Windvoortstuwing van vrachtschepen

I

Rtllngc

TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT

AFDELING DER SCHEEPSBOUW- EN SCHEEPVAARTKUNDE LABORATORIUM VOOR SCHEEPSHYDROMECHANICA

WINDVOORTSTUWING VAN VRACHTSCHEPEN

Prof.ir. J.Gerritsma oktober 1981

Rapport no.535

Lezing voor symposium

"De voortstuwing van de jaren tachtig" wind, zon en kolen....

15 oktober 1981 - Vlissingen

Deift University of Technology

Ship Hydromechanics Laboratory Mekelweg 2

2628 CD DELFT The Netherlands Phone 015 -786882

I

Windvoortstuwing van vrachtschepen. Prof.ir. J. Gerritsma

Technische Hogeschool Deift.

Inleiding.

De belanqstelling voor de windvoortstuwing van koopvaar-dijschepen is de laatste drie jaar sterk toegenomen. In korte tijd is een aanzienlijk aantal publicaties over het onderwerp verschenen en sinds 1979 vonden drie symposia plaats in Engeland en Nederland [1,2,3J

Het door de Royal Institution of Naval Architects in 1980 te London georganiseerde "Symposium on windpropul-sion of Commercial Ships" kon zich verheugen in een zeer grote internationale deelname. Er werden zeventien

le-zingen over diverse facetten van de windvoortstuwing ge-presenteerd.

Men zegt dat de stijging van de brandstofkosten en de door sommigen in de toekomst verwachte schaarste van

fossiele brandstoffen eenhelangrijke reden zijn voor die belangstelling. Uit Figuur 1 blijkt dat de verhouding van de brandstofkosten tot de totale exploitatiekosten van een schip in de laatste 6 7 jaar verdubbeld is. De

ge-gevens waarop Figuur 1 gebaseerd is, zijn ontleend aan het rapport "De Scheepvaart in de jaren '80", dat

samen-gesteld is door de Commissie Ontwikkeling Nederlandse Zee-vaart [4]

De reactie van de scheepvaart op die ontwikkeling is be-kend.Om brandstof te besparen zijn veel schepen langzamer gaan varen, voortstuwingsinstallaties zijn omgebouwd tot

kleiner vermogen en efficinter brandstofverbruik enz.,

vaak ten koste van aanzienlijke investeringen.

Snelheidsreducties van 26 naar 21 knopen zijn in het ge-val van containerschepen toegepast om de stijging van de exploitatiekosten het hoof d te bieden.

I

2

Kernenergie als alternatief voor koopvaardijschepen is blijkbaar niet aanvaardbaar, gezien de publieke opinie. 00k zou een recente studie, uitgevoerd aan de Universiteit van Southampton aangetoond hebben dat kern-voortstuwing nog altijd 75% duurder is dan olie of kolen

[5] . Dat is minder bezwaarlijk voor marineschepen,

waar-van er vele met kernvoortstuwing zijn uitgerust.

In dezelfde studie zou gebleken zijn dat windschepen thans ongeveer dezelfde exploitatiekosten zouden vergen als olie-gestookte schepen, zodat bij een stijging van olieprijs de balans in het voordeel van de windschepen kan uitslaan. Het is niet onwaarschijnlijk dat er meer factoren een rol

spelen dan die welke bij deze exploitatiekosten berekening zijn aangenomen, want reders staan op dit ogenblik niet vooraan bij een mogelijke toepassing van windenergie.

0.a. blijft de sterke afhankelijkheid van de windsterkte en windrichting een zwak punt van het windschip.

Er zijn drie categorien voorstanders van windvoortstuwing

te onderscheiden.

Degenen die de ontwikkeling van het eind 19e eeuwse zeil-schip weer willen oppakken, gebruik makend van moderne materialen voor zeilen, masten, moderne lieren en

naviga-tiemiddelen. Mr. Willoughby beschreef in "The Windrose Ship Why Square Rig" de overwegingen die leidden tot zijn ontwerp: qua vorm en tuigage een conventioneel

dwarsge-tuigd vrachtschip van 12000 tdw. Hij zegt daarover [6J

"If a combination of good hullform and a powerful rig could "produce two outstanding sailing ships (--"Great Britain" and "Lancing") over a hundred years ago it should not be beyond

our present day capability using modern technology to "design a ship with even better performance based on those

"two factors. The only drawback was that such ships were labour "intensive which in today's economic climate would not be

3

Het "Windrose Ship" heeft 51 bemanningsleden nodig en dat lijkt een cornmercieel succes in de weg te staan.

Een tweede categorie zoekt het in toepassing van meer ge-avanceerde vormgeving van de zeilen, een vergaande mecha-nisering van de bediening van de zeilen en

hulpmotorvermo-gen.

In 1967 publiceerde Prölls zijn "Dynaschiff" een meer mo-derne versie van het dwarsgetuigde 19e eeuwse vrachtship

[73 . Dat ontwerp van 16000 tdw (zie Figuur 2) is nag steeds

het uigangspunt van veel beschouwingen over windschepen. Het ontwerp is véél geavanceerder dan het "Windrose" schip. De zeilen zijn per mast tot én geheel te integreren, waar-door ze véél effectiever zijn. Het zetten en strijken van de zeilen is vergaand gemechaniseerd om het aantal beman-ningsleden te reduceren.

De snelheidspolaire laat zien dat het schip relatief hoog aan de wind kan zeilen (48 graden) zie Figuur 3.

Een derde categorie stelt onconventionele windvoortstuwings-systemen voor, zoals vliegers, windturbines, Flettner rotors, zie Figuur 4.

Enthousiasme voor de zeilsport heeft geleid tot hu1iind-voortstuwing van een booreiland. De "Rowan Louisiana" voor-zien van 1200 m2 hulpzeil kreeg een snelheidswinst van

0,5 tot 1 knoop en dat zou op een reis van 6000 miji ongeveer $200.000 bespaart hebben [8j . De directeur

van de onderneming die het booreiland exploiteert is in zijn vrije tijd een zeiler,

De sneiheid van zeilschepen.

De beoordeling van de behouden sneiheid van een windschip is gebaseerd op de zogenaamde snelheidspolaire, zie Figuur 3, waarmee de scheepssnelheid bij verschillende windsterkten en windrichtingen te bepalen is.

Uit Figuur 3 blijkt dat die afhankelijkheid groat is, Zeil-schepen kunnen bij windrichtingen vc6r1ijker dan dwars in een vrij grote sector (100 - 120 graden) niet zeilen en

moe-I

a

4

ten in dat gebied kruisen am tegen de wind in te komen. Van belang is daarbij de in de windse component van de scheepssnelheid (speed made good) Vmg

_{= V5cos, aisY}

de hoek aan de wind voorstelt, zie Figuur 5.

Moderne zeiljachten bereiken

1=

350 en V is dan 82%

mg van de scheepssnelheid.

De 19e eeuwse zeilschepen bereikten '= 60

65, zodat

slechts 42% van de scheepssnelheid tegen de wind in be-schikbaar was. Het "Dynaship" zou dat beter doen met

t'= 48° en V = 0,67 V

mg 5

De afhankelijkheid van de windrichting kan in theorie met windturbines sterk verminderd worden, zie Figuur 6.

De maximale etmaal gemiddelden van de scheepssnelheid wa-ren soms zéér haag. De "Champion of the Seas" legde in

één etmaal 465 miji af.

Moderne trimarans kunnen dit thans oak, en bereiken

momentaan soms een sneiheid van 30 knopen.

De bekende klipper"Cutty Sark"kwam wel tot 18 knopen. De maximale sneiheid van een zeilschip hangt af van de lengte, het zeilopperviak en het deplacement. Er is een vrij sterk verband tussen de snelheidsgraad: Fn V en een kengetal dat gebaseerd is op het zeil- V

opperviak en het deplacement: S /2/1/3, zie Figuur 7. De

gegevens die in dit diagram zijn verwerkt zijn ontleend aan een artikel van R. Boehmer [9]

Het verband geldt o.a. voor de "Kon Tiki", de "Ra", de "Brendan", "Cutty Sark", de"Flyer"en de zeer snelle moderne mu1tihu11s

Als sneiheid wordt hier beschouwd: het hoogste etmaal ge-middelde dat ooit door het beschouwde schip of jacht

be-reikt werd.

De afhankelijkheid van de wind en de windrichting was de oorzaak van geringe gemiddelde sneiheden per reis. Daarbij is het begrip "track made good" van belang. De track made good is de sneiheid die gedefinieerd wordt door de lengte van het ideale traject en de reisduur. Bij een zeilschip kan immers geen dienstsnelheid

ge-definieerd worden, zoals bij een motor- of stoomschip. Mearns

_Eio]

analyseerde een groot aantal lange reizen van Amerikaanse zeilvrachtschepen en vond een track made good van 4,6 tot 6,8 knopen.

Dat is minder dan de heift één derde van de maximaal te behalen sneiheid.

Om de track made good te verhogen kan het zeilschip opti-maal gerouteerd worden, zoals dat tegenwoordig met vele koopvaardij schepen gebeurt. Golf en wind verwachtingen

zijn enkele dagen van te voren met acceptabele nauwkeurig-heid te voorspellen en men verwacht in de naaste toekomst een zeven tiendaagse voorspelling te kunnen geven. Er bestaan rekenmethoden om in een gegeven wind.. en golfveld optimale routes te bepalen. Dat kan 66k voor een windschip, waarvoor dan wel het polaire snelheidsdiagram bekend moet

zijn. (Figuur 3). Door gebruik te maken van gesimuleerde wind- en golfcondities gebaseerd op statistisch materiaal

heeft Mays ru] een "Dynaship" optimaal gerouteerd op het traject van New York naar Engeland, zowel in oostelijke als westelijke richting. In dit geval is het gebruik van de hulpmotor van het Dynaship verdisconteerd; er is een kostenfunctie gehanteerd die bestond uit een combinatie van de gezeilde tijd en de brandstofkosten van de

huip-motor.

Het bleek dat optimaal routeren 20% voordeel geeft ten opzichte van de ideale kortste route.

De van ouds bekende zeilroutes waren aanleiding voor Hood om een combinatie van wind- en motorschepen voor het vervoer van graan op het traject Sydney-Rotterdam te bestuderen [12] . Zijn windschip (zonder hulpmotor)

vaart van Sydney via Kaap Hoorn naar Kaapstad en van-daar weer naar Sydney, steeds met de overheersende

weste-lijke wind achterweste-lijker dan dwars (aithans volgens de statistiek), zie Figuur 8. Een motorschip vervoert daar-na äè lading van Kaapstad daar-naar Rotterdam. Het 60000 tdw schip is voorzien van 20.000 m2 zeil verdeeld over zeven masten met elk twee driehoekige oprolbare zeilen van

1425 m2. Die zeilen kunnen met bomen dwars uitgezet worden. Hoewel 50% olie bespaard zou worden, weegt dit volgens

rnoeten worden gemaakt o.a. doordat steeds twee schepen nodig zijn en de lading van de een naar de ander moet worden overgebracht. Dit nog afgezien van het feit of een dergelijk groat windschip technisch te verwezen-lijken is.

De afhankelijkheid van de windrichting en de daarbij behorende golfrichting speelt overigens 66k een be-langrijke rol bij mechanisch voortgestuwde schepen. Een voorbeeld daarvan geeft Figuur 9, waarin het zee-gangsgedrag van een jager van de Amerikaanse marine in een bepaalde golfconditie (H1/3 = 20 ft, T = 9 sec) is weergegeven, als functie van de scheepssnelheid en de

richting van de zeegang.

In bepaalde sectaren kan het schip bepaalde operaties niet uitvoeren als gevaig van de aptredende dynamische ver-schijnselen.

Saartgelijke gegevens aver paaltjes pikken en water avernemen en het daarbij aptredende snelheidsverlies als gevalg van vermagen minderen, kunnen oak gebruikt warden am koapvaardijschepen aptimaal te rauteren.

Het palaire sneiheids diagram.

Het palaire snelheidsdiagram waarvan in Figuur 3 een vaarbeeld is gegeven, varmt de grondslag voor de pres-tatieberekening van een windschip.

Om een dergelijke polaire te berekenen is het nadig am de krachten die de windvoartstuwer levert te kennen, evenals de hydradynamische reactiekrachten die op het schip warden uitgeaefend.

In het algemeen is dit krachtenspel niet syrrimetrisch

ten apzichte van het langsscheeps-symmetrievlak van het schip, zie Figuur 10.

De berekening van de snelheidspolaire is gebaseerd op de valgende averwegingen.

Gegeven zijn de ware windsnelheid VTW en de koersf3Tw van het schip ten apzichte van de windrichting.

S

en:

FAX (VAW, E, ) =

D (V

_{H 5}

_'

(3)

FAY(VAWI E, q:) =

L (V

_H , ,

q,

)

(4)

5 r

De indices A en H geven respectievelijk de windkrachten

en de hydrodynamische krachten respectievelijk op de zeilen en het onderwater gedeelte van de romp aan.

Het momenten evenwicht om de z-as en x-as levert:

MAZ(VAW, E, ) _{= MHZ(VS,} ' _r

MAX(VAW

_E,

₎

= MHX(

,V)

Met deze zes niet-lineaire vergelijkingen zijn de onbekenden V3,

q,

maar ook VAW, , 3 en _r te

7

Gevraagd wordt de scheepssnelheid V, de he11ingshoekq,

de drifthoek IB, de roerhoek _{5r voor eenbepaalde stand}

van de zeilen.

De scheepssnelheid, de windsnelheid en de windrichting en de hellingshoek bepalen de schijnbare windsnelheid VAW _{en de schijnbare windhoek, dus:}

VAW = V _(VTWF

TW' (1)

De invaishoek E _{van de schijnbare wind op de zeilen is}

het verschil tussen de schijnbare windhoek en de

drifthoek, en:

= E(VTW,

_TW' q, ) (2)

Uit het evenwicht van de horizontale componenten van de windkrachten en de hydrodynamische krachten in x- en y-richting, volgt hij één bepaalde stand van de zeilen ten opzichte van hartschip (s

-S

8

bepalen met behulp van een iteratie proces.

De roerhoek dient am het evenwicht am de z-as te

r

kunnen instellen. In Figuur 10 is de raerkracht een-voudigheidshalve weggelaten.

De scheepssnelheid V bij een bepaalde wind invaishoek

TW kan geaptimaliseerd warden door variatie van de

stand van het zeil ten apzichte van de schijnbare wind waardoor uiteindelijk het palaire snelheidsdiagram ontstaat.

De windkrachten kunnen op modelschaal in een windtunnel warden bepaald. Een voarbeeld van lift-weerstand karak-teristieken vaor het "Dynaship" is gegeven in Figuur 11. De hydradynamische krachtencphet onderwaterschip kunnen ap madelschaal gemeten warden bij bepaalde cambinaties van snelheid, hellingshaek en drifthoek.

Dergelijke pracedures zijn vaar zeiljachten reeds lang bekend, mede doar het baanbrekend werk van Professor

Davidson {13J . In het Laboratorium voor

Scheepshydro-mechanica van de TH te Deift bestaat een langjarige er-varing op dit gebied.

Recente experimenten met modellen van een trawler en een tanker zijn in de sleeptank te Deift uitgevoerd am de weerstand en dwarskracht bij helling en drift te bepalen, als input voor het beschreven rekenpraces [14]

In tegenstelling tat maderne zeiljachten is de romp van een koopvaardijschip niet optimaal ten aanzien van dwars-krachtproductie. Daar staat tegenover dat koopvaardij-schepen niet onder grate helling kunnen varen (maximaal bijvoarbeeld 5 - 10 graden) zodat de toe te laten zéil-dwarskrachten relatief klein zijn. Daardoor blijven de op-tredende drifthaeken over het algemeen binnen aanvaard-bare grenzen.

Voor de prestatieberekening van zeilende koopvaardijschepen op zee moet de invloed van de extra weerstand door zee-gang verdisconteerd worden. Die weerstand is thans met

redelijke nauwkeurigheid te berekenen als het energie-spectrum van de zeegang bekend is.

I

De berekening van het polaire snelheidsdiagram houdt geen rekening met de invloed van instationaire ver-schijnselen, zoals de scheepsbewegingen als gevolg van het varen in golven en de snelheidsvariaties van

de wind.t15J.

Recente praktijkproeven en plannen.

In 1979 zijn uitvoerige praktijkproeven uitgevoerd door de Japanse werf Nippon Kokan in verband met een

onder-zoek naar de levensvatbaarheid van zeilvoortstuwing op vrachtschepen. Dit onderzoek werd financieel

ge-steund door de Japan Marine Machinery Development Asso-ciation. In de eerste plaats zijn voorbereidende proeven uitgevoerd met een model van een zeer grate tanker

(schaal 1 : 15, lengte 25 meter, waterverplaatsing 77

ton). Dit schip, de "Daioh" is onder dienstomstandighe-den op zee beproefd met drie masten elk voorzien van een verschillend type zeil. De zeilen zijn ook op modelschaal, beproefd in een wincitunnel. De proeven waren bevredigend en de werf heeft inmiddels een eerste schip, de "Shin Aitoku Maru", een 1600 dwt produkt tanker opgeleverd, die voorzien is van hulpzeilvermogen. De twee masten zijn ongestaagd en kunnen door een hydraulische motor worden

gedraaid.

Elk van de masten is voorzien van 100 m2 zeiloppervlak. Deze zeilen zijn mechanisch samen te vouwen bij te veel wind of in de haven en bestaan daartoe uit een vast deel en twee bewegende panelen (Figuur 12), zie opgebouwd zijn uit een stalen constructie en zeildoek.

De vorm van het schip is iets slanker dan gewoonlijk bij dit type wordt toegepast met het doel de scheepsweerstand te verkleinen. Verder is een relatief grate verstelbare spoedpropeller toegepast en de machine-installatie (1200 kW) gebruikt goedkope brandstof met hoge viscositeit. Het verwarmde koelwater en de terugwinning van warmte uit de uitlaatgassen dekken de behoefte aan verwarming. Men denkt in totaal 50% brandstof te besparen, waarvan de zeilen 10-15% voor hun rekening nemen. De kosten van de zeilen bedroegen ruim 11% van de totale bouwkosten van het schip en in totaal was het schip 15% duurder dan een conventioneel

S

-

10

-uitvoering.

De zeilen zijn tot windkracht 8 te gebruiken

(windsnel-heid 40 knopen) . De aanpassing van de stand van de

zei-len aan windsterkte en windrichting geschiedt met een

microcomputer en wel zodanig dat een maximale windstuw-kracht wordt verkregen. De bediening van de zeilen ge-schiedt vanaf de brug en vergt géén extra bemanning. Het vermogen van de motor wordt automatisch geregeld en wel zodanig dat vermogen geminderd wordt naarmate de zeilen meer stuwkracht leveren, zodat zo mogelijk steeds een constante dienstsnelheid van 12 knopen aangehouden wordt. De veiligheid in verband met de stabiliteit, de manoeuvreerbaarheid en de sterkte van het zeiltuig zijn

ruim voldoende. Een bijkomend voordeel is de toegenomen dernping tegen slingerbewegingen van het schip,

veroor-zaakt door de twee zeilen. De ladingbehandeling wordt nauwelijks gestoord door de twee masten met zeilen. De "Shin Aitoku Maru" is een experimenteeel schip, waarvan nog niet zeker is of de oliebesparing de extra kosten dekt, maar het is in ieder geval een rationele poging om de stijgende brandstofkosten het hoofd te

bieden.

Inmiddels is een tweede motorzeiler van dit type op stapel gezet.

In het afgelopen jaar is gebleken dat de olie-besparing door toepassing van hulp zeilvermogen inderdaad 10 a 15% bedraagt.

Nippon Kokan bestudeert eveneens de toepassing van hulpzeilvermogen op véél grotere schepen, bijvoorbeeld bulkschepen 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 Stille Oceaan

zijn inmiddels uitgevoerd; met als resultaat brand-stofbesparing van 1000 ton per jaar. De conclusie

die hieruit kan worden getrokken is dat bij een brand-stofprijs van $100 per ton hulpzeilvermogen economisch niet verantwoord is. Bij een verdubbeling echter van

Een tweede serieuze praktijkproef wordt voorbereid door Mitsui Engineering Shipbuilding Co. Het betreft de toepassing van aanzienlijk hulpzeilvermogen op een grote gesleepte bak, die grind moet vervoeren tussen Japan en Taiwan, een traject van Ca. 1260 zeemijlen. De hoofdafmetingen van de bak zijn: lengte 87 m, breedte 31,50 en diepgang 6,70 m. De waterverplaatsing is 14.400 ton en de sleepsnelheid

is 6,5 knopen, een sneiheid waarbij de zeilen een

relatief grote stuwkracht leveren, als de wind achterlijker dan dwars inkomt. De tuigage lijkt op die van het

"Dynaship" en bestaat uit vier masten met ra's, zie Figuur 13. Die masten zijn 52 meter hoog en het

zeil-2

oppervlak bedraagt 2500 m . De bak wordt voorzien van

een midzwaard van 80 m2 om de drifthoek te beperken en daarmee de aan de windse zee-eigenschappen te ver-beteren. De zeilen worden mechanisch gezet en gestre-ken waarvoor een hulpvermogen van 22 kW nodig is. De proeftocht is in de 2e helft van 1981 gepland.

In Frankrijk is kort geleden de "Fole" in dienst ge-steld. Het is een stalen visserschip met zeil- yen motorvermogen, zie Figuur 14.

Het zeilopperviak, inclusief een qenua van 104 m2 voor

2

licht weer, is totaal 254 m

Grote aandacht is besteed aan de mechanisatie van de bediening van de zeilen. Dat gebeurt met behulp van rolreef systemen, die de laatste jaren met toenemend succes op grote zeiljachten toegepast worden.

De hoofdafmetingen zijn:

'I

L0 = 19,3 m deplacernent, leeg: 60 ton

L = 17,1 m deplacernent, vol : 5 ton

WL

B = 6,0 m motorverinogen 120 kW

T = 3,2 m generator 30 kW

I

O

-

12

-Het zetten en strijken van de zeilen kan _{cjeheel vanuit} het stuurhuis gebeuren, door gebruik te maken van hy-draulische roireef systemen en. gemechaniseerde _lieren. Voor een vergelijkbaar rnotorschip zou het motorvermogen

ongeveer 300 kW bedragen.

Men schat dan ook dat de exploitatiekosten van de lichtere motor van de rnotorzeiler 50% lager zullen zijn, maar daar staat tegenover dat de zeilen elke twee jaar vernieuwci moeten worden.

Volgens berekeningen zou de brandstofbesparing 200.000 liter per jaar bedragen.

Blijkbaar twijfelen de Fransen niet aan het succes van deze zeilende vissersschepen, want inmiddels zijn drie zusterschepen van de "Eole"op stapel gezet.

Een interessant ontwerp van een zeilendvrachtschip met hulpvermogen is de "MICASS" (ontwerp Square Rigged Ser-vices Ltd.), een Mini Container Auxiliary Sailing Ship,

zie Figuur 15. Het schip is bedoeld voor kustvaart en

vervoer tussen eilanden in onderontwikkelde landen. Het kan twee standaard 20 ft containers aan dek vervoeren en er is plaats voor acht passagiers in vier hutten _{(LOA =} 36,5 m). Het zeilplan lijkt in principe op dat van de "Eole", maar hier moet het rolreefsysteem met handkracht

2

bediend worden. Het totale zeiloppervlak is 483 m en er zijn twee dieselmotoren van elk 75 kW voorzien. De dubbel-schroefuitvoering vergemakkelijkt het manoeuvreren in

havens en geeft voortstuwing als er weinig of geen wind

is [17]

Tenslotte wordt gewezen op een interessant ontwerp voor een zeil-motor cruise schip, afkomstig van de Finse Wärtsilä werf, zie Figuur 16.

Ook in dit geval heeft men gekozen voor de combinatie van motor en zeilvoortstuwing en voor de toepassing van mechanisch en/of automatisch te hedienen rolreefsystemen. Er wordt automatisch gereefd als de hellingshoek van het

schip groter wordt dan 10 graden.

hellings-SI

13

-hoek enkele graden kan verkleinen [17]

De snelheidspolairen in Figuur 16 van de "Wärtsilia Wind Cruiser" zijn met de computer berekend voor een aantal windsnelheden (4 - 20 m/s) en voor zeiloppervlakken van

1000 m2 tot 1900 m2 bij één windsnelheid (12 m/s). Om de

zeilprestaties van de WWC te boordelen kan men deze ver-gelijken met de sneiheid van 14 knopen die alleen met motorvoortstuwing bereikt zou worden.

Slotopmerkingen.

In dit overzicht is vrijwel geen aandacht geschonken aan de zogenaamde windturbine schepen en mogelijke andere onconventionele vormen van windvoortstuwing. De coinmer-ciële toepassing daarvan lijkt nog niet nabij te zijn, zo-dat alléén de meer concrete moderne toepassing van zeil-voortstuwing is beschouwd, 66k al omdat daarvan in een enkel geval praktijkgegevens bekend zijn.

Kort samengevat kan gezegd worden dat bij toepassing van commerciële zeilvoortstuwing voldaan moet worden aan de volgende voorwaarden:

Een combinatie van motor- en zeilvoortstuwing is nodig om een bepaalde dienstsnelheid, onafhankelijk van de windrichting te kunnen volhouden.

Het motorvermogen moet voldoende manoeuvreerbaarheid in havens e.d. garanderen.

De bediening van de zeilen (de stand, het zetten en

strijken) moet mechanisch en/of automatisch gebeuren om. te voorkomen dat het aantal bemanningsleden groter is dan bij een vergelijkbaar, mechanisch voortgestuwd schip. Met gestreken zeilen moet de veiligheid tegen kenteren gewaarborgd zijn.

De tuigage moet het laden en lossen van het schip niet nadelig beThvloeden.

Een analyse van de kosten en baten moet tenslotte uitmaken of het gebruik van windvoortstuwing voordelig is. Het is uiteraard niet voldoende om in dit verband alléén de

14

-de mechanische Of automatische bediening, _{het onderhoud} en de periodieke vervanging zijn belangrijke _factoren bij een dergelijke berekening.

De Japanse rnotorzeiler _{Shin Aitoku Maru" voldoet aan} bovengenoemde voorwaarden: het laden en lossen van deze product tanker ondervindt geen hinder van de beide mas-ten met zeilen. De bediening van de zeilen is mechanisch en in hoge mate geautomatiseerd en men bleek een

dienst-sneiheid van 12 knopen te kunnen aanhouden met eenzelfde aantal bemanningsleden als voor een motorschip.

De ontwerpers hebben gezegd dat de technische resultaten iets beter zijn dan verwacht werd; _{met name kon het}

zeil langer gevoerd worden bij _{toenemende windsnelheid,} Ook de brandstofbesparing was jets meer dan men berekend had (privé mededeling _{NIPPON KOKAN, sept. 1981).}

Het economisch resultaat is niet geoubliceerd, maar het is wel duidelijk dat de ervaring die met dit schip ver-kregen wordt van zeer groot belang is voor de ontwikkeling van de commerciële zeilvoortstuwing.

15

-Literatuur.

iJ

Symposium on commercial sail,

Department of industry,

Ship and Marine Technology requirements board, London 1979.

[2] Symposium on wind propulsion of commercial ships, The Royal Institution of Naval Architects,

London 1980,

L3] Symposium windvoortstuwing,

Scheepsbouwkundig Gezelschap "William Froude", Nederlandse Vereniging van Technici op

Scheep-vaartgebied,

Koninklijk Instituut van Ingenieurs - Sectie Scheepstechniek,

Delft 1981.

De scheepvaart in de jaren '80,

Rapport uitgebracht door de Cornmissie Ontwikkeling Nederlandse Zeevaart 1980.

J. Flewitt,

Wind propulsion,

Marine Propulsion October 1980.

R.M. Willoughby,

The Windrose Ship, Why Square Rig? Symposium [i] , 1979.

tJ

W. Pr6lls,

On the economic possibilities of wind propelled merchant ships,

Institut für Schiffbau, Hamburg 1967.

[8] D.M. Taylor,

Jack-up with sails, Ocean Industry 1978.

[91

R. Boehmer,

Analysis of sailing vessel performance ratios and

their synthesis.The Amateur Yacht Research Society,1980, England.

[ioj G. Mearns,

The large Sailing Ship - Dinosaur or Development, Symposium _12J , 1980.

[ii] J.H. Mays,

Sailing Ship Weather Routing, Symposium {2] , 1980.

[12J W.J. Hood,

Using wind reliable routes for bulk cargo transport, Symposium 12] , 1980.

113] K.S.M. Davidson,

Some experimental Studies of the sailing yacht,

Society of Naval Architects and Marine Engineers, 1936, New York,

[14J K. van Gastel,

Onderzoek naar de zeileigenschappen van vrachtschepen, R.U. Utrecht - Laboratorium voor Scheepshydromechanica Deift, 1981.

J. Gerritsma en W, Beukelman

Analysis of the resistance increase in waves of a fast cargo ship,

International Shipbuilding Progress 1972.

M.A. Jacquemin,

A multi-purpose tune fishing boat with combined

pro-puls ion,

Symposium [2] , 1980.

[17j The Naval _Architect,

I

40

30

bulkschepen

2O

- :S

:if.

I.

/0

.

.

S

_S.O.S...

1:

I.

_{containerschepen}

1

S S

_.S.

₀

10

S

tankers

0_

i 1 1 I 1 I I I

'71 '72 '73 '74 '75 '76 '77 '78 '79

jaar

Figuur 1 _{Ontwikkeling van de verhouding brandstofkosten} tot de totale exploitatiekosten,

11T i1 i I /

II

- I ri fir

L

Figuur 2

_{Het "DynaschiEf" van Prölls.}

/

'j_ 7.?,T,;.

_--

--.4. - ..-- .j.'j$ei1enan,ch( L?rUce 1

ft

lua. 16O.500m Trog6Aip*,jt c. 1142Sf

150,600 ',, DR c. 10450 T

8 21,000 in NP cs 1000 T H 13000, MQSCA. li SOOPS

T..5h*.qf Q213 in SegrItlIch. Sl00rn'

11

j

wind-richting

4 6 8 10 12 14 16 18 20 .180° 100

300

9-500

60°

BftB

i3tt7

w1300

Bft.8/

,Bft.9.

40°

Figuur 3 _{Snelheidspolaire van het "DynaschiffT1,}

hoek van

1

20

-11717:

'Dyna schip'

zeilen, in vorm van vIeuges

windturbine

Iangsscheepse zeilen

=

=

Magnuseffect (Flettner-rotor)

1

1)

werkelijke

wind

_VT

Figuur 5

_{Speed made good.}

-}

)

- --

WndiTHtI Ship WIngSQIL ship

- R!or sh.p

22

-Sneiheid in knopen 20 10 5 213 00 T 210 OOT 21OCCT windrichting - OyGSChf1 210iCJ

- Borqe

rAf4iR o3sr

80b _{120 60 113}

Figuur 6 _{Snelheidskarakteristieken van verschillende} typen windschepen.

)

0.8

0.7

$0.6

0.5

0.6

0.3

Q2

0.1

0

-

23

-o

Oude schepen en vLotten (Replica's)

Q Dwcrsgetuigde schepen en schoeners

+

Mono hull

₁

' moderne zeiljochten

Multi hull

J

Three legs of mant

Brendan 0

Maye Lower ]I

Pen duick+

0

1

2

3

_4.

5

6

7

Figuur 7 _{Snelheidsgraad als functie van zeilopperviak} en waterverplaatsing.

Figuur 8

Windstatistiek.

'5r

L2V!

PS

::

/

/

cIIi!

4?A

i

/.

!

_{L r}

!

H

1

-L

L

::'/

,.

/

,,

L

4.

c"

H

c

HH

.

310

119

Is,

- 25 -

SEAWAY: WAVE HEIGHT 20 FT.

PERIOD 09 SEC.

LONGCRESTED

,0E SEA.S HEAD sEAS

0 0000EE$ I P(G0f S 10 90 370 270 ISO 'so II

c) 10 BOTTOM SLAMS PER HOUR d) 60 BOW WETNESSES PER HOUR

HEAD SEAS AD SEAS

I OEG.900S S01G(E1

g) POSSIBLE OPERATING ENVELOPE h) COMBINED OPERATING ENVELOPES

Figuur 9 Gedrag van een schip als functie van de sneiheid en de koers ten opzichte van de voortplantings-richting van de zeegang.

Development of a heavy wether operator catalog for FF-1052 class ships,

S.L.IBales and E.W.Foley.