2 8 ME 1979
ARCH1Ef-NaturgroBe Untersuchung selbstabweisender
Propellerdiisen
178. Mitteilung der Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau e.V., Duisburg, Institut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule, Aachen, Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen e.V., Koln
Dr.- Ing. Schale
Die Mittel zur Durchfiihrung dieser Untersuchung stellte
dan-kenswerterweise die Arbeitsgemeinschaft Industrieller
For-schungsvereinigungen zur Verfilgung.
Lab.
v. Scheepsbouwkunde
Technische Hogeschool
Delft
Dr.-Ing. E.Schäle
1, Einleitung
Eine dasenartige Ummantelung: des Schiffspropellers bripgt
bei kleicen Fortschrittsgraden durch Erhahung des Gesamt,
schubes betrAchtliche Vorteile, die vor allem bei
Binnenmo-torschtffen, Eafenschleppern and. Schubbooten von groBer Be,
deutung sind.
Die Verschmutzung der GewAkser darch Treibgut, wie Holz,
Au-toreifen, Plastikmaterialien und Bruchstacke von Trossen, aber_auch Sohlengeschiebe, verfilztes Gestrapp,
Maschen-drahigewirr und sonstigen ZiVilisationsmUll sind jedoch
Ur-Bache far nachhaltige Starungen in einem aolchen, gegenaber
FreMdkorpern empfindlichen Dasensyttem. .:Es. kommt hAufig
nicht nur zum Festfahren der Propeller, sondern za Getriebe-und Welienbrachen, also SchAden Von erheblichem AusmaB mit u.U. hohen Folgekosten durch Ausfallzeiten-Neben der
KoSten-belastung der Betroffecen entsteht bei Eintritt der
BloCkie-rung aber noch extreme Havariegefahr.
Diese Risiken haben trotz der bekannten betriebswirtschaft-lichen Vorteile der Dasen teilweise zu ihrer Entfernung ge-fahrt. Neubauten werden nur dann noch mit Dasen ausgerrstet, wenn der benotigte.Propeller bei sehr hohen Schubbelastungs-graden arbeitet (Schubboote).
Die je nach Schiffstyp und Fahrtbedingungen zu Verzeichnande
Zunahme des wirksamen Schubes von 15 bis 30 %, die far die
gesamte Betriebszeit erreicht wird und nur em n einziges Mal
Kosten verursacht nAMlich die Investitionskosten sollte
jedoch, wenn irgend maglich, genutzt werden.
Um die Vorteile in der Praxis zu erhalten, SchAdigungen an
vorhandenen basensystemen erhiblicb zu mindern und einen
neueC Interessentenkreis zu gewinnen,hat die VBD bereits vor
einiger. Zeit diesbezagliche Untersuchungep im ModellmaBstab
ausgefahrt, die mach VariatiOnen verschiedener methoden zu
eine* System Mite, das einerseits generell
fremdkorperab-weisend war und andererseits.tei cur geringem Kostenaufwand
achubverlustfrei realisierbar zuAimin schien 1 .
Vor Abgabe von Empfehlungen far die Praxis
ist es bei
sol-chen,Objekten jedoch anamgAnglich, eine Oberprafiing an einem naturgroBen, gleichgestalteten Objekt vorzunehmen.Einer so14 cherpiergleichsuntersuchung diente theses Forschungsvothiben
2. VersuchstrAger
NaturgroBe Untersuchung
selbstabweisender
Propellerdiisen
Fat natargroBe Untersuchungen in Abmessungen,bei denen keine
MaBstabseinflasse oder sonstige, dos MeBergebnis wesentlich
beeiCflussende Starungen vorhanden sind, Verwendet' die VBD
das Forschungsschiff FRITZ HORN" 2 .
Das Einterschiff ist so gestaltet, daB auch em n Dasensystem
entsprechender GraBe gepraft werden kann, wobei die
Nach-stroMVerteilung allerdings erheblich ganstiger
ist als
beiherkammlichen Binnenfrachtschiffen.
Abb. 1 zeigt den Generalplan des Schiffes- und Abb.- den
Stahlplan des Hinterschiffes mit hineinkonstruierter
Propel-lerdase. Die Grundform (Profil) der Dase 1st wiederum in
Abb. 3 und das-Vorringprofil in-Abb. A dargestellt. Das mit
Nuten versehene System,einschlieBliCh Vorringanordnang,zeigt Abb. 5.
3. MeBaniagen
Art und Auswahl der zu measenden Komponenten Lind MeBgenauig, keitsforderungen bestimmen Ausfahrung und QualitAt der
MeB-anlagen:
Um hinteichende Aussagem aber.die.Wirkung dess-neuen
Dasensy-stems zu machea, wares notwendig, folgende KoMponenten zu
messen: . Schiffsgeschwindigkeit-Propellerdrehzahl C) Propel lerdrehmoment Propellerschub Dasenschub
Zugkraft am Ffahl (bei = 0)
Zur Beobachtung der qualitativen Wirkung, inabesoridere der
fremdkarperabweisenden, MaBten daraberhinaus Maglichkeiten zur definierten Fremdkarperzugabe and zar unmittelbaren Foto grafie geschaffen warden. pazu-wtrden eine Zugabeoffnung so-wie eine Stroboskoplampe;und einTotoprisma in separaten Bo-dendurchbrachen wasserdicht
Zwischen der mit 20 mm 0 Zentralbohrung verdehehen Propellu,
welle und der getriebeseitigen Gelenkwelle: .befindet. sich
eine 1000 mm lenge Zwischenwelle. Diese Zwischenwelle trAgt
des Drucklager, und im '.Verbleibenden freien. .Tell klinnen.
Geber far Diehmoment-, Diehzahl- und SchWingungsMessungen so
wie mechanische steuerelemente angeordnet warden 3 .
Die ZWischenwelIe ist austauschbap,und sie ist eichbar, wozu
im praktischen Fall DrehbAnke 'pessender Spitzenhahe gute
Diehste leiSten.
Zur Messung des PropellersChubs dient em n Pendelrollen-Druck
lager. Ea wErd von einer in AchsMitte geteilten .Brille
um-faBt. Diese Brille trAgtin derselben Ebene auf beiden Sei-ten gleichzeitig als montageflanschedienende SeiSei-tenplatSei-ten, die sich in wiederum axial ausgerichteten Leiterrollenlagern fast reibungslos hin- und herschieben lessen. An den
Seiten-platten sind gehArtete Dricknocken befestigt, die den
Pro-pellerschub auf je 1 Paar mit Dehnungsmeastreifen beklebte BiegestAbe wirken lessen. Leiterlager und BiegestAbe sind in zwei Auflagepratzen eingebaut und diese wiederum durch zwei Kreisbagel miteinander verbunden.Die Eichung der Biegefelder erfolgt auf einer Drehbank Mitteis einer vor der Reitstock, spindel angesetzten und mit EichmanOmeter versehenen.hydrau-ltschen Druckdose bei mit Propellerdrehzahl umlaufenden Wel, le.. Indikator ist ein Hottinger MeBverstArker mit Analogaus-gang.
Haupt-Motor
Hills-
Aggr.-Getriebe
TENDER Store (1,25 hoch)
Schmitt X-Y MI ,
Ot
Schnitt 6-11 ife A C 6 3 r-i Abb. 1 r-iStahlplan Hinterschiff
Abb. 2 Schnitt S-TSchnitt durch die Werkstart MaBstab 1:100 Lw L 18,6 m L ii. A. 20,3 m BDeoa 3,7 in BOWL 3,5 in HH.O 1,9 in Ha D. 2,35m To 1,00 m Generalplan-Skizzen-Entwurf Forschungsschiff VBD 21. 7. 59 _... 111,104.11111 -t...r IV. o i y .,, er,-A ..1" Y ,_"`" I -.3ft4.4' W ... . 'I
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CCII
Grundform des Biisenprofils
Abb. 1 Abb. 4 Abb. 5 IF
8
4
0.a
0 CO. 01 CD vi 01 r= C.) ed .-0
ce N e. e... cl, 1 1 1 1 1 Dilunprofiledilban P VORPROFILRING für Sicherheitsduse D 64 M1:3 /4119" ./EIV;Ai/
,v/h7,11;--11.M Vorprofilring Abb. 6MeBwelle
Schubmeri-Laqer Drehmoment -Merlanlage St oboskop-Steuerungr--Abb. 7 NacteDager Drehzahl-Geber
Zur fortlaufenden Messung der Drehmomente dient das
berUh-rungslose Obertragungssystem der Firma Philips,bestehend aus
einer MeBstreifen-VollbrOcke (fest und wasserdicht auf die
Welle geklebt), mit mitlaufendem Widerstand-Frequenz-Umset
zer, der Stromversorgung sowie den der Vorsorgung und der
SignalUbertragung zugeordneten Rotorspulen.Seitlich am
fest-stehenden Wellenfundament sind der Transformator und dessen
Verkabelung angebracht, die zum MeBwertempfAnger fithrt. Die
Eichung erfolgt stationAr mittels Hebelarm und Gewichten in
entsprechenden Stufungen, wobei die Endflansche zur
Einspan-nung und Hebelbefestigung dienen. Die Zentrierspitze der
Drehbank arbeitet reibungsfrei.
Zur Messung der Umdrehungszahl dient em n doppelspuriges und
aus MontagegrOnden in axialer Ebene geteiltes Polrad mit 60
reap. 100 ZAhnen.Ein angeschlossener elektrischer ZAhler
er-halt wahlweise Ober rwei am Stehllager montierte
Induk-tivgeber 60 oder 100 Signale pro Sekunde, so daB bei
Beach-tung der Rommastellen sofort die Drehzahl pro Minute '(fur
den praktischen Betrieb) oder pro Sekunde (fOr die MeBdaten
erfassungsanlage) angezeigt werden kann.
Zur Synchronisation eines Stroboskops wurde analog zur
Fla-gelzahl des MeBpropellers eine dreigAngige Schnecke(H = 4 D)
angesetzt, die ebenfalls wieder mittels in
Wellenlangsach-se verschiebbarem Induktivgeber elektrische Signale zur
ex-.2
-'9
Ar /WA kAIWN.A1.10x3D\<111
44artegAl2 44.AAA fa...v..4. Sktertegmint.3. Srls.U fx13 - 4-ternen Steuerung des Stroboskop-Blitzes liefert. Dadurch ist
es seglich, jede gewAnschte Flilgelstellung des Propellers
bezogen auf den Schiffskorper, wAhrend der Rotation optisch zu fixieren.
Der Beschreibung entsprechend sind in Anlage 2 Positionsnum-mern und ergAnzend dazu Detailzeichnungen beigefilgt,die fol-gende Bedeutung haben:
Pos. 1: Dilsenkftper
in Normalausfuhrung wie Abb. 3 mit Nuten versehen wie Abb. 5
Pos. 2: Dilsen-Vorring gemAB Abb. 4
Pos. 3: resen-Propeller in Halbkaplan-AusfAhrung
Pos. 4: DAsen-Endhalterung, in Querrichtung steif, in LAngsrichtung federnd
Pos. 5: HeBbock; dient der DUsenschubmessung durch
Nutzung der ElastizitAt der Bodenbeplattung (DehnungsmeBstreifen aufgeklebt)
Pos. 6: Fenster und BodendurchbrAche fur Stroboskop,
Lampe, Prisma und Fremdkorperzugabe
Pos. 7: Ort der MeBwelle; diese siehe Abb. 7
Teile der MeBwelle:
Drucklager-Propeller-Schubmesser, Abb. 8 Spezial-Nadellager (ohne Hemmung in Pro-pellerschubrichtung)
Stroboskop-Schnecke, Abb. 9
In LAngsrichtung verschiebbare Induktiv-geber-Halterung Drehmoment-Eichkurve, Abb. 10 0.9 Or P... AC *a M WAN Dseldgm 111 &awn.,
+
Dreiteilige Schnecke fur Stroboskop-Steuerung
Abb 9 reinqup, _ . 1-... ..!_..:. pr
., ,iii,:
4: MINIM 1 011111.1111171110°1110111111111.41111MIIIII
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Es 4.. 2 .II
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..i. -Abb. 10, 4. Verduchsdurchfahrung
Bei den natUrgroBen Untersuchungen war es zweckdienli0h,
ebenso vie bei den Modellversuchen zu verfahren. PrinziPielle Yersechsgiiederunqr
A) Messung des Dasenpropellers, jedoch ohne Dade AbbSu der glatten Dade und Wiederholiidg der MesiUnq tinter gleichen
Voraussetzungen-Anbau der genuteten Dade ff. wie b)
ErgAnzung durch yorring ff. wie b)
Wenn nOch maglich wie b), jedoCh mit Vorring
Um die Konstanteh des Booted zu aberprafen, wurde vOr a)
noch em n Fropulsionsversuch mit dem Normalpropeller des.
Boo-tes.eingeschoben; er diente zugleich a1s. Vorverduch zwecks
Oberprilfung.der gesamten MeBanlagen, sieheeUch, 4 .
Die MeBwertaufnahmen bei den reinen Dasenvergleichdfahrten erfolgten mach dem 'System der sog.
Propellerfreifahrt.
Unter Propellerfreifahrt am Forschungsschiff "FRITZ .B0RN"ver stehen wir die in eingeschrAnktem Umfang anwendbare MeElmetho
de analog zu dem im Modellversuch ablichen Verfahren. Bin
solches Verfahren stellt .ja die Basis mir experimentellen Er mittleng der PrOpellerkennzahlen dar.
Um bei konstanter Propelletdrehzahl die Fahrgeschwindigkeit
= Fortschrittsgeschwindigkeit stufen zu Kannen , Werden
Wi-deretands}Orper unterschiedlicher GroBen geschlecipt
-Da der Eigenwiderstand des 2totes die geringste Imemskraft
darstellt,
ist
die Fabrgendbyindigkeit ohne zUsAtzliche SChleppkatper die oberste Geschwindigkeitsgrenze fatv = n.D
Das Propeller-Kennlinienfeld kann also niemals voll.durchfah
ren werden (bis = 1,0), doch genagt u. E. der erreichbare
Bereich von J 0 '(Pfahlzug) bid J = 0,65, um das far die
Praxis interedsierende Verhalten erfassen und vergleichend
beWerten zU )(armed, s. auch 5 .
Ale 'VersUchristrecke hat iich das ruhige Oberwasser der
Stau-stufe Ruhrortbesiens bewAhrt. Die Meestrecke selbst wird
durth DeckpeilUngen in LAngs- und Querrichtung markiert . (Mittlere.Wassertiefe: 4,3 m)
5. Versuchtergebnisse
Did Wichtigsten quantitativen Versuchsergebilidde sind aus
den Diagrammen Abb..11, Abb. 12, Abb. 13 tu ersehen.
WAhrend in Abb. 11 der PropulsionsVergleiCh bei
Schiffsan-trieb
durch den herkammlichen MeSpropeller
durch den dasenlos arbeitenden Kaplan-Propeller
-dargestellt ist, zeigen die Abbn. 12 und 13 bereits die Ver-gleichsergebnisse der 3 DasensysteMer
1 = glatte Dade
2 = Dase mit Innen4uten .
= Dade mit Ihnen-Nuten und Vorring.
AuBer der erwarteten WirkangsgraderbOhnng durch die DUse,
zeichnen sich'die Unterschiede der 3 Dasensysteme deutlich
ab.
Der eindeutig erkennbare Kraftverlust der- genuteten Dade
wird dilich'den'Vorring ausgeglichen, do dall die Vorringdase
mit der hekkamMlich jlatten Dada etwa gIeichzusetzen ware.. Von beaOnderer Bedeutung.
ist
allerdings die angedtrebteifremdkarperabweisende Wirkung.
Die vorn. beschriebenen MeB=-und Versuchsanlagerrerlaubten
die Eingabe von Fremdkarperd ACwie die Registrierung .aber ihr Richtungsverhalten vor und innerhalb des Propeller-Dasen systems. Da die Trabung des Wassers leider keine:(analog,zum Modellversdch im Schlepptank) Video-Aufzeichnung zulieB,wur.7. den &Oland intensiver Beobachtungen das DurchtrittsVerhalten der Fremdkamper zeichnerisch rekonstruiert. Die Abbn..14 -16 zeigen zusammenfassend das jeweilige Beobachtungsergebnis in Seitenansicht.
wie man erkennt, erfolgte die Zufuhr Ober das vorn
besdhrie-bene Rohrleitungssystem so,- dap zugleich auch eine Stufung
der Zugabetiefe erreicht werden konnte. Bezogen auf den
Pro-pellerradius R lagen diese Werte bei 100 %, 75 %, 50 iil'und
25 %..
Die Nordialdase iii Abb. 14 zeigt keine abweisende Wirkung.
Sie_nimmt alle IMemdkEmper: .zwischen 75 Und xop % .auf und leitet sic zwisthen'Innerikontur und den
PropellerflageldOit-zen hindurch. Der VersthleiB an beiaen Positionen
ist
rela-tiv groB.
PropulsionsveTgleich FS "FRITZ HORN".
Narrnalpropeller NP . Dusenpropeller DP -no (ohneDuse gefahren) [Uhrin mo 600 3.0 16 17 18 19 20 Vs (Km/h] Abb.11 13 14 15
Die genutete DUse in Abb. 15 zeigt die vom Modell her schon bekannte abweisende Wirkung. Die DOsen-Innenseite wird nicht mehr tangiert, nur die AuBeren PropellerflUgel werden beauf-schlagt.
In Abb. 16 ist nun die zusAtzliche abweisende Wirkung des DU sen-Vorrings zu erkennen. Die Fremdkarper konzentrieren sich auf die inneren 60 I! des Durchtrittsquerschnitts.Die FlOgel-spitzenbereiche bleiben unberUhrt.
Alle drei Verhaltensweisen blieben auch bei extremer
Stei-gerung der Antriebsleistung bis zu 320 PS gleich, obwohl der
Propeller bei dieser Belastung bereits hoch im Kavitationsbe-reich arbeitete.
Vergleich von DusenschubT,
Wellenleistung PD und Drehzahl np np alter drei Systeme
900
500
700
530600
400 PD PS300-80
200-60
100 4000 20
-6-2,5 6-Propelter-WirkungsgradeVergWch zwischen Modell- umd Oronausfiihrung
( an FS "FRITZ HORN"gefahron I
Abb.12
glatte Diise
x mit Nuten
mit Vorring u.Nut en
Abb.13 \
---*Kid o °Manama mR DU= 1 I
le flla
Ms. 2 1 ma CIWo 3 %thew* Literaturangaben1 Schmidt-Stiebitz "Untersuchung selbstabweisender
Luthra PropellerdUsen"
111. Mitteilung der VBD Schiff und Hafen. Heft 9/1970
2 Sturtzel SchAle Dittberner 3 SchAle Schydlo 4 SchAle 5 Sturtzel Helm SchAle 6 Schneekluth Luthra 7 Luthra
"Forschungsschiff FRITZ HORN", das schwimmende Laboratorium fUr schiffstechnische GroBversuche" 54. Mitteilung der VBD
Forschungsbericht des Landes Nordrhein-Westfalen
Nr. 1244
"Vergleichende Untersuchungen zwischen einem Metall- und einem Kunststoffpropeller"
106. mitteilung der vi3D
Zeitschrift fUr Binnenschiffahrt, Heft 11/1968
"GegenUberstellung von Propulsions-und Manavrierversuchen in Modell-und GroBausfUhrung mit FRITZ HORN" 102. Mitteilung der VBD
Forschungsbericht des Landes Nordrhein-Westfalen
Nr. 1985
"Versuche mit ummantelten Schrau-benpropellern zur Ermittlung der MaBstabkennzahl"
27. Mitteilung der VBD Forschungsbericht des Landes Nordrhein-Westfalen
Hr. 815
"Weiterentwicklung von DUsensy-stemen fUr Flachwasserschiffe" Zeitschrift fUr Binnenschiffahrt Heft 3/1977
"Untersuchung der MaBnahmen zur 'Verbesserung der Betriebssicherheit
bei DOsenpropellern"
Schiff und Hafen, Heft 6/1977 175. Mitteilung der VBD
7
800
2,5 3.0 3.5 Vs Im/sek] 4.0
5. Zusammenfassung
In ErgAnzung zu Modellversuchen im Schlepptank der VBD wurde
mit dem Forschungsschiff "FRITZ HORN" em n analoges
Versuchs-programm vorbereitet und erfolgreich durchgefUhrt, das in
Na-turgraBe den Beweis erbringen sollte, wie es durch geringe,
AuBere VerAnderungen an PropellerdUsen zur
VerschleiBminde-rung kommen kann und sogar SchAden am Propeller und der DUsen innenwand auf em n ertrAgliches MaB reduziert werden 'carmen.
Die experimentelle PrUfung des Leistungs- und Funktionsverhal tens bestAtigte die Resultate des Modellversuchs. DarUberhin-aus ist fUr die Praxis wichtig zu wissen, daB die
DUsenverAn-derungen oder ErgAnzungen die Wirksamkeit des Systems DUse
-Propeller nicht verschlechtern. EinschrAnkend muB jedoch
be-sonders hervorgehoben werden, daB Frenldkorper nur dann konzen trisch zur DOsenmitte hin abgewiesen werden, wenn sie im Mas-ser schwimmen oder schweben und ihre Gestalt einen nennenswer
ten Stramungswiderstand besitzt. StAhlerne Trossenschlaufen
beispielsweise, deren Unterseite in der FluBsohle eingebettet ind, werden nicht abgewiesen.
Sicherheiisdase:
= 676 D, =707 = 364 LD /D =0.42
Frenticiirperztifuhr
e:
Darstellung_der FremdkorPer abweisenden NisenWirkung
NormakEhite Propeller* Dp =700 H = 700 H/D= 1.0 VF =062 Z .3 P, co 140PS Abb .16
Darstellung der Fremdkorp_er abweisenden Diisenwirkung
Ouse mit Nuten
Sicherheitsduse: = 676 Di =707 L = 364 LD /D =042 - -Propeller : Dp =700 H =700 H/D= 1.0 Fc, /F=0.62 Z = 3 PD ea 140 F'S Abb .14 A bb
Darstellung der Fremdkorper abweisenden DUSenwirkung
()use mit Nuten und Vortirfg
Sicherheilsdiise: Propeller:
= 676 D, =707 Dp =700 H = 700
LD 364 %/Da= 0.42 H/D= 1.0 iF =0,62 Z .3 Pp ea 140PS
Bild 1: Glatte Normalduse und genutete DUse
bereits schon mit Vorringprofil versehen
aiesdak
Bild 2: PropellermeBwelle fUr Schub-,
Drehmoment-Stroboskopsteuerung und DrehzahlmeBaliedern
k
Bild 4: Sicherheitsdid?P obrIP Vorrin ;
man beachte daS
Tragwerk
AI*"
Bild 5: Die Wise wird
seitliOh
von Pendelstaben
getra-gen....
.61009."'"
Mr-2111a-"-'
A 017 A ; A ' vLtrt,_ a, _
Bild 7-. damit stirnseitig, oben der Dusenschub....
0 " '116 ( \ 4
Bild 8: ....mittels Druckbolzen auf den Schiffsboden
wirkt....
-ess,
Bild 10: Ein Prisma im Boden in Verbindung mit....
r -RITON -WERFTltzzzz;m.._
T.;4:
Bild 11:" ....einer Stroboskoplampe erlaubt die
Beob-achtung....
Bild 12:...der hier schon mit Vorring versehenen
Bild 13: Seitenansicht von Prisma und
Vorring
Bild 14: Die Gesamtanordnung perspektivisch
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