Dynamische beansprugumg von propellerflügeln auf dem motorshiff Pekari

A R C H I E F

Lab.

bchéepsbouwkuniile

Technische Hogeschooll

Delft

S C H I F F B A U T E C H S M f S C H E . G E S E L L S C H A F T e.V.

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^ / k * « / ^ V o r t r a g e der Sitzung am 19. 11. 1969*)

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Dynamische Beanspruchung von Propellerflügejn

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1. Allgemeines

196S tracen bci einigen Schiffen üijerall in der Wel: Pro-peüerflügelbrüdie auf. Ès lag also nahe zu vermuten, daS dynamische Flügelblattbeanspruchungen wahrend des Schiffs-betricbes in ungewöhnlicher Höhe auftreten. Diese konncen encwcder von der Mas'diine oder von dem ungleichförmigen Nachstrom in der Propellcrebene erregc werden.

• • Eine Propellerfiügeluntersuchung bel einem Fruchtschiff (in deren Klasse früher ein Flügelblact abbrach) sollte hier-übor Auskunft geben. Das Schiff, bei dem ein Flügel abge-brochen war, hei(5c „PERSIMON". Der Bruch trat auf beim Flügel N r . 1 bci 0,5 R nadi' einer Betriebszeit von ctwa 8800-Std. (das entspricht 15 Monateri). Zu bemerken ist, daB bci den anderen drei. Schwesterschiffen „PEKARI", „PICA" und „PIROL", die alle alter sind als „PERSLMON", keiner-lei Flügclschaden aufgetreten sind. Die Hauptabmessungen der „PEKARI":

auf dem Motorschiff „ P E K A R I "

Von Dr.-Ing. J . V. C h l r i l a , Hamburg

Hieraus kann man nach Ansicht.dés Werkstoffprüfamtes 'in. Hamburg entnehmen,- daB der Dauerbruch vón einer SchweiBstelIe ausgegangen ist.

Schiff Lp = B = Tv •=. Tu = 128,00 m 18,00 m 3.96 m 4,58 m Maschine Leistung Drehzahl Type 11400 PS 142 1/min M.A.N. K9Z 70/120 D Propeller 0 = 4800 r H j [ = 5060 H i , = 1,055 ?A/r = 0.71 Zündfolge 1-6-7-2-5-8-3-4-9

Hersteller Theodor Zeise Material '.Alcunic Flügclzahl 5

Parallel zu den Mcssungen bei der GroGausführung sollte der Versuch unternommen werden, eine theoretische Schwinr • gungsuntersuchung beim Lehrstuhl f ü r Mechanische

Schwin-gungcn der T U Berlin durchzüführen mit dem Ziel, die zu-sammengesetztc Beanspruchung der möglichen Schwingungs-formen des Flügelblattes zu crmitteln. Der Lehrstuhl für Mechanische Schwingungen sollte hierbei durch die Hambur-gischc Schiffbau-Versuchsanstalt mit Informationen über die hydrpdynamischen Wcchscllastcn als Funktion des Propellerradius und der Phasenlagc unterstützt werden. Die H o -waldtswerke Deutsche Werft sollten zusatzliche Informatio-nen über die Flügclcigcnschwingungsfrequonzen in Luft und Wasser licfcrn. Über die durchgcführccn Beredinungen f o l -gen Ausführun-gen von Prof. Dr.-Ing. Pfützner und Dr.-Ing. . Boese.

2. Messung bei der Groö.iusführung

Der Flügclbruch trat auf bei 0.5 R entsprechend dem Zylindersdinitt R = lOSO m (Abb. 1). Eine Darstellung des Bruchquerschnlttes ist aus den Abb. 2 und 3 zu entnehmen.

•) V o r t r S g e u n d D i s k u s s i o n e n w e r d e n in H . 3 u n d 4 / 7 0 v e r ö f f e n t l i c h t und dann in e i n e m S o n d e r d r u c l f h o r a u s g e b r a c h t .

Abb. 1: Propellcrsponnungcn, MP-Verteilung

Um ein abgerundetes Bild über das dynamische Verhalten ' des Flügelblattes und ihres möglichen Errcgcrs zu erhalten, sind folgende Messungen, über deren Ergebnisse hier be-richtet werden soil, gemacht worden:

a) Spannungsmessungen am Flügelblatt Nr. 2.

Hierzu sind Dehnungsmefiscreifen (Rosetten) nach Abh. 1 verteilt worden. Die Kabel wurden durdi die durch-bohrtcn Wellen geführt und die MeCsignale über Schleif-bürsten im Schiffsinneren abgegriffen.

b) Flügelblatteigenschwingungsmessungen (Erequcnzbestimmung in Luft und Wasser) c) Axialschwingungen der Antriebswelle

(Stirn- und Rüdiscite der Maschine am Schublager und . bci einem Flansch in der Niihc des Piekschottcs)

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Abb. 2

Abb. 3

d) Torsionssch-svIngungsverhaIten der Antriebswelle

e) Das Schwingungsverhalten des Schlffes und der Masdiine in vertikaler und horizontaler Richtung.

3. MeGergebnisse

a) Spannungsmessungen am Flügelblatt 2

Die Mcssungen wurden in der Zeit vom 26. und 27. Marz 1969 wahrend dcr Fahrt des Motorkühlschiffes „PEKARI" von Hamburg nach Le Havre durchgeführt. Die Vertei-lung der akcivcn Rosetten ist aus Abb. 1 zu entnehmen. Jeder Streifen der einzelnen aktiven Rosetten auf dem Propellerflugel war mit den drei MeSgittern einer Ro-sette in der Propcllerhaube zu einer Vollbrücke verbun-dcn. Auf diese W^eise war eine gute Temperaturkompen-sation gegeben. Die einzelnen Vollbrücken wurden nach-cinander über einen rotierenden Schalter zu dem Verstarker und zu dem UVSchreiber geschlossen. Der N u l l -punkt wurde auf See bei gestopptem Schiff genommen. Die mechanischen Spannungen wurden bei sechzchn Drehzahlstufen von 60 bis 138 U/mIn gemessen.

Es hat sich nach dcr ausgefuhrten Messung herausgestellt, dafi der Nullpunkt gewandert ist. Die Folge hiervon ist, dafi keinc^ absoluten Spannungen angegeben werden können. Die Messung kann aber sehr wohl f ü r die A b -schatzung der dynamischen Spannungsschwankungen be-nutzt werden (Differenz zwischen maximaler und mini-maler Dehnung).

Die Ergebnisse zeigen folgendes:

1. pie qualitative Verteilung der mittleren Spannungen m_ radialer Rlchtung über den Radius aufgctragen und mit der Drehzahl als Parameter ist aus Abb. 4 zu ent-nehmen. Dcr Verlauf entspricht den Erwartungen. 2. Die dynamische Beanspruchung des Flügelblattes in

radialer Richtung ist aus den Abb. 5 bis 8 als Funktion der Drehzahl ersichtlich. Hiernach betragt die maxi-male Spannungsdoppclamplitude in der Wurzelnahe bei emer Drehzahl von 137/min etwa 160 kp/cm=. Dieser Wert ist vcrhaltnismadig gering und oszillicrte bezogen auf die Drehzahl in der crsccn Ordnung. Diese dyna-misdic Beanspruchung ist von dem ungleichförmigen Nachstrom vcrursacht worden und zeigt aufierdem eine gewisse Symmetrie, was auf den hydrodynamisdicn U r -sprung hinwcist. Ein typisdics Beispiel 1st aus Abb. 9 zu entnehmen. woraus audi der Einflufi dcr Mcl5rlchtung (Riditunt; des Streifcns) cntnommen werden kann*. Elnc höhere Schwin^uni; in dcr 15. Ordnuni; ist eben-falls aus den ani^cKcbenen Schrieben in Abb. 9 abzu-Icsen.

Die Nadistromvertcilung vom Sdilffsmodcll ist in Abb. 10 dargcstcllt. Eine weitere nützliche Darstellung der dynamischen Beansprudiung als Funktion des Ra-dius m i t dcr Spannungsrichtung als Parameter bei einer

nP 10 ni3 np IS HP 19

O soo 1000 isoa

Abb. 4: Propellerspannungen

a 00

Drehzahl von 137 wurde in Abb. 11 wicdergegeben. Hieraus erkennt man, daS die Spannungen in tangen-tialer Riditung gering sind. Aus diesera Grunde, aber auch ays der anfanglich erwahnten Nullpunktverschie-bung, ist auf eine Spannungszustandbetraditung in der Ebcne absichtlich verzichtet worden,

b) Messung der Flügelblatteigenschwingungcn

ü m die Eigenschwingungsfrcquenzcn des Flügelblattes bei dem Schiff „PEKARI" zu crmitteln, wurde wahrend der Dockzeit des Schiffes am 12. Juli 1968 ein Flügel mit 3 Dehnungsmcfistrcifen in radialer Richtung auf den Radicn 880 mm (Wurzel), R = 1030 mm (Bruchzonc) und R = 1700 mm versehen. Der Flügel wurde durch einen Ansdilag mit einem Bleihammcr zum Scliwingen angeregt. Diese Messung wurde in d^r L u f t und mit einem haibgotauchtcn Propeller ausgeführt; und die Er-gebnisse zeigen, daC das Verhaltnis der Eigcnfrcqucn-zen in den Mcdien Wasser und L u f t

0,55

betragt. Hierbei ist die Eigenfrequenz des Flügelblattes im Wasser mit 18,6 Hz = 1116.1/min crmlttelt worden.

Abb. 7 "

F Imin'j _{Jchm'ngurgsgrode vertihol} HS P f K i R I KEUENANORD.VUNG UEMfiSSCHlVlNCUVSEM W UPH. ORD. 1 / n l N 1/SEC KM C HFREflUewi A ( f ! 4 X ) V 8 B / C / S E C K / S» » 2 TWX/ 7 1 / » 5 E I I E 23 BEHERKUMC N' •= 105 l/.HIN 1 lOS 9 . 0 15.8 9 4 5 0 . 1 7 1 . 7 3 2 1 . 7 1 * U. I 7 z 105 9 . 0 1 5 . S 0. 13 1 . 2 3 7 1 . 2 2 4 0 . 1 2 3 103 « . 0 1 0 . s Ö 3 0 0 . 0 2 0 . 1 3 2 0 . O S 7 0 . 0 1 N • 120 l / « IM 1 120 9 . 0 l e . o 1080 0 . 3 S 4 . 2 4 1 4 . 7 9 7 0 . 4 9 2 120 5 . 0 1 0 . 0 8 0 0 0 . 2 2 1 . 4 1 4 0 . 0 9 2 120 1 0 . 0 2 0 . 0 1200 0 . 0 7 0 . 9 4 2 1 . 1 8 4 0 . 1 2 z 120 9 . 0 i s . o lOSO 0 . 1 5 1 . 4 9 9 1 . 9 1 9 0 . 2 0 3 120 6..0 1 2 . 0 7 2 0 0 . 0 1 0 . 1 1 3 0 . 0 8 5 0 . 0 1 M - 130 , 1 / H l N 1 130 5 . 0 1 0 . s SSO 0 . 1 7 1 . 1 9 1 0 . 3 1 1 o . o a 1 130 9 . 0 1 9 . S 1170 0 . 2 5 Z.OBi i . T i i U . 3 S 2 130 S.O 1 0 . s 650 0 . 2 0 1 . 3 £ 1 0 . 9 2 7 0 . 0 9 3 330 6 . 0 1 3 . 0 760 0 . 0 1 O . O i l 0 . 0 5 0 0 . 0 1 i 130 3 . 0 1 0 . s 650 0 . 0 1 O . l O Z 0.0'4 9 O . O l Abb. 12: MeDpunkt-Verteilung MO ÜC'J ; ! \ _i 1 MO ÜC'J 1 ! _{1 1}

1

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c) Die A.xialsdiwingungen der Antriebswelle

Die Axiilschwlngungcn des Schiffes „PEKARI" wurden ' im beladcncn Zustand am 2. Marz 1969 gemessen. Die Untersuchung wurde mit einem Ascania Tastschwin-gungssdireibcr (Vcrgrö(5erung 1 ;20) bei mehreren Drch-zahlstufcn durchgeführt. In Abb. 12 sind die gcfunde-ncn McfSwerte sowie die Lage der McfSpunkte ange-geben.

Die Ergebnisse zcigcn, daB in der axialen Richtung eine Schwingung in der 9. Ordnung bei einer Drehzahl von 130 I/min mit einer Frequenz von 1170 1/min •vorliegt, deren Amplitude aber durchaus normal ist (± 0,25 mm). Auch bei einem Flansch in der Nahe des Piekschottcs ist die gefundene Axialschwingung mit einer Amplitude von ± 0,20 mm in der 5. Ordnung oszillierend bei einer Drehzahl von 130 1/min gering.

fleBstelle

d) Torsionsschwingungsmessung

Das Torsionsschwingungsverhalten der Antriebswelle wurde mit Hilfe eines Geigertorsiographen an der Stirnscite dcr Antriebsmaschine untersucht. Das Ergeb-nis ist Abb. 13 zu entnehmen. Daraus ist zu ersehen, daB es in dem gemessenen Drehzahlbereich keine bedeu-tenden Resonanzstcllen gibt. So betrug bci n = 142 1/min die Amplitude ± 0,030 Grad (in der 6. Ord-nung).

e) das Schwingungsverhalten des Sdiiffes und der Maschine

Das Schwingungsverhalten des Schiffskörpers und der Maschinenanlagc wurde über den Drehzahlbereich von 60 bis 140 U/min untersucht. Zu diesem Zweck sind eine groÖe Anzahl von Mefipunkten am Schiffskörpcr und an der Hauptmaschine ahgeordnet worden. In vertikaler Richtung wurden eine Reihe von Biege-eigenschwingungen des Schiffes gefunden. In Abb. 14 sind die Ergebnisse graphisch dargcstcllt worden.

Anordnung-.

Motor elaslisches Schalfrad -Wellenleitung - Propeller (S-flg.)

Abb. 13: Ergebnis der torsiogrsphischen Messung vom 28. 9. 66 an Bord von MS . P e k a r i '

Aus diesen Schwingungsergebnissen gehc hervor; daB das Vibrationsverhalten des Schiffes und der Haupt-maschine normal ist.

Zusammenfassung

Aus der vorliegcnden Untersuchung entnimmt man f o l -gendes:

1. Die dynamische Beansprudiung des Flügelblattes bis zu einer Drehzahl von 137 1/min ist gering.

2. Das Verhaltnis dcr Flügelblattcigcnschwingungsfrequenzcn in Wasser und Luft betragt: .

— = 0 . .

Hierbei ist f„. = 18,6'Hz = 1II6 1/min.

3. Die Axialschwingungen der AntriebsweUe sind normal, sowohl an der Stirnseite der Kurbelwelle (± 0^25 mm in

der • 9. Ordnung bci 'einer Drehzahl von 130 1/mih; f = 1170 1/min) als audi bei einem Flansdi in der Nahe des Piekschottcs (A = 0,2 mm, 5. Ordnung n = 130. 1/min).

•4. Die Torsionsschw.ingungen • der Antriebswelle sind mit' einer Amplitude von ± 0,03 Grad in der 6, Ordnung bel •' n = 142 1/min unbedeutcnd.

5. Das Vibrationsverhalten des Schiffes und der Antriebs-maschine ist normal.

6. Der Bcfund weist darauf hin, daB die dynamische Flügel-blattbeanspruchung primar nicht. die Ursachc des Pro-pellerflügelbruches bei dem Schiff „PERSIMON" sein kann Das Probiem der dynamischen. Flügelblattbeanspruchung wird weiter verfolgt und eine Messung Anfang Dezembcr 1969 bei einem Containerschiff vorgenommen. .

Theoretische üntersuchungen

der

SchwingungsbeanspfUGhïirv^]

Von H. P f u t i i i £•:

! : ; d ; j i ' " s p ' f * c p e ! l e r f i ü g e l n

Das Institut für Mechanische Schwingungslehre und Maschi-nendynamik der Technischen Universitat Berlin wurde ange-regt, Schwingungsbeanspruchungen ih Schiffspropellerflügélii zu berechnen.

Es wurde beschlossen, ih einer ersten Stufe für eine niihe-rungsweise Berechnung einen Schiffspropellerflügel als einen einseitig eingespannten geraden unverwundenen Biegestab an- • zusehen. Allen. Beteiligten war es von vornherein klar, dafi das eine sehr grobe Naherung darstellt, denn in Wirklidikeit ist ein Schiffspropellerflügel ein aufierordentlich komplizier-tes Schalengebilde.

Die auf diese Weise rechnerisch ermittelten Werte sollten . spater mit gemessenen Spannungswerten verglichen werden. Bci dem untersuchten Propeller (Fa. Zeise, Sflügelig, Durch-mcsscr 4800 mm, mittl. eff. Steigung 5060, Verwindung et-wa 30°, Material Alcunic) schet-wankt der Steigungswinkel zwi-schen 48° an dcr Einspannstelle und 17° am freien Flügel-ende. Bci dem Ersatzsystcm sind die einzelnen .Querschnitts-flachen in eine mittlcre Lage so gedreht bzw. verschoben worden, daB die Haupttragheitsachsen alle in einer Ebene und die Mittelpunkte der Flacheh alle auf einer Geraden liegen.

Schaufelebene zu berücksichtigen. Angaben über dié hydro-dynamisdien Wechsellasten wurden von der Hamburgischcn Schiffbau-Versuchsanstalt zur Verfügung gestellt. Sie wurden als periodische Streckenlasten in der Form

p ( X _{- O =}

2^

^ p^(X) bzw. pjlxl «

X:0

Abb, 2: Dsrslellung der hydrodynoniisclieii Wechsellasten als ü b e r -lagerung harmoriiscb verenderlicher Streckenlasten

TTTTTVTTVTy Abb. 1: Schilfspropellerfiügel als einseitig eingespannter gerader

unverwundener Biegestab ('f^ = miltlerer Steigungswinkel)

Die Anregung der Biegesdiwingungen erfolgt auf zwei ver-schiedene Artcn:

1. Anregung durch die hydrodynamisdien Wechsellasten (durch untersdiicdllche Anströmgeschwindigkeiten) 2. Anregung durch Axialschwingungen und

Torsions-schwingungcn der Welle bzw. dcr Nabe.

Von beiden Anrcgungsarten sind nur die Komponenten in Schwingungsrichtung, d. h. die Komponente senkrccht zur

dargestellt. In der Rechnung wurden die Glieder bis zur 10. Ordnung mit berücksichtigt.

Daneben werden Propellerflügelschwingungen auch durdi Axial- und Torsionsschwingungen der Propellernabe hervor-gerufen. Hierfür wurden von Herrn D r . Chirila Zahlenwerte angegeben, die durch Messungen am Motorschiff „PÉKARI" bestimmt worden sind. Natürlich sind in Wirklichkeit die Verhaltnisse wcscntlich kompliz'ierter, da die Wellcnsdiwin-gungen und die PropellerflügelschwinWellcnsdiwin-gungen miteinander gekoppelt sind. Es ist also nur eine gröBenordnungsmaBige Abschatzung dcr auftretcnden Spannungen zu crwarten.

Zur Schwingungsberechnung wurde das Verfahren der Übertragungsmatrizen verwandt. Dazu wurde dcr Stab auf ein Ersatzsystcm mit 20 prismatlschcn Feldcrn abgcbildet. . Die Erregung wird hcrvorgcrufcn. durch harmonische Be-wegung dcr Einspannstelle (w„ cos Ü t, ï^g cos Q t) und durch harmonisch vcranderlichc Einzelkriifte an den Fcld-grenzen (Pj sin Q t).

Zwischen den das Biegeverhalcen eines Stabes charaktcri-sierendcn • ZustandsgröBen