Investigations into the Influence of High Dynamic Loads and Interaction Phenomena on Performance of Marine Propulsors

INTER-THRUST er et forsknings- og utviklingsprosjekt innenfor rammene av MARTEC II-programmet, som er etablert gjennom ERA-Net skjema i EU's syvende rammeprogrammet. Prosjektet er støttet av forskningsfond i Norge og Tyskland. INTER-THRUST konsortiet innbefatter SINTEF Ocean (tidligere Marin Marine Technology Research Institute - MARINTEK) (Norge), Hamburg Universitet for Teknologi (TUHH, Tyskland), Voith Turbo Schneider Propulsion GmbH og Co. KG (Tyskland), Jastram GmbH und Co . KG (Tyskland) og Havyard Group AS (Norge. INTER-THRUST som prosjektet fokuserer på systematiske undersøkelser av høye dynamiske belastninger på hovedpropeller og forskjellige typer thrusterer. Belastningene er relatert til ekstremt påkjenninger utover vanlige designkondisjoner (off-design operasjon), spesiell geometri, irregulariteter i skipsskrog og propellersystemer, interaksjonsproblemer og ytre forhold som påvirker operasjon. Prosjektet fokusere på fartøy som har innovative løsninger for propellere og thrustere, det tas sikte på å simulere realistiske forhold ved hjelp av avanserte CFD- metoder (Computational Fluid Dynamics). Resultatene fra studiene gi grunnlag for estimering av tap i propell- og thrustersystemer og dermed effekt på skips operasjonsegenskaper. De viktigste resultatene av INTER-THRUST prosjektet gjelder følgende aspekter: Funksjonsdata av dyse thrusterer i rette og skrå strøm (f.eks. på grunn av retningsvinkel eller havstrøm), under azimutering med konstant rotasjonshastighet, i nærvær av vannflate, inkludert forekomst av ventilasjonsfenomen, i regelmessig bølger av forskjellig høyde og periode, og under bølgeindusert planbevegelser. Operasjonsbetingelsene inkluderer bollard, trawling og transitt. Funksjonsdata av foran tunnel thrusterer, inkludert påvirkning av tunnel og propell design, tunnel integrasjon i skipsskrog, påvirkning av havstrøm med forskjellig hastighet og retning vinkel, thruster-thruster interaksjon på synkron og dynamisk posisjonering operasjon modus. Utvikling av beregningsmodeller for designberegning av tunnel propeller. Utvikling av neste generasjons CFD-baserte simuleringsmodeller for fartøy manøvrerings.

The project has resulted in the development of new, high-fidelity computational methods for the analysis of main propulsor and tunnel thruster performance under extreme off-design conditions. By using these methods one can obtain a realistic assessment of thrust/efficiency losses, manoeuvring forces, dynamic loads and pressure fluctuations developed on propulsion systems in seaways, which is essential for safety and efficiency of marine operations, including those performed in exposed sea areas and in confined waters. The developed methods are implemented in the industrial companies. The project results are expected to generate added value in the participating companies and give advantage for the Norwegian industry and trade, where shipbuilding plays an important role. Ultimately, it will have positive impact on the economy in the sectors where the vessels are operated, including offshore exploitation and transportation.

During operation marine propulsors may experience considerable deterioration of their performance due to high dynamic loads arising from the influence of various factors. These factors include extreme off-design operation, geometrical complexities of ship hull, integration of auxiliary thrusters into the ship hull, constructive surface irregularities at the location of thrusters and interaction between the auxiliary thrusters and main propulsor, and they can be significantly magnified by the environmental influences such as currents and waves. The implications of high dynamic loads and interaction have to be taken into account already at the design stage, in order to reduce fuel consumption, maintain specified levels of noise and vibration, and avoid undesired consequences such as propulsor damages failure. In the present project, the basis for successful solution of the aforementioned problems is sought in the development based on the methods of Computational Fluid Dynamics (CFD) of reliable numerical models to simulate the underlying flow phenomena such as flow separation, vorticity transport and cavitation in full scale conditions. The detailed numerical models described above have the twofold use. On the one hand, they provide research methods to tackle demanding design criteria. On the other hand, they serve as a basis for the development of engineering tools used in routine design practice, guidelines and recommendation as regards the minimization of negative consequences of dynamic loads acting on the thrusters, undesired interaction phenomena and cavitation. Based on the results of numerical studies, simplified mathematical models will be developed to estimate the loss of thruster efficiency and its impact on vessel maneuvering characteristics. The project will focus on the vessels equipped with tunnel thrusters. The target cases of vessel and propulsion systems for investigation will be suggested by the industrial partners in the project.