Ruddermoment messungen auf grossen schiffen

Rudermoment-Messungen auf großen Schiffen

Von Dipl.-Ing. M. V o i g e r, Aktiengesellsthaft Weser", Bremen

Mit dem Entwurf der Rudereinrithtung werden Manövrier-fähigkeit und Kursbeständigkeit eines Schiffes entscheidend beeinflußt. Nachdem Größe, Form, Bauart und Anordnung des iluderkörpers festgelegt sind, ist die Auslegung der Rudermaschine nach dem maximal auftretenden Rudermornent vorzunehmen. Man benutzte hierfür lange Zeit empirische Formeln, deren Ergebnisse bei gewissen Voraussetzungen und Einschränkungen bei Rudern älterer Bauart auch durch-weg zufriedenstellend waren. Da keine der Formeln diç Er-fassung der hydrodynamischen Verhältnisse in Abhängigkeit der maßgebenden Formparameter gestattet, kann nicht er-wartet werden, daß sie bei Stromlinien-Rudern verschiedener Bauart zu befriedigenden und zuverlässigen Resultaten führen. Erst die Anwendung der Ergebnisse der Tragfli.igel-Theorie erlaubt die Rückführung der Berechnung auf wissenschaftlich fundierte Grundlagen sowie eine Analyse und Bewertung der einzelnen Einfluß-Faktoren.

Die Ruderkraft ist die Resultierende aus Auftrieb (A) und Widerstand (W). Für das Rudermoment interessiert die Normalkraft N, die senkrecht zur Rudermittellinie steht. Bei einem Anstellwinkel a gilt hierfür

N = A . cos a + W sin a

bzw. mit den entsprechenden Profil-Beiwerten CN = CA

cos a + C

sin a

Nach Ermittlung von CN kann die Normaikraft berechnet werden:

N = CN y2 F.

Das Rudermoment ist

M = N

a.

a = Entfernung des Druckmittelpunktes vom Drehpunkt. Aus Profil-Modell-Versuchen stehen die CA und ew-Werte für verschiedene Lid-Werte direkt oder durch Interpolation zur Verfügung. Die üblichen Dicken-Verhältnisse bei See-schiffs-Rudern liegen bei lid = 0,15 bis 0,20 im Optimal-bereich. Häufig muß allerdings aus Festigkeitsgründen bei großen Spaten- bzw. Halbschweberudern dieser Wert etwas größer gewählt werden. Bei der Variation des Seitenverhält-nisses 1/h

zeigen Theorie und Versuch, daß mit größer

werdendem Verhältnis I/h zu den gleichen CA-Werten größere

Ansteliwinkel a gehören. Da die Versuthsergebnisse der Cöttinger Profile auf einem l/b = ls und die der NACA-Profile auf 1/h = 'I basieren, ist eine Umrechnung auf die tatsächlichen Ruderwerte mit Hilfe der Prandtl'schen Trans-formationsgleichungen notwendig. Um auch nicht-rechteckige Ruderflächen erfassen zu können, ersetzt man 1/h durch F/h2 (Streckungsverhältnis).

Die Anströmgeschwindigkeit des Ruders ist gegenüber der Sthïffsgesthwindigkeit durch die Einflüsse von Nachstrom und Propellerstrahl zu korrigieren. Nach der Strahltheorie des Propellers ergibt sich bei Einschraubern die Anström-geschwindigkeit mit

VR = VS

(1)1/ l+s

wobei _sder Schubbelastungsgrad des Propellers ist. Einfache Balance-Ruder sowie Spatenruder können nach dem angedeuteten Berethnungsgang klar erfaßt werden. Es ist jedoch notwendig, auch zweiteilige Ruder und Halb-schweberuder in das Rethenverfahren einzuschließen. Zum Halhschweberuder muß bemerkt werden, daß dieser Typ weder hydroclynamisch ideal noch rechnerisdi exakt erfaßbar ist. Da

diese Bauart aber aus besonderen Gründen (open stern arrangement) häufig angewandt wird, muß sich auch die Be-rechnung darauf einstellen. Hierzu erfolgt eine Auiteilung in ein zweiteiliges Oberruder und ein einteiliges Unterruder. Für den Wert F/h2 ist in diesem Fall sowohl für das Ober- wie für das Unterruder F/2h2 infolge des Spiegelungseffektes zu setzen. Beim zweiteiligen Oberruder ist für die Ruder-querkraft die Druckverteilung des festen und beweglichen Teiles maßgebend, für das Rudermoment kommt jedoch nur der Anteil der beweglichen Fläche zum Tragen. Dieser muß aus dem Cesamtprofil errechnet bzw. durch ein Näherungs-verfahren ermittelt werden.

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Nicht vernachlässigt werden darf die Reibung in den Ruderlagern. Das Reibungsmoment wird im Falle des Halb-schweberuders durch die Belastung des Fingerlinglagers

besonders groß. Das aus Ober- und Unterruder resultie-rende Moment wird durch Auftragung der beiden Mo-mentenkurven über dem Anstellwinkel a ermittelt. Das Moment des Unterruders ist infolge der Oberbalancierung dieses Teils stets negativ, dasjenige des Oberruders immer positiv. Da die Momentendifferenz interessiert, trägt man auch das negative Moment nach oben ab und kann so bei dem jeweiligen Ruderwinkel bzw. Maximalansehlag das resultierende Moment direkt ablesen. Rechnerisch nicht zu erfassen sind clic zusätzlichen Emwirkungen des Seeganges

auf das Ruder. Es wird hierfür durchweg ein Zuschlag

von 25 0/ gemacht.

Die Überprüfung des Rudermomentes bei Rückwärtsfahrt führt in vielen Fällen zu höheren Werten als bei Voraus-fahrt. Allerdings sind die Redienunterlagen hier unsicher, da ausreichende Ergebnisse von Profil-Versuchen hei Rückwärts-anströmung fehlen. Der Auftriebsbeiwert erreicht ca. 75 0/ des Wertes für Vorausfahrt, liegt bei größeren Ansteliwin-keIn jedoch niedriger. Die Lage des Druchmittelpunktes

ist etwa 40 O/ vor der Hinterkante des Profils. Die RUck-wärtsgescbwindigkeit wird mit 2/3 _der

Vorwärtsgeschwin-digkeit angesetzt. Die praktische Bedeutung dieser Annahme ist zumindest fragwürdig. Die ini Vergleich zu cien Be-rechnungsunterlagen für die Vorausfahrt recht dürftige Fun-dieru.ng der genannten Werte zeigt bereits die Problematik des Rückwärtsmomentes.

Die Dimesisionierung der Rudermaschinen der Schiffe,

von denen hier die Meßergebnisse an der Croßausführung gebradit werden sollen, erfolgte auf Grund des maximalen Rüdcwärtsmomentes. Erst die Meßergebnisse führten zu der Erkenntnis, daß durch die Berechnung des Rückwartsmo-mentes keine klare Erfassung des Maximalmoments ge-sichert ist. Allerdings muß diese Aussage zunächst auf große Einsthrauber mit Halbschweberuder begrenzt bleiben. Ein entscheidender Nachteil ist ferner, daß die Nachprüfung

des errechneten Rückwärtsmomentes zumeist auf der Probe-fahrt des Schiffes nicht möglich ist. Es zeigte sich weiter, daß große völlige Emsebrauber auch bei relativ langen Rückwijrtsfahrzejten von ca. 1/2 Stunde nicht mehr als ca. 40-50 o/ ihrer Vorausgeschwindigkeit erreichen.

Die Ergebnisse zeigen jedoch eindeutig, daß das Stütz-moment zumindest in der gleichen Größenordnung des redineisthen Riickwärtsmomentes liegt.

Da das Stützmoment durchaus praktische Bedeutung hat und außerdem bei Probefahrten nachzuprüfen ist, sollte die Berechnung des maximalen Rudermomentes hierauf

ab-gestimmt werden. Bisher sind Angaben über die beim

Stützmanöver auftretenden Strömungsverhältnisse sowie

Unterlagen für die Berechnung nur recht spärlich vorhan-den. Teilweise wird ein weiterer Zuschlag von 25 O/ außer dem Seegangszuschlag empfohlen, teilweise wird auch fest-gestellt, der 25 °/o-Zusthlag enthalte auch das Stützmanöver. Bei Messungen an großen Kriegsschiffen vor dem 1. Welt-krieg zeigten sich nadi Schwarz bereits Stützmomente, die 50°/o bis 700/o größer waren als das Moment der ersten Hartruderlage. Die jetzt vorliegeisden Meßergebnisse weisen jedoch für das Stützmoment teilweise \Verte auf, die um

100 °/ bis 200 /o höher liegen. Alle Messungen wurden bei vollem Tiefgang durchgeführt.

Beim Stützmanöver wird eine eben durch Hartruder ein-geleitete Drehbewegung des Schiffes durch Gegenruder zur anderen Hartlage unterbrochen und in die entgegengesetzte Richtung umgelenkt. Zur Erfassung der maximalen Bean-spruchung ist es wichtig, das Manöver bei voller Voraus-geschwindigkeit auf Ceradeaus-Kurs zu beginnen unci das Cegenruder zum Stützen nach etwa 20ßO° Kursabwei-chung zu geben. Das Schiff hat dann noch kaum an Ge-schwindigkeit verloren, andererseits aber schon eine be-stimmte Drehgeschwindigkeit infolge der ersten Flartruder-lage aufgenommen.

[m 72 lo

¡st während der ersten Hartruderlage eine gewisse Kurs-abweichung erreicht, so verringert sich der wirksame An-strömwinkel des Ruders um den Derivationswinkel 8h des Hintersthiffs und sinkt auf etwa 15-209 ab. Beim Legen des Ruders auf die Cegenhartlage addiert sich 8h zum maximalen Ruderwinkel, womit der wirksame Ansteliwin-kel nun plötzlich auf ca. 50-60° steigt. Das bedeutet aber, daß die Strömung jetzt mit Sicherheit abreißt und damit der Druckmittelpunkt stark auswandert. Bei absinkendem CA-Wert steigt c ebenfalls stark an, jedoch ist die An-derung des cN-Wertes nicht von wesentlicher Bedeutung. Zur rechnerischen Erfassung dieses Vorganges ist es also erforderlich, die Profliwerte über die normalerweise inter-essierenden Austeliwinkel hinaus zu kennen. Die vorhan-denen Modellversuchswerte für diesen Bereich sind leider noch unvollkommen und geben oft nur qualitativ verwert-bare Aussagen. Nach dem Abreißen der Strömung sind auch die Prandtl'schen Transformationsgleichungen nicht mehr

anwendbar.

Für die rechnerische Erfassung des Stützmomentes bei

Halbschweberudern erscheinen einige der von Thieme durch-geführten

und im STG-Jahrhuth

1962 veröffentlichten Windkanalmessungen mit Anstellwinkein bis zu 900 ver-wertbar. Die Versuchsflügel haben ein Seitenverhältnis 1/1 und weichen damit nicht allzu stark vom Seitenverhältnis des Ober- bzw. Unterruders ab. Eme Berechnung auf dieser Basis ergab relativ gute Übereinstimmung mit den gemesse-nen Maximalmomenten an der Croßausführung. Das zu-nächst negative Moment des Unterruders wird durch das Auswandern des Drudmittelpunktes positiv und addiert sich nun zum Oberrudermoment.

Die vorliegenden Meßergebnisse beziehen sich alle auf Schiffe mit Halbschweberuder. Das Rudermoment wurde aus der Verdrehung des Rudersdsaftes gemessen. Von auf dem Schaft angebrachten Dehnungsmeßstreifen wurden die jeweiligen Formänderungen über eine Met3brüdce auf einen Oszillographen übertragen, dessen Ausschläge wäh-rend der Meßzeit gefilmt wurden. Die Meßstelle befand sich jeweils zwisdien Kokerlager und Traglager.

Abb. i zeigt den Verlauf des Rudermomentes beim Ru-dermanöver eines 35 000-t-Erz/Öl-Schiffes. Das maximale

Moment bei Erreichen der Hart-Bb-Lage ist etwa 10°/e

400

größer als nach Rechnung. Diese immerhin noch tragbare Abweichung ist sicher beim Halbschweberuder auf die nur ungenaue rechnerische Erfassung der Vorgänge in. der

M [m i] 100 80 60 40 20 20 40 60 80 100 120 1 40 160 180 160 140 120 100 M

t [mini [mt]

Abb. i 200 100 100

200

300

- - - - --

_-

_{MsiRechnung= 185 mf} Abb. 2

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2 t

[min]-2

t [rninj....

Abb. 3 BB 4Q0

_{MRechnurg'6ômt}

e

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MRRechnug = l67mt

BA MReChnung = 85mt _.._RLder1oge 4Q0 St B 727mt

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ecnnung = 138mt 5f B 400 300

Mcnnung.

₁₀₄

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Rechnung - 2âOmt

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320ml

Trennungszone zwischen Ober- und Unterruder zurück-zuführen. Das Stützmoment beisri Erreichen der Hart-Stb-Lage deckt sich praktisch mit dem für die Rückwärtsfahrt errechneten Maximalmoment. Das nachträglich berechnete Stützmoment beträgt 138 mt, weicht also nicht wesentlich von dem gemessenen Wert ab.

Abb. 2 zeigt das gleiche Manöver bei einem 48 000-ts-Tanker. Beim ersten Hartruder-Manöver stimmt das

ge-messene Moment praktisch mit dem Rechenwert überein. Das Stützmoment bleibt hier unter dem rechnerischen

Ruck-wärtsmoment, ist aber ca. 2'/mal so groß wie das Moment der ersten Hartruderlage. Das gerechnete Stützmoment

beträgt 185 mt und liegt damit 25°/o über dem Meßwert. Im unteren Teil der Abb. sind die zugehörigen Werte von Schub, Drehmoment und Drehzahl wiedergegeben. Wie zu erwarten, sinkt die Drehzahl im Bereich der Hartlagen, während Schub und Drehmoment ansteigen.

In Abb. S ist ein Rudermanöver eines 78 000-t-Tankers dargestellt. Das maximale Moment der ersten Hartruder-lage deckt sich wieder recht gut mit dem Rechnungswert. Das Stützmoment liegt hier höher als das rechnerische Rüdcwärtsmoment und erreicht den

3fachen Wert des

Normalmomentes. Die auf Grund des Rückwärtsmoments dimensionierte Rudermaschine ist also knapp bemessen. Das Ergebnis der Stützmomenten-Rechnung ist 320 mt, es deckt sich praktisch mit dem Meßwert.

n

fu

1mm 100 9° 80 o o 20 10 40 20 30

Abb. 4 zeigt ein vollständiges Z-Manöver mit 27° Ru-deraussthlägen bei einem 48 000-t-Tanker. Das Moment der ersten 27°-Lage stimmt annähernd mit dem Rechenwert für 27° überein. Das Stützmoment erreicht gut den dop-pelten Wert. An den Werten der beiden folgenden Stütz-manöver erkennt man sehr gut das Abklingen der Spitzen-werte. Die Momente sind hier ohne Rücksicht auf das Vor-zeichen nach einer Richtung aufgetragen,

da nur

der Absolutwert interessiert. Zusätzlich zum Schub- und Dreh-moment sind auch Kursabweichung und

Winkelgeschwin-digkeit aufgetragen. Zusammenfassung

1. Die Tragflügel-Theorie liefert eine durchweg verläß-liche Grundlage zur richtigen Bemessung der

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Abb. 4

kraft in Hinblick auf Manövrierfähigkeit und

Kurshe-ständigkeit. Für die bei normalen Ruderlagen zur Kursänderung oder Drehkreiseinleitung auftretenden

Momente sind die Rechenergebnisse in guter

tYber-einstimmung mit den Messungen an der Croßausführung. 2. Neben dem Balance- und Spatenruder kann auch das Halbschweberucler bei entsprechender Modifikation des Rechnungsganges auf den gleichen Grundlagen berech-net werden. Es fehlen noch zuverlässige Modellver-suchsergebnisse geteilter Flügelprofile,

bei denen der

vordere feste Teil 20-30°/o der Profillänge beträgt. Be-sonders wertvoll wären Versuche mit Flügelmodellen. die insgesamt dem Halbschweberuder entsprechen und die gegenseitige Beeinflussung von Ober- und

Unter-ruder mit enthalten.

S. Das maximale Ruder-Moment bei Rückwärtsfahrt hat bei großen Einschraubern untergeordnete Bedeutung. Die rechnerische Erfassung ist unsicher, die Ermittlung an der Croßausführung zumeist nicht möglich.

4. Das maximale Rudermoment, welches für die Auslegung

der Rudermaschine entscheidend ist, kann bei großen Einsdsraubern mit Halhschweberuder beim Stützma-növer auftreten. Ausreichende verläßliche Unterlagen

für die Berechnung fehlen noch, können aber durch

Md [mi] 5 [f] 780 160 140 120 loo 'mio] 100 00 60 40 20 o

Modellversuche bzw. Erweiterung ausgeführter

Ver-suche unter Einschluß genügend großer Anströmwinkel und verschiedener Seitenverhäl Lnisse geschaffen werden. Die im Vorhergehenden genannten Ergebnisse der Nach-rechnungen auf Grund der Thieme'schen Versuche kön-nen nicht verallgemeinert werden, da bei wesentlicher Abweichung vom Seitenverhältnis i keine zuverlässige Redsenbasis mehr gegeben ist (vgl. Abb. 2, das Ruder für dieses Schiff war relativ schmal und hoch).

5, Die Messungen an der Großausführung sollten

fort-gesetzt werden, um u. a. den Einfluß des Rudertyps,

der Schiffsgröße und der Drehgesdìwindigkeit des

Schiffes auf das beim Stützmanöver auftretende Mo-ment zu erfassen.

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