Widerstands- untersuchung einer seeschiffs-modellserie auf flachem wasser

FORSCHUNG UND ENTWICREUNG

Widerstands-Untersuchung einer Seeschiffsmodeflserie

auf flachem Wasser

Von H. Schmidt-Stiebitz und G. Luthra

107. gekürzte Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e. V., Duisburg, Institut

an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen)

Einkitung

Während zahlreiche Serienversuche mit Seeschiffsmodellen

auf tiefem Wasser vorliegen, die den Einfluß der

ver-schiedenen Formparameter auf den Widerstand in

Ab-hängigkeit von der Geschwindigkeit erkennen lassen und

eine gute Berechnungsgrundlage für Neuentwürfe darstellen,

gibt es nur sehr wenige und dann meist viel ältere

Unter-suchungen über die Vergrößerungsfaktoren des Widerstandes und der erforderlichen Antriebsleistung infolge beschränkter Wassertiefe gegenüber unbeschränkter. Sie berücksichtigen nicht die Schiffsform-Parameter. Als Variable finden lediglich die Froudesthe Tiefenzahl und das Wasserhöhenverhältnis (oder Funktionen davon) Berücksichtigung. Neuere,

aus-führliche Flachwassermodellversuche beschränken sick

da-gegen im wesentlichen auf Binnenschiffstypen mit völlig

anders gearteten Formverhältnissen. so daß eine

tYber-tragung dieser Ergebnisse auf Seeschiffe weder statthaft noch möglich ist. Auch für die Formoptimierung im

Ent-wurf, bei der viele Variationsmöglichkeiten quantitativ er-faßt werden müssen, sind die bestehenden Unterlagen un-zureichend.

Genaue Kenntnis des Einflusses beschränkter Wasserhöhe auf Widerstand und Antriebsleistung in Abhängigkeit von Formparainetern ist aher von größter praktischer und wirt-schaftlicher Bedeutung. Bei Probefahrtsmessungen auf

Fahrt-strecken im Bereich der Nord- und Ostsee,

für die

fast

durchweg die Bedingungen beschränkter Wasserhöhe

vor-liegen, zwingen die auftretenden, z. T. erheblichen

flach-wasserbedingten Widerstandserhöhungen zu Korrektur-rechnungen, um die entsprechenden Tiefwasserleistungen er-mitteln und angeben zu können. Um die so

lebensnotwen-digen und nur geringe Margen bietenden

Rentabilitäts-prognosen für Tiefseestrecken mit genügender Genauigkeit und Zuverlässigkeit aufstellen zu können, ist es für

Werft-und Reederei-Praxis von großer Bedeutung, hierüber die

bestmöglichen Unterlagen zu erhalten. Hier ist der Versuch gemacht worden, aus einem größeren Vorhaben wegen der bei der Bewilligung vollzogenen Mittelbeschränkungen wenigstens mit 8 Modellvarianteri einen Anfang zu macken und einen erweiterungsfähigen Grundstock einer Systematik zu legen.

Es wurde von der bekannten Modellsystematik der Schiff-bau-Versuchsanstalt in Göteborg ausgegangen, die auf tiefem Wasser bereits durchgemessen ist und recht gut den heutigen Handelsschiffsformen entspricht. Diese Serie umfaßt den

Völligkeitsgradbereich von 0,600 his 0,750.

Drei Modelle mit einem Extrem- und einem mittleren Wert von r3 wurden auf flachem Wasser untersucht. Die

Hauptabmessungen dieser drei Modelle sind gleichgehalten. Der sich verändernde Völligkeitsgrad führt zu Verdrängungen zwischen 552 und 692 dm° (bzw. 8630 und 10810 m3 der Großausführung).

Das Vorhaben wurde in dankenswerter Weise von der

Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

*) Der ausführliche Bericht kann zum Selbstkostenpreis von der VBD bezogen werden.

Ubersicht über die Versuche

y Scheepsbouwkunde

I«Iimische Hogeschool

1,50 1,378

Die Versuche wurden im stehenden Wasser durchgeführt.

Modell M 611; M 612; M 613

M 1 : 25 3 Modelle wurden nach Unterlagen von Göteborg

im Maßstab 1 : 25 aus Holz angefertigt (Modelldaten siehe Datentabelle) Abb. i bis 3 Anhänge Profilruder, Ruderhacke

Turbulenz- 10 mm breite Sandstreifen bei Spt. 17 und 19 erzeuger (20-Spt.-Teilung)

Propeller Nr. 180 r

(siehe Datentabelle)

Widerstands- und Leistungsmessungen mechanische Messung mit Kempf- und

Remmers-Gerät

Drehmoment über Torsionsfeder Schub über Waage

Trimm und Absenkung mechanisch Bodendruck am Kanalboden

in Längsachse des vorüberfahrenden Modells Messung mittels Staurohr-Druckdose über Verstärker auf Lichtstrahloszillograph aufgenommen

Modellauswahl und Versudssdurchführung

Um bei den geringen Variationsmöglidskeiten einen mög-lichst großen Nutzeffekt zu erzielen, wurde von einer Mo-deliserie ausgegangen, über die bereits Tiefwasserversuchs-ergebnisse vorlagen. Es wurden aus dem Göteborg-Bericht

Nr. 44 die Modelle mit 3 0,6, 0,675 und 0,75 mit

gleich-bleibenden Hauptabmessungen ausgewählt. Um der heutigen Entwicklung Rechnung zu tragen, wurde die geringfügige Aufkimmung weggelassen. Daraus erklären sich auch kleine Abweichungen vom Nenn-Völligkeitsgrad. Die Widerstands-versuche wurden mit den drei Modellen bei Konstraktions-tiefgang auf vier verschiedenen Wasserhöhen durchgeführt.

Um die Aussagekraft der Ergebnisse bei nur drei

Modell-varianten zu erhöhen, wurde der Einfluß eines veränderlichen Tiefgangs miterfaßt und das Programm mit Versuchen bei einem kleineren Tiefgang erweitert. Gemessen wurden auf bekanntem mechanischen Wege Widerstand, Trimm und Ab-senkung sowie die Drudcänderung am Tankboden in Modell-mittelebenc während des Vorüberfahrens des Modells.

Der Propellerfreifahrtversuch wurde auf einer Wassertiefe

von 1000 mm bei n = 12,5 sec' durchgeführt, wobei die

Drehzahl durch Synchronmotorantrieb konstant gehalten wurde.

Schiff und Hafen, Heft8/1969, 21. Jahrgang 639

in Natur 1,66 1,486

56ß mm entspr. 14,15 m

in Natur 2,00 1,7

471 mm entspr. 11,78 m

in Natur 2,50 1,98

Tank 9,8 m breiter und 190 m langer Versuchstank der VBD

T {m] 7,08 5,88 Wasserhöhe 850 mm entspr. 21,25 m h

in Natur h.T

Modell-Nr.

Länge zw. den Loten

Breite auf Spant

Tiefgang Länge i. d. WL

Verdrängung auf Spant Benetzte Oberflädie CWL CWL

L,

spt. T LW.L a. Spt. m m m m dm dm2

Daten

Die Leistungsmessungen wurden mit allen drei Modellen

auf vier Wasserhöhen nur mit einem, dem

Konstruktions-tiefgang, durchgeführt. Gemessen wurden in bekannter mechanischer Art Schub, Drehmoment, Drehzahl, Trimm und Absenkung sowie die oben erwähnten Bodendrüthe. Versuchsergehnisse

W i d ers t a n d s m es sun g e n

Die aus den Modellsdileppversuthsergebnissen errechneten

Schieppleistungen der drei Schiffe auf vier verschiedenen

Wasserhöhen (Parameterwerte) sind für den Konstruktions-tiefang (hier nur von einem) in Abb. 4 und für den kleineren

Tielgang in Abb. 5 bei wachsender Fahrgeschwin.digkeit

wiedergegeben worden. Ein TankbreiteneinHuß wurde hier-bei nicht berücksichtigt, da dessen wahre Größe umstritten

ist, und da er wegen der untereinander gleichen

Haupt-abmessungen der drei Modelle für sie etwa gleichbleibend

anzunehmen ist. Die durch den variierten Völligkeitsgrad

hervorgerufenen Unterschiede dürften vernachlässigbar klein

sein.

Abb. 1-3: Verwendete Modelle (nach Göteborg.Bericht Nr. 44) Daten siehe Tabelle

20

t!5MIMIII

IE111111

tL''II-II

_IUI1IIbPII1

&VVIVIffMN)

Wi

I

_{fe.____1}

I

___Il

'o__

LWAI

,71

/61

. Völligkeitsgrad _WL Ruder Nr. 301

Fläthe Afl dme 2,251

Seitenverhältnis c/h

-

0,557 Streckung Dickenverhältnis h2/AR tic 1,80 0,1786 Propeller Nr. 180 r Typ Wageningen B Durthmesser D mm 180,0 Steigung P mm 180,0 Steigungsverhältnis PfD 1,0 Fläcbenverhältnis AE/Ao 0,55 Dickenverhältnis t/D 0,045 Blattlänge CO7R 53,05 Flügelzahl z

-

4 M 611 M612

M61l

4,800 0,680 4.800 0,680 4,800 0,680 0,283 0,233 0,288 0,233 0,288 0,233 4,920 4,748 4,920 4,748 4,920 4,748 552,32 435,68 620,70 494,24 691,84 556,20 419,90 361,92 447,27 388,32 474,98 422,62 0,583 0,579 0,655 0,657 0,731 0,739 0,597 0,575 0,672 0,650 0,750 0,733 M 611 d,.O.600 M 613 0. 750 M 612 .Q75 8 6 CWL a 2 8 7 6 WL $

5.27.25,,,

5.7725,,'

Aus den Absenkungsmessungen ist in dem ausführlichen Bericht die Zunahme des Reibungswiderstandes infolge be-schränkter Wassertiefe nach dem Verfahren von F. HORN

[8] abgeleitet worden, das davon ausgeht, daß den

Über-geschwindigkeiten der Verdrängungsströmung Unterdrüdce am Schiffskörper zugeordnet sind, die eine Absenkung des Schiffes und des umgebenden Wasserspiegels bewirken.

Da über die Zunahme des Zähigkeitswiderstandes auf

flachem Wasser keine genauen Verfahren vorhanden sind, wurde die weitere Auswertung nicht mit Restwiderstands-beiwerten sondern mit GesamtwiderstandsRestwiderstands-beiwerten vor-genommen. Außerdem bringt der Vergleich auf der Basis des Restwiderstands wegen der Empine in der Unterteilung der Teilwiderstände Unsicherheiten mit sich. Es kann dabei das Verhältnis der Restwiderstandsbeiwerte für flaches zu dem auf tiefem Wasser große Werte erreichen, und damit wäien bereits bei kleinen etwa auftretenden Unterschieden der be-netzten Oberfläche erhebliche Fehlerquellen möglich. Für die

Praxis stellt der Vergleich mit den

Gesamtwiderstands-beiwerten im allgemeinen eine günstigere Methode dar.

Der Gesamtwiderstandsbeiwert cr als Parameter ist in

Abhängigkeit des Völligkeitsgrades als Ordinate von dem Wasserhöhenverhiiltnis

hT

als Abszisse für verschiedene Geschwindigkeiten (FSL = 0,19; 0,21; 0,23 und 0,25) jeweils beim großen Tiefgang (B/Tg = 2,4) in Einzeiblättern Abb. 6 bis 10 dargestellt worden.

Hierzu ist zu bemerken, daß der Verlauf der Kurven im

h

Bereich von

_hT

- 1.0 bis 1,5 wegen Mangel an

Ver-suchsunterlagen infolge gekürzten Auftragsvolumens

zu-nächst nur durch Interpolation ergänzt werden konnte.

Abb. 4 und 5: Widerstandsmessungen

Für den kleinen Tiefgang (B/Tg = 2,9) der drei Modelle sind Korrekturfaktoren der Gesamtwiderstandsbeiwerte zu den Ausgangswerten bei B/T = 2,4 errechnet und in Abb. 11 dargestellt worden.

L e is tun gsm es sun gen

Die vom Modell auf die Großausführung umgerechneten Wellenleistungen sind mit dazugehörigen Propellerdrehzahlen über Schiffsgeschwindigkeit für jedes Modell getrennt (hier

nur für ein Modell) in Abb. 12 aufgetragen worden. Der

Reibungsabzug bei den Propulsionsversuchen wurde nach ITTC 1957 bestimmt. Die Ergebnisse der Messungen hin-sichtlich Propulsionsgütegrad, Sog. Nachstrom und Gütegrad der Anordnung sind je Modell über der Geschwindigkeit in Abb. 13 bis 15 wiedergegeben worden.

Während in der Darstellung der Widerstandskurven (Abb. 6 bis 10) der Gesamtwiderstandsbeiwert als Parameter verwendet worden ist, was für Entwurfszwecke geeigneter erscheint, ist bei den Leistungskurven in Abb. 16 bis 19 nur das Verhältnis Flachwasserldstung zu Tiefwasserleistung

dargestellt worden, um die Umrechnung der auf flachem

Wasser durchgeführten Probefahrtergebnisse zu vereinfachen.

B ode n dr u c k messungen

Die Bodendruckmessungen am Grund des Versuchs-kanals wurden in der Art der Abb. 6 und Abb. 41 in [41

und Abb. 13 und 14 in [6] und Abb. 17 bis 20 in [7]

aus-gewertet, wobei der Unterschied zwischen der

Uberdruck-spitze am Bug und der UnterdruckUberdruck-spitze an der hinteren

Schulter auf den Staudruck Ap/q bezogen wurde. Da jede

Modellvariante eine eigene Darstellung erfordert und die Interpolationsmöglichkeiten nur gering sind, wurde nach

einer einfacheren Form der Auftragung gesucht.

20

Schiff und Hafen, Heft 8/1969, 21. Jahrgang 641

4bserlkung _I' . o -°.

k5.2725,,'

50 _ñ.?7,725,,, ¡ 70 I4DS0flKUfl, ,j', V.170,1 (Po)-M 613 ¡ I I ¡ i I 50.75 5000 T 7.083,,, h.!178!7! f i

II

- /

il

Il

Ii

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ii

- "

1/

1

/

'/2

5000

,///V

-

,//

"i.

/

o

/,

?0 75 Trimm Trimm u 70000 000

95 0,5 0.55 Abb. 6 Abb. B Abb. 6-10: Gesamtwiderstandsbeiwerte O,2I

Für den praktischen Gebrauch ist die Eingabe der

Fahr-geschwindigkeit am brauchbarsten. In der Darstellung mit dem Drudcuntersthied am Fahrwassergrund als Parameter, der F'roudescEen Längenzahl als Ordinate und dem

Wasser-höhenverhältnis als Abszisse ergeben sich für die beiden

gefahrenen B/T-Verhältnisse 2,4 und 2,9 innerhalb der

Streuwerte übereinstimmende Ergebnisse. Für jeden der

drei Völligkeitsgrade ist eine gesonderte Auftragung

vor-genommen worden (Abb. 20 bis 22). Die Parameterkurven

0,75 F4 5,7 075' 0.65 6.0 O.t0 *0 0.2 04 0,5 Cr81_.2.4 58Ir .2.9 l,0 0,9 i0 0,6 0,7 20 2.5 F'T 0,5 F,,5

Abb. 11: Korrekturfaktor zur Umrechnug der C1-Werte für BIT = 2.9 aus den Daten für BI,1, = 2,4

0.75 F4 170 ass 'aso F,, O, 19 '.5 75 3, 3,25 3.5 3,75 Crl _\ \ IF,,0,22 T=7.083, 3.75 25 5,5 47 '5 4,25 OpIO'. 5 T=7,083

u-

5,0 '5 4,25 ,0 3,25 2 3,0 \

w.____ i-°ßi

JJIJL

0,3 0.4 0,5 0,6 0,7 Abb. 9 *0 55 20 60 55 20 0.3 0,4 0.2 0,6 0,55 Abb. 7 Abb. 10 0.65 0. '5560 9. i,,' 19.5 7.O83m 5,7 ₀₇₀ 5,8 065 6.0 u050 13 '5 7 'aSt0 99 5'S F,,1, 0.3 0,4 0,5 0.6 0,7 5,7 6.0 *0 0,3 0,4 20 0,6

C' "J 50 s, 48 47 0.6 43 Sog 42 46 45 46 5000- 50 72 Absenkung 7' 0,22 Abb 12: Leistungsmessung

Propulsions gütegrad, Sog,Nachslrom u. Güte grad der Anordnu g

76 v,(KoJ 78 0.8 'lo 0j 0,6 43 Sog 42 47 0,6 45 0,6 0,3 7,0 0,9 72

h - T

als Abszisse und mit dem Völligkeitsgrad als Ordinate

ge-geben. Für B/T = 2,4 sind Sog. Nadistrom,

Propulsions-wirkungsgrad und der Gütegrad der Anordnung als Funktion

der Geschwindigkeit für alle Modelle und

Wasserhöhen-verhältnisse aufgetragen worden.

Nach F. HORN [8] ist die Zunahme des Reibungswider-standes durch Fahrwasserbeschränkungen (in dem ausführ-lichen Bericht) ermittelt worden.

Die am Fahrwassergrund durch das fahrende Schiff her-vorgerufenen maximalen Druckschwankungen sind in Ab-hängigkeit von der Frondeschen Zahl wiedergegeben worden. Die systematische Erweiterung des vorgelegten Materials

wird für die heutige Schiffbaupraxis als außerordentlich

j wichtig erachtet. Es wird die Erwartung ausgesprochen, daß

sich recht bald die Mittel finden lassen, um die hier

be-gonnene Arbeit zu ergänzen und entsprechend den Belangen der Praxis fortzusetzen.

q

meinsamen Fluchtpunkt zu, was bei dem Völligkeitsgrad = 0,6 am deutlichsten wird, 'da er noch im Diagramm

liegt. Bei den beiden anderen Völligkeitsgraden liegt er

weiter außerhalb des Diagramms

Zusammenfassung

Mit zunächst drei verschiedenen Modellen einer auf tiefem Wasser durchgemessenen Seesthiffsmodellserie sind flach-wasserbedingte Widerstandswerte und Leistungserhöhungen

gemessen worden. Der Widerstand für B/T = 2,4 wird als Parameter in Form des Gesamtwiderstandsbeiwertes über

dem Wasserhöhenverhältnis h als Abszisse mit der

h-T

Ordinate des Schiffsvölligkeitsgrades für F = 0,19; 0,21;

0,23; 0,24 und 0,25 gezeigt. Für den kleineren Tiefgang mit B/T = 2,9 kann der Gesamtwiderstandsbeiwert aus dem mit

B/T = 9,4 für alle Modelivarianten umgerechnet werden. Der Leistungsmehrbedarf (als Ergebnis von Propulsions-fahrten) für B/T = 2,4 wird in vier Diagraimrien als Para-meter bezogen auf die Tiefwasserleistung für F0 = 0.19;

0,21; 0,23 und 0,24 über dem Wasserhöhenverhältnis h

' vjk,jJ 78 0.6 0,3 Sog 42 657 0,6 0.5 0,3 05

---Propulsionsgülegred, Sog Nachs from

u.Güfegrad der Anordnung

72 h-578 0.2 I' h 1776,o 0,22 M h., -673 5m 77.77, 725m h.2125m ?' 026 , V,36n7 78

Schiff und Hafen, Heft 8/1969, 21. Jahrgang 643

Ï-__

Prop ulsionsgütegrad, Sog.

u.Gütegrod derAnordnun.Nachs from

2,5 M 672 3 0.575 77.77 78m T 77.76 75 m 725m

j77

,18 0.2 0,22 ,,26 026 77,

Abb. 13 Abb. 14 Abb. 15

i

70'

Trimm

77 70'

rPSJ 70000

0.9 0:6 45 0,6 a 4 0. 45 2.9

Abb. 16-19: Leistungsmehrbedarf auf flachem gegenüber tiefem Wasser für verschiedene Völligkeitsgrade in Abhängigkeit vom

Wasserhöhen-eerha lin s -3 ± = 4,99-70 L'tp 2,0 20 25 es 0,9 F,,9 e, 06 45 cv' s' 0. 0,c Schrifttum

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I ..:AIJ!

Vn0,24 I -45 0.65

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0,2

I

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Abb. 20 Abb. 21 Abb. 22

Abb. 20-22: Dru'ckschwankungen am Grund, hervorgerufen durch vorbei fahrendes Schiff

lo 05 20 53 03 0.5 0.6 0,7 Abb. 18 IO 5 ¿0 s, u 40 s;? ₄₂₀ 40- 5.ø 2.9 = 6,25 -70' 6=0,75 475 0:65 03 4' 05 055 Abb. 16 0.5 F,,6 045 0,6 Abb. 17 0.6 0.5