Mindre slit for propellen

Skipsindustrien er opptatt av å finpusse designen på skipsskrog og på propellene. Det er vel og bra, men det er bare halve jobben. Det blir som hvis idrettsutøvere satser alt på å forbedre utstyret, men ikke på å forbedre måten de skal bruke utstyret på.

Det er stipendiat Øyvind Smogeli som snakker. Han er i ferd med å få i havn en doktoravhandling som vil vekke oppsikt, ikke minst hos redere i inn- og utland. Sammen med sin veileder, marinprofessor Asgeir J. Sørensen, har han utviklet et nytt styringsprinsipp for propeller. Det vil årlig kunne spare skipene som daglig går i Nordsjøen, for flere hundre millioner kroner i vedlikeholdsutgifter. Og da er ikke medregnet de millionene av kroner oljeselskapene daglig taper mens vedlikeholdsarbeid utføres og skipene er ute av drift.

TURTALL TIL BESVÆR •

I dag reguleres skipspropellene etter turtallsprinsippet, det som i bilverdenen kalles cruisekontroll: Kjøretøyet holder jevn fart, uavhengig om veien går oppover eller nedover.

Turtallsregulering av propeller fungerer godt når sjøen er relativt rolig.Men i bølger og under vanskelige værforhold – og ved ekstremvær, som vi ser ut til å få mer og mer av – er det flere klare minus med denne løsningen, mener marinforskerne. Bølger, strøm og skipets bevegelse gjør at arbeidsforholdene til propellen stadig endres. Propellmotoren må da kjempe for å holde jevn fart på propellen: i det ene øyeblikket gi full gass, for i det neste å slakke opp. Dette sliter på motor og drivverk, og øker drivstofforbruket.

Og i store bølger kan arbeidsforholdene til propellen fort bli enda verre enn dette. For å forklare problemet med turtallsregulering på propeller i høy sjø, sammenligner Smogeli med noe vi kjenner godt til:

– Kjører vi bil på tørt føre og plutselig kommer over på is, vil hjulene begynne å spinne. Det samme skjer når sjøen er høy og skipet kastes opp og ned og fra side til side: Propellene går av og til over – eller nesten over – vannskorpa. Når dette skjer, kan propellen på et øyeblikk miste tak i vannet, og hastigheten øke kraftig. På forskerspråk får propellmotoren en utrusning. I neste øyeblikk sørger den urolige sjøen for at propellen er langt nedi vannmassene igjen. Der får den tak i vannet, og farten på den bremses kraftig. Noen sekunder senere er propellen igjen over vann – «med full gass» – deretter bremses den brått igjen i vannet. Disse skiftningene sliter enormt på propellmotoren og drivverket.

I tillegg påvirkes kraftforsyningen på skipet. Et vanlig forsyningsfartøy eller en borerigg i Nordsjøen har nok generatorer om bord til å forsyne en liten norsk by med strøm. Med opptil 6–8 propeller, som alle er utsatt for vanskelige arbeidsforhold, kan svingningene i energiforbruk bli store. Dette kan i verste fall medføre brudd i strømforsyningen og mørklegging av skipet, det som kalles black-out. Skipet blir da liggende og drive uten kontroll, kanskje opp mot 20 minutter, til mannskapet får startet opp motoren igjen. Dette kan føre til farlige situasjoner.

MED NATUREN, IKKE MOT •

Turtallsregulering og høy sjø går altså ikke godt sammen. En annen måte å styre på, er å jobbe med naturen når sjøen er brutal: Istedenfor å la propellen ha konstant hastighet, kan man la drivkraften til motoren være konstant, og la turtallet variere. Da vil propellen slakke farten noe når den går inn i en bølge, og øke farten litt når den har mindre motstand i vannet. Vi kan igjen sammenligne med bilkjøring: Et konstant trykk på gassen vil gjøre at bilen går saktere i oppoverbakke og raskere i nedoverbakke.

– Dette kaller vi momentregulering, forklarer professor Sørensen.

I tillegg har Smogeli innført hva han kaller effektregulering – der målet er å skape så små variasjoner som mulig i energibehovet. Begge prinsippene kan brukes i det nye styringssystemet som NTNU-forskerne nå lanserer og mener bør erstatte den tradisjonelle turtallsreguleringen. De kaller det en kombinert effekt- og momentregulering.

SOM PÅ GLATTISEN •

Effekt- og momentregulering fungerer godt i moderat sjø når propellen er neddykket, men trenger ytterligere teknologi for å fungere bra i høy sjø. Asgeir J. Sørensen og Øyvind Smogeli har latt seg inspirere av nyere bilers antispinn-mekanisme: Når et bilhjul havner på glattisen og begynner å spinne, oppdager bilens datasystem dette, og reduserer hastigheten på hjulet. Akkurat det samme kan gjøres med en propell. Smogeli har derfor utviklet et overvåkningssystem som oppdager at propellen begynner å spinne, og senker turtallet slik at propellen lettere får tak i vannet igjen.

I tillegg til dette har Smogeli sett på muligheten for å innføre en annen mekanisme hentet fra bilverdenen: traction control. Når det ene hjulet havner på glattisen, har bilen et system som forflytter kraften til de hjulene som har bedre tak i bakken. Samme prinsipp kan benyttes på havet: Skip har flere propeller; en eller to hovedpropeller bak som skyver, og en eller flere propeller foran og akterut, som brukes for å bevege skipet sideveis og for å endre retning. Noen skip har også en nedsenkbar propell midt under, som gir skyvekraft i alle retninger etter behov. Smogeli arbeider med et styresystem som overvåker alle propellene på et skip samtidig. Straks en propell begynner å spinne og miste kraften, registrerer datasystemet dette og sørger for mer kraft til de propellene som i øyeblikket er velfungerende.

PENGER SPART, PENGER TJENT •

Ved å kaste turtallsreguleringen på båten, og innføre effektog momentregulering, vil fartøyene spare penger på å bruke mindre energi/drivstoff. I tillegg spares miljøet for CO2-utslipp. Og slitasjen på propellsystemet reduseres kraftig, slik at det får lengre levetid. Dette innebærer besparelser både for propell-leverandører og for redere. Og ikke minst – de nye systemene vil kunne gi bedre kontroll på bevegelsen til skipene.

ROLLS ROYCE FØLGER MED •

– Hvis denne teknologien fungerer etter hensikten – å redusere slitasjen og driftskostnadene på framdriftssystemer og gi høyere sikkerhet – er den absolutt interessant for våre kunder, sier Rune Garen, forsknings- og utviklingsdirektør i Rolls Royce Marine, til Gemini.

Han vil lese Øyvind Smogelis doktoravhandling og andre publikasjoner fra dette miljøet med største interesse. – Dette er ikke publikasjoner for hylla, sier han.

RELEVANT FOR ETT AV FEM SKIP • Ideene ser ut til å være storartede ikke bare på tegnebordet og i dataprogrammene. Smogeli har i høst og vinter prøvd dem ut på modellpropeller i NTNUs laboratorium for marin kybernetikk. Sammen med mastergradsstudenter har han blant annet testet de ulike reguleringsprinsippene (turtall, moment og effekt) og hvordan propellen belastes når den kommer for nær eller over vannoverflata. Antispinn-reguleringen og datasystemer for overvåking av propeller har også blitt sjekket på alle bauger og kanter.

– Vi fikk gode resultater som verifiserte teoriene, slår Smogeli fast. – Under utprøvingen dukket det opp noen nye momenter vi ikke hadde tenkt over. Det var svært nyttig og bidro til å videreutvikle teoriene.

Til høsten er Smogelis doktorgradsarbeid i havn. Da er det opp til industrien om den vil gjøre noe med marinforskernes funn. Og det er mange typer fartøy som kan få glede av forskningen, for eksempel offshore forsyningsskip, rørleggingsfartøy, tankfartøy, fiskebåter, cruiseskip, ferger og flytende oljeproduserende plattformer. Professor Sørensen mener at det nye styringssystemet kan være relevant for 10-20 prosent av verdensflåten.

– Men noen vil tape på nyvinningen, minner han om: – Serviceindustrien. Den vil få mindre å gjøre…

Av Nina Tveter