Ergebnisse der erprobung eines wellenzeugers

ARCHIEF

Lab. v Scheepsbouwkunde

Sonderdruck aus der Zeitschrift ,,Schiffbautechnik" H. 7/1962, S.

_{ehnische Hogeschool}

DeUt

Ergebnisse der Erprobung eines Wellenerzeugers

Aus dem Institut für Theorie des Schiffes an der Universität Rostock, Direktor: Prof. Dipl.-Ing.

K. Th. Braun

Von Dipl.-Ing.K. \Vagner und Ing. A. Hoffmann, Rostock

Auf die am Institut für Theorie de8 Schi//es (ITS) vorhandene Anlage zur Erzeugung künstlichen regulären Seegangs ist bereits in [1f und [2] hingewiesen worden. Nach Abschluß der Erprobungen

können nunmehr nähere Angaben über die Leistungsfähigkeit dieser Anlage gemacht werden.

1. Beschreibung der Wellenerzeugeranlage 1.1. Der Wellenorzeuger

Der Wellenerzeuger des ITS besteht aus einem drei-eckigen Tauchkörper, der sich über die gesamte Tank-breite (5 m) erstreckt und ein maximales Vordrän-gungsvolumen von 1,1 ni3 besitzt. Der Tauchkörper wird über einen Kurbeltrieb and ein

Untersetzungs-getriebe (i = 25) von einem

Gleichstromnebenschluß-motor (Nennleistung 5 kW) angetrieben und gleitet

seitlich in senkrechten Führungen. Die Antriebsorgano

sind auf einer Rohrfachwerktraverse montiert, die das

Trimmtankende des Schleppkanals überbrückt (Bild 1).

Der Hub des Tauchkörpers kann durch Änderung des Kurbeiradius RK mittels einer Schraubonspindel

in den Grenzen O bis 40 cm variiert werden. Eine ver-lustarme Drehzahlregelung des Antriebsmotors

(erfor-derlicher Bereich: Motor = 600 bis 2000 min) wird

durch die Leonardschaltung gewährleistet. Die

Anker-spannung UA (bzw. KontroliAnker-spannung U*) kann am

Steuerpult der Drahtschleppanlage eingestellt werden. 1.2. Glättungsroste

Um die Oberwelligkeit des künstlichen Seegangs herabzusetzen, wurdén verschiedene Versuche mit

schwimmenden Glättungsrosten durchgeführt. Die

Glättungsroste bestehen aus Holzleiston, die in

be-stimmtem Abstand voneinander durch Gummistreifen

bzw. Schnüre gelenkig miteinander verbunden sind.

Die Roste wurden kurz vor dem Tauchkörper so

befestigt, daß sie sich mit don Wellen vertikal frei

bewegen, aber nicht abtreiben konnten. Folgende

all-gemeine Ergebnisse wurden erzielt:

Die letzten Latten langor Roste führen in kurzen

Wellen starke Schlagbewegungen aus und erzeugen neue Oberwellen.

Je kürzer die Wellen sind, um so feiner müssen

wirksame Roste sein.

Die Wellenhöhe vor allein der steilen Wellen wird

durch die Glättungsroste stark reduziert.

Die ersten entstehenden Wellen sind auch ohne

künstliche Glättungsmaßnahmen nahezu

oberwel-lenfrei. Ein feiner Rost filtert die restlichen

Stö-rungen heraus.

1.3. Der Strand Der Strand besteht rost. Er entspricht im ist jedoch konstruktiv

aus einem dreiteiligen Latten-Prinzip der Ausführung in [3], so gestaltet, daß jeder

Latten-rost getrennt verstellbar ist.

Der Neigungswinkel kann

für Lattenrost I von 2 bis

19°, für Lattenrost II von

3 bis 16° und für

Latten-rost III von 7 bis 24° vari-iert werden. Außerdem ist

der gesamte Strand

verti-kal um ± 120 mm

verstell-bar. Seine Gesamtbroite

entspricht der Breite des

Versuchskanals, während

seine Gesamttiefe 2 ni

be-trägt (Bild 2).

Bei den bisher

durch-geführten Versuchen wurde

die Stellung des Strandes

nicht variiert. Bei den

Nei-gungswinkeln 6°, 8° und 15°

der Lattenroste I, II und III

wurden

bei kleinen und

mittleren Wellenlängen dio

Wellen gut absorbiert

Bild 2. Verstellbarer Strand

(Bild 3). Weitere Versuche zur Ermittlung der gun.

stigeten Strandstellung für die Absorption verschiedener Wellen sind vorgesehen.

2. Systematische Versuche

Nach Abschluß der Voruntersuchungen wurde eine

systematische Versuchsreihe mit der Zielsetzung

durch-geführt, ein Diagramm zu erarbeiten, das dié zu einer

gewünschten Wellenhöhe und -länge gehörigen Werte

von Kurbeiradius und Motorspannung vorzuwählen gestattet.

2.1. Aufbau des Versuchsprogramms

Für systematisch variierte Kurbeiradien (RK

=

20

bis 200 mm) und bei bestimmten Drehzahien, die den

ebenfalls variierten Werten der Ankerspannung (U* =

20 bis 60 V) bei konstanter Erregung (Uerr= 220 V)

entsprachen, wurden die sich bildenden Wellen

hin-sichtlich ihrer Länge A, threr Höhe 2r0 und ihres Aus-sehens beurteilt (Bild 4a bis f).

2.2. Messung der Versuchsparameter

Die Wellenhöhe 2r0 wurde an einem im Wasser

be-findlichen Maßstab direkt abgelesen. Die Genauigkeit

dieser einfachen Methode reichte für den vorliegenden Zweck aus (statistische Genauigkeit der Einzelmessung

h

= 3,5 mm). An der Entwicklung einer nach dem

Widerstandsprinzip arbeitenden elektrischen

Tauch-sonde zum oszillographischen Aufzeichnen der

Wellen-kontur wird am Institut noch gearbeitet.

Die Wellenlänge A wurde durch die gleichzeitige

Beobachtung zweier Wellenberge vor einer Wellenauf-meßtafel (Bild 4) durch zwei Versuchsausführende fest-gestellt. Die mit dieser

Methode erreichbare durch-schnittliche Genauigkeit

liegt in den Grenzen von

2 bis 5% der Wellenlänge.

Der Kurbeiradius RK wur-de an einem an wur-der

Schwungscheibe angebrachten Maß -stab gemessen.

Die vom Steuergenerator

des Leonardsatzes an don

Wellenerzeugermotor abge-gebene Ankerspannung U4 wird durch einen im Draht-schieppult eingebauten Reg.

1er entsprechend der An-zeige eines ebenfalls dort

angebrachten Kontrollin-struments eingestellt. Bei

der Bestimmung der

wirk-lichen Ankerspannung U1

Bild3

Auflaufen der Wellen aufden Strand

2

aus der Kontrolispannung U' ist ein Eichfaktor zu

berücksichtigen

U4 [V] = 2,6 U* [V].

2.2. Auftragung der Ergebnisse

Die Originalmeßpunkte wurden in zwei Dtagrammen

zusammengestellt, und zwar in einem Meßpunktdia-gramm für die Wellenhöhe (Bild 5, 2r0

_{= f}

(Rj) für

verschiedene U' = konst.) und einem

Meßpunktdia-gramm für die Wellenlänge (Bild 6, A

= f

(RK) für

ver-schiedene U" = konst.). Die geglätteten Kurven dieser

Diagramme wurden mit Hilfe hier nicht mitgeteilter

,,Querkurven"-Diagramme (2r0

= f

(Us) und A

= /

(U*)

für R = konst.) kontrolliert und berichtigt.

Aus den Einzeldiagraminen wurde das Auswahischau-bild für regulären Seegang (Bild 7) entwickelt. Es

ent-hält in einem Koordinatenfeld (U*, RK) Kurven für

2r0

=

konst. und A = konst. Es gestattet, die für eine bestimmte Welle notwendige Einstellung des Kurbel-radius und der Kontrollspannung abzulesen. Es ent-hält weiterhin zwei sich aus der Wellenbeobachtung ergebende Grenzkurven, die das Gebiet brauchbarer

Wellen abgrenzen. Links der Gronzkurve I ist die

Wel-lenkontur verzerrt, rechts der Grenzkurve II beginnen

die Wellen infolge zu großer Steilheit zu brechen. 2.3. Auswertung der systematischen Versuche

Die quantitativen Ergebnisse sind vollständig

in

Bild 7 enthalten. Es seien noch einige Bemerkungen

zum Charakter der Kurven angeschlossen:

1. Wellenhöhe 2r0 = konst.: Diese Kurven haben den

Charakter allgemeiner Hyperbeln von der Form

(RK - c) U*b =_konst.

In dieser Gleichung ist c eine

Verschiebungskon-stanteundbeinExponentinden Grenzen 2 b 3,5. Es zeigt sich also, daß die Wellenhöhe nicht wie

er-wartet allein dem Tauchkörperhub proportional ist, sondern sowohl vom Hub als auch von der

Tauch-körperfrequenz (Drehzahl) in einer der obigen

Glei-chung ähnlichen Form abhängt, da zwischen Dreh-zahl und Anker. bzw. Kontrolispannung ungefähre

BlM 4. Wellenbilder R = 160 mm, U' 30V, 2 = 4,0 m, 2 r, = 23,0cm RK 70 mm, U' = 30v, 2 = 3,4m.2r, 11,0cm e) Rx = loo mm, U' 36V, 2 = 2,3 m, 2 r, = 18,7 cm i 40 mm, U' = 49 V, 2 = 1,27 ni, '2', 10,0cm RK 190mm, U' = 27,5V, 2 = 475m, 2r, = 23,0 cm verzerrte Kontur BK = 160mm, U' = 88V,

10

m

9

3

2

Wossertieiv ¡in Kanal

: 4UU

05 1 15 2 s ;s

11/e/lenperiode a Zell für einen vol/st. Hub r

mid s. Vergleich zwischen Trocholdengesetz und tatsächlichen Wellen

Bild 9. Typische Verzerrungsformen

4 14 15 18cm 21)

aUaUU.ZOV l.14m

iPìEiÈ.

55V vgl. Bild 4 e 50 .55 V s Konlrol/spannvng U'

Bild7. Auswahldiagramm für regulären künstlichen Seegang I Grenzkurve für verzerrte Wellenkontur

II Grenzkurve für beginnendes Brechen der Wellen

Der Grund dieser Verzerrung wird im

Kanal-bodeneinfluß, der mit wachsender Wellenlänge

zu-nimmt, zu suchen sein. Diese Aussage steht in ilber-einstimmung mit der Bemerkung im vorigen Absatz.

4. Grenzkurve II: Das Brechen der Wellen (Bild 4f) erfolgt bei bestimmten Werten der Wellensteilheit.

Ausgedrückt als Verhältnis A/2r0, Ist dieser kritischr Wert aus Bild 10 zu ersehen. Er bewegt sich je nach der absoluten Länge der Welle zwischen 12 und 8,6.

Das zwischen beiden Grenzkurven befindliche Gebiet brauchbarer Wellen umfaßt mehr als don

erforderlichen Bereich für die in Frage kommenden Modello von 2 bis 3 in Länge.

I,iaiI

__

ii"

ÈiiI11!I

'iiiwi

80

N

225 26 40 30 35 40 45 4 8 10 12 /l'urbefradiij R5

Bild 3. Meßpunktdiagramm fur die Wellenhöhe

2. Wellenlänge 2 = konst.: Nach dem

Trochoidon-gesetz ist die Wellenlänge dem Quadrat der Wellen-periode proportional:

¿ = - r2

=

1,561

t

Die Wellenperiode t ist wiederum umgekehrt

pro-portional der Tauchkörperfrequenz / und damit der

Drehzahl n des Wellenerzeugermotors. Die Kurven

konstanter Wellenlänge müßten also in einem von

Tauchkörperhub und Motordrehzahl gebildeten

Ko-ordinatensystem die Gestalt von Geraden

anneh-men, die parallel zur Hubachse liegen. Das Auswahl-schaubild (Bild 7) zeigt jedoch, daß die Kurven kon-stanter Wellenlänge keine senkrechten Geraden sind.

Das liegt daran, daß einmal bei gleicher

Kontroll-spannung U* die Drehzahl n mit wachsendem

Kur-belradius RK (wachsende Belastung) sinkt. Diese Tatsache tritt besonders bei kurzen Wellen augen-scheinlich hervor. Zum anderen treten bei langen Wellen (2 > 4 m) infolge des zunehmenden Ein-flusses der endlichen Wassertiefe (hw = 3 m) Ab.

weichemgen vom Trochoidongesetz auf, wie aus Bild 8

klar hervorgeht.

3. Grenzkurve I: Das durch diese Kurve abgegrenzt.e Gebiet verzerrter Wellenkontur (z. B. Bild 4e) um-faßt die Wollen großer Länge (A > 4 bis 8 m). Das trochoidale Wellenprofil entartet zu Doppel- oder

Dreifachweflen (Bild 9).

4 6 5 V 72 75 18cm 20

Kurbe/radias R5

BUd 6. Meßpuuktdiagraimn für die Wellenlänge

/656555 65 4 32 cm 25 24 20 : 12 o m -e 200 inn 160 160 740 120 - 100 60 40 20 o

3. Zusammenfassung

Die Wellenerzeugoranlage des Instituts für Theorie des Schiffes an der Universitat Rostock (ITS) wird

beschrieben. Meßmethoden und Ergebnisse einer

syste-matischen Versuchsreihe zur Erprobung des

Wellen-orzeugers werden mitgeteilt. Ein Auswahidiagramm für künstlichen regulären Seegang läßt die Leistungsfähig-keit der Anlage erkennen.

Literatur

Li] Boasow, G.: Bisherige und zukünftige Modeflunt.erouchuugen am Institut für Theorie des Schiffes.

Schiffbautechnik 10 (1960) E.], S. 6 bis 15.

BikIlO 12

Kritislie

Weflensteilhcit tic

2 2, 3 rn (5

[2] Galzer, if.: Dic schïffbauliche Schleppversuchsanlage am Institut für Theorie des Schiffes der Schiffbautechnischen Fakultät, Universität

Rostock.

Schiffbautechnik ¡2 (1962) E. 1, S. 33 bis 35.

[3J Vo8per, A. J.: A Review of Facilities and Ship-Model Instrumentation at the Admiralty Experiment Works, flasiar.

Bericht Nr. 3 auf dem Symposium in Zagreb, September 1959. SbA 4031