Untersuchung der wirksamkeit von lufteinblasung an schiffsrudern normaler und einfacher bauart

ARCHIEF

Lab.

y. Scheepsbouwkunde

Technische Hogeschool

Deift

Untersuchung der Wirksamkeit.

von Lufteinbiasung an Schiffsrudern

normaler und einfacher Bauart

Prof. Dr.-Ing. H. Heuser/DipI.-Ing. A. Dittberher

220. Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e. V., Duisburg,

Institut an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

Prof. Dr.-lng. H. Heuser! Dipl.-lng. A. Dittbemer

Untersuchung der Wirksamkeit

von Lufteinbiasung an

Schiffsrudern

normaler und einfacher Bauart

220. Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e.V., Duisburg,

Institut an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

1. Aufgabenstellung

Bei der Durchführung des

Forschungs-vorhabens ,,Modellmäßige

Entwick-lung von Vorrichtungen zur

Sauerstoff-anreicherung von Binnengewässern durch den Propellerstrahl von

Schif-fen' (VBD-Bericht Nr. 772) stellte sich heraus, daß durch Einblasung von Luft

aus einem Ring in der

Propeller-düse positive Wirkungen auf die Cha-rakteristik des dahinter angeordneten

Ruders erzielt wurden. So stieg z.B. die erreichbare Querkraft sowohl am freifahrenden

Propeller-Düse-Ruder-System als auch am Modell eines

2-Schrauben-Schubboots bei

größe-ren Ruderwinkeln weiter an, nachdem Luft eingebracht wurde. Da jedoch die

Arbeiten zum o.g. Thema die Unter-suchung der Auswirkungen auf den

Propeller zum Ziel. hatten,

konnte

wegen des darauf abgestimmten

Meß-aufbaues diesem Effekt nicht weiter nachgegangen werden. Es erschien aussichtsreich, durch einen

Luftein-trag am Ruder selbst nicht nur auf die Größe der Querkraft, sondern auch auf die Lage des Druckmittelpunktes Ein-fluß zu nehmen. Bei den in der

Schiff-fahrt oft verwendeten starren Profil-rudern wandert der Druckmittelpunkt

in Abhängigkeit vom Ruderwinkel,

mit-unter sogar sprungartig, aus. Dies

bedeutet, daß eine völlige

Balancie-rung einer derartigen Anlage über den gesamten Bereich nicht möglich Ist, die Leistung

der Rudermaschine muß

noch entsprechend angesetzt werden. Bereits vorliegende Arbeiten

beschäf-tigen sich ebenfalls mit der Vermei-dung dieser unerwünschten Erschei-nungen, der Lösungsweg war jedoch ein anderer: Durch Hohlräume bzw.

Kanäle innerhalb des Ruderprofils

bewirkt der Druckunterschied eine

Anderung der Zirkulationsströmung. Dadurch wird das Abreißen der

Strö-mung zu größeren Ruderwinkeln

ver-lagert und somit die plötzliche

Aus-wanderung des Druckmittelpunktes im

interessanten Winkelbereich

vermie-den (Aufsätze von Prandtl,

Regen-scheit, Mello und Bailitis).

Es wurde erwartet, daß eine

Luftein-blasung ähnliche Wirkung haben wird.

Darüber hinaus wurde ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das auch bei nicht mit Düsen ausgerüsteten

Schif-fen (die Mehrzahl der

Gütermotor-schiffe) zur Sauerstoff-Anreicherung

von Oberflächengewässern beitragen kann. Schließlich Ist durch die

Vorver-suche erwiesen, daß eine Verminde-rung der Ruderschwingungen erzielt wird, die häufig einen großen Anteil

an der Vibrationsanregung des Hinter-schiffes haben.

Gerade bei vorhandenen, größtenteils älteren Motorgüterschiffen haben Hin-terschiffsschwingungen sowohl für die

Besatzung in den achtern gelegenen Wohnräumen als auch in bezug auf Materialschäden an wichtigen Teilen des Schiffes sehr nachteilige

Auswir-kungen:

Zu untersuchen sind:

die günstigste Lage des Lufteintrags über die Profillänge

eine asymmetrische Einbringung

der Luft jeweils nur auf einer

Ruder-seite, abhängig von der Ruderlage 2 Ruderprofile mit verschiedenem

Längen-/Dickenverhältnis

Dabei werden Auftriebs- und

Momen-tenbeiwerte entsprechend dem bei

Ruderversuchen üblichen Schema ermittelt. Eine dazu geeignete

6-Korn-ponenten-Meßwaage wurde von der VBD entwickelt und stand nach ent-sprechender Anpassung zur Verfü-gung.

Die Ergebnisse der ersten

Unter-suchungen zeigten die erhoffie

posi-tive Auswirkung. Sie legten die

Schluß-folgerung nahe, daß sich bei Rudern einfacher Bauart noch eine erheblich

größere prozentuale Verbesserung

erreichen lassen muß. (Für den prak-tischen Schiffahrtsbetrieb ergeben sich klare Vorteile, wenn die in bezug

auf Beschädigungen durch

Grund-berührung exponierten Anlagen

kostengünstiger beim Bau und bei

Reparaturen gehalten werden kön-nen.)

Zu untersuchen sind demnach: Ein Ruder mit rautenförmigem

Hori-zontalschnitt (Profil), das, bis auf Endrohre an Vor. und Hinterkante,

aus ebenen, nicht gewölbten Platten zusammengesetzt werden kann.

Ein Plattenruder, dessen einfache Ebene nur vorn Ruderschaft und

einigen Verstärkungen

durch-brochen wird. Diese Verstärkungs-profile können zur Lufteinbiasung

herangezogen werden.

2. Versuchsplanung

Als Versuchsträgerwerden die bei dem

Forschungsvorhaben Untersuchung des Schiffskörpereinflusses auf die

Ruderkräfte und -momenten (4) unter-suchten Ruderhauptabmessungen

und- Randbedingungen für den

Pro-pellerstrahl gewählt Hierbei sollen die

Ruder frei im Propellerstrahl

unter-sucht werden.

Als Varianten sind gewählt worden: Rudertormen

Lufteinbringung, Position und Menge

System-Geschwindigkeit Ruderlage

Die Untersuchung eines zweiten

Län-gen-/Dickenverhältnisses wurde zu-gunsten einer ausführlicheren Varia-tion des Punktés 2. nicht ausgeführt

Um einen Basiswert zu schaffen, sind

ein Normalruder ebenso wie ein zum Lufteintrag bereits vorbereitetes Nor-malruder als Variâtion der

Ruderfor-men in das Versuchsprogramm aufge-nommen worden.

Die Versuche sollen im großen

Schlepptank der VBD bei ca. 750 mm Wasserstand gefahren werden.

Für den Vergleich der Ergebnisse ist die im vorstehend genannten Bericht verwendete Normierung der

Absolut-werte zu verwenden.

3. Versuchstechnik

Dié in der VBD vorhandene

Mehr-komponenten-Meßwaage wurde zur Messung der Einzelkräfte eingeselzt.

Alle untersuchten Ruder haben die

Hauptabmessungen: Länge

=

180mm Höhe Vorderkante

=

148mm Höhe Hinterkante

=

160mm Mitte Schaft von Vorderkante

=

55 mm

Endscheiben an Ober- und Unterkante Um einen Vergleich der Ergebnisse zu

ermöglichen, sind die Absolutwerte

normiert worden:

CL

_{P /2V2 AR}L - D Längskraft-P /2V2 A beiwert CN= /2V2ARC Momenten-beiwert,

bezogen auf den

Ruderschaft

Außerdem gilt

Lage des

Druck-C0

- CL R-CDSInR

CN

Ruderschaft

punktes, bezogen auf den

Für die Versuchsarten, in denen das

Ruder im Propellerstrahl liegt, läßt sich die Abströmgeschwindigkeit meßtech-nisch nur sehr schwer erfassen, da der

Propellerstrahl nicht nur axiale, son-dern auch tangentiale Komponenten enthält Die mittlere axiale Propeller-strahlgeschwindigkeit ist in der

vor-liegenden Arbeit nicht gemessen,

Querkraft-beiwert

sondern nach dem Vorschlag von

Gutsche (1) mit Hilfe des

Biot-Savart-Gesetzes (2) uñd der Strahltheorie

bestimmt worden. In einem endlichen

Abstand hinter dem Propeller

errech-net sie sich zu

VAB (Propeller)= VAN I1+km (/1+CTh'-1)]

/ 8KT' VAN [1+km (/1+-1)J

km = Korrekturfaktor für endlichen Abstand Ruder - Propeller

(Mittelwert für r = 0,75 R) VAN = Anströmgeschwindigkeit

des-Propellers

Die Abstromgeschwindigkeit des

ver-wendeten Propelrs Ist für

verschie-dene Fortschrittsziffern J = VAN/n . D ermittelt. Es ergibt sich im betrachteten

Geschwindigkeitsbereich nach die-sem Berechnungsverfahren nur eine

relativ geringe Abhängigkeit der

axialen Strahlgeschwindigkeit von der

Propelleranströmgeschwindigkeit Für

die Normierung wurde im vorliegenden Fall eine konstante mittlere

Geschwin-digkeit (VAB = 2,38 m/s; Modellwert)

angenommen.

Die

Bestimmung der

Propellerab-stromgeschwindigkeit nach der

Theo-rie des Optimumpropellers

(3) ist

wesentlich aufwendiger und die

Ergebnisse weichen im vorliegenden

Fall nur wenig von den nach (1)

errech-neten ab.

Die gemessenen Einzelkräfte wurden

durch ein in der VBD entwickeltes

EDV-Programm für eine

dimensions-lose Auftragung aufbereitet und geplottet.

4. Versuchsdurchführung

Für die Versuchsart Ruder freifahrend

hinter dem Propeller" wurde ein

spe-zielles Propellertreifahrtgerät zum

Antrieb des Propellers eingesetzt. Der Abstand zwischen Ruder-Vorkante

und der Erzeugenden der Propeller

betrug 165 mm. Die Propellerdrehzahl

war konstant n = 1000 1/min. Variiert

wurde außer dem Ruderwinkel die

Fortschrittsziffer

VAN

nD

in 2 Stufen.

Aus versuchstechnischen Gründen

wurde auf J = O (Pfahlzug) bewußt ver-zichtet.

Eine Korrektur der Propelleranström-geschwindigkeit (Freifahrtgerät vor

dem Propeller) erfolgte nicht, da der Propellerträger sehr schlank ausge-führt war (Nachstrom kleiner als 5%). Bei den Versuchen mit den Rudern Nr. 543, 544 und 545 waren die

Pro-pellerdaten:

P 134 r Typ: Wageningen B 4.55

D=162,5 mm P/D = 1,07

Bei den Versuchen mit dem Ruder

Nr. 543 (II) waren die Propellerdaten:

P 93 r Typ: Wageningen B 4.55

D=160,0 mm

PfD = 0,819

Die Luft zur Einblasung lieferte ein

Niederdruckkompressor, dessen

Luft-druck für die Modeilmessungen zwi-schen 0,2 bis 1,2 bar Uberdruck ein-reguliert war. Die Luftmenge wurde

über ein Kegelmeßgerät unter Berück-sichtigung der Lufttemperatur und des

Luftdruckes auf Norm-Kubikmeter je

Stunde (Nm3/h) bezogen ermittelt. Die

geringste Luftmenge wurde jeweils in einem Vorversuch eingestellt, da aus allen angeordneten Bohrungen Luft

austreten sollte.

5. Ergebnisse u.nd

Auswertung

Im Rahmen dieses Auftrages waren

folgende Untersuchungen möglich: 4 Ruderarten

2 Geschwindigkeits-(Anströmungs-) Variationen Variationen der

Luft-Eingabe-position

4-fache Variation der Luftmenge,

eingeschlossen den Basis-Zustand ohne Luftabgabe

Variation der Ruderlagen nach BB und StB in 5-Grad-Stufungen bis

jeweils 45 Grad Endwinkel

Die Einzeldarstellungen sind für die Dokumentation der Kraftverläufe und den Benutzer als Arbeitsunterlagen

gedacht, eine erste Auswertung stellen die im Diagramm aufgetragenen

maxi-malen Momenten-/Querkraftbeiwerte dar.

Ein Beispiel der Ergebnisdarstellung

ist das Ruder mit rautenförmigem

Pro-fil, siehe Abb. 1. In den

Hauptabmes-sungen wie das Nôrmalruder

ausgebil-det, jedoch im Horizontalschnitt von der Vor-! und Hinterkante her bis zur

Abbildung i I BE 6R 40 jochdurchbohrungen riß0 Rucjer-Nr. Fahrt -Nr. Van J R 6R 40° 3 0° 545 3.15 0050 mIs 0,0185 0,466 i 1 0° 20° 10° C +50 440 430 2o .10 -10 -20 - 30 -40 -50 Abbildung 2 Co %j ,« ...."... I _WUIIh!v'1I'I i l!Il 1,irj4jij, ip ' I

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DthUlIlhlIllllhllllillllhlihllIuilll UIllllliIlUfl II Abbildung 3 1,2 _CL, 1,1 1,0 09 0,8 7 0,6 0.5 0.4 0.3 (+) 0,2 0.1 0.1 0.2 (- ) 0.3 0,4 0, 0,6 0,7 10° 0,8 0,9 1.0 1,1 1,2 5 CN 2 0° I56I CL IStBI 30° 40° ò

Schaftmitte mit geraden Flächen

verbunden, bei gleichem

Dickenver-hältnis. Abb. 2 zeigt eine

Einzeldarstel-lung einer untersuchten Variation mit der Auftragung ¡n Abhängigkeit der. Ruderlage, während in Abb. 3 die maxi-malen Querkraftbeiwerte für 2 unter-suchte Anströmgeschwindigkeiten in Abhängigkeit der eingebrachten

Luft-menge aufgetragen ist.

6. Zusammenfassung

In Modeliversuchen wurde die

Wirk-samkeitvon Lufteinblasung an Schiffs-rudern normaler und einfacher Bauart hinsichtlich ihrer Auftriebs- und Momentbeiwerte bei der Variation der

Lufteinbringung nach Position und

Menge, bei 2

Systemgeschwindig-keiten ¡n Abhängigkeit von Ruderlage und Ruderwinkel ermittelt.

Die umfangreichen

Versuchsergeb-fisse sind mit Hilfe eines

EDV-Pro-gramms zu

dimensionslosen

Bei-werten umgerechnet und

in

Dia-grammform

für den Benutzer als

Arbeitsunterlage dargestellt.

Zur ersten Beurteilung sind die maxi-malen Querkraft- und

Momentenbei-werte als Funktion von der Luftmenge,

der Luftabgabeposition und der Anströmgeschwindigkeit für einige

ausgewählte Zustände quergestrakt worden. Die Ergebnisse zeigen, daß eine eindeutige Optimierung mit Hilfe der untersuchten Variationsbreite nicht möglich ist. Sie bestätigen jedoch, daß der Lufteintrag die Ruder-schwingungen positiv beeinflußt, Ein-fachbauformen wie auch Lufteinbrin-gung keine gravierenden Anderungen im Gesamtverhalten erzeugen. Die Versuchsreihen haben in bezug auf

die Querkraft zum Beispiel bei dem

Lochreihe7 _{_pj7}

i

Das Normairuder (ohne Luftleitfläche) kann durch Lufteintrag nur im

Momen-ten- und Schwingungsverlauf positiv

beeinflußt werden, die Ruderkraft fällt mit zunehmendem Lufteintrag ab.

Die Ruderschwingungen lassen sich

generell durch die Lufizugabe

vermin-dern. Wegen der nicht

modellähn-lichen Festigkeitsverhältnisse sind die Erfolge allerdings nur qualitativ, dabei

aber mit

eindeutiger Tendenz zu

bewerten.

7. Verzeichnis der Symbole

und Abkürzungen

R

()

V p (N) (N) (N) (Nm) D (m) J (-) (m2 . s-') (kg/rn3)

7.2. Propeller

Ruderlängskraft Nenner: P12 . V . AR Ruderquerkraft Rudermoment, bezogen

auf Mitte Ruderschaft

Reynoldszahl: Laminare Anströmung, Del.: Y_2 V Pro peller-abstrom, Def.:VABC V Systerngeschwindigkeit (Schleppwagen-geschwindigkeit) Anstellwinkel, Ruderwinkel Kinernatische Zähigkeit

Dichte des Wassers,

spezifische Masse, 1000 für Süßwasser Propellerdurchmesser Fortschrittszifter des Propellers, Del.: VAN/fl . D Drehmomentenbeiwert, Def.: Q= K0 .P. . 05 Schubbeiwert, Def.: T= KT . p n2 D Drehzahl Propellersteigung Steigungsverhältnis Drehmoment Literatur Gutsche, F.:

Die Induktion der axialen Strahizusatz-geschwindigkeiten in der Umgebung der Schraubenebene

SchiffstechnikBd. 3(1955-1956)

Rohmann, Thieme:

Zur Wahl von Balanceflächen von Rudern im Propellerstrahl

Schiffstechnik Bd. 4(1957), S.143 -149

Klingbeil, K.:

Der Einfluß von Nachlauf und

Propeller-strahl auf die Querkraft am Ruder Schiffbauforschung 13, Heft 5/6, 1974, S. 166-179

Landgraf,J.:

Untersuchung des

Schiffskörperein-flusses auf die Ruderkräfte und

Momente

VBD-Bericht Nr. 710

Fußnote: Die Mittel zu dieser Untersuchung stellte dankenswerterweise das

Ministe-rium für Wissenschaft und Forschung des

Landes Nordrhein-Westfalen zur

Verfü-gung.

Kopien des vollständigen Berichtes (Nr. 1055) mit Zeichnungs- und Diagramm-Anlagen können zum Selbstkostenpreis zuzüglich Porto von der Versuchsanstalt für

Binnenschiffbau e.V., Kläcknerstraße 77,

D-41 00 Duisburg 1, bezogen werden.

Ruder mit rautenförmigem Profil und D

geringem Lufteintrag eine

Verbes-serung um 2% bei

relativ hoher F

Geschwindigkeit ergeben. Das

Nor-mairuder mit Luftleittläche wies bei

L

relativ kleiner Geschwindigkeit und

kleinerem Lufteintrag 6,5 %

Verbesse-rung gegenüber dem Basiswert ohne

Lufteintrag auf.

Bezüglich der Rudermomente zeigt

sich mit größer werdendem Lufteintrag beim Normalruder (ohne Luftleithäche)

eine beachtliche Verringerung. Die

anderen Ruderformen weisen hier nur geringe Veränderungen auf.

T (N) Schub

VAB (mis) Abströmgeschwindigkeit

des Propellers

VAN (mis) Anströmgeschwindigkeit

des Propellers

hier: VAN = V bei Ruder

freifahrend im Propellerabstrom ohne Berücksichtigung des Nachstroms

7.3. Luftmenge

Q (Nm3/h) Eingebrachte Luftmenge, in Norm-rn3 je Stunde

7.1. Ruder

AR (rn2) Ruderfläche

K0(-)

c (m) Ruderlänge (Profillänge) CD _(-) DIF Längskraftbeiwert KT

()

CL (-) UF Querkraftbeiwert n (lis) CN

()

N/F C Rudermomenten-beiwert P (m)

C0 (m, O/i) Lage des Momenten- PfD (-) nullpunktes, bezogen auf

Mitte Ruderschaft Q (Nm)

R _(-)