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TechnikDieselmotoren in Schiffen

Alle Vibra­tionen von Bord!

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Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

Motorvibra­tionen stören nicht nur, sie können auch wichtige Bauteile schädigen. Adaptroni­sche Systeme sollen diese unerwünschten Schwingungen wirksam reduzieren.

11. Januar 2017

Wenn das Fährschiff „Color Magic“ die Kieler Förde Richtung Oslo verlässt, wummern im Maschinen­raum vier Dieselmo­toren mit einer Gesamtleis­tung von knapp 32 Megawatt oder rund 43 000 PS. Die gewaltigen Antriebs­kräfte bringen jetzt alles an Bord zum Schwingen: vom Antriebs­strang über die Treppen und Stufen, bis hinauf zum Sonnendeck. Dort zittert dann kaum spürbar eine hölzerne Sonnenliege. Andere wichtigere Bauteile des Schiffes können unter dieser Dauerlast langfristig Schaden nehmen.

„Das ist ein massives Problem“, erklärt Heiko Atzrodt, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Betriebs­fes­tig­keit und Systemzu­ver­läs­sig­keit LBF in Darmstadt. Denn die Vibrationen stören nicht nur den Reisekom­fort, sondern sie schädigen auch wichtige Bauteile des Schiffes. Abhilfe schaffen hier so genannte adaptroni­sche Systeme: Sie können die unerwünschten Schwingungen spürbar reduzieren. Adaptronik ist ein Kunstwort zusammen­ge­setzt aus adaptiv und Elektronik; eine interdis­zi­pli­näre Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau selbstan­pas­sender (adaptiver) und aktiv reagierender mechanischer Struktur­sys­teme beschäftigt.

Virtuelle Prototypen ohne Stapellauf

Um das komplexe Schwingungs­ver­halten der Schiffsauf­bauten schon während der Konstruk­ti­ons­phase am Rechner zu erkennen, hat das LBF nun eine Simulati­ons­soft­ware zur Auslegung und Analyse von adaptroni­schen Maßnahmen zur Schwingungs­min­de­rung entwickelt. „Bislang existierte für derartige Systeme kein durchgän­giger Entwicklungs­pro­zess, sondern nur Insellösungen für einzelne Problemfälle“, konstatiert LBF-Forscher Atzrodt.

Mithilfe der neuen Fraunhofer-Software lassen sich sowohl passive wie auch aktive adaptroni­sche Systeme zur Schwingungs­min­de­rung am Computer simulieren. Mit der neuen Toolbox sparen die Schiffbauer Zeit und Kosten für den Bau teurer Prototypen. Die Systeme können gleich von Anfang an optimal ausgelegt werden. Die virtuelle Simulati­ons­um­ge­bung ist nicht nur auf die Schifffahrt beschränkt, sondern sie kann überall dort eingesetzt werden, wo Schwingungen entstehen und stören.

Das Fraunhofer Simulati­ons­werk­zeug „AdaptroSim“ verarbeitet für seine Berechnungen die Informationen aus den Daten der so genannten Finite-Elemente-Methode (FEM), einer weitverbrei­teten numerischen Lösungsme­thode im Bereich wissenschaft­lich technischer Aufgaben­stel­lungen. Mit der FEM können physikali­sche Vorgänge – beispiels­weise Kraftwir­kungen auf deformier­bare Festkörper – simuliert werden, deren Verlauf sich nicht oder nur sehr aufwendig mit anderen Mitteln bestimmen lässt.

Passive Schwingungs­re­du­zie­rung

Eine Hauptquelle aller Bordschwin­gungen sind die Motoren im Maschinen­raum mit ihren wuchtigen Antriebs­strängen. Dort sind große Massen im Schwingungs­spiel. Dagegen setzt man häufig so genannte passive Maßnahmen ein. Sie sind deutlich preisgüns­tiger als aktive Maßnahmen und nicht so aufwendig in der Entwicklung und Umsetzung. Dies können Lagerele­mente oder zusätzliche Strukturen sein, die durch ihr Verhalten die Schwingungen an Bord reduzieren, indem sie die Übertragungs­pfade modifizieren. Dämpfungs­ele­mente aus Gummi zum Beispiel, nehmen die Schwingungs­en­ergie auf, deformieren sich unter der Kraftein­wir­kung und wandeln diese Energiean­teile auch in Wärme um.

Durch Tilger-Elemente, werden der schwingenden Struktur, ein zusätzli­ches schwingfä­higes System hinzugefügt, welches auf die ursprüng­li­chen Schwingungen dämpfend wirkt. Problema­tisch ist es immer nur dann, wenn die Drehzahl oder die Schwingungs­fre­quenz sich ändert. Dann sind solche passiven Systeme nicht mehr in der Lage, sich wieder optimal auf die neuen Gegebenheiten einzustellen. „Passiven Maßnahmen sind gerade für mobile Anwendungen Grenzen gesetzt, da sie hier nicht beliebig groß und schwer werden dürfen“, erklärt Atzrodt.

Aktive Schwingungs­re­du­zie­rung

Dann kommen adaptroni­sche Systeme ins Spiel. Diese Systeme wandeln zugeführte elektrische Energie in mechanische Energie um und wirken so aktiv den Schwingungen entgegen. Dadurch sind sie trotz zum Teil geringerem Gewicht oder geringerer Größe leistungs­fä­higer als die passiven Maßnahmen. Mit möglichst wenig Energie und geringem Material­ein­satz passen sich die adaptroni­schen Systeme dem Betrieb an und verringern Störungen aus der Umgebung. Eine aktive Struktur kann sich selbständig regulieren und sich so optimal den aktuellen Schwingungs­ver­hält­nissen anpassen. Das Prinzip ist einfach: Am Bauteil angebrachte Sensoren messen, aus welchen Tönen oder Frequenzen sich ein Geräusch zusammen­setzt. Verformbare Bauelemente, so genannte Aktoren, wandeln mit Hilfe des Reglers das Messsignal der Sensoren in Gegenschwin­gungen um. Schwingung und Gegenschwin­gung werden so überlagert, dass sie sich im Idealfall gegenseitig fast auslöschen. Völlig ohne Schwingungen kreuzt eine Ostseefähre aber nie nach Norwegen.

Zukunfts­wei­sende Adaptronik

Aber nicht nur im Schiffbau ist die Adaptronik von Nutzen. In vielen Bereichen, in denen leistungs­fä­hige Leichtbau­struk­turen gefragt sind, ist die neue Ingenieurs­kunst bedeutsam – gerade dort, wo Schwingung und Lärm (Vibroakustik) gekoppelt sind. Adaptroni­sche Systeme werden in Zukunft an vielen Orten verbaut sein: beispiels­weise in der Glasfassade eines Bauwerks, in Autoblechen oder in Trennwänden in Großraum­büros.