Enkele nieuwe vormen van het achterschip bij enkel-schroefschepen

RCH1F

Technische Hogechoo1

KONINKL. NEDERL. AKADEMIE VAN WETENSOHAPPEN - AMSTERDAM

Reprinted from Proceedings, Series B, 65, No. 5, 1962

_DeIft

MECHANICS

ENKELE NIEUWE VORMEN VAN RET ACHTERSCHIP BIJ

ENKELSCHROEFSCHEPEN

DOOR

W. P. A. VAN LAMMEREN

(Communicated at the meeting of June 30, 1962)

ENKELE PROBLEMEN BIJ ENKELSCHROEFSCHEPEN

De toename van de grootte van het geïnstalleerde machinevermogen

bij enkelschroefschepen, in bet bijzonder bij tankers, gaat dikwijls gepaard

met het optreden van een tweetal hinderlijke verschijnselen, n.1. cavitatie en trillingen.

Als gevoig van cavitatie treedt in vele gevallen erosie op, welke tot

zware beschadiging van de schroef kan leiden en daarmede tot kostbare reparaties en tijdverlies.

Het optreden van langstrihingen, torsietritlingen en buigingstrillingen in de schroefas kan eveneens tot beschadiging leiden van schroefas, stuw-blok en schoefaslegers. Schroefasbreuk kan zelfs bet gevoig zijn.

De oorzaak van deze verschijnselen moet o.a. worden gezocht in de ongelijkmatigheid van het snelheidsveld ter plaatse van de schroef, die

vooral bij enkelschroefschepen groot is.

Door een goede constructie van de schroef (juiste aantal bladen, vol-doende groot bladopperviak, toepassing van bladdoorsneden, die zo

weinig mogelijk gevoelig zijn voor variaties in belasting, toepassing van materiaal met een goede erosie bestendigheid) en bepaalde keuze van de spantvorm in het achterschip kan men de invloed van deze verschijnselen wel verminderen, doch nimmer geheel opheffen.

Doeltreffender is naar constructies van het achterschip te zoeken, die een homogenisering van het snelheidsveld ten gevolge hebben.

Ret N.S.P. te Wageningen heeft in de laatste tijd getracht en is er

nog mee doende enkele van deze constructies te introduceren. Bespreking van deze nieuwe constructies is onderwerp van deze mededeling.

SCHAAL0NDERZOEK a) Cavitatie-onderzoek

Genoemde verschjjnselen kunnen met succes door schaalonderzoek

worden bestudeerd.

Cavitatie- en erosieonderzoek geschiedt in de cavitatietunnel, een verticaal geplaatst omloopkanaal, waarin bet water door een

396

pomp, in het onderste been geplaatst, wordt rondgepompt. In het bovenste

been bevindt zieh de draaiende schroef. Boyen bet vrije

vloeistof-opperviak kan de aanwezige lucht worden afgezogen en de druk naar

believen verlaagd.

Van de schaalwetten, waaraan volgens de gelijkvormigheidsmechanica

moet worden voldaan (gelijke getallen van Fronde, Reynolds, Weber,

Thoma, gelijke slip van de schroef op ware grootte en bet schroefmodel

en geometrische gelijkvormigheid) worden er enkele verwaarloosd. Steeds

wordt echter voldaan aan de kinematische voorwaarde van gelij ke slip

en gelijk getal van Thoma (gelijke verhouding van statische tot dyna-mische druk).

Fig. 1, Volgstroomveld bij E.S. schip.

Dit laatste wordt verkregen door, na keuze van een intreesneiheid, de

statische druk in de tunnel aan te passen door afzuiging van de lucht

boyen bet vrije vloeistofoppervlak in de koker, aangebracht in het

hoogste gedeelte van de tunnel.

De omwentelingen van de schroef worden zodanig gekozen, dat aan de voorwaarde van gelijke slip wordt voldaan.

Door middel van een ingebouwde stromingsregelaar kan men het achter

bet betrokkeu scbeepsmodel met behuip van stuwbuizen van Prandtl

opgemeten snelheidsveld, wat de a'dale componenten betreft, nabootsen. Een idee van de ongelijkrnigheid van het snelheidsveld bij een

enkel-schroefschip verkrijgt mer uit fig. 1, waarir iijnen van constant

voig-stroomgetal = i - V 1 (waarin V8 = cheepssne1heid en Va = plaatselij ke

397

De radiale en tangentiale componenten werden tot dusverre verwaar-loosd, aangezien men aannam dat de invloed van de tweede orde zou zijn. Recente proefnemingen hebben echter aangetoond dat deze opvatting niet juist is. Dit blijkt duidelijk uit het voorbeeld gegeven in fig. 2. In de

toekomst zal de tuirnel dan ook zodanig worden gewijzigd, dat men

3-dimensionale velden za! kunnen instellen.

Fig. 2. Axiale en tangentiale componenten van een snelheidsveld van een E.S. schip.

Het effect van de ongelijkmatigheid van het snelheidsveld in axiale

richting op het cavitatiebeeld blijkt bij vergelijking van de figuren 3 en 4, waarin dezelfde schroef bij geijke belasting in een homogeen en in een ongelijkmatig veld wordt getoond.

Een typische beschadiging als gevoig van cavitatie-erosie toont fig. 5,

een foto van een werkelijke schroef, waarbij het blad op ca. 0,8 van de

schroefstraal aan de uittredende kant naar het drukvlak van het schroef-blad is omgebogen.

b) Meting van de wisselende krachten in de schroefas, opgewekt door de

schroe/

In het algemeen kunnen de trillingen, opgewekt door de scheepsschroef verdeeld worden in 3 groepen:

1. Trillingen door onbalans met een frequentie, overeenkomend met het

toerental van de as.

2 Trillingen opgewekt door de hydrodynamische krachten van de scbroef

in het ongelijkmatige snelheidsveld achter het schip, vooral bij

enkel-schroefschepen. De herhalingsfrequentie van deze trillingen komt

blad-RAKE

7R

39

frequentie wordt verstaan het toerental vermenigvuldigd met het

aantal bladen.

3. Trillingen opgewekt door cavitatie en plaat.selijlce schroe/ bladtriilingen.

Deze trillingen hebben meestal een relatief hoge frequentie.

De sub 2 genoemde krachten worden in het N.S.P. aan schaalmodellen

gemeten.

Tengevolge van de ongelijkmatigheid van het snelheidsveld achter het

schip ter plaatse van de schroef ontstaan tijdens de draaiing van de

schxoef variaties van de liftkrachten op de bladelementen. Als gevoig hiervan ontstaan stuwkracht-, askoppel- en buigend moment variaties

in de as. Laatstgenoemde zijn een direct gevoig van de excentriciteit van

de stuwkracht en het optreden van dwarskrachten.

Het gehele krachtenspel wordt in principe weergegeven in fig. 6.

PLANE 0F RANSUERSE FORCES

PVNE OF TRASVERSF EORIFS

-wJ

i

9

i H TORQUE I - Q THRUST

L.. /

_!i .-- O - TRANSVERSE FORCE 4 E -THRUST ECCENÎRICrTy

_j

._---

---.-.-Fig. 6. Krachtenspel bij de schroef in eon ongeiijkmatig void.

De dynamometers, die in de laatste jaren in de U.S.A., Duitsiand en

Nederland zijn ontwikkeld voor de bepaling van de stuwkracht- en

askoppelvariaties gedurende één omwenteling van de schroef, berusten zowel op inductieve-. capacitieve- als rekstrookgevers.

Bij de bestudering van het meettechnische probleem van de bepaling van de buigende momenten in de as bleken al deze meetprincipes te falen.

Ir. Wereldsma, hoofd van onze meettechnische afdeling, heeft kans

gezien

het Sampling meetprincipe met succes op deze dynamische

metingen toe te passen. Dit heeft geleid tot de constructie van een

W. P. A. VAN LAMMEREN: Enkeic nieuwe vormen van bet achterschip bij enkelschroefschepen

Fig. 5. Schroef op ware grootte aan uittredende kant besehadigd door cavitatie-erosi.

Fig. 3. Fig. 4.

Fig. 10. ES. Sehoepsmodel m't "Hornr aehtersehip en straalbuis.

I I. (1ee1te van een onderzeebootmodel met "Haselton" propeller.

-_5 'AREVOLUTION 01 PHOPELLEA

VRTICAL THRUST ECCENTRICITY THRUST VARIATIONS -s 'TORQUE VARIATIONS1' - lo - + '0 - -S 'REVOLLfllOR 0F PROPOLOICR - +20 _oÏ__ TORQUE VARIATIONS -o THRUST VARIATIONS 399

die de mogelijkheid biedt de onderlinge phaseverschillen tussen de

harmo-nischen en de amplituden van het gemeten signaal eenvoudig te bepalen. Enkele resultaten van metingen met deze apparatuur zijn weergegeven in de figuren 7 en 8. Eerstgenoemde figuur geeft de resultaten voor een

VERTICAL THRUST ECCENTRICITY

//

SIHARAM 0F THRUST ECCENTRICITY U'Ç VECTRA OIAISSAY CÇ TI4SUST ECCEN1RCTTT 1h4 72 HORIZONTAL THRUST \ECCENTRICITY 1aO 9H HORIZONTAL T II RU ST ECCENTRICITY 30 -10 0. +10 0 -.-R .5.10

S.EF PREPVAESR RADIUS S.OF AVERAGE THRUST Fig. 7. Resultaten van eon meting aan een 4-bladige schroef.

EÇTOR EJAUHAUS 0F ?1RARSVER5O fORCES HORIZONTAL TRANSVERSE F ORCE HORIZONTAL TR AN S VE SSE FORCE 10 0 +10 0 +5 +10 S. 0F PROPELLER RADIUS S. OF ASESASE THRUST

Fig. 8. Resultaten met een 5-bladige schroef achter hetzelfde model.

VECTOR OIAÇ,RUM CF

VERTICAL TRANSVERSE FORCE TRANSVERSE FORCES

V 9F 180

O-- +' VERTICAL TRANSVERSE FORCE

-o

i.

400

4-bladige schroef. Hierbij zijn de askoppel- en stuwkrachtvariaties groot, de variaties in buigend moment klein. De 5-bladige schroef (fig. 8) geeft

voor hetzelfde model daarentegen veel kleinere variaties van askoppel en stuwkracht, doch een grote dwarskracht.

Deze resultaten zijn vele malen in de practijk bevestigd. De vlucht van de 4-biadige schroef naar de 5-blad vanwege het optreden van de grote askoppel en stuwkrachtvariaties (langs- en torsietrillingen) heeft

tot het teleurstellend resultaat geleid dat clikwijls moeilijkheden met de schroefaslegering optraden tengevolge van de grote buigende momenten.

3. NIEUWE ACHTERSCHIPCONSTRUCTIES

a) De combinatie van Hogner-vorm en .straalbuis

In de laatste jaren zijn in het N.S.P. systematische proefnemingen

uitgevoerd met een aantai achterschipvormen. waarbij zowel de kwaliteit van de voortstuwing als de cavitatie-eigenschappen en het krachtenspel van de schroef werden bestudeerd.

Een van de oplossingen, die gunstig waren met bet oog op cavitatie en variatie van de krachten, opgewekt door de schroef, was het reeds vroeger door Hogner geïntroduceerde en later door de ,,A. G. Weser" toegepaste sigaarvormige achterschip. Een dergelijke vorm is echter minder gunstig met betrekking tot de kwaliteit van de voortstuwing.

Het vereiste machinevermogen is ca. 3 % hoger dan voor het

vergelijk-bare schip met normale, matig U-vormige spanten in het achterschip. Een belangrijke verbetering kon echter worden verkregen door de combinatie van een ,,Hogner" achterschip met een zgn. ,,straalbuis". De straalbuis, een uitvinding van de Duitser Kort, bestaande uit een

geprofileerde ring orn de schroef (fig. 9), heeft tot eigenschap dat zij door het opwekken van een circulatie orn de ring de schroefbelasting verlaagt.

Bovendien worden de randwervels van de schroef, die ontstaan door

omstroming van de uiteinden der bladen, onderdrukt. Deze verschijnselen

leiden tot een vergroting van het rendement.

Uiteraard heeft de ring een zekere weerstand, die groter wordt

naar-mate de transiatiesneiheid toeneemt.

Afhankelijk van het feit of eerstgenoemde invloeden of laatstgenoemde

eigenschap overheerst, za! een vermindering of een vergroting van het machinevermogen optreden. Hieruit voigt dat vooral bij hoge

schroef-belasting besparingen kunnen worden verkregen.

De straalbuis is nu langzamerhand zover ontwikkeld, dat toepassing bij zeegaande vrachtschepen en tankers nit hydrodynamisch oogpunt voordelen gaat bieden, vooral in combinatie met de Hogner"

achter-schipvorm. Besparingen in machinevermogen van ca. 5 % kunnen reeds

worden verkregen. Bovendien werkt de ring homogeniserend op de sneiheidsverdeling ter plaatse van de schroef. Een bijkomend voordeel

401

Fig. 9. Schroef met straal.buis.

Als gevoig hiervan wordt het cavitatiegevaar verminderd en nemen de variaties van de krachten in absolute zia in belangrijke mate af.

Een practisch bezwaar vormt nog de bevestiging van de ring. De

constructeur wenst bij grote enke]schroefschepen een gedeelte van de

ring in het schip te verankeren (fig. 10). Dit is uiteraard nadelig voor de straalbuiswerking (verlies van circulatie, vermindering van

homogenise-ring van de stroming). Men is thans doende hiervoor een oplossing te vinden. Het is een zuiver constructief probleem.

b) De , ,Haselton' '-propeller

Eexi nieuwe conceptie van een reeds oud idee over de voortstuwing

van onderzeeboten werd het vorig jaar geïntroduceerd door Cmdr. F. R.

liaselton van de U. S. Navy.

De voortstuwer bestaat in principe uit een orn een horizontale as

draaiende schijf, waarop zich een aantal schoepen bevinden, waarvan de spoed continu kan worden veranderd.

Het N.S.P., dat deze voortstuwer onder contract met het Office of

Naval Research (O.N.R.) van de U. S. Navy op modetschaal onderzockt,

vervaardigde voorlopig een 3 m model van de onderzeeboot, voorzien

van één voortstuwer (fig. 11).

De constructie werd zodanig uitgevoerd, dat de spoed van de schoepen

402

zowel gelijktijdig over de gehele omtrek, als cyclisch kan worden ver-anderd. Tevens werd de voortstuwer voorzien van een straalbuis. Met behuip van een 6-componenten balans kan de karakteristiek van de

propeller worden bepaald, terwijl het model eenvoudigheidshalve aaii de sleepwagen wordt bevestigd.

De werkelijke onderzeeboot moet met 2 dergelijke propellers worden

uitgerust, één voor en één achter. De voordelen van dit systeem zijn

duidelijk. Door variatie van de grootte en richting van de voortstuwende

kracht kan men naar believen manoeuvreren, ook bij een sneiheid nul,

hetgeen uiteraard zeer belangrijk is.

Tengevolge van zijn afmetingen kan men met eeiì dergelijke propeller

zeer grote vermogens overbrengen, in jeder geval groter dan het door haar afmetingen en het cavitatiegevaar gelimiteerde vermogen van de

normale schroef van ca. 60.000 pk.

Cavitatie- en trillingsgevaar zijn beperkt door de gunstige opstelling en vrijwel homogene stroming. De achterste propeller bevindt zich op een gunstige plaats, geheel in de grenslaag van de onderzeeboot. De voorste propeller, waarvan de draairichting tegengesteld is aan die van

de achterste, zal door zijn slipstroom de weerstand van het schip verhogen.

Niettemin verwachten wij van deze opsteffing een goed rendement.

Bij het onderzoek van deze nieuwe voortstuwer drong zich de vraag

op of zij eventueel ook toepasbaar zou zijn bij enkelschroef koopvaardij -schepen.

Getracht werd een achterschipvorm te ontwerpen waarop deze

voort-stuwer kan worden gemonteerd (fig. 12). De voordelen, die eventueel

met een dergelijke voortstuwer kunnen worden bereikt, zijn ook hierbj

in bet oog lopend. Immers kan men ook hier door cyclische variatie van

de spoed de richting van de stuwkracht veranderen. Men kan dan

manoeuvreren. ook stilliggend, zodat bet roer kan vervallen.

De stand van de propeller is uitzonderlijk gunstig. Zij werkt geheel

in de grenslaag van het schip, hetgeen hoge rendementen doet verwachten.

Vermogens tot onbeperkte grootte kunnen worden overgebracht met

weinig of geen cavitatie- en trillingsgevaar. Immers kan men de belasting

van de schroefas aanpassen aan

de locale toestanden. Leidschoepen

kunnen hierbij met succes worden toegepast.

Jammer is dat de uitvoering van het onderzoek vertraging heeft onder-vonden, zodat op bet ogenblik nog geen kwaliteitscijfers ter beschikking

staan. Veel systematisch onderzoek zal nog inoeten worden verricht,

omdat geen gegevens bekend zjn omtrent de optimale schroefdiameter i.v.m. het aantal omwentelingen, de naafdiameter verhouding, de vorm van de straalbuis bij deze voortstuwer, de vorm van de bladdoorsneden e.d. Het onderzoek wordt echter krachtig ter hand genomen en de

403

e) Asymmetrisch achterschip

Zodra de schroef gaat draaien, wordt de stromingstoestand achter een enkelschroefschip t .g.v. de tangentiale en radiale snelheidscomponenten

asymmetrisch. Het gevoig is o.a. het ontstaan van dwarskrachten en

excentriciteit van de stuwkracht, die, zoals wjj hebben gezien, tot grote buigende momenten aanleiding kunnen geven.

Onderzoekingen zijn gaande, waarbij de as excentrisch t.o.v. het schip wordt geplaatst, al of niet met b ehoud van de symetrische scheepsvorm. Getracht wordt hiermede de bui gende momenten te verminderen. SUMMARY

Some new afterbody hull forms for single screw ships

The increase of engine power on single screw ships, especially on

tankers, is often accompanied by two annoying phenomena, viz, cavitation

and vibrations, which may result in damage of propeller, propeller shaft and bearings.

These phenomena are closely associated with the inequality of flow

into the propeller.

They can be reduced to a great extent by applying afterbody hull

forms which produce a more homogeneous flow.

The cavitation and vibration problems, which can successfully be

studied now by scale research, are discussed.

New constructions of the afterbody are introduced such as the

corn-bination of Hogner hull form with shrouded propeller, the comcorn-bination