NSMV Training Ship Concept Designfor the US Maritime Administration

Eugene Van Rynbach, Herbert Engineering Corp.

Nov. 17, 2015

October 20, 2011 1

NSMV Concept Design2

National Security Multi‐Mission Vessel (NSMV) Design sponsored by the US Maritime Administration (MARAD)◦ MARAD is responsible for providing training ships to the State Maritime Academies (SMA) – in the past these have been converted vessels, some of which are now over 40 years old

New Training Vessel for up to five SMA to replace aged vessels◦ Primary Role is to act as standard design training vessel for the State Maritime Academies

◦ Utilize modern propulsion system◦ Incorporate modern teaching and training facilities

Alternate Missions◦ Act as support vessel for Humanitarian Assistance and Disaster Response (HA/DR) missions – such as after major hurricanes and earthquakes

◦ Have capability to support that role in wide variety of ports◦ Provide accommodation for support personnel◦ Provide secure communications and command spaces

NSMV Concept Design3

Herbert Engineering – Project Lead ◦ Eugene Van Rynbach – Project Manager◦ Karl Briers & Nick DelGatto – Marine Engineering ◦ Luca Letizia, Phd (HEC Europe) – Stability Analysis◦ Mike Strange – General Arrangement◦ Courtney Crouse ‐ Structures

Bruce S. Rosenblatt & Associates◦ Gary Thompson – Marine Systems

Consultants◦ Carl Setterstrom – Naval Architecture, Regulations◦ Jamestown  Metal – Accommodation & Galley Arrangement◦ SSPA (Swedish Model Basin) – Propulsion Power & Prop. Design◦ Wartsila Hamworthy – Waste Water Processing

NSMV Concept Design

Ship Check existing Training Ships at Cal Maritime, Mass Maritime, NY Maritime

Incorporate MARAD and SMA Comments into the concept design

Prepare General Arrangement  & Midship Dwgs

Carry out concept level calculations◦ Longitudinal Strength

◦ Electric Load & Auxiliary Machinery Sizing

◦ Propeller Design 

◦ Evacuation Analysis

◦ Lightship Weight Estimate

◦ Intact & Damage Stability

Prepare List of Key Machinery and potential makers

Prepare Outline Performance Specification

Meet with USCG & ABS to discuss regulatory approach

For comparison ‐ concept level design for conversion of existing vessel (T5 Tanker)

4

NSMV Concept Design

Stay within the size and mooring limitations of each of the Academies – about 550 ft L x 90 ft B was found to be a good limit to vessel dimensions

Consider and incorporate, as practical, the teaching and training requirements of the Academies – a consolidated wish list was prepared by the SMA’s that provided much useful guidance, plus input received during visits to the academies

Determine the appropriate regulatory regime for a training ship as it is neither a passenger ship nor a cargo ship – after discussion with USCG decided upon using the IMO Code for Special Purpose Ships and the appropriate 46 CFR Chapters

Incorporate best practices and recommendations from the existing training ships –visited 3 training ships and talked to the operating and training staff

Incorporate commercial practice and equipment as feasible to build a cost effective vessel while maintaining an enhanced level of crew and cadet comfort compared to existing training ships

Provide capability for alternate HA/DR missions, including draft of 25 ft or less, without compromising training ship capability 

Meet new rigorous safety and stability requirements for 700+ person vessel

5

NSMV Concept Design6

A new dawn for maritime training ships in the US

NSMV Concept Design7

NSMV Concept Design8

NSMV Concept Design9

NSMV Concept Design10

Principal Dimensions◦ Length 159.85 m (524’‐5”)◦ Beam 27.0 m (88’‐7”)◦ Depth 16.8 m (55’‐1.5”)◦ Design Draft 7.62 m (25’‐0”)

Propulsion, Speed & Consumption◦ Diesel Electric – 4 main engines divided between 2 engine rooms◦ Installed Power – 15,700 kW Main Engs + 1,980 kW Aux. Gen◦ Full Speed – 18 knots with 15% sea margin – 4 engines◦ Cruising Speed ‐12 knots with 2 main engines in one engine room◦ Uni‐fuel for simplicity and operation in the US ECA – MGO only

NSMV Concept Design11

Range◦ 11,000+ miles at 18 knots

Maneuvering – Docking without tugs◦ Bow Thruster – 1,200 kW Combi‐type – tunnel thruster in normal maneuvering and drop down azimuthing type for “Take Home” power

◦ Stern Thruster – 1,000 kW Tunnel type◦ Flap type rudder for improved low speed maneuverability

Accommodation◦ Training Ship Mode – 600 cadets, 100 officer, faculty, staff & crew All non‐cadets in single cabins with private lavatory unit

◦ Surge capacity for HA/DR missions◦ Food Storage for 60 days◦ Fresh Water Storage for 14 days◦ Gray Water Storage for 7 days, Black Water for 14 days

NSMV Concept Design12

Teaching & Training◦ 8 Classrooms◦ Workshops for Cadets◦ Lab/Training areas for Cadets◦ Training Bridge◦ Navigation Lab◦ Deck Training Space (for marlin spike seamanship training)◦ Large Multi‐Purpose Space◦ Faculty Offices

NSMV Concept Design13

HA/DR Capabilities◦ Potential for RoRo space with Side Ramp◦ Capability to install Cargo Crane◦ Container and Cargo Stowage on Main Deck◦ Capability for Modules on Main Deck◦ Helicopter Landing Capability◦ Command & Communications Suite◦ Enhanced Medical & Treatment Spaces◦ Berthing spaces available for use by HA/DR personnel 

NSMV Concept Design14

Propeller Characteristics

SSPA Propeller Series: 4.6Number of Propellers: 1Propeller Type: Fixed-PitchNumber of Blades: 4Propeller Diameter: 5.85 mP/D (mean): 1.01AO/AD: 0.6

Calculated Electric Propulsion Power Requirements

At SeaSpeed,

kts

PropulsionPower,

kW

ShaftPower,

kW

Prop. MotorInput,ekW

SwitchboardLoad,ekW

Prop MotorLoad,Factor

18 9897 9997 10306 10731 1.0012 2932 2962 3054 3180 0.30

Propulsion Drive Efficiencies

Shaft Efficiency: 99%Propulsion Motor Efficiency: 97%Frequency Controller Efficiency: 98%Transformer Efficiency: 98%Generator Efficiency 97%Total Drive Efficiency 89%

NSMV Concept Design15

Electric Load Analysis Summary and Fuel Consumption Calculations

Electric Load Summary

Generator Operating Load

# In Serv

PowerekW

# In Serv

PowerekW

# In Serv

PowerekW

# In Serv

PowerekW

# In Serv

PowerekW

# In Serv

PowerekW

# In Serv

PowerekW

# In Serv

PowerekW

4 3,186 2 3,302 2 2,569 2 3,393 1 3,368 0 - 2 2,005 0 -

1 1,584 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 1 1,652

0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 1 355 0 - 0 -

Fuel Consumption Calculation

Maneuvering Maneuvering w/ Thrusters

Harbor(Full Complement) Emergency Take Home Idle

At Sea18 kts

At Sea12 kts Maneuvering Maneuvering w/

ThrustersHarbor

(Full Complement) Emergency Take Home Idle

Load%

84%

84%

-

-

88%

-

Load%

At Sea12 kts

3,599

4,01014,330 6,604 3556,786 3,3685,138

Idle

0

1,652

1,652

Emergency

0

Take Home

1,250

355 2,760

Harbor(Full Complement)

0

3,368

At Sea12 kts3,180

3,424 3,528 3,535

Maneuvering

1,610

Maneuvering w/ Thrusters

3,251

Main Diesel Generator Fuel Consumption

Aux. Diesel Generator Fuel Consumption

Total Hourly Fuel Consumption

87%

-

-

68%

-

-

90%

-

-

1,291

0

1,291

kg/hr

At Sea18 kts10,731

2,496

337

2,833

68.0

kg/hr

kg/hr

kg/hr

MT/day

At Sea18 kts

Load%

Load%

Load%

Load%

Load%

Load%

89%

-

-

-

-

49%

53%

-

-

31.0

1,023

0

1,023

24.6

1,324

0

1,324

31.8

819

0

819

19.7

0 kg/hr 87 kg/hr 0

kg/hr

kg/hr

kg/hr

MT/day

kg/hr

kg/hr

kg/hr

MT/day

657

0

657

15.8

0

0

87

2.1MT/day

kg/hr

kg/hr

kg/hr

MT/day

kg/hr

kg/hr

kg/hr

MT/day

kg/hr

kg/hr

kg/hr

MT/day

kg/hr

kg/hr

kg/hr

MT/day

Total 6600 Volt Propulsion, ekW

Total 440 Volt Load, ekW

Total Load, ekW

Capacity,ekW

0 kg/hr 0

0

352

352

8.4

kg/hr

kg/hr

kg/hr

Main Diesel Generators

Auxiliary Diesel Generators

Emergency Diesel Generators

3,783

1,881

730

Total Daily Fuel Consumption

kg/hr 0 kg/hrEmerg. Diesel Generator Fuel Consumption 0 kg/hr 0 kg/hr

NSMV Concept Design16

Centerline Profile

NSMV Concept Design17

O2 Level – Cadet & Staff Berthing Spaces

NSMV Concept Design18

2nd Deck – Galley & Mess Space 

NSMV Concept Design19

4th Deck & Engine Room

NSMV Concept Design20

NSMV Concept Design21

Waste Heat Steam Boiler & Steam Turbine◦ One Comment from SMA was to investigate feasibility of adding waste heat steam boiler and steam turbine for training purposes. 

◦ Calculations indicated low exhaust heat was available because of the efficiency of modern medium speed diesel engines 

◦ From each engine sufficient steam for 3 kW turbine was available, for 4 engines combined total is only 12 kW. Too small to be practical

◦ Waste heat boiler appears not to be a practical option – could install an oil fired boiler, which would increase cost and fuel consumption

NSMV Concept Design22

USCG Subchapter R – Public Nautical School Ship◦ Structure according to ABS Rules◦ Stability – one compartment standard◦ Lifesaving – same as passenger vessels◦ Structural fire protection – same as passenger vessels (by policy)

SOLAS – Statement of Voluntary Compliance with Code of Safety for Special Purpose Ships◦ Stability – passenger vessel damage criteria (SOLAS 2009 probabilistic)◦ Structural fire protection – passenger vessel (similar to CFR requirements)◦ Requires redundancy of critical functions in event of flooding or fire in any one compartment

◦ Lifesaving – passenger vessel requirements (similar to CFR requirements)◦ Gap Analysis was prepared comparing USCG CFR and SPS

NSMV Concept Design23

Stability Criteria◦ IMO 2008 Intact Stability Code – General and Weather ◦ Damage Stability – 3 Criteria Applied

◦ SOLAS II‐1, Part B (2009)◦ MARAD Design Letter 3 (one compartment)◦ 46CFR Part 170 & 171 (Passenger Vessels – one compartment standard applies to public nautical school ship)

SOLAS 2009 Damage Stability Analysis was Governing◦ Probabilistic analysis with damages in up to 3 zones◦ HECSALV Software used to model the vessel and run the damage analysis using specially developed routine for passenger vessel analysis

◦ Required Index of 0.71 ‐ Attained Index of 0.796◦ Regulation 8.2 requires Index of 0.9 for shallow damages ‐most difficult to comply with

◦ To meet damage stability required almost all compartments extending outboard of B/5 and to bottom to be symmetrical

NSMV Concept Design24

NSMV Concept Design25

NSMV Concept Design26

Many people contributed to supporting and encouraging the design effort and provided useful guidance. Some of the key people are: 

MARAD NSMV Team◦ Paul (Chip) Jaenichen ‐MARAD Administrator◦ Kevin Tokarski – Assoc. Administrator for Strategic Sealift◦ Chris Moore – Project Manager ◦ Technical Advisory Team – Dave Heller, Paul Gilmour, Chao Lin, Tony Margan

US Coast Guard◦ John Hannon – Director, US Flag & Military Sealift Programs (CG‐CVC‐1)◦ Jaideep Sirkar – Chief, Naval Architecture Division (CG‐ENG‐2)◦ Charles Rawson – Naval Architect (CG‐ENG‐2)

State Maritime Academies we visited◦ California Maritime Academy◦ Massachusetts Maritime Academy◦ NY Maritime Academy

NSMV Concept Design27