Propeller - hier dreht sich alles um Effizienz

Unter Propellerentwerfern gibt es einen Scherz“, erzählt Lars Greitsch mit einem Schmunzeln. „Es ist unheimlich schwer, einen Propeller zu entwerfen, der nicht funktioniert.“ Fast jeder Laie könne heute mit handelsüblicher Software einen Propeller konstruieren, der ein Schiff „irgendwie“ antreibt. Doch selbst „sehr gut“ reiche schon lange nicht mehr, heute gehe es darum, die Energieeffizienz immer weiter zu optimieren. Der promovierte Ingenieur muss es wissen, ist er doch einer der beiden Geschäftsführer der Mecklenburger Metallguss GmbH (MMG), die in Waren an der Müritz die größten Schiffspropeller der Welt entwirft und gießt.

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Nur ein einwandfreies Gussstück garantiert eine lange Lebensdauer des Propellers. Bereits im Vorfeld wird der Guss- und Erstarrungsprozess simuliert und analysiert. Hochwertige Metalle bestimmen die Güte der Legierung.

Warum sitzt die MMG im Herzen der Mecklenburgischen Seenplatte und nicht an der Küste? Das gehe mehr oder weniger auf ein Dekret aus dem Jahr 1948 zurück, erklärt Lars Greitsch. Nach dem Ende des 2. Weltkriegs habe die russische Administration einen systematischen Aufbau der maritimen Industrie in Mecklenburg-Vorpommern betrieben – mit dem Ziel, Reparationszahlungen in Form von Schiffen zu erhalten. Um Propeller für die Werften in Rostock, Stralsund und Wismar zu fertigen, wurde ein zentraler Standort gesucht, und für Waren sprachen zwei Dinge: Seit 1871 wurde dort Eisen gegossen – es gab also Know-how und Fachkräfte – und die Stadt ist in etwa gleich weit von den drei Werften entfernt.

Der Vorläufer der heutigen MMG gehörte zum Dieselmotorenwerk Rostock. Dort beschäftigten sich knapp 50 Ingenieure mit der Konstruktion und der Fertigung von Propellern. Sie entwickelten Berechnungsmethoden für deren Geometrie, die zum Teil bis heute genutzt werden. „In den ersten Jahren wurde in Waren nur der Rohling, das Gussprodukt, hergestellt, die weitere Bearbeitung erfolgte dann auf den Werften“, sagt Lars Greitsch. Das änderte sich, als 1970 eine japanische CNC-Fräse angeschafft wurde. Von da an wurden alle Propeller in Waren entworfen, gegossen und bearbeitet.

Der schwerste Propeller der Welt

Ein Meilenstein für das Unternehmen war die Konstruktion und Fertigung des Propellers für die „Emma Mærsk“, die 2006 bei ihrer Indienststellung das größte Containerschiff der Welt war. Bis dahin hatte man es nicht für möglich gehalten, dass man einen Propeller für eine Hauptmaschine mit 109.000 PS fertigen könne. Da man technisches Neuland betrat, wurden „unzählige“ Designvarianten entwickelt, eine Vielzahl von Modellen gebaut und in Versuchsanstalten getestet. Der fertige Propeller hatte schließlich einen Durchmesser von 9,6 Metern, wog 131 Tonnen und war in der Lage, bei 102 Umdrehungen pro Minute das Schiff mit knapp 26 Knoten (≈ 46 km/h) voranzutreiben.

Die ersten Anfragen

Bevor ein Reeder ein neues Schiff in Auftrag gibt, holt er Vergleichsangebote ein. Aus der ersten groben Spezifikation muss hervorgehen, ob es sich um ein Containerschiff, einen Tanker oder einen Bulker handelt, wie groß das Schiff sein soll und mit welcher Geschwindigkeit es fahren soll. Aus diesen Angaben lässt sich i.d.R. die erforderliche Antriebsleistung ermitteln, womit man auch eingrenzen kann, welche Motoren dafür in Frage kommen. Kennt man die Motoren, kennt man auch deren Drehzahlbereiche und kann damit die Größe des erforderlichen Propellers abschätzen. „Diese ersten Berechnungen beherrschen die meisten Werfen selbst“, erläutert Lars Greitsch. „Ist das Schiff aber etwas außergewöhnlich oder die Werft ist sich bei ihren Berechnungen nicht ganz sicher, dann werden wir auch in dieser ersten Phase schon angefragt. Manchmal auch von mehreren Werften gleichzeitig. Unser Vertrieb muss dann erkennen, dass es nicht um vier oder fünf Schiffe geht, sondern nur um eins.“

Bei der MMG in Waren (Müritz) befinden sich Öfen mit Kapazitäten zwischen 5 Tonnen und 80 Tonnen, der weltweit größte Induktionsofen für Kupferlegierungen und die weltweit größte durchgängige Gießerei- und Bearbeitungshalle für Schiffspropeller.

Der Datenmix macht’s

Jeder Propellerentwerfer habe ein Rezeptbuch aus viel Erfahrung und besonders guten, angepassten Programmen, sagt Lars Greitsch. Basierend auf der Grundlagenarbeit der Rostocker Ingenieure habe man 2006 bei MMG die numerische Strömungsmechanik – Computational Fluid Dynamics (CFD) – eingeführt, um die Strömung des Wassers entlang des Propellers zu simulieren.

„Wir müssen ein Bauteil entwerfen, das wir nie vorher testen können. Es sei denn in einem viel, viel kleineren Maßstab im Modellversuch, z.B. in den Schiffbauversuchsanstalten in Hamburg oder Potsdam.“ Aber selbst in einem Tank von 300 Metern Länge könne man die Wasserverhältnisse des Atlantiks nicht 1:1 abbilden. Ein Schiff, das in der Realität 400 m lang sei, messe dort nur sieben Meter. Um trotz dieser Maßstabsprobleme einen effizienten Propeller entwerfen zu können, benötige man einen Mix aus Modellversuchen, empirischen Korrekturfaktoren und CFD-Berechnungen in hoher Auflösung.

Eine Frage der Geschwindigkeit

Die konkurrierenden Entwurfsparameter eines Propellers seien die Effizienz, die der Reeder in Form des Treibstoffverbrauches sieht, sowie die Kavitation und deren negative Folgen. (Kavitation: Hohlraumbildung in strömenden Flüssigkeiten, die beim Propeller dadurch hervorgerufen wird, dass das Wasser längs des Profilquerschnitts unterschiedlich schnell fließt. Kavitation reduziert den Wirkungsgrad und kann zu erheblichen Beschädigungen der Propelleroberfläche führen) Aufschlussreich ist die Frage nach der maximalen Geschwindigkeit des Schiffes. Je mehr Leistung ein Propeller aufnehmen muss, desto dicker müssen die Propellerflügel sein – desto kleiner ist aber der Wirkungsgrad. Umgekehrt hat ein schlankerer Propeller mit weniger Fläche einen höheren Wirkungsgrad, ist aber auch anfälliger für Kavitation. Die heutigen Propeller würden aber so kontrolliert kavitieren, dass die negativen Folgen unterhalb der festgelegten Grenzwerte lägen.

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Es werden Propeller bis zu 160 Tonnen und 11,6 Meter Durchmesser für alle Schiffsklassen und -größen gegossen. Nach dem Guss wird der Propeller exakt geschliffen und geprüft.

Statistische Betriebsprofile

Angaben zu Schiffstyp, Größe, Motorleistung und Geschwindigkeit reichen nicht mehr aus, um einen effizienten Propeller zu entwerfen. Heute fließt eine Vielzahl von Faktoren in die Berechnungsmodelle ein – dazu gehört auch der Tiefgang. Voll beladene Bulk Carrier und Tanker haben auf der Fahrt zu ihrem Bestimmungshafen einen deutlich größeren Tiefgang als auf der Rückreise, die meistens ohne Ladung erfolgt. In Wetterstatistiken kann man sehen, welche Windgeschwindigkeiten und Wellenhöhen im Jahresdurchschnitt auf den wichtigsten Routen vorherrschen und daraus ein Tiefgangsprofil ableiten.

Ein zweites Beispiel: Vor 2009 sollten Containerschiffe wie die Emma Mærsk möglichst mit einer konstant hohen Geschwindigkeit von 26 kn fahren und genau darauf war die Geometrie des Propellers ausgelegt. Heute sollen sie noch maximal 22 kn erreichen können, aber hauptsächlich im mittleren Geschwindigkeitsbereich von 16-18 kn fahren. Die Geometrie muss also beide Anforderungen berücksichtigen. Wie löst man diese Aufgabe? Einfach und elegant: Man definiert so genannte Auftretens-Wahrscheinlicheiten: 30 Prozent der Fahrtzeit erfolgt bei 22 kn, 50 Prozent bei 16-18 kn, 20 Prozent bei ganz geringen Geschwindigkeiten – z.B. bei An- und Abfahrten in Häfen. 

Um den Schiffsbetrieb eines Jahres im Durchschnitt zu simulieren, hat MMG in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Hamburg-Harburg einen Algorithmus entwickelt, in dem mehr als 2.000 einzelne Betriebspunkte definiert und mit Daten und Wahrscheinlichkeiten hinterlegt werden. „Damit können wir Propeller entwerfen, die perfekt zum Einsatzprofil des Schiffes passen“, sagt Lars Greitsch. Wenn ein Kunde genau wisse, was er wolle und seine Vorgaben nicht mehr ändere, könne ein Entwurf in 2-3 Wochen erstellt werden.

Validierung mit echten Daten

Da immer mehr an Bord eingesetzte Bauteile mit Sensoren bestückt sind, können die von ihnen erfassten Betriebsdaten auch ausgewertet werden. Bei MMG nutzt man das, um zu sehen, ob und wie Modelldaten von echten Daten abweichen. Auf diese Weise können die Modellrechnungen kontinuierlich verfeinert und verbessert werden.

Das zahlt sich insbesondere bei Retrofit-Projekten aus, bei denen alte Propeller durch neue ersetzt werden, die auf die Fahrt mit gedrosselten Geschwindigkeiten abgestimmt sind. „Bevor wir einen neuen Propeller entwerfen, nutzen wir die Betriebsdaten, um den Originalpropeller nachzurechnen. So können wir ohne aufwendige Modellversuche am Computer ermitteln, wie wir die Geometrie verändern müssen“, erklärt Lars Greitsch.

Aus einem Guss

Ist der endgültige Entwurf vom Kunden genehmigt und von einer Klassifikations-gesellschaft freigegeben worden, kann mit dem Guss begonnen werden. Zuerst werden im Maßstab 1:1 hölzerne Gussmodelle für die Propellernabe und einen Flügel gebaut. Da bei einem Propeller mit vier oder fünf Flügeln alle Flügel gleich sein müssen, um Unwuchten zu vermeiden, genügt es, das Modell eines einzigen Flügels zu erstellen.

Mit Hilfe der beiden Holzmodelle wird die ringförmige Gussform nach und nach als komplette Hohlstruktur des gesamten Propellers aufgebaut, wobei das Flügelmodell mehrfach genutzt wird. Für die Gussform verwendet man einen speziellen Formsand, der während des Aufbaus mehrfach verdichtet wird. Ist die Form einschließlich der Entlüftungsschächte und des Eingusstrichters fertig, wird sie mit einem Ring aus Stahlplatten umschlossen, die miteinander verklammert sind. Die „Decke“ der Gussform wird mit Betonblöcken beschwert. Dadurch verhindert man, dass die Form beim Einfüllen der Bronze aufquillt.

Um einen Propeller von 120 Tonnen zu gießen, benötigt man 150 – 160 Tonnen so genannter Schmelze. Sie besteht zu 80 Prozent aus Kupfer und zu 20 Prozent aus Aluminium, Mangan, Eisen und Nickel und wird in besonderen Öfen auf über 1.000 Grad Celsius erhitzt.

Bevor man die Schmelze einfüllt, wird ihr Gieß- und Erstarrungsverhalten in einer weiteren CFD-Simulation überprüft. So kann man sicherstellen, dass die Schmelze sich wie gewünscht verteilt und sich keine Blasen oder Pfropfen bilden. „Dazu baut man die Form geometrisch auf dem Computer nach, berücksichtigt Wärmeleitkoeffizienten, Isolierwirkung, Außentemperatur und weitere Faktoren, und gießt dann die virtuelle Schmelze in die virtuelle Form“, erläutert Lars Greitsch. „Der Computer berechnet dann, wann welche Partie in welcher Form zuerst erstarrt.“

Nach dem Erstarren der Schmelze und der Entfernung der Gussform wird der Rohling entweder mit CNC-Fräsen oder mit handgesteuerten Schleifmaschinen in seine finale Form gebracht. Das ist im wahrsten Sinne des Wortes Millimeterarbeit, die entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Propellers hat.
Aber nur wer über Jahre erstklassige Qualität liefert, kann Weltmarktführer werden wie die MMG.

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