ARCHIE-
lab. v.
Scheepsbouvikunde
Technische
Hogeschool
Systematische Ermittlung und
DIM
Zusammenstellung der charakteristischen
SteuerkenngroBen
von Binnenschiffen und
Schubverbanden (II)
Dipl.-Ing. G. Luthra
225. Mitieilung der Versuchtanstalt fur Binnenschiffbau e. V., Duisburg,
-
Institut an der Rheinisch-VVestfalischen Technischen HochschUle Aachen
Dipl.-Ing. G. Luthra
Systematische Ermittlung und
Zusammenstellung der charakteristischen
SteuerkenngroBen von Binnenschiffen und
Schubverbanden (II)
225. Mittellung der Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau e.V., Duisburg*
Institut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule, Aachen
Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen e.V., Köln
1.
Einleitung
Unter dem gleichen Thema ist im
VBD-Bericht 993, auszugsweise veroffent-licht in HANSA", Heft 7/1982 01! Uber die Standard-Manovrierversuche mit Giitermotorschiffen verschiedener Hauptabmessungen in Ein- und Zwei-Schrauben-AusfUhrungen sowie mit
Schubverbanden in sechs Grundfor-mationen berichtet worden. Hierbei wurden zunachst eine begrenzte
An-zahl von EinfluBgroBen variiert und die
Ergebnisse fOr die jeweilige Schiffs-gattung zu einer Systematik zusam-mengestellt, die die Abhangigkeit der
SteuergroBen vom Wassertiefen- und Tiefgangsverhaltnis bei gegebener Schiffslange bzw. Verbandsformation wiedergeben.
Die vorliegende Fortsetzung setzt sich das Ziel, die bereits begonnene Syste-matik sowohl fUr die GUtermotorschiffe als auch fur die Schubverbande durch Untersuch.ung weiterer EinfluBgroBen
zu erganzen und dam it den Bereich der
Nutzanwendung dieser Systematik zu
erweitern. Einbezogen in die
Unter-suchung sind insbesondere Versuchs-parameter, die der veranderten
Akzent-setzung im Bereich des
Binnenschiff-baus. und Schiffsbetriebs, um den
sprunghaft gestiegenen
Treibstoff-kosten entgegenzuwirken, Rechnung
tragen.
Im einzelnen sind in Z-Manover-Tests die bisher fehlenden Daten Liber Mario-*) Kurzfassung des VBD-Berichtes 1108
Die Arbeitsgemeinschaft Industrieller
Forschungsvereinigungen e.V., Köln, hat
der Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau e.V., Duisburg, auf deren Antrag in dan-kenswerter Weise die Durchfiihrung des Versuchsprogramms ermoglicht und das Vorhaben aus Mitteln des Bundesmini-steriums filr Wirtschaft gefordert. Kopien des vollstandigen Berichts 1108 konnen von der VBD gegen Erstattung
der Kopierkosten bezogen werden.
vrierverhalten von
Zwei-Schrauben-GLitermotorschiffen mit Diisenpro-pellern erstens alleinfahrend mit bzw.
ohne Bugsteueranlage und zweitens
im Koppelverband mit einem bzw. drei Leichtern auf einer Wassertiefe und bei
einem bzw. drei Tiefgangen (fUr das
alleinfahrende GMS) ermittelt worden.
Bel Schubverbanden ist die Unter-suchung erweitert worden, urn den
EinfluB der Leichterbugform
(Keil-spent), der Ruderlegegeschwindigkeit und der dreigliedrigen Formation fest-zustellen.
2. Obersicht iiber die
Versuche
Alle Versuche wurden im
Flachwasser-tank der VBD mit 190 m Lange und
9,8 m Breite auf der korrespondieren. den Wassertiefe von h = 5,0 m durch-gefiihrt. Die Untersuchung war in zwei Versuchsreihen gegliedert.
In der ersten Reihe wurde das
vorhan-dene Modell 840 des 110 m langen GUtermotorschiffes mit Zwei-Schrau-ben-Anordnung sowie Schubleichter des Typs EUROPA Ila", alle im
MaB-stab 1:16, benutzt.
Die zweite Versuchsreihe befaBte sich
mit Schubverbanden, die aus
Schub-leichtern mit Keilspantbugform
be-standen. Die Leichtermodelle im
MaB-.1
--wmprammwalwe.."
irmigmmommimmmum
INI111111111=111111 INI111111111111111/ 61 Slundord MeInovrierversuch ft ligfig_2011/1Maig .sepumo vasunrel Abb. 1stab 1:21 stammen ebenfalls aus dem Vorrat der VBD. FUr die ein- und
zwei-spurigen Formationen mit bis zu vier
Leichtern wurde em n Zwei-Schrauben-und bei groBeren Verbancien em n
Drei-Schrauben-Schubboot benutzt.
Die vollstandigen Schiffs- und
Ver-suchsdaten sind im ausfUhrlichen
VBD-Bericht enthalten. In alien Fallen
be-stand die Hauptruderanlage aus einem Flossenruder je Propeller. Die
Anord-nung des Bug-Ruderpropellers am GMS
.bzw. Leichter im Koppelverband wurde
gemaB [2] vorgenornmen. Dieser wurde
mit einer Leistung von P = 130 kW
und n = 340 UPM (GroBausfUhrung)angetrieben. Der Anschwenkwinkel be-trug 75°.
a Versuchsdurchfuhrung
bie Durchfiihrung des Standard-Mano-vrierversuchs 1st in der bekannten Art
vorgenomrnen wordeh [1, 6 Lind 7].
Abb. 1 zeigt am Beispiel des
Zwei-Schrauben-GUtermotorschiffes eine
schematische Darstellung des
Ver-suchs bzw. den zeitlicheri Verlauf des
Kurswinkels und der Querversetzung
als Funktion des Ruderwinkels, begin-nend mit dem ersten Ruderlegen.
3.1
Giitermotorschiff-KoppelverbandeDer StUtzwinkel, d. h. die
Kursabwei-chung bei der Gegenruder gelegt
wurde, ist in Anlehnung an denbis-herigen Wert [1] fur alle Versuche mit dem GUtermotorschiff und
Koppelver-band durchweg mit 10° konitant
ge-halten worden.
Die eingestellte
Ruderlegegeschwin-digkeit bzw. die
Schwenkgeschwindig-keit des Bugsteuerpropellers betrug 90° in 14 Sekunden in der
1,0
0,7
VMS ohne Ousen. ohne Bog-OP
tat Nua0...1 OR Standard -Mariovrieriersuch Wassertiefe h SOm Geschvindigkeit V .114 km lh (Fn0..0.45 I VMS out Dusen, T .3,0 m 1,6PPelvertand, 3.0m Abb. 2
Beim Koppelverband mit 3 Leichtern
war das GMS im Verband auf der
Steuerbordseite angeordnet. Fur die Versuche mit der Variante mitBug-steuerpropeller war dieser am Bug des vorderen Backbord-Leichters ange-bracht. Durch diese Anordnung der
Bug- und Hauptantriebe war eine
Vor-anstellung der Ruder, urn die durch
asymmetrische Massenverteilung ent-stehenden Giermomente bei
Gerade-ausfahrt zu kompensieren, nicht er-forderlich. Ohne Bugsteuerpropeller
dagegen waren die Ruder urn 21/20 bei
der niedrigen und urn 31/20 bei der ha-heren Anfangsgeschwindigkeit
voran-gestellt und hatten sornit eine auBer-miffige Null-Lage, von wo aus sie je-weils urn den gleichen Betrag nach
Steuerbord und Backbord geschwenkt wurden.
3.2 Schubverbande
Der StUtzwinkel wurde in diesem Fall in Obereinstimmung mit der bisherigen Systernatik auf 4°festgelegt und durch-gehend eingehalten.
Fur die Hauptuntersuchung, in der die
VerbandsgroBe verandert und insge-samt 9 Formationen untersucht
wur-I GMS-Alleinfahrend Tiefgang T .3.0m
1111
VMS ohne Oasen, ohne Elvg-RP.StandardMantivrierversuch
Wassertiete h .5.0
Ceiclidindigkeit V .11,4 ani/h (Frin
30°
Puler.rn 5,
VMS mit Chisen T 3,00
Koppelverbard r-3,0m
ohne Bug-RP GYM 13.°131.
5915
075 'Lean,.
Abb.-3
den, war eine
Ruderlegegeschwindig-keit von 90° in 14 Sekunclen eingestellt.
Beim Viererverband wurden zwei wei-tere Ruderlegezeiten unteriucht. Diese betrugen 9 und 23 Sekunden fur eine Ruderwinkelverstellung von 90°.
4. Versuchsergebnisse
Die Ergebnisse der Versuche, die das zeitliche Manovrierverhalten der
unter-suchten Varianten wiedergeben, sind
in der ublichen Art mit Hilfe der Schiffs-langenfahrzeit V/I_ in dimensionslose
Gr6Ben umgerechnet und werden in dieser Form als Funktion des
Ruder-winkels bzw. des Wassertiefenverhalt-nisses dargestellt.
Mit V (m/s) = Schiffs- bzw.
Modell-geschwindigkeit und L (m) = Schiffs-bzw. Modellange handelt es sich urndie folgenden GroBen:
A = ta
V/L dimensionslose AnschwenkzeitenB = ts
yiL
dimensionslose Stiitzzeit (Steuer-bord) 0,3 es 0,3 !VMS - AlleinfahrendIl Tiafgang T .3,0m :I VMS ohne Dasen, ohne'Bug,R
Standard-Mandvrierliersuch
Wassertiefe h .5.0m
Gesdnoindigkeit V 114 Wn/11 (Fri, .0.451
a Down, ma kip -13 P 71.9n, 54.3-179
GPIS not Dasen T 3.0 m
Koppelverhond 11..evv=3.00
Oil Bug-RP am VMS 'Inv on leichter
4145 759anter 31311197
C = 057,3 UV
dimensionslose Drehgeschwin-digkeit nach BackbordE = tA .V/L
dimensionSlose AusweichzeitenSLF = 1- V/L
dimensionslose Kurzschwingung Die zeichnerische Darstellung derEr-gebnisse umfaBt ferner die
Absolut-betrage der OberschwingWinkel as und der Querversetzungen Q in m.
Fur die BerechnUng der
dimensions-losen Grol3en bei Schubverbanden ist
statt der Schiffslange die aquivalente
Lange, definiert als B des Leigh-terverbands, eingesetzt worden. Diese hatte sich fiir die umfassende Darstel-lung der SteuerkenngroBen von Schub-verbanden bereits bei der vorangegan-genen Untersuchung als gut geeignet
erwiesen.
41
GUtermotorechiff-KoppelverbandeDie dimensionslos gemachten Steuer-kenngroBen des Gutermotorschiffs mit
und ohne Anhange und der
Koppel-0,7 oh 11. 05 Oh A 0.3 _,ISMS-Alleinfohrend I Tiefgang T .3,00
VMS ohne Dusen, ohne Bug-PP
klIWYMIlel
Standard-Manovrierversuch
Wassertiete h 5,0 m
Geschwindigkeit V.11,4 kmIte IFn, =0,451
11/1. ohm 13197179 17fiso...0- 99 ma 0..1,091 595-779 2$, 35 VMS mit Clasen T 3.00 Koppelverhond 5.5 11...993.
mit Bug-RP orn GPIS b., am.Leichter
779 33.1. 111.-r:
,
,r
i' /
/
Abb. 4 Abb. 5 90. 309 Puel...197 8, 20° . 5,Standard- Manov ierver Such Schabverbaride Massertiefe h 5,0 m Leichtertief gong T= 2,8 m 'GesChwindigkeit V =11,4 km/h R886/.46681 5. 30° 0,02 0,03 0,04 0,05 046 OAT h-T 0,08
Abb. 6
verbande sind im Bericht als Funktion des Ruderwinkels grafisch dargestellt. Aus Platzgriinden werden hier die vier
wichtigsten SteuerkenngroBen in
Ab-bildungen 2 bis 5 wiedergegeben. Alle Diagramme gelten ftir das Anschwen-ken nach Steuerbord bei einer
Anfahr-geschwindigkeit von V = 11,4 km/h
auf der korrespondierenden Wasser-tiefe von h = 5,0 m.Ein wesentlicher EinfluB der Anfahr-geschwindigkeit innerhalb der
vorge-nommenen Variation wurde nicht fest-gestellt. Die auftretenden Uriterschiede
sind gering und nicht eindeutig, was daran liegt, daB die MeBpunkte bei dieser Versuchsart, wie auch bei
an-deren instationaren Versuchen, starker als sonst streuen.
, 13
"
0,02 Standard- Manovrierversuch Schubver ban de Wessartiefe h 5,0 m Leichtertietgang 7,= 2,8 m Gesch.irdigkeit v =11,4 k m / h Roderrinkel EiR 30° 0,06 0,07 048' Abb. 7Aus diesem Grunde und urn
Zufalls-ergebnisse weitgehend ausschalten zu k6nnen, war eine Doppelbelegung der
MeBfahrten vorgesehen und wurde durchgefuhrt. Die hier aufgetragenen
Werte liegen jeweils innerhalb des
Streubereichs und wurden ohnewei-tere Korrekturen Obernommen.
Der EinfluB des Tiefgangs auf die
SteuerkenngroBen im GMS, der in den Abbildungen links unten gezeigt wird,
ist ebenfalls gering und nicht in alien
Fallen eindeutig.
Dagegen sind die Auswirkungen, so-wohl der Dusenanordnung als auch
des Bug-Ruderpropellers am GMS, in den Abbildungen links oben deutlich zu erkennen. Die Diisen verlangsamen die Reaktionsschnelligkeit des Schiftes auf Steuerimpulse (Anschwenken und
Drehgeschwindigkeit), erhohen aber die Kursstetigkeit (geringere Stazzeit und Oberschwingwinkel). Die zusatz-liche Anbringung des Bug-Ruderpro-pellers unterstiitzt das Anschwenken und verbessert die Handhabung bei
Ausweichmanovern. Qualitativ sind diese Tendenzen bekannt. Sie werden
durch die vorliegenden Ergebnisse
zahlenmaBig belegt. e.,[1 12 /0 6 5 Abb, 8
Das gleiche gilt fur die Koppelverbande,
deren Ergebnisse in den Abbildungen rechts denen des alleinfahrenden GMS
vergleichend gegenubergestellt sind.
Die Staffelung der Kurven beziiglich der
geometrischen Abmessungen der drei Varianten ist bei den einzelnen Steuer-groBen nicht einheitlich. Hierbei ist zu berucksichtigen, daB die Versuche bei gleicher Geschwindigkeit, aber bei un-terschiedlicher Propellerdrehzahl und
Leistung, gefahren wurden, wodurch die Beeiriflussung der Ruderwirkung
Standard- Manovrierveesuch. Schubver bande Wasserkiefe h 5,0 m Leichtertiefgang 1, 2,8 m Geschvindigkeit V =11,4 km/h R6cie1vink4 6R = 30° 3/1
durCh den PropellerStrahl varliert
WUrde.
Wahrend sich alle Versuche auf das Anschwenken nach Steuerbord
be-ziehen, wurden mit den beiden
Varian-ten GMS alleinfahrend und
Koppel-verband aus GMS und 3 Leichtern je-weils mit Bug-Ruderpropellerzusatzlich
noch MeBfahrten mit Anschwenken nach Backbord durchgefiihrt. Diese
ergaben in beiden Fallen
Anschwenk-zeiten, die je nach Ruderwinkel urn 3
bis 10% holier lagen, wobei der obere Wert dem groBen Ruderwinkel von 30°
zuzuordnen ist. Die Ursache bierftir liegt in der VVirkungsweise des Bug-Ruderpropellers, der, bedingt durch
den Propellerdrehsinn, zu sehr
unter-Standard- Mantivrierversuch Schubvarbande Wassertief 9 h 5,0 m Leichtartiefgang 11.= 2,0 m Geschwiridigkeit 'V =114 '691/8 Roderwinkel 68 = 30° 0.02 003 004 OAS 036 037 008 Abb. 9
schiedlichern Verlauf der Querkrafte
Ober der Geschwindigkeit f6r die StB-und BB-Richtung fuhrt [2]. Diese
Unter-schiede erklaren zum gri5f3ten Teil auch
das abweichende Verhalten der drei
Varianten mit Bug-Ruderpropeller in der
Stiltiphase der nach Steuerbord
aus-gefiihrten Z-Manover-Tests, wobei die StLitzzeiten und Oberschwingwinkel et was ungiinstiger liegen als der jeweils
vergleichbare Wert ohne
Bug-Ruder-propeller.
4.2 Schubverbande
Die mit aquivalenten Langenfahrzeiten dimensionslos gemachten Steuerkenn-groBen der Schubverbande bestehend
aus 1 bis 9 Leichtern in 1-, 2- und
3-spurigen bzW. gliedrigen Formationen sind ebenfalls im ausfiihrlichen Bericht als Funktion des Ruderwinkels grafisch dargestellt.
Ein wesentlicher EinfluB der Anfahrge,
schwindigkeit wurde auch in diesem
0,03 0,04 0,05 0.02 0,03 0,04 035 006 097 _ 098 B 1.7 14 1,5 1.0 0,9
Standard .Manovrierversuch Schubverbande Was:Wide h 5.0 Leichtertiet gong 11 2.8 m Geschvindigkeit V 11.4 km/ h Ruderrinket eat 093 004 095 006007 me Abb. 10
Fall nicht festgestellt. Dagegen 1st der
EinfluB des Ruderwinkels auf die
SteuergroBen nicht nur in ausgepragter
Form vorhanden, sondern zeigt auch
einen in Abhangigkeit von der
bandsformation unterschiedlichen Ver-lauf. In bezug auf praktisch alle
Steuer-groBen und besonders bei groBeren Verbanden 1st eine hohe, in einigen Fallen die hochste Ruderwirkung bei einem Winkel von 300 zu erkennen.
Bei noch groBeren Ruderwinkeln lessen
sich infolge der einsetzenden Ablo-sungseffekte am Ruder die Steuer-impulse (Anschwenken und
Drehge-schwindigkeit) kaum noch steigern. Sie
erschweren nur das StUtz-Manover und
fiihren 'zii verhaltnismaBig groBem
Querversatz. Standard -Maniivrierversach . Schubverbande Wnsserfief e h 5,0 m Leichtertiefgang T 2.8 m Geschrindigkeit V 11.4 km/h Ruderwinked Eng 30. E t
Als zusammengefaBte Darstellung
wer-den die charakteristischen
Steuergro-Ben von 9 Verbandsformationen als Funktion des Quotienten aus Boden-freiheit und aquivalenter Lange des
Leichterverbands in Abbildungen 6 bis 11 wiedergegeben. Die
Darstellungs-weise sowie die maBgeblichen
Para-meter mit Ausnahme der Ruderlegezeit
sind identisch mit der in der
vorange-gangenen Arbeit ausgearbeiteten
Sy-stematik, in der die groBeren
Verbands-formationen noch fehlten. Der
Ver-gleich mit alteren Ergebnissender-jenigen Formationen, die jetzt mit
Leichtern mit Keilspant-Bugform wie-derholt untersucht wurden, zeigt ins-gesamt eine gute Ubereinstimmung,
aber keinen eindeutigen EinfluB der
Bugform der Leichter auf die
Steuer-gr6Ben, der nur gering sein dUrfte,
fest-stellen. Die Abweichungen, wie sie vor
allem bei den MeBdaten der StUtzphase
vorliegen, sind zum Tell durch die
MaB-stabseffekte bedingt, da die
Strahl-belastung bei freifahrenden kleineren Modellen und vergleichbaren
Ge-schwindigkeiten verhaltnismaBig h6her
1st und zu etwas groBeren Ruderkraften
Zum Tell sind die Abweichungen
aber auch auf die groBere MeBwert-toleranz dieser Versuchsart
zurtick-zuftihren.
AbschlieBend ieigt Abb. 12 den EinfluB
der Ruderlegezeit auf die Ste uergroBen
von Schubverbanden. Die Abbildung enthalt die Auftragung aller wichtigen SteuerkenngroBen als Funktion der
Ruderlegegeschwindigkeit,
ausge-druckt als die Zeit, die benotigt wird,
urn das Ruder urn 900 zu schwenken.
Letztere 1st starker wirl.csam im Bereich
schnellerer Legezeiten, wie sie in der
Praxis vorkommen und stellt somit eine wichtige GroBe fur die Beurteilung der
Manovriereigenschaften von
Binnen-schiffen dar. Die hier wiedergegebenen Relationen ermoglichen das Urnrech-nen der SteuerkenngrOBen und
erwei-tern damit die Nutzanwendung der
Ergebnisse in den Abbildungen 6 bis 11.
5. Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit befaBt sich mit Ergebnissen von erweiterten
Standard-Manovrierversuchen rnit einem
Zwei-Schrauben-GroBmotorschiff (GMS) und
mit Schubverbanden. Beim GMS han-cielt es sich urn eine der bereits
unter-suchten Varianten, bei dem nun der
EinfluB der Anordnung von
Propeller-dUsen und Bugsteueranlage sowie sein
Manovrierverhaften im Koppelverband mit einem bzw. drei Leichtern ermittelt wurde. Bei Schubverbanden 1st die be-reits begonnene Systematik ciurch Un-tersuchung weiterer EinfluBgroBen und
Formationen erganzt worden.
Auszugsweise vverden die
mit der
Schiffslangenfahrzeit dimensionslos gemachten SteuerkenngroBen des
GMS alleinfahrend und im
Koppelver-band als Funktion des Ruderwinkels und die der Schubverbande in 9
For-mationen in bekannter systematischer Darstellung wiedergegeben.
Die Darstellung enthalt auBerdem die Ergebnisse von Vergleichsmessungen, um den EinfluB der Ruderlegezeit auf die SteuerkenngroBen zu ermitteln.
1,4 4.8 1,2 1,0 8 101 9. 7 0.5 1,11.61 0.4 0.3 4 3 Standard - Mandvrithersuche Schubverband 2.2 Einfluf3.der RuderLegeteit
Wassertied h=5,0m Leichternef gong 3L2,13m 96s1hwindigkeftV=11.4km/h Ruderkinket 6R=3D. LF 20 lied Rudertegekeit k9.90°
Abbl-12
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