Experimentetle Untersuchungen der hydrodynamischen Kräfte und Momente
an einem Flüge! eines Schiffspropeflers bei schräger Anströmung
Von Klaus M e y n e und A!fred N o te, Hamburg
349. Mitteilung der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsansta!t
Bei vielen Bewegungsvorgängen von Schiffen werden die Propeller nicht axial angeströmt. Die Schräganströmung kann bedingt sein durch Tauch- und Stampfbewegungen in, Seegang, durch Schiebe- und Drehbewegungen beim Manö-vrieren und bei Schiffen mit mehreren Schrauben durch
Rolibewegungen im Seegang. Außerdem tritt sie bei Fahr-zeugen mit geneigter Propellerwelle (z. B. Schnellboote, Motorboote usw.) und bei Einschraubenschiffen infolge der Hinterschiffsform auf.
Wegen der Cesthwindigkeitskomponente normal zur An-triebswelle eines schrägangeströmten Propellers ändern sich die Ansteliwinkel, die Relativgeschwind'igkeiten und die ört-lichen Kavitationszahlen der Flügelelemen'te beim Umlaul ständig. Als Ergebnisse dieser zyklischen Anderungen erfährt
Abb. 1: Meßeinrichtung zur Untersuchung der Krafte am Einze?fhigel
&cpeilrrsp:lzc
der Propeller eine Verringerung von Schub und Drehmo-ment in einer Hälfte der Kreisfläche und eine Erhöhung in der anderen Hälfte. Die zyklische Anderung des Schubes verursacht ein Moment um eine entsprechende Achse normal zur Antriebswelle und die zyklische Änderung des Dreh-momentes eine Kraft normal zur Antriebswelle.
Für den Propellerkonstrukteur sind die Vorgänge an den einzelnen Flügeln von besonderem Interesse. Er muß die durch die zyklischen Änderungen von Schub und Drehmo-ment bedingten Wechselbeanspruchungen bei der Dimensio-nierung der Flügelsdnitte berücksichtigen. Wenn die zykli-sc1len Anstellwinkeländerungen über den kavitationsfreien Bereich hinausgehen, besteht Erosionsgefahr.
Im Rahmen eines größeren Forschungsprogrammes zur Untersuchung von schrägangeströmten Propellem wurden zunächst die für die experimentellen Untersuchungen benö-tigten Apparate entwickelt und erprobt.
Sodann wurde ein vierfluigeliger Modellpropeller im gro-ßen Kavitationstunnel der Hamburgischen Schiffbau-Ver-suchsanstalt GmbH (HSVA) bei axialer Anströmung und bei Neigungen der Welle gegenüber der Tunnelachse bis zu
12.° untersucht. Es wurden Propellerschub und -drehmoment,
die Querkraft und die Kräfte an einem Einzeiflügel eines vierflügeligen Propellers über einen großen Fortschrittsgrad-bereich bei zwei Steigungsverhältnissen (P/D)07 = 1,0 noci
(P/D)07 = 1,60 untersucht. Es werden Aufbau der Meß-einrichtung, die Ergebnisse in Diagrammform, Bilder von der Kavitationsausbildung und einige Meßschriebe dar-gelegt.
1. Meßeinrichtung
Für die vorliegende Aufgabe, Axial- und Tangentialkraft am Einzelfliigel im Propellerverband zu messen, wurde der folgende Meßaufbau gewählt (s. Abb. 1). Ein zylindrischer Meßwertaufnehmer ist in der Nabe eingespanni und darauf der Meßflügel am Flügelfuß durch einen geteilten Ring be-festigt. Die übrigen drei Flügel des vierflügeligen Propellers sind in ähnlicher Weise auf dem Nabenkörper befestigt. Für die vorliegende Aufgabe ergeben sich wie bei allen
Schwin-5fiùg1 Zgschrauben zur Propr//rrbzfrstgung oprllrrurtle (0th!) Ohr Xdstrkzz,bu,duuq fut wit/p!O5 'Sfl)
gungsmessungen zwei divergierende
Konstruktionsbedingun-gen: einerseits so zu dimensionieren, daß die erwarteten Kräfte große Meßsignale liefern, andererseits aber durch große Steifigkeit des Gebers genügend hohe Eigenfrequen-zen zu erreichen. Im vorliegenden Falle wurde der Meß-wertgeber für große Steifigkeit ausgelegt. Da die sonst ver-wendeten Metallgitter-DMS (K-Faktor = 2) zu kleine Meß-signale liefern, sind Halbleiter-DMS (R 130Q; K-Faktor = 120) mit gutem Erfolg eingesetzt worden. Die Nullpunkt-Konstanz war gut. Die Eigenfrequenz wurde in Luft mit 15G Hz gemessen und wird im Wasser auf ca. 100 Hz geschätzt. Damit liegen die größten Erregerdrehzahlen mit
n = 15 sec' genügend weit von der Eigenlrequenz des
Meßelementes entfernt.Die Anordnung der Halbleiter-DMS entnehme man Abb. 2. Je vier gegenüberliegende Streifen sind zu einer Volibrücke verschaltet. Die Größe der angreifenden Kraft und ihr Hebelarm kann aus den Meßwerten in zwei Ebenen ermittelt werden. Durch die in Abb. 2 verwendete Schal-tung wird eine elektrische Kompensation hinsichtlich Tem-peratur, Zentrifugalkraft, Torsion und Belastung aus der Querridtung erreicht. Um Verfälschungen durch Reibung zu vermeiden, war das Innere der geteilten Nabe nicht ab-gedichtet. Die Halbleiter-DMS und alle Lötkontakte wurden mit Tektyl abgedeckt, das sich auch schon bei anderen Kon-struktionen vollauf bewährt hat.
Schiff und Hafen. Heft 5/1969, 21. Jahrgang 359
N
.1
Abb. 8 zeigt Propeller und Stevenrohr. Am Stevenrohr sind die Meßelemente für die Messung der bei Sthrägan-strömung am Propeller entstehenden Querkraft zu erkennen. Audi hier wurden Halbleiter-DMS in Vollbrückensthaltung eingesetzt, die mit UHU-plus gegen die Außenströmung bündig abgedeckt waren. Die Geber wurden vor und nach der Messung mit bekannten Kräften geeicht. Abb. 4 zeigt die Meßnabe mit aufgesetzten Flügeln und Abb. 5 die Nabe von der Steckerseite. Der Stecker ist an der Innenseite bei den Kontakten mit UHU-plus vergossen und insgesamt durch Rundschnurringe abgedichtet (s. auth Abb. 1). In Abb. 6 sind einige Sdìleifringkontakte bei geöffnetem Ste-venrohrdeckel zu erkennen. Abb. 7 vermittelt einen Ein-druck von Nabe und Meßglied in zerlegtem Zustand.
A -4 U U Mrtte Prapeller-Nelle ßruckenst ron, OLP R N R -í,-c, at.] R
-Ç, - &eçuna aus arr
Inter-e,t,erenden kraftrlchtung
- Temperatur
p, - ranan
- ZenS r,fugal kraft
- 9ntatun2 au, ff,rhtun3
Zur Mear, ebtung
f-le Te/ement - Position der HoIblelterSEreifen und
Verschatlung der Vo1lbrück.
Links: Abb. 2: Mel3element -Posit,on der Faibleiter-streifen und Ve rs cha tu n g der Volibrücke 2. Versuchsdurchführung
Die Versudie wurden mit einem Propeller mit einstell-baren Flügeln durdigefillirt. Die Propellerdaten sind:
D = 355,46 mm z 4 (P/D)07 = 1,0 , einstellbar
AE/Ao =
0,566 x11 = 0,328 redstsgängigWeitere Einzelheiten
entnehme man dem Forsuplan
(Abb. 8). Der Propeller wurde bei den
Steigungsverhält-nissen (PfD)07 = 1,0 und 1,60 untersucht.
Die Messungen wurden im großen Kavitationstunnel der HSVA [3] mit dem Propellerdynamometer für schrägange-strömte Propeller durd-igeführt (maximale Leistung: 30 kW, maximaler Schub: 200 kp). Mit diesem Gerät, dessen sehe-matisehen Aufbau Abb. 9 zeigt, wurden mittlerer Schub und
Abb. 6: Sch!eifringkontakte bei geöffnetem
.' Stevenrohrdeckel
360 Schiff und Hafen, Heft 5/1969, 21, Jahrgang
Abb. 3: Propeller und Stevenrohr. Am Stevenrohr sind die Meßolomente fur die Querkraftntessung zu erkennen
Abb. 4: Propeller. Meßflügel in der 90°-Position
Abb. 5: Propeller von der Steckerseite
Abb. 7: Meßnabe im zerlegten Zustand
Rechts
Abb. 9: Dynamometer zur Untersuchung von schrigangeströmten
Propellorn
Unten links:
Abb. 10: Ergebais des Freitahrtversuches beim Steigungs.
verhältnis (PÍD)1 - = 1,0 und bei verschiedenen
Wellenneigungen Unten rechts:
Abb. 11: Ergebnis des Freifahrtversuches beim
Steigungs-verhaltois (PIO)11_ = 160 und bei verschiedenen
Wellenrieigungen' 0,6 0,2 0.f 0,0 0,? 06 46 V 0.3 0,2 0.1 V 1,0 IOXQ 1(7-0,6 46 xz 0,2 2,0 NIO)v, I 0oar-- .-c
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- -- --x,. D - 35446n,rnz-4
(P/War 00, ei,rstelrncr AE/Ac _ 0566 - Abb.8:Formplan der KSVA-Modellpropellers
t
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.-I - 'I____.
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&ejch*ndagkeslS*tieckC on einem 3/att element n non vier Houplsieitungen tonne indunerte
benoh,oiaaigheitenl lauf dir Saugte/lt gesehen)
mittleres Drehmoment gemessen (Dehnun'gsmessungen in Vollbrückensthaltung) und mit Philips-Kompensatoren regi-striert. Die Propellerdrehzahl wird durch einen induktiven Geber aufgenommen. Der Winkel zwischen Propellerwelle und Tunnelachse kann von 0° bis 12° kontinuierlich verstellt werden.
Die Messung wurde bei
konstanter Propellerdrehzahl und verschiedenen Wassergeschwindigkeiten von 1,90 bis 5,50 m sec durchgeführt.Dabei ergab sich folgender Reynolds-Zahi-Bereich:
Die Kräfte ani Einzeiflügel wurden ebenso wie die Quer-kraft am Stevenrohr mit DMS aufgenommen und die mit
Hottinger-5-kHz-Trägerfrequenzmeßverstärkern angehobenen Meßwerte mit Hilfe eines Honeywell-Visicorders 1508 regi-striert. Um den Brückenabgleich im Wasser zu erreichen, mußte der Regelbereich für die Phase im Hottinger-5-kHz-Trägerfrequenzmeßverstiirker erweitert werden. Die MeO-signale wurden von der dreheniden Welle mit Hilfe von
Phílips-Schleifringbürsten (Feinsilber) aufgenommen; die Sdsleifrïnge selbst wurden aus 1 mm starkem Feinsilberdraht in 13 Windungen um die Welle gewickelt. Diese Konstruk-tion ist dehalb gewählt worden, weil sie sick an anderen Schwingungsmeßgeräten der HSVA gut bewährt hat.
Saherruatusche Darstellung der Vro/le on einem
glolleltmrnl un den v,er Houptntel/ungen.
Abb. 12: Propeller in Schräganstromung
Die Flügelblattposition wurde durch einen elektromagne-tisdsen Geber auf dem Visicorder-Meßschrieb mitgesdirie-ben. Das Signal erscheint dann, wenn sick die Erzeugende
(s. Formplan, Abb. 8 und Abb. 12) in der 9°°-Position be-findet.
3. Versuchsergebnisse 3. 1 Freifahrtergehnisse
Die Versudtsergebnisse sind in dimensionsloser Form wie-dergegeben. Abb. 10 und 11 zeigen die Ergebnisse der Frei-fahrtversudie bei den Steigungsverhältnissen (P/D)07 = 1,0 und 1,60 und bei verschiedenen Neigungen der Propeller-welle zur Tunnelachse von 0° bis 12°. In den Diagrammen sind KT, KQ, s und der Querkraftbeiwert K7 über der Fort-sthrittsziffer J dargestellt. Der Beiwert Kq' wurde dabei aus dem axialen Schub gebildet, während die Fortschrittsziffer J mit der horizontalen Geschwindigkeit vor dem Propeller
er-362 Schiff und Hafen, Heft 5/1959, 21. Jahrgang
sì =
mittelt wurde. Die genaue Definition der Beiwerte i in Abschnitt 5 wiedergegeben.
Eine Korrektur für den Einfluß der festen Begrenzung des Wasserstroms im Kavitationstunnel und eine Maßstabs-effektkorrektur wurden nicht durchgeführt. Aus der Schräg-anströmung ergibt sich am Propeller eine Querkraft Fz, wie sie in Abb. 12 aufgezeichnet ist.
Mit zunehmender Wellenneigung werden Schubbeiwert
KT,Drehmomentbeiwert KQ, Wirkungsgrad und Querkraft-beiwert K7 größer. Um eine Aussage über das Wirkungsgrad-verhalten des Propellers bei Schräganströmung am Schiff zu machen, muß nach folgenden Gleichungen gerechnet werden (s. auch [1]). Für ein Fahrzeug mit geneigter Propellerwelle und nahezu gksttem Schiffboden (Motorboot, Schnellboot u.s.w.) gilt (siehe Abb. 12a):
KTO. COS(2 -K, sinp J
K0, 2-m
wobei tp der Winkel zwischen Propellerwelle und
Horizon-tale bedeutet und KT, KQ, und Kz die Beiwerte bei der entsprechenden Wellenneigung sind. In die obige Gleichung ist die Fortschrittsziffer J einzusetzen, die mit der Geschwin-digkeit am Orte des Propellers in Bewegungsrichtung des
Schiffes gebildet wird.
Beim Einschraubenschiff mit horizontaler Propellerwelle befindet sich der Propeller, bedingt durch die Hinterschiffs-form, ebenfalls in einer Schräganströmung. Wie groß diese Schräganströmung an der jeweiligen Hinterschiffsform ist, kann nur durch eine Messung geklärt werden. So gilt:
KT J
X:
F: tI:
Schiff mit horizontaler
Propellerwelle
T,
caç
Tf
Abb. 12.
wobei auch hier die Fortsthrittsziffer in Bewegungsridstung des Schiffes einzusetzen ist, während die Beiwerte KT und KQ, korrekterweise aus Freifahrtdiagrammen für Schrägan-strömung für die Fortsdìrittsziffer in Anströmrichtung J/cosip zu entnehmen sind. Bei der üblichen Analyse eines Propul-sionsversuches wird das Ergebnis des Freifahrtversudses bei axialer Anströmung benutzt. Der Unterschied beider Wir-kungsgrade ist ein Bestandteil des Gütegrades der
Anord-nung.
3. 2 Axial- und Tangentialkriifte und Angriffspunkt am Ein zelflügel bei Schriiganströmung
Bei Schräganströmung erfährt ein Propellerblatt (während einer Umdrehung) eine resultierende Anströmgeschwindig-keit, die sich ihrem Betrag und ihrer Riditung nach
perio-disch verändert.
Das Führt zu periodischen Schwankungen der Strörnungs-kräfte am Einzelflüge!, deren Frequenz gleich der Drehzahl ist. Die maximale Anströmung und Anstellung (ohne Be-rücksichtigung induzierter Geschwindigkeiten) erreicht der Propeller in der 300_ Position, die minimale in der 900_ Position (s. Abb. 12). In der 6°° und 12°° - Position be-wirkt die Schräganströmung in der Ebene des Geschwindig-keitsdreieckes keine zusätzliche Komponente.
'j-Schiff mtl 5c1e Propellerweile I
SteigiingsverhiiJtnis Prop.-Drehzahl Reynolds-Zahi
n [sect]
Re417 1,00 1,60 15 10 1,8. 10 1,3. 100. r 1.8 10 0,5 (5/0), - 1,0) (P/D), - (6 °.6 (PIS), . )P/Oj,- IS, C 0,5 06 5? 6.8 59 9'. . (Mnnium) Links:
Abb. 16: Dimensionsloser Radius, an dem die
resultierende Kraft aus Schub- und Tangential. kraft an, Einzeiflügel angreift
Mitte:
Abb. 17: Querkraft im Verhaitnis zum mittleren Schub bei verschiedenen Wel!enneigungen q'
l'o 0,9 43 0,7 0,j 0f 0,3 0.2 41 8,5 6.0 0.
Entsprechend 'dem oben genannten ergibt sich
in der
300- Position ein Maximum und in der 900 - Position
ein Minimum der Kräfte. In Abb. 13, 14, 15 und 16 sind nun die bei den einzelnen Steigungen und Wellenneigungen er-haltenen, am Einzeiflügel gemessenen axialen und tangen-tialen Kräfte dargestellt. Dabei wurde die Axi'alkraft dimen-sionslos gemacht mit Tq14, also mittlerer Schub dividiert durch Anzahl der Propellerflügel (in diesem Falle z = 4).
Die Tangentialkraft in Abb. 14 ist dimensionslos gemacht' mit dem mittleren Drehmoment dividiert durch die Flügel-zahl und durch den Radius, an dem die Resultierende aus Schub- und Tangentialkraft am Einzeiflügel angreift. Dieser Radius ist in Abb. 16 aufgetragen. Für den hier benutzten Propeller mit dem Nabenradius von xN
=
0,328 ergibt sich, daß der mittlere Angriffspunkt etwa bei x = 0,6 liegt.In Abb. 15 ist die T'angentialkraft am Einzelflügel noch einmal dargestellt. Sie ist jedoch auf diesem Diagramm dimensionslos gemacht mit dem mittleren Drehmoment bei der entsprechenden Wellenneigung dividiert durch Flügel-zahl mal Radius 0,7 R.
Die Größe der Axial- und Tangentialkraft wächst mit zu-nehmender Schräganstömungf und mit zunehmendem
Fort-schrittsgrad. (P/D),-1,0 6' e IP/O,',, -(0
'ltI
l0 lP/O, .1.6 3'Pos,S,on (Maximum) 0 Poulie,, (lforomum) (0 09,3. 3 Größe der Querkraft bei Schriiganströmung in vertikaler und horizontaler Richtung
Abb. 17 zeigt das Meßergebnïs der Querkraft. Bei Sthräg-anströmung entsteht am Propeller eine Querkraft senkrecht zur Propellerwefle. Diese Kraft ist der Seite entgegengesetzt gerichtet, von der die Propellerwel'le sdiräg angeströmt wird. Eine Änderung des Propellerdrehsinns ändert die Kraftrichtung nicht. Diese auftretende Querkraft muß von den 'vyellenla.gerungen aufgenommen werden. Ihre Größe wächst mit steigendem Winkel der Schräganströmung und mit zunehmendem Fortschrittsgrad. In Abb. 10 und 11 ist Fz dimensionslos gemacht mit dem Staudrudc aus der Um-fangsgeschwindigkeit, entsprechend KT und Ki.
Ist der Phasenwinkel nicht 0,d.h. das Kraftmaximum eilt in der 300 - Position vor oder nach, entsteht eine Quer-kraf t Fy. Diese Kraft konnte nicht ermittelt werden, da die Eigenfrequenz der Meßanordnung in dieser Richtung in der gleichen Größenordnung lag wie 'die Erregerdrehzahlen. 3. 4 Exzentrizität des Sehubes bei Sdsräganströmung des
Propellers
Bedingt durch die bei Schräganströmung eines
Schiffs-propellers
in der 300 - und 9°° - Position auftretenden
unterschiedlichen Strömungsgesthwindigkeiten undAn-0,3 0,9 0.6 0,7 0.9
)P(D)57 Abb. 18: Exzentrizität des Scfiubes bei verschiedenen Wellenneigungen q'
0,5
Schiff und Hafen, Heft 5/1969, 21. Jahtgang 363
.:
,
Abb. 13: Axialtraft am Einzelflfigel bei Abb. 14: Tangentialkraft am Einzelfliigel bei tbb. 15: Tangentialkraft am Einzelflügel (gegen-verschiedenen Wellenneigungen q' verschiedenen Wellenneigungen , über Abb. 14 mit 0,7 R dimensionslos gemacht)
o, 0,1 06 07 0, (PIO),, 0,9 1,0 03 04 '55 309 0? 58 (PIO),., 0.5 0,6 0,7 0.8 0,0 (4/2),, to 03 0,4 0,25 0.20 0,15 0,60 0,05
Abb. 19: Phasenwinkel zwischen dorn Ort der grbßten geometrischen
An-stellung (300 Position) und der Flügelstellung (bezogen auf die
Erzeugende)
steliwinkel tritt eine Verlagerung des Angriffspunktes des Schubes zur 3°° - Position (Steuerbord) bei rechtsdrohen-dem Propeller ein. Bei Anderung der Drehriditung wandert dieser Angriffspunkt nadi Backbord. Dieser Effekt ist schon von mehreren Autoren experimentell [4] u. [11] gefunden und auch theoretisch berechnet worden [1] und [13].
In Abb. 18 ist die Exzentrizität des Schubes bei verschie-denen Wellenneigungen über
(P/D) aufgetragen. Die Sdìubexzentrizität nimmt zu mit wachsendem Fort-sthrittsgrad, mit wachsender Schräganströmung und erweist sich ebenso als abhängig vom Steigungsverhältnis (PID)07 des Propellers.
3. 5 Phasenwinkel
Die bei den Versuchen beobachteten Phasenwinkel für die Axial- und Tangentialkomponente am Einzelflügel sind in Abb. 19 vorgelegt. Die Winkel bewogen sich im wesentli-chen zwiswesentli-chen ß0 und 10°. Der Phasenwinkel ist negativ, das bedeutet, das Kraftmaximum eilt der Flügelblattposi-tion vor.
Dazu soli noch folgendes gesagt werden. Als Flügelstel-lung ist die im Formplan Abb. 8 eingezeichnete Erzeugende gewählt. Der Angriffspunkt der resultierenden Kraft ist aber auch vor dieser Achse (Erzeugende) denkbar. Dadurch würde sich der hier definierte Phasenwinkel verkleinern.
Abb. 21: Steigungsverhältnia (PIO)0 = 1,60
Neigung der Propellerwelle zur Tun'nelachse q' = 90
0,260 n J = 1,01 KT = 0,321 9 0,5,5,0 Abb. 20: Steigungsvarhältnis (P/D)0 1,60
Neigung der Propellerwelle zur Turnetachse = 90
0,338 n
.1 = 0,611
KT 9,509
-Q- Po.,tho
364 Schiff und Hafen, Heft 5/1969, 21.Jahrgang
3. 6 Messung der Kriifte am Einzeiflügel unter Kavitations-bedingungen
Im Anschluß wurden nodi Versuche unter Kavitations-bedingungen gefahren. Als Ergebnis dieser Versuche wer-den einige Skizzen von der Kavitationsausbildung in der
- und der
- Position (Abb. 20, 21, 22 und 23) und einige Meßschriebe (Abb. 24 und 25) vorgelegt. Die Größe der Kräfte am Einzelflügei ohne und mit Kavitation ist nur wenig unterschiedlich, wie die anschließende Tabelle zeigt.Die Meßschriebe zeigen beim Ver assen der 3 - Posi-tion ein Nachsdiwingen wie in [7] dargelegt. Das ist bei allen Schrieben nicht ganz einheitich. Die Sdiriebe sind den Visicorder-Schrieben nachgezeidinet, da diese nicht fi-xiert werden konnten.
4. Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wird über Messungen der Kräfte in axialer und tangentialer Richtung und dea Angriffs-punktes der resultierenden Kraft an einem Blatt eines vier-Hügeligen Modellpropellers berichtet. Die Untersuchungen wurden im großen Kavitationstunnel der HSVA bei axialer Anströmung und bei Neigungen der Propellerwelle gegen-über der Tunnelachse bis zu 12° durchgeführt. Es wurden Schub, Drehmoment, Drehzahl und bei Sdiräganströmung die Querkraft am Propeller gemessen und bei einigen Ver-suchen die Kavitationsausbildung beobachtet. Bei
Schräg-Abb. 22: Steigungsverhaltnis (PIO)0 1,60
Neigung der Propellerwelle zur Tunn.laclrse q' = 90
5 0,223
J = 1,21
KT 0,231
Abb. 23: Steigungsverhaltnis (PIO)0 1,60
Neigung der Propellerwelle zur Tun,elathse = 90
a = 0,219 n J = 1,40 0,139
g-
-rfroko,tatw0) F F.50 F5 Fort- Kay.-Nr.-
schritts- Zahl Tq,/4 4 .-, H ziffer J 93 1,183 1,157 0,095 1,01 94 1,065 1,046 0,111 1,01 0,260 95 1,209 1,276 0,203 1,21 1,609 96 1,199 1,230 0,200 1,21 0,223 97 1,641 1,534 0,426 1,41 1,507 98 1,576 1,500 0,404 1,40 0,219 3-- 05.01., g-- Is.,t=,anströmung treten während einer Umdrehung periodische Änderungen der Anströmgeschwindigkeit und des -Anstell-winkels (Abb. 12) auf, die zu periodischen Kraftschwankun-gen am Einzeiflügel von der Frequenz gleich der Drehzahl führen. Die Kenntnis der Größe dieser periodischen Lasten ist nicht nur wichtig für die Dimensionierung des Wurzel-querschnittes eines Festpropellers oder des Flügelzapfens eines Verstellpropeliers, sondern auch für die Festlegung der Lagerkonstruktion, die die bei Schräganströrnung ent-stehenden Querkräfte und Momente aufnehmen soi1. Diese Effekte der Schräganströmung treten dabei sowohl bei Fahr-zeugen mit geneigter Propelierwelie (Schnellboote, Motor-boote u.s.w.) als auch bei Einsthrauhenschiffen infolge der Hintersdìiffsform auf. /U#/t,t MeOtbene) Ir,- IP/O) . 160- ,,.9 p. 0223; 7_ flf 9__ (PID, 959; . 9 7 (2f (P/Ok, .160; Ç.-9; J. 16f (P/a)4, - 160; r; .02/9 7-940
Abb. 24: Meßschrieb von zwei Versuchen bei Normaldruck und bei
Unterdruck (Kavitation)
Zusammenfassend kann man sagen:
Mittlerer Schub und mittleres Drehmoment werden mit
zunehmendem Neigungswinkel und Fortschrit-tsgrad
größer ais bei axialer Anströmung. Hinsichtlich des Wir-kungsgrades siehe Abschnitt 3. 1.
Durch die Schräganströmung ist das Auftreten einer Q uerkraft senkrecht zur Propelierachse bedingt, deren Größe ebenso mit zunehmendem Neigun-gswinkel und Fortschrittsgrad wächst (s. Abb. 17). Sie ist bei der
vor-liegenden Meßanordnung nach oben, also der Anström-richtung entgegen-gerichtet. Die DrehAnström-richtung des Pro-pellers bleibt ohne Einfluß auf die Querkraftrichtung.
3. Die Einzelkräfte am Flügel bei Sdiräganströmung wach-sen ebenso mit zunehmendem Neigungswinkel q und Fortschrittsgrad. In der vorliegenden Meßanordnung tritt bei rech-tadrehendem Propeller das Kraftmaximum in der
300
-
Position (Steuerhord) und das Kraftminimuinin der 900
-
Position (Backbord)auf. Das erklärt die
Sthubexzentrizitiit, die ein zusätzliches Moment im Wel-ieniager bedingt. Bei iinks'drehendem Propeller liegt das Kraftmaximum auf Backbord. Die bei Schräganströmung auftretenden periodischen Lasten am Einzeiflügei vonder Frequenz gleich der Drehzahl sind relativ erheblich größer als die periodischen Lasten des ganzen Propellers von der Frequenz gleich Drehzahl mal Fiügelzahl an der Propellerwelle (siehe Abb. 13 und 14).
IP/DI,, .1,60; p. Ir; 7.10? 4 . (.,,frne 49r,r) IrA1i9r/9_- '- (P/D,, .1,69 - p .12 7 9.22 -IP/O)«, - 9.60 .ir' 7031
Abb. 25: Meßschrieb einiger Versuche
4. Die gemessenen Phasenwinkel sind klein. Die vorlie-genden Meßergebnisse sollen durch weitere Untersuchun-gen bestätigt werden.
5, Die bei Schräganströmung durchgeführten Kavitations-beobachtungen zeigen ebenfalls den Einfluß der unter-schiedlichen Größe der Anströmgeschwindigkeit und des Anstellwinkels in der -Steuerbord- und Backbord-
Posi-tion. In der 9°° - Position z. B. ist die S-augsei-tenkavi-tation immer geringer. Mit wachsendem örtlichen Fort-schrittsgrad wird die Ausdehnung der Saugseitenkavita-tion kleiner. Das entspricht einer Verringerung der ört-lichen Belastung. Die am Einzelflügel gemessenen Kräfte sind bei Auftreten von Kavita-tion geringfügig kleiner.
(PIO)4, 960; p. f2; 7. 1365
Sn4Tf un
ì4tiirn. Kit 5/lt.
1. JIh!Os?nUIn einer weiteren Arbeit ist geplant, den Versuchsumfang zu erweitern, vor allem auch im Hinblick auf Messungenbei Kavitation und auf die Messungen der hydrodynamischen Flügelmomente. Letztere können bei der hier vorgelegten Meßeinrichtung ohne Verfälsdnmg durch Reibung gemessen werden.
Die Arbeit entstand durch Anregung von Herrn Obering. H. P. Rader (HSVA). Der Deutschen Forschungsgemeinschaft
(DFG), die die Mittel für die Durchführung dieser For-schungsarbeit bereitstellte, sei besonders gedankt.
5. Bezeichnungen:
Symbol Dimension Bezeichnung Definition
D7 . EiAO D [ kp I Ft.ingentj,.. [ lzp I J J P/D)07 - - ] Schubbeiwert Sdìubbeiwert eines schräg angeströmten Propellers
K1
-Q n7 D5 Q,p KQ . - D5 F2 e D4 K0 = e366 Schiff und Hafen, Heft 5/1969, 21. Jahrgang
el2 (2rnD)S(JS/z!+
G. Literatur:
tiI Gutsche, F. : Untersuchung son Schiffsschrauben in sthrgor
An-Strömung. Schiffbauforschung 1964
[ 2 j Bossow, G. : Untenuchung über das hydrodynamische Flugelmoment an Schiffsverstellpropellern. Schiffbauforschung 1962
131 Die neue Kavitationsanlage der Hamburgischen Schiffbau-Versuchs-anstalt. Schiff und Hafen 1961
[41 Graft, W.: Ober den Einfluß ungleichförmiger Anströmung auf die
Schraubenwirkun9. STG 1935
[51 Dathe H. M.: Ober die Verteilung der induzierten
Geschwindig-keiten in der Unilaufebene einer schräg angeströmten Luftschraube
und ihren Einfluß auf die Luftkraftverteilungen und
Blatt-beanspruchungen. Z. f. Flugwissenschaft 1963
[6[ Yamazaki, R.: Ori the Theory of Screw Propellers in Non-Uniform Flows. Memoirs of the Faculty of Engineering Kyushu University,
Fukuoka
[7] y. Manen J. D.: Durch die Schraube erregte Schiffsschwingungen. Schiffstechnik 1966
[81 Lerbs H. W.: On the Effects of Scale and Roughness on Free
Running Propellers. Journal of the American Society of Naval Engineers 1951
Meyne, K.: Experimentelle Betrachtungen zero Maßsiabsetfekt bei Modellpropelleruntersuchungen. Sctiiffstechnik 1968
Husa, E.: An Experimental Investigation of the Dynamic Forces
and Moments on one Blade of a Ship Propeller. Norwegian Ship
Model Experiment Tank, 1967
Wereldsma, R.: Experimental Determination of Thrust Eccentricity, and Transverse Forces, Generated by a Ship Propeller.
Inter-national Shipbuilding Progress 1962
Lerbs, H. und Krohn, J.: Beitrag zur Messung von Schub- und
Drehmomentenschwankungen. Schiff and Hafen 1957
Stuntz, G. R., Pien, P. C., Hinterthan, W. B. und Ficken, N. L.:
Series 60 - The Effect of Variations in Afterbody Shape upon
Resistance, Power, Wake Distribution and Propeller Excited
Vibratory Forces. SNAME 1960
0,49)1 Drehmomentbeiwert eines schräg ange-strömten Propellers Querkraftbeiwert eines schräg angeströmten Propellers Propellerdrehzahl Steigungsverhältnis am Radius 0,7 R Q [mkp] Drehmoment Qq2 [mkp] Drehmoment eines schräg angeströmten Propellers
Re07 [ - - J Reynoldszahl am
e07=
n-D2
/l
Radius 0,7 R= 0,7. .
. 0,75 (P/D) Flächenverhältnis A0 = Propellerdurchmesser Exzentrizität des Sdsubmittelpunktes Axialkraf t am Einzelflügel Tangentialkraft am EinzelflügelQ uerkraft des gesamten Propellers in vertikaler Richtung Fortsdirittsziffer J reduzierte Fortschrittsziffer F7 kp I Schub Schub eines schräg angeströmten Propellers
Angriffspunkt aus der XF = rF resultierenden Kraft
aro Einzeiflügel
dimensionsloser
xc
-Nabenradius
IFortsthrittsgesdìwindigkeit Anzahl der Propellerflügel Wirkungsgrad
KQ 2z
K-1- J
Wirkungsgrad des =
schrägangeströmten Pro- Qq, pellers (s. Abb. 10 und 11)
Eigenfrequenz Kavitationszahl be-zogen auf die resul-tierende Geschwin-digkeit Wellenneigung zur Tunnelachse Winkelgeschwindigkeit
