Ergebnisse systematischer versuche mit kortdüsen

ARCH EF

Sonderabdruck aus

Jahrbueh der Schiffbautechnischen Gesellschaft

De:fi

47. Band 1953.

Springer-Verlag, Berlin / Gatingen / Heidelberg. Printed in Germany.

J. D. van Manen

Ergebnisse systematischer Versuche

mit Kortdiisen.

Nicht im Handel.

Nachdruck ohne Genehmigimg der Schiffbautechnischen Gesellschaft. Hamburg, nicht gestattet.

Lab.

v.

Schenio,n,k,nde

XV. Ergebnisse systematiselier Versnehe nut SehitTsdiisensystemen.

Von Dr-Trig. J. D. van Manen,,

Leiter der Forsclumgsanteining der Niederlandischen Schiff bauversuchsanstalt in Wage ingen. Zusammenfassung.:

Diese Arbeit behandelt Freifahrtversuche mit Schrauben der B-Serie (B 4-55) in Diisen, deren Form systematisch varliert wurde. Die Ergebnisse der Freifahrtversuche mit ([em System

Schraube Diise" sind fin jede DUsenform in einem K8-K,,,-).-Diagramm wiedergegeben, wie

es bei systematisch variierten Schraubenserien üblich ist [1, 2].

Mit Hilfe dieser Diagramme kann fiir die untersuchten Diisenformen (lirekt das optimale

System Schraube Diise" bestimmt werden, wobei zugleich em n Wirkungsgradvergleich mit

der Schraube ohne Dtise moglich i.st.

Eine Methode zur Bestimmung der Translationsgeschwindigkeit in der Diise am Orte. der Sch ra t t be wird besprochen.

Die Einfliisse der verschiedenen Parameter, die fin das freifahrende System SChraube Diise" bestimmend si.nd, werden auf ihre Wichtigkeit untersucht.

SchlieBlich werden einige Betrachtungen wiedergegeben fiber das Aufstellen einer Bedingung

ffir minimalen Energieverlust des Systems Schraube thise", wahrend zugleich Richtlinien gegeben werden filr den kavitationsfreien Entwurf der Schraube in der Diise nach der

Wirbel-theorie.

Unter den besonderen Schraubenkonstruktionen und Schra ubenanordnungen zur

Verbes-serung der Propulsion.seigenschaften von Schiffen nimmt die von K or t erfundene Dii.se zweifel-los einen wichtigen Platz em.

Es ist allgemein bekannt, (LIB bei schwer belasteten Schiffsschrauben (Schlepper) oder bei beschranktem Schraubendurchmesser (beschrankte Wassertiefe) die Anwendung von Diisen

gute Aussichten bietet.,

Auch bei normal belasteten Schiffsschrauben (seegehende Frachtschiffe) fiihrte (lie Anwendung

einer .Diise in manchen Fallen zu einer Verbesserung der Propulsionseigenschaften.

Veroffentlichungen niter die Diise ,sind bereits haufig erschienen, insbesondere in bezug auf die Ausfiihrung und praktische Anwendung. Eine umfangreiche Literaturangabe ist in einer der Veroffentlichungen von Rose h er [3/ zu finden, worauf hi.er verwiesen wird.

Theoretische Betrachtungen iiber (lie Wirkung der Diise wurden von Guts che [4], Horn 151 mid Dick mann [6] vviedergegeben.

Die durch die Diise erreichte Wirkungsgradverbesserung kann hauptsachlich folgenden zwei Faktoren zugesehrieben werden:

Dutch die Form der Dilse braucht, verglichen mit der Schraube ohne Dtise, einer grOBeren Menge Wasser eine kleinere Beschleunigung gegeben zu werden. Nach der Impulstheorie ist aid

einfache Weise abzuleiten, daB (lies zu einer Wirkungsgradverbesserung fiihrt.

Durch die Ummantelung der Schraube wird das Auftreten (les sich ablosenden Spitzen-wirbels beschrankt oder bei gentigend kleinem Freischlag zwischen Fltgelspitze und Dfise sogar

vermieden.

Die Wirkung ist dabei also viel eher mit der Wirkung einer Axialpumpe zu vergleichen, als mit der Wirkung einer Schraube ohne Ditse. Axialsaustrittsverluste treten ei der Schraube mit Diise nicht auf.

Im Jahre 1040 entwickelten Di ck m a nn uml Horn /61 /of eine 'Theorie fiir das Dirisen-system, (lie sich jedoch noch nicht fiir Entwurfszwecke eignete.

Im Jahre 1950 ist es Horn und Amts berg /7/ gelungen, diese Th.eorie fiir (lie Praxis branch-bar zu machen. 1VIit Hilfe (ler Ergebnisse von Messungen an Profilserien und Got-tingen) konnen Thagramme entwickelt werden, mit denen es moglich ist, ausgehend von den

Einleitung.

Ergebnisse systematischer Versuche mit SchiffsdUsensystemen. 217 bekannten Werten fiir Schraubendurchmesser (D), Schub (S), Schiffsgeschwindigkeit (V8) und Nachstromzahl des Schiffes ohne Diise (vs), das optimale System Schraube Diise" zu be-stimmen, wenn die Drehzahl der Schraube frei gewahlt werden kann.

Diese Methode, welche uns wertvolle Daten liefert bezfiglich der Nachstromzahl der Diise yd

und der Sogzahl der Diise 19'd als Funktion der Belastung des Systems, soil für Schiffstypen, bei

denen die Verbesserung der Propulsionseigenschaften durch eine Diise groB ist (Schlepper und Schiffe, bei denen der Schraubendurchmesser beschrankt ist), Richtlinien beziiglich der Form

der DiIse geben.

Einige Vereinfachungen, die notwendigerweise bei den theoretischen Berechnungen gemacht

werden miissen, sind: a) Reibungsloses Medium, b) kleines Dicken-Langenverhaltnis des

Dfisen-profils, c) radiale Verteilung der Zirkulation, d) radiale Quellenverteilung, e) Vernachlassigung des Spaltverlustes, der durch den Freischlag zwischen Sehraube und Diisenwand verursacht

wird, gegenfiber der besseren Wirkung der Fliigelspitzen.

Die Verwendung der fiir Schrauben ohne Diise geltenden Schaffran-Diagramme zur Bestim-mung der optimalen Drehzahl, des Wirkungsgrades für das System Schraube Dilse" und des Steigungsverhaltnisses 11/13 der Schraube macht die Anwendung der Entwurfsdiagramme

von Horn-Amtsberg fiir Schiffstypen, bei denen die Schraubenbelastung nicht groB ist

(Handels-schiffe), fraglich. Beim Entwurf von Diisen fiir Frachtschiffe ist es ja von grater Bedeutung, die erreichbare Wirkungsgradverbesserung im Verhaltnis zur Schraube ohne Diise genau zu kennen, wobei eine richtige Bestimmung des optimalen Durchmessers (Drehzahl) des Systems

unentbehrlich 1st.

In seiner letzten Veroffentlichung gibt Horn [7] drei Wege zur Losung des Diisensystems an: a) den rein empirischen Weg, b) den rein theoretischen Weg, c) den Weg des Kompromisses

zwischen Theorie und Versuch.

Der rein empirische Weg wird von Horn nicht gewahlt mit Riicksicht auf die groBe Anzahl der Variablen bei dem System Schraube Diise", sowie die Unsicherheit beziiglich der

Rich-tigkeit der Ergebnisse dieser Versuche bei den nach Horn kleinen R eyn old sschen Zahlen fiir

das Profil des Diisenmodells.

Betrachten wir diese Reynoldsschen Zahlen einmal näher, dann sehen wir z. B. fiir Diise II aus Horns Veroffentlichung [5], daB

1DIsse ' ye ReDase 1,5

10.

Tauchi,elfe:T=4275Ta fart Ouse k_{Sp- (mad,'} k4 'Ca' /24,9g R2 fur dz-/7/s Propeler 41845 11=41885 aw n.-17/s PkweidemperaEr t'..14-1°C Propeller in &se (0dsen/onge =1)

Diese R ey n old ssche Zahl der Diise ist, ver-glichen mit den R ey n old s schen Zahlen, bei denen Schraubenmodelle mit Zuverlassigkeit

untersucht werden, nicht niedrig.

In Bild 1 sind die MeBergebnisse mit Diise II (Bild 20), Horn [5], wiedergegeben. Obwohl die Versuche mit der Schraube mid Diise II so-wohl mit konstanter Drehzahl (n = 17 pro sec) als auch mit konstanter Geschwindigkeit (v =

1,4 misec) ausgefiihrt sind, ist in den K80-Kurven

deutlich em Knick -wahrzunehmen und em n

Ge-biet, in dem die Messungen streuen. her ist der

Punkt, bei dem Ablosungserscheinungen bei der

Diise auftreten, deutlich festzustellen. Diese Ablosungserscheinungen treten jedoch bei sehr niedriger Belastung des Systems Sclu.aube

Diise" auf. Untersuchen wir die Schraube mit Diise bei hoheren R eyno ld s schen Zahlen, so wird sich der Punkt, bei dem Ablosung der Stromung auftritt, nach noch niedrigeren

Belastungs-verhaltnissen verschieben. Wenn also bei 1VIodellversuchen das Ablosen der Stromung bei einem

Belastungszustand des Systems Schraube Diise" auftritt, welches niedriger ist als der Be-triebszustand des Schiffes, so werden Modellversuche von Schrauben mit Diise zuverlAssige Daten ergeben.

In Anbetracht der Form von Diise II, bei der Ablosungserscheinungen verhaltnismaBig schnell

auftreten werden, scheint es gerechtfertigt zu erwarten, daB bei Modellversuchen mit den von

),Vsp v-Orrqs

\-16, Sr 0-141m,ls

425

al

70 725

A --

-17.,0

Bild 1. Menergebnisse mit Ddse II, entnommen aus Horn [51.

&ferny d

Loge /3)24y ilio- Yersud kanzeichnong

lerkoniMose No _I 45L u=877111 n-17/5 mg -41 42

=

h

218 Ergebnisse systematischer Versuche mit Schiffsdusensystemen.

Horn und Am tsb er g [7] fiir die Ausarbeitung ihrer Theorie verwendeten Dusenprofilen die Ablosungserscheinungen erst bei fiir die Praxis unwichtigen Belastungszustanden auftreten

werden.

Aus diesen rberlegungen heraus ist es unseres Ermessens zu verantworten, Modellversuche mit dem System Schraube Dfise" auszuffihren, sofern man sich stets Rechenschaft darftber ablegt, ob die Ablosungserscheinungen nur bei Belastungszustanden auftreten, die nicht von Bedeutung sind.

Beziiglich des zweiten Bedenkens von Horn gegen den rein empirischen Weg zur Losung des

Problems der Wirkung des Systems Schraube Diise", d. h. beziiglich der groBen Anzahl

Variablen, die bei diesem Problem eine Rolle spielen, kann folgendes angemerkt werden: Aller Wahrscheinlichkeit nach werden die Variablen, die sich bei dem System Schraube 4-Diise" ergeben, sich in Parameter unterteilen lassen, die von groBerer oder kleinerer Bedeutung

sind.

Die bei der Diise auftretenden Krafte sind stark von der Belastung der Schraube in der Diise abhangig; es darf deshalb erwartet werden, daB bei gegebenen Werten fiir Schub, Geschwin-digkeit und Drehzahl der Schraube die Wahl des Schraubendurchmessers von groBer Bedeutung fur eine richtige Beurteilung des Einflusses der fibrigen Parameter auf die Wirkung des

Dusen-systems sein wird.

Diese rberlegungen sind fiir den Verfasser ArdaB gewesen, das Problem Schraube Diise" auf experimentellem Weg anzufassen.

Als Ausgangspunkt für these Versuche wurden die Schraubenserie B 4-55 und das Diisen-profil N.A.C.A. 4415 gewahlt, das gleiche DfisenDiisen-profil also, welches Horn und A m ts b er g

verwenden. Auf these Weise werden bei einer weiteren Entwicklung Vergleiche zwischen Theorie

und Experiment moglich sein.

1. Systematische Versuche mit Diisensystem.

Fiir die Versuche mit der Schraubenserie B 4-55 in Diisen wurde die in Mid 2 angegebene Anordnung gewahlt. Bei diesen Freifahrtversuchen wurden also gemessen: a) Geschwindigkeit

Zentrytilool-Dynamometer Schhren

Bild 2. MeBanordmmg der Versuche mit freifahrenden

Ergebnisse systematischer Versuche mit Schiffsdiisensystemen. 219

des Systems Schraube Diise", b) Drehmoment und Drehzahl der Schraube, c) Schub der

Schraube, d) Axialkraft auf die Di:Ise.

Folgende Diisenforrnen wurden untersucht :

DUse 1/D s/1 I f/1 I al Profil

Bezuglich der Bedeutung der Buchstaben s. Bild 3 und die Zeichenerkliirung.

Insgesamt wurden also sieben Diisenformen untersucht, wobei das

Liingendurchmesser--verhaltnis 1/D, das Welbungsverhaltnis f/1 und die Lage des Diisenprofils in bezug auf die

Wellen-richtung ai variiert wurden.

Zugleich wurde die Schraubenserie B 4-55 in einem koaxialen Kreiszylinder untersucht, um Analysen der Nachstromzahl der Diise moglich zu machen. Der Durchmesser der

Schrauben-modelle der Serie B 4-55 betragt 0,240 m.

Die Schraubenmodelle wurden alle in der Ebene auf 1 cos ai

der Diise untersucht (siehe Bild 2 u. 3). Der Freischlag zwischen

Flugelspitze und Diisenwand wurde zu 1 mm gewahlt.

Die Drehzahl wurde wahrend der Versuche konstant gehalten und betrug 6,3 Umdr./sec. Aus den Versuchen geht hervor, daB bei diesen Modellabmessungen und dieser Drehzahl Ablosungs-erscheinungen am Diisenprofil nur bei fur die Praxis unwichtigen

Belastungszustanden auftreten.

In den Bildern 4a bis 10a sind die Ergebnisse der Versuche mit den Diisensystemen in K,-, Km-, 2-Diagrammen

wieder-gegeben, walrend auf Bild 4b bis 10 b K8d,a83 als Funktion der

Fortschrittszahl A fiir die verschiedenen Dilsenformen ange- 4 COS a cos

(4,-geben ist. I I

In den IC,-, Km, A-Diagrammen werden Schraube und Diise

also als em System betrachtet. Fiir die verschiedenen Diisen-systeme konnen mit Hilfe dieser Diagramme die sich helm Entwurf einer Schraube mit Diise ergebenden Aufgaben auf

gleiche Weise gelost werden, wie bei den bekannten

Schrauben-diagrammen [1] [2].

Beim Entwurf des Propulsionsmittels wird die Aufgabe in der Regel so gestellt, daB der Propeller bei einer gegebenen Drehzahl eine bestimmte Leistung aufnehmen und dabei das Schiff mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Fahrt halten muB. Mit Riicksicht darauf sind die Ergebnisse der ausge-fiihrten systematischen Versuche in Diagrammen wiederge-geben, in denen die 6-Werte, 71-Werte und H/D-Werte fiir den

optimalen Schraubendurchmesser sowie um 5 bis 20% kleinere

Durchmesser iiber Bp aufgetragen sind (s. Bild 11 his 17).

Diese Diagramme wurden auf folgende Weise aus den K3, K.-, 2-Diagrammen konstruiert :

= 33,08 - Bild 3. Bedeuttmg der beim Diisensystem

verwendeten Buchstaben. 1 1,00 Axialer Kreiszylinder 0,67 0,15 0,04 12,7 Naca 4415 3 0,50 0,15 0,04 12,7 4 0,83 0,15 0,04 12,7 5 0,50 0,15 0,04 15,2 6 0,50 0,15 0,04 10,2 0,50 0,15 0,05 12,7 aufgebaut, Naca 5415" S 0,50 0,15 0,03 12,7 Naca 3415" K m0,5 22,5 : 2 7 B

46 0,7 0,2 0,7 491 48 0,7 48 I 0,5 0,3 0,2 0,7 A Bild 4a. 47 48 43 04, 0,5 46 0,7 48 A Bud 64. 0,9 1,0 7,1 0,9 0,9 0,7 0,6 0;5 t 44' 43 ₄₂ 47 0,9 0,8 0,7 0,8 45 1,

0/t.

0,3 0,2 47

-

o 42 43 44' 45 47 46. t 635 43 42 0,7 _{0,8 47} 46 45 134, 0;3 42 0,1 07 ,cp Bild ba. 0,5 46 47 08 09 40 41 ii BUd 7a. 4.3 8 7 6'

5t

3 1 (48 (37 46

"

0,3 42 47

-111

mit _.,8 4,-65 Serie NACil-Pned Ouse Nt 2

og

--Xp,/,,_

Ai_ 2 p D#

ill

m

p05.n.2_

1 7 1 ---...wi

.

,

, Propeller cc= 466 12,7 /6 '1- 17;

we

bi.

...,____1_ ...hwil .,,,,,0 1 _1 1 A, ' 'Fir'

=

As

k011ay.

L

.1-,.

.:,

-'A_ AN a gilt=MAZAMMO1

Z7 4-ialM10m.;11.--,

NNW v I A e -, ._ n 1 _ _ mkp

FAIIIII

9_

WORITANI1166:

,_im mi --.114i-e ;4116,

NNE

----tAralkitilatella

,,

' ilk

NA

.,3,

-IEEE

.

I. _s. __

.

\

,

.

Ili

1111

NOM-

im EOM

III

=

-47

20/wr

'all

trop..--4,__

N,

8 4,-55 Serle in Ouse N44-Profil mI Nr.3 4475

S

+S -19 Piweller -:-Oug, , -_Ks

- P

___ ,r,,_ M

IMMIES111-,

111E11111111IL

mimrs.f.es

=.1_1,1M111 . .4 .!..:1!..t4:1

474-Nikl

47

-I W..,

zow,

p , g5. 712 0,50 1 --,. ....5.,

'

1,1110.1741

1

-1Proffi _

--dPropeiler cee= 72,7°

-;if, , ,,,, ..,c,,,y. 2A,,

Li

1

m w . ;

1M

-4

a

/

AillignalilE

1iimmiiii

: \WIN, \

\ A ,

\VIII'

--AwiLitiiiml

\

.

---

_rA

h.:

Mill

IIMIL

111=111

L__

8 4'-55 Serie %/7 °Ilse Nn 5 mit NACA-Profil 4,475

A', . ' "roPeller±S,u:se .=.: p - Ir. n2 M

in-,.,,-, -1 . p

-_ 1Proli/ gPropeller

-- ,s

11/01/0;

611...

Eiiip,roarA

/-rpilli

API!' 4- *116.t*OVIMI ° o',

--.

`, \ \ -b -1--

,,

OCi-' ir lf, 75,2 * A 271" AL_ 4 --:-4.-m4 7 _._

4

1 ?.,-;''

\

-n

'A Aml

..

\\

-i' 4r411.!

_{/ Ai.}

-

4-,

E

\

_{__._}

1.1,

mmimmlim---.9,9 nalms..1,

,

-,-,-,-A

MN--.II.

0,, 1

illatillikli 111111111

_

I -I , 1, , 1 8 1/-55 mit Serie /MCA-Pro& in Ouse p. H 4475 4 Hs

--SPropeiltr+4.7se p a M

M

M p 483?

-' n

---2

. NI

-,.

-.. 'r.'s --s-_ --s-_ IPrfil o

lingilli Bil

MI

':,..4 \NI -DPropefier Ger 147 `411111

- - -imwre--..- -comowime

s Ifs A

tAN

\o' Alr MAN=

o f7orrdi

-iikaLk

!4-2,4411&,

- --. 1

WOE

_{4_,.:11 01.}

\ , n

'

Ifm. el/ A__ 2yr 1

.

\

n 0

till(

ic-\

_{- giresesll}

ltillkl-..

1

rico

/4...klaii,f.f._

li

,

\

W -NNE -I.' MINNIES .

\ \

mi

7,8 7,3 44' 01 0,2 03 04, 0,5 as 0,7 0,8 0,9 40 42 41 43 0,4' ,05 0,6 0,7 48 09 40 7,1 42 7,3 44 45 43 0,3 0,5 0,8 7,1 7,2 44

-450

-' 42

49 0,8 47 44 45 49 0,3 0,2 0,1 47 0? 43 0,9 05 46 0,7 48 A _{Bild 8a.} 0,9 0,8 47 0,2 0,1 49 0 0,1 42 7,1 1,8 0,3 0,9 7,3 44' 49 0,8 47 45

"

t 0,3 0,2 0,7 49 0,8 47 1 45 Z.., 44, 4 4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 7,0 1,1 A Bill 10 a.

Bild 4a bis 10a. Ergebnisse der Versuche mit dem freifahrenden Diisensystem.

41 0,2 03 0, 9 0,5 0,6 0,7 48 0 7,2 7,3 1,4' A _{Bild Da,} 0,9 0,9 0,7 0,6 0,5 43 0,2 47 0,9 0,8 0,7 46 43 0,2 0,7 0 49 1,0 47 42 43 0 45 , I 1 11 4, -55 Serie in Aire Nr. 7 S ,-/-So, -Xs p - n2 M _ p na

ME,....

1ProM _ 450 Unr0pene,

"-11 WEIL'

IR" I 1113 r

co P-....-A1 ALAI 12 a, = 7270 -xs

al

,..).: ____A

hter.

h.._ \\ 1,344houlm\--,,,\\

_wAti Ism

2 z

-,,,p

ill AMIIIIIMINIIIIIIM

reilltopi4,411---

r4

,

.,,

111Li'SZEISSI\-ss

,.

. L.

'MI

-.

\

_{_}

4,-55 Srer'ie in Olise Ni: is _{mit N4CA-Profil}

#5,75 Ks -sp,11,4 - Souse p D' rt,2

III MEE_

Hi-M .05 72.2 so n',0

ems

0, 8 P0-`,1100."' Iv I / Al 101i

irvtpUllir

taalkit-didiMi

1 ,4

momplumn.

'

log

-, n-Proffi o, Wropeer

mom

MEM 6

a c=742° if, A V

A-11... 'Zs°

riA

Elbrillinalkitilli111\

RI --lawantalmmemim

rOmp,

0\)'

`Zs°

biArAIBIERIBMIIM

Ar

Alb...41

-rd

7T411-6',

--Airamitarmmemin

'

i

ki

?.711117NESEININ

iv 1

,

f-v ir

amok

awn -Nmalmitue

\ 89-55 Serie in Be Ni: 8 1

,

,

OPro // 4 'filise Xs -19 c " p a ' 2

MI

M

,

NE

io

MM'PrdoilEillb;\\

mNc--;AILliemm\--ot Amil

Illi-- NU

.... '`

00'50

-

,,

A = Ks

.-,4 22 If 2

.

.

7'.

4d4-ireiRtimins

7

A- 14

\

itv

AI.-_,"Ihro.

.

/...mmikyst mum

I. n'll _---,

ill

VA

111111111121M1111

,--'11Lsos'11111111111.111

'III

0,3 40 a CD CD n

42 IN -41 -4? 48 -45 013 0,8

`4,

11111

ta_.__

is

nummom mous

eo 45 45 47 48 A Bud4b. 11 . 32 I I I I B Serie in Dt7se NT: 4.

-N4C,4-Prail niPn'fil 4833 4/Propeller oc =12,7° 42 f 07 § o =0,2 -43 o 43 Oft 0,2 ,01 02 43 F45 40 47 634' 139. ,40 P 33

A--!

-Mid 7b, I ii_, D=

Elb41-Li 41-55 Serie mit NACA-Prolit 1Profil -4557 in Dose #1//5 _czi=12,70 Ala

. 14%611111

/411111111111111111....

_

-'E-Dfi'opeller

bi...

imilir.

'Ell

.qa,,,_

,

11

-9 i . , 8 4,-55 mit Serie th NACA-P7)717/ 1Protil aise Nfl,3 _44,15 0,50

..4

___,mmimmil

iii..._ n 4/Propeller

---giv-wimmil

711;11114."*.l.MIL.__MINII.1%.1_ cc 74 7 ° ,

Ill

,

iiimar,.791

--4,

8 s,-.55 mit Serie WA-Pfeil n1Prild 050 ' = 5,2° 117 OziseNrs 75 -

----illilikti

la &rnweller

IllialarlIIIII

erf 11111M1.141141,MILMAJ\

, 1 1

--irtimmimaim

Milli.-11\7Wilal= 07 02 0,3 44, ga, 46 47 09 49 30' 1,2 714' A Bild 0,8 45 45 07 7,3 7,44 A ild 43 b. 0,3 0,2 gi o 45 4/ 42 48 0,9 1,0 0,# 1'-55 _mil

015

-1,3 0 41 7,2 41 0,3 0,1 0,3

03 42 f 0,1 0 07 42 _-0,3 0,9 -0,3 0

Mid 4b big 10b. Axialkrafte auf die Base, welehe beim freifahrenden Diisensystern auftreten.

tsD

41ir

Nalpii,

II 8 4,-55 Serie mg N4CQ-Profi7 1Ppof/ 1 iii aise 0,50 =10,2° 4415 Nr.6

8:

al q5

iiiiitiolliq

Vm.... 11111 11ftiliiiiiiiiiiiiiiiimi..._ q14

1..1.4.

B 9-55 Sere 4Profi/ °Prop.--, /17 Ouse 650 = 405 = 72,7° 1 i Nr 7

=s,

.1

.4

ith...\._

..._ f/1 ai

U.

8 9-55 Serie I /ii aise i Nr 9 1Pro /71

-'

450 DPropeer

16...

.

4

1104.

11ZRIIIIII

,f/I - 403 i = 72,7° %...W4M1411111111111

11.11*10.1...

ITIWIWIll

"

Id

07 42 43 0,4, 0,5 06 q 7 48 £39 7,0 7;1 7,2 1,3 1,9 A Bud8 b. V 42 47 44, 0,5 0,6 0,7 09 49 7,0 7,7 7,2 Z3 7,9 A Bild 9b. 47 42 03 49 45 26' 47 08 639 7,0 Z 1,2 43 7,9 A Bild 10 b. 0,2 f e 0 0,1 0,2 0,3 0,2 1 47 o 41 0,2 0,4 --6-0,1

1 M111111111011111iiiii

--%

MMEIIIIIIENNI1911.11111

70%

1111M111111111111111aiiiiiii '27'22::

.41.

111.111.11111111111111

Mil

11111

IIIIMIN 0,9t

-10 %

Al11

Opt -75 %

Iiiibia'A

Opt - 20% (Spro,,./-Sozyse). Vg, Optimum 7 2 -325,6 io

MI

°Pt - 5%

1111111111168

gn_

N3; 6,_ NOEll

OptOP lig 111Mer

N = 1/mcirehungymin P - shp(7 hp = 76 kgm/sek)

1111

Opt - 2°%

NKOMO

= Diameter th ft. V. - Vs(7

-0th

kn

j11111177/ "N-A5A1S-VilDZ

0 D S = Schub th lbs. ___-1/0 - 0,67

cti - 72,7° I Od5r Ni'. 2

700 725 750 775 200 70 725 75 775 20 25 30 35 YO 4'.5 50 5560 8,, BIN I I. 70

III

I 90 90 700

Bild 11 bis 17. Bp-0-Diagramm fiir dos Dasensystem.

t

I I a0 56. 500 ,0 12,5 15 I520 4'00 300 200 1/ 1" tO as 70 50 JO 70 too 100 25 30 35 440 115 50 55 60 70 80 90 100 125 150 175 200 Op Bat 12. 500 la 1/5 15 15 20 25 JO 35 410 415 50 5550 70 80 50 100 125 150 175 13ild 13,

i

lillrito,111r11111

ra. emomon

Nis...

w 2g% n E 01:- 5% .40%

Ru

-1,5q opt-200/0

11/11/11

11111111111 Opt 1.---... 1 optmum tr-A71 Se-10%

iiiiiii

iiii

-II

---4.----9

J

MillEnratire

igu

GA

II

-1

'""'"-.-1

-afrop.,sousel.6

I

II

r-alli

I

$.4

11/11/11

'

r.-3246P - g _NPa'Bp yao a /112

garillitie V a

- ra -N=Ondrimin

P,00.0...maillu

o...Wirion 11 -P= shp Ohp=76kgm/sek)

ii

- fSMerie h Ouse a-&Pk/meter in ft -16=40- iv) in kn ,...--,,..,...,.1....°.1-iii- im ill iimftniarP)'di"4/5 ao-45o crt=12,7 3= Schub in lbs 111 111111 &Se AO 3

NIM\1111011111

111111111111111111iiiims

1111b111111111

"i:10% -5Optimum - ----%-'

Mi.

iffl_1.4111111111 ilic=-4.-.,-,---.---2-1715110

111111111

11

Ilra

1111111111i

11/11/11

----Optimum Opt -Pro I t- to%

--i'

Pi' i'

-IsAryntsoad.16 IIIIII'OrO°

111111141

coloor-...doroodll

ibagorg.

0,041 ii 81,-.55Selien7 iii,_1183 I 1,1-209,0 I -325,6.P -NPas NO

Op=i7T cf-sT- N=1/mdemin P, shp 049-75kgm/sekt &Diameter in ft S= Schub

Ill lbs . , , mit Noco-Proli/ are V915 iv Ouse NP g ,,g 70,-..,..-

Ai

ill

-."....--1 ' ;0 0,8 70 60 5 g-30 ,500 4,00 300 200 00 200 -"15 100

11,2' 10 12,5 15 q5-20 25 JO 35 90 95 50 5 5 50 70 BO 90 100 125 150 175/1)9 Blld 14. COO 200 6,9 500 300 200 IGO 125 1,0 175 290 19, t12 58 70 t5,9 30 500 900, 300 200, 1011 00 0 200 PO 12,5 75 175 80 ,25 JO 35 90 415 50 55 59 70 2880100 100 125 150 175.0 End 17.

is

IliragnialliFillilli

Milliarailliglajill1111111M.

111111111111111ZI

gesiumgot_v%

IiiIIIIIIIIii

III ring:

0 pt-29 .:;°: 1 '

=

1

a

...,..,...

r

_/596iiimarai_..__11 PI-2g MI Ophmum

ilea

_ gniv.,s,th-eiii, ' 1 4

lc

Y ° '

,-OM

111111.111110r7e%

novo

PPLEPIthid

. -20% -:-3245.P VP,' if---4--t' in 1 Mkn M lbs NO

705

6---p---_ ea, 111- amcin/rnin P-shp(10-76kgibisek) a_ 5°'11.0 _...0.1.011.da 701111111B 9-55 Serie Diise Nam- ftwhi 9915 mil D= &meter in ft Va-1(5 (1V) 4? kri S- Schub A? lbs ---%...e.gai

11

-% 'Oil nro,eie

a=12

11/11/1111

Date Nn 5

lailer,11

. bownIinstiguat...

11111111111/11M111111111 I Opt-20%

masi

9111C-1

i

ibwillirnallIniintelill

--.1,mommilllianiiiiirilri

IONsumj...a...

' . -5%

.-"

1 111E11 - 4.,

ni,...,11,

_I..

Ei

a,...___....,,,,...._,

Opt-15% oak -;66:4-zz.1.--1,111111111.

hig,....,n_

-0, 91-20 %

Fr

11111

.

All .41/

AveSOirse) ii vpti7

IIIIIIIMMW- t..

,1246,P I 5 .R NP45 A N '

aptperoppliall

lit- 20 % "p---47 ..,-v. Woo ego _ N= ande/min - shp(140=75kgmbek) f1,-P-P_OR°°1111111.111,8,-N ...00..iiii 9 55,Yerie in Dare t a-on/ 075'

-;...

0-Diameter in ft - Va-li 0- r) /ii kn

iinum

1

11110-4x exi=10,2 _ S= Schen in lbs Duse ND /f -'

IWAPI:Ell

SIMEN11111111

--...

. -10°

---esuRpii

m1111111111111

FlriA

IIIIIImu11Er2mi

niniellill

.

Illilliiiiii

I h n 7 041

' III

rump

E...

III.,...s_

pap mum

IL

ept 4-2° - 5 % rAiiiikii. II Ophmum -Tilig - - --,..-- -..._____=-__.

.11216-0,--1111111r1\ME2

Avp#30ii5eHt

'

,1258.P

IllipraP

'-,q_ 045 a ,f. il--Ter ' V,

13151.1011% Pk

-44-Nmo'n/min

PO PliiIIIIB

9-55-SeNe in OtZse ,ti ,P-shp0hp=7ifkgmisek) PI,W1 ,I

.krdiiiihm..

Dareneennottni&e, -12- =Diameter in ft - _.. 1%,:,-; lm wri, Nace 0915 1 = 0- 0 in kn e7.1'... NM IA0-450 ai-187 _ ' S= &hub iii lbs ii 11/11/1111 ril-4,43 IlliSe NO 11111 IlEall °Pt- A 11m...___ % 0 t-s%

Ilig

-71111111111111111111111111111111EmiM7I

IMIlillin

rirM

MIMI

Pa

IIIIBAI

HMI

IIIII

I

1411112LVVii ptimum IN.

il

. _ ismesaasS4 ---9 zakp

=6, -NP4'5 j.!YaP- les 1-N=1/mthimin P-shp(148-76kgmIsek) '9- Diamete r in_Va=e5. 0-0 in 1 S= Schub

th lbs va

-

ft_kn

A

111111110....,7,ya

s 1110Mira

mise4.01. il.WPPIIIII

pimp-

; 9-5 5 Otheeneerhdltnisse rt..-

i

_/POI% Serie In Oiise

I--_ -.../I'doilltillillIBIl

/---

,./1111111111110-ax

....,...-,vM 771= 005 Now 9915 ..,-/z7 . ,_,Olise He 7 5 15 1(520 Is 30 35 90 95 50 55 50 70 80 90 100 Bild 163 0 125 15 175 20 25 JO 35 90 95 5055 6 Bud 15. 70 50 I 500 70 i50 100

-

-226 Eigebifisse systematischer Versuche mit ,Schifisdiiseriaystemen.

Bild 18, Konstruktion der optimalen Bp7 und ,i-Kurven,

2. Der EinfluB der Dfise auf the Grutie des optimalen Sehranbendurchmessers.

1

Wollen wir die Unterschiede zwischen den optimalen Durchmessern der Schraube mit Diise und der Schraube ohne Diise analysieren, so werden wir die Faktoren, welche die GroBe des, optimalen. Durchmessers bestimmen, einen nach dem andern ilberpriifen milssen. j

Hierzu wurden die optimaleri

Durchmesser der Sclirauben-serie B 4-55 unter den folgen, den Verhaltnissen bestimmt

3 a) Freifahrend, ohne Diise.

Freifahrend, jedoch urn-hiillt durch einen koaxialen Kreiszylinder mit 1/D = 1,00'

--- 8 4,. 55. imodo/enZykacier

iiiii

it

und einem Freischlag zwischen

300 Fliigelspitzeund Zylindelrwand

von 1 mm

Freifahrend, mit Diise.

Der optimale Durchmesser

Iwurde

hierbei ausschlieBlich

durch die Krafte bestimmt,

,...Z' 250 _{welche auf die Schraube wirken.}

Freifahrend, mit Diise.

.,

,

,

,

r ,

Der optimale Durchmesser

wurde nun fiir das System

Schraube Diise" bestimmt.

200 Die Ergebnisse dieser

Ana-lysen sind in Bild 19

wieder-gegeben. Aus dieser Abbildung konnen folgende SchluBfolge-rungen gezogen werden:

750 Zwischen den Zustanden a,

20 25 30 35 4,0 45 50 55 50 70 _{Schraube freifahrend ohne}

DU-Br

1

,

80 90

Bild 19. Vergleich der optimalen Durchmesser von Schrauben, die unter verschiedenen Verhaltnissen untersucht wurden.

se, und b, Schraube umhiillt durch einen koaxialeni

Kreis-dr.._

40,7timdm P-,IIIPP" 8/1-55 in vase 5 II --.a.

EMPrell

IIIII

, I 1 1

II

II

(

Opt rn'

1

,- -1

ikt

voMS

1101,01#' '8, 1:44\,.. 2 0 ' 1

' '';1%7:

I

mit

4 . . % . " .%%11411'.4"..._{11111111.1111111,} -- a 4.55. Fre/131/2e B. it. 55. th 8.#.55 /a 0i/se 3 Di/se 3 ka) i ohne mit S0,7,

ir.,,,,..,

Spa-se

..

.

i..r

. , , ,

F

"pi..

,

i

Err

I

I

1

In Bild 18 sind die Br-Werte ftir eine gegebene Diisenform und verschiedene 50 _{Steigungsverhaltnisse der Schraube}

iiber /1. aufgetragen.

Auf ,diese Weise 1st es mbglieh, bei konstanten Br-Werten die zugehiirigen -Kurv en zu konstruieren. Der

geo-metrische Ort der Maxima dieser

77-Kurven ist die optimale

Wirkungs-gradkurve. Die zugehorige Br-Kurve 1st dann in einfacher Weise zu bestimmen

1st einmal die optimale Beziehung

zwischen den Br-, und 71-Werten

be-kannt, so kann analog diese Beziehung

fiir kleinere Durchmesser und

dem-cntsprechend kleinere 6 -Werte be-stimmt werden. Hierbei gilt d B;

6 =

101,27 J50 300 250 1200 Q2" 750 700 ZO 10' 45 45

---as 00 _-45 441 42 a _#42 BIM 22, 12 48 an 511 -ei141 02 0 1,42 500 000 300 200 100 1,10 -44,8 as 00 10 117574f20 11520 25 30 25 440 415505560 57 00 70 BD ,90 100 125 0 175 200 gp Bild 21, 500 400 00 2.0'0 Bild 20 bin 22. 00

Vergleleh der Diisensystemei

'15 145717 25 90 35 410 445 7175560 55 00 70 BO .90 100 V 150 175 200 300 200 100

\%-s

---..11111110

luIllilin.

---:I

11/11/2516

PIO_

.121111111110-1

- _

---1-1111i

...11111111 vg

ii

II-

I

T

I IN

,

_

- lillibralig

,11111111

...

---,.==iiiitiari

iiiiiiiiii,

Iil.

iigitoss.&"

re=

_

__-..

L.... L

,._.

_ ,1119,e Diu"-e)4 ----, Spae

MEWOP'

/9 f-Lif Serta 0 ohne &se 11 ,7245.P---1-71-Sp &=71P45 (5_ND

Prioarall

f,,/vg., 444-5 110-450 cci-g7 ..: 'N= UMONmin °.--0ii -NI: 5 _P- shp(lhp-70kg mlsek) D=Diatneter /%7 ft 1,,*:'.fL

,,,,,-III

Pron7 Nam 44415 cci=142

Ai

a

LID-410 -6-g 0-0 in kn --0/ise Ne .5 Profil Naca 40/15 S= Sead in lbs LID- 4,50 ai= 107 I' 1

1111NE

IMIEffillii-Si'L'atIll_11111111O_

-..

iligmEilitifill111111111-mi

1

111111

1.---....1

reggintimre-111111

_RI-11111AM

1111iilielIEEEM

--- ---1

111111111110

1111PONNII"W--111111100:1111111

11111111111 NM

rdll

g

111111111"'-aNe

11lempiii

--

UV.

44915 im.

10407 oei=127 Ouie Nt 1 Profil Now 9915

1111111_.e4:al-147

Meldilm.11.111111-2.

- - = 7

1111

-I &is -_ (8,,,at45.003e144 N.,045 N Br --Va-6C= N- 1/moNmin a P-shp (fhp-75kgmi_.4ek)111 _O-Diameter in ft -16=40-0 in kn S- Schuh 01 ibs 1111111 _ Pur trecji2 11111111111E111

IIIIIII1M

111111EINAILAIIIIIIIIIIMIIIII1

IMP.

111Mg111111111111L

1111111111111

11

Ini

iiiil OE

IL 1111

11N

111111116111

111111111,?d-ESS

0

_.

1=111%1111.1.1!017-,'N,011

1111111111-',.7211

7 _#/ivp:dOus ,o, P.-940 IMIlrar B0-55 Sark, 3 imp--"ohne ,00:7C 3246p Bp= -673-NP0 AO_ tf-' va iim "' &a Nr3 IIIRtalProf7 Now 9915 -N-Urac/c/min 110-050 a1-12,7 7V-0aq P= shP 174o-75kgm/sek

IIIFF211111----Diise

am Nn 7

Derenverhollnare wie Naeoff/

.0- - Diameter in ft

...0-rfli

ffi-aes 1 6=6 (1-id in kn %ME _unsea:8cei-g7 S=Schob la lbs

lickenverhenAse wie Noce 0915

1

1111

140-00 ce,-127 1/1-003 #5 20 25 Bild 20. ga 10 15 175 150 PS 247 50 90 100 40 95 5055 50 70 3028 48

-7,t

228 Ergebnisse systematischer Venmche mit Schiffschisensystemerk.

zylinder, treten durch die Unterschiede in den Stromungszustanden Unterschiede in deli;. Rei-bungsverlusten und damit Unterschiede in den optimalen Durchmessern auf. Es zeigt sieh, daB

bei kleiner Schraubenbelastung (kleine Bp-Werte) der optimale Durchmesser der Schraube in einem koaxialen Zylinder kleiner ist als derjenige der Schraube ohne Diise. Dieser Unter,flehied

nimmt ab bei zunehmender Schraubenbelastung, sogar in dem MaBe, daB bei Bp-Werteniiber 63 der optimale Durchmesser der Schraulne in einem koaxialen Zylinder groBer ist als derjenige, der Schraube ohne Diise.

Die Unterschiede in den optimalen Durchmessern der Schraube in einem koaxialen Zylinder (b)

und der Schraube in einer Dilse (c) werden durch die Tatsache verursacht, daB die Zirkulations-stromung urn die Diise ein radial ungleichformiges Geschwindigkeitsfeld in der Diise erzeugt. Die Unterschiede im Geschwindigkeitsfeld in dem koaxialen Zylinder und in der Diise werden urn so groBer sein, je mehr die Schraubenbelastung zunimmt (groBere Bp-Werte). Diese

Tat-_

sache finden wir in den Kurven des optimalen Durchmessers fiir die Zustande b und c wieder. Aus der Tatsache, daB der fiir das System Schraube Diise" (Kurve d) berechnete optimale Schraubendurchmesser kleiner ist als der fiir die in einer Diise arbeitende Schraube berechnete optimale Durchmesser (Kurve c), geht hervor, daB der Wirkungsgradgewirm, welcher von der Diise bei einem kleineren Schraubendurchmesser, also bei einer hoheren Schraubenbelastung geliefert wird, graer ist als der Wirkungsgradverlust durch grol3ere Verluste bei der Schraube. In Bild 20, 21 und 22 sind die HID-, 17-, 15, und S-Werte far den optimalen Zustand der

Diisensysteme und zugleich fiir die freifahrende Serie B 4-55 iiber Bp aufgetragen. I Aus diesen Abbildungen zeigt sich hinsichtlich der GroBe des optimalen Durchmessers das

folgende : 11

Unabhangig von der Dilsenform wird durch die Anwendung einer Dilse stets einoptinaaler

Durchmesser gefunden, der kleiner ist als derjenige bei der Schraube ohne Diise.

Wenn ai = 12,1° und = 0,04 ist, so zeigt sich,da3 bei einer Variation des

1/D-Vearhalt-nisses die kleinsten optimalen Durchmesser bei einem Wert von 1/D 0,667 erreicht werden,,

wenn B> 30 ist.

Wenn 1 = 0,5 und a = 12,7° ist, geht aus der Variation des WOlbungsverhaltnisses fil

,r1

hervor, daB bei f/1 <0,04 der optimale Durchmesser zunimmt.

Wenn 1/D = 0,5 und f/1 = 0,04 ist, so geht aus der Variation der a%-Werte hervor, daB die kleinsten optimalen Durchmesser bei einem Wert von ai = 12,7' erreicht werden, wenn

B> 25 ist..

3. Der EinfluB deD,Riise auf den Wirkullgsgrad.

Aus den Bildern 20, 21 und 22 konnen folgende SchluBfolgerungen hinsichtlichdes Wirkungs, grades von Diisensystemen gezogen werden :

a) Wenn beim Entwurf der Schraube mit Diise der Durchmesser optimal gewahlt werden *arm,

so liefern bei Bp-Werten iiber 25 bis 30 alle 7 untersuchten Diisenformen

Wirkungsgradverbes-serungen im Vergleich zur Schraube ohne Diise. Hierbei ist zu beachten, daB sich these

Wirkungs-grade auf freifahrende

Diisen-.systeme und freifahrende Schrau-ben beziehen.

Wenn aj = 12,7° wad fil

= 0,04 ist, so zeigt sich auS der

Variation im 1/D-Verhaltnis1 daB

bei hoheren

Schraubenbelastun-gen (B die langste Diise

(1/D = 0,833) vom Gesichtspunkt

des Wirkungsgrades aus den

450 _{Vorzug verdient. Bei leichterer}

,Schraubenbelastung (Bp 46) verdient die kiirzeste Diise den

Vorzug. Diese SchluBfolgerung

stimmt mit dem iiberein, was

Horn und Arntsberg bereits

ge-150 200

20 funden

haben.

Wenn 1/D = 0,5 und _=

Bild 23. _{12,7° ist, so zeigt sich aus der}

BM 23 bis 25. Vergleich der Wirkungsgrade der verschiedenen DUsensysteme mid

der Schraubenserie B 4-55 ohne Diise be! konstantem Bp-Wert. Variation des

Wolbungsverhalt-prp-5-

ohne Diise , , I gp.25-I 7

ME

MI

f/1

=

46) 5180

Ergebnisse systematischer Versuche mit Schiffsdiisensystemen. 229 nisses f/1, daB bei hoheren Schraubenbelastungen (Bp 21) die groBen Wolbungsverhaltnisse

-= 0,05) den Vorzug verdienen, wahrend bei einem Bp-Wert 21 das niedrige Wolbungs-verhaltnis fil = 0,03 zu wahlen ist.

d) Wenn 1/D = 0,5 und f/1 = 0,04 ist, so geht aus der Variation der ai-Werte hervor, daB der kleinste ai-Wert ( = 10,2°) vom Gesichtspunkt des Wirkungsgrades aus zu wahlen ist. Bei zunehmender Schraubenbelastung, also groBen Bp-Werten, nimmt der Vorteil des kleinen

Winkels jedoch ab.

In Bild 23, 24 und 25 sind die n-Werte fur Bp= 25 bis 50 und 100 fiir die verschiedenen

Diisenformen mid die Schraubenserie B 4-55 ohne Diise fiber 6 aufgetragen. Aus diesen Bildern

geht deutlich hervor, daB es

wichtig ist, den EinfluB der ver-schiedenen Diisenparameter bei den optimalen Schraubendurch-messern zu beurteilen. _0;50

Zugleich ist aus diesen

Ab-bildungen deutlich zu erkennen,

daB bei einer Beschrankung

des Schraubendurchmessers oh"

(kleinere 6-Werte) der durch An-wendung einer Diise erreichbare Wirkungsgradgewinn giinstig

beeinfluBt wird. Die bereits genannten Einfliisse der Dtisenparameter (ai, 1/D, 1/1) auf den Wirkungsgrad kommen in diesen Abbildungen wieder deutlich zum Ausdruck.

Am SchluB dieser Betrachtung iiber den EinfluB der Diise auf den Wirkungsgrad sind die bei

diesen Versuchen gemessenen Wirkungsgradverbesserungen von Diise 7 auf eine von Hort an-gegebene Weise aufgetragen. In Bild 26 sind namlich die Faktoren eN und es aufgetragen iiber

F

Hierin ist: Kmf 7.7)

NIND

Nt

Worin: N, = Leistung bei Schraube ohne Dtise

Kod = Drehmomentenbeiwert bei Schraube ohne Dtise ND = Leistung bei Schraube mit Diise

K.D = Drehmomentenbeiwert bei Schraube mit Diise.

sN stellt die Leistungsersparnis dar, welche durch Anwendung einer Diise eiTeicht werden kann,

wenn wir von der gleichen Nutzwirkung ausgehen, d. h. gleichen Werten fiir Schub, Drehzahl

und Geschwindigkeit sowohl fiir die Schraube mit Di:Ise as auch fiir die Schraube ohne Dilse.

450 490 Bild 24. 7 ... One Ddse grso

Filr die Beurteilung des Gewinns an Schub (Trossenzug), welcher bei gegebenen Werten fiir Motorleistung, Drehzahl und Geschwindigkeit erreichbar ist, ist die folgende GroBe eingeftihrt:

Kap Ks, Slot

Ksf Sf

Worin: K8D= Schubbeiwert des Systems Diise Schraube" Ksf = Schubbeiwert der Schraube ohne Diise

Stot Cesamtschub fiir Schraube und Diise

Sf = Schub der Schraube ohne Diise.

Bp-50

raw,

zagg

W.

- , --- -a 3':.. -___._____.

---Cr"--,

8 a e plis e 780 200 220 290 260 250 270 290 310 0,33 Bild 25. 350 370 280 300 Kmf

eST

=

6

ii'

230 Ergebnisse systematischer Versuche mit Schiffschisensystemen.

Bei diesem Diagramm ist zu bedenken, daB die Prozentsatze an Gewinn nach der

Niederlandi-schen Versuchsanstalt sich auf das freifahrende Diisensystem beziehen. Fiir den Zustand hinter dem Schiff brauchen diese Prozentsdtze nach Horn- Amtsberg [7] und K or t bei einer guten

50 30 20 70 0 .. 70000 7000 250 700 SO 20 10

BUd 26. Wirkungsgradverbesserungen, die durch Dtisensysteme erreicht werden kiinnen.

3 2 7 _0,5

Anpassung der Diise an die Schiffsform nicht kleiner zu werden. Dieses ware jedoch in jedem Einzelfall mit Hilfe von Modellversuchen naher festzustellen. Die Vbereinstimmung mit den

von K or t gefundenen Werten hinter dem Modell und hinter dem naturgroBen Schiff ist sehr gut zu nennen.

Aus Bild 26 geht hervor, daB die 6N-Kurve fiir Leistungsersparnisse von dem Steigungsverhdlt-nis HID abhangt, und daB die es-Kurven fiir den Gewinn an Schub bzw. Trossenzug fiir HID= 1,0 und 1,2 zusammenfallen.

4. Betraehtung iiber die Naehstromzahl und die Sogzahl der Diise.

Bei Berechnungen kavitationsfreier Schrauben in Diisen, die in Zukunft bei weitergehenden Studien iiber Diisensysteme mit Hilfe der Wirbeltheorie ausgefiihrt werden sollen, ist es von grater Bedeutung, Nachstromzahl und Sogzahl der Diise zu kennen.

Die Gri5Ben sind bereits von Horn wie folgt definiert

Ve V p

(Nachstromzahl der Diise). v

Worin: ye Geschwindigkeit, mit der das Diisensystem angestrorat wird.

VP = Geschwindigkeit des Wassers am Ort der Schraube in derDiise.

d (Sogzahl der Diise). Sp

Worm: Sp = Schub der Schraube

S = Gesamtschub des Diisensystems. Es wird auch die folgende Grae gebraucht:

Sp Z

Die Berechnung von ,9d oder t bietet mit den in BiM 4 bis 10 wiedergegebenen Resultaten

keine Schwierigkeiten. noch <. Versuchen Kari Rechnung Amisbeng Afode/)versuchen am am 'hifschisensystemen, mil firi-Schif ad fahrenclen noch Modell, noch

Horn-Niall

a

Miklib..

-rni1M-M

ireMONI

Sch/j;

IT-- riM.NN

1 1i II 1 Il l.1 ' , 111 s I =

miwNs, Ill

II!

3

S,,,,,,- Sr

be/ N-cent(Leisiungssleigerung)

-of ---, - 700%

-

*'-/Va _{700% be/ 5-}, I cone.(Leistungserspornis) 1 1

ME

N 1 f I

1

1Pd=

=

= =

----Fiir die Be'stimmung Von vd,

der Nachstromzahl der Di:Ise, wurden folgende

Vberlegun-gen angestellt :

Es ist moglich, fiir Diisen-schrauben die effektive Nach-stromzahl fiir die Diise nach der Froudeschen Methode (gleiche Schubbeiwerte) zu be-stimmen, wenn uns die Ergeb-.nisse von Versuchen mit frei--fahrenden ,Schrauben in einem

koaxialen Kreiszylinder zur Verftigung stehen. Die

Schrau-benserie B 4-55 wurde hierzu

in einem koaxialen

Kreiszylin-der mit einem Langen-Durch-messerverhaltnis von 1 unter-sucht, wobei der Freischlag

zwischen Fltigelspitze und

Zy-linderwand 1 mm betrug. Bei der Ausfiihrung dieser Ver-suche wurde zugleich die

Ge-schwindigkeit auf 0,7 des Schraubenradius im koaxialen Kreiszylinder mit Hilfe eines

Pitotrohres gemessen.

Die Ergebnisse dieser Vet-suche sind in Bild 27, 28 und

29 wiedergegeben.

Wenn also von einer Schrau-be mit Diise der SchubSchrau-beiwert der Schraube bekannt ist, kann

mit HiLfe der Ergebnisse der Versuche mit dem koaxialen Kreiszylinder die

Fortschritts-zahl bezogen auf die

Geschwin-digkeit am Orte der Schraube im Zylinder (Dtise) berechnet

werden.

Um sicher zu sell, daB die Geschwindigkeit, die auf 0,7

des Schraubenradius gemessen ist, em n guter MaBstab far den Volumenmittelwert der im Zy-linder herrschenden Geschwin-digkeit ist, wurde bei HID =1,0

bei A = 0 bis 0,25, 0,50, 0,80

und 1,05 die radiale Geschwin-digkeitsverteilung im Zylinder gemessen. Aus diesen

Messun-gen geht hervor, da8 fiir das

Steigungsverhaltnis HID = 1,0

bei kleineren Fortschrittszah-len als A = 0,4 die

Geschwin-digkeit auf 0,7 R groBer ist, als

die mittlere Geschwindigkeit. Bei Fortschrittszahlen groBer als A = 0,4 ist V07 mind

44

44

I

4

A

Bild 28. Der mit Hilfe der Geschwindigkeit im Zylinder berechnete Wirkungsgrad

der Schraubenserie B 4-55 bei Umhtillung &arch "einen axialen Kreiszylinder.

#.=55-Serie in einem oxielen 41inelen

SPropeiler M

14 16z- _ve r _Si.A A_ Ve

f.,94.nz VIST22Repeller PKm2Jr n .0

A-Bild 27. Ergebnisse der Schraubenserie B 4-55 bei TimMillung dumb eineu axialen Kreiszylinder.

.41 42 43 441 45 45 47 48 49 14 11

42 g

q 75 A

Bild 29.. Beziehuug zwischen der Geschwindigkeit des Systems

Schraube Zylinder" und der Geachwindigkeit im Zylinden

45 44

Ell

OM PRIIIIIEN

V 11111111111

IMPAR,GILI M

ill

Iraqi"

.,,. .,. 44

R/70...'

ROLIPFA2-411

lbIN'c 01I

0,J

all

MI

I

44 4i

ww.-g-52.4 -smisiNi

ii

....

ct,.._ , ik .

...ti

..467,71:111_ ELINIMIllinball

FAMI-=°1517MILIMEN1h111

_Al /72 172 fill 4R PR /77 411 40 f/7 11

Al

17 1? le 15 i4 4/ 1

MIIIMIIM!B g - 55 irefie /ill

0' 7,,-Werte bezIehen sich au,'

oxia/th ale Camlnyindigkeit Zy/freer

mi

tin Zp/frnier -.IKIIIIIIIIIIIIW.' _,...,

jralliIIMINIMII

Milk

Ho 0-141

Ms..-IR

NMI

IIIIII.1111

ka

imi,-.1111111111/111.- -0.111/1111

.,

.

Eglin.

MIN E El LI

RI

,1 mi.

1

ME

MN

MIN

_iiaiiM,

1111

11111

a, n2 n2 na nt /JR In PR Re 111 11 12 13 141 11

, B455 pie 'th7 ii7/14 Zyl kiide 1

1 i _1 A =-_ir0 A zYl-.ifnD 11/' ie the Geschigindigkeit keep im aria/en _...1111111

pp/

Ito D-1,41

---imps.

/MP-

WM' ppipirm

/°'-

EMMEN

45i

112

, ,

EMI

ii

1 1

rol

'

_...

4 4 34,a 42 4 1,8 12 11 90 48 as 4

=

=

=

=

₌

441 48

232 Ergebnisse systematischer Versuche mit Schiffsdiisensystemen.

Das Gebiet von A = 0 bis A = 0,4 wird jedoch bei der Bestimmung von vd nicht gebraucht

(s. Tabelle). Die Abweichung fiir A =-- 0,373 betragt etwa 3%.

Es ist interessant, die Schraubenwirkungsgrade der Schraubenserie B 4-55 bezogen aid die Geschwindigkeit in dem koaxialen Zylinder mit den Wirkungsgraden zu vergleichen, die in der Praxis durch Axial-Pumpenpropeller erreicht werden. Aus den in Bild 28 wiedergegebenen Wirkungsgraden geht hervor, daB die Schraubenserie B 4-55 bei Anwendung in der Diise vom Gesichtspunkt des Wirkungsgrades aus als gut zu beurteilen ist.

In Bild 30 und 31 ist em n Vergleich durchgefiihrt zwischen den Nachstrom- und Sogzahlen,

die mit Hilfe der Daten aus den Versuchen

mit einem koaxialen Zylinder berechnet wurden,

und den Nachstrom- und Sogzahlen, die nach Horn und Amtsberg berechnet sind.

05

-42

41

0

Hierin ist:

Mid 30. Vergleich zwischen den theoretisch berechneten Od-Werten (Horn-Amtsberg) und den aus den Versuchen

bestimmten Od-Werten. 45 -2,0 45 0 K. 8 = 712- -7-, Kg Diise K. Od= K und 1/r - Ks 'Prop. Prop. yd = 1 -A 5 10 15 20

Bild 31. Vergleich zwischen den theoretisch berechneten yd-Werten (Horrt-Amtsberg) mid den a. den Versuchen

bestimmten vd-Werten.

In der folgenden Tabelle wird fiir em n Steigungsverhaltnis die Berechnung der Nachstromzahl und der Sogzahl der Diise wiedergegeben.

25 Dae 3 /10/0-141 12 10

i

_'Jr

IIII

/ 45

I

AM

/torn-Am&bert_

---___.

/

---

,-Dail

VP- 0

AAA

fr

/A

K DUse Nr. 8 If,

Huse KsProp.Vor Zyl.A

Schraube acyi. B 4-55 ycl H/D Od = 1,00 fr Cs 0 0,480 0,220 0,260 0,373 0,863

-

- 0,846 1,85 0,1 0,431 0,176 0,255 0,392 0,865 7,650 - 0,690 1,69 109,8 0,2 0,384 0,135 0,249 0,414 0,868 - 3,340 - 0,542 1,54 24,5 0,3 0,338 0,096 0,242 0,442 0,872 - 1,907 - 0,397 1,40 9,56 0,4 0,294 0,062 0,232 0,474 0,876 - 1,189 - 0,267 1,27 4,68 0,5 0,248 0,035 0,213 0,532 0,882 - 0,764 - 0,164 1,16 2,53 0,6 0,194 ± 0,010 0,184 0,610 0,893 - 0,489 - 0,054 1,05 1,37 0,7 0,096 - 0,041 0,137 0,730 0,912 - 0,303 ± 0,299 0,70 0,50 0,8 0 - 0,085 0,085 0,855 0,941 - 0,176 +1,00 5 10 15 20 25

1"

43

--

--

--

--

--

-Ergebnisse systematischer Versuche mit Schiffsdiisensystemen. 233 Die von Horn und Am t s berg angegebenen 8di und vd-Werte. aufgetragen iiber Cs° sind mit

Hilfe der gegebenen Diisen-Widerstandsbeiwerte Cia korrigiert zu i mid vd-Werten aufgetragen tiber Cs. Diese Korrektur 1st in den meisten Fallen von vernachlassigbarer GroBenordnung..

Aus diesem Vergleich geht hervor, daB:

die Ergebnisse der theoretischen Berechnungen und experimentellen Bestimmungen der Sogzahl der Diise bei hoher Schraubenbelastuni eine brauchbare rbereinstiminung zeigen;

die Unterschiede zwischen der theoretisch berechneten Nachstromzahl und der experimentell bestimmten bei hohen Schraubenbelastungen sehr groB werden;

die Nachstromzahl und die Sogzahl der Diise den Versuchen nach auBer von der

,Schrauben-belastung auch noch vom Steigungsverhaltnis abhangig sind.

Bei der zweiten SchluBfolgerung ist folgendes anzumerken:

Die Gewinnkurve in Bild 26 on Horn - Am t sb erg ist mit Hilfe der Formel berechnet

=1O.j ICie/

C30 7/P

wobei fiir den Schraubenwirkungsgrad rip die Werte der dreifliigeligen Schaffran-Schraubenserien

entnommen sind. Aus BM 28 geht hervor, daB die Wirkungsgrade der Schraube, die von einer

Diise umgeben ist, viel holier sind als die der Schraube ohne Diise.

Wenn wir in obenstehende Formel die richtigen Werte fürrip eintragen, so wird dies AnlaB

einer unwahrscheinlich hohen Gewinnkurve in Bild 26 geben. Dies bestarkt unsere Vermutung dail die nach Horn - Am t sb erg berechneten Werte der Nachstromzahl vd zu niedrig sind.

Betrachtung bezdglich der Bedingung für minimalen Energie-Yerlust. des Diisensystems: In dieser Arbeit werden die Ergebnisse von Versuchen mit systematisch variierten

'systemen wiedergegeben.- Diese Ergebnisse werden bei der weiteren Entwicklung der Diisen-theorie eine Grundlage darstellen konnen, von der aus man we'ter arbeiten und mit der man

zugleich Analysen ausfiihren kann _.

.

In der Diisentheorie ist die Aufstellung einer Bedingung fiir m'inimalen Energieverlust des Systems Schraube Diise" em n wichtiges Problem. Fiir jede einzelne Diisenkonstruktion mulY eine giinstigste Diisenform und eine giinstigste Form der Schraube bestehen.

Die Losung theses Problems kann bis jetzt nicht angegeben werden. Dick m ann macht in seinem Diskussionsbeitrag zu Horn mid Am t sb erg [7] den Vorschlag, das Wirbelsystem

Schraube Diise" zu analysieren. Dickmann qualifiziert diese Arbeit mit Recht als schwierig,

aber doch ausfahrbar. Bei den Vereinfachungen, die bei der momentan bestehenden Diisen-,

theorie eingefiihrt sind, wird diese Losung jedoch noch eine Naherung bleiben.

Auf welche Weise auch eine Losung fiir die Aufstellung einer Bedingung ftir minimalen

Energie-verlust gefunden wird, stets wird these Bedingung den folgenden beiden .Forderungen geniigen

miissen:

Die Bedingung minimalen Energieverlustes fiir das System Schraube Diise" wird

bestimmend sein miissen fin das Verhaltnis zwischen der Axialkraft auf die Diise und dem Schub der Schraube, bei dem der optimale Wirkungsgrad des Systems erreicht wird. Stromungstechnisch

ist es ja klar, daB die Diisenform, welche bei einem minimalen Profilwiderstand eine moglichst groBe Geschwindigkeit am Ort der Schraube in der Diise hervorruft, fiir den bestimmten Fall optimal ist. Fiir diesen Zustand wird das Verhaltnis zwischen cler Axialkraft auf die Dilse und dem Schub der Schraube charakteristisch sein.

Die Bedingung minirnalen Energieverlustes fiir das System Schraube-± Diise" Wird

bestimmend sein miissen fiir die radiale Verteilung des Schraubenschubes.

Wenn wir die erste Forderung betrachten, so zeigt sich, daB d.iese wie folgt zu formulieren ist:;

Fiir das Verhalthis der auf die Diise wirkenden Kraft und der Schubkraft der Schraube, wobei der Wirkungsgrad des Systems Schraube Diise" maximal ist, wird gelten miissen

d 0

Wenn wir namlich der Wirkungsgrad bei einer Variation des Verhaltnisses ICsDiise hetrachten,

-rk

sProp-so wird fiir das giinstigste Krafteverhaltnis obenstehende Bedingung gelten, da die Sogzahl der

D-iise d em n direktes MaB für das genannte Verhaltnis ist.

:

= ₁

zu

5.

Ditsen-Wenn wir bedenken, daB der Wirkungsgrad n des Systems Schraube Diise" wie folgt geschrieben werden kann [7]:

(1-8\r

_Ii wd)

a

so wird klar sein, daB diese Gleichung nicht so einfach theoretisch zu Ibsen ist. Es and ija die

Nachstromzahl vd, der Diisenwiderstandsbeiwert Czy, der Schubbeiwert und der Sc

uben-wirkungsgrad i alle abhangig von der Sogzahl Oa.

Da uns jedoch fiir 7 Diisenformen die dimensionslosen Diagramme der verschiedenen

charak-teristischen GroBen fiir das System Schraube Diise" zur Verfiigung stehen, ist wohl, etwas Naheres iiber die Losung dieser Bedingung zu sagen. Fiir eine bestimmte DUsenform geht die

Bedingung

d 0

234 Ergebnisse systematischer Versuche mit Schiffsdiisensystemin.

fiber in die folgende Bedingung:

d n d n

d D d

worin,

nD

V a

Die Losung dieser Bedingung kami mit den angegebenen Diagrammen vollstandig graphisch

bestimmt werden.

Fur die optimalen n-Werte jeder Diisenform ist namlich das Verhaltnis zwischen der auf die Diise wirkenden Axialkraft und dem Schub der Schraube zu bestimmen. In den Bildern 20, 21 mid 22 sind die Od-Werte, bei denen der Wirkungsgrad n optimal ist, iiber Bp aufgetragOn.. In

diesen Oa-Kurven ist deutlich eine bestimmte Tendenz zu erkennen.

Es mu!) in Zukunft moglich sein, bei weiterem Studium des von der Schraube rund um die Diise

erteugten Stromungsfeldes mit Hilfe dieser Daten die Diisenform zu verbessern. Dies ist so zu verstehen, daB die erforderliche Axialkraft auf die Diise bei einem minimalen Widerstantl der

Diise erzeugt wird.

Hinsichtlich der zweiten Forderung :

- Die radiale Schubverteilung der Schraube in der Diise so zü Wahlen, daB der Wirkungsgrad

des Systems Schraube Diise" optimal ist",

ist folgendes anzumerken :

Wenn wir von der Schraube in der Diise erzeugten Stromungszustand rund um die Düsé nur

wenig abhangig von der radialen Schubverteilung der Schraube betrachten, werden die Schwierig-keiten des Entwurfs auf die SchwierigSchwierig-keiten reduziert, die sich beim Entwurf von

Axial-Pumpen-propellern ergeben. I,

Beim Entwurf von Axial-Pumpenpropellern nach der 'Wirbeltheorie geht man in der Hegel von einem Uber die Propellerkreisflache konstanten Druckunterschied aus.

Fliig el [8] leitet jedoch fiir diesen Fall ab, daB auch fiir die Schraube in der Diise nock stets

die Bedingung von Betz gilt : npi ist konstant fiir die verschiedenen Radien.

Versuche mit Schraubenmodellen, welche mit Hilfe der Wirbeltheorie fiir das ,SYstem

Schraube Diise" berechnet sind, miissen mehr Klarheit in dieses Problem bringen,

6.. Einige Anmerkungen iiber den kavitationsfreien Entwurf der Sehraube in der Wise.

NM 32. Gesehwindigkeits- mad Kriiftediagramm gilltig ftir ein Fliigelelement der Sehraube in einer FInse

d 0

Wenn die radiale Verdrangung der Srom-linien klein ist, konnen wir naherungsweise

die Stromlinien als auf Zylinderfla then

gelegen betrachten. Bei Vernachlassigung

der inneren Reibung und der Turbulenz

konnen die Stromlinien dann isoliert be-trachtet werden..

In Bild 32 ist das

Geschwindigkeits-und Krafte-Diagramm gezeichnet, dasi fiir

em FliigeIelement der Schraube in 1 der

Nun 1st worm n ' und 'so .daB Wenn 'Wit-setzen, wird

'Ergebnisse systematischer Versuche mit Schiffsdiisensystemert. 235'

1

dS= p2ar. dr. = z

e V2 Ra cos fit Ili)

4 9z

1

a - (cos pi Ei Sin Ai)

1 7cr 2 e

=

und

1

+ 4-) 1 p (co r =- ) u,..

Diese 'Gleichung bildet einen Ausgangspunkt unserer Rechnung. Vernachlassigen wir vorlaufig k,,

so ist :

also

[(A 24'

z cos (/3i Ey)

r

cos E z F = ,2 r r (reibungslos)1

z F = 2 r et' _{(mit EinfluB der Reibung)}

1 ± e, cotg 1 tg sin tit _e (cor _cu) cu. t ₈₁₎ 2 _{g +} A 7) _{V tg} + et) -tg 1 tg.(flt + ei) 1 + k

Hierin 1st z1 Ptheoretisch A Perforderlieh + PSpaltverlust = 1,02L 4119.

Bei bekanntem c. jet zu berechnen und bei Annahme eines ei-Wertes, der abhangig von der

Profilwahl 1st, ist der k-Wert zu ermitteln. Hier kann c, genau herechnet werden. Bei bekannten

1

cu-Werten 1st es einfach, die fli-Werte und die GroBe von V und e v2 zu berechnen.. Eine brauchbare Formel fiir die Berechnung yob. -1 wird abgeleitet

z 1

p 9 9 e V2 `' 1 (cos ei sin fit)

1

cos 13, Ei sin

worm n x rIR..

Wenn die /-Werte bekannt sind, kann iibergegangen werden ,auf die Bestimmung der

Profilabmessungen und die Kavitationsberechnung.

Bei der Berechnung der Kavitationszahl kann bei bekannter Wassersaule fiber Mitte Welle und bekannter Geschwindigkeit vor und in der Diise der statische Druck im Strahl auf Mitte

Wile mit Hilfe des Gesetzes VQfl 13ernouilli berechnet werden.

1 2 1 _{2 rop)}

(po e)1+ (-2 p, ve

e vp.

Prop.

Als Korrektur fiir die gegenseitige Beeinflussung der Fliigel kann die Gitterkorrektur von Gutsche [1] , [9] angewandt werden.

Eine nach dieser Methode ausgefiihrte Berechnung mit den folgenden Daten fiihrt zu den

untenstehenden Ergebnissen :

Daten D= 6000 mm tr = 5,412 m/sec. It =

sec.

Sges. = 105 000 kg 1 = 0,515 czes. =,0,2532

Bei Anwendung einer bestimmten Diisenform konnen idarin Kmase bestimmt und .4 p berechnet

Werden;

SPropeller Knot KsDuse 105 000

Perforderlich = 22 (1)2 4Tabe) Knot )--'T 62 T u = co r r)2 2 A' Prtheoret. so daB ;Bun ist, aus :

=

= = = 1,75 = 0,96 p V

+

2 r fli = (1 = e

236 Ergebnisse systematiseher Versuehe mit Sehiffsdusensystemen. Bei Anwendung der Diisenform Nr. 3 wird dann

Ptheoretisch = A Perforderhch ± PSpaltverlust = 1,02 APerfordethch = '340°' kg/m2

Aus der weiteren Berechnung nach der besprochenen Methode geht hervor:

DaB vom Gesichtspunkt der Kavitation aus die Fliigelspitze nicht abgerundet wefde

wie es bei Schrauben ohne Diise iiblich ist.

DaB das Fliigelflachenverhaltnis der Schraube mit Diise ungefahr gleich dem Fliige

achen-verhaltnis der Scliraube olme Diise ist. Bei diesem Vergleich ist bei beiden Schrauben der

Durch-messer optimal, so daB bei dem ansehnlich kleineren SchraubendurchDurch-messer bei Anwendurrg

einer Diise the Fliigelflache auch ansehnlich kleiner ist. '1

DaB die radiale Verteilung des ideellen Wirkungsgrades npi, von der Fliigelspitze bis auf 0,5 bis 0,6 R fast konstant ist und danach stark abnimmt Die Methode mit A p gleich konstant

-iiber den Radius liefert also nur an der Nabe Unterschiede zu der Bedingung ij = konstant iiber den Radius. (Betz, Fliigel) [8].

SchlieBlich wollen wir noch einen Vergleich machen zwischen der Wirkung, die von einer Diisenschraube verlangt 1Vhd und dem Wirkungsbereich, in dem bei Pumpen der Axial-Schraubenpumpentyp Anwendung verdient.

Eine von Camerer1.10.1 eingefiihrte,

.spezifische Geschwindigkeit :

n = Drehzahl hi Umdr./min.

Q Kapazitat in gallons/min. H = Forderhohe in ft.

'Physikalisch bedeutet die spezifischeiGeschwindigkeit : Drehzahl/min. bei einer ,Kapa

1 gallon/min. und einer Forderhohe von 1 ft.

Wenn wir die Erdbeschleunigung g mit der Dimension -ftlmin2 einfiihren,, so ist dim Q

ns (g

Nun kann ,abgeleitet werden, daB

7 1,

ns = 2850' se:Pr°P. Kspro 4

spro.

11

die Pumpentype charakteristische GraBe '1st die

DaS Gebiet der spezifischen Geschwindigkeiten, in dem Anwendung Jeiner Axial,Se I

auben-pumpe zu wahlen ist, liegt zwischen n, = 10 000 his 15 000t

Es zeigt sich nun, daB die spezifischen Geschwindigkeiten fiir die Diise haufig viel holier sind.

Aus den Erfahrungen mit Axial-Schraubenpumpen geht hervor, daB in diesem Fall eine nahme der Fliigelzahl giinstig ist. (z = 3 oder 2).

7. Anwendung der besprochenen Diagramme.

In Bild 11 bis 17 sind fiir die untersuchten Diisenformen die, 6-Werte, die n-Werte de-1Diisen-systems und die H/D-Werte iiber Bp aufgetragen und zwar fiir die optimalen Durchmesser und

fiir 5 bis 20% kleinere Durchmesser.

Mit Hilfe dieser Diagramme wird es in den meisten Fallen moglich sin, eine Antw]

auf

die Frage zu geben, ob the Anwendung einer Diise vom Gesichtspunkt des Wirkungsgrades aus zu empfehlen ist, und falls ja, welche Form die Diise dann haben muB.

In den meisten Fallen wird ja beim Entwurf des Propulsionsmittels die Leistung bei einer

bestimmten Drehzahl und einer bestimmten Schiffsgeschwindigkeit gegeben sein. Mit Hilfe dieser,

Daten ist auf bekannte Weise [1] der Bp-Wert zu berechnen.

In Bild 23, 24 und 25 sind far Bp = 25, 50 und 100 die n-Werte des Diisensystems liber

aufgetragen.

- Fur jeden einzelnen Entwurf ist bei dein gegebenen Bp-Wert aus Bild U bis 17 so

it Dia,

gramm zu konstruieren.

Steht uns em derartiges Dia,gramm zur Verfiigung, so ist sowohl bei freier Wahl des

Schrauben-durchmessers als auch bei einem beschrankten Durchmesser direkt zu sehen, inwiew durch

It von nSlos: A kann, worm: = n H)4

Ab-und blflP/7/117/7d-plife

1 2 3 ,,, 41 6 Tn. 7

Bild 33. GroBe des Spalts zwischen FlUgelspitze und Dilsenwand als Funktion des Schraubendurchmessers.

Ergebnisse systematischer Versuche mit Schifesdasensystemen. 237 Anwendung einer Diise eine Wirkungsgradverbesserung erreicht wird und zugleich, welche

Diisenform der Vorzug verdient.

Solange keine weiteren Daten zur Verfilgung stehen, wi d empfohlen, bei Entwurf eines

Diisen-systems mit freier Wahl des Durchmessers eine Verringerung von 5% vorzusehen. Dies analog der bei Einschraubenschiffen üblichen Verringerung des optimalen Durchmessers der Schraube ohne Diise. Wenn bei einer bestimmten Schiffsgeschwindigkeit und einer gegebenen Drehzahl

em n bestimmter Schub, der evtl. aus Schiffswiderstand und Trossenzug besteht, bei freier Wahl des Durchmessers abgegeben werden mull, so ist wie folgt vorzugehen:

Bei einigen angenommenen Werten fiir den Schraubendurchmesser sind sowohl die Fort-schrittszahl A als auch der Schubbeiwert K, zu berechnen.

Mit Hilfe von Bild 4 bis 10 ist es nun moglich, fur die verschiedenen Diisenformen bei gegebenen

und K8-Werten die zugehorigen n-Werte zu bestimmen. Diese n-Werte konnen fiir jede Diise iiber dem Sehraubendurchmesser aufgetragen werden. Aus einem derartigen Diagramm ist dann wieder direkt zu sehen, welche Diisenform die grate Leistungsersparnis ergibt.

Wenn im oben genannten Fall der Durchmesser beschrankt ist, ist direkt der endgiiltige und

K8-Wert zu bestimmen und der 'j-Wert abzulesen.

Solange keine richtigen Daten oder Richtlinien fur die Bestimmung der GroBe des zur Ver-meidung von Kavitation erforderlichen Fliigelflachenverhaltnisses bestehen, wird empfohlen,

in keinem Fall dieses Fliigelflachenverhaltnis kleiner zu wahlen als bei der Schraube ohne Diise. Hinsichtlich der Grae des Freischlages zwischen Fliagelspitze und Diisenwand bei Schiffen ist folgendes anzumerken:

Bei den in dieser Arbeit besprochenen Modellversuchen mit Diisensystemen betragt der Frei-schlag zwischen Fliigelspitze und Diisenwand 1 mm. Es ist hydrodynamisch anzunehmen, dal3 die Spaltverluste, welche zwischen Fliigelspitze und Diisenwand auftreten, abhangig von der

Grenzsclaichtdicke des Diisenprofils am Orte der Fliigelspitze sind.

Um bei Modellen und naturgroBen Objekten relativ gleiche Spaltverluste zu erhalten, wird fiir Modelle und naturgroBe Gegenstande das Verhaltnis zwischen Spalt und Grenzschichtdicke

gleich sein miissen.

Die Formel von von Karm an fiir die Dicke einer turbulenten Grenzschicht lautet : Grenzschichtdicke = 0,37 /Re cc2,

worm n 1 der Abstand von der eintretenden Kante ist, der auch fiir die Berechnung von Re einge-setzt werden mull.

Bei Ausfiihrung der Modellversuche nach dem Froudeschen Modellgesetz ist die Grenzschicht-clicke direkt proportional a°,7 (a = ModellmaBstab).

Die Grenzschichtdicke ist ja : : a (1/72. a)°,2 : : a°,7 .

Also mull der Spalt bei relativ gleichen Spaltverlusten am Modell und naturgroBem Gegen-stand sich auch verhalten wie der ModellmaBstab potenziert mit 0,7. In Bud 33 ist die Spalt-grae als Funktion des

Schraubendurch-messers angegeben. Ausgegangen ist

hier-bei von einem Spalt von 1 mm hier-bei einem to Schraubendurchmesser von 24 cm.

Betrachten wir schlieBlich allgemein die 8 Schiffstypen, urn festzustellen, ob die

An-wendung einer Diise zu iiberlegen ist, so 7

sehen wir :

15

Bei Doppelschrauben-Fracht- und

Passagierschiffen variiert der Bp-Wert mit

einer einzelnen Ausnahme zwischen 10 und 13. Aus Bild 20, 21 und 22 ist direkt 3

zu erkennen, daB die Anwendung einer ₂

Diise vom Gesichtspunkt des Wirkungs-grades aus sicher nicht zu empfehlen ist. Bei Einschrauben-Fracht- und

Passa-gierschiffen variiert der Bp-Wert mit einer

einzelnen Ausnahme zwischen 20 und 33. Bei Bp-Werten von 30 oder holier ist es

empfehlenswert, eine Untersuchung anzustellen beziiglich der Moglichkeit der Wirkungsgrad-verbesserung durch Anwendung einer Diise. Insbesondere verdienen in dieser Hinsicht die

2

zwischen Rigelspllzen

In

-238 Ergebnisse ,systematischer Versuche mit Schiffsdnsensystemen.

modernen schnellen Tanker mit einera Deplacement von 30. 000 t iIftd mehr und Ge

schwindigkeit von V, 17 kn Aufmerksamkeit.

Bei Kiistenschiffen variiert der /3,-Wert zwischen etwa 40 bis 60. Vom Gesichts0 des Wirkungsgrades aus ist die Anwendung einer Diise also hierbei zu iiberlegen.

Alle schleppenden Schiffstypen werden Bp-Werte von 100 und holier haben. Die

wen-wendungsmoglichkeiten der Diise bei diesen Schiffstypen haben sich wahrend der letzten

Jahr-zehnte in geniigendem MaBe in der Praxis gezeigt.

.[

Schlialich wird in Bild 34 das Bp- S-Diagramm der Schraubenserie B 4-55 ohne Diise

wiedeP-gegeben, um schnell einen Wirkungsgradvergleich bei reduziertem Schraubendurchmesser

meg-lich zu machen. 70' 60 50 30 70 72,5 75 7520 B.

Bild 34. B5-5-Diagramra fur die Sehraubenserie 13, 4 55 ohne Dilse:

Vollstandigkeitshalber geben wir bier noch die Form der untersuchten Düsenprofiik in der

nebenstehenden Tabelle wieder.

Die Profile haben eine leicht abgerundete austretende Kante Der Radius des Abru

ungs-kreises an der eintretenden Kante betragt 2,48% der Profillange.

8. SehluBbetrachtungen mit SehluBrolgerungen und einer Vbersieht iiber the in Zuliitintt zu leistende Forsehungsarbeit.

In dieser Arbeit werden die Ergebnisse von Versuchen mit systematisch variierten freifabenden Diisensystemen wiedergegeben.. Mit Hilfe der angegebenen Diagramme ist es moglich:

sich schnell em n Urteil zu bilden iiber die Wirkungsgradverbesserung, die durch Anwendung

einer Diise erreicht warden kann;

das Dfisensystem zu entwerfen, d. h. Bestimmung des Schraubendurchmessers, der giin-stigsten Diisenform und des Steigungsverhaltnisse der Schraube.

Bei Anwendung der in dieser Arbeit besprochenen Ergebnisse muB man sich stets dariiber klar sein, daB die Versuche sich beziehen auf freifahrende Diisensysteme mit der

Schrauben-serie B 4-55. Genau genommen gelten die ermittelten Ergebnisse also ausschlieBlich fiir das

frei-fahrende System und den Schraubentyp B 4-55.

7,2 7,0 46. 0,4` 500 BOO 200 700' 25 30 35 BO 45 50 55 60 76 BO .90 700 725 750 775 200' _

luluUU

miE_NE

o,. 762%,-(

11111=

"MHTIIIIII a

a I

-Mil -'"-

-

rallimil °:61-

57a 4c

--;1,-.-.-a----,...muni 1111 MaTrat-___Irdir mpali ---

i-I

1111i1

iii-=----:-

mi.,

..1... .. . -... SPropeller 'hi

till

_&e.i

opoiri-o-

...$

h..

SPA EF

325,6' N. P45 6 --ft. k n N.D

imppro...,

_../10.41116

/ill

I 1 A= va 2, 5 N = Umo'rehunemin A' --shP (1N) 79 0 - - - - 0/erne/en /17 1, va (7-p)in ,5 Schub th lbs. i II 4/4

1

kgrn/sek)

...00.--.0.1_... ---dil-

igliiil III

e- ; ; 4 0, 0 1

'11'

m.,,,-TA al

II

B 4,-55 Serie ohne glise

einer

=

300 hinum

-Ergebnisse ,systematischer Versuche, mit Sehiffsdnsensystemen 239,

Allgemein konnen folgende SchluBfolgerungen gezogen werden:

Die groBe Wirkungsgradverbesserung durch Anwendung einer Diise bei sehleppenden Schiffen wird in dieser Arbeit deutlich bestatigt.

Mit Hilfe der wiedergegebenen Diagramme kann festgestellt werden, claB bei Bp-Werten

Von etwa 30 und holier die Anwendung einer Diise bei Handelsschiffen zu Uberlegen ist.

Zwischen den von Horn und Am tsberg theoretisch berechneten Nachstromzahlen der thise und den in dieser Arbeit experimentell bestimmten Nachstromzahlen bestehen groBeUnter

schiede. Dies gilt im geringeren MaBe auch fiir die Sogzahl der Dilse.

Im allgemeinen ist der optimale Durchmesser des Diisensystems wesentlich kleiner als der optimale Durchmesser der Schraube ohne Diise.

Vom Gesichtspunkt des Wirkungsgrades aus kann iiber die Diisenform folgendes gesagt

werden: Bei hoher Schraubenbelastung (schleppend) ist em groBes 1/D-Verhaltnis (1/D = 0,833)

zu empfehlen, wahrend bei geringer Schraubenbelastung (freifahrend) die kurze Diise (1/D = 0,50) den Vorzug verdient. EM groBes Wolbungsverhaltnis ,(f/1 = 0,05) des Diisenprofils ist

Fiir den Winkel ai der Diise ist 12,7° em giinstiger Wert.

Die GroBe des Spalts zwischen Fliigelspitze und Diisenwand ist sehr wichtig. Ein vom konstruktiven Gesichtspunkt aus moglichst kleiner Spalt 1st fur guten Wirkungsgrad

Vom Kavitationsgesichtspunkt aus ist es zu empfehlen, die Fliigelspitzen der Schraube breit ausznfiihren.

Probleme,, die bei der weiteren Entwicklung der Dilsentheorie untersucht werden miissen,

a) Die in dieser Arbeit angegebene Methode des Entwurfs der Schraube in der Duse nach der Wirbeltheorie muB im Kavitationstunnel naher untersucht werden. Auf these Weise werden die Wirkungsgrad- und Kavitationseigenschaften dieser Schraubentype beurteilt werden konnen: Zugleich kann untersucht werden, inwieweit die UnregelmaBigkeiten im Stromungsfeld hinter dem Schiff durch die Kontraktion der Diise homogenisiert werden.

Hierzu hat die Niederlandische Schiff bau-Versuchsanstalt em Diiserimodell atis Kunststoff mit einem Innendurchmesser von 42 cm in Ban.

b) EinfluB der Fliigelzahl der Schraube auf den Wirkungsgrad.

c) Untersuchung des Vbergangseffektes des Diisensystems fiir den Zustand hinter dem Schiff, Anpassung der Schiffsform an die Diise.

d) Untersuchungen iiber den optimalen Durchmesser des Diisensystems hinter dem Schiff. Abzissen und Ordinaten angegeben in % der Profillange 1.

Diise 2, 3, 4, 5, 6 Diise 7 Diise 8

e) Untersuchungen -fiber den MaBstabseffekt fiir das Diisensystem. Moglichkeiten fiir these Untersuchung ergeben sich mit dem 22 m langen Modellboot D. C. Endert Jr." und einem Boot zur Ausfiihrung von Propellerfahrtversuchen mit einer Leistung von 30 PS.

NACA 4415" yu/1 Ordinate Unterseite Profil I ..NACA 5415" !, NACA 3415" x/1 Abzisse yo/1 Ordinate Oberseite Profil

yo/1 yu/1 11 you

I H yu/1 o o o

-o

o

-0

1,25 307 - 1,79 3,23 - 1,63 3,91 - 1,95 2,5 4,17 - 2,48 4,38 - 2,27 3,96 I - 2,71 5,0 5,74 - 3,27 605 - 2,96 5,43 - 3,58 7,5 6,91 - 3,71 7,31 - 3,31 6,51 - 4,11 10 7,84 - 3,98 8,32 - 3,50 7,36 - 4,46 15 9,27 - 4,18 9,91 - 3,54 8,63 ' - 4,82 20 10,25 - 4,15 11,01 1 - 3,39 9,49 - 4,91 25 10,92 - 3,98 11,79 - 3,11 10,05 ' - 4,85 30 11,25 - 3,75 12,19 - 2,81 10,31 - 4,69 40 11,25 - 3,25 12,25 - 2,25 10,25 4,25 -50 10,53 - 2,72 11,51 - 1,74 9,55 - 3,70 60 9,30 - 2,14 10,20 - 1,24 8,41 - 3,03 70 7,63 1 - 1,55 8,39 - 0,79 6,87 - 2,31 80 5,55 -- 1,03 6,12 - 0,46 4,99 - 1,59 90 3,08 - 0,57 3,39 - 0,26 2,77 - 0,88 95 1,67 - 0,36 1,83 - 0,20 1 1,51 [ - 0,52 100 (0,16) 1 -(0,16) 0,16 - 0,16 1 0,16 -, - 0,16 giinstig. sind:

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

--

-

---

-

--

-

--

-

_-

-