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mzLab. V . Scheepsbouwk
tr-ARCHIE
Forschungsschiff „Gauss" —
Erprobung des Antriebsorgans
„Propeller und Leitrad"
Technische Hogeschoo!
Prof. Dr.-Ing. O. G r i m . Hamburg*)
Einleitung
Im Jahre 1966 stellte der Alitor ein neuartiges Antriebs-organ „Propeller und Leitrad" vor, durch das der zur Erzeugung des .Schubes notwendige Impuls einer größeren Wassermasse zugeführt und so Energie gespart werden soil, pas Leitrad liegt ûreirotierend hinter dem Propeller, sein Durchmesser ist größer als der dès I>ropeUers, seine Flügel sind so ausgebildet, daß sie i m inneren Teil dem PropeUerstrahl Energie entnehmen imd im äußeren Teil diese Energie sofort 2Xir &2eugung zusätzlidien Sdiubes verwenden.
Bereits die in [1] mitgeteilten Berechnuhgsergebnisse ließen erwarten, daß durch das neue Antriebsorgan in be-stimmten Fällen nicht unerheblidie Energie-Einsparungen zu CTzielen sind. In der Folge erschienen weitere Arbeiten ([2] bis [5]), i n denen die ersten Ergebnisse auch durch Modellversuche tmd d u r ä i einen Großversuch auf einer Barkasse üntermauert würden. Trotz der vielversprechen-den Ergebnisse fand sich kein Reeder bereit, das Antriebs-organ einzubauen und weiter zu erproben. Offenbar scheute man das Risiko, das man — obwohl es gut abi-sdiätzbar erscheint — bei einer Ëirstausführung befürch-tete. Anfang 1979 wurde vorgeschlagen, das Forschungs-schiff „Gauss"**) mit Propeller und Leitrad auszurüsten. Der P r ^ i d e n t des Deutschen Hydrographischen Instituts, Prof. Zicâcwolfî, förderte diesen Vorschlag und stellte die Zustimmung des Bundesministers f ü r Verkehr sicher. Auch aùe anderen an d e n Bau des Schiffes unmittelbar Beteilig-ten arbeiteBeteilig-ten bereitwillig mit wie die Zentralstelle f ü r Schiffs- und Maschinentechnik, die Schlich ting-Werft, die Scibaffran-PropeÜer-GeseÜschaft und der Germanische Lloyd. Die Finanzierung der Beschaffung und Erprobung von Propeller und Leitrad konnte gelöst werden, als Ende J979 der Bundesminister f i i r Forschung und Tecähawlogie 90 "/a der h i e r f ü r notwendigen Mittel bereitstellte und die Hamburgiscäie Sciiûïbau-Versuchsanstaït sich bereit er-klärte, die verbleibenden 10 Vo der Kosten zu tragen. So konnte trotz der Kürze der Zeit der Vorschlag realisiert werden.
*
Auslegung der Antriebsorgane
Der Entwurf und die Ausarbeitung der Bauunterlagen des F.S. „Gauss" waren abgeschlossen, bevor der Vor-schlag, Schiff mit dem Organ Propeller und Leitrad auszurüsten, eingebracht werden konnte. Die Unterlagen waren daher f ü r das konventionelle C^gan — Propeller mit festen Flügeüi — ausgearbeitet. Auch die Modellver-suche wai-en in der H S V A i n cier üblichen Weise f ü r das konventionelle Organ ausgeführt. Aus dem Bericht der H S V A Nr. W P 12,'79 über die Modellversuche wird hier nur eine Prognose wiedergegeben: F ü r die Probefahrt bei Beaufort 2 Gegenwkid ist eine Geschwindigkeit von 13,54 kn bei 1177 kW Wellenleistuhg vorausgesagt. Femer sind f ü r diesen Zustand angegeben: ein Gesamt Wirkungsgrad iii> von 7Ö,7Vo, ein Propellenvirkungsgrad T\O von 61,6 V», eine Nach Stromziffer von 20,7*'/« und eine Sogziffer von 14,2 «/o. Zn bemerken ist, daß f ü r die Versuche ein Vorratspropeller verwandt vnirde und daß an dem Modell einzelne Öffnun-gen i n der Außenhaut sowie kleinere Anhänge nicht nach-gebildet waren.
Gestützt auf diese Unterlagen, wurde von d « : Fa. Seil affran-Prop eil er-Ges. Lehne & Co. der konventionelle
L e i t r a d L e i t r a d u n d P r o p e l l e r
•> V o r g e t r a g e n a u f d e m S t a t u s s e m i n a r d e s E u n d e s m l n i s t e r i u m s f ü r F o r s c h u n g u n d T e c h n o l o g i e a m 2 8 . 1 0 . I B M
*•} s i e h e » H a n s a " n <1S00), S e i t e 1731
Propeller entworfen und hergestellt:
I H i r d u n e s s e r ' . . . 3 , 4 8 m M i t t l e r e S t e i g u n g . 2,10 m A b g e w i c l c e l t e F l â d K 3 J O m * r i t i g e l z a h l 5 S t e i g u n g s v e r h ä l t n i s 0 , B ^ n ' ä c h e n v e r h ä l t n i s O.0B5 M a s s e 1850 k i g
Das erste M a l wurde der Vorscäüag, das Schiff mit P r o -peller und Leitrad.auszurüsten, im März 1979 vorgetragen. Die Entscheidung, den Vorschlag zu realisieren und P r o -peller und Leitrad alternativ neben dem konventionellen Propeller vorzusehen, fiel jedoch erst i m Januar 1980 nach dem Stapellauf und nur drei Monate vor der FertigsteUimg des Schiffes.
Bald nach dem ersten Vortrag wurde In entgegenkom-mender Weise beschlossen, das hintere Ende der Propeller-welle tun 150 mm anzuheben, um gegebenenfalls später ein Leitrad von 2,75 m Durchmesser unterbringen zu kön-nen. Das blieb die einzige schiff- und maschinenbauliche Änderung. Rüder, Schraubenbrunnen usw. bûeben unver-ändert, ebenso die Lage des Propellers, abgesehen von. der genamiten Anhebuhg. Selbst die Propellerwelle blieb unverändert, da der Zapfen f ü r die Lager des Leitrades nicht an der Welle angeschmiedet, sondern an die Nabe des Propeller angeschraubt wurde, um Propeller und I^eit-rad ausbauen zu können, ohne das Ruder ausbauen zu müssen. Von Anfang an ^i-ar die Lagerung der Pro-peiierweÜe i n einem elastischen Stevenrohr vorgeschrie-ben. Das ergab eine freie Lage beider Antriebsorgane. Das elastische Stevenrohr konnte so dimensioniert werden, daß f ü r beide Altemativen ausreichende Festigkeit und gute Schwingüngseigenschaften garantiert waren fBild 1), F ü r den Entwurf und die Ausführung des Organs Propeller Und Leitrad waren die folgenden Bedingungen zu beachten: — Der mechanisch angetriebene Teil dès Organs — der Propeller — muß auch alleinfahrend als Reseri'epro-peller verwendet werden können. Es ist daher ein Kompromiß zu schließen, der beiden Verwendungs-arten gerecht werden m u ß .
— Dieser Propeller m u ß aus dem schon abgegossenen Rohling f ü r den Reservepropeller hergestellt werden. — Der Durchmesser des Leitrades darf 2,75 m nicht
über-schreiten; die Flügelzahl soll nidit größer als 7 sein. H A N S A - S d i H T a h r l - S c h i f f b a u - H a f e n — 117. J a h r g a n g - lOSO — N r . 24 1893
B i l d 1 A n o r d a a n g P r o p e l l e r u n d L e i t r a d a u f d e m P o r s c l u u i s s -s d ü f f . O a a -s -s "
— Das gesamte Organ muß der Eisklasse „E 2" des Ger-manischen Lloyd genügen.
Diese Bedmgûngén resultierten zum Teil aus dem Fer-tigungszustand des Schiffes imd seiner Teile, zum größeren Teil jedoch aus dem Wunsch, das Risiko der e ^ h n a l i gen Realisierung auf einem Sdiiff begrenzt zü halten. Z u -sätzliche Mod^versuche konnten nicht ausgeführt werden; h i e r f ü r war sowohl die Zeit ru knapp als auch das vor-handene Schiffsmodell zu klein.
Entsprechend diesen Bedingimgen wurde das Orgain „PropeUer und Leitrad" entworfen und ausgeführt: P r o p e l l e r : D t m â i m e s s C T 2,32 m M i t t l e r e S t e i g u n g 2.14 m A b g e w l d c e l t e F l ä A e X , 0 1 m * P l Ü g e l z a h l S S t e l g u n g B v e A U t n l ä 0.02 F l ä t l i e n v e r b a i t n l s 0,7S M a s s e iaaokg L e i t r a d ' : D u r ä i m e s s e r • 2,75 m M i t t l e r e a t e l S o n g I m P r o p e l l e r t e l l . 4,15 m i m T u r b l n e n t e ü s,2S m A b g e w i c k e l t e F l S d i e 2,39 m * F l U g e l z a h l 7 S t e l g a n g f t v e r b S l t n l s 1,51/1,29 F l ä c h e n v e r b ä U n l s 0,40 M a s s e 1550 k g » 0 0 PQ ohne L t t r o d P M pit Lgitrod—_y Leitrad stungserhöhurtg
Es kann als sicher gelten, daß das ausgefiUirte Organ wegen der genannten Bedingungen und wegen mangeln-der Erfahrungen — insbesonmangeln-dere über das Verhalten hinter dem Schiff — nicht optimal ausgelegt werden konnte.
Dnrchführüng der Erprobungen
A l l e Messungen und Ausweirtungen, über die berichtet wird, wurden von der HSVÄ tmter aktiver tmd interessier-ter Beteiligung der Z S M und der Schiffsführühg ausge-fiihrt. Hieruber existiert ein ausfiihrlicher Bericht der H S V A , aus dem hier ein Auszug, der die wesentlichsten zur Beurteilung erforderlichen Ergebnisse enthält, wieder-gegeben wird. Die Erprobungen wurden kurz nach der Fertigstellung des Schiffes i n der Ecäcemförder Bucht, die Meilenfahrten an der EckernfÖrder Doppelmeile ausge-f ü h r t :
a m 9. M a i 1980 m i t d e m k o n v e n t i o n e l l e n P r o p e l l e r u n d ^ a m 27, M a l 1960 m i t P r o p e l l e r u n d L e i t r a d .
Das Wetter war an beiden Tagen günstig; die Wind-stärke betrug zumeist Beaufort 3, nur gelegentlich 4 bis 5. Es wurden alle f ü r die Beurteilimg der Antriebsorgane wichtig erscheinenden Eirrobimgcn vorgenommen. WesentUche Unterschiede zwischen den beiden Organen w ü r -(ïen nur bei cien Geschwindigkeits- und Leistuhgsmessün-gen festgesteüt, wesweLeistuhgsmessün-gen ü b e r die anderen ErprobunLeistuhgsmessün-gen hier nicht so ausführlich wie i n dem HSVA-Beridit, son-dern nur kurz informiert wird.
Ergebnisse
Geschwindigkeits- öhd Leistungsmessnngen
Die Geschwindigkeiten wurden aus den gestoppten Zei-ten und außerdem mittels des HSVA-Widerstandslogs be-stimmt. Das Drehmoment wurde hinter dtem Fahrmotor an der Welle mittels eines Philips-Torsionsindikators ge-messen. Eine Schubmessüng war leider nicht möglich.
F ü r j e ^ Paar von Fahrten mit tmd gegen den Strom konnte aus den „gestoppten Geschwindigkeiten über Grund" und den gleichzeitig mit dem H S V A - L o g bestimm-ten Geschwindigkeibestimm-ten „gegenüber Wasser" ^ Stromgeschwindigkeit paraUel zùr Meile ermittelt werden. Es w i n -den so Stromgestiiwindigkeiten von 0,12 bis 0,22 k n gefun-den. Nach dieser Korrektur der gestoppten Geschwindig-keiten blieben noch Unterschiede zwisdhen der H i n - und Eüdcmeile, die nur auf dem unterschiedüldi^ Wind- und
11 13 S t ( h n ) l i , B U d 2 v e r g l e l d i d o s L e l s t o n g s b e d a ^ s S c h i f f o l m e i m d m i t L e i t r a d tutenttnktl lg ("} A n s ä i w e n k z e i t e n t^(s) a l s F u n k t i o n d e s R u d e r w i n k e l s B i l d 3 s t a n d a r d m a n O v r i e r v e r s u c h O o h n e I ^ l t r a d O m i t L e i t r a d s n n Sudcniinkal t À u s w é l d b z e i t e n t ^ (s) t m d Z e l t e n f ü r e i n e v o l l e K u r s -s ä i w l n g x m g T (-s) a l -s F u n k t i o n d e s R u d e r w l n k e l s &^ O 1894 H A N S A - S c h i f f o h r t - S c h l f f l ï a u - H a l e n _ 117. J a h r g a n g -1900 — N r . 24
Seegangswiderstand bertUien konnten. Aus diesen z u -nächst nur hinsiditlich der Stromgeschwindigkeiten kor-rigierten Geschwindigkeiten wurden i n bekannter Weise die Geschwindigkeiten ermittelt, fiir die Fahrt bei Windstille gelten.
B i l d 2 zeigt die Gegenüberstellung der Beziehungen L e i -stung/Geschwindigkeit,, die f ü r stromfreies Wasser und f ü r Windstille gelten. A l s wichtigstes Ergebnis der ganzen E r -Iffobung ist festzustelleil, d a ß durch Propeller und Leitrad £ine Leistungsersparnia von etwa iiber 9 "h bzw. bei
glei-cher Leistung eine Geschwindigkeitsvez^ößerung vcm 03 k n erzielt wurde.
StandardmanSvrinTérsiidi
Es zeigten sich keine nennenswerten Unterschiede z w i
-schen dem Verhalten mit dem konventionellen PropeUer unci dem rrdt Propeller und Leitrad. A l s Beispiel werden Mer i n B i l d 3 nux cUe Ansdiwenkzeiten, die Ausweichzei-ten und die ZeiAusweichzei-ten ^ eine volle Kursschwingung als Funlrtionen des Ruderwinkels gezeigt.
Drehkrelse
Die Tabelle gibt die gemessenen Daten ah f ü r einen Rüderwinkel von 35° tmd ^ e Ruderlegezeit von 22 sec
für 65° Ruderwinkél: k c m v . P r o p e ï ï e r P r o p . UIÛ1 L e i t r a d S t b B b . S t b A n l a u f g e s ä i w i n d i g k e l t 13.0 13,0 13.4 13,4 k n Z e i t f ü r d e n v o ü -s t a n d l g e n D r e h k r e i -s 148 isi 143 144 s e e 161 143 153 m
Stoppverëndie
Die bei einer Aiüaufgesthwindigkeit von 13,4 Ich einge-leiteten Stoppmanöver brachten die folgenden Ergebnisse:
k o n v . P r o p e l l e r P r o p ^ t m d L e l ^ a d
s e e 380 m
Bflc&wärtsfafart
Das Schiff ließ sich in beiden Fällen i n gerader Richtimg nach rüdcwärts ziehen. Gemessen wurde nicht.
Druc&sctraranfcuaEsmessnngen
Bündig mit der Außenhaut \raren i m Propellerbereicfa fünf DrtKäcmeßciosen ehigebaut. Zwei Dosen fielen am er-sten Meßtag aus, so daß nur die Ergebnisse von drei Dosen gegenübergestellt werden können. Wiedergegeben wird hier in Bjtid 4 nur das Ergebnis der harmonischen Analyse. Das Bild zeigt f ü r fünf Fahrtstufen und f ü r die drei Druck-sonden die harmonisch^ Komponenten der 5., 10., 15. und 2p. Ordnung der pruckschwankungesn. Die Amplitude der Blaltfreguenz des Leitrades, die i n Bilcl 4 nicht darge-stellt ist, betrug maximal 43 Vo der Amplitude der Pro-pelleibiattfrequenz. Die Drucäcampiituden sind niedriger als auf vielen anderen S<hiffen.
Sdiwingimgen
Die Schwingungen sind auf der Brücke und im Wohnbe-reidi i n sJXen Fällen gering, Sie wurden daher nur an einer Meßstelle auf dem Achterdeck gemessen. Bild 5 zeigt f ü r je vier Fährtstufen die interessantesten Schwingungs-ampiituden i n ein Bewertuhgsdiagramm nach dem ISO-Vc>rs(hlag 6954, Richtlinien f ü r die Bewertung von horizon-talen und vertikalen Schwingungen auf Handelsschiffen 161, eingetragen. Die Schwingungen geben in keinem F a ü zu Beschwerden Anlaß. te i UUVmt 10- (-» Q Vraptllir «llalii Brr«p*I1ir a l t Ultrti ML JS. t. 10. II. (0. t. ID. lt. » . S. 10. lt. ». n 1 uxum to-» . » I -JH-nuJL ^ ni ^ t. u . » . u . I. M. » . n . S. 10. u . to. 90 1 U i t t m
I M
S. 10. II. 10. loa I L K l K i n gt. 10. IS. U . S. 10. II. U . I. to. ». 10.
B i l d 4 B a r m o n l s d i e K o m p o n ü i t e n P j d e r D i i i d E s c l i w a n k u n g s m e s -' s i m g f ü r P 1 , P 3 u n d P 8 b e i v e r s d t l e d e n e n L e i s t u n g e n
Zusammenfassung und wirtsdiafüidie Bewertxmg
Es wuj-de festgestellt:
— In dem untersuchten Geschwindigkeitsbereich von 10 bis 13,8 k n benötigt das Schiff bei jeweils gleicher G e -schwindigkeit mit dem konv. PropeUer eine um über 9»/o größere Leistung als mit PropeUer und L e i t r w i Dabei ist zu berücäcsithtigen, daß aus den imter
„Aus-5Kl0?m/» U l t n d b U t t f r H u c t t Propel I i r b i i t t f r c q u e n t vorhind. U l t r i d 0 n ^ i i t r b i a t t r r t q u n t t ohBB Ltitni zu erwirtcn 10.mi» kaint zu ènarttn c 1 n a / i 5 x 1 0 ' ' m / t rPêqueftZ 10 100 Kr B i l d S B e w e r t u n g v e r t i k a l e r u n d h o r i z o n t a l e r V i b r a t i o n e n a u f H a n d e l R S C b l S e n ( S c h e i t e t w e r t e ) H A K S A - S ä ü f f a h T t - S ä ü f l f b a u - H a f e n —1 1 7 . J ^ r g a n g - igso
—
N r . 24 1895legung der Antriebsorgane" genamiten Gründen „peUer und Leitrad" (Im Gegensatz zu dem konv. Pro-peller) nicht optimal ausgelegt werden konnte. Der Autor ist der Meinung, daß bei opümaler Auslegung 11 bis 12'/o Leistungsverminderung erreichbar wären. — Die Manövriereigenschaften sind in beiden Fällen
nahezu gleich.
— Die Stoi^eigenschaften sind durch Propeller und Leit-rad geringfügig verbessert.
Die Eigraischaften des Schiffes bei Rüdcwärts fahrt sind in beiden Fällen etwa gleich.
— Die DriKkschwankungen an der Außenhaut sind ebenr falls in beiden Fällen etwa gleich.
—- Die Schwingungen des Achterdecks sind, bis auf eine Ausnahme bei halber Leistung, audi etwa gleidi und sie geben in keinem Fall Anlaß zu Klagen oder Schwierig-keiten.
Hinzuzufügen ist vielleicht noch, daß — wie in [5] ge-zeigt — eine gleiche Leistungseinspärung durdi einen g r ö - . ßeren Propeller bei gleicher Drehzahl und gleicher Schwin-gungserregung nicht zu erwarten i s t Propeller und Leit-rad blieben eingebaut. Die Sthiffsfühjung bewertet das Verhalten des Schiffes als konven.tioneù. Die nächste Dok-kung des Schiffes bleibt abzuwarten.
U m einen Eindruck der mit PropeUer und Leitrad er-zielten Verbesserung cler WirtschaftUchkelt zu vermittejüo, werden, àea AusÜihrungen der H S V A folgend, die Kosten des Leitrades (Stand 1980) ü n d die denkbaren Einspanm-gen an Bunkerkosten Einspanm-genannt:
Die K o s t e n f ü r d a s L e i t r a d einschließlich FlanschweUe und Lagerung sowie Mehraufwand f ü r den Einbau betrugen T D M 45.
Zur Berechnung der E r s p a r n i s a n B u n k e r k o -s t e n werden nur die Seetage berüdc-sichtigt. E-s wird ver-einfachend angenommen, d a ß das Schiif an diesen Tagen mit einer Geschwindigkeit von 13 kn läuft. Dabei ergibt sich durch Propeller und Leitrad eine Einsparung von iÖO kW. Wegen der Übertragungsvö-luste
(Dieselelektri-tSDO.
ISOOJ
scher Antrieb) in der E-Anlage (n = 0,811) entspricht dieses einer Minderleistung der Dieselmotoren von 123,3 kW; Der spezifische Treibstoffverbrauch beträgt 215 g/kWh. In der folgenden Tabelle sind die Einsparungen an Bunker-kosten f ü r verschiedene Zahlen von Seetagen sowie ver-schiedene Annahmen f ü r den Treibstoffpreis zusaminen-gestellt. Außerdem sind die sich ergebenden Auszahlzeiten aufgeführt. Die Auszahlzeit ist die Zeit, während der die eingesparten Bunkerkosten gleich den Amchaffungskosten des Leitrades von T D M 45 werden (ohne Berücksichtigung von Zinsen f ü r das eingesetzte Kapital).
S e e t a g e J a h r b p D M / k g 0,30 0,60 o,n 50 B K T D M / J a h r 15,9 19,1 32.3 A T J a h r e 2,4 2.0 100 B K T D M / J a h r 31,8 38.3 4 4 J A T J a h r e 1.4 M 150 B K T D M / J a h r 47.7 57,3 6S.8 A T J a h r e 0,9 0,8 0,7 sao nlvpm ] B i l d 8 „ H D W 1" m e a s u r e d t h m s t a n d p o w e r v e r s u s n u m b e r o f r e v o l u t i o n s U H D W x " Biääiü u n d L e i s t u n g / D r e h z a h l ) b p - B r e n n s t o f t k o s t e n . B K - E i n s p a r u n g a n B ü h k e r k o s t e n , A T " A u s z a b U e t t
Die Zahleai zeigen, d a ß selbst unter imgünstigen" A n -nahmen (Üe Kosten f ü r das Leitrad in wehiger als d r ^ Jahren durch die Einsparung an Bunkerkosten kompendart werden. Unter günstigen Annahmen bringt das Leitrad seine Kosten nach einer wesentlich kürzeren Zeit ein und f ü h r t danach zü einer durchaus beachtlichen Senkung der jährlichen Kosten. F ü r eine vollständige Bewertung mtiß zusätzUch in Rechnung gestellt werden, daß — f ü r gleidie Schiffsgeschwindigkeit — PropeUer und Ijeitrad den E i n -bau eines Ideineren Propellermotors und weitere kichere E i n s p a r u n g « ! bei der Auslegung von Schiff und Maschine erlaubt hätte und daß dann kaum Mehrkosten aufgelau-fen wären. ;^
Ausblick
Schon durch den ersten Großversuch auf einer Barkasse i m Jahre 1969 [3] wurde die Idee bestätigt (BÜd 6). Durch den zweiten Großverstuh auf dem Forschühgssdiiff „Gauss" wurde die Idee wieder bestätigt. Zusätzlich k ö n -nen mm Fragen nach dem Einfluß auf <iie Manövrier-, Stopp- und Kiick'a'ärtsfahreigenschaften sowie nach der Schwingüngserregung beantwortet werden. Das sind F r a -gen, die immer gestellt wurden und die bisher Überhau{it nicht oder nur spekulativ beantwortet werden konnten. Ebenfalls ist eine Beurteilung der Betriebssicherheit zu erwarten, da Propeller und Leitrad auf der „Gauss" seit M a i dieses Jahres i n Betrieb ist tmd eingebaut bleiben wird. Der Autor ist der Meinung, daß spätestens jetzt die Idee f ü r eine Realisierung in größerem Ü m f a i ^ e reif 1st E r ist femer der Meinung, daß LeisUmgseinsparungen i n Höhe von 5 bis 15 "/« aiûf sehr vielen Schiffen, Insbesondere Neubauten, denkbar sind.
