Pulse-jet propulsion for commercial ships

Et nytt fremdriftssystem inspirert av svømmeteknikken til blekkspruter og maneter kan føre til betydelig redusert drivstofforbruk og CO2 utslipp for moderne skip. Disse dyrene beveger seg fremover ved å først suge vann inn i et hulrom i kroppen for deretter presse det ut med høyere hastighet. Resultatet er periodiske pulser av vannstråler som skyver dyrene fremover med en oscillerende fremdriftskraft, ofte forkortet til «pulsejeter». Energiforbruket blir kraftig redusert sammenlignet med å skape den samme kraften med en jevn jetstrøm på grunn av spesielle strømningsstrukturer skapt av disse pulsene. Dette forskningsprosjektet vil undersøke en ny metode for å skape lignende pulsejeter ved hjelp av en konvensjonell propell. En periodisk fremdriftskraft kan være en utfordring for et vanlig fremdriftssystem, men er muliggjort ved hjelp av de siste innovasjonene i thrusterteknologi fra Kongsberg Maritime. Rask og presis dynamisk drift av propellens rotasjonshastighet kan oppnås ved å bruke en moderne elektrisk motor plassert på utsiden av propellen, kjent som rim-drives i industrien. Kongsberg er ledende leverandør av slike drivsystemer. Noen av forskningsspørsmålene i dette prosjektet er som følger: Vil denne nye pulsejet-teknikken oppnå den samme energibesparelsen som er observert for blekkspruter og maneter? Kan systemet brukes selv i utfordrende forhold, som for eksempel i dårlig vær og under komplekse skipsoperasjoner? Spørsmålene vil bli utforsket ved hjelp av en kombinasjon av eksperimenter og simuleringer. Eksperimenter vil bli utført i topp moderne hydrodynamiske laboratorier ved hjelp av nedskalerte versjoner av fremdriftssystemet, inkludert det spesielle motoroppsettet og kontrollsystemene som trengs for å skape pulsene. Simuleringer vil bli utført ved hjelp av både etablerte verktøy i maritim industri og spesiallagde modeller utviklet for dette prosjektet.

Squids and jellyfish achieve remarkable performance by utilising a special swimming technique. They generate thrust by periodically sucking water into a hollow cavity in their body and then squeezing it out at a higher velocity. The result is periodic pulses of high-speed water that push the animals forward with an oscillating thrust force, often called pulse jets for short. Due to special flow structures in the wake, this technique results in impressive energy savings, when compared to generating the same amount of thrust with a steady jet stream. This research project will investigate a new method to create pulse jets that, unlike previous attempts, do not need complex mechanical solutions. It is therefore both suitable and realistic to apply for commercial ships. The idea is to use existing thruster hardware but controlled in a new way. This is made possible due to recent innovations from Kongsberg Maritime in both thruster configurations and electrical drives. The goal is to explore whether the new method can achieve similar, or better, energy savings as reported for other pulse jet mechanisms. The method will be evaluated in both ideal conditions and when utilised during challenging ship operations such as station keeping and low-speed manoeuvrability. This will be done through extensive use of CFD simulations and physical experiments to do design explorations and performance evaluations. In addition, simplified modelling will be developed to allow for further optimisation of the system as well as co-simulation of many ship systems together in complex operations. Special focus will be on developing a simplified hydrodynamic model that is suitable for capturing the time-dependent dynamic nature of the pulse jet. The expected outcome of this project is a new technology for thrusters that can lead to a substantial reduction in fuel consumption for ships.