Beeinflussung des nachstromfeldes durch den propeller

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Von Dr-Ing. H. Sch midt-Stieb itz

81. Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e. V., Duisburg Institut an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

Sonderdruck aus der Fachzeitschrifl ,,Schiff und Hafen"

Jahrgang 18 Heft 9 . September 1966 . Seiten 595 bis 604

Beeinflussung des Nach stromfeldes durch den Propeller

Von Dr-Ing. H. S ch mïdt- StieL i

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81. Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnensdsiffbau e. V., Duisburg, Institut an (1er Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

1.0 Einführung

Die Schwierigkeit, den gegenseitigen Strömungseinfluß von Schiff und Propeller aufeinander in verschiedene Teilwirkungen

richtig zerlegen zu können, wirkt sich nachteilig auf die

ein-wandfreie rechnerische Vorausbestimmung von

Schiffsantriebs-leistungen aus und beeinträchtigt die Möglichkeit, etwa noch Formverbesserungen am Schiff zwecks Verbesserung seiner

Leistungen vorzunehmen. Die gegenseitigen

Strömungs-beeinflussungen können sich auch in Kavitations- oder Schwin-gungserscheinungen zeigen, die sich im allgemeinen außer im

Leistungsabfall durch Materialzerstörung oder Geräusche be-merkbar machen. Auch deren Ursachen sind noch nicht aus-reichend bekannt. Eine Vorstellung von der beträchtlichen

Wirkgröße der arbeitenden Schraube im Nachstromfeld liefern

Unterschiede zwischen Ergebnissen von Widerstands- und Propulsionsversuchen [211 an Modellen mit systematischen Formveränderungen. Während an Seeschiffsmodellen auf tiefem Wasser bisher nur eine Untersuchung von G. Kempf

[81 über den Einfluß der arbeitenden Schraube (Abb. 8 und 9)

2.0 Übersicht über die Versuche

Kanal großer Flachwassertank der VBD, ruhendes Wasser L = 140 m, B = 9,8 m

Turhulenzerzeuger

i mm - Stolperdraht a. Spt. 9

bekannt ist, fehlt etwas derartiges an Flachwasserschiffen gänzlich. Der Grund dafür ist in der erforderlicherweise sehr aufwendigen Versuchsapparatur zu sehen. Um so mehr ist es

der

STIFTUNG VOLKSWAGENWERK

zu danken, diesen Aufwand nicht gescheut und die not-wendigen Mittel für die vorliegende Untersuchung, die sich

vornehmlich auf Flachwasserfahrt bezieht, zur Verfügung

ge-stellt zu haben. Der Neuheit des Versuchsgegenstandes ist es zuzuschreiben, daß ein nicht unerheblicher Anteil der Mittel und nicht zuletzt auch an Zeit in Entwiddungsarbeit gesteckt werden mußte, ehe ein befriedigendes Geräteaggregat

ge-schaffen werden konnte. Im Anschluß an die Versuchsfahrten

hat die Vielzahl der gewonnenen Meßpunkte außerdem eine lange Auswertezeit notwendig gemacht. Nach allen in Kauf

genommenen Verzögerungen ist das vorliegende Ergebnis

aufschlußreich genug, um gebührendes Interesse zu erwecken

und Anlaß zur weiteren Verfolgung der eingeleiteten

Forschung zu sein.

Tiefgang Verdrängung_{= I} ..

Wasserhohe

Geschwindig-keit Prop. Ujrnm.Drehzahl

Versuch a Modell 160 mm 654,5 kg 240 mm 1,04 m/s 1200 b _{280 min} 1,17 m/s 1222 b 400 min 1,35 m/s 1140 Versuch a Schiff 2 m 1285 t 3 m 18,2 km/h 340 C 8,5 m _{14,86 km/h 346} c _{17,15 km/h 323}

Versuch d Modell 160 mm 654,5 kg 280 mm _{Geschwindigkeitsstufe}

0,6; 0,8; 1,0; 1,17 m/s

Versuch e Modell 160 mm 654,5 kg 400 mm _{Geschwindigkeitsstufe} 0,8; 1,0; 1,2; 1,35 m/s Meßfahrten 1. ohne Schraube 2. mit arbeitender Schraube

Versuche ac

5 mm vor Nabenvorderkante, 28 mm vor Blattspitze

Meßebene (A bis H) in den Schnittpunkten eines quadratischen Netzes von 15 mm Teilung

Meßpunkte 160 Meßpunkte (bb und sb)

Versuche d-e 4 senkrechte Meßstreifen,

Meßebenen 8., 4., 5. und 6. Reihe nur auf einer Seite (C, D, E, F)

Modell M 419 ..Johann Welker"

CL = 12,5 Ltia= 6.400 mm, B1 s5 = 756 mm, H = 216 mm

Propeller 129 r D = 136 mm H/D = 0,8 Fa/F 0,55

z =4 mm

n = 1140-1224 U/mm.

d = 22,7 mm 0Xatur 823-346 LT/min. rethtsdrehend

Anhänge Dreiflächenruder

Sonde Dreikanal-Staurohr nach Gutsthe 2 Stück Ubertragung 6 DruckdosenInduktivGeber nach VBD

3.0 Versuchsaufbau

Die Veränderung des Nachstromfeldes durch die arbeitende

Schraube auf flachem Wasser interessiert zunächst an einem

in der Praxis vielbenutzten Typschiff, dem größten für Kanäle

und Schleusen des Rheinstromgebietes ausgelegten ,,Johann

Welker" (Abb. 1). Um die Störeinflüsse durch die

unvermeid-lichen Meßglieder möglichst gering zu halten, sollte eine nur

geringe Verkleinerung durch den Modellmaßstab

vor-genommen werden. Bei einem Maßstab von 12,5 ergibt sich für Versuchsfahrten im 9,8 m breiten VBD-Tank eine gerade

noch vertretbare Modellänge von etwa 61/2 m Länge und eine Modelibreite von 3/4 m. Der Antrieb erfolgte mit einer

rechts-drehenden Tunneischraube. Zweds guter Erfassung der Ver-änderungen des Nachstromfeldes wurde die Meßebene so dicht wie irgend möglich vor dem Propeller angeordnet

(Abb. 2). Die gewünschte Kleinhaltung von Abstand und Rohrdurthmesser führte dazu, das Zylinderstaurohr von Gutsche [41 zu verwenden, das bei drei inneren Kanälen mit

einem minimalen äußeren Durchmesser von 6 mm herstellbar ist. Es gestattet allerdings nur, die Anströmrichtungsänderung

in einer einzigen Ebene zu erfassen. Mit einem horizontalen

mittleren und zwei senkrechten seitlichen Eintrittssc}ilitzen

wurde die Richtungsänderung nur in der Waagerechten

auf-genommen. Die einwandfrei funktionierenden

Zylinder-staurohre wurden in der eigenen VBD-Werkstatt angefertigt.

Abb. 1: Hintersthiff ,,Johann Welker" M 419

Der einem Dreizack-Stern gleichende Innenkörper wurde nach

dem Tauchlötverfahren in dem nahtlosen Rohr befestigt, wo-bei die Lötung über die ganze Innenlänge an allen drei Be-rührungslinien druckdicht sein mußte. Der bei 6 mm Außen-durchmesser und 0,5 mm Wandstärke verbleibende lichte

Einzeiquerschnitt von 6,25 mm2 reicht gerade aus, um

Druck-änderungen am Eintritt unverfälsdit weiterzuleiten. Das Rohr war in dieser Ausführung bei der hier benötigten Länge gegen die auftretenden Strömungskräfte genügend steif und flattersicher. Zwecks schnelleren Durchfahrens der insgesamt

160 Meßstellen (Abb. 12 bis 17) waren zwei Cutsche-Rohre an

einer Traverse in festem seitlichen Abstand (Abb. 4)

vor-gesehen. Sie konnten automatisch in die zehn senkrechten

Meßstellen (Abb. 8 bis 5) verfahren werden. Der Motorantrieb

der Traverse (Abb. 4) erlaubte, über die Kanalmeßstrecke bei einer Versuchsfahrt bis zu 7 Meßpunkte nacheinander zu er-fassen. Zum Bestreichen der übrigen senkrechten Meßstellen

wurde die ganze Traverse jeweils seitwärts (Abb. 8)

um-gesetzt, nachdem der in der Meßebene im Modell befindliche Wasserschacht mit dem Modell auf Tankwasserspiegel

her-untergedrückt und die Bodenventile des Wasserschadstes ent-sprechend umgestöpselt waren. Erst nach Schließen der

Boden-stöpsel der vorauf benutzten Meßebene durfte das Modell in die Normaltrimmlage zurückgebradit werden. Der statische Druck wurde zwei neben dem Modell in gleicher Höhe

ge-fahrenen Drucksonden (Abb. 4) entnommen. Die sechs Druck-rohrleitungen wurden mittels flexibler Kunststoffschläuche mit

den unteren Öffnungen von 6 Druckdosen und die seitlichen Drucksonden mit je einem Sammler für 3 Druckdosen einer Seite verbunden (Abb. 4, 5).

Rechts:

Abb. 5: Ansicht von schräg vorn. Links vorn:

Steigrohr-Wassernzanometer (zwecks Druokeithung), 6 Drudcdosen mit Anschlußsthläuthen, Sammdlleitzsng und Absperrventilen zur

Absicherung des Eithvorganges gegen die Meßsthaltung

60 W06S14, J___'-' \. Staurohrcnordriung Abb. 2 gWL Spt

Abb. 3: Tunnelheth schräg von vorn gesehen. Durch Stöpsel

versthfrncene Bohren gen im. Boden (fir die Zijiinderstaurohre

Abb. 4: Ansicht von der Seite. Geräteanordnung: von achtern nach corn; außenbords mit Drucksonde für Entnahme des statischen Drudcs, Traverse mit Elektromotor, 6 Druc*dosen mit Ansthlußsthläudsen, Steigrohr-Wassermanometer zwecks

Druc*eichung, elektromot. angetriebene Entlüftungspumpe

zum Eichen handbetrieben

3.1 Druckdosen

Die aus früheren Entwicklungen stammenden Druckdosen

erwiesen sich nach den ersten Testversuchen als unzuverlässig und unbrauchbar für die Verwendung bei einer Vielzahl dicht

beieinander liegender Meßpunkte. Bei der Neuentwicklung blieb das Meßprinzip mittels Membran und Induktivgcber

er-halten (Abb. 4 und 5). Für die Druckeichung waren zwei

Steigleitungen mit vorgeschaltetem Sammler (Abb. 5)

be-stimmt. Sowohl die Wassersäulenunterschiede als auch die Ent-lüftung der Druckdosen und -leitungen besorgte eine motorisch

betriebene Pumpe (Abb. 4). Die während der Meßdauer an-haltende Bläschenfreiheit in dem wasserführenden Netz war

Gewähr für absolute Dichtheit. 3.2 Meßwertregistrierung

Dic durch Membranausschlag hervorgerufenen Induktionswerte wurden über Meßverstärker auf das Schreibgerät -Visicorder - gegeben, das mit Lichtstrahl auf lichtempfind-lichem Papier bei sofortiger Selbstentwicklung arbeitet. Die Kennung der sechs Schleifen wurde auf dem Papier mittels

automatischer und handgesteuerter Unterbrechung vor-genommen. ta,,slt ,nt ils Orehmomentenschwankung en 30 20 ¡0 Erz frachter: Prop el/er: Schubschwankungen H0 il10, 7g 167.8m. B r 21.hm. Tr 9.15m c$' r 0.78 . D r 26100 tons Troost B - Serie D r 5.3dm z r Flügelneigung 100 H0r ¿.17m H/fl r 0780 H1 r 3.35m H/fl r 0.627

r 0.96

n r

L'O -120 Abb. 7

4.0 Durchführung der Versuche

Un den Vergleich zu früheren Nachstromtnessungen am

Modell vom Typschiff ,,Gustav Koenigs" bei nicht arbeitender

Schraube [3] zu haben, wurden die drei damals verwendeten Wasserhöhen Hw = 3, 8,5 und 5 m hier übernommen. Im

Vorversuch wurden Widerstand und Leistungsbedarf des

Modells ermittelt (Abb. 10 und 11). Die Betriebspunkte zum

Aufmessen des Nachstroms

auf den

drei verschiedenen

Wasserhöhen bei 2 m Tiefgang wurden für gleiche

Antriebs-leistung von 650 PS ausgesucht. Es ergaben sich auf 5 m

Wasserhöhe eine Geschwindigkeit von 17,15 kin/h, auf 8,5 m 14,86 km/h und auf 3 m eine solche von 13,21 krnlh, wie sie

im praktischen Schiffsbetrieb auch gefahren werden. Der

Ein-fluß vergrößerten Tiefgangs konnte wegen der gegenüber dem Antrag gekürzten Mittel nicht mehr untersucht werden.

¿1mgezafchne/

ats: [f3]

0H. Norr,e, J. H Few/er Ful! Scolo Measurement cf Force Fluctuations

and virtual Inertia of Propellers

Quarterly trooscct,ons of ¡lie Royel I NA . 0cl 65, Vo! 07, Nf H0

H. 7g

Abb. 6: Wirbelzopf am rückwärts fahrenden Bojenleger

,,Mizan" (Beschreibung in HANSA 1963, Seite 1191)

Abb. 8: aus [8] Einschrauber H85

Prozentuale Gesthwindigkeitsänderung der axsialen Sito mnngsko mponenten durch den Propeller

Abb. 9: aus [8] siehe Abb. 8 Zweisthrauber H = no

Bei den Meßfa}irten für die Meßebenen A bis H wurden die zu den obengenannten Werten gehörenden Meßwagen-geschwindigkeiten und die Propellerdrehzahlen konstant ge-halten. Die Auswertung des Registrierpapiers konnte erst am

Schreibtisch vorgenommen werden, da insbesondere die

w 5000_U] 4000 .3000 ,JOIIANN WEU(ER 2000 WIOERSTANDSMESS UNO 1< V _Lk'hJ Abb. 11

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GES CN WLNDI000/TSZERTE/LUNO REZaSEN AL/F SCHIFFSGOSCNW

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OCSCWINOIO/CEITSYEÑ CE/LUNG BEZOGEN AUF SCHLFESUESCLUV

MODELL ORNE PROPELLER

MODELL OHNE PROPELLER

MODELL OHNE PQO.PELLER

Abb. 12

Abb. 13

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GEscwoAo,00r,rsvaSrE,Lo.'o

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BEZOGEN AUF SCHIFFSGESCHW

N_. 3.R,

Abb. 14

Abb. 15

Richtungskomponente erst nach Gutsdie [4] errechnet werden

mußte. Sowohl Kennung der sechs einzelnen Meßwerte auf

dem Registrierpapier wie Ablesen und Auswerten erforderten

zeitraubende Kleinarbeit. Auf den beiden Wasserhöhen 3,5

4nkORg

430 R c,,q JOHANN WELKEP LE/5TUNGSMESSUNG 323 '0

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MODaL NU

ARBEL rENDEN PCREUEN

und 5 m wurde für einen auf dem Schrauberikreis liegenden Meßstreifen (C bis F) auch noch die Veränderung des Nach-stromfeldes bei drei kleineren Geschwindigkeiten untersucht.

5.0 Ergebnisse

5.1 Isotadien

Die Ermittlung der örtlichen Anströmgeschwindigkeit so-wohl der Größe als auch der waagerechten Richtung nach wurde in der von F. Gutsehe [4] angegebenen Weise vor-genommen. Aus den Werten der netzartig verteilten Meß-stellen ließen sich die Isotachen (Abb. 12, 18, 14, 15, 16, 17) zeichnen, deren Wertangaben auf die Modellgeschwindigkeit bezogen sind. Es wurde also audi für die Meßfahrten ohne Anwesenheit des Propellers (Widerstandsfahrten) nicht wie allgemein üblich die Nachstromziffer [3], sondern die Größe der verhältnismäßigen, örtlichen Geschwindigkeit beziffert. Für die Ermittlung der Propellerwirkung braucht also nur die Differenz zwischen den Propulsions- und Widerstandswerten

gebildet zu werden (Abb. 18, 19, 20). Die hier ermittelten

Abb. 16

Nachstromfelder bei nicht arbeitender Schraube ähneln denen

des ,,Gustav Koenigs" [3] sowohl in der Größe als auch im Verlauf, wenn man berüdcsichtigt, daß dort Nachstromwerte

und hier auf die Modellgeschwindigkeit bezogene örtliche

Ge-sdiwindigkeiten aufgetragen sind. Unverkennbar ist der Ein-fluß der Wasserhöhe auf die relative Dichte der Isotachen. Ausgedrückt im Gefälle für einen Isotachensprung von A v/v = 0,25 kann man in erster Näherung ein über dem

Wasser-höhenverhältnis geradlinig ansteigendes Gefälle (Abb. 21) mit

guter Einordnung der Tiefwasserwerte (Abb. 24, 8, 9 [8]) vermerken, wobei die Werte mit arbeitender Schraube etwa

den doppelten Betrag von denjenigen ohne arbeitende

Schraube aufweisen. Die aus der Differenz dieser beiden Isotachen resultierende Wirkung der Schraube liegt

wert-mäßig zwischen ihnen. Das Wasserhöhenverhältnis der Abszisse gibt in erster Näherung die

Unterkielübergeschwin-digkeit infolge der Querschnitteinengung wieder. Es ist also

einleuchtend, wenn das Isotachengefälle etwa linear mit dieser Ubergeschwindigkeit wächst. An den Linien (Abb. 12 bis 17)

und [3] fällt gegenüber denen von Nachstromversuchen auf tiefem Wasser an Seeschiffen [8], [9], [12], [14] bis [18] als wesentlicher Unterschied auf, daß auch Linien gleicher

Ge-schwindigkeit in sich geschlossen sind. Wenn dies ringförmig

im Anstieg zu den Nadibarlinien vor sich geht, so ist bereits

in [7], die eine Untersuchung an einem speziellen, kantig

ausgeführten Tiefwasserschiff darstellt, die Vermutung aus-gesprochen worden, daß es sich um Schnitte von Wirbeln handelt. Auch schon in der voraufgegangenen Flachwasser-untersuchung [3] treten derartige Ringlinien auf. Man kann im Schraubentunnel auf einer Symmetriehälfte meistens zwei solcher Gebilde beobachten, wovon das obere, zur Mitte ge-legene maximale örtliche Geschwindigkeiten und das untere, weiter außen, etwa bei 0,8 r des Schraubenkreises gelegene minimale Geschwindigkeiten aufweist. In [7] ergeben sich durch kantige Spantausführung gegenüber der Normalform Widerstandserhöhungen, deren Größenordnung in einer dort ausgeführten tJberschlagsrechnung mit der Wirbelenergie in

Zusammenhang gebracht wird. Das paarweise Auftretenvon

Wirbeln deckt sich mit der in [19] gebrachten Überlegung, daß ein einziger Wirbel für sich in der Natur nicht bestehen kann, da seine Energie unendlich groß werden würde. Auch im Nachstromfeld der Propulsionsversuche (Abb. 15 bis 17) sind zwei Wirbel zu sehen, die bezüglich der zugehörigen

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GO'SCWMAOSGBOSTS VEO TEILUNO

BEZOGEN AUF SCN(FFSGESCNW

MODELL MIT ANBEI TENDEH FROPaLER

N V0p_ V0p VM H,, 3.Om Vs 22km/n H ___B._ .3.0 Abb. 17

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Abb. 18 Abb. 19 Abb. 20

Geschwindigkeiten in gleicher Weise wie beim reinen

Wider-standsversuch gestaffelt sind (Abb. 12 bis 14). Ihre gegen-seitige Entfernung voneinander ist aber bei gleichen äußeren Bedingungen größer als bei der Widerstandsfahrt (Abb. 22).

VmPVoP VM

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Jsotacha,gafùlle -Abb. 21 th rRPJ GSRhRuiffdigki7RrnøXfrnW - 7,57

2

Abb. 22: Wirbeverlagerung durch den arbeitenden Propeller (siehe Abb. 12-17)

1.0 I.e 2,2

Abb. 23: Gesdswindigkeitsgrenzen der auf flachem Wasser

einsetzenden Propulsionsuersthlethterung

nach Versuthswerten. Aus [20]

0,58 -0.77

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I 3' is(egriRrt 1/ - - - gwazes MfJfeId / '1 8 u

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Die arbeitende Sthraube drückt also offensichtlich das

Wirbel-7f0ç paar auseinander [101. wobei sich die Wirbeischnitte des

'f af unteren Wirbels mit flacher werdendem Wasser weiter von

der Schiffsmittelebene entfernen. Dabei kommt der bei der Widerstandsfahrt noch innerhalb des Propellerkreises zu be-obachtende Wirbel in der Propulsionsfahrt außerhalb von ihm zu liegen. Es ist bekannt, daß extrem hohe Flüssigkeits-geschwindigkeiten im Wirbelkern entweder zur Rotation wie ein fester Körper oder zur Hohiraumbildung in Kemmitte

Pr'p" führen können. Die Ablenkung eines solchen

hohlraum-behafteten Wirbels um die Propellerspitzen ist der

Ab-weisung von kleinen gasgefüllten Ballons urn die Propeller-kreisebene eines Flugzeugs vergleichbar, dessen Führer sie mit dem Propeller zu rammen versucht. So wie in [7] das Auftreten von Wirbeln mit einer Widerstandserhöhung

kon-form ging, ist umgekehrt im Flachwasserfall durch etwa

mög-liche Verhinderung von Wirbelbildung ein Widerstandsabfall

zu erwarten. In [20] sind die Grenzen plötzlicher Propulsions-verschlechterung auf flacher werdendem Wasser ermittelt

worden, die sich für ein festes Längen-Tiefgangsverhältnis zu höheren Froudeschen Tiefenzahlen (Abb. 23) hinziehen. Diese

Beobachtung würde sich mit der hier angestellten dedcen, wonach auf flacher werdendem Wasser die Wirbelstörungen aus dem Propellerkreis herausgedrückt werden und damit der Schraubenwirkungsgrad besser werden muß. Die Wirkungs-linien der arbeitenden Schraube - gebildet aus der Differenz der Isotachen von Propulsion und Widerstand - zeigen in

Abb. 18 bis 20 eine fast gleiche Ausrichtung der

Verbindungs-linie der Wirbelachsen. Auf tieferem Wasser ist nur ein sehr

¡ schwaches Gefälle (Isotachenabstand groß) (Abb. 21)

erkenn-bar, das zu kleiner werdender Wasserhöhe bei gleichzeitiger

/

Abzeichnung von Wirbeln zunimmt (Isotachenabstand kleiner).

Widerstandsanstieg auf flachem Wasser

3

l__

va,-rg

Abb. 24

Úber dn fluhewasserspiegel crhohenes Valu mer' der vorlaufenden Weite

2 aus [20] 4. Abb. 25 4 bei

J-0,7

- - Mu.dall 42? 422 351

Sehr aufschlußreich ist die Mittlung des durch die Schraube bei Sh = 0,7 übertragenen Impulses (Abb. 24). Sie ist erstens nur für die Schraubenkreisehene und zweitens für die ganze Meßebene durchgeführt und das Ergebnis über dem

Wasser-höhenverhältnis aufgetragen worden. Bei einem Wasserhöhen-Hw

verhaltrns von - 1,66 ist die mittlere

Geschwindig-Hw - Tg

keitserhöhung durch die Schraube gegenüber der

Modell-geschwindigkeit 30 bis 400/0 _{und steigt bei}

Wasserhöhen-verhältnissen von über 2 auf Werte von 100 bis 140 e/o, ohne darüber hinaus weiterzusteigen. Aus dem einzigen in der

Literatur gefundenen Tiefwasserversudì von G. Kempf 8]

(Abb. 8 u. 9) lassen sich für einen Einschrauber 25 /o und für

einen Doppelschrauber 17,5 /o errechnen. Diese Werte ordnen

sich recht gut in die hier vorliegende Reihe ein (Abb. 24). In der Auftragung sind die Abszissenwerte des Wasserhöhen-verhältnisses, wie in [20] gezeigt, in erster Näherung auch als

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4 -s 2 If vV=f(vb) _{acts [20]} 1,4 f,8 2,2

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1-o 2 o

ANSTROMDESCHWIINDIGKEITEN MO

-RICHTUNGEN, 90 GEKLAPPT Is,,, R2N,/6

MODELL DONE PRKPELLER I -25,4 k"/h H,,. 30m _n '42 km/h

H,,

- 79

IO_

Maß der Unterkielübergeschwindigkeit aufzufassen, während die als Ordinatenwerte eingetragene Wirkung der Schraube als Impuls gedeutet werden kann. In [20] ist eine Beziehung für den aus diesem Impuls herleitbaren Schiffswiderstand auf flachem Wasser aufgestellt worden, die mittels Exponent der

gesehwindigkeitsabhängigen Funktion ausgedrückt ist (Abb. 25). Der Exponent wächst mit flacher werdendem Wasser

von etwa 2,5 bis nahezu 4. Trägt man solche Funktion bei-spielsweise durch den Kurvenpunkt bei dem Abszissenwert 2

ANSTROMGESCHWINSICKCITEN UND

-RICHTUNGEN, 9O GEKLAPPT , IcmS2m/s MODELO OvINE PROPELLER N_A 25,1s ksm/, H,,,..75h, 5'.l49 v,,,Js

ANSTROMUESC,HWINOJGKEITEN UNO

-RICHTUNGEN 90' OEKLAPPr 15m 52m/s MODELL OHNE PROPELLER -1

H,,.00 lNIT2k,,,/h

Abb. 26

-I- \

Abb. 27

Abb. 28

auf (Abb. 24), so nähert man sich in dem links davon ge-legenen Kurvenzug diesen Anstiegsneigungen. Das scharfe Abbiegen der vorliegenden Versuchswerte von den

Hills-kurven oberhalb des Wasserhöhenverhältnisses von 2 ist

identisch mit Auswertungen einer anderen Impulserscheinung auf flachem Wasser [20], der sogenannten vorlaufenden Welle (Abb. 25). Die Aufmessung des über dem Ruhewasserspiegel

erhobenen Volumens bei 511 = 0,7 weist bei einem

Wasser-höhenverhältnis W = 2 ein Minimum auf, nachdem

Hw - Tg

die Kurven zu höheren Abszissenwerten steil ansteigen.

Über die Beobachtung von Wirbelzöpfen im Nachlauf von

Fisthereifahrzeugen berichtet W. Möckel [11]. Sie entwickeln sich bei manchen völligen Schiffen von der Kimmrundung her

und reißen zeitweilig ab, wodurch die Kursstetigkeit dieser Schiffe nachteilig beeinflußt wird. Der Verfasser hat Wirbel-schläuche bei der Rückwärtsfahrt des in Hansa Nr. 12/1963 veröffentlichten Bojenlegers ,,Mizan" bildmäßig festgehalten

(Abb. 6), die keinesfalls ihre Herkunft

Kavitationserscheinun-gen an der Schraube verdanken. Aus dem Mosaik von

Er-ANSTROMOESCKWINLLGKEITEN UND

-QCHTONOH'N 90' GEKLAPPT Is,n.2,,,/6 '-"L

MODELL LIII ARBEITENDEM PROPELLER 20 ',k»/H

TMw= 20m U5 I3,25m/h J 7/ J

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t t It. _. It . I I i Abb. 29 ANSI'RMGESCHWINDIUKEITEN UND 1-" -RICHrUN0EN 90' GEKLAPPT k,flS2mJS 254 Pm/h

MODELO MITARBEITENDEM PROPELLER

H,,.3,Sm 3I0,9 5mTh

Abb. 30

ANSTROMOESCHWINOIGREITEN UND

I-'

-RICHTUNGEN 90' GEKLAPPT 15m 92m/s 25,Nk,,,/p

MODELL MIT ARBEIrENDESI PROPELLER H,,.5,Om I',. IT2Lm/h

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Abb. 31

gebnissen vieler verschieden gerichteter Versuchsreihen läßt sich letzten Endes ein Bild von den verwickelten

Strömungs-erscheinungen am Flachwasserschiff mit arbeitender Schraube

herstellen. In diesem Zusammenhang sei auch auf das

Er-gebnis von Heckabwandlungen zwecks Minderung der

Heck-welle hingewiesen [21]. Sie brachten keine nennenswerten

Widerstandsgewinne, solange an der Tunnelform festgehalten

wurde. Erst die Anwendung eines Schutenhecks hatte echte Erfolge zu verbuchen, woraus nach der oben angestellten

Untersuchung eine Bestätigung dafür vorliegt, daß die

Tunnel-form zwangsweise Wirhelzöpfe zur Folge hat, die durch An-wendung einer Schutenform entweder aus dem Schrauben-kreis oder vielleicht ganz verbannt werden können.

ÄNDERUNG DER ANSTRDNPICHIUNU UND GESCIILKINDLGIII DII DURCH DEN ARRE/rENDEN PROPELLER

3Dm, .122 Urn/U

H Tg

Der Tunneleinschnitt erschwert auch Aussagen über die

Verteilung der turbulenten Grenzschichtdicke am Heck. Nach

Schlichting berechnet sich für die kleine Wasserhöhe eine Grenzschichtdicke - hier als Bezugsmaß der Propellerdurch-messer gewählt - von etwa 0,8 D und für die große Wasser-höhe eine solche von 0,75 D. Allerdings ist hierbei nicht zu übersehen, wie weit die Grenzschicht durch den arbeitenden

Propeller vermischt wird.

ÄNDERUNG DER ANSTRDIPRICHTUNG GESCHNINDIRKEIT DURCH DEN ARBEITENDEN PROPELLER

Hw.25rn I- 149 km/II

ÄNDERUNG DER ANS TROMRICHTUNG UND -GESCH/RINDIDKEIT DURCH DEN ARÛE,rENOEN PROPELLER H.5Om L.I72km/h /67

'o

UNO Abb. 32 Abb. 33 Abb. 34 .MII PROPELLER

OHNE 90 GELL APPT

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tilt PROPELLER 2' cm? 2 mr .-__. 254 9O GEKLAPPT 10mO 2 rn/S 1II 254km,4, 90 GEKLAPPT lcrnt 2 ni/s

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!' J .J . V V V Y

Gleichzeitig durchgeführte Maßstabsversuche eines anderen Auftrags [22] lassen auf einen Einfluß der Welleneigen-geschwindigkeit schließen. Für die gefahrenen

Modell-geschwindigkeiten auf der mittleren und großen Wasserhöhe ergeben sich Wellenlängen von 0,125 L und 0,2 L und damit

Wellengeschwindigkeiten von der Größenordnung der Modell-geschwindigkeit.

5.2 Strömungsriditung

Für den Fall des geschleppten Modells sind trotz der ge-raden Anströmung und symmetrischer Modellausführung leichte Unsymmetrien im Strömungsbild nicht zu übersehen (Abb. 26 bis 28). Die Richtungspfeile aus der horizontalen Meßebene sind in die Zeichenebene geklappt. Besonders auf

den beiden kleineren Wasserhöhen (Abb. 26, 27) sind die ört-lichen Geschwindigkeiten auf der Backbordseite größer als auf der Steuerbordseite. Diese Ungleichförmigkeiten sind auf 5 m Wasserhöhe (Abb. 28) nahezu ausgeglichen. Die örtliche

Strö-mungsgeschwindigkeit ist im Tunnelbereich bis zur Kiellinie

auf den kleineren Wasserhöhen sehr klein. Erst außerhalb des Tunnelbereichs und unterhalb der Kiellinie nimmt die örtliche

Geschwindigkeit Werte in der Größenordnung der Modell-geschwindigkeit an. Innerhalb des Tunnelbereichs ist auf den

kleineren Wasserhöhen eine konvergierende

Strömungs-richtung und unterhalb der Kiellinie eine divergierende zu verzeichnen. Auf 5 m Wasserhöhe ist innerhalb des Tunnel-scheitels trotz der Konvergenz der Tunnelquerschnitte eine

Divergenz der örtlichen, nicht gerade kleinen

Strömungs-komponenten vorhanden. Es ist deutlich der Einfluß der

Tunnelkante spürbar. Von ihr zieht sich etwa ellipsenförmig zu Mitte Schiff ein Grenzgebiet mit minimalen örtlichen Ge-schwindigkeiten. Bei arbeitender Schraube (Abb. 29 bis 31) sind die örtlichen Geschwindigkeiten auf allen Wasserhöhen erstens größer und zweitens durchweg konvergierend. Das Grenzgebiet mit kleineren Komponenten tritt nicht ganz so prägnant wie bei geschlepptem Modell auf, wohl aber

be-züglich der Konvergenzstärke. Außerhalb dieser von der Tunnelkante ausgehenden, ungefähr ellipsenförmigen Grenze ziehen sich die Stromfäden sehr viel stärker zur Mitte hin

zu-sammen. Die Strömungskonvergenz innerhalb des

Schrauben-kreises nimmt von I-lw = 3 auf 3,5 in nur wenig, aber bis 5 in Wasserhöhe ganz beträchtlich zu, während sie außerhalb des Schraubenkreises auf den kleineren Wasserhöhen keine ein-deutige Veränderungstendenz aufweist. Bei dem Ubergang von Hw = 3,5 auf 5 m ist die Zuströmung zur arbeitenden Schraube im ganzen Meßfeld mehr von der Backbordseite

her gerichtet.

Die Veränderung der Strömungskomponenten nach Größe

und Richtung durch die arbeitende Schraube erkennt man sehr

gut auf den Abb. 32 his 34, wo die Schraube auf Hw = 5 in bei gleichzeitig geringer zunehmender Geschwindigkeit

Di-vergenz in Konvergenz umwandelt und wo sie auf den kleineren Wasserhöhen (Abb. 32, 33) bei kleiner Richtungs-änderung der Stromfäden gleichzeitig eine erhebliche

Ver-größerung der örtlichen Geschwindigkeit hervorruft. J. Krohn folgert in der Untersuchung [10] eine Vergleichmäßigung des

Nachstromfeldes durch den arbeitenden Propeller. 5.3 Einfluß zunehmender Geschwindigkeit

Sehr anschaulich zeigt der beschränkte Ausschnitt (Abb. 35, 36), wie sich die Anströmverhältnisse durch zunehmende

Ge-schwindigkeit ändern. Während im Falle nicht arbeitender Schraube die Geschwinclïgkeitsvektoren nur wenig wachsen,

ist ito Bereich außerhalb des Schraubenkreises bei arbeitender Schraube eine stetige und starke Zunahme zu verzeichnen. Die

Wirkung der arbeitenden Schraube, ausgedrückt durch die

Differenzgeschwindigkeit, ist für zwei Vertikalschnitte

(Abb. 37 bis 39) ermittelt worden. Man erkennt in beiden Darstellungen deutlich den Abfall der Werte außerhalb des Schraubenkreises. Wenn auch die Einzelkurven mitunter in Schlangenlinien verlaufen, so ist doch die Tendenz eines An-stiegs zur Tiefe hin bis zum Propelleraußenrand im Schnitt C zu erkennen. Die S-Schlagform kann natürlich auch durch etwa zufälligen Anschnitt eines Wirbels hervorgerufen sein. Mit zunehmender Wasserhöhe tritt eine Vergleichmäßigung der Einzeiwerte ein. Besonders auf der großen Wasserhöhe

(Abb. 38) macht sich an den untersten Meßpunkten eine Wert-zunahme infolge der Unterkielströmung bemerkbar. Wie weit

die errechnete Breite der turbulenten Grenzschicht mit dem Abfall der Werte bereits innerhalb des Propelleraußenrandes in Zusammenhang zu bringen ist, bedarf weiterer Unter-suchungen. Die Zunahme des Isotachengefälles mit ab-nehmender Wasserhöhe (Abb. 21) wie die mittels Propeller-nathstrom bzw. vorlaufender Welle [20] nachgewiesene Im-pulszunahme haben sicherlich auch noch Einfluß auf weitere

Begleiterscheinungen wie z. B. Geschwindigkeitsschwankungen

in der Strömung. Wenngleich an Propeller und Welle ge-messene Schub- und Drehmomentschwankungen bislang

ur-sächlich nur mit den wechselnden Anströmungen des Propellers

beim Durchgang durch die Stevenebene in Zusammenhang gebracht wurden, so scheint sich dem Verfasser nach den bei

Ans! rdmgeschwindigkeit en der Mefjebene

MW-260m,,; Dì. u.s,hw,,uigk.,rs,.kio,.h 37000m 90 ,, k. M.0.b.,. g.kioppi.

W:*flPofld-0.5,,,' i3Oms.,' - 72,7k,,,/, F 9ì3Ofl

-'0

verschiedenen Wasscrhöhenverhältnissen [13] gemessenen Schub- und Drehmomentensdiwankungen eine Kurventendenz (Abb. 7) abzuzeichnen, die auf Zusammenhänge mit den oben beschriebenen Flachwassererscheinungen sdìließen läßt.

6.0 Zusammenfassung

Die bisher nur an einem Ein- und

Zweisdìrauber-Seesdiiffs-modell auf tiefem Wasser gemessene Nachstromwirkung bei

arbeitender Schraube (Abb. 8 und 9) wurde hier für das

Flach-wasser-Typschiff .,Johann Welker" auf drei verhältnismäßig

kleinen Wasserhöhen ermittelt. Die sich daraus sowohl für die

spezielle Tunnelform als auch in allgemeiner Richtung

ab-zeichnenden

Ergebnisse gehen über den

beabsichtigten

Rahmen hinaus und zeigen sehr deutlich, daß mit der hier entwickelten Meßapparatur breit streuende Meßreihen unter Variation sowohl der Schiffsform als auch der Wasserhöhen-verhältnisse fortgesetzt werden sollten, um die Strömungs-beeinflussung durch den Propeller noch besser kennen-zulernen und weitere Erkenntnisse gewinnen und

Voraus-sagen bei neuen Schiffsentwürfen sichern zu können.

Für die hervorragende technische Geräteentwiddung dankt der Verfasser ganz besonders Dipl-Ing. Peter Büchel, für die mühevolle genaue Auswertung und Organisation der Meß-fahrten gilt der Dank Dipl.-Ing. Dieter Spruth.

7.0 Schrifttum

[1 j Baker, G. S. Mitsfrom und Reibungsgürtel am Schiff

Schiffbau 1930, S. 421

[2] Brehme, H. Ein Beitrag zu don Eigenschaften eines Schiffsprapellers Im inhomogenen Feld. Schiff und Hafen 8/65

[3 1 Groff, W. Untersuchungen über Anderungen van Sog und Nach'

strom auf beschränkter Wassertiefe in stehendem und strömendem Wasser. Schiffstechnik 44/1961, S. 235

[4 Gutsche, F.: Das Zylindersfaurohr. Schiffbau 1932, S. 13, 5. 109

[51 Horn, F.: Determination of mean wake from propulsion and open

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Johnson, N. V.: Experiments with straight framed ships. Quart. Transactions of the royal institution of naval architects April 1964 Vol. 106, Nr. 2

Anslrämgeschwindigkeiten der Meûeb ene

M.400,,,, 0:, 0.,, ,,d:g,:iZmkioO.,3:,d,,, 90.,, 0 M.8.0.,,. o.*iwp,. W:d,,,Ia,0

Sm 0,5,,, 7.0,,,.,' '2,7 Içm/7 Ppui0:o,, -F E D C 72v k,,,/i, Abb. 35 Abb. 36 E D C F E D C j. 7.20,,.,' ,. 7.35ms.c' - 53km/o .172km/i,

Pfeife kennzeichnen Propeiterau Ocr rond

- 00!%1 M.-w4 901%i _H iE 2 4 2 M.ilpmkl 2 4 6 à M.iOponkl 20 20 0,GmS,c' 0,5,,,,," ,D,Zkn,/j, Gesch win digkeits änderung bei arbeiten dem Propeller

(Vertika/schnilfe) Hw r 280mm

:

::rn _L 'E7-E0 40 -- '7E1-LO 20 001%) _{opc1ícrauI3enrancO} 60 4° 20 20 Abb. 37 Pfci1 kennzeichnet)

Geschwindigkeitsänderung bei arbeiten dem Propeller

(Vertika/schnifle) Hw '400mm

Abb. 38

Einfluß zunehmender Geschwindíg,8iLL

auf den Nachstrom

0.Dm),c fez k.'-+ ilpo,kl Abb. 39 -20 500%) ea 40 _6.,, c;cg 20 /t7/T8 'S 0 2 4 6 ._.- ; _MeOpunk7 20 2,0 40 0 6OkJ 7,0,,7., 12,7k,m f, 17,2 kmh /1 -e I E H,,, .2600,0, - 3,5 on '20 20 40 60 60 1%) '20 20 40 60 80Li.J 74,apiOOìif 'b E H,,, 400ro,-r 8 M,.ßp,ok) 4 4 8 M,10pun47 20 7,0,,., 7.77mo,'," i,._,." /4,9 km/i, E D C '3 7703 00, -049 km-h P F E C 1. .06,0.6" 12.7 hon u.

F ED

C /.oeo, ,' -10.2 km/i, E D C .0,67,7 007 20 0 60 60 LJ -20 20 40 60 801/.)

[8 ] Kempf, G. Mitsiron, und Mifstromschrauben

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[91 Kempf, G: Neuere Modellversuche über den Einfluß von buchungen

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[22 Verfasser: Ermittlung des Moßstabseffektes bei Drehkreismanöunrn