.9 FEBI 198k
RCH1EE
Sonderdruck aus HANSA Zentralorgan
für Schiffahrt. Schiffbau Werften
Heft 17 1983Lb»v.
Scheepsbouwkund
Technische Hogeschool
Deift
Untersuchung der Kräfte und des
Schaftmomentes eines. symmetrisch
und asymmetrisch im Propellerstrahl
liegenden Eintlächen-Ruders
Investigation of forces and shaft
.torque. of a
single-profile rudder symmetric and asynunetric
in propeller Stream
The report gives information on how and to which
extent rudder forces and shaft moments change when its positioning behind the propeller is varied in x
(longitudi-nal) and y (lateral) directions. All measurements were car-ned out with the rudder behind a propeller m free-running tests.
It has been found that the effects ofvariation of distance between propeller and rudder in x and ydiréctions hi
nid-der forces and moments are interdependent on marginal
conchtions such as speed of advance of propeller and type of flow (e.g. attaëhed or separated). Iii. initial approach it can be assumed that the CL and C0 values become smaller
when the distance in x direction is mcreased For lateral
displacements of rudder at advance coefficients J 0.4
higher CL and CD values than those with the rudder
arranged behind the centre-line of propeller . shaft can
occur if the angle of attack of rudder and its displacement aretowards the same Side.
Zusammenfassung
Der Bericht gibt AufschluB daruber wie und m welchem Maße sich Krafte und Momente eines Ruders bei
Verset-zung in x- und y-Richtung andern Alle Messungen wur-den am freifahrenwur-den Ruder hinter einem Propeller vor-genOmmen.
Es hat sich gezeigt, daß die Auswirkungen der Änderung des Abstandes Propeller - Ruder in x- und y-Richtung auf die Ruderkraft- und Momentenbeiwerte von den Randbe-dingungen wie Propeller-Fortschrittsgeschwindigkeit und Strömungszustand (z. B. anliegend oder abgelöst, Druck-ausgleich) abhängig sind. In erster Näherung kann davon
ausgegangen werden daß bei einer Vergroßerung des
Abstandes in x-Richtung die CL- und CD-Werte kleiner
werden.
-Bei einer seitlichen Versetzung des Ruders und bei
Fort-schi'ittsziffern J 0,4 können dann höhere CL und
CID-Werte als bei Anordnung in Propellerschaftmitte, entste-hen, wenn Ruderanstellung und Versetzung gleichsinnig
erfolgen.
Einleitung
Bei Einschrauben-Schiffen werden die Ruder üblicher-weise in der Längsachse der Propellerwellenmitte
ange-orcinet. Infolge des Dralls des Propellerstrahles muß dies
jedOch nicht die optimale Anordnung sein, bei der in
Abhangigkeit von der Fortschrittsziffer und dem Ruder-winkel der größte Auftrieb bei geringstem Widerstand
erzeugt Wird. Mögilitherweise kann durch eine
außermit-tige Versetzung des Ruders im Propellerabstrom einmal die Schubexzentrizität des Propellers so wéit
ausgegli-chen werden, daß eine Voranstellung nicht notwendig ist,
zum anderen der Unterschied der Ruderkräfte zwischen Backbord- und Steuerbord-Rúderlage verringert werden.
) 213. Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnehséhiffbau e.V.,
Duis-burg gekürzte Fassung des VBD-Berichtes Nr. 1034.
Die Mittel zur Durchfuhrung dieser Untersuchung stellte in dan
kenswerter Weise die Arbeitsgemeinschaft Industneller For schungsvereinigungen e.V., Köln, zur Verfügung.
B. Ba.0 mg a rte n und
E. M ülle r*)
Ruder iii asymthetrischer Late zum Propeller sind bis-her weder experimentell noch näbis-herungsweise
theore-tisch behandelt worden Der hier nur auszugsweise verof-fentlichte Bericht gibt anhand von Modellversuchsergeb-nissen Aufschluß darüber, wie und in welchem Maße sich Kräfte und Momeñte ahi Ruder bei außermittiger Verset-zung und unterschiedlichem Abstand Rudereintrittskante bis Propellererzeugende ändern.
Versuchsdurchführung
Untersuchungsobjekt war das Modell eines modernen Seeschiff-Hochleistungsruders mit Flosse (Bild 1). Die
Untersuchungen t dem Ruder im Propellerstrahl wur den als Freifahrversuche durchgeführt. Der verwendete-4flügelige Propeller aus der Wageninger B-Serte hat die
Daten: D 0,18 m; PfD = 0,8;AIA0 = 0,55. Die Variation
der Fortschrittsziífer J=VA/n D wurde durch Änderung
-der Propeller-Anströmgeschwindigkeit vorgenommen,
Bild i Hochleistungsruder-uñd Ahordñúñg
während die Pröpellerdrehzahl m.it n=750 min' konstant blieb. Folgende Abstandsvariationexi wurden
durchge-führt:
Rudervorderkante Propellererzeugende:
x1 = 0,27 D=48,6 mm x2=O,4 D=72,Omm
Mitte Ruderprofil MÏttePropellèrwelle:
Y1,2= ± 0,194 D= ± 35,0 mm
Y3 =0
Pas positive Vorzeichen bedeutet backbordseitige, das
negative steuerbordseitige Ruderversetzung.
Versuchsauswertungund -ergebnissè
Bei der Aufstellung der Diagramme erfolgte kein
Aus-gleich (Straken) der Ergebnisse Um VerAus-gleiche mit
ermögli-ehen, sind Schaítmoment, Längs- undQuerk±àÍt sOwie die
Lage des Momenten-Nullpunktés in üblicher Form nor-miert wórden Aus Bild 2 ist die Defimtion der
Ruder-kräfte ersichtlich. Dié Anströmgeschwindigkeit des
Ruders bei deñ einzelñen Propeller-Aìiströmgeschwindig-kèitén ist nachGutschè [.1] berechnet worden:
VAN
7AVA[1+km(-1+/
T )lBild 2 Definition der Kräfte am Ruder (Ansicht von oben)
L [N]=Ruderauftrieb (lift)
D [N]=Ruderwiderstand (drag)
X [N]=Rudertangentialkraft
Y [N]=Rudernormaikraf t
N [Nm]=Rudermoment, bezogen auf dié Ruderdrehachse
ò514°] =Ruderanstellwinkel
c0 [%]=Lage des Momentennulipunktes, bezogen auf den Ru-derdrehpunkt
c [m]=Ruderprofillänge
Die Ergebnisdiagramme zeigen den Verlauf der Bei-werte über dem Ruderwinkel ô bei konstanter Pfopeller-Anströmgeschwindigkeit. Parameter sind die
Abstands-koordinaten x und y.
iTher die Auswirkungen der Änderung des Abstandes
Propeller - Ruder in x- und y-Richtung auf den
Ruderauf-trieb bzw. die AufRuderauf-triebsbeiwerte kann keine allgemein
gültige tendentielle Aussage gemacht werden. Es müssen
die Randbedingungen wie Propeller-Fortschrittsge-schwindigkeit und Strömungszustand am Ruder beachtet werden. So ergeben sich bei den hier vorgelegenen Ver-suchsverhältnissen und -anordnungen die größten Ände-rungen der Auftriebsbeiwerte CL bei beginnender bzw.
ausgebildeter Strömungsablösung Eine Vergrößerung des
x-Abstandes führt bei diesem Strömungszutand nahezu
ausnahmslos zu einer Verringerung der CL-Werte. Solange
die Strömung am Ruder anliegt, treten lediglich
beiFort-schrittsziffern J 0,4 niedrigere CL-Werte wie auch
klei-nere Auftriebsgradienten 1CL/LÖR als bei dem kürzeren Abstand auf. Bei Fortschrittsziffern J > 0,4 sind nur noch geringe, in einzelnen Fällen keine. Änderungen erkennbar.
Dié durch die Versetzung des Ruders in y-Richtung im
Ruderansteilbereich mit anliegender Strömung
hervorge-rufenen Unterschiede in den Auftriebsbeiwerten gegen-über der Ruderposition in Propeilerschaftmitte sind bei
der kleinsten Fortschrittsziffer (J = 0,02) am größten und
vermindern sich mit höher werdender Fortschrittsziffer
deutlich, wobei ab J =0,6 die Differenzen äußerst gering
werden und der Auftriebsgradient annähernd erhalten
bleibt. Obwohl die Auswirkungen einer Ruderversetzung
auf den Ruderauftrieb im backbord- und
steuerbordseiti-gen Ruderansteilbereich bei beginnender oder vollständig
abgelöster Strömung recht unterschiedlich sind, kann
davon ausgegangen werden, daß bei Fortschrittsziffern J
0,4 höhere Querkräfte als bei Anordnung in
Propeller-schaftmitte dann entstehéñ können, wenn Rudervèrset-zung und -anstellung richtungsgleich erfolgen. Im Fôrt-schrittsziíferbereich J < 0,4 ergeben sich die höchsten
Maximalquerkräíte bei Ruderanordnung in
Propeller-mitte.
Die Widerstandbeiwerte C9 verringern sich mit größer
werdendem x-Abstand des Ruders vom Propeller bei allen
ausgeführten Versuchsvariationen. Dabei wird das
Aus-maß der Beiwertänderung mit zunehmender
Ruderanstel-lung größer. Bei einer Abstandsvariation in y-Richtung lassen sich für die C0-Kurven die gleichen Kriterien und
Einflußfaktoren wie bei den CL-Werten erkénnen.
Im Gegensatz zur StB-Ruderlage ist béi der BB-Lage im Ruderwinkelbereich mit beginnender Strömungsablösung
angenähert eine Staffelung der CD-Kurven nach der
Ruderversetzung festzustellen. Bei Backbord-Ruderlage
(gleicher x-Abstand vorausgesetzt) erzeugt ein nach
Backbord versetztes Ruder höhere, ein nach Steuerbord
versetztes niedrigere bzw. gleichgroße CD-Werte als das in
Propellermitte angeordnete.
Im Ruderlagenbereich 20° < ô < +20° werden bei
J <0,4 die günstigeren C0-Werte überwiegend bei in
Pro-pellermitte angeordnetem Ruder erreicht. Im Gegensatz
auch zum größeren Ruderlagenbereich ergeben sich
höhere C0-Werte, wenn Ruderanstellung und -versetzung entgegengerichtet erfolgen.
Die durch eine Änderúng des Abstandes Ruder - Pro-peller in x-Richtung hervorgerufenen Auswirkungen auf die Momentenbeiwerte CN sollen hier nur bezüglich der Spitzenwerte betrachtet werden, da deren Kenntnis
aus-schlaggebendfür die Auslegung der Rudermaschine ist. Es kann davon ausgegangen werden, daß eine Vergrößerung des x-Abstandes generell eine Verringerung des Ma,nmal-wertes zur Folge hat. Es zeigt sich aber, daß mit steigender Fortschrittsziffer die Unterschiede geringer werden.
Am seitlich versetzten ,,Normalruder" (F= 0) ergeben
sich bei J 0,4 die größeren CN-Werte, wenn die
Ruderan-stellung entgegen der Vesetzungsrichtung erfolgt, wobei das nach BB versetzte Ruder die höheren CN-Werte
auf-weist. Die Maximalwerte treten bei der Anordnung Ruder
in Propellermitte und StB-Ruderlage auf. Bei
Fort-schrittsziffern J > 0,4 werden dagegen die größten CN-Werte am nach StB versetzten Ruder beiStB-Ruderan-stellung hervorgerufen.
Die cO-Kurven zeigen, daß die Beeinflussung der
Ruder-balancierung durch Änderung des Abstandes x zum Pro-peller bei den hier vorgelegenen Versuchsverhältnissen
nur äußerst gering ist.
Eine backbord- oder steuerbordseitige Versetzung des
Ruders führt zu einer Verschiebung des
Momenten-Null-punktes. Die größten Differenzen treten jeweils bei der
niedrigsten Fortschrittsziffer auf. Sie vermindern sich mit
steigender Fortschrittsziffer. abgewickelte, gestreck-te Propeller-FlUgel-fläche Propeller-Kreisfläche Ruderfläche Ruderhöhe. Flügellänge Ruderlänge. Profillänge N 100 Symbole AE A0 A5 b C co= CD CL -D 9j2 V2 A L 9/2 VAN2 AR 1.'T CN- 2 912 VAN D D Widerstandsbeiwert Auf triebsbeiwert Momentenbeiwert Propeller-Durchmesser Ruderwiderstand
Lcosb5-Dsinô5 c Lage des
Momenten-Nullpunktes in %
bezo-gen auf die Ruder-drehachse
BO BD Cl. RMIDIIIOONKO.:k(II40 VA (MISI 0000 J 0.022 X Y VIII RN (MEO ((44) ((4)0) (I-OS) O 4860 000 (.103 2.704 01.06035001.7 4800, - 3500 I.? + flDO ODO 1.518 2.972 o 7200 3500 1.618 2.972
iwo -iwo i.oie
2972 -CO Rß52040IOJN)0(. (ONO VA (MIS) 0.050 J 0.022 0 Y VIII ON (911.0 ((DII )WSJ)E-OSI D AtOO 090 1.703 7.75'. o 4090 3500 3.793 2.7EV .4860 -3500 1.703 2.751. + 7200 0.00 LIII 2972 * 7200 3500 1.318 2972 7290 -3500 (III 2.912 SIB BD 00 -60 01.70 (UD CI. RQIMIL(NKO. ROSI R0008NNIL(I4I90. ROWE VA (HIS) 0900 VA (HIS) 1.350 i :0400 J :0.000 X T VIII BN (MM) (1.99) )MIS) ((-05) o 4060 000 1.679 2.71.1. N 4860 3300 1.679 2.71.1. 4900 -3500 1.679 2.744. 7000 0.00 1.733 2.033 o 7200 3500 (.733 2.133 7200 -3500 1.733 2.133 (O R00004511400400. (ONE VA 1H10) 0.900 J :0.4OO 0 Y VIII RN (MIO (PRO (MISI ((-OS) D 4060 000 1.679 2.701. W SOJO 3500 (.679 2.71.1. 4960 -3500 1.679 2.71.1. + 7209 0.00 '.733 2.033 o 7200 3500 1.733 2.533 7200 -7560 3.733 2033 STD BD 00 -60 0075 01.18 Bild 3 bis 6 CL-Werte STD X Y VIII RN (MMI (1.84) (H/S) ((-09) D 4600 000 1.71.6 205V 4800 3500 1.746 2.851. 4800 -3500 (.746 2.051. 4 7200 000 3.774 2900 O 7200 3500 1.774 2.900 7290 -3500 (fl'. 2.900 RmSOWILON10. (ONT VA (MIS) .1.350 J :0.610 Bild 7 bis 10 CD-Werte X Y VIII RN (MMI ((84) ((05)5-05) 0 6810 009 1.746 2.854 N ¿.860 3500 '.746- 2.B54 (.060 -0500 1.71.6 2054 7000 0.00 3.774 2.900 o 7290 3500 1.774 2900 7200 -3500 3.774 2900 STB BD 10. -60 OLIN OLIN CL R90390WILENRO. ROBO VA HIS) (.575 J :0.700 .0 V VIII BN -(MMI ((IIi E(OS) IR-OS) o 6060 000 1.102 2.945 X 090 3509 1902 2.91. ¿.060 -3500 1.502 2.94 + 7200 090 1.017 2970 o 7200 3500 3.837 2970 7200 -3500 1017 2.970 SIB co 9190300J0131(U6. : ROWE VA (HIS) 1.570 J :0.700 X Y .0004 BN (M1.0 (144) (MISI ((-052 O 6860 0.00 .1002 7.945 O ¿.000 3500 3.002 2.945 00 4060. -3000 1.102 2.945 + 77DO 000 1.3(7 2.970 O 7200 3509 1.517 2.970 7X00 -3500 LII? 2.970 SIB
DB -60 DLTR -20 -60 -40 -20 KT= L. n N RN = T V VA VAn VA
nD
T VAB C C0(%) CN R.CSSOMNÑLEN001. KEINE VA (MIS) 1.350 J 0.600 X Y VAN RH(MMI (P4) (IllS) (E-05)
D 4860 000 1.746 2.854 4860 3500 1.746 2.856 g 4800 -3500 1.746 2.854 + 72.00 0.00 1.774 2.900 0 7200 3580 1.774 2.900 W (MIS) X. 'r (POPO (P80 o '. 860 1.703 2.784 X '.800 3500 1.703 2.781. 4&O -3510 1.703 2.784 + Th00 0.80 1.818 2.972 356e 1.818 2.972 ._ -3590 1.8(8 2972 72.00 -3590 1.774 2.900 iB 88 60 -60 DUR 0679 STO 88
-
60 DLTR O4TR uBild 11 bis 14 CN-Werte: c0-Werte
Fortschrittsziffer des Propellers PropellerScñubbeiwert Rùderauftrieb Propellerdrehzahl Ruderschaftmoment Reynoldszahl für Ruder Reynoldszahl für Prö-peller Propeller-Schub Schleppgeschwindigkeit Propeller-Anstriimgc-schwindigkeit Propeller-Abst rämge-schwindigkeit (mittlere Strahlgeschwiridigkeit) O 4860 010 1.679 2.744 X ¡$ 3590 1.679 2.744 g '.060 -351)0 1.679 2.71.4 + 72.00 . 0.00 1.733 2.833 O 7200 3500 1.733 2.633
e
7290 -3500 1.733 2.833 MOSSeOANLENIOI. KE(NE VA (MIS) i:575 j 0.700 00 .X Y VON RN o (MM) ((81) (MJSI(E-05) Ö 40.80 010 1.802 2.965 X 4800 35.80 1.902 2.945 g 4800 -351)0 1.602 2.945 + 729O 01)0 1.817 2.970 7200 3500 1.817 2.970 ° 7290 -35.00 1.817 2.970 CN CN FLOSSOMONLENIQ). KEINE 0.050 VA (MIS) 0.900 0.022 J :0.4 VI RN X Y VAN RN(MIS) (E- (MM) (PtO (MIS) (E-85)
VAÑ
Ruder-Anströmge-schwindigkeit
Abstandsmaß iö x-Rich-tung y Abstandsmal3 in y-Rich-tung ÒF Flossenwinkel on Ruderwinkel u kin. Zähigkeit o spez..Masse EDV-Symbolik DLTR Ruder-Anstellwinkel
Literatur
[fl Gutsche. F.: Die Induktion der axialen
Strahlzusatzgeschwin-digkeit in der Umgebung der Schraubenebene Schiffstechmk
Band 3 (1955-56)
