Drehfahrtversuche mit einem kleinen model

RCHIEF

Souderdruck aus der Zeits

rift ,,Schlffbautechnlk", H. 5/19LL 222CheepSbOUWkUflde

Von Dipl..Ing. H. Gatzer. Rostock 1. Einleitung

Bei der Beurteilung der Eigenschaften eines Schiffes stellen niclit nu.r Widerstands-, Propulsions. und Sta. bi1ittsverha1ten, sondern, auch seine Steuereigenschaf-ten.wichtige KenngrOl3en dar, wobei die letzteren in Sonderfdllen die Auslegung des Entwuifs sehr stark

beein.fiussen können.

Leider existieren kaum soiche Kennziffern, die be. reits un Projektstadium eine genauere Abschätzung der ManOvriereigenschaften zulassen, da eine Vielzah1 von Parametern wirksam sind. Die Auslegung der Ruder.

nord.nungspie1t dabei eine wesentliche Role.

Die analytische Erfassung der Gesamtheit der wir. kenden Faktoren mid ihre gegenseitige Beeiufiussung' ist aui3erordentlich schwierig. Man 1st daher gezwungen, wie auch bei der Ermittluhg von Widerstands- mid Pro-pulsionseigenschaften, auf Modeilversuche zuruckzu.

greifen. - -

-Soiche Versuche sind bei der Proj èktierung von

speziellen Binnenschiffen, Schieppern mid der tinter-suchung von besonderen Steuerorganen, wie,Ruder-dusen, Mehrfiächen- mid trah1rudern, sehr bedeutsam.

In den letzten Jabren sind auch Ergebnisse von stematischen experimentellen Untersuchungen zur Er-inittlung der optimalen Ruderfläche bei verschiedenen Schiffstypen, der Einfiusse von Verdrängung, Trimm, Geschwindigkeit, Propellerauslegung, Schiffsform und Flachwasser auf die -ManSvriereigensch&ften mitgeteilt worden [1] mid [2].

Wie aus früheren Veröffentlichungen [3] [4] mid [5] bekannt, wurden am Institut fili Theorie des -Schiffes, den versuchsmal3igen Gegebenheiten entsprechend, Widerstancis- mid Turbulenzuntersuchungen an kleinen Modellen durchgeffThrt. Die Problematik der Versuche mit soichen Modellen liegt darin, daB die erhaltenen Ergebnisse auf Grund des im Vergleich zum Prototyp unähnlichen. StrSmungszustandes am Modell sehr stark MaBstábseinflüssen miter1iegen.Du.rch sorgf4ltigo Vér. suchsdurchfiThrung, Anordnung von Turbuleazerregern mid nähermigsweise Bestimmung des laminaren Anlàuf-mid des tTmschlaggebietes lassen sich diOse Einfiilsse in gewissen Grenzen abschatzen.

Auch bei ManSvrierversuchen treten ähnlich gelagerte Probleme auf, die infolge der gegenseitigen Beeinflussmig

on Schiff, Ruder mid Propeller komplizierter Natur sind mid z. T. auch Gegenstand von Untersuchungen waren.

In dér Forschungsarbeit des Institute wird in Per. spektive, bedingt durch die Anwendmig kleinerer Mo. delle, diesen Fragen besondere Au.fmerksamkeit ge-widmet.

Zu.r Ermittlung des Einfiusses der Ruderfiäche mid einer Ruderdüse auf das Verhalten- inn Drehkreis wurden mit einem ferngesteuerten kleinen Modell eines Schiep. pore systematisehe Versuche miternommen.

Die Ergebnisse ergänzen his zu einem gewissen Grade ähnliche Ruderuntersuchungen an versehiedenen Schiffstypen [1].

2. Versuchsanlage und Einnichtungen

-2.1. Ver8uch8anlage -

-Die Versuche wurden in einem ehemaligen grOl3eren FeuerlOschbecken inn Rabmen mehrerer Diplom- mid Belegarbeiten [6] [7] [8]-und [9] in den Jabrenl 959 mid 1960 durchgefiihrt. Die Bahn des seibstangetniebenen Models wurde über zwei bzw. vier Peilgerate verfolgt und registriert. Die Anordnung von vier Peilgeraten erforderte zwar einen hOheren personellen Aufwand, gestattete aber die Ermittlung der Lage des Models bei Drehlahrt mid dannit die Bestmmmmig des zeitlich veranderlichen Driftwinkels.

-Bild 1 1al3i die Anordnung der Peilgerate erkennen.

3-BiZd 1. Anordnung der Peilgerate

2.2. Peilgerate

-Der Aufbau der Peilgerate 1st iii Bild 2 ersichtlich. Das Modell kann über em in der Horizontalen diehbares Fadenvisier vom Beobachter angepeilt werden. Em Schreibstift zeichnet aul einem Wachspapierschrieb die Peilwinkel, bezogen auf eine willkürliche Nullstellung, atu.f. Die Schriebplatten werden synchron durch omen Elektromagneten über em Sperrad mit Zahnetangen-trieb von einem Zeitmarkengeber gesteuert, in Inter-vallen von 1 bzw. 2s vorwärtsbewegt. Ds Ruder des Models wurde zu einem fest vorgegebenen Zeitpunkt

ge1egt.

Da Winkeiweg mid Zeit bekannt sind, läi3t sich die Lage des Models aus dem Schrieb (Bild 3) bestimmen. 2.3. FernsteueranZage

Beim Entwurf der Einrichtung wurde von der Ver-wendung ether drahtgebundonen Steuerung uber eine ,,Angel" Abstand genommen, da sich gerade bei kleinen Modellen der unkontrollierbare EinuJ3 des Drahtes sehr stark bemerkbar macht mid eine drahtlose Funk-fernsteuerung vorsehen.

Die-Anlage mul3te auf Grund der beschrankten GröJ3e

des Beckass in erster Linie die Durchfilhrung von

Rudermanôvern erlaubén mid auch in gew\issem MaI3e eine Steuerung des Antriebs ermoglichen.

Beini Versuchsprogramm zeigte sich jedoch, daB in den moisten Pflen aui eine- Steuerung der Motoren ver-zichtet werden konnte.

16000

Pefgerdt 1

-

Tchnische Hogeschool

Drehfahrtversuche mit einem kleinen Model!

-Deift

Aus dem Institut für Theorie des Schiffes an der Universität Rostock; Direktor: Prof. Dipl.-Ing.

K. Th. Braun

ild 2. Pellgerät

Aus zeitbedingten Gründen mul3te auf èine ii? Handel erhältliche Einkanalauige, aus einem batteriegespeisten Sender mid Ernpfanger bestehend, zurw±gegriffen

werden.

Der Sender ist mit zwei Röhren DL 94 bestUckt und besitzt eine Ausangs1eistung von.O,15 W. Die HF-Spannung wird gétastet. Die Reichweite der Anordnung bóträgt etwa 400 m.

Für den vorgenañnten Zweck wurde der Empfanger ausgangeseitig mit cfrei. zusamrnenhangenden Strom-kteisen so ausgelegt, daJ3 je einer die Steuerung von Ruder- mid Antriebsanlage ermoglichte, wäbrend der dritte zur Wahi je eines dieser beiden Kreise dient. Der ,,Kanalwhler" besitzt ala wesentliches Bauelement em polarisiertes Relais mit einer veranderlichen- R-C-Kom-bination ala Zeitverzogerirngaglied mid reag art nur auf

langere Impulse.

I 2'è/tinfsrvdll h- Winke/wgiA/ervdll

Bild 3. Peflgerätesebrieb

Bild 4. LinJen des Schieppermodells

2

14,t/e Prope//erwe/le

-; OL XLI

MS

MS

Die

Steuerung von Rudermaschine mid Antrieb

erfolgte über Drehwahler.

Diese Anlage ist jedochnur ala Provisorium zu

be-trachten mid wird für weitere Versuche durch em

tranaistorbestucktes Mehrkanalgerat in Miniaturaus-fulirung ersetzt.

2.4. Modell

Für die Untersuchungen wurde em Modell ames

Man-nesehieppers verwendet, das in seiner Linienfuhrung dern Modell 74 der ,,Data Sheets" [10] entspricht. Spant-nil, Vor- mid Hintersehiffakontur sind in Bild 4 gezeigt. Die Hauptdaten sind:

0,9 11,62- 103m3

LWL = m V.

Das Model! ist in üblicher Schichtenbauweise aus Erlenholz hergesteilt, lackiert mid geschliffen.

Ala Peilpirnkte sind auf ,,Spieren" vorn mid hinten zwei Glulilärnpchen angebracht (Bild 5).

Mit einer Drehschwingvorrichtung wurde das schéin. bare Massentraghejtsmoment des Modella, bezogen auf die Vertikale durch den Masseschwerpunkt, zu Beginn der Versuche zu 11,68 kp cm 2 ermittelt. Durch

gening-fügige spatere Anderungen der Einrichtung dtirfte

dieser Went urn ± 7% schwanken. Eine Wiéderholung den Messungen war leider nicht melir moglich.

25. Antrieb

Den Antrieb wurde für eine maximale Geschwindig-keit bei Geradeausfahrt von 1,1 m/s, entsprechend etwa 12 kn der Grollausftthrung, ausgélegt. Vier Klèinelek-trômotoren mit 4 V Betñebsspannung arbeiten über

em Zwischengetniebe auf die Prope]lerwelle. Die Leistung wurde für die vorgegebene Geschwindigkeit bei 159: p Widerstand des Modells zu etwa 6 W ermittelt. 'Ale Spannungsquelle

diente ems Batterie

von 5

NC-Sammiern mit amer Kapazitat von 10 Ah.

tTher einen Regelwiderstand kann die Spannung an den Kielomen den Motonen, die Drehzahl des Propçllers und damit die Gesohwindigkeit des Modells in weiten Grenzen variiert warden. Ala Vortriebsorgan diente em 4flugeliger, linksdrehender Propeller von 68 mm Dmr. 2.6. Ruderanlage

Das Ruder laflt rich durch einen Kleinelektromotor über ein stark untersètzendes Schneckengetriebe nach einer Richtung legen. Die Zeit bis zur Hartruderlage

beträgt darn Modeilmallstab entsprechend 4 a. Der

Ruderwinkel kann von 0 bis 350 in Intervalien von

!I'WL

11111111±

KWL 8oss 20W Br,,j, = 0,247 m Q = 0,295 m2 TWL.

0,10m

Fi:=0,086m2

0,898

r =r--°957

FL = 0,523 = 30,9 (Mallstab).

Bud 6.Modell mit Aufirüstung

5° über einen Drehschalter vorwahlbar eingestellt

werden. In der gewahlten End- bzw. Nullagewird der Motor durch empfindliche Relais abgeschaltet. Er wird vom Antrieb gesondert gespeist u.nd kann durch einen Drehwähler éingeschaltet bzw. in der Drehrichtuhg umgesteuert werden. Die Ruder sind aus Leic'htmetall gefertigt und auswechselbr. Sié besitzen rechteckigen Umrill und sind zu 25% balanciert. Die Abmessnngen' sind bei konstanter RuderhOhe von 88 mm in nach-stehender Tafel ersichtlich.' - V

-1,0

Auftraung. von z als Furiktion der Zeit zeigte nur sehr geringe Abweichungen vom mittleren Kurvenverlauf, die in der Auswertung korrigiert werden konnten. V

4. Ergebnisse V

In Bild 6 1st der zeitliche Verlauf der Bahngeschwin-digkeit v, der KursgeschwinBahngeschwin-digkeit LI i/ZIt, j1e'dirnen-sionslosen Drehkreisradius RD/L und des Produktes a. R/L; das der angenaherten Ermittlung des taktischen Drehpunktes dient, .dargestellt Zwar streuen einige Punkté erheblich,doch durfte auf Grund threr Vielzahl die Mittèlwertbildu.ng huijreichend gexiau sein. Vom Zeitpunkt des Ruderlegens t = 0 nehmen Geschwindig-keit und Bahnradius mit zunehrnender Kurswinkel-geschwindigkeit ab, urn etwa nach 18 s den stationären

Bild8:

20° 25° 30°

Drehkreisdurchmesser sb Funktion der Ruderwinkeb

Zustand zu erreichen. Das Produkt a. R/L bleibt an-: nähernd konstant. Im allgérneüien trat direkt nach dem Ruderlegen keine Querversetiung des Modells infolge. der Querkomponeñte der Ruderkraft auf. Nur in esnigen Fallen konnte eine sehr geringfugige Querversetzung

festgestellt werdén.. V

Der Einflui3 der Ruderfläche auf den Drehkreis ilst in Bild 7 gezeigt. Die interessiererisden Grol3en sind wie üblich diinensionlos aufgetragen. Innerhaib des betrach-teten Bereichs nimrnt der Drehkreisdurchrnesser an-nähernd linear und mit zunehrnender Rudèrfläche bei konstantern Ruderwinkel ab. Bei Vergrallerung der Ruderfiache urn 50% betragt die Verringerung des Drehkreisdurchmessers etwa 25%.-

-Bemerkens'vert 1st, dal3 sich bei diesen verhaltnis-maBig groBen Rudern noch keine cptimale Ruderfläche ergibt. -Da in dieser Darstellung em Vergleich der

ein-elnen Ruder mit der Dusenanordnung nicht mOglich ist, sind in Bild 8 die Werte fur ..ie Dreh1reisdurchmes-ser über den zugehorigen Ruderwinkeln aufgetragen. Generell weist die Ruderdüse hinsichtlich der Dreh-fahigkeit des Modells bessere Eigensôhaften auf. Dies 1st bei kleinen Ruderwinkeln besonders ausgepragt, wahrend bei ,8 = 35° Ruderduse und Ruder C (FR = 4,5% L- T) anndhernd gleiche Wirksamkeit besitzeñ.

35° Ruderdüiè

..

oV._

I .1 I I

I-.

I - Bezeichnung .1/h -

FR [%i.T]

- 3o 3.75 4.5

Bild 7. Drebkreiedurchmésser aIs Funktion der RuderfiAch&

A 0,348 3,00

B. 0,432 3,75

C 0,512 4,50

D Ruderdiise

Die Duse ist nach [11] mallstäblich gefertigt 3. Versuchsdurchfiihrung V

Vor Beginn j eder Versuchsserie wurde die' Geschwin-digkeit des Modells auf geradem Kurs kontrolliert und, falls erforderlich, die Spannung an den Motoren nach-geregelt.

0 4 8 12 18 20 24 28 $ 32

Bild 6. Zeitlicher Verlaul elniger Kenngr0l3en bet Drebfáhrt

Nach dern Start ais einerEcke des Tanks konnte nach einer bestimmten Zeit das Rudel' d±ahtlos gelegt und der Weg des Modells über die Peilgerate bis zu einem Zentri-winkel von etwa 400° verfolgt werden. Leider war, urn Wandeinflüsse bei der relativ geringen Tankbreite zu

vermeiden, der minirnale Ruderwinkel auf 20°

be-schränkt.

-Der.subjektiv .bedingte Peilfehier konnte nach einiger (Thung in recht geringen Grenzen gehalten werdén. Die

as mis 20 -07 16 12

-t

-a' 03 -as

Obwohl die verwendeten Ruder auf Grund ibrer

kleinen Abmessungen wesentlichen Laminareinflussen, verbunden mit Abloseerscheinungen der Stromung bei geringen Anstellwinkehi ausgesetzt sein dürften, let aus dern Diagramm ersichtlich, dalI auch bei Ruderwinkein 'von 35° die volle-Wirksamkeit noch vorhanden zu sern scheint. Die. wirksamen Ruderwinkel, d. h. die Differenz zwischen Ruder- und Driftwmkel am Ort des Ruders, betrugen bei fi

= 35° je nach Flächenverhältnis 5

bis 17°.

Bei Versuchen mit 2,5-m-Modellen [11 konnten opti-male Ruderwinkel_{fi = 45° erreicht werdén.}

p

-Bud 11. A/Iale 'unktlon dee Ruderwinkele

4

5. Schlullbetrachtungen

Fur die Zukunit sind, durch die Moglichkeit der Be-nutzung elnes grolleren Manovrierbeckens, Versuche mit

Modellen bis etwa 3 m Lange vorgesehen.

Da z. T. auch, bedingt durch die Abrnessungn der Scbleppversuchsanlage, die Modellgrollen die genannte Lange nicht iberscbreiten werden, sollen weitere Ver-suche mit der Zielsetzung durchgefuhrt werden, den aus der Unvereinbarkeit des Froudeschen, Reynoldsschen und Weberschen Ahnlichkeitsgesetzes resu1tierendn Mallstabseffekt zü uñtersuähen.

00

4 5

Bild 10. Gesohwindigkeitsabfail Sm Drehicreis

7 _DII, 8

So werden verschiedentlich Abweichungen der Dreh-kreisdurchmesser bei Modell mid Schiff in der Gröllen-ordnung von 10 his 20% genannt.

Grundsatzlich dürfte - es, sich emjDfehlen, an alien Modéllen wirksame Turbulenzerreger vorzusehen. Aus verschiédenen Veroffentlichnngen let bekannt, dalI sich der EinfiuB von Nachstrom mid Propellerstrahl infolge

threr gegensatzlichen Wirkung auf das Ruder, bei

Einschraubern auch am Modeil, 'aufhebt.

Infolge Nichtubereinstimrnung der Weberschen Zahi am Ruder von Schiff mid Modell let der Luftdruck n ma! zu groll mid es kann am Modellruder bei grölleren Ru-derwinkein Lufteinbruch an der Saugseite erfolgen. \ Diese Erseheinung lälIt sich jedoch durch Anofdnung

von Abdeckplatten stark einschränken. Wesentlich

kritischer let der MallstabseinfiulI, der rich aus der Un-gleichheit des Stromungszustandes am Ruder ergibt.

-Die für 3-m-Modelle verwendeten Ruder dürf ten Reynoldszahlen iz( der Gral3hordnung 0,8 - 1,3 10 haben. Brauchbare Ergebuisse lassen rich nach ver-schiedenen Messungen aber

erst von

= 2 ' 10

erwarten. '-

-Bei den ublichen Proflirudern sind alie -Beiwerte bei geringen Reynoidszahien stark kennzahlabhdngig. Da-her wurde versehiedentlich bei Versuchen mit kleineren

Modellen die Benutzung von Rudern mit scharfer

Vorderkante oder Plattenrudern, zumindest aber ein Vergleich dér Messungen von Prom- mid Plattenrudern

empfohlen, da the

letzteren unemplIndiicher gegen laminare AblOseerscheinungen sind, bzw. der

Auftriebs-b'eiwert sich nur geringfugig mit der Reynoldszahl

andert. - -.

Em weiterer sehr wesentlicher Gesichtspunkt let in

diesem Zusarnrnenhang der EinfluB der Turbulenz des Shraubenstrah1s auf die Ruderumstöinung. Auch

die-0

p

-Bild 12. T/Lale Funktion des Ruderwinkels

00

3O

//

t-1einochdem Ruderlegen -5 V 15 . 10 $

Bud 9. Zeitllcher Verlatif dee Driftwinkels bei Drehfahrt

Bud 9 und 10 zeigen die zeitliche Zunahreie des Drift-winkels ô ira Schwerpunkt bei verschiedenen Ruder-winkein für Ruder C und die Geschwindigkeitsverxiin-derung im Drehkreis. Die MelIwerte für den Geschwin-digkeitsabfall lassen sich, von Streuungen abgesehen, in der ublichen Darstellung, unabhangig von Ruderflache uxìd -winkel, einschliéllliôh der Werté für die Ruderdüse auf einem Kurvenzug über dern Drehkreisdurchrnesser auftragen.

Urn das Verhalten des Modells mit den verschiedenen Steuereinrichtungen iniinstationären Bereich kennenzu-lernen, wurden die Gröllen A mid T - hier ale Anlauf-lange mid -breite bezeichnet, beide sind auf eine Kurs-winke1anderungvon 90° bezogen - gemessen (Bild 11 mid 12). Auch bier zeigt die Ruderduse ilire uberlegenen Eigenschaften. So wird bei fi

= 20° bereits bei vier

Modellängen nach dem -Ruderlegen eine Kursdnderung

von 90' erreicht,. während mit Ruder C knapp fünf

Modellangen rforderlióh sind.

Samtliche Versuche wurden irn Freien gefahren, wo-bei sich trotz aller Sorgfalt Witterungséinfiüsse nicht ganz vermeiden liellen. Die Mellwerte streuen bei einigen

Fahrten doch etwas starker;

Bedingt durch die geringe GrölIe von Model! mid Rudei dürften die vorhandenen Ergebnisse doch zu stark malIstabsbeeinfiullt gem, urn eindeutige

quanti-s tative Rückschlusse auf das Verhalten der Grollaus-fubrung zuzulassen, sie errnOglichen aber durchaus eine qualitative Einschatzung der Wirksamkeit der miter-suchten Steuerorgane bei Drehkreismanövern.

ser EiñfluJ bedarf noch einer expérimentellen Klärtug, [4)

bevor weitere Aussagen uber die ZweckmäJ3igkeit der. Benützung kleinerer Modelle gemacht werden kOnnen. (5]

Abschliei3end möchte der Verfasser Herrn Dipl.-Ing. / Wagner fir seine wertv011e Mitarbèit bei der Ent'wick. lung der Einrichtungen und Vder. Durchfuhrung der Mo-deilversuche danken.

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/

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A

Satz und Drucic:, Gutenberg Buchdrucicerèi und Verlagsanstalt VOB AUfWärtS' Wemar - V-19-3 - Liienz-Nr.594 N