Buikschuiven zonder scheepsschroef

Vraag een willekeurig persoon een snelle impressie van een varend motorschip te schetsen. De kans is groot dat binnen enkele pennestreken een romp en kajuit zich boven een flinke hekgolf verheffen. Klaar. Niets vergeten onder de waterlijn? Oh, één moment nog. Haastig worden aan het onderschip roer en schroef gemonteerd. Knappe jongen die het sneller doet. Wat juist is. Knappe jongens zouden schrijfgerei gewoon neerleggen en triomfantelijk ,,nee, niets vergeten” uitroepen. Want om een motorschip van A naar B te bewegen volstaan twee gaten in de romp. Één in de bodem om een deel van het langsstromende water aan te zuigen, en één in de achtersteven om het als een speer weer uit te spuwen. Een waterjetsysteem. Niets van te zien.

Dit is direct het belangrijkste streepje vóór dat jetvoortstuwing heeft op de conventionele scheepsschroef. Wat niet zichtbaar is, kan ook niet in de weg zitten. Goed beschouwd werken scheepsschroeven zichzelf tegen. In de greep gehouden door onhandige ophangingen staan ze midden in de aanstroming geplaatst van de watermassa die zij zelf willen verplaatsen. Waterjets daarentegen buigen hun aanstroming discreet af tot een binnenboord-riviertje voor eigen gebruik.

Eén-nul dus voor de waterjet, maar scheepsbouwers mochten wensen dat hun wereld zo eenvoudig was. Van Terwisga laat er geen twijfel over bestaan dat hooguit appels en peren zich zo laten vergelijken. Om de leek te verrassen: het principe dat achter beide voortstuwingen schuilgaat laat zich wel degelijk vergelijken – dit in tegenstelling tot wat aan de koffietafel gemakkelijk beweerd wordt. Waar de waterjet een liggende fontein produceert die zich afzet tegen het omringende water, zou de scheepsschroef zich als een draadschroef door een blok hout ploegen. Allebei larie.
Raket

,,Als kind vroeg ik me wel eens af waartegen een raket in de ruimte zich afzet: nog steeds tegen het lanceerplatform?”, grapt Van Terwisga. Weinig kans. Alle drie de voortstuwingen maken gebruik van één-en-hetzelfde principe. Werp trage massa af in een richting die honderdentachtig graden afwijkt van het gewenste reisdoel en de tegengesteld gerichte reactiekracht doet de reiziger recht vooruit schieten.

Een raket neemt hiertoe eigen brandstof mee, eenscheepsschroef verplaatst de nodige massa al zwemmende en een waterjet leent het even uit de omgeving. De prestaties van de laatste twee lopen echter snel uiteen. De belangrijkste oorzaak is het verschil in schaalmogelijkheid. Om meer water te verplaatsen kan de oppervlakte van een scheepsschroef eenvoudig vergroot worden, zodat bij een relatief kleine versnelling van de massa toch een flinke stuwkracht kan worden verkregen. Een waterjet daarentegen kan maar een beperkte hoeveelheid water versnellen. Zou de ontwerper het systeem van buis en pomp naar believen vergroten, dan kreeg het achterschip al snel een topzwaar waterhoofd.

Om niet onder te willen doen in stuwkracht beent de waterjet bij door de watermassa sneller door zijn ingewanden te jagen. In vergelijking met de scheepsschroef is de prijs die hiervoor betaald wordt het extra vermogen dat de pomp kwijt is. Wie de brandstofrekening gepresenteerd krijgt, voelt deze direct in de portemonnee.

Niet dat elke klant daar wakker van ligt. Al sinds de jaren zestig heeft de jet door zowel de grote wendbaarheid van de straalsturing als de mogelijkheid ook in zeer ondiep water te kunnen buikschuiven een plaats gevonden onder tal van militaire patrouilleschepen. Maar dient er naast schatkisten van overheden ook op de zak van de particulier gemikt te worden, dan moet er vaart gemaakt worden. Bij hogere snelheden namelijk, variërend tussen de twintig en de dertig knopen (één knoop is ongeveer 1,8 km/h), is de waterjet pas echt in zijn element. Een buiten de romp stekende scheepsschroef ligt in die gevallen danig dwars.

Een schip dat bij die snelheden een schroef moet dulden kan zijn totale weerstand tot maar liefst twintig procent zien toenemen. Bij bijzondere scheepsvormen met lage weerstanden, denk bijvoorbeeld aan catamarans, gebeurt dit al bij lagere snelheden. Het totale rendement slaat hierdoor weer om in het voordeel van de waterjet. Dus ook in die van de waterjet fabrikanten. De hoge snelheden zijn echter zo weinig alledaags, dat pas sinds de jaren tachtig een Zweeds bedrijf zich als eerste toelegde op het ontwikkelen van losse, commerciële waterjets. Daarna volgden er meer.
Bom

Juist de relatieve jeugdigheid van dit vakgebied stelt scheepsbouwers nog steeds voor een even beruchte als onprettige verrassing, vertelt Van Terwisga. Of lage snelheden de jet al niet genoeg de das om doen, willen bij dat tempo eveneens de voorspelde prestaties nog wel eens onverwacht tegenvallen. En op de snelheidsmeter mogen dan imposante getallen prijken, de naald begint bij nul en met plankgas alleen is een schipper niet gered.

Schuldig aan deze strop is het feit dat de aanstroom naar de zuigmond van de waterjet de stroming langs de scheepsromp beinvloedt, en vice versa. Waren voorheen van jet en romp afzonderlijk hun stuwkracht respectievelijk vaarweerstand nog foutloos en tot ver achter de komma bekend; eenmaal samengevoegd leggen de twee componenten als nitro en glycerine een bom onder het voorspelde rendement. En in het ongunstigste geval onder het contract met de klant.

Het beschreven fenomeen luistert naar de wat hulpelozebenaming – want lange tijd niet meer dan dat – ‘het interactie-effect’. Nooit goed begrepen, en ooit halfhartig gemodelleerd door een enkele Amerikaanse onderzoeker. Van Terwisga is de eerste die grondig onderzocht hoe überhaupt naar het mechanisme achter het effect gekeken moest worden. Vervolgens spande hij zich in het waargenomene te vangen in een verzameling variabelen en formules om vloeistofbeweging en energiebalansen te koppelen.
Orakel

Van Terwisga heeft hiertoe onder meer vier maanden in Nieuw-Zeeland samengewerkt met waterjetingenieurs. Levendig: ,,Dat was ontzettend leuk. Zij hebben de ervaring, ik kan de behoudswetten goed opschrijven. De kunst is toch dat op elkaar afgestemd te krijgen.”

Vragen waarop hij antwoorden formuleerde zijn: Welk deel van het langsstromende water mag nog tot het waterjet systeem gerekend worden, en welke tot de romp? Handig kiezen betekent eenvoudiger rekenen en meten. Hoe kunnen de taferelen die zich onder het schip afspelen – drukverschillen, stroomsnelheden en waterhoogten langs de romp – na meting via formules worden vertaald naar nieuwe waarden voor stuwkracht van de jet, vermogen van de pomp en weerstand van de romp? En last but not least: hoe op basis van deze drie parameters uitspraken doen over het rendement van romp en jet samen?

Het ontwikkelde model, dat al met succes dienst doet als orakel bij modelproeven, weet het te voorspellen rendement nu binnen een precisie van een kleine drie procent te dwingen. Of zijn model door de praktijk zal worden opgepikt, moet volgens Van Terwisga de komende vijf of tien jaar uitmaken. Voorlopig houdt hij het onderwerp even voor gezien. ,,Ik ben er niet echt van gaan dromen, maar het scheelde niet veel.”

Waterjets of waterstraalvoortstuwers genieten in de scheepvaart een groeiende populariteit. Toch schuilt er een addertje onder het gras. Ter wille van de gemoedsrust van scheepsbouwers legde dr.ir. Tom van Terwisga, onderzoeker bij het Maritime Research Institute Netherlands (MARIN), de jets nog eens uitgebreid onder de loep. Eind vorige maand promoveerde hij daarop aan de TU.

Vraag een willekeurig persoon een snelle impressie van een varend motorschip te schetsen. De kans is groot dat binnen enkele pennestreken een romp en kajuit zich boven een flinke hekgolf verheffen. Klaar. Niets vergeten onder de waterlijn? Oh, één moment nog. Haastig worden aan het onderschip roer en schroef gemonteerd. Knappe jongen die het sneller doet. Wat juist is. Knappe jongens zouden schrijfgerei gewoon neerleggen en triomfantelijk ,,nee, niets vergeten” uitroepen. Want om een motorschip van A naar B te bewegen volstaan twee gaten in de romp. Één in de bodem om een deel van het langsstromende water aan te zuigen, en één in de achtersteven om het als een speer weer uit te spuwen. Een waterjetsysteem. Niets van te zien.

Dit is direct het belangrijkste streepje vóór dat jetvoortstuwing heeft op de conventionele scheepsschroef. Wat niet zichtbaar is, kan ook niet in de weg zitten. Goed beschouwd werken scheepsschroeven zichzelf tegen. In de greep gehouden door onhandige ophangingen staan ze midden in de aanstroming geplaatst van de watermassa die zij zelf willen verplaatsen. Waterjets daarentegen buigen hun aanstroming discreet af tot een binnenboord-riviertje voor eigen gebruik.

Eén-nul dus voor de waterjet, maar scheepsbouwers mochten wensen dat hun wereld zo eenvoudig was. Van Terwisga laat er geen twijfel over bestaan dat hooguit appels en peren zich zo laten vergelijken. Om de leek te verrassen: het principe dat achter beide voortstuwingen schuilgaat laat zich wel degelijk vergelijken – dit in tegenstelling tot wat aan de koffietafel gemakkelijk beweerd wordt. Waar de waterjet een liggende fontein produceert die zich afzet tegen het omringende water, zou de scheepsschroef zich als een draadschroef door een blok hout ploegen. Allebei larie.
Raket

,,Als kind vroeg ik me wel eens af waartegen een raket in de ruimte zich afzet: nog steeds tegen het lanceerplatform?”, grapt Van Terwisga. Weinig kans. Alle drie de voortstuwingen maken gebruik van één-en-hetzelfde principe. Werp trage massa af in een richting die honderdentachtig graden afwijkt van het gewenste reisdoel en de tegengesteld gerichte reactiekracht doet de reiziger recht vooruit schieten.

Een raket neemt hiertoe eigen brandstof mee, eenscheepsschroef verplaatst de nodige massa al zwemmende en een waterjet leent het even uit de omgeving. De prestaties van de laatste twee lopen echter snel uiteen. De belangrijkste oorzaak is het verschil in schaalmogelijkheid. Om meer water te verplaatsen kan de oppervlakte van een scheepsschroef eenvoudig vergroot worden, zodat bij een relatief kleine versnelling van de massa toch een flinke stuwkracht kan worden verkregen. Een waterjet daarentegen kan maar een beperkte hoeveelheid water versnellen. Zou de ontwerper het systeem van buis en pomp naar believen vergroten, dan kreeg het achterschip al snel een topzwaar waterhoofd.

Om niet onder te willen doen in stuwkracht beent de waterjet bij door de watermassa sneller door zijn ingewanden te jagen. In vergelijking met de scheepsschroef is de prijs die hiervoor betaald wordt het extra vermogen dat de pomp kwijt is. Wie de brandstofrekening gepresenteerd krijgt, voelt deze direct in de portemonnee.

Niet dat elke klant daar wakker van ligt. Al sinds de jaren zestig heeft de jet door zowel de grote wendbaarheid van de straalsturing als de mogelijkheid ook in zeer ondiep water te kunnen buikschuiven een plaats gevonden onder tal van militaire patrouilleschepen. Maar dient er naast schatkisten van overheden ook op de zak van de particulier gemikt te worden, dan moet er vaart gemaakt worden. Bij hogere snelheden namelijk, variërend tussen de twintig en de dertig knopen (één knoop is ongeveer 1,8 km/h), is de waterjet pas echt in zijn element. Een buiten de romp stekende scheepsschroef ligt in die gevallen danig dwars.

Een schip dat bij die snelheden een schroef moet dulden kan zijn totale weerstand tot maar liefst twintig procent zien toenemen. Bij bijzondere scheepsvormen met lage weerstanden, denk bijvoorbeeld aan catamarans, gebeurt dit al bij lagere snelheden. Het totale rendement slaat hierdoor weer om in het voordeel van de waterjet. Dus ook in die van de waterjet fabrikanten. De hoge snelheden zijn echter zo weinig alledaags, dat pas sinds de jaren tachtig een Zweeds bedrijf zich als eerste toelegde op het ontwikkelen van losse, commerciële waterjets. Daarna volgden er meer.
Bom

Juist de relatieve jeugdigheid van dit vakgebied stelt scheepsbouwers nog steeds voor een even beruchte als onprettige verrassing, vertelt Van Terwisga. Of lage snelheden de jet al niet genoeg de das om doen, willen bij dat tempo eveneens de voorspelde prestaties nog wel eens onverwacht tegenvallen. En op de snelheidsmeter mogen dan imposante getallen prijken, de naald begint bij nul en met plankgas alleen is een schipper niet gered.

Schuldig aan deze strop is het feit dat de aanstroom naar de zuigmond van de waterjet de stroming langs de scheepsromp beinvloedt, en vice versa. Waren voorheen van jet en romp afzonderlijk hun stuwkracht respectievelijk vaarweerstand nog foutloos en tot ver achter de komma bekend; eenmaal samengevoegd leggen de twee componenten als nitro en glycerine een bom onder het voorspelde rendement. En in het ongunstigste geval onder het contract met de klant.

Het beschreven fenomeen luistert naar de wat hulpelozebenaming – want lange tijd niet meer dan dat – ‘het interactie-effect’. Nooit goed begrepen, en ooit halfhartig gemodelleerd door een enkele Amerikaanse onderzoeker. Van Terwisga is de eerste die grondig onderzocht hoe überhaupt naar het mechanisme achter het effect gekeken moest worden. Vervolgens spande hij zich in het waargenomene te vangen in een verzameling variabelen en formules om vloeistofbeweging en energiebalansen te koppelen.
Orakel

Van Terwisga heeft hiertoe onder meer vier maanden in Nieuw-Zeeland samengewerkt met waterjetingenieurs. Levendig: ,,Dat was ontzettend leuk. Zij hebben de ervaring, ik kan de behoudswetten goed opschrijven. De kunst is toch dat op elkaar afgestemd te krijgen.”

Vragen waarop hij antwoorden formuleerde zijn: Welk deel van het langsstromende water mag nog tot het waterjet systeem gerekend worden, en welke tot de romp? Handig kiezen betekent eenvoudiger rekenen en meten. Hoe kunnen de taferelen die zich onder het schip afspelen – drukverschillen, stroomsnelheden en waterhoogten langs de romp – na meting via formules worden vertaald naar nieuwe waarden voor stuwkracht van de jet, vermogen van de pomp en weerstand van de romp? En last but not least: hoe op basis van deze drie parameters uitspraken doen over het rendement van romp en jet samen?

Het ontwikkelde model, dat al met succes dienst doet als orakel bij modelproeven, weet het te voorspellen rendement nu binnen een precisie van een kleine drie procent te dwingen. Of zijn model door de praktijk zal worden opgepikt, moet volgens Van Terwisga de komende vijf of tien jaar uitmaken. Voorlopig houdt hij het onderwerp even voor gezien. ,,Ik ben er niet echt van gaan dromen, maar het scheelde niet veel.”