Untersuchung über die beeinflussung von sog und nachstrom auf beschränktem wasser durch schiffseinflussgrössen

IA

v.

Scheepsbouwkunde

ARCHO

Tedinische Hogeschool

Untersuchung iiber die Beeinflussung von Sop und Nachs

auf beschranktem Wasser durch SchiffseinfluBgroBen

1. Einleitung

Bekanntlich wird der Widerstand von Schiffen auf fla-chem Wasser und in Kanalen in einem gewissen Geschwin-digkeitsbereich groBer, mitunter um em n vielfaches, und in einem anderen auch kleiner als auf unbeschranktem Wasser. Der Flachwasserwiderstand deckt sich, sofem keine wesent-lithe Querschnittseinengung zu verzeichnen ist, unterhalb

Fh = 0,5 mit dem Tiefvvasserwiderstand und steigt erst dar-iiber in starkerem MaBe als der Tiefwasserwiderstand an.

Fh.

Wie der Widerstand, verandem sich auch die Sog- und Nachstrornwerte mit abnehmender VVassertiefe und finden

dann in einer Verschlechterung des Schiffseinfluf3grads ihren

Ausdruck. Wesentliche Veranderungen dieser Werte im Ver-gleich mit den an Seeschiffsmodellen auf tiefem Wasser ge-wonnen, treten erst bei hoheren GeSchwindigkeiten

ent-sprechend der Froudeschen Tiefenzahl Fh ) 0,5 auf. Wahrend iiber die Beeinflussung des Schiffswiderstandes durch beschrankte Wassertiefe bereits zahlreiche Untersu-. chungen vorliegen, 1st die Beeinflussung der Propulsion durch die Anderung von Sog und Nachstrom auf beschrank-tern Wasser kaum noch untersucht worden. Beim Entwurf von Schiffen far den Einsatz auf beschranktem Wasser und bei der Bestiramung der erforderlichen Motorenleistung ist es jedoch ineistens notwendig, sowohl die Veranderung des Schiffswiderstandes als auch die Beeinflussung der

Propul-sion auf beschranlctem Wasser zu kennen.

In Abb. 1 ist beispielsweise die Veranderung der Sogziffer durch FlachwassereinfluB far em n Spiegelheck-numelschiff

[2] dargestellt.

2. Allgemeine Betraelitung

Aus Serienversuchen ist bekannt, da13 sich Sog- und

Nach-stromwerte bei kleineren Geschwindigkeiten kaum veran-dem, aber bei wachsender Geschwindigkeit dann plotzlich hither werden: Dabei steigt der Sogwert sehr steil an. Der Grund ist darin zu suchen, daB sich wegen des bpi geringe-rer V.Vassertiefe zunehmenden Schiffswiderstandes die Dif-ferenz zwischen Schiffsgeschwindigkeit und Propellerfort-schrittsgrad groBer wird. Der Nachstromwert hingegen steigt nicht so steil an und fallt nach tiberschreiten eines gevvissen

Geschwindigkeitsbereichs 0,8) sogar ab. Dadurch kann

bei sehr schneller Fahrt auf flachem VVasser die Nachstrom-ziffer sogar einen negativen Wert erreichen. D:eser Vorgang laBt sich darnit erklaren, daB bei abnehmender Wassertiefe die Zustromung zum Propeller, die schon infolge der oft er-heblichen Volligkeit der Binnenschiffe schlecht 1st, durch den steuerlastigen Trimm in dem Geschwindigkeitsbereich

Abb. 2: SchiffseinflOgrad-vcrschlechterung durch Flachwasser-ein/1u13 für emn Spiegelheck-Tunnelschiff

'

Von Dipl.-Ing. Gurdip K. Luthra, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau e.V., Duisburg Fh ) 0.75 noch weiter unganstig beeinfluf3t wird. Das dem Propeller zustromende Wasser wird infolge diisenahnlicher Wirlcung der Verengung zwischen Schiffs- und FluBboden stark beschleunigt und kann hohere Geschwindigkeiten als

die Schiffsgeschwindigkeit erreichen.

Im Bereich Fh 0,75 verschlechtert sich mit wachsender.

Geschwindigkeit der SchiffseinfluBgrad stark. GroBe, vollige Binnenschiffe erreichen jedoch diese Geschwindigkeit kaum. Sie loannen im beladenen Zustand Fh"---- 0,7 nicht

iiberschrei-ten, sofern nicht eine unwirtschaftlich hohe Motorenleistung

installiert 1st. AuBerdem werden bei Fh ) 0,7 von solchen Schiffen Wellen erzeugt, die eine -Gefahr für passierende und am Ufer liegende kleinere Schiffe bedeuten..

Aber auch in dem davorliegenden Geschvvindigkeitsbe-reich (Fh <0,75) bleibt bei wachsender GeschwindigIceit im allgemeinen der Anstieg des Nachstroms hinter dem des Sogs zuriick (Abb. 2), so daB sich dabei der SchiffseinfluB-grad ebenfalls verschlechtert. Dieser Bereich 1st in der nach-folgend beschriebenen Arbeit untersucht warden.

3. Auswertung

Die MeBergebnisse von Modellversuchen an Typschiffen des Zentral-Vereins far deutsche Binnenschiffahrt (Tab. 1), durchgefiihrt in der Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau in Duisburg, sind in der angestrebten Richtung ausgewertet worden und die Auswirkung verschiedener SchiffseinfluB-groBen auf Sog und Nachstrom und damit auf den Schiffs-einfluBgrad getrennt far Flachwasser [3, 4] und Rir Kanal-profile [5] untersucht worden.

Tabelle I: Die Schiffsdaten der untersuchten Modelle

Sonderdruck aus der Fachzeitschriff SCHIFF UND HAFEN"

Jahrgang 20

Neff 7 Juli 1968 Druck und Verlag: C. D. C. Heydorns Buchdrutherei, Uetersen bei Hamburg

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thv frlir:,les,IT/H frfrlTo,

, V (m,) r-)1 (m2)52 h (m) N (Pc) rm/". t50 952 0,851 882 Johann Welker" 80,0.9,46 2,70 , 4858 9643,5 700 1,70 2.5016200,8631025 5A -1,10 490 0,842 606275 160 737 0,853 Gustaf, Koenigs" 67,0 8,16 2,50 677 3,5 5,0 500 1,50

,0

2,1 .990 0,868 749 2,60 1245 0,880 817 8,0 1,50 471' 0,803. 4 70 ,e 2,00 651 0,825 529 Karl Vortisch" 57,0 7,00 2,50 l' 3001,30 2,50 830 0,838 594 Oskar Teubert" 53,0 6,25 ' 2,50 1,50 416 0,850 40035 e'n 2501,25 2,00 568 0,868 474 2,50 727 0,883529 " 1,50 302 0,847 333 15 2,00 412 0,859 382 ..Theodor Bayer" 48,0 5,03 2,50

i

0 200 1,10 2,50 526 0,874 431 .' 0,6-0,5 0,4 0,3-0,2 0,1 a."0,36 0,25 0,12 Abb. I: Veriinderung der Sogziffer durch Flachwassereinfluf3 fiir em n Spiegelheck-Tunnelschiff 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

2

3.1. Flaehwasser

Die Ablmickstellen beim Ansiieg der Sog- und Nach-stromlcurven lassen sich geschwindigkeitsmaBig recht gut fixieren. Diejenigen Froudesche Tiefenzahlen, bei denen these Ablcnickstellen oder Grenzwerte (entsprechencl plotz-licher Sog- bzw. Nachstromveranderung, die dann eine Ver--schlechterung des SchiffseinfluBgrads hervorruft) auftreten, warden iiber dem Wasserhohenverhaltnis aufgetragen. Als Parameter wurden die GroBen L/Tg, L/Vvs, B/Tg und L/h

gewahlt.

Da sich für Nachstrom und Sog ahnliche Werte ergaben, sind nur diejenigen fiir Nachstrom in Abb. 3 bis 6

darge-stellt.

' Bei der Sichtung der Diagramme ist festzustellen, daB sich

die Grenzen fiir Nachstrom-(Sog-)veranderung urn so mehr zur Froudeschen Tiefenzahl Fh = 1 verlagem, je langer und auch je breiter das Schiff gegeniiber seinem Tiefgang bzw. je langer das Schiff gegeniiber der dritten Wurzel der Ver-drangung ist. Es ist dabei verstandlich, daf3 die Grenzkur-ven bei tieferen oder unendlich tiefwerdendem Wasser ab-gewinkelt der Froudeschen Tiefenzahl Fh = 0 zustreben.

Der Anlauf dieser Grenzlcurven vom Koordinatenanfangs-h

punkt an aufgetragen iiber

hTg

ist fast geradlinig. Die

1 141, 11 .6,8 0,6 0,4 1,5 20 2,5 h -Tg

Staffelung der L/Tg-Kurven f-iir diesen Teil konnte in [6] funktionsmaBig entsprechend folgender Gleichung festge-legt werden:

Tg/L = 0,0725 arctg

(

hTg

.

Fh

Der funktionale Aufbau dieser Gleichung wird nach ent-sprechender Anderung der Konstanten erhalten bleiben, wenn als Parameter B/Tg bzw. L/Vvs statt L/Tg vervvendet vvird.

Im weiteren Verlauf streben wie ersichtlich, these Grenz-lcurven einem Maximum zu. Diese Maximumbildung bedeu-tet, daB zu jedem solchen L/Tg, WTg- bzw. L/Vvs-Wert

eine hochste Geschwindigkeit bei einem best.immten

Wasser-hiihenverhaltnis zugeordnet ist. Damit ist die groBtmoglichst erreichbare Froudesche Tiefenzahl in Abhangigkeit vom Wasserhohenverhaltnis festgelegt, die fiir den Flachwasser-bereich funktionsmaBig durch die Gleichung definiert ist.

0,9

Fh = I

h \0,4

I, hTgi

Obwohl man bei gegebenem Wasserhohenverhaltnis die

Nachstrom-(Sog-)veranderung bzw.

SchiffseinfluBgradver-2,5 7,5

225

1- 71

Oben: Abb. 3-5 und unten: Abb. 6:

Froudesche Tie fenzahlen, bei denen Nachstromveranderung (Schiffseinfiufigradverschlechterung) plOtzlich einsetzt, Ober Wqsserhiihenverhaltnis

schlechterung durch VergroBerung der Schiffslange und auch Schiffslyreite zu hoheren Geschwindigkeiten verschie-ben kann, gibt es eine giinstige Lange und Breite entspre-chend der obengenannten Charakteristik der

Maximumbil-dung, wobei these Schiffseinfluf3grof3en voll ausgeniitzt sind.

(Anschaulichkeitshalber ist die Verlagerung der

Schiffsein-flul3gradverschlechterung zu hoheren Geschwindigkeiten

durch Verlangerung des Schiffes fiir h = 5,0 m in Abb. 7

dargestellt.)

Mit anderen Worten: Wenn die Fahrwasserhohe bekannt und der Tiefgang gegeben ist, so ist hierdurch für jede Ge-schwindigkeit eine giinstige Schiffslange bzw. Schiffsbreite gegeben. Diese giinstigen Langen und Breiten sind in Abb. 8

aufgetragen.

Die Linien koristanten L/h-Verhaltnisses (Abb. 6) haben gegenilbei dem Wasserhohenverhaltnis im relativ flachen Wasser eine nur geringe Neigung. Zum tieferen Wasser hin wird diese jedoch groBer. Das bedeutet, daB die Geschwin-digkeit, bei der die Propulsionsverschlechterung eintritt,

sich bei konstantem L/h-Wert zu tieferem Wasser hin rnehr und mein. der Froudeschen Tiefenzahl Fh = 1 nahert.

Eine Untersuchung ilber die Abhangigkeit der Grenzen der Nachstromveranderung von der Schiffsvolligkeit fiihrt

gralkmogl. erreichbci Fh i -P-eZ5 5,0 40 35 ...

--

40 1 1 i I I I i

II/1

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I' I'

II/III

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I 1 II i r -h h .7b ... gralltmo.l. erreichbare F, L r =60 . 1116- 50

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IOW611.11.1.11.1"... ---40

4

. I 1 I I 11111 I I

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grWtmogl. erreichbar Fh _L

-I

-825 40 7,5 70 -45 40 I I III I I Id I Il

/

I 1 Ilf l,'I / III!! / iiiii / 141 / liIP I /

ti

/

7,5 2 44 42 0 0, 0,4 0,2 0 40 46 44 42 0

110 10 90 80 70 60 50 40 h= 5,0 m

Abb. 7: Verschiebung der Grenzen der

Schiffseinfiufigraciverschlechterung zu

hOheren Geschwindigkeiten durch Ver-groflerung der Schiffsliinge

25

20

15

10

zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis, da die Volligkeiten der hier untersuditen Schiffe nicht mehr variieren, sondern durchweg zwischen 0,803 und 0, 883 liegen. t.lbereinstim-mend mit ,den bisher errnittelten Ergebnissen kann man die Tendenz feststellen, daf3 mit abnehmender Wassertiefe die

Volligkeit verringert werden mu13, urn hithere Geschwindig-keiten zu erreichen.

Die optimale Schwerpunktslage ist nicht untersucht wor-den. Aber wie aus anderen Versuchsserien bekannt ist, mul3 der Sehwerpunkt bei Rachwerdendem Wasser um so vveiter

nach vorn liegen, jé holier die Geschwindigkeit ist. Bei einem

Vergleich der Thrum- und AbsenkungsWerte von

Wider-stands- und Propulsionsversuchen wird ersichtlich, dal-3

steu-erlastige Vertrimmung und Absenkung bei Propulsionsver-suchen im allgemeinen groBer sind als bei Widerstandsver-suchen. Je kleiner die Wasserhohe wird, um so gri5f3er wird die zusatzliche Vertrimmung beim Propulsionsversuch. Die hierdurch bedingte Widerstandsvergri5Berung tritt dann als Sogerhohung besonders in Erscheinung. Je welter der Ver-drangungsschwerpunkt nach hinten verlagert wird, um so starker wird die steuerlastige Vertrimmung und damit die Sogerhohung. 13ei tiefwerdendem Wasser verlagert sich das Schwerpunktsoptimum mit zunehmender Geschwindigkeit jedoch nach hinten wie bei Tiefwasserschiffen.

Die hier ausgewerteten MeBergebnisse sind bei Versuchen

in stehendem Wasser entstanden. Eine Untersuchung iiber die Anderung von Sog- und Nachstromwerte auf beschrank-ter Wassertiefe in strOmendem Wasser ist far das Typschiff Gustav Koenigs" durchgefahrt worden [7]. Es ergab sich,

dal3 die Sog- und Nachstromwerte, die bei sehr kleinen

sertiefen am hochsten sind und dann mit zunehmender Was-sertiefe abnehmen, in Stri5xnung regelmal3ig geringer sind als in stehendem Wasser. Ferner wurde festgestellt, daB emn plotzlicher Anstieg von Sog und Naehstrom bei bestimmten GeschWindigkeiten kaum noch in Erscheinung tritt.

3.2.. Kanal

Wenn man bei dem Fahrwasser ailf3er der

Tiefenbeschran-bang noch eine Breitenbeschrankung einfiihrt, so scheint sich der Flachwassereffekt zu verstarken. Die kritische oder StauwellengeschwindigIceit wird im Kanal z. T. eiheblich fraher als im Wasser unbeschrankter Breite erreicht. Die kritische Geschwindigkeit ist darin zwar ahnlich definiert wie bei alleiniger Beschrankung der VVassertiefe, nur claf3 statt der VVassertiefe der hydraulische Radius R als Verhalt-nis des tatsachlichen Wasserquerschnitts zum tatsachlich

be-netzten Umfang eingesetzt wird, den man auch als die im Kanal wirksame Wassertiefe" bezeichnen kann.

15 2 2,5

-Tj

Abb. 8: Giinstige Liingen und Breiten Abb. 9: Froudesche Tie fenzahlen, bei

entspr. der Charakteristik in Abb. 3, 4 denen Gesamtwirkungsgrad-und 5 verschlechterung plotzlich ein.setzt, fiber

Wasserquerschnittsverhtiltnis

Die Froudesche Tiefenzahl wird hier also FR =

1,2

rk.

Fk -FA,

Kleine Abweichungen in der Profilform der Kanale urid die Abweichungcn in der Boschungsneig-ung werden weit-gehend durch Verwendung des hydraulisdien Radius

korri-giert.

Da die Geschwindigkeit in Kanalen, urn die Erosionsscha-den an Erosionsscha-den Boschungen und auch an Erosionsscha-den Kanalsohlen so weit wie moglich zu vermeiden, gesetzlich viel niedriger

be-grenzt 1st als die ausgelegte Gesd-iwindigkeit des

Schif-fes, sind nur wenige Kanalversuche gefahren worden. Aus dem schon erwahnten zur Verfiigung stehenden Bericht [5] sind die wenigen, in Tabellenform (Tab. 2). aufgeRihrten MeBergebnisse ausgewertet worden.

Tabelle 2: Motorgiiterschiff Johann Welker"- (J. W.) Gustav Koenigs" (G. K.)

Die geschwindigkeitsmaBig mit der oben definierten

Frou-deschen Tiefenzahl FR erfal3ten Abknickstellen Oder Gren-zen der plotzlichen Verschlechtenmg des Gesamtwirkung,s-grades wurden aber dem Wasserquerschnittsverhaltnis auf-getragen. Als Parameter wurden die GroBen L/Tg und B/Tg gewahlt. Da sich far beide Parameter ahnliche Kin-yen ergaben, sind nur diejenigen far L/Tg in Abb. 9 dargestellt. Wie aus dent Diagramm ersichtlich, ist auch hier eine iihnliche Tendenz wie beim Flachwasser vorhanden. Diese

groatmagl. efreichbare FR 1 IU ' :f: 1I I I I1 II -Ili , ,/, ibvi

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Profilform Tropez A Tropez C Rechteck E

Sohlenbreite 19,2 rn S7,0 m 157,0 m ? E

r4

g Fk -FM 1040 m2 ,

Ahd

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gS3 i58 mom 210:333-271 , FE uk

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EMOI113=1.27.35110

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MI 5,580n 5.20

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I< 15 16 17 18 19 20 V ChT7h1

besagt, daB sich die Grenze fiir eine Gesarntwirkungsgrad-verschlechterung um so mehr zur Froudeschen Tiefenzahl FR = 1 verlagert, je langer bzw. breiter das Schiff gegen-iiber seinem Tiefgang ist.

Im Vergleich mit dem Flachwasser ist hier der wirksame

Bereich der Grenzlcurven sehr beschrankt. Der wirksame

Be-reich des Quersthnittsverhaltnisses ist derjenige, bei dem man durch eine Veranderung der SchiffseinfluBgroBen wie Lange, Breite, Verdrangung usw. wesentliche hohere Ge-schwindigkeiten erreichen kann bevor eine Verschlechterung des Gesamtwirlcungsgades eintritt.

Ahnlich wie beim Flachwasser, ist auch hier die Schiffs-lange als Funktion der Geschwindigkeit fiir verschiedene

Kanalprofile in Abb. 10 bis 12 dargestellt.

Die Flachwasser- und Kanal-Ergebnisse sind miteinander sehr gut vergleichbar. Im Kanal von beschrankter Profil-breite ist jedoch die Schiffslange sehr viel starker von der Schiffsbreite abhangig als helm Flachwasser:

4. Zusainmenfaasung mid Folgerungen

Di MeBergebnisse der Modellversuche an Typschiffen des Zentral-Vereins fur deutsche Binnenschiffahrt, die in der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau in Duisburg durch-gefiihrt wurden, sind bei ihrer Auswertung im Hinblick auf

die Auswirlcung verschiedener SchiffseinfluBgroBen auf Sog

und Nachstrom und damit auf SchiffseinfluBgrad fiir Flach-wasser und für Kanalprofile getrennt untersucht worden.

Die Abhangigkeit der Sog- und Nachstromveranderung, bzw. der SchiffseinfluBgradverschlechterung, die bei scluiel-lerer Fahrt auf beschranktem Wasser entsprechend der Froudeschen Tiefenzahl Fh ) 0,5 plotzlich einsetzt, von dem Wasserhohen- bzw. Wasserquerschnittsverhaltnis ist

be-stimmt warden, wobei folgendes Ergebnis festgestellt wurde:

4Q2 79,2m Tropezprof ii A I ngentspr, der gi-ara. erreich a=5m 10 20 30 40 50 60 Fk =104 rn' h = 3,5 m

1

L Cm3 10 20 30 40 50 60 L m 10 9 10 9 Sim 57m Tropezprofil C

Durch VergroBerung der Schiffslange und auch

Schiffsbreite karm man eine Verlagerung der

genatua-ten Grenze zu einer hoheren Froudeschen Zahl be-wirken. Der Geschwindigkeitserhohung ist jedoch

eine -Grenze gesetit, die in) Kanal vvesentlich friiher erreicht wird als auf breitem flachem Wasser. Die

SchiffseinfluBgradverschlechterung bei wachsender

Geschwindigkeit wird durch das Langen-Breiten-Ver-haltnis des Schiffes beeinfluBt. Wahrend im

allgemei-nen auf tieferern Wasser em n schmaleres Schiff

giinsti-ger 1st, liefert auf flachem Wasser das breitere Schiff die besseren Beziehungen hinsichtlich des

Schiffsein-flul3grades bzw. Gesamtwirkungsgrades und somit des Leistungsbedarfs.

Es empfiehlt sich daher, die Schiffe fiir den Einsatz auf tieferem, breitem Wasser langer zu bauen. Fiir den Einsatz auf flachem, beSchranktern Wasser sind

breitere Schiffe vorzuziehen.

Fiir vollige Binnenfrachtschiffe sind die giinstigen Langen und Breiten in Abhangigkeit vom Wasserhohenverhaltnis ermittelt worden. Schiffslange Schiffsbreite Tiefgang Verdrangung Volligkeit Benetzte Oberflache Schiffsleistung Schiffsgeschwindigkeit Wasserhohe Wasserhohenverhaltnis Sogziffer Nachstromziffer SchiffseinfluBgrad Gesamtwirlcungsgrad Froudesche Tiefenzahl Flachwasser Kanal Erdbeschleunigung Kanalquerschnitt Hauptspantflache

Kanal benetzter Umfang

5. Symbolverzeichnis Tg $a Fh FR g FK Fa UK 10 20 30 40 SO 60 L Cm.7 Fk =276 m2 = 4,0m 7 T.\ \ 'i ".:,\\\\ N. \V\ \ \ '\\`1.1.7N \m\

\\\-7

F =785 m2 Rechteckprofil E III k h = 5,0m B=9 m B =11 m 10 20 30 40 50 60 L crro

Abb. 10-12: Sthiffsgeschwindigkeit als Funktion der Schiffslange

ITsg-=2,5 ml

UK

[ml

Hydraulisch-Fiadins 6. Literaturverzeichnis

g

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