ARCHIEF
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Labe y.
Scheepsbouwkunde
Technische Hog9school
1.0 Einführung
Die Ummantelung des Schiffspropellers mittels Düse
bringt bei kleineren Fortschrittsgraden beträchtliche Vorteile bezüglich Schub und Wirkungsgrad. Die Anwendung von
Düsen in der Schiffahrt hat aber besonders in der Binnen-und Hafenschiffahrt nach Bekanntwerden von Nachteilen
wieder nachgelassen. Im Wasser treibende oder vom Grund aufgesogene Störkörper (z. B. Holz, Eis, Trossenenden, Pia-stikfolien, Autoreifen und andere) haben schon oftmals zum Verbiocken der Schraube geführt und zum Wiederflottma-chen der Schiffe ein Aufslippen erforderlich gemacht. Um diesen Nachteilen zu begegnen und der Düse den ihr gebüh-renden Platz in der Reihe der Propulsionsorgane zurückzu-gewinnen, werden Düsenvarianten untersucht, die im Betrieb ohne nennenswerte Wirkungsverluste unempfindlich gegen Störkörper bleiben.
Das Vorhaben hat eine längere Vorgeschichte. Der
Wunsch, der praktischen Schiffahrt zur Lösung des Problems zu verhelfen, besteht bereits seit vielen Jahren. Leider waren die für die Sicherheit im Verkehr zuständigen Dienststellen schwer dazu zu bewegen, die erforderlichen Mittel
bereitzu-stellen. Durch den Zwang, vor Neubeantragung bei einer
anderen Förderungsstelle erst die Ablehnung der davor an-gesprochenen abwarten zu müssen, ist viel Zeit verstrichen.
Um so dankbarer empfinden wir die Bereitschaft und die dann erfolgte Zusage des Landesamtes für Forschung des
Landes Nordrhein-Westfalen, Staatssekretär Professor Dr. h. e. Dr. E. h. Leo Brandt, die Mittel zu bewilligen.
2.0 Übersicht über die Versuche
Ve rs uch s-tar, k Versuch s-ge rät Propeller Düsen Tauchtiefe Messungen Kollision s-ve rs uch e
Großer Tank der VBD, stehendes Wasser
L 190 m, B = 9,8 m, h = 1000 nirn
Großes Freifahrtgerät der VBD (Kempf und Remmers),
wie in FB 1116 121 und FB 1324 [3] beschrieben. üsenschubniessung über Biegeelernente und
ehn u ng smeßstre i fon
r. 169 r Kaplan-Schraube 2 bis 5]
r. 170 r Kaplan-Schraube 51
64 Ausgangsform wie in F6 1727 [5]
94 Düse mit Rezeß Abb. 7
94 Düse mit Aussparung für propellerfesten Ring Abb. 6 94 Vergleichsdüse zu denen von Abb 6
95 Düse mit ausgeschnittenem Segment
(Profil von D 64) Abb. 5
96 Konische Düse Abb. 7
54 Düse mit Spiralnut und Vorprofilring Abb. 2
tte Welle 300 mm (13 D,01,) unter Wasserspiegel
rehmonient und Schub mechanisch nit Federelementen,
den Düsenschub mittels Dehnungsmeßstreifen am Biege.
element grob über aufgelegte Kompensationsgewichte
und fein über Meßverstärker, Meltwagengeschwìndigkeit
und Propellerdrehzahl induktiv elektrisch.
In die Strömung vor dem Düsenpropeller gehaltene mehr
oder weniger ange Stropps (etwa 2-3 mm Durchmesser
festen synthetischen Materials) mit Solibruchstellen.
Weitere Körper: Plastikfahnen und -schläuche,
Einweck-gummiringe.
*) Der vollständige Bericht kann zum Selbstkostenpreis von der VBD (Postfach 582) bezogen werden.
Schiff und Hafen, Heft 9/1970, 22. Jahrgang 813 3.0 Versuchsvorbereitung, Düsenvarianten
Als Ausgangsbasis für die Versuchsvarianten schienen die bei früheren Vorhaben [2, 3, 4 und 5] verwendeten Propel-ler P 169 und P 170 (Kaplanschraubcn) und der Primärteil D 64 der zuletzt entwickelten Doppeldüse [5] geeignet zu
sein. Mit einem Lángenverhältnis L/Dproti = 0,5 entspricht
er dem der üblichen Einfachdüsen. Bei einer Maßstabszahl von ungefähr 5 bis 6 sind nennenswerte Maßstabseinflüssc ausgeklammert. Außerdem werden nur die Varianten glei-cher Dimensionen untereinander verglichen. Der Aufwand für Neuanfertigung wurde dadurch niedrig gehalten. Es
wa-ren lediglich 3 neue Düsen mit Zusatzteilen herzustellen, deren Abmessungen mit denen der Ausgangsdüse D 64 i ber-einstimmen.
Abb. 1: Einbau des Propellers P169r in die Düse D94, Anordnung a D94
Einige Vorschläge von Professor Dr-Ing. H. Schneekluth zu dem Thema waren zu untersuchen:
3.1. Drei verschiedene Propellerlagen zur Düse
Zur Verbesserung der Schluckfähigkeit von Störkörpern durch Düsenschrauben wird der Einfluß auf den Wirkungs-grad untersucht, wenn die Systemebenen von Propeller und
Düse gegeneinander verschoben werden, so daß ic Düse vor
dem Propeller angeordnet wird.
Untersuchung seIbstabweisenc%r PropeIIerdüs,1ft
111. gekürzte Mitteilung'5 der Versuchsanstalt für Binnenschiffbaue.V.'Duisburg, Institut an der Rheinisch-Westfälischen
Technischen Hochschule Aachen.
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Von H. Schmidt-Sbebitz und G. Luthra
Um den bisher erfahrenen Betriebsstörungen von Düsenpropellern wirkungsvoll begegnen zu können, bei denen im Wasser treibende oder von Grund angesaugte Störkörper zum Festfahren des Propellers führen können, sind hier
modell-mäßig verschiedene Düsenvarianten hinsichtlich Wirkungsgrad und Kollisionsgefahr mit mehreren unterschiedlichen
Stör-körpern untersucht worden. Eine Reihe solcher Ausführungen erfüllen nicht die in sie gesetzten Erwartungen. Dagegen hat sich die letztaufgeführte Variante mit Spiralnut in der Düseninnenkante und zwei zusätzlichen Hilfseinrichtungen im Modellversuch hervorragend bewährt, ohne dabei einen Verlust im Wirkungsgrad zu verursachen. Diese Ausführung wird zur Erprobung auf Binnenwasserstraßen und in Revierfahrt empfohlen. Es ist zu hoffen, daß sie sich dort mit
52
Vorproftirtog
Oben:
Abb. 2: Düse mit
2gän-giger Spiralnut und
Vor-prof il ring
Unten:
ß.bb. 3: Schub-,
Moment-beiwert und
Propeller-wirkungsgrade in Abhün-gigkeit vom
Fortschritts-grad
Rechts:
Abb. 4:
Propelleranord-nung in Düse variiert
OS, 060 (Aosgo,gstoom) Prop.ii,FlOOr
Ao,,dr.00g 0, FrappOns
Propeller 169r; Düse. 64 (Grundform)
j Prop.Li.r SaitE omm., n 06cc .*.-__$_____- Propeller ieIlm.,8. eoiO.rhoib _________ Props/I., ooilksmln.o
I 06cc ocflerholb OIsse System 02691 ,oS Pb,, SEL,, P bei IO Lo Pb,, .252, 3.2 Rezeß-Düse
Durch Anordnung einer Düsen-Profilnasen-Verdickung
vor der äußeren Propcllerberandung soll das Einklemmen
von Störkörpern vermieden werden. Aus dem Düsenprofil
814 Schiff und Hafen, Heft 9/1970, 22. Jahrgang
D 64 wurde bei gleicher Außenkontur das Profil D 94 mit dickerer Nase (Abb. 1) entwickelt, das vor der
Propeller-außenkante des Propellers P 169 r einen Rczeß erhält. 3.3 Propeller mit Außenring in Düse
Die Innenkante eines propellcrfesten Außenringcs fügt sich bündig in die Profilinnenkontur der Düse ein. Die zwi-schen Propellerring und Düsenaussparung vorhandene
Ring-nut trägt infolge der Belüftung zur Verringerung des
Rei-bungswidcrstandcs bei. Die bündige Profilinnenkontur läßt eintretende Störkörper ungehindert durchlaufen.
Es wird dazu der im Durchmesser gegenüber P 169 etwas kleinere Propeller P 170 und die Düse D 94 benutzt, in die
ein entsprechendes ringförmiges Profilendstück eingepaßt
wird.
3.31 Als Vergleich dazu dient Propeller P 170 ohne Ring
und Düse D 94 wie bei 3.3, nur wird ein Ring düsenfest
montiert.
3.4 Düse mit Ausschnitt
Unten offene Düse D 64 mit geringerer Saugkraft für
Bodensande und gedacht zur Freigabe etwa eingefangener
Störkörper. Aus der Düse D 95 wurde bei horizontaler Schnittebene ein Segment mit Cffnungswinkel von etwa 450 herausgeschnitten (Abb. 5).
Propellerartordnung Ir, Duse (Grundform)
Entfernung Prop. Erzeug. bis Dusenvorderkante in Dusenlange ausgedruckt.
3.5 Düse mit nach oben sich verüngendem Profil
Düse mit über den Umfang beidseitig kontinuierlich ab-nehmender Profilgröße. Zur Herabsetzung von Slamming-Effekten an seegehenden, mit Düsen ausgerüsteten Schiffen
wird dic profilkürzere Düsenhälfte zur Wasseroberfläche
gerichtet eingebaut (Abb. 7). Das größte Profil entspricht dem Profil D 64, das kleinste
ist nur halb so groß. Die
Spaltbreite zwischen Düse und Propeller wurde über den
gesamten Umfang konstant gehalten.
Weitere Vorschläge, die vom Versuchsleiter, H. Schmidt-Stiebitz, stammen, entstanden im Verlauf der Versuche. 3.61 Düse mit Spiralnut
In die Düse D 64 wird eine gegen Propellcrdrehsinn lau-fende 2gängige Spiralnut mit Trapezquerschnitt eingedreht
(Abb. 2).
3.62 Zur weiteren Abdeckung des Spaltes zwischen
Pro-pellcraußenrand und Düseninnenkante (zu 3.61) wird ein
schmaler Vorprofilring mit schlitzförmiger Ringöffnung mit 3 Stützen an der Düsenprofilnase montiert.
J 0.273,0218 7.0.256 I
,
0380-0.390 5507 0,536 Iiiiiii__ Cr,, ,,jso_ 0,950-0,085 So 00 0,6Lous.'1111,0Loi.,
Cro 406070.605 -2.0 I ¿s 72 10 8 6 2 Prop ohne Du 2 4 S ; 6 8 10o,, 0.6 04 0,3 0.6 0,5 53 o,, 0.1
A-ÍÌÍÍI!uuPLI'S.
Prop(.r 570, Pop.I/.r 8,70, (68,,. Pirg) 0,fl. 090 (S.g,,,.,,I OIflgflCA rOI.,)o
0' 52 03 0.4 05 06 07 0.8 09 (0 II J
Abb. 6: Propeilerwirkungsgrade in Abhängigkeit vom Fortschrittsgrad 3.63 Dic Befestigungsstü tzen des Vorprofiiringes (von 3.62)
werden zu einem engeren Gitter vermehrt (9 Stüd.c) und so angestellt und profiliert, daß die Schlitzströmung einen Ge-gendrall zum Propeller erzeugt.
4.0 Versuchsdurchführung
1m ersten Teil der Versuche wurden die Anordnungsvari-anten hinsichtlich Schub, Drehmoment und Wirkungsgrad
gemessen, um festzustellen, ob sie gegenüber der
Normalaus-führung keine nennenswerten Verschlechterungen ergeben. Die Meßeinrichtung war von den vorangegangenen Düsen-versuchen [2 bis 5] her vorhanden und erprobt. Sie ist dort
auch eingehend beschrieben worden. Im zweiten Teil der Versuche wurde die Empfindlichkeit der Düsenvarianten gegen Störkörper geprüft, die in den Propellerstrom gehal-ten wurden und an deren Sollbruchstelle die Verbindung zur Haltestange durch den auftretenden Sog gelost wurde.
Als Modelle von Störkörpern wurden Enden einer festen, gewirkten Perlonschnur, Einweckgummiringe, Streifen von Plastikfolien, Drahtenden, dünne Isolationsschliiuche von
Drähten und wassergefüllte Perlonschläuche verwendet. Die Beobachtung der Vorgänge wurde mit den Augen und mit Fotogerät vorgenommen.
5.0 Versuchsergebnisse, Wirkungsgrad
Vorangestellt waren wie üblich Freifahrtversuchc mit den beiden verwendeten Propellern ohne Düse. Da der Propeller P 170 in der Variante 3.3 mit einem propellerfesten
Außen-ring in der Düse gefahren wird, ist er in dieser Form auch
ohne Düse gemessen worden (Abb. 6). Der Wirkungsgrad
fällt dadurch um A sy = 0,22 ab. Das mag sich aus dem
Rechteckquerschnitt des Ringes und seiner Nichtanpassung an die Strahlcinschnürung des freifahrenden Propellers
er-klären. Wegen der gehemmten Flügelendenumströmung
wirkt der Ring nicht etwa wie eine Endscheibe, sondern im
Gegenteil als Kürzung des Streckungsverhältnisses.
PFI6Pt((tI 67.Frt Orng 8,080,., 7 'loSem 8,70, ,mIRrnp. 064 -. 8170,67,,,. R.rp.094
'
(A,,r0S,4,Oxogx,6) _ii:i;j, '\ .JX1_ '\7(P6p#62tFFtZU0U,.Zur Widerstandseliminierung der Düsenhalterungen wurde
die Strebe gesondert gemessen.
5.1 Die achsiale Gegeneinanderverschiebung von
Propel-ler und Duse bestätigte den bekannten großen Wirkungs-gradabfall von etwa A g = 0,10 (Abb. 3) im Optimum.
Gegenüber dem Propeller ohne Duse bleiben aber bei klei-neren Fortschrittsgraden Gewinne übrig, die unter gewissen Umständen auch solche Anordnungen betrachtenswert
er-scheinen lassen (Abb. 4).
Für die weiteren Düsenvarianten wurde die optimale Zu-ordnung: Propellererzeugende bei etwa 0,6 der Du'senlänge,
beibehalten.
5.2 Die Rezeß-Düse (Var. 3.2) (Abb. 7) bringt bei kleinen
Fortschrittsgraden bis etwa J = 0,3 praktisch keinen Wir-kungsgradverlust. Im Optimum fehlen ihr gegenüber der Normaldüse (Form D 64) A = 0,04.
5.3 Propeller mit festem Außenring in Düse (Var. 3.3)
(Abb. 6). Die Ergebnisse dieser Düse (A g = 0,14 gegenüber Var. 3.31) fallen kaum viel besser aus als die des
freifahren-07 0.6
s
0,3 03 FOKQ Kr as o., P'optv.' 769e Abb. 7: Propellerwirkungsgrade P6ßCUI (69,Abb. 8: Propellerwirkungsgrade in Abhangigkeit vom Fortschrittsgrad
P,ope)(e, 69,
den Propellers mit Außenring. Offensichtlich gibt die Spalt-strömung eine sehr ungünstige Verbindung zwischen Ober-und Unterdruckgebieten.
5.4 Die unten offene Düse (Var. 3.4) (Abb. 5) mindert
infolge des fehlenden Düsenteils (Abb. 7) den Wirkungsgrad im Bereich niedriger Fortschrittsgrade erheblich ab. Erstaun-licherweise beträgt das A
im Optimum nur 0,02.
5.5 Die sogenannte konische Düse '(Var. 3.5) (Abb. 7) liegt
im Wirkungsgrad bei kleinen Fortschrittsgraden besser als
die ausgeschnittene und im Optimum schlechter.
5.61 Die Düse mit Spiralnut (Var. 3.61) (Abb. 2 u. 8)
bringt im ganzen Fortschrittsgradbcreich eine kaum nennens-werte Einbuße an Wirkungsgrad.
5.62 Durch den Vorprofiiring (Var. 3.62) wird der
Ver-lust A = 0,02.
Schiff und Hafen, Heft 9/1970, 22. Jahrgang 815
Sy,Iem: 8160,.064(0,w,0ft,m) 8(69,. 094(2660e) P169,,095(Segm colocO 8,09,. 096(kon,Sche 003,)
'\\
i
'St11,/lili
0,' 02 0.3 6.5 0.8 0.0 j_._.Abb. 5: Systemschub-, Momentbeiwert und Propellerwirkungsgrad in Abhangigkeit vom Fortschrittsgrvd
0' 02 0,3 o' 05 06 0,7 0,8 09 '0 J
5.63 Werden die Stützprofile des Vorprofiiringes so
ge-staltet, daß sie dem düsennahen Propellerzustrom einen
Gegendrall verleihen (Var. 3.63) [8], dann ist im unte-ren Fortschrittsgradbereich eine Wirkungsgradverbesserung
(Abb. 8) möglich und im Optimum mindestens keine Ver-schlechterung. Für die letzte Behauptung fehlt hier der Be-weis, weil dic ausgeführten Stützen noch Mnge1 besaßen.
-t
Abb. 9: Rezeßd,.se
Oben: Nach dem Versuch zu etwa 2/3 ausgetaucht. Auf-nahme von der Versuchsbühne des Mel5wagens aus.
Je-der Propellerflügel hat einen Stropp gefangen und
ge-gen den Rezeß verklemmt
Unten: Düse mit Spiralnut und Vorprofiiring
6.0 Versuchsergebnisse, Kollisionen
Die unter 4.0 beschriebenen Störkörper wurden
ver-gleichsweise in den Zustrom der Düsen gehalten. Nach dem Reißen der Solibruchstelle (dünner Zwirnsfaden) ließ sich beobachten, mit welcher Störung die Körper die Düse
pas-sierten. Gleichgeartete Versuche wurden zu vielen Malen
wiederholt, um Zufallsergebnisse weitgehend auszuschalten. In der Ausgangsdüsc ohne besondere Vorkehrungen klemm-ten sich dic eingeführklemm-ten Stropps in der Mehrzahl derFálle
fest und traten nicht aus der Düse aus. Das Verhältnis der
Materialstiirken zu dem Spalt zwischen Propeller und Düse
816 Schiff und Hafen, Heft 9/1970, 22. Jahrgang
war so gewählt worden, daß ein Festfahren des Propellers
nach Möglichkeit vermieden wurde. Schub- und Drehmo-mentanzeige gaben aber deutlich durch heftige Ausschläge das Kollisionsergebnis an. Festere und weichere Gummiringe
wurden vom Propeller in der Normaldüse und natürlich
auch in den folgenden Varianten ohne längeren Zwischen-aufenthalt in der Düse nach rückwärts ausgestoßen. Wasser-gefüllte Plastikschläuche waren von keiner Düse verdaubar, da der erste Schlag eines Propellerflügels so hart ausfiel, daß der Mitnehmerzapfen zwischen Propeller und Welle glatt abgeschert wurde.
6.1 Mit den zum Propeller vorgerückten Düsen wurden keine Kollisionsvcrsuche unternommen.
6.2 Die Rezeß-Düse '(Abb. 1) stellte mit dem Spalt zwi-schen Rezeßhinterkante und äußerer Propellervorderkante
geradezu einen Fänger für Störkörper dar (Abb. 9 oben). Kaum ein Gegenstand ging ohne zu klemmen durch die
Düse. Auch eine Spaltverbreiterung brachte keine
Verbesse-rung in dieser Hinsicht. Die Störkörper wurden teilweise
nach ihrer Durchmangelung zerteilt.
6.3 Der Spalt des in die Düse eingelassenen
Propeller-außenringes (Abb. 6) wirkte ähnlich wie bei 6.2.
6.4 Die unten offene Düse (Abb. 5) hatte nicht die
Wir-kung, einen einmal eingefangenen Gegenstand mit der schar-fen Kante des Ausschnitts abzustreischar-fen und abzuweisen. Zum
Teil waren die Stropps mit einem Ende um die Propeller-vorderkante gewunden und hafteten somit fester an dem
Flügel.
6.61 Die Düse mit Spiralnut (Abb. 2 und 9 unten) zeigte
das beste Verhalten. Die Störkörper wurden ausnahmslos ohne Haftung nach hinten ausgeworfen. Es ließ sich eine kräftige Spaltung des Düsenzustroms in eine düsenäußere
und -innere bemerken, wobei die innere stark zur Nabe hin gerichtet war. Die Störkörper gerieten, auch wenn sie in die
Nähe der Düsennase gehalten wurden, nicht in den zum
Verklemmen führenden Bereich. Die Spiralnut bewirkt
offensichtlich eine kräftige, von der Düseninnenwand abwei-sende Sekundärströmung.
6.62 Der Vorprofilring zur Düse mit Spiralnut stellte eine
zusätzliche Absicherung der kritischen Zone dar. Es war
nahezu unmöglich, einen Störkörper in den Schlitz
hinein-zumanövrjeren.
6.63 Der Gegendrall im Düsenschlitz und die Verdichtung der Stützen (Abb. 9 unten) wirkt sich in geringem Maß auf
die Erhöhung der Sicherheit, aber darüber hinaus auf den
Wirkungsgrad der Düseneinheit aus.
Der für die Herstellung einer solchen Düse erforderliche Mehraufwand kann vielleicht durch die Anwendung verein-fachter Düsenformen (z. B. Schuchkindüse) teilweise auf
ge-fangen werden. Andererseits wird der Reeder für die
Zu-gabe einer vermehrten Betriebssicherheit eher geneigt sein, etwas höhere Investitionen aufzubringen.
7.0 Schrifttumsverzeichnis
[1] Schmidt-Stiebitz. H.: Untersuchung über die Möglichkeiten den
Wirkungsgrad von Düsenpropellern durch zusätzlich angeordnete
Mischdüsen zu verbessern. FB 561 des Landes NRW *)
[21 Adam, U.: Untersuchung der Wirkungsgradverbenserung von
Pro-pellern, erstens bei kIeiem und zweitens bei großem
Fortschritts-grad durch Umrnantelung mit Spaltdüsen. FB 1116 des Landes NRW*)
Adam, U.: Untersuchung der Wirkungsgradverbesserung an Spalt.
düsensystemen durch optimale Gestaltung des Diffusorauslaufs. PB 1324 des Landes NRW *)
Adam, U.: Untersuchung über den Einfluß der Spallbreite zwischen
Propelleraultenrand und Düseninnenwand auf den Wirkungsgrad
von urnmantelten Kaplanschrauben.
FB 1431 des Landes NRW )
Schmidt.Stiebitz, H.: Untersuchung der Querkräfte und der
Pro-pulsionsgütegrade von Spaltdüsen mit steuerbarer Sekundärdäse.
FB 1727 des Landes NRW*)
van Manen, J. D., Superina, A.: The Design of Screw-Propeller In
Nozzles. International Shipbuilding Progress, 1959 Vol. 6 Nr. 55,
5. 95-113
van Manen, J. D.: Effect of Radial Load Distribution on the Per..
formance of Shrouded Propellers. International Shipbuilding
Pro-gress, 1962 Vol. 9, Nr. 93. S. 185-196
Wagner, R.: Rückblick u. Ausblick auf die Entwicklung des Contra-propellers. J. d. STG 1929, S. 195-256
') FB Forschungsbericht des Landes Nordrhein-Westfalen,
