Zur optimalen dimensionerung von propellern von einschraubenschiffen in bezug auf propulsion, schwingungs-erregung und kavitation

ARCHIEF

Lab.

V.

Scheepsbouwkunde

Technische Hogeschool

FORSCHUNG UND

ENTWICkkJNG

Zur optimalen Dimensionierung

von Propeflern

von Einschrauberischiffen n bezug auf Proputsion, Schwingungserregung und Kavitation

Von Klaus M e y n e, Hamburg

344. Mitteilung der HSVA*)

Bis vor einigen Jahren wurden Propeller lediglich im Hblick auf den Propulsionswirkungsgrad ausgewählt. Aber in-folge der dauernd wachsenden Antriebsleistung und der bei einzelnen Sthiffstypen zunehmenden Völligkeit rückt der Cesiditspunkt der Kavitationsaushildung und Schwingungs-erregung in den Vordergrund. Es erscheint ratsam, einen geringen Wirkungsgradverlust in Kauf zu nehmen, wenn

da-für eine Verringerung von Kavitationsausbildung und

Schwingungserregung gewonnen werden kann.

In bezug auf die Schwingungserregung des Sthiffspropel-1ers liegen viele experimentelle und theoretische Untersu-dìungen vor. Im folgenden seien besonders die aus der

Li-teratur bekannten konstruktiven Möglichkeiten am Propeller,

clic zur Verminderung der Schwingungserregung führen, er wähnt. Cber systematische Versuche zur Verminderung der Kavitationsausbildung ist wenig bekannt.

Abb. 1: Spantriß HSVA-Modell 950

Änderung des Durchmessers

Nudi KROHN [3] ergibt eine Verkleinerung des

Pro-pelI erdurchmessers eine Verringerung der Schub- und

Drehmoineritschwankung, bedingt aber bekanntlich auch gleichzeitig eine \'erringerung des

Propellerwir-kungsgrades.

Änderung des Fliichenverhiiltnisses

Eine Vergrößerung des Flädienverhältnisses FaJF

führt nach KROHN [4] und 15] zu einer Zunahme der

Schwingungserregung des Sdsiffspropellers. Eine

Ver-größerung des Fa/F über die aus Cründen der Kavi-tationsvermeidung gewählte Größe hinaus bedeutet aber auch Wirkungsgradverlust.

Änderung der Flügelzahl

Eine Reihe von Jahren hielt man den Fünfflügler als geeignete Lösung für Vibrationsprobleme, bis man erkannte, daß dieser Propeller zwar kleinere Schub-Diese Arbeit wurde von der Gesellschaft der Freunde und Förderer der Schiffbautechnischen Entwicklung e.V. finanziert und wird

ent-sprechend dem Zusarnmenarbeitsvertrag STGIGFF im Einverständnis mit den beiden Gesellschaften veröffentlicht.

und Drehmomenterregungen lieferte, aber bezüglich der letztlich ebenso interessierenden Querkraft- und

Biegemomenterregungen ungünstiger als der

Vierflüg-lcr ist. Daß diese Aussage nicht allgemein gültig ist, entnehme man der Arbeit von LERBS [9].

cl) Änderung des ,,skew back"

Nach den theoretischen Beredsnungen in [8] und ]9J bewirkt ein ,skew back" von etwa 5'/o des Durchmes-sers an der Propellerspitze (Wageninger

Serienpropel-Abb. 2: H,ckkontur HSVA-Modell 950

Abb. 3: Kurven gleicher Nachstromziffer, HSVA-Modell 950

1er) eine Verminderung der Schwingungserregung. In der vorliegenden Arbeit wird eine systematische Va-.

nation cies ,skew back von 0, 5, 10 und 15°/o von

D vorgenommen. (Derartig unterschiedliche Flügel-pfeilungen werden von den Propellerherstellern

aus-geführt.)

6JPo

0r47 7

Ô.3557

3i'1F4, 7

l

,2044u

H,69 .0

960 .1,074 t

- -

,--l477

r

wi

II

0.

JI.

-0 30 60 90 f20 f50 180 ( .2

Abb. 4: Verteilung des nominellen Naçhstroms (axial) HSVA-Modell 950

9.'." .375 ',''9 0.579 22,07

[6.7

84 Schiff und Hafen. Heft 2/1969, 21. Jahrgang Tab. 1: HSVA-Propeller 704 (Optimalpropeller) Bp = 27,6; =196

Tabelle 2:

(Die Propeller entsprechen, bis auf den Hang, der hier mit 100 gewahlt

ist, den WAGENINGE4 Serien-Propellern)

e) Änderung der Zirkulationsvertei!ung

In [2] wurden Propeller mit sehr unterschiedlicher

Schubverteilung bzw. Steigungsverteilung (Entlastung der Propellerspitze) untersucht. Danach zeigen alle Propeller nur geringen Unterschied in Propulsions-wirkungsgrad, Schwingungserregung und

Kavitations-ausbildung.

Versuche (1. Versuchsabsehnitt)

Im Anschluß an die Arbeit von KROHN [3] wird die

vor-liegende Untersuchung am gleichen HSVA-Sdiiffsmodell 950

und für den in [3] ais ,,Nr. II" bezeichnetenHSVA-Propeller 704 als Basispropeller fortgesetzt. Spantenriß, He,kkontur des Modells und die Ergebnisse der Nachstrommessung ent-nehme man Abb. i bis 4. Im Gegensatz zu [3] werden jetzt nicht Durchmesser und Drehzahl geändert, sondern der Durchmesser konstant gehalten und Drehzahl und Steigung geändert. Eine Variation des Durchmessers ergibt nach [31 eine Verringerung der Sch'.vingungserregung, sie bedeutet aber gleichzeitig eine wesentliche Beeinflussung des Propel-lerwirkungsgrades.

Abb. 5: Freifahrtdiagramm von HSVA-Prope(ler 704, 970 und 971

Mit Hilfe der Ergebnisse der Wageninger Serie B 4.55 sind für die gegebenen Entwurfsbedingungen verschiedene Durchmesser- und Drehzahländerungen vorgenommen wor-den. Das Ergebnis (Tabelle 1) zeigt, daß eine Drehzahlände-rung bis _200/e nahezu keinen Wirkungsgradverlust bedeu-tet, während die gleiche Anderung im Durchmesser eine starke Wirkungsgradeinbuße zur Folge hat.

Ausgehend vom HSVA-Propeller 704, der als Optimaipro-peller entworfen ist, wurden zwei ProOptimaipro-peller, wie im Ver-sudssprogramrn vorgesehen, für eine Drehzahländerung von --1O°/o (HSVA-Prope)ler 970) und von +i0/o (HSVA-Pro-peller 971) ermittelt. Die drei Pro(HSVA-Pro-peller entsprechen, wie audi alle folgenden, den Wageninger Seriesipropellern bis auf den Hang, der hier nur 100 _{beträgt (s. Tabelle 2). Alle}

drei Propeller habeiì einen konstanten Steigungsverlauf. Mit diesen Propellern wurden Freifahrtversuthe (Abb. 5),

Propulsionsversuche (Tabelle 3, 4a, 4b und 4c),

Sdxwingungs-messungen (Tabelle 5a und 5b) und Kavitationsversuthe im einregulierten Nadistromfeld durchgeführt (Abb. 10-12).

Ergebnisse (1. Versuchsabschnitt)

Aus den) 1. Versuchsahschnitt erhält man folgendes: (s. auch 3. Seite oben) Alle drei Propeller 704, 970 und 971

er-geben in etwa das gleiche Rrgehnis im Propulsionsversudi. Dagegen ist hinsichtlich der Sdiwingungserregung der Pro-peller 970 (_100/o n) nach Messung und Berechnung (nach dem in [8] erarbeiteten Beredinungsverfaliren) günstiger als der Propeller 704, der wiederum kleinere Sdswingungsampli-tuden aufweist als der Propeller 971 (Tabelle 5a und 5b). Die Definition der Komponenten der Sdswixsgungserregung

entnehme man Al)b. 9. Damit ist im Hinblidc auf die

Sdìwin-gungserregung eine \7erringerung der Drehzahl günstig.

1$VA - loden, 90

1100A

-V.

pp

Tab. 3: Propulsionsversuchsergebnisse mit dem HSVA-Schiffsmodell

Nr, 950 i,fl8Or10g n, D (,CD) Op j 113,6 5.375 0.840 0,580 27.6 '960 -00 D l3,6 5,105 0.540 0.570 27,6 l06j, -lOO D 113,6 4.640 1.085 0,553 27,6 106.5 -'5:62 13,6 4,570 230 0,030 27.6 166,5, -20% D 113.6 4,307 .400 0.503 27,6 156.7 -7%v 179 5.575 2,190 0.547 26.20 76., -1,06 o 102,3 5,573 0,970 0,505 24.81 76.5 l5,4 o 96,6 5,770 070 0.500 23.54 66,6 HOUA_P p, i lar 0 (lI/O) I- J P.4

t - i t - 1e Pr02112or. Dr.04.82406.r0080.0.005er llrop,000r 704

704 5375 0,003 0,471 4 0866510008 0% 970 971 53755575 0.9260,695 0,4710.471 44 76068110000708611X5060 _l 0%.10% 1064 125 53755575 0,9460,044 0.4710,471 44 70617.0,,,0F,,OALL'lflf,:I, _l0% -ISP 1126 5575 1,133 0,471 4 06061115000 -227 704 970 971 064 I 25 126

r, Oli OPi 01'S UpS 1P3 0p11 000 UpU 000 080 020 OpO

l3.0 3725 96,1 3740 50.3 5715 105,5 3730 86.5 5760 00.4 3600 77.7 5,5 4530 lO 2 4230 93,1 4200 10,1 4212 9',' 4200 92,2 4150 01,2 4.0 4400 54.6 4780 96.9 4625 115.0 4700 95.0 4900 96.0 4770 44,8 4,5 5450 109,1 5426 11.00.0 5460 119,4 5420 99.2 5600 100,0 5430 88,4 10,% 6140 113.7 6170 105.1 6160 124.0 6120 103,1 6340 104,1 6200 92,0 15,5 6900' 114,4 7040 109,8 6950 129.7 6090 '07,2 7132 108,5 6970 95,4 6,0 2520 123.3 5000 114,5 7975 134.9 7775 111,4 8050 113,0 7900 99.5 6,11 9730 120.4 9063 119.0 9020 140,5 0925 116.4 4100 117.7 9000 104,1 '1,0 1.07" 173,9 '0200 23,5 10300 146,7 18430120,5 0450 125,6 10420 '70.9 (0 0, 0,8 0, 0,5 0,4 0,3 0.2

000257.l.7.,1, al,.... 2.7. . 757,0 11747S0122705. 704.77406 00 P707.11 072070 Sr. 704 8r.5079.4 00.11401 (6.8.) . 15'S 8/0 - 0.00) rs/y . 0.477 LosC. .0.6. . 155.0 8 1p6. alIsO 70 81,,,ko.7r,.1900 ,. 0,76 o7?0 570 00 1000 62028 88.0.2.. - 757,76 7..to*la - 9.0 080412750)0 8. OpO. - 27406 0 1171260,11292.00. 0.76 4l,j 77.0 72.5 75.0 79,5 71,0 54.5 79,0 '5.5 16.0 57,0 r.polI 0,0.1.?,, Ir.970 060,0.8,,,, . 9175II 7181790g (2.0.) s 420000 77/0 , . 0.926 - 0,471 070 007 07 7084 J t .0 ¿050 1599 0,7979 0,2950 0.65 77,4 26,7 5270 2766 7.7997 0,2959 0.678 77,9 07,0 7760 2404 0.2077 0.2965 0,015 70,5 27,5 4200 2809 0,2050 0,1900 0,609 18,9 27,6 4900 7708 0,2058 0, '040 0.600 19,6 20,7 5800 3579 0,2010 0,7078 0,596 20,0 28,5 6540 4050 0,20,6 0,7000 0595 20,0 78,1 7710 4570 0.0064 0,5062 0,595 79,9 21,5 0090 5190 0.2084 0,7060 0.596 79,0 20,6 9700 5010 0,2700 0.1060 0,59510,1 26.1 104,0 6600 0,0746 0,5120 9,50)10.0 26,7 00170.80.81 4 5)75 -015,497* (2.8.) . 5074.0 0/0 - 0,984 - 0.477 771,9 717,3 66,7 65.8 5.7 644 04,6 67.1 A1.,.r&,,,8, 1' 264" .200 4011, .0,0,, 81046.,0.0 2,020.86 4.0 .7, 61.7 65,0 67.1 62,4 62.0 62,0 62.0 62,0 62.0 00.7 '0 1.4 707,8 102.2 105.2 104,5 704,5 07:7 707.0 107.0 705.4 725.9 0o9101o0.t.l, 6270.90. 4.7. - 7,0S 17.78.17 5 9.00 00 8?! OrS 0? 7100 20 (80( Tab. 4c 72.9 7700 2020 'hO 5600 2721 15,9 4150 2070 74.0 4fl0 90)8 74.5 550 5450 15.0 6100 5060 15,5 6970 4702 16,0 7900 4950 70.5 9000 5610 17,0 70420 0400 1,9101. OC.,,I 7810008.4.7. - 159.0 - 9.0 0,871k0.I10,l,IO, 0.74

Dagegen zeigt hinsidìt1id cies Kavitationsverhaltens der

Propeller .971 (+ lQ°Io n) gegenüber 704 und 970 cIas

günstig-Ste Verhalten (Abb. 10 bis 12). Die Ergebnisse der Scitwin-gungserregung stimmen zumindest für die

Sthuhsdtwankun-gen zwischen Experiment und theoretisdier Berechnung

redit gut überein. Für den Propeller 970 wurde nodi der Einfluß verschiedener Rücklagen rechnerisch ermittelt: 00/e

Riidciage (symmetrisches Blatt), 5°/o von D Rücklage an der

Fliigelspitze (entspricht in etwa der Rücklage der Wagenin-ger Serienpropelier) und Rüddagen von 10 und l5°/. Nach dem vorliegenden Ergebnis (Tabelle 5a) bringt eine größere Riicklage als 55/e kaum nodi Verbesserungen. Dieses Ergeb-ns braucht nicht für (tile Nachstromfelder zu gelten. Den Be-rechnungen liegt das nominelle Nadsstromfeld (Abb. 3 und

4) zugrunde. Komponenten des Nadistromfeldes in Umfangs-richtung blieben unberücksichtigt.

Versuche (2. Versuciisabschnitt)

Im zweiten Versudosabsdtnitt wird der Propeller 970 aIs Basispropeller gewählt, da die Drehzahlverringerung keine Verminderung des Propuisionswirkungagrades ergibt und die Sdiwingungserregung unter Umständen nods weiter verrin-gert werden kann. Das Hauptaugenmerk soll aber audi auf

0.1756 0,467 0,7767 0,005 0,1759 2.465 0.1745 0.415 0.1727 0.464 0,1747 0.484 0,1750 0,462 0,1700 0,459 0,7789 0,452 0,7806 0,411 0.67 0,67 2 0,667 0.6 60 0,05 5 0.647 0,646 0.645 0.651 00.90,0)2.0. : 0/0 - 0,695 00/p - 0,III 71.10900 (9.8.) - 1090.0 .1/0 . 777 0 6 15,1 57.0 727,2 25.7 76.0 50.0 119,0 01,6 8,0 50.7 177,5 64.4 10,7 70.1 716.7 61.6 19.7 70.9 7,6.4 5.5 19,4 50.9 IIS,7 67.2 79.6 90,0 175,9 62,5 79,5 70,0 775,7 62,6 10.6 29.6 115,7 60,2 l,0 29.6 115,6 61,4 5 OSp ¿5 65.5 62:4 61,9 61.5 60,9 60.9 60,8 60,5 59,7

eine Verbesserung der Kavitationsverhältnisse gerichtet wer-den. Aus diesem Grunde hat der Propeller 1064 eine variah-le Steigungsverteilung erhalten. Die Spitzenzonen sind ent-lastet. Das ist einer der üblichen, bisher besc.hrittenen We-ge, um die Kavitationsausbildung zu verringern. Der Pro-peller 1125 hat eine konstante Steigung, aher Profile, die nads zweidimensionalen Messungen einen großen

kavitati-onsfreien Ansteliwinkelbereidi aufweisen [111. Der Propeller

1126 schließlich ist ausgelegt für eine Drehzahlverringerung von 20°/o, er hat wieclenim Wageninger Sdinitte und kon-stanten Steigungsverlauf. Mit diesen drei Propellern wurden ebenfalls Freifahrtversuthe (Abb. 6 his 8), Propulsionsver-suche (Tabelle 3, 4d, 4e und 4f), Schwingungsmessungen (Tabelle Sa und 5b) und Kavitationsversudte im einregulier-ten Nadistromfeid durchgeführt (Abb. 13 bis 15).

Ergebnisse (2, Versuchsabsdsnitt)

Auch in diesem Versudssahsdtnitt ergeben alle Propeller (1064, 1125 und 1126) ein etwa gleidses Ergebnis ins Pro-pulsionsversuch wie der Propeller im vorangegangenen Ah-schnitt. Lediglich der Propeller 1125 weicht etwas ab. Hin-sidtlidi der Sdiwingungserregung erreicht man mit der Ver-ringerung der Drehzahl um 20°/o (Propeller 1126) eine wei-tere Verkleinerung der Amplituden. Auth hier zeigt das

Be- HOrA-prop.

011okisgo 2g P8/S 2g P0'/O 2a Mo/ti 2soeC 24 /0 20 847/4 2 20/0

04 _5% 0,208 0,213 0,202 00136 0)36 0,275 0.079 0,724 970 076 o,in _{o.zoo 0,022 0,154} 0,077 0.077 970 5% 0,707 0,702 0,794 0.770 0,55) 0,172 0.020 0.701 970 70% 0.161 0,990 0.039 0.770 0.020 0.909 970 75% _0t82 0,000 0,01) 0.706 0.021 0,509 977 576 0,230 0,297 0,272 0,939 7.039 0,295 0,019 0,153 7064 516 o,00 0. 351 0. 797 0.092 0,035 0, 69 0,020 ' 0,090 7125 5% 0,187 0.166 0,700 0.122 0,033 0.167 0.079 7,099 1126 076 0.167 0.760 0,070 0.? l 0,016 0,056 7126 5% 0,767 0.793 _{0,965 0.570} 0.028 0.725 0,019 0,014 7726 50% 0,160 0,167 0,039 0,-SI 0.019 0,074 '726 1576 0.159 0,161 _0,039 7.7)0 0,079 0.079 HOYA - 000618(0 24 20 20 20' 24 406 2ß 800' 24 47 2412y 242. 20064

prop. (01 ('J boj (st) loi (.o) (tJ (osi 101 5% 17,22 77,50 7.00 5,23 7,94 6.21 1,05 4,70 970 0% 10,84 8,37 1,27 6,45 0.91 3.23 970 5% 70.17 9,80 0.'' 4,60 1,79 1,09 07 4.21 970 700 9,92 7.96 2,09 7,52 7.09 4,60 970 750 9,00 7.07 2,62 7,09 7,?2 4,10 97' 5% 12.44 11.70 7,50 4.99 2,09 9,35 7,02 9,1' 7064 5% 70.04 6,23 0.70 3,92 7.07 7,79 07 4,79 7725 50 57h14 9.00 1.79 5,28 7,77 7,23 7.05 4,24 1126 072 9,04 7,70 ¿7,95 5,53 0.06 2.72 7126 54 2,73 '0.55 7,05 5.33 '.50 6.04 7.02 3,50 7126 _'00 0,67 7.07 91 6,34 06 3.76 726 56 0,62 7.37 2,75 6.60 05 3.79 7,012100712828178 - 0,74 0.7.19,52710.087157,.7,.,9 7,000. i'1 C 7014 ; ¿8 10.0 0010 1706 0,7677 0.0276 0.518 77,7 92,0 12,1 60,7 67,0 99.5 70,9 7060 78,0 7727 7950 2220 7.1605 0,0090 0.1617 0,2706 0,71)7 0.702 17,0 54,2 77,9 74,2 724.9 50,8 67,0 701,8 59.6 60,4 90,7 98,7 IhI 4270 74.0 4800 0570 2800 0,119) 0,2)70 0.696 0. 2105 0,50950.577 17,7 04.2 55.1 12h) 59,1 60.2 707.2 59.9 60,2 99.8 74.9 5850 79.0 6940 3275 7720 0,7776 0,2710 0.7719 0,2700 0,500 0.509 78,7 57,6 70,6 72,9 702,7 60,0 60,7 727.5 60,1 60,1 700,6 '5,50900 16,01820 4100 4797 0.7707 0.0288 0,1746 0,22)2 0.5085 0,505) 79,6 52.450.2 779,7 60,5 60.7 178,4 67.7 59.9 14,5 8970 71.0 70270 5425 4760 0,17700,2770 0.7798 0.2)45 0.500 0.1925 71.0 72.5 78.) 90.) 779,7 67,2 59.5 701.0 60.0 50,4 102,2 707.2 414.19917' 22008' .6,76 0070.1.4,0., 01076,74.1 676800 9,2 4.0 T.b. 4. 7064 1.178 8.4.7. . 755.0. 57.00970 (6.0.) 5575 0085 -711ÇsM 5.107.190M s. 07 . 9.0 .27400 08 I/or./r 0,066 27.70 II,Okfl.137,2170 0,74 03) 0.,,o9.o,,O.,rf.flr,, l0I, 2? 7064 ,t 7,800,. t .8 O O '1, 79.0 7150 2725 0,7980 0,527 0,577 17,9 55,7 129,9 79,9 90,8 17,5 4710 74.0 4700 2525 0015 0.1905 0.2029 0,5799 0,517 0.579 0,512 IS.) 16.7 71,6 02.2 727,9 720.0 60,0 60.1 00,5 60,0 99,7 100.7 74,9 5120 95,0 1770 9)05 7115 0.204 0,206 0.975 0,576 0,572 0,769 17.1 17,9 51,5 77,6 720.5 120,0 60.9 07,2 60.0 59,8 701.4 702.7 15.9 6850 76.0 1775 4205 ¿750 0.208 0,077 0,177 0.719 0,567 0.569 18,2 18.6 57,7 72.0 119,7 775,6 61.1 60,8 57.5 59,7 702.7 702.8 71,5 8925 77.0 704)0 5475 6780 0,211 0,214 0.7775 0,5225 0.567 0.507 77,9 78,0 70,5 70.6 770.1 I 78,7 67,7 Ooa 99,2 58,9 709,9 102,0

Tab. 4d _{Tab. 4e Tab. 4f}

Tab. 4.f: Aufstellung der Scbiffsgütewerte nach der Lesstungsmessung mit dem Modell 950

7060888080.,t.

-704080800 SIr to S - .01610r,r Pnpel lerochuO 0 - 62001.1,7, I7op.1OIrdr.h000.,t

Tab. 5a und b: Ergebnisse der Scbwingungsmessung und -rechnung

Schiff und Hafen, I-left 2/1969, 21.Jahrgang 95

lo O 1, ;' ¿. i; '7, 16,5 05.0 726.8 54,7 59,1 90.0 77,0 75,0 127.1 5001 5:'.5 99., 77,9 01,9 705,0 07,0 59,5 100,5 70,4 51,0 720.7 59.6 9,5 00,6 76.0 57,5 Iii.? 60,7 59,3 701.4 11,0 51.7 771,7 00.4 59.0 702.0 '5,6 72,8 121.0 60.5 79,2 00,2 19,7 74,7 170,2 60,) 59.0 102.5 7,4 72.6 119,0 60,5 59,) 701.1 9,4 72,9 120,7 59,8 50,7 702,9 71,7 '1,8 721.0 59,4 57.7 704.0 0.551 77,2 74.' 726.0 58,5 59,1 0,5)0 77.3 71,3 720.9 67.5 00.7 0.566 77,4 57.6 70,7 67.7 07,4 0,500 18.2 52.0 740.2 67,2 00.0 o:s7 10.1 71.6 779,0 67.1 59.8 79,7 77.1 177,5 17,0 59.7 79,7 70.7 776,4 60,8 59.5 0.505 70.1 90,0 170.5 60.7 59,1 0.7S0 6.0 10,9 720,) 60,5 56.1 70.0 7740 2725 0,1988 0.509 15.5 4250 2600 0.7954 0,058 14,0 2930 0,797 0.700 74.5 5417 7700 0,200 0,507 6870 5715 0,0005 0,962 15,5 7040 4295 0.007 0502 76,0 2000 4060 0,200 0,101) 76.5 9060 5460 0,204 0.505 77.0 0700 0,2075 0.507 Tab. 4b 12.0 2025 7660 0,177' 12,5 7250 1970 13,0 77750210 77.5 4250 ¿576 74,7 4025 0,00 0,1419 II,) 5440 9206 5,0 6700 0770 1400 75.5 6750 4210 0.140) 76.0 7075 ¡750 0,1457 70,5 9020 5595 0. 7419 17,0 70700 6760 0,7 509

53

63

22

47

rethnungsergebnis für verschiedene Rüddagen nur geringfü-gige Anderungen bei größeren Rücklagen als 5°/u (dazu sei wiederum bemerkt, daß das Ergebnis nicht allgemein gültig sein wird). Gegenüber dem Optimalpropeller 704 sind die relativen Erregeramplituden in P,2 um ca. 5°/o (Absolutwer-te), in Mz um ca. 40/o, in M um ca. 9°/o und in M0 um ca. S°/o kleiner (s. Tabelle Sb). Der Propeller mit radial verän-derlicher Steigung (HSVA-Propeller 1064) läßt eine gewisse Veränderung in der Kavitationsausbildung erkennen, dage-gen zeigt der HSVA-Propeller 1125 mit Profilen, die nach zweidimensionalen Messungen einen vergrößerten kavita-tionsfreien Anstellwinkelberejth erwarten lassen, in Hinblick auf die Kavitationsausbildung gegenüber dem Propeller 970 kaum Veränderungen. Der Propeller 1126 (-20°/o n) weist noch größere Kavitationserscheinungen auf als alle vorheri-gen. Damit steht einer Verringerung der Schwingungserre-gung durch das Herabsetzen der Propellerdrehzahl bis zu 2O0/o eine Vergrößerung der Kavitationsausbildung

gegen-p

LSchiff

vnd H.f,n, Heft aiig, 21. Jhrging

06

0.I

über. Dieses Ergebnis wurde für Propeller nach der

Wagenin-ger Serie erhalten. Durch Anderung der Profilwölhung, der eintretenden Kanten und der Steigungsverteilung könnte die Kavitationsausbildung wohl noch verringert werden. Doch

sollten diese Maßnahmen innerhalb dieser Versuchsreihe

nicht vorgenommen werden. Bei allen Kavitationsversuthen wurde kein Einfluß auf Drehzahl- und Leistungsverhalten beobachtet. In bezug auf mögliche Beschädigungen eines Propellers durch Erosion infolge Kavitation ist vermutlich kein Unterschied zwischen den einzelnen Entwürfen. Es handelt sich in allen Fällen um Schithtkavitation, zum Teil in intermittierender Form. Trotz der sehr untersdiiedlidien Größe der Kavitationsausbildung könnten alle Propeller als

gleichwertig angesehen werden.

/

e'

I O

Abb. 9: Definition der Komponenten der hydrodynamischen Schwingungserregung

q

no.

Abb. 10: Kavitationsversuchsergebnis im einreguliert.n Nathstromfeld.

HSVA.Propel!er Nr. 971; K7 = 0,143; = 0,259; Saugseiten-Kavitation Druckseite kavitationsfrei ii Prop Nr 6064 D 5375 a7a, F./F 47.1 % Z 4

-:

NID 0546 -

-°r .L1 n' 10Ko,

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VA

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Poop No 1120 0 5375611717

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47,7 2 4 .1. NID 1122 '10

- rn-q.

VA

42 04 0.6 03 02 04 27 23 lo MO

Abb. 6: Freifahrtdiagra,nm von HSVA-Propaller 1126

Links: Abb. 6: Freifahrt. 02 diagramm von HSVA.Propeller 1064 Ql Redits: Abb. 7: Freifahrt-diagramm von HSVA-Propeller 1125 no. no

470 0.5 44 0.2 0.1 Links: Abb. 11-15: Kavitationsversuchsergebnisse im einreguliorten Nachstromfeld

Von oben nach unten:

Abb. 11: HSVA-Propeller Nr. 704; K7. = 0,1719; = 0,311; Saugseiten-Kavitation; Druckseite kavitationsirpi Abb. 12: HSVA-Propeller 970; K7. = 0.2036; = 0,371; Saugseiten-Kavitation; Druckseite k av itationsf rei Abb. 13: lISVA-Propallor 1064; K7. 0,2075; = 0,374; Saugseiten-Kavitation; Druckseite k av itation sire i Abb. 14: HSVA-Propelier 1125; K7. = 0,2085; = 0.366: Saugseiten-Kavitation; Druckseite kayitation sire i Abb. 15: HSVA-Propeller 1126; K7. = 0,2635; 0,469; Saugseiten-Kavitation; Druckseite kavitationsf rei Unten: Abb. 16 C.

Schiff und Hafen, Heft 2/1969, 21. Jahrgang 97

Pür d koys&ztionsthagmv'n Nr970 e KSV4-Modcllpropel/ev-sind 97f fßO l7Ûn09rflr O

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L. knvilalionstrese,

-- --u PoprCeCO P'opel/rr 975 070 2CC I00 ¿CC 00 ¿CC 190 Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde eine optimale Dimensionierung von Propellern von Einsthraubensthiffen in bezug auf Pro-pulsion, Schwingungserregung und Kavitation gesucht. Der Untersuchung liegt ein vierflügeliger Propeller vom Wage-ninger Typ zugrunde, der als Optimaipropeller ausgelegt ist. Abweichend von diesem wurden weiter Propeller mit 100/a

4f 512 43 04 04 46 57 48

ou

-C.7

vergrößerter bzw. 10 und 20°/o verkleinerter Drehzahl und

entsprechender H!D-Anclerung hei sonst gleichen Parametern

(Durchmesser, Flädìenverhältnis, Dickenverhilitnis, Flügel-zahl usw.) untersucht (s. Tabelle 2). Dabei zeigen alle Pro-peller nahezu gleiche Propulsionseigensdsaften (s. Tabellen 4 hei V= 15 kn). Bezüglich des Sdiwingungsverhaltens der Propeller ergibt sich für das Nachstromfeld dieses Schiffes mit Herabsetzen der Drehzahl ein Abnehmen der Sdìwin-gungserregung (s. Tabellen 5). Auf rechnerisdiem Wege wur-de gefunwur-den, daß ein größeres ,,skew hack" als 50/e_{von D} an der Propellerspitze keine wesentliche Beeinflussung der Schwingungsamplituden ergibt. Diese Aussage braucht aber

ohl nicht für jedes Nathstromfeld zu gelten.

Im Kavitationsverhalten zeigt der Propeller mit der größ-. ten Drehzahl (HSVA-Propeller 971; + 10°/u n) die geringste Kavitationsaushilciung, diese wächst mit fallender Drehzahl (HSVA-Propeller 1126; -2O°/u n). Somit zeigt also der hin-sichtlich der Sdìwingungserregung giinstigste Propeller die größte Kavitationsausbildung. Da es sich aber hei der beob-achteten Kavitation in allen Fällen um Sdìidstkavitation, zum Teil in intermittierender Form, handelt, könnten alle Propeller als gleichwertig angesehen werden. Der HSVA-Propeller 1064 mit variabler Steigungsverteilung läßt gegen-über HSVA-Propeller 970 eine gewisse Verminderung in der Kavitationsausbildung erkennen. Bei Verwendung von Pro-filen, die einen vergrößerten kavitationsfreien

Ansteliwin-kelbereidi erwarten lassen (HSVA-Propeller 1125), wird

keine Verbesserung hinsichtlich (lcr Kavitationsausbilciung erreitht.

ISIS-,..,. lt.. 00. 971 0/0 - 0,097 20,. 02 _1 59 L

SVS-000p.l .00,. 704 i I/O - 0,009 jl,7 j , g_

Tab. 6: Auftriebsbeiwerto für homogene und inhomogene Zuströmung

(3 Positionen im Nachstromfeld, quasistotionär nach ¡121 berechnet)

Für die Bewertung der Kavitationsgefährdung eines Pro-pellers ist die Kennzahl o nur für die homogene Zuströmung

geeignet. Für alle Propeller dieser Untersuchung z. B. ergibt

sich nach dem bekannten BURRILL-Diagramm [14] ein

nahe-zu gleiches Flächenverhältnis. Im Nathstromfeld des

HSVA-Modells Nr. 950 ist clic Kavitationserscheinung der einzelnen

Propeller aber sehr unterschiedlich. So hat der Propeller 971 cias kleinste o, weist aber die geringste Kavitationsausbil-clung auf; der Propeller 1126 hat das größte o und weist die größte Kavitationsausbildung auf (s. Abb. 10-15).

Offensichtlich bedarf es noch einer weiteren Größe, um das Kavitationsverhalten eines Propellers im Nachstromfeld

zu erfassen. Dafür könnte z. B. der Auftriebsbeiwert c.11

herangezogen werden. Für drei der untersuchten Propeller sind die c-Werte am Arbeitspunkt nach 11] für homogene Zuströmung und für die Verhältnisse im Nadìstromfeld nach

[12] bei den Flügelstellungen 0° und 180° quasistationär er-rechnet worden (Tabelle 6). Weiterhin wurde für Propeller 971 und 970 ein Kavitationsdiagramm J - o aufgenommen und mit Hilfe der im Anhang vorgelegten Kurven c0o7 über

J für Wageninger Propeller in ein c7-o-Diagramm

umge-98 Schiff und Hafen, Heft 2/1969, 21. Jahrgang

rechnet. Das Ergebnis ist in Abb. 16 aufgetragen. Man muß sich die kavitationsfreien Bereiche wohl etwas nach oben verschoben denken, so daß die Punkte für homogene Zu-strömung auch noch hineinfallen.

Die Ergebnisse zeigen folgendes: Für die Schwingungser-regung ergibt sich die Tendenz, daß mit ahnehmender Dreh-zahl audi die Erregeramplituden sinken. Das soll nun nach Tabelle 6 erklärbar sein durch die bei Verringern der Dreh-zahl abnehmenden relativen c1-Schwankungen. Für die um-gekehrte Tendenz im Kavïtationsverhalten der Propeller kann nach Abb. 16 clic Erklärung sein, dall sich mît abneh-mender Drehzahl eine größere Differenz in den Absolutwer-ten von c2117 ergibt. Da die hier vorliegenden Ergebnisse hinsichtlich der Kavitationsausbildung letztlich nicht befrie-digen, wird eine weitere Arbeit auf diesem Gebiet angesichts der bei den Neubauten zu beobachtenden ständig wachsen-den Wellenleistungen als besonders dringend empfunwachsen-den.

Der Gesellschaft der Freunde und Förderer der Schiffbau-technischen Entwicklung e. V. (CFF), die die Mittel für die Durchführung dieser Forschungsarbeit bereitstellte, sei an dieser Stelle gedankt.

S t n2 D° M KQ 2 D5 Ve

KT =

J Schubbeiwert Drehmomentbeiwert Fortsdsrittsziffer Wirkungsgrad Sogzif fer Nachstromziffer Cr0.7 0,7224 KT J/

1+0,207(+)

2' 272' 970' ß2:.:í'¿ _{4 4} 0,9 0,200 0,676 0.66 1,952 0,500 0,993 0,6 0,006 0,073 0.079 0,640 0.910 - 0.009 0,700 0,7 0,009 0.000 0.267 0,376 0.047 - 0,725 0.757 0,0 0,009 0,597 0.056 0.795 .696 - 0.097 0.6.0 0,5 0,005 0,547 0000 0.306 0.575 - 0,000 0,700 2' I 102 0.5 0.330 0.607 0,700 0,630 0,95 0,902 0,947 0.6 2,090 0,905 0,007 0,310 0,200 - 0,025 0,759 0.7 0,057 0.070 0.076 0,025 0,093 - 0.307 0.09% 0,0 0,076 0,750 0,039 0,501 0,670 - 0.006 0,243 0.9 0,006 0,000 0.020 0.560 0,500 - 0.660 0,676 7- 'o72' 280' tor.44 Çw.:f4 'o4 0,5 0,600 0,751 0,500 5,775 0.972 0,647 0,117 0,6 0,35 0,659 0,365 2,397 0.010 - 0.007 0,400 0,7 0,907 0.5,6 0,200 0,905 0,730 - 0.002 0,917 0,0 0,005 0,661 0.007 0,690 0.000 - 0,707 0,9 0,061 0,772 0,150 0,623 0,095 -0307 0.626

I5IO_PO.p.11.O lt.. ¶70 I/I - 005,0 j_'I _{I 05 t.}

z (l/D)117

0149 + (__)

Die Ergebnisse sind in Abb. 17 bis 24 als Funktion von der Fortschrittsziffer J dargestellt. Sie werden mit Werten e207 von KERWIN verglidsen, der in [13] mit Hilfe der Wirbeitheorie für Optimaipropeller Freifahrtkurven (KT, KQ über J) aus den geometrischen Daten der Wageninger Serienpropeller errechnete (o). Weiter sind in Abb. 20 bis 24

e.10 -Werte eingezeichnet (.), die der Verfasser in [15]

durch Nachrecfsnung von Freifahrtergebnissen der Wagenin-ger Propeller mittels der Methode des äquivalenten Profils erhalten hat. Die Übereinstimmung der c1-Werte und damit die Gültigkeit der obigen einfachen Formel muß als recht gut bezeichnet werden.

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technik 1962

ou

p-e

Kavitationszahl, auf den

-- (w2R2+y1,2) Umfang bezogen

Anhang

Für verschiedene Aufgaben der Auslegung eines Schiffs-propellers kann die Kenntnis des Auftriebsbeiwertes am iiquivalenten Radius 0,7R e207 von Interesse sein. Für eini-ge der Waeini-genineini-ger Serienpropeller wurden diese Werte nach der von LERBS und RADER [12] vorgeschlagenen Formel

berechnet: Bezeichnungen: D [inj Propellerdurthmesser R ]m] Propellerradius

H/D [-J

Steigungsverhältnis Fa/F Flächenverhältnis z

[-J

Flügelzahl

0,6 0,7 0,6 ce', 05 0,4 0,3 0,2 0.1 o 0,1 02 4.3 0+ 05 06 0,7 46 49 1,0 1 48 0,7 Ca7 0.6 0,5 44 43 0,2 0,1 0 0.1 42 0,3 44 45 46 0,7 0,6 49 1,0 II f2

Schiff und Hafen, Heft 2/1969, 21. Jahrgang 99

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B. 335 N Wogenl7ger Ser,e 5455 H/0 f

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0.7 0.5 0,0 0,3 0.2 41 0 0,7 0.6 coo., 1 0,5 0.4 0,3 0,2 41 0 0.0 0,7 06 Cae, 0,5 0,4 0.3 0.2 0.1 0 -e.--. J Abb. 17 01 02 03 0,4 0,5 46 0,7 0,8 0,9 6,0 11 coo., 40 47 45 O.. 03 (:2 0,1 o 0,6 0,7 46 05 4* 0,3 42 0,1 O 0,7 0,6 0.5 0,4 43 0,2 0,1 0 C00, Abb. 21 Wggrnnger 4 70 Se,'e. 8.

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I Ql 0,2 0,3 0+ 0,5 0,6 0,7 46 Abb. 22 01 02 03 0,4 45 0,6 07 08 Abb. 23 41 02 03 0,4 45 0.6 47 48 0,9 1,0 11

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12 12 1,2

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Abb. 18 cao., 41 42 43 04 05 06 07 46 0,9 IO .1 1,2 49

- J

10 1? - J Abb. 19 41 42 43 04 45 46 47 08 49 1,0 l 1,2 49 0 41

'-'J

J Abb. 20 Abb. 24

5 1 KROHN, J.: Numerische und experimentelle Untersuchungen über

die Ahhangigkeit der erregencten Querkraft- und Biegemornent-schwankungen vom Flächenverhàltnis bei fünfflügeligen Schitfs-propellern. Schiffstechnik 1963

6 J SCHUSTER, S. Beitrag zur Frage des tünfflügeligen Propellers. STG 1955

7] SCHUSTER, S.; A. GROSS; H. SCHWANECKE; E. A. WALINSK? und T. FRIESE: Beispiele für die Behandlung instationärer

Pro-bleme im Schiffsmodellversuch. STG 1958

1 8 I LAUDAN, J. u. H. SCHWANECKE: Ermittlung der hydrodynamischen

Propeller-Erregungen für einige spezielle Ausbildungen des

Hin-terschiffes. t-ISVA-Bericht F 10/66 (unveröffentlicht)

I 9 I LERBS, H.W.: Einige Gesichtspunkte beim Entwurf von Propollern

gröllerer Leistung. STG 1966

110] SCHWANECKE, H.: Gedanken zur Frage der hydrodynamisch er-regten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung,

STG 1963

Universaldiagramm der Stabilität für den Gebrauch an Bord

Setzt man in der an Bord vorzugsweise benutzten Formel

f.B

T. =

für die Rolizeit T, wobei der Index i = individuell, darauf hinweist, daß diese Roilperiode einem bestimmten Schiff mit der Breite B zugeordnet ist, auch T proportional mit B, also T = kB; so wird fB Ils fi' rn

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Von Dr. Otto H e b e c k e r, Hamburg

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loo Schiff und Hafen, Heft 2/1969, 21. Jahrgang

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1r/,, i21 f9vw,

k-

a 1/MC,,

Aus dieser Formel findet man die Kurven f = konst als

gleichseitige Hyperbein mit den horizontalen Achsen ì'MC1

oben und MC1 unten. Als vertikale Achsen sind k rechts

und T links in der Abbildung zu sehen. Für f genügen die 4 Werte 0,7, 0,8, 0,9 und 1, wenn es sich um übliche Schiffs-formen handelt. Für das 2 Jahre alte MS PAPENBURG" wurden aof einer Trampreise mit unterschiedlichen

Bela-ill WALCHNER, O.: Bericht über Profilmessungen bei Kavitation.

KWI-lnstitut tir Strömungsforschung, Göttingen 1934

1121 LERBS, H. und H. RADER: liber den Auftriebsgradienten von

Pro-filen im Propellerverband. Schitfstechnik 1962

1131 KERWIN, JE.: Machine Computation of Marine Propeller

Charact-eristics. J. S. P. August 1959

1141 a. MANEN, J. D.: Recent Data on Cavitation Criteria. J. S. P. 1954 1151 MEYNE, K.: Experimentelle und theoretische Betrachtungen zum

Matstabseffekt bei Model Ipropelleruntersuchungen. Schiffstechnik

1968

1161 MEYNE, K.: Berechnung der Schub- und Drehrnomentschwankung

am Propeller eines Einschraubenschiffes nach quasistationärer

Me-thode. Diplomarbeit am Lehrstuhl von Prof. Dr-Ing. habil H. Lerbs (Institut tür Schitfbau der Universität Hamburg). November 1959),

u n ve röf f entlicht

dungen die f-Werte für die Werftunterlagcn berechnet, für alle anderen Ladungen aber aus Krängungs- und Roilversu-eben bestimmt. Es handelt sidi um die Fälle in Ballast ah Emden, in Ladung ab Los Angeles, ab Bangkok und in

Ko-be, Osaka.

Die Punkte sind im Diagramm eingetragen und bestimmen den gestrichelten f-Bereid'i, der, mit f bezeichnet, als nur für die Papenburg" gültig anzusehen ist. Rechnet man Roll-perioden, deren Sekundenzahlen den Metern der Breite ent-sprechen als normal, so lassen sich die Bereiche steif",

nor-mal", weich" und rank" der

relativen Stabilität

von-einander abgrenzen. Dese geben unmittelbar das

Sta-bilitätsverhalten des Schiffes für alle Belaclungen wieder, ein

Vorteil, der bei den üblichen Werftunterlagen fehlt. Der mit rank" bezeichnete Bereich muß als gefährdet angesehen werden. Der als individuell bezeichnete gestrichelte Bereich

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-.-ist für dieses verhältnismäßig kleine Schiff von ca. 4200 tdw

im wesentlichen durch das Sdiwergutsystem, Bauart Stülcken, bestimmt, durch welches bei Ballastfahrt je nach Reise-verbrauch besondere Anforderungen an die Schiffsleitung

ge-stellt werden, besonders im achterlidien Seegang.

Auf der rechten Seite der Abbildung sind für Sdsiffsbreiten

bis zu 50 m die

speziellen Roliperioden T der linken

vertikalen Randskala sowie dic Bereiche der relativen Sta-bilität angedeutet, wie sie sich aus Reisen auf größeren Massengutfrathtern abgrenzen lassen. Als normal" gelten bei zunehmenden Breiten Rollperioden, die z. T. unterhalb der Sehiffsbreite, Meterzahl gleich Sekundenrollzahl gesetzt,

bleiben.

Man schreibt k = k1, mit u = universal, d. h. für alle Schiffe gültig, unabhängig von ihrer Breite, also

f

kB

-1/MG

oder