Das fahrverhalten eines schubverbandes in den krümmungen westdeutscher kanäle

H. Binek, E. Müller

Das Fahrverhalten eines

Schubverbandes in den

Krümmungen westdeutscher Kanäle

184. Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau Duisburg, Institut an der Rheinisch-Westfälischen

Tech-nischen Hochschule Aachen

Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen Nr. 6179 Meßwerte waren: Modellgeschwindigkeit V Ruderlage OR Propellerdrehzahl n Kurswinkel

cp

Drehgeschwindigkeit

cp

Bahnverlauf des Modells Sx;

s,

2 Modell

2

9,46 m ~ 0,591 m 1,60 m~ 0,100 m BaSpt =

T

=

76,50 m 6 _4,781m 11,33 m ~ 0,708m 2,0 m ~ 0,125 m 2,5 m 6 _0,156m 2,8 m ~ 0,175 m 1544 m3 6 _{377 dm}3 1945 m3 ~ 475 dm3 2197 m3 6 536 drn> Sonderdruck

Düse:

Kanalschubboot:

Mit einer Formation bestehend aus einem Kanalschubboot und zwei Leich-tern des Typs Europa

11

sind Modell-versuche in den Kanalkrümmungen durchgeführt worden. Die Abmessun-gen der untersuchten Formationen waren:

Propellerdaten:

D

=

1,65 m~ 0,103 m P/o = 1,027 m AelAo = 0,594

z

3 Großausführung: Länge über alles Lü.a. = 20,50m~ 1,281 m Breite auf Spanten Tiefgang Anzahl der Propeller in Düsen LID

=

0,75

t/o

=

0,12

112

.

Düseneintrittswinkel

=

7°

112

Düsenaustrittswinkel

=

3°

=

=

=

Lü.a. BaSpt

Tl

T2

T3 411 412 413 Verdrängung Länge über alles Breite auf Spanten Tiefgang

Europaleichter Typ Ha:

worden. Die Wassertiefe war für alle untersuchten Kanalabschnitte h 219 mm ~ 3,50 m. Die Länge eines Krümmungsmodells, betrug je nach Kanaltyp, 50-7-60 m.Der Beginn jeder Versuchsfahrt erfolgte von einer Rampe aus, die in einem bestimmten Winkel zur Tankmitte verlief, so daß bei jeder Fahrt ein genau vorbestimmter Aus-gangspunkt vorlag. Die Stromversor -gung des Modells erfolgte über eine Angel vom großen Schleppwagen aus. Die Bewegungen des Modells in Längs-und Querrichtung wurden von zwei unabhängigen Schlepwagen optisch verfolgt und aufgemessen. Es ist eine Ruderlegezeit (Hartruderlage bis Hart-ruderlage OR =

±

45°) von

t8

28

tM = ~=

4'"

= 7s zugrunde gelegt

worden.

Versuchsdurchführung :

Im großen Flachwassertank der VBD sind im Maßstab 1:16 je zwei Krüm-mungen des Wesel-Datteln-Kanals und des Dortmund-Ems-Kanals eingebaut

AufgabensteIlung:

Für die Bereitstellung der Mittel zur Durch-führung dieser Arbeit danken wir der Ar-beitsgemeinschaft Industrieller Forschungs-vereinigungen e. V., Köln.

In immer stärkerem Maße wächst die Forderung der Reedereien nach größe-ren und damit wirtschaftlichegröße-ren Bin-nenschiffseinheiten auf den westdeut-schen Kanälen. Das Befahren der Ka-näle mit größeren Schubeinheiten ist aus manövriertechnischer Sicht z. T. problematisch, und zwar dann, wenn einspurig-zweigliedrige Verbände mit Leichtern des Typs Europa

11

zusam-mengestellt werden. Gerade solche Verbände könnten jedoch für die Ree-dereien kostendeckend fahren. Die Fahrt auf geraden Strecken läßt sich aus hydrodynamischer Sicht in den meisten Kanälen ohne Schwierigkeiten durchführen [1], [2]. Das Verhalten großer Einheiten beim Durchfahren von Krümmungen ist bisher nur in einzel-nen Großversuchen geprüft worden [3]. Systematische Großversuche sind zur Klärung der Fragen zu kostspielig. Theoretische Berechnungen mit ge-nauen quantitativen Ergebnissen lassen sich nicht durchführen, da bestehende Berechnungsmethoden infolge notwen-diger Linearisierung starke Vereinfa-chungen vorschreiben. Um zu umfas-senden quantitativen Ergebnissen zu gelangen, ist die Durchführung syste-matischer Modellversuche eine reali-sierbare Problemlösung.

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Anordnung der Düsen und der Haupt-u

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Flankenruder

am Sc

hubboot

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Abb.

Anordnun 9 des

P

assiv- Bugruders

_Abb.6

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Wesel-Oatteln-Kanal

~'"119 · 266

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Maßein Mete r für Großausführung Abb.2 Abb.7 r.2,o_ _~ se-,

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V

C

F iP

Abb.4 _Abb.9

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Abb. 10

In der Abb. 1 ist die Anordnung der Düsen sowie der Haupt- und Flanken-ruder dargestellt. Das BugFlanken-ruder im ein-gebauten Zustand zeigt Abb. 2. Die Versuche sind mit und ohne Betätigung der Passivruderanlage gefahren wor-den. Dabei wurden drei Geschwindig-keiten pro Tiefgang untersucht. Neben dem normalen Durchfahren der KanaI-krümmungen. wurden einige Passier-fahrten an Hindernissen vorgenommen. Ein Güter-Motorschiffvom Typ .Johann

Welker" (80 m x 9,5m x 2,5m) ist e

in-mal im Außen- und später im Innen-bogen des W-D-Kanals (km 25,9-i-26,6) vertäut worden. In folgenden KanaIab-schnitten sind die Untersuchungen durchgeführt worden:

1. Wesel-Datteln-Kanal ; km 25,9-r-26,6 Trapezprofil. Bogenlänge in der Achse 520 rn: Radius 600 m.

2. Wesel-Datteln-Kanal; km 45,1 -;- 46,0

Trapezprofi l. Bogenlänge in der Achse 650 rn: Radius 1000 m. 3. Dortmund-Ems-Kanal; km 5,1 -i- 5,9

Trapez-Rechteckprofil. Bogenlänge in der Achse 790 m;Radius 1000 m.

4. Dortmund-Ems-Kanal; km 61,0 -;- 61,7 Trapezprofil. Bogenlänge in der Achse 490 m: Radius 520 m.

Ergebnisse:

Wesel-Datteln-Kanal:

In den Abbn. 3-i-8 sind Bahnverlauf und Drift der untersuchten Formation bei Kilometer 25,9 -;- 26,6 im Wesel-Dat-tein-Kanal dargestellt worden. Die Schiffsgeschwindigkeit V sollte bei den hier wiedergegebenen Versuchen an-nähernd gleich groß sein infolge kon-stanter Drehzahl. Das ist wegen der geringen Anlaufstrecke nicht immer gelungen. Die Abbn. 3-;-5 zeigen die Versuche, die nur mit der Hauptruder-anlage gefahren worden sind, während in den Abbn. 6 -;- 8 die Ergebnisse der Versuche mit zusätzlicher Betätigung des Bugruders aufgetragen wurden. In allen Fällen ist der Verlauf der

Schiffs-geschwindigkeit V, der Drehgeschw

in-digkeit

cb

und der Ruderlage 5R über dem zurückgelegten Weg s (km 25,9-;-26,5) zusätzlich aufgezeigt.

Bei einer Abladetiefe von T = 2,0 m sind sowohl mit als auch ohne Betäti-gung der Bugruderanlage die gering-sten Ruderausschläge während der Fahrt durch die Kanalkrümmung regi-striert worden (max. 5R = 20°). Die relativ geringe Drehgeschwindigkeit

cb

=

1Qo/min-;- 200 / m i n

geht parallel mit einer gleichmäßigen Fahrgeschwin-digkeit. Häufigere Schwankungen der Dreh- und Fahrgeschwindigkeit ergaben sich bei einer Abladetiefe von T = 2,5m ohne Bugruderbetätigung und bei T= 2,80 m mit Betätigung des Bug-ruders.

Es kann aber festgestellt werden, daß sowohl mit als auch ohne Betätigung der Bugruderanlage diese Krümmung des Wesel-Datteln-Kanals mit einer

mittleren Geschwindigkeit von V

=

6,0

km/h im einschiffigen Verkehr bei Ab-ladetiefen zwischen 2,0 m -;- 2,8 m mit einspurig-zweigliedrigen Schubverbän-den ohne nennenswerte Schwierigkei-ten zu durchfahren ist. Bei allen ande-ren Versuchen (V~6 km/h) erfolgten ebenfalls keine Grund- und Uferberüh-rungen.

Fahrergebnisse im Modell des Wesel-Datteln-Kanals von km 45,1-i-46,0 zeigen die Abbildungen 9 und 10. Es handelt sich hier , wie im ersten Fall, um ein beidseitiges Trapezprofil.

Die Geschwindigkeiten liegen ebenfalls bei V,..., 6,0 krn/h. Aus der Lage der Formation in der Kanalkrümmung ist gut zu erkennen, daß die Manöver gelun-gen sind.Die Krümmung wurde sowohl mit als auch ohne Bugsteuer berüh-rungslos durchfahren. Bei den Versu-chen ohne Bugruder liegt der Bahnver-lauf näher am Außen bogen, so daß zum Schluß stärker beigedreht werden mußte. Mit Bugruderbetätigung konnte näher am Innenbogen gefahren werden.

Bei der Einfahrt in die Kanalkrümmung traten bei allen Geschwindigkeiten Kursschwankungen auf, die nach etwa

400 m-500 m wieder geringer wurden.

Bei einem Bahnverlauf der Verbands-mitte in KanalVerbands-mitte ist eine Kurswinkel-abweichung von

r:p

=

±

6° noch zuläs-sig. In den vorliegenden Fällen wurden Kurswinkel von

r:p

= 4° nicht über-schritten .

Im Wesel-Datteln-Kanal ist auch bei km 45,1-i-46 für einschiffigen Verkehr das Durchfahren der Krümmung mit einer einspurig-zweigliedrigen Ver-bandsformation bei Geschwindigkeiten

zwischen V = 4,0 km/h -i-8,0 km/h je nach Leichtertiefgang

er

= 2,0 m-i-2,8 m) möglich.

Dortmund-Ems-Kanal:

Eine andere Variante der untersuchten Kanalkrümmungen stellt der Dortmund-Ems-Kanal von km 5,1-;- 6,0 dar. Der Kanalquerschnitt hat im Innenbogen eine senkrechte Spundwand und im Außenbogen Trapezprofil.

Die Versuchsergebnisse für V

=

6,0 km/h und T~ 2,5 m sind in den Abbn.

11 u. 12 dargestellt worden. Sowohl mit als auch ohne Bugruder ist der KanaI-abschnitt auf allen untersuchten Tief-gängen berührungslos passiertworden. Mit der Bugruderanlage konnte der Ver-band sehr eng an der Spundwand ge-halten werden. Selbst ohne Bugruder haben max. 5

=

20° Ruderlage zum Manöver ausgereicht. Die Drehge-schwindigkeiten ohne Bugruderanlage lagen bei

cb

"'"

1Qo/min. Während der Versuche mit Bugruder ist die Drehge-schwindigkeitsmessung ausgefallen, so daß hierüber keine Vergleiche mit den Fahrten ohne Bugruder vorgenommen werden können.

Es bleibt festzustellen, daß für das Durchfahren von Krümmungen der e

in-seit ig gespundete Kanaldem Kanal mit

beidseitigem Trapezprofi l überlegen ist.

Während ein zweischiffiger Verkehr in den Krümmungen mit Trapezprofil schlecht vorstellbar ist, scheint er in Krümmungen mit einseitiger Spund-wand eher möglich zu sein. Der Bahn-verlauf der Verbandsmitte liegt sehr nahe an der Spundwand (Innenbogen). Eine entgegenkommende Formation

hätte durchaus noch genüge nd Raum zur Verf ügu ng.

Eine weitere Versuchsserie in einer

Kanalkrümmung des Dortmund-Ems-Kanals (km 61,0-;- 61,7

=

Trapezprofil) zeigen die Abbn.13 u.14,ebenfalls für V

=

6,0 krn/h. Der Bahnverlauf ist bei allen Tiefgängen als einwandfrei zu be-zeichnen. Die max. Ruderlagen

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In

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Abb. 11 Abb. 12 su _{6~ ~} 6\6

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Abb. 13 Abb. 14

chen BR= 20° . Die

Drehgeschwindig-keiten sind im Vergleich zu den

ande-ren Kanalkrümmungen geringer (max.

~

=

12°/min). Sämtliche Versuche

konnten bei der gewählten

Geschwin-digkeit mit allen Leichtertiefgängen

ohne Uferkollision durchgeführt

wer-den.

Mit größer werdendem Tiefgang werden im allgemeinen die Drehgeschwindig-keiten kleiner und die Schwankungen geringer. Ebenso sind auch die Dreh-geschwindigkeiten ohne Bugruder meist kleiner als mit Einsatz der Bugruder-anlage. Im Kurswinkelverlauf sind zwi-schen beiden Varianten keine nennens-werten Unterschiede festzustellen.

Passierfahrten im

Wesel-Datteln-Kanal:

Nach den Einzelfahrten durch die

Krüm-mungen des Wesel-Datteln- und des

Dortmund-Ems-Kanals wurden noch

einige Passierfahrten im

Wesel-Datteln-Kanal bei km 26,3 vorgenommen. Das

Modell eines Typschiffes .Johann

Wel-ker" ist .einrnal im Innen- und einmal

im Außenbogen der Kanalkrümmung

festgelegt worden, und zwar im

Schei-telpunkt. Der Tiefgang des

Güter-Mo-torschiffes war T

=

2,5m. Die

Ablade-tiefe der Leichter wurde von T = 2,0 m

bis T = 2,5 m variiert. Alle in der Abb.

15 dargestellten Versuchsergebnisse

sind mit Betätigung der Bugruderanlage

erzielt worden. In dem mit Fall I

be-zeichneten Diagramm handelt es sich

um Passiervorgänge, bei denen das

Güter-Motorschiff im Außenbogen des Kanals lag, während im Fall 11 das Mo-dell im Innenbogen festgemacht war. Die Versuche mit dem Modell im Außen-bogen konnten ohne Kollisionen durch-geführt werden.Im Fall 11 (Hindernis im

Innenbogen) hat ständig eine leichte

Berührung der Modelle stattgefunden.

Zusammenfassung:

In jeweils zwei Krümmungen des

We-sel-Datteln- und des

Dortrnund-Ems-Kanals ist modellmäßig das

Fahrver-halten einer einspurig-zweigliedrigen

Schubeinheit untersucht worden. Die

Gesamtlänge der Formation betrug in Großausführung 173,5 m. Der Verband bestand aus zwei Leichtern des Typs

.Europa lIa" und einem

Kanaischub-boot. Die Versuche sind mit und ohne

Passivruder gefahren worden. Der

Leichtertiefgang wurde variiert, ebenso

die Geschwindigkeiten. Die Ergebnisse

wurden für eine mittlere

Schiffsge-schwindigkeit von V

=

6,0 km/h in

cha-rakteristischen Diagrammen dargestellt. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß einspurig-zweigliedrige Schubverbände mit den erwähnten Abmessungen durch die als gefährlich und eng angesehenen Kanalkrümmungen ohne

Schwierigkei-ten im einschiffigen Verkehr fahren

können.Passierversuche haben gezeigt,

daß ein im Außenbogen liegendes Hin-dernis ohne Kollisionen passiert wer-den kann, wogegen ein im Innenbogen lleqendes Hindernis nicht ohne Schwie-rigkeiten zu umfahren ist.

Für die Herstellung der umfangreichen

Zeichnungen danken die Verfasser

Herrn G.ter Jung.

Symbolverzeichnis:

AE abgewickelte und gestreckte Flügel

-fläche

Ao Propellerdiskfläche

BSpt. SChiffsbreite auf Spanten

D Propellerdurchmesser

h Wassertiefe

Lü.a. Schiffslänge über alles

n Propellerdrehzahl

Bahnverlaufim W-D-Kanal;km25,9-26,6

Formationmit Bugruder

r-:---~ ~---' T_2.0 .. Sdl..trl \ _ _•_ _y.~a~1IIII> Abb. 15

P Propellersteigung

Sx Längskomponente des Bahnverlaufs

Sv Querkomponente des Bahnverlaufs

T Schiffstiefgang V Schiffsgeschwindigkeit -V- Schiffsverdrängung z Flügelzahl ÖR Ruderlage Ä Modellmaßstab (/J Kurswinkel

ifJ

Drehgeschwindigkeit

literatur:

[1] Binek, H.; Müller, E.:

Einzelfahrten von Schubverbänden in

Schiffahrtskanälen.

Hansa 1976, Heft 8

[2] Binek, H.; Müller, E.:

Passieren von Schubverbänden in

Schiffahrtskanälen.

Hansa 1977, Heft 20

[3] Schäle, E.:

Die Vorteile des rechteckigen

Kanalpro-fils für die Großschiffahrt, dargestellt

anhand der Ergebnisse naturgroßer

Lei-stungs- und Manövrieruntersuchunqen

von Schubverbänden und

Gütermotor-schiffen im Rhein-Herne- und

Main-Donau-Kanal.

160. Mitteilung der VBD

[4] Binek, H.:

Modellversuche zur Bestimmung des

Fahrverhaltens einspurig-zweigliedriger

Schubverbände in den Krümmungen der westdeutschen Kanäle.

VBD-Bericht Nr.881

Summary

Model tets with a pushed unit of two

lighters in a single ftle have been

carried out in scale sections correspon-ding to two bends in Wesel-Datteln and Dortmund-Ems canals to test its

per-formance in negotiating these bends.

The total length of pushed unit com-posed of two "Europa lIa" lighters and a canal-type of tug corresponded to

173.50 m in full scale. The tests were

carried out with and without the use of passive bow rudders whereby the draft

of lighters and speed of tow were

varied.

The results are presented as

character-lstic diagrams for a mean speed of

V

=

6,0krn/h,

The tests show that pushed units of above dimensions can negotiate these

as narrow and dangerous regarded

bends in single lane traffic without

difficulty.

These tests show moreover that such tows can by-pass an obstacle on the

outer side of bend without collision,

whereas an obstacle on the inner side of bend causes difficulties.