Design Considerations and Performance Evaluation of Energy Saving Devices for Deep-Sea Vessels towards Green Shipping

Energieffektivitet har blitt den viktigste driveren for alle rederier og operatører som jobber tett med forskerne og designerne om implementering av ulike energisparetiltak for både nye skip og retrofit. Dette har blitt enda viktigere de siste årene på grunn av strengere miljøreguleringer og fokus på utslipp. Dette nåværende prosjektet fokuserte på implikasjonene av å bruke energibesparende utstyr (Energy Saving Devices (ESD)) og høyeffektive propellere som er tilpasset medstrømsfeltet for oversjøiske skip. Selv om de potensielle fordelene ved installasjonen av disse ESD-ene er anerkjent, eksisterer det betydelige kunnskapsbehov og tekniske utfordringer angående ESD-design og bruk på skipene. Både skipsoperatører og designere trenger mer pålitelige optimaliseringsmetoder og designverktøy. I dette prosjektet ble de nevnte problemene tilnærmet ved hjelp av systematiske numeriske og eksperimentelle undersøkelser. Et fartøy som er studert i dette prosjektet er et kjemisk tankskip. Etter numerisk analyse og halvautomatisk design av en ny pre-swirl Stator ble det utført tester i slepetanken. Deretter ble testene analysert som viste veldig god sammenligning med den numeriske analysen for modellskala. Samtidig avslørte analyser og ekstrapolering av testresultatene i fullskala at den tradisjonelle måten å skalere disse enhetene ikke er perfekt fordi forskjellig strømming, virvler og grensesjiktmønster i modell- og fullskala. Derfor ble også numeriske analyser utført i fullskala. En vitenskapelig artikkel ble presentert på International Symposium on Marine Propulsors, smp19, som ble holdt i slutten av mai 2019 i Roma. Det ble også levert en masteroppgave om dette emnet i 2019. En annen masteroppgave er levert i 2020. Et journalpaper er publisert i JMSE i 2020. Industripartner MAN designet en Wake Adopted propell basert på medstrømfeltet fra Pre-Swirl-Stator. Denne propellen forbedrer effektiviteten enda mer. SINTEF Ocean har utført CFD-analyse av denne propellen. En PBCF ble designet av SINTEF Ocean. PBCF (Propeller Hub Cap Fins) viser seg å gi en viss sparing der hub-virvel er til stede. Numeriske analyser og modellforsøk viser mer sparing med PBCF for nevnte skip. Singaporske forskningspartner IHPC har også vært aktiv i å utføre numeriske analyser og se på andre måter for å forbedre effektiviteten, inkludert Pre-Swirl-Duct.

Due to environmental and regulatory focus on shipping, it is very important for the maritime community to have good knowledge about energy saving devices. This is the most significant result and benefit from this project, which can assist the shipping industry to reduce their footprint. The project has demonstrated efficient and reliable methods for design and verification of different types of energy saving devices. These devices can be also retrofitted to the existing fleet, providing energy savings up to 10%. Often the return of investment is also not long , 1 to 5 years. If this is done consequently, the benefit for the environment by reducing emissions would be considerable.

Energy efficiency has nowadays become the key driver for all ship owners and operators who work closely with the researchers and designers on the implementation of various energy saving measures for both the new and retrofit ships. The present project will focus primarily on the implications of using the Pre-swirl and Post-swirl Propulsion Improving Energy Saving Devices (ESD), and High-Efficiency Wake Adapted Propellers installed on deep-sea vessels, including chemical tankers. While the potential benefits from the installation of these ESDs are commonly recognized, there exist considerable knowledge needs and technical challenges regarding the ESD design and use on the ships. More systematic and detailed information is needed about energy savings achieved due to the installation of ESD on full scale ships, using adequate performance criteria. In addition to the design point, the performance of ESD has to be evaluated under off-design conditions, including operation in waves. Both the ship operators and designers need more reliable optimization methods and design tools to support the choice of ESD and to design efficient propulsion system adapted to operation conditions behind ship hull. The numerical methods of Computation Fluid Dynamics (CFD) that form the basis for such tools require further development and validation. The performance prediction procedures using the results of model tests have to be revised to account more accurately for scale effect on the characteristics of vessels equipped with ESDs. In the present project, the aforementioned problems will be approached by means systematic model tests, numerical calculations and correlation with full-scale data. The project will provide a substantial volume of decision support data for ship owners and operators considering the installation of ESDs of the studied type, and the numerical tools will be developed to facilitate the ESD design based on the CFD methods.