevoerd met een model van een zeer grote tan-ker(schaal1:15,lengte 25

me-ter, waterverplaatsiñg 77

ton). Dit schip, de 'Daioh' is onder dienstomstandigheden op zee beproefd met drie mas-ten elk voorzien van een ver-schillend type zeil. Dc zeilen zjjn ook op modelschaal be-proefd in een windtunnel. Dc

proeven waren bevredigend en de werf heeft inmiddels een eerste schip, de Shin Ai-toku Maru',eenl600dwtpro-dukt tanker opgeleverd, die voorzien is van hulpzeilver-mogen (zie afbeelding 2). Dc twee masten zijn ongestaagd en kunnen door een hydrauli-sche motor worden gedraaid. Elk van de masten is voorzien

Afbcelding 8: definitles van de diverse sneiheden en krachten op een windschip

van loom2zeioppervlak. Dc-ze Dc-zeilen zijn mechanisch

sa-men te vouwen bij te veel

wind of in de haven en be-staan daartoe uit een vast dccl en twee bewegende panelen (afbeelding 9), die

opge-bouwd zijn uit een stalen con-structie en zeildoek.

Dc vorm van het schip is jets slanker dan gewoonlijk bij dit type wordt toegepast met het dod de scheepsweerstand te verkleinen. Verder is een re-latief grote verstelbare spoedpropeller toegepast en de machine-installatie (1200 kW) gebruiki goedkope brandstof met hoge viscosi-teit. Het verwarmde koelwa-icr en de terugwinning van warmte uit de uitlaatgassen dekken de behoefte nan ver-warming. Men denkt in totaal 50% brandstof te besparen, waarvan de zeilen 10-15% voor hun rekening nemen. Dc kosten van de zeilen bedroe-gen ruirn 11% van de totale bouwkosten van het schip en in totaal was het schip 15%

duurder dan een

conventlo-nele uilvoenng.

De zeilen zijn tot wjndkracht 8 te gebruiken (windsnelheid

40 knopen). De aanpassing

van de stand van dezeilen aan

windsterkte en windrichting

geschiedt met een microcom-puter en wel zodanig dat een maximale windstuwkracht wordt verkregen. De

bedie-uitgevouwen zeilen canvas scharnier

U,

'P Ingekiapte zeilen steal mast (draaibaar) draaitafel motor mast (vaste doel) bovendek stalen frame windsnelheid en -richtlngsmeter

hef boom voor hot uitvouwen en inkiappen van de zeilen hydraullsche cilinder verticale stang

Aibeeldlng 9: zeilconstructie van de 'Shin Aitoku Maru'.

ning van de zeilen geschiedt vanaf de brug en vergt geén extra bemanning. Het vermo-gen van de motor wordt

auto-matisch geregeld en wel

zoda-fig dat vermogen geminderd wordt naarmate de zeilen meer stuwkracht leveren,

zo-dat zo mogelijk steeds een

constante dienstsnelheid van 12 knopen aangehouden

wordt. De veiligheid in

ver-band metde stabititeit, de ma-noeuvreerbaarheid en de

sterkte van het zeittuig zijn ruim voldoende. Een

bijko-mend voordeel is de toegeno-men demping tegen

slinger-bewegingen van bet schip,

veroorzaakt door de tweezéi-len. Dc ladingbehandeling

wordt nauwelijks gestoord

door de twee masten met

zei-ten. Dc 'Shin Aitoku Maru' is

een experimenteet schip, waarvan nog niet zeker is of

de oliebesparing de extra

kos-ten dekt, maar het is in ieder

geval een rat ionele poging om

de stgende brandstofkosten

bet hoofd te biedén.

de Ingenleur 22januari 1981

Nippon Kokan bestudeert cvcnccns dc toepassing van huipzeilvermogen. op véél

grotere schepen,

bijvoor-beeld buikschepen van

10 000 tot 35 000 ton met een

snelheid van 15 knopen. Het zeilopperviak van een 35 000

tons schip.zou ongeveer 3600

m2 bedragen, verdeeld over

drie masten. Economische

studies gebaseerd op

reissi-mulaties op de noordelijke route van de Stifle Oceaan

zijn inmiddels uitgevoerd; met als resultaat

brandstof-besparing van 1000 ton per

jaar. De conclusie die hieruit kan worden getrokken is dat bij een brandstofprijs van $100 per ton hulpzeilvermo-gen economisch niet verant-woord is. Bij een verdübbe-ling echter van deze prijs Is bet economisch interessant.

Een tweede serieuze prak-tijkproef wordt voorbereid

door Mitsui Engineering Shipbuilding Co. Het betreft de toepassing vanaanzienhijk hulpzeilvermogen op

eengro-te gesleepeengro-te bak, die grind

moet vervoeren tussen Japan

en Taiwan, eentrajectvanca. 1260 zeemijlen. De

hoofdaf-metingen van de bak zijn:

lengte 87. m, breedte 31,50 en

diepgang 6,70 m. Dc water-verplaatsiñg is 14 400 ton en de sleepsnelheid is 6,5 kno-pen, een snelheid waarbij de nummer4

zeilen eenrelatiefgrotestuw-kracht lcvcrcn, als de wind

achterlijker dan dwars

in-komt. De tuigage lijkt op die van het 'Dynaship' en bestaat uit vier masten met i-a's.. Die masten zijn 52 meter hoog en

bet zeiloppervlak bedraagt

2500 m2. De bak wordt voor-zien van een midzwaard van 80 m2 om de dnfthoek te be-perken en daarmee de aande windse zee-eigenschappen te verbeteren. Dc zeilen worden mechanisch gezet en

gestre-ken, waarvoor een

hulpver-mogen van 22 kW nodig is. Dc

proeftocht zal in augustus

1981 plaatsvinden.

Het is duidelijk dat bij de

toe-passing van

windvoortstu-wing op koopvaardijschepen

in eerste instantie gedacht moet worden aan

bulpzeil-vermogen op schepen waar-bij het laad- en losbedrijfwei-nig hinder ondervindt van de

zeiltuigage en waarvan het

reisschema niet nauwkeurig aangehouden moet worden.

De bediening van de zeilen moet gemechaniseerd

wor-den en waar nodigen mogelijk geautomatiseerd om het aan-tat :bemanningsleden beperkt te houden. De beide Japanse projecten voldoen aan deze voorwaarden. Men verwacht niet dat bij de huidige brand-. stofprijs windvoortstuwing

nu al economisch.haalbaar is.

Dat zou wet bet geval kunnen

zijn bij een verdere stijging

van die prijs.

Literatuur

[1] 'Symposium on wind pro-pu1sionof commercial ships', Royal Institution of Naval

Architects, London,

novem-ber (1980)

[21 'SymposiUm on

commer-cial sail', Department of

in-dustry, Ship and Marine

Technology Requirements Board, London,juni (1979)

'De scheepvaart in deja-ren '80', Rapport uitgebracht

door de Commissie

Ontwik-keling Nederlandse Zee-vaart, september (1980)

Mauvry, M. T.:

'Mau-vry's Sailing Directions 4th

Ed. (1852)

Mearns, G.: 'The large sailing ship-dinosaur or

deve-lopment, Royal Institution of Naval Architects (1980)

Mays,.J. H.: 'Sailing Ship weather routing', Royal insti-tution of Naval Architects

(1980)

Prolls, W.: 'On the

econo-mic possibilities of wind pro-

-pelled merchant ships'.

Insti-tut für SchilThau, Hamburg

(1967)

[8]Hood, W. J.: 'Using wind

reliable routes for bulk cargo

transport', Royal Institution

of Naval Architects (1980)

Jacqeumin, M. A.: 'A

multi purpose tuna fishing boat with combined propul-sion', Royal Institution of Naval Architects (1980)

Moore-Brabazon, J. T. C.: 'The Augiro Rotor as a

sail' Journal of the RAES sep-tember (1934)

Bates, J.: 'Wind power-ed vessel', The Naval Archi-tect, maart (1980), Journal of the Royal Institution of Naval Architects

Musgrove, P. J.: 'The

variable geometry vertical axis windmill', Cambridge

wind Energy Systems, Sym-posium september(1976)

Schaeffer, G. W., All-sopp, K.: 'Kite Sails for wind

assested ship propulsion',

Royal Institution Of Naval Architects (1980)

Wagner, W.: 'Fahrt-geschwindikeits berechnung

für Segelschiffe', Jahrbuch

Schiffbau Technische

Gesell-schaft (1967)

Gerritsma, J. en

Breu-kelman, W.: 'Analysis of the resistance increase in waves of a fast cargo ship, Interna-tional Shipbuilding Progress