'Innovaties uit de windenergiesector vinden amper hun weg in de scheepsbouw, ondanks de onmiskenbare overeenkomsten. Onderzoekers uit de scheepswerktuigkunde en regeltechniek grijpen het cohesieprogramma aan om hier verandering in aan te brengen.’
Het principe van een windturbine en dat van een scheepsschroef verschillen eigenlijk niet veel van elkaar. In beide gevallen moet er een optimaal rendement uit een aantal roterende wieken of schroefbladen gehaald worden. Toch is er verrassend weinig synergie tussen de beide vakgebieden. Tot die conclusie kwamen ook Dr.ir. Arthur Vrijdag, die bij de Afdeling Maritime and Transport Technology aan innovatieve scheepsontwerpen werkt, en Prof. Jan-Willem van Wingerden, die bij het Delft Centre for Systems and Control onderzoek doet naar nieuwe manieren om windturbines aan te sturen. Hoog tijd om hier verandering in aan te brengen! Dr.-Ing. Cornel Thill (Afd. Maritime and Transport Technology), manager van de Delftse sleeptank, was meteen enthousiast voor hun idee. De eerste stap van het team is om een schaalmodel te ontwikkelen en hiermee dynamische modelproeven uit te voeren. Hun cohesieproject ‘Rotor-Schroef-Control voor trillingsonderdrukking’ is bijna klaar om te water te worden gelaten.
Een veel realistischer model
Hoe optimaliseer je de voortstuwing van een schip? Die uitdaging is een multidisciplinaire: de dynamiek van een operationeel schip wordt bepaald door een samenspel van technische componenten (scheepsschroeven, roer, aandrijvende installatie), omstandigheden (golven, wind, manoeuvres, snelheidsveranderingen) en processen (hydromechanica, machinetechniek, regelsystematiek). Om meer inzicht te krijgen in hoe dit alles samenspeelt, zijn experimenten op modelschaal onmisbare gereedschappen. Maar die modelproeven mogen dan niet teveel vereenvoudigd zijn dat ze de complexiteit van de werkelijkheid mislopen. ‘Een simpel model dat op vlak water beweegt, dat kan iedereen. Wij willen een stap verder gaan, en een modelschroef ontwikkelen die dynamisch aangepast kan worden op de dynamiek van realistische omstandigheden.’
Aandrijfsysteemdynamica
Een element dat in het bijzonder afwezig is in scheepsmodellen, betreft de aandrijfsysteemdynamica. ‘Is het je ooit opgevallen dat de vleugel van een vliegtuig van vorm verandert tijdens het opstijgen en landen? Dit gebeurt om de gewenste draagkracht en aerodynamica te verkrijgen. Ook in het vakgebied van de windenergie worden soortgelijke technieken ontwikkeld: de stand van iedere wiek van een windmolen kan individueel afgesteld worden en deze afstelling dynamisch aangepast aan de veranderende omgevingsinvloeden. Hetzelfde is mogelijk voor scheepsschroeven: de mogelijkheid om de stand van ieder schroefblad ten opzichte van de naaf –de spoed– aan te passen, biedt interessante mogelijkheden die nog onvoldoende onderzocht zijn. ‘Zo’n schroefinrichting is principieel anders dan alles wat er nu bestaat.’
Combinatie van vakgebieden
‘De combinatie van geavanceerde regelsystemen en een verstelbare schroefinrichting opent een wereld van nieuwe mogelijkheden voor de scheepvaart,’ legt Vrijdag uit. Bijvoorbeeld om trillingen te voorkomen, om het rendement van de voortstuwing te verhogen, maar ook om het verschijnsel van cavitatie te minimaliseren.’ Cavitatie kan bij draaiende scheepsschroeven optreden als waterdampbelletjes ontstaan en vervolgens weer imploderen. Die implosies zijn niet alleen luidruchtig maar kunnen ook schade toebrengen aan de schroefbladen. Om zulke schade te voorkomen, maar ook om vissen niet te verstoren en voor militaire toepassingen is er de wens om cavitatie zoveel mogelijk te verminderen. ‘Hiervoor is een combinatie nodig van scheepswerktuigkunde en regeltechniek, precies de vakgebieden die we in ons cohesieproject hebben samengebracht.’
‘De combinatie van geavanceerde regelsystemen aan boord van schepen en een verstelbare schroefinrichting opent een wereld van nieuwe mogelijkheden.’
Sleeptank
Wat is er voor nodig om het potentieel van een dynamische spoed uit te buiten? Allereerst een verstelbare schroefinrichting op modelschaal, waarmee nieuwe meet- en regelstrategieën getest kunnen worden in een zogenaamde sleeptank. Het cohesieproject gaf de onderzoekers de mogelijkheid om een start te maken met een nieuw soort modelschroef waarvan de spoed naar believen aangepast kan worden zonder dat het experiment gestopt en het model uit het bassin gehaald moet worden, voorzien van sensoren voor stuwkracht en koppel die het experiment niet beïnvloeden. Het plan om een dergelijk model te ontwikkelen bracht het cohesieteam meteen bij Thill, die verantwoordelijk is voor de sleeptank van de TU Delft. Met zijn enthousiasme voor het project (‘Er is gewoon niks leukers dan scheepsbouw!’) werd hij meteen een drijvende kracht.
‘Er is gewoon niks leukers dan scheepsbouw!’
Model in wording
Daan Schuttevaer, de scheepsbouwkundige die op het cohesieproject werd aangesteld, laat trots het schroefmodel-in-wording zien. De schroefbladen, zo’n 10 cm lang, zijn nog gemaakt van aluminium, een materiaal om snel en goedkoop mee te experimenteren voordat de definitieve schroef van brons wordt gemaakt. De bladen passen op een soort holle voetbal. Hier zit ook de elektromotor op gemonteerd die via een tandwiel de vier schroefbladen om hun lengteassen laat draaien. De regeltechniek, een printplaat vol chips en verbindingen, is klaar om bevestigd te worden om de motor heen. Het geheel van motor en printplaten wordt tenslotte met een conische koker van brons afgesloten. Een overdruk in deze koker, met dank aan een autobandventiel, moet voorkomen dat er in geval van een lek water naar binnen stroomt. ‘Wat dit ontwerp bijzonder maakt, is dat de elektromotor om de stand van de schroefbladen aan te passen, is vastgemaakt aan de schroef, en dus meedraait. Zo voorkomen we dat het verstellen van de spoed de meting van stuwkracht en koppel verstoort.’
Gedreven team
Hoewel het model nog een prototype is die nog geen water gezien heeft, was het al een heel avontuur om zover te komen. Vrijdag: ‘Onze maritieme afdeling heeft een eigen werkplaats en maakt normaliter geen gebruik van de facultaire werkplaats. Voor dit project is daar een uitzondering voor gemaakt: de onderdelen die gefabriceerd moesten worden, waren een grote uitdaging voor alle betrokkenen. Een uitdaging die ze met enthousiasme zijn aangegaan.’ Thill vult aan: ‘Het zijn complexe geometrieën. Het team heeft niet op een uurtje meer of minder gekeken, zo gedreven was iedereen.’ De drie projectleiders zijn dan ook unaniem in hun lof voor de experts die de engineering en productie hebben gedaan: Schuttevaer zelf, meettechnicus Frits Sterk, coördinator van de facultaire werkplaats Ing. Jan van Frankenhuyzen en instrumentmaker Nisse Linskens. En hoewel de afdeling geen vaste gast van de werkplaats is geworden, is er wel een muurtje doorbroken, aldus Thill.
‘De drie projectleiders zijn unaniem in hun lof voor de experts die de engineering en productie hebben gedaan.’
Startsein van samenwerking
Waarom loopt de scheepsbouw eigenlijk achter op de luchtvaart- en windenergiesectoren? ‘Daar waar vliegtuigen en windmolens in grote oplagen van identieke modellen gebouwd worden, worden schepen vaak op maat gebouwd en zijn ze one of a kind. De economy of scale is niet voldoende om systematisch onderzoek te doen naar innovatieve manieren van voortstuwing.’ Tekenend is dat we nog steeds sterk leunen op onderzoek naar scheepsschroeven dat al in 1937 werd gedaan door wat nu het Maritime Research Institute Netherlands (MARIN) is. Vrijdag, Thill en Van Wingerden vinden het daarom hoog tijd om onderzoek te doen naar een nieuwe generatie dynamische-spoed propellers. ‘Ons cohesieproject is het startsein van de samenwerking die dit mogelijk gaat maken.’
‘Het is hoog tijd om systematisch onderzoek te doen naar een nieuwe generatie dynamische-spoed propellers. Het cohesieproject is het startsein van de samenwerking die dit mogelijk gaat maken.’
Dr.ir. Arthur Vrijdag (Afd. Marine and Transport Technology) is onderzoeker en universitair docent scheepswerktuigkunde. Eerder was hij als stuurman werkzaam bij de Koninklijke Marine en als ingenieur bij Rolls-Royce Naval Marine en Damen Shipyards.
Prof.dr.ir. Jan-Willem van Wingerden (Delft Centre for Systems and Control) promoveerde cum laude in 2008 aan de TU Delft op onderzoek naar slimme, dynamische rotoraansturing voor grote offshore windturbines. In 2010 was hij gastwetenschapper aan het National Renewable Energy Lab (VS). Hij is nu voltijds hoogleraar aan de TU Delft. Hij is met name geïnteresseerd in data-gedreven besturing, niet-lineaire systeemidentificatie, dynamische aansturing van windturbines, en windturbineparken.
Dr.-Ing. Cornel Thill (Afd. Maritime and Transport Technology) studeerde scheepsarchitectuur aan de Technische Universiteit Aken en behaalde magna cum laude zijn PhD op het gebied van adaptieve numerieke simulaties van meer-fase-stromingen aan de Gerhard Mercator Universiteit Duisburg in 1998. Daarna werkte hij bij het Maritime Research Instituut Netherlands (MARIN) in Wageningen onder andere aan luchtsmering voor schepen en als hoofd van de hydrodynamica afdeling bij het Development centre for Ship technology and Transport systems (DST) in Duisburg. In 2014 begon hij deeltijds als docent bij de TU Delft en per 2015 voltijds als hoofd van de sleeptank.
ME Cohesieprojecten
Cohesieprojecten zijn in 2014 gestart vanuit een idee van decaan Theun Baller met als doel interdisciplinaire samenwerking binnen de faculteit te stimuleren. Een goede ingenieur is immers bij uitstek een samenwerker en de meeste innovaties ontstaan op het snijvlak van disciplines. De cohesieprojecten geven jonge onderzoekers de mogelijkheid om funding aan te vragen voor projecten, met als voorwaarde samenwerking met collega’s binnen de faculteit en buiten de eigen discipline. In een grote faculteit als ME kon de samenwerking wel een duwtje gebruiken. Inmiddels worden de successen geoogst: Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Materiaalkunde lenen zich uitstekend voor onverwachte cross-overs met verrassende uitkomsten