Kraft-und beweugungsmessungen während des pasiervorgangs zweier gross-schubverbände auf begrenzter wassertiefe

(1)

H. Binek und E. Müller

Kraft- und Bewe gun gsmessun gen

während des Passiervorgangs

zweier Gro ßschubverbände a uf begrenzter

Wassertiefe

222. Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e.V., Duisburg

*

Institut an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule, Aachen

Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen e.V., Köln

Measurement of Forces and

Motions ¡n Two Passing Large

Pushed Convoys ¡n Restricted

Water Depth

In a twin row, double length pushed convoy forces and motions arising on passing a similar convoy in restricted

water depth have been measured.

The model test were carried out

for different draught conditions and

various lateral distances between the two convoys at several speeds and in

varied water depths.

The result in non-dimensional form

showing the run of forces and

mo-ments, water surface deformations, pressure at the channel bottom, trim

and sin kage of the convoy are presen-ted in diagrams. The motion behaviour

of the convoy in the horizontal plane

is plotted as a function of encountering period.

The effect of lateral wind on course, drift, lateral transfer and ship speed

was investigated in a convoy in ballast

condition both with and without

acti-vated rudders, whose results are pre-sented as a function of time.

Zusammenfassu ng

An einem zweispurig-zweigliedrigen

Schubverband sind während des

Pas-siervorganges mit einer gleichen Ein-heit, Kraft- und

Bewegungsmessun-gen auf begrenzter Wassertiefe vorge-nommen worden.

*) Gekürzte Fassung des VBD-Berichtes Nr. 1052. Die Mittel zur Durchführung dieser Untersuchung stellte in dan-kenswerter Weise die

Arbeitsgemein-schaft Industrieller

Forschungsverei-nigungen e.V., Köln, zur Verfügung.

Die Versuche wurden für verschiedene Schiffstiefgänge bei verschiedenen

seitlichen Abständen der Schiffe

von-einander sowie mehreren

Schiffs-geschwindigkeiten und Wassertiefen

durchgeführt.

In dimensionsloser Form sind

Kraft-und Momentenverläufe, Wasserober-flächenverformungen, Drücke am

Gewässerboden, Trimm- und Parallel-absenkungen des Verbandes in

Dia-grammen dargestellt

worden. Das

Bewegungsverhalten des

Schubver-bandes in der horizontalen Ebene

wurde über der Begegnungszeit

auf-getragen.

Die Einwirkung von Seitenwind auf

Kurs, Drift, Querversatz und Schiffs-geschwindigkeit ohne und mit

Betäti-gung der Ruderanlage wurden für

einen leerfahrenden Verband

unter-sucht und

als Funktion

der Zeit

dargestellt.

Abb. 1. Skizze

der Kraft- und Momentenrichtungen

Aufgabenstellung

Wegen des starken Schiffsverkehrs

auf dem Rhein ist eine gute

Manövrier-fähigkeit notwendige Voraussetzung für alle Schiffe. Die auf den Schiffs-körper wirkenden Kräfte beim

Uber-holen und Begegnen sind recht erheb-lich und von wechselndem Vorzeichen

(s. [1]).

Sie müssen durch

Ruder-manöver ausgeglichen werden, um Kollisionen zu vermeiden. Zur

Erhö-hung der Verkehrssicherheit ist die

Kenntnis der auftretenden Querkräfte

und Giermomente beim Passieren

großer Schubverbände für die Dimen-sionierung der Ruderanlage des Schubbootes wesentliche

Voraus-setzung. Ebenso wichtig ist es aber

für den

Schiffsführer,

Größe und

Richtung der möglichen

Kursver-setzung zu kennen, um den Verband mit Hilfe richtiger Rudermanöver auf dem anliegenden Kurs zu halten und

mögliche Uferberührungen oder Kolli-sionen zu vermeiden.

(2)

Die beim Passieren zweier Schiffe mit

geringem seitlichen Abstand wirken-den Kräfte und Momente sind

abhän-gig von der Fahrwassertiefe, der Fahrwasserbreite, den

Schiffsge-schwindigkeiten, den Schiffsformen,

den Schiffslängen und -tiefgängen.

Alle z.Z. hierfür anzusetzenden

Berechnungsverfahren basieren auf

der zweidimensionalen Theorie [2], [31,

[4], [5]. Damit sind jedoch nur

quali-tative Aussagen möglich.

Modeltversuchsergebnisse mit realen Schiffsformen liegen nur in

begrenz-tem Maße vor [1], [6], [7], [81. Der

tech-nische und finanzielle Aufwand für

Großversuche Ist zu hoch.

Kraftmessungen

Während des Begegnens zweier

zwei-spurig-zweigliedriger Schubeinheiten

wurden an einem der Modelle die

auf-tretenden Kräfte in Längs- und

Quer-Richtung (x, y) sowie das Moment um die Hochachse (z-Achse), der Trimm-winkel und die Parallelabsenkung

kon-Die Versuche wurden auf den Wasser-tiefen h 3,50 m; 5,0 m; 7,50 m

durch-geführt mit unterschiedlichen

Tief-gängen. Die Fahrgeschwindigkeiten richteten sich im wesentlichen nach Wassertiefe und Schiffstiefgang. Der Fahrbereich sollte unter dem steilen Anstieg der jeweiligen Leistungskurve

liegen. Auf einer Wassertiefe von

h

3,50 m wird für die

zweispurig-zweigliedrige Formation eine obere

Leistungsgrenze von D 1500 PS =

1100 kWvorgegeben. Damitwerden bei Leertiefgang T= 0,60 m

Geschwindig-keiten von V

13,0 km/h und bei

T

2,80 m maximal V

9,8 km/h

erreicht. Bei einer Wassertiefe von

h 5,0 m wurde die Leistungsgrenze

bei P0 2000 PS = 1480 kW

ange-nommen. Hier können bei Leertiefgang V 15,4 km/h und bei Tmax 3,80 m

V 10,0 km/h gefahren werden. Die höchsten Geschwindigkeiten werden auf der Wassertiefe h 7,50 m bei

Po 3000 PS = 2200 kW erreicht. Im

Leertiefgang liegen die

Fahrgeschwin-digkeiten bei V

18,4 km/h und

tinuierlich gemessen und aufgezeich-net. Beide Modeliformationen hatten

Eigenantrieb und konnten ungehindert

Trimm- und Absenkungsbewegungen

ausführen.

Alle Kraft-Meßglieder waren karda-fisch mit dem Modell und vertikal

ver-schiebar mit dem Schleppwagen

gekoppelt. Die Meßgiieder nahmen nur

in der für sie vorgesehenen Richtung

Kräfte auf. Im schiffsfesten Koordina-tensystem ist die positive Kraftrichtung

als anziehend" und die negative als abstoßend" bezeichnet worden, die

positive Momentenrichtung als

ein-drehend", die negative als ab-drehend". Positiv sind außerdem die Längskraft als Widerstandszunahme

sowie der steuerlastige Trimm und die Paralleleintauchung (Abb. 1).

Neben den Messungen am Modell

wurden in einem

Schlepptankquer-schnitt während des

Bergungsvorgan-ges Bodendruck- und

Oberflächen-wellenmessungen durchgeführt.

Die auf Großausführung

umgerech-neten Hauptdaten der Modelle sind:

mit vollem Tiefgang T 3,80 m bei

V 14,0 km/h.

Die Versuche fanden bei drei verschie-denen seitlichen Abständen von Bord-wand zu BordBord-wand statt:

y1 10,50 m; = 0,46; = 0,06

Y2"=26'25 m;

= 1,16;=0,15

y3

42,00 m; = 1,85; = 0,23

Die Schiffsgeschwindigkeiten für die Begegnungsversuche beider Einhei-ten sind so gewählt worden, daß von

Vmax zu Vmin eine

Differenzgeschwin-digkeit V

2,0 km/h bestand. Im fol-genden wird hier die Geschwindigkeit

des Meßmodells mit VE und die des

Gegenmodells mit VG bezeichnet.

Für die BegegnungSverSUChe sollten folgende Geschwindig keitsvariationen getetstet werden:

VE > V6; VE < V6; VE = V6

Bewegungsmessu ngen

Ein wesentlicher Unterschied

zwi-schen den Kraftmessungen und den

Bewegungsmessungen bestand darin,

daß im ersten Fall die Modelle am

jeweiligen Schleppwagen geführt

wur-den, während sie im zweiten Fall frei beweglich, ferngesteuert mit eigener Ruderkraft auf Kurs gehalten worden

sind.

Die Wassertiefe betrug bei den

Bewe-gungsversuchen h5,0 m. Der Modell-abstand von Bordwand bis Bordwand

war y1 10,50 m und 26,25 m. Der Tiefgang ist variiert worden und auch

die Geschwindigkeit.

Gemessen und drahtlos aus dem

Meßmodell übertragen wurden Ruder-lage R' Kurswinkel 4, QueÑésatz s,,, Ruderwiderstand FRQ und

Ruderquer-kraft FRC. Zur Bestimmung des

Drift-winkels und der Drehgeschwindig-keit r ist ein fotometrisches Meßver-fahren mit zwei synchron arbeitenden

Kleinbildkameras benutzt worden.

Kursverhalten

infolge Seitenwind

Viele der bisher veröffentlichten Un-tersuchungen über Auswirkungen von Windströmungen an Schiffsmodellen wurden in Windkanälen durchgeführt I9--191. In der VBD ist für solche Ver-suche eine aus 8 Einzelgebläsen

be-stehende Windérzeugeranlage

ein-gesetzt worden, die auf einer Längs-wand des großen

Flachwasser-schlepptanks installiert wurde. So

konnte Windeinfall quer zur

Fahrt-richtung simuliert werden.

An dem Modell eines

zweispurig-zwei-gliedrigen Schubverbandes Ist das

Kursverhalten bei seitlichem

Windein-fall getestet worden. Der

Schubboot-tiefgang während dieser Versuche

betrug T=1,7 m; die Leichtertiefgänge waren T 0,84 m, d. h. sie lagen gering-fügig über dem Leertiefgang. Die

Uber-wasserteile der Modelle waren

ent-sprechend der Großausführung

sil-houettenmäßig nachgebildet;

Den untersuchten

Modellgéschwin-digkeiten entsprachen Staudrücke

q = 2,59 N/m2; 5,82 N/m2; 13,09 N/m2.

Die Wassertiefe ist während tier

Ver-suche mit h 10,5 m konstant gehalten worden.

Versuche mit Schiffsmodellen im

Windkanal des Instituts für Schiffbau,

Hamburg [10] haben gezeigt, daß unter den dort vorhandenen bzw. gewählten

Versuchsbedingungen bei Reynolds-zahlen R 2,6.106 keine erheblichen Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Waserstra Ben Nr. 9/84

369

2-Schrauben-Schubboot Einzelleichter mit Düsen Propeller 35,00 m LÜA

=76,50m

D

=2,lOm

= 14,OOm B5

=11,33m

= 1,052 T 1,75m T1 T4 =0,6Cm 3,8Cm A _{= 0,71} A0 SmitAnh = 654,15 m2

V4=432m3 : 3080m3

z

=4

V =532,88m3 2 Hauptruder 4 Flankenruder

(3)

1A -2 2.0 00 4,0 2,0 60 3.0 8,0 4,0 0,4 0,2-4 -2,4 -2.0 -1.6 -02 0,2-I

- 1.0-o r Wcssraberflnctwn Wrlorniung

Änderungen der Beiwerte der Meß-ergebnisse mehr erfolgen. Der

Kenn-zahleinfluß verschwindet.

Für die eingestellten

Modelige-schwindigkeiten ergeben sich mit

0=15,1 .10-6m2/sbeit=20°C.

Längen-Reynoldszahlen von RNL

₌

1,19.106 -'-2,67 106

und Breiten-Reynoldszahlen von R8 =

1,4 10-3,2 10

Es darf also angenommen werden,

daß zumindest mit den hohen Wind-geschwindigkeiten recht realistische

Ergebnisse zu erhalten sind.

Ähnlich wie

bei

den

Bewegungs-messungen wurde das Modell fern-gesteuert. Jede Messung ist sowohl

mit als auch ohne Betätigung der

Ruderanlage durchgeführt worden.

Das Durchfahren des Windfeldes erfolgte bei

sechs verschiedenen

Geschwindigkeiten (V 8 km/h

-- 16 km/h). Der Abstand vom

Wind-erzeuger bis Mitte Einheit betrug y

102,9 m. Es wurden folgende

Größen gemessen: 1. Ruderlage nach

Richtung und Größe

R []

2,4

Abb. 2. Begegnen Vierer-Schubverband Vierer-Schub-verband

h 5,0 m; Abstand Bordwand -- Bordwand y 10,5 m

VMeßverband 11,0 km/h VGegenkommer 11,0 km/h

T2,8m

-2,4 -2,0

- 0.8- 00- 06-

0,6-t:

° 06-06-'t 1,0 -6,0 4.0 0,4 0,2-4

i

-2,4 .2,0 -16 -02

0,2

- 0,8- 1.0-Ruderwiderstand an Stb.-Hauptruder FRD [kp] Ruderquerkraft an Stb.-Hauptruder FRC [kp] Modelldreh-geschwindigkeit r Erad/sl Kurswinkel

_[°]

Modellquerversatz s, [m]

Ergebnisse

1. Kraft- und Mom entenverläufe

beim Begegnen

Über der Begegnungsphase Bug/Bug

-

_{Mitte/Mitte -- Heck/Heck sind in}

den Diagrammen Kräfte und Momente, Wasseroberflachenverformung, Druck am Gewässerboden sowie Trimm und Parallelabsenkung in dimensionsloser Form aufgetragen worden.

Die Abbn. 2 4 geben die Kraft- und

Bewegungsverlaufe bei geringerem

Seitenabstand wieder.

Extrem hohe Beiwerte an sämtlichen

Meßstellen zeigt Abb. 4 (VE/VG = 0,8).

0,6 -0,4

On '0

Druck on der Geuussercohle

In mm u Poro II el abs, rOc ung

Absenkung

2,4

1,6 2,0 2,4

il

t t

Abb. 3. Begegnen Vierer-Schubverband -

Vierer-Schub-verband

h 5,0 m; Abstand Bordwand -6- Bordwand y 10,5 m

T3,8m

Tn3,8m

Eine Geschwindigkeitssteigerung des

Begegners war aufgrund des

ge-ringen Wassertiefe-Tiefgangsverhält-nisses (h/T = 1,32) ohne Gefahr der

Grundberührung kaum mehr möglich.

2. Bewegungsverlauf beim

Begegnen zweier

Vierer-Schubverbände; Ruderkräfte,

Ruderlage

In den Abbildungen 5 und 6 ist der

Bewegungsverlauf in der horizontalen

Ebene beim Begegnen der

Vierer-Schubverbände sowohl mit als auch

ohne Betätigung der Ruderanlage

dar-gestellt worden, und zwar wurden

aufgetragen:

Querversatz s,, Kurswinkel '4) Driftwinkel Ç

Geschwindigkeitsverlauf U/0 und

Drehgeschwindigkeit r.

Für den Fall der Ruderbetätigung

wur-den die Ruderlage sowie der Verlauf

von Ruderwiderstand- und -querkraft-beiwerten zusätzlich eingetragen. Für

die charakteristischen

Begegnungs-phasen Bug/Bug; Mitte/Mitte und

Heck/Heck ist die Lage der Schiffe

370

Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen Nr. 9/84

(4)

$ ,,ifIathn V'tn9

I

4/

-1,6 t t t t F I t t -1,2 -0,5 -0/. 0 54 150 5,0 8,0 4.0 ::: 2/. 1,0 0 -2/. -2/. -1,6 2,0 50 4/. 2/. 40 3,0 40 4,0 0). 0,2 0,2 0$ 1.0 0,4-

0,2-Kraft-u tlomerdtl, Broerle

A

- -

dÓ

IAI_Pèz'l

1,6 2,0

T3,8m

T.e.3,8m

zueinander durch Modellsymbole

ge-kennzeichnet worden.

Zur Bestimmung der

Abströmge-schwindigkeit VAB eines Propellers in

Düse Ist die von Gutsche nach der

Strahltheorie aufgestellte und anhand von Vergleichsmessungen in der VBD modifizierte Formel benutzt worden

VAB = VA [l+kw

(-1+y4+

"2rn VA.AR)] Die in der Formel angegebene

Ruder-fläche bezieht sich auf beide

Haupt-ruder und entspricht einer Fläche

A 18% LT (Schubboot).

Der zum Kurshalten

erforderliche

Ruderwinkel steigt mit größer

werden-dem Schiffstiefgang stark an. Damit

verbunden nehmen

Ruderwiderstand-und -querkraftbeiwerte zu.

Querver-satz, Kurswinkel, Driftwinkel und

Dreh-geschwindigkeit werden ebenfalls mit

zunehmendem Schiffstiefgang größer.

Ähnliches gilt auch für die Versuche ohne Betätigung des Ruders (siehe Abb. 5).

Die Maxima von Kurswinkel,

Drift-winkel, Querversatz und

Drehge-irimiii

Ir,m,, o Pto5oflkofl0

II

t t

H

schwindigkeit werden bei der durch

Ruder gesteuerten Einheit früher erreicht als bei der nicht gesteuerten.

Während der Verband ohne

Ruder-betätigung den Auswirkungen der

Uberlagerung beider Potentialfelder folgt (Abb. 5), zeigt der durch Ruder-legen beeinflußte Verband deutliche Unterschiede auf, die auf das

Ruder-legen zurückzuführen sind (Abb. 5).

Wenn sich zwei Schiffe in relativ engem Abstand begegnen, so wirken, wenn

sie mit dem Bug auf gleicher Höhe

liegen, zuerst ihre Bugstaugebiete auf-einander ein. Die Folge davon ¡st, daß beide Schiffe sich zunächst

voneinan-der abstoßen, wenn keine Korrektur

durch das Ruder erfolgt.

Danach

beginnt der Einfluß der

Mittschiffs-mulde zu wirken, d. h. beide Schiffe

ziehen sich gegenseitig wieder an.

Ihre Geschwindigkeiten werden höher und sie drehen aufeinander zu. In der

letzten Phase treffen die Heckstau-gebiete beider Schiffe aufeinander.

Daraus resultiert wieder ein Abstoßen

beider Einheiten. Diese Phasen sind deutlich in Abb. 5 zu erkennen, wenn man dem Verlauf der

Drehgeschwin-Roderkrffb,w,rt, , Rud,rtoye

Abb. 5. Bewegungsveihalten in der horizontalen Ebene. Begegnen Vierer-Schubverband -.- Vierer-Schubverband h 5,0 m; Abstand Bordwand Bordwand y . 10,5 m VMe6vend 9,0 km/h VGegenkommer 9,0 km/h

T3,8m

.

T3,8m

Abb. 6. Bewegungsverhalten in der

horizontalen Ebene. Begegnen Vie-rer-Schubverband iViererSchubver

band. h .e= 5,0 m; Abstand Bordwand

Bordwand y 10,50 m VMeßvend 9,0 km/h T . 3,8 m VGegenkommer 9,0 km/h

T3,8 m

371

20

0$-

w

1,0

-Abb. 4. Begegnen Vierer-Schubverband Vierer-Schub-verband

h 5,0 m; 'Abstand Bordwand - Bordwand y 10,5 rn 2,4 55 1,2 1 2). -2.0 1,6 -12 -00 -2.4 0 0. y.0 0r,/. n de,i

A

2,0 2,4 0/. 52 1/. -2,4 0). 0.5 1,2

(5)

0,2-Abb. 7. Windeinwirkung auf einen zweispurig-zweigliedrigen

V 16,00 km/h; h 10,50 m

q=13,09N/m2;T

0,84m

(mit Ruderlegen)

Wind

digkeit r folgt. Im Bereich Bug/Bug

bedeutet Abstoßen eine Drehrichtung

nach Steuerbord. Danach folgt durch

das Anziehen beider Schiffe eine

Abnahme der Drehgeschwindigkeit

bzw. Umkehr der Drehrichtung. In der

letzten Phase (Heck/Heck) ist wieder eine Abnahme der

Drehgeschwindig-keit zuerkennen. Der Einfluß des

Heck-staugebietes ist nicht so groß wie der

des Bugstaugebietes, sodaß eine Vor-zeichenumkehr bei der Drehgeschwin-digkeit nicht immer erfolgt.

Im Unterschied zu Abb. 5 weist in Abb. 6 die Drehgeschwindigkeit im Bereich

Bug/Bug nach Backbord. Dieser

Rich-tungswechsel ist auf eine

Backord-Ruderlage von _{R =} o° 25°

zurück-zuführen. Der Beeinflussung der Potentialfelder auf die.Bewegung des

Windtr.h,

-I

z

s

Sch ubverband

Abb. 8. Windeinwirkung auf einen zweispurig-zweigliedrigen Schubverband

(ohne Ruderlegen) V 16,00 km/h; h 10,50 m

q=13,09N/m2;T

0,84m

Schiffes wird durch Ruderlegen

ent-gegengewirkt. Eine deutliche Aussage

bringt auch der Querversatz. Ohne

Betätigung der Ruderanlage ist ein

maximaler Querversatz von s,, . 40 m gemessen worden (Abb. 5) und mit

Betätigung der Ruderanlage 28 m.

Querversatz bei Seitenwind

mit und ohne

Ruderlagen-einfluß; Ruderkräfte

Die Windeinwirkungen quer zur Fahrt-richtung eines leeren

zweispurig-zwei-gliedrigen Schubverbandes mit und

ohne Betätigung der Ruderanlage sind

in den Abbildungen 7 und 8 zusam-mengestellt worden. Der Modelitief-gang und die Wassertiefe waren bei

allen Versuchen konstant.

AR

-s

ALV

-s

Die geringste untersuchte

Modell-geschwindigkeit (q = 2,59 N) hatte

m2 bei hohen Fahrgeschwindigkeiten

noch keinen großen Einfluß auf Kurs,

Drehgeschwindigkeit, Querversatz und

bei Versuchen mit Ruderlegen auf

Ruderlagengröße und Ruderquer-kräfte.

Bei den stärkeren

Modellgeschwindig-keiten wurden erheblich höhere Ein-wirkungen auf das Fahrverhalten des Verbandes und der Kräfte am Ruder

registriert.

Mit zunehmender Windgeschwindig-keit mußte der Kurs des Verbandes durch Ruderlegen korrigiert werden.

Der Querversatz mit und ohne

Ruder-betätigung war dagegen fast gleich

groß. Unterschiedliche

Modellge-schwindigkeiten

und verschiedene

Windgeschwindigkeiten änderten

die-ses Ergebnis nur unwesentlich.

Symbolik

Ruderiläche (beide Hauptruder) Fläche des

Uberwasser-schiffes projiziert senkrecht

zur Windrichtung, Windfläche

AL Fläche des

Unterwasser-schiffes B Schiffsbreite BB Backbord

C=

PI2 Widerstandsbeiwert RAA CFC=

Fc

PI2 . VAN . AR Ruderquerkraftbeiwert FRD CFD = V AR Ruderwiderstandsbeiwert

CN=

N W2 . V L . T Momentenbeiwert

cx =

9 Längskraftbeiwert am Modell F

cy =

F W2 . V. L. T Querkraftbeiwert am Modell

(6)

Tp VAS = VA [1+k

(_l+X+,

_{V A}

Propellerabström-geschwindigkeit V0 Schiffsgeschwindigkeit (Ist) VR Wind g esc h w in d ig ke it y Seitenabstand (Bordwand Bordwand) Z Propellerflügeizahl z Parallelabsenkung z 2g

zv =

v normierte Absenkung Wasseroberflächen-verformung

Lh =

Lh 2g

normierte Oberflächen-verformung Driftwinkel u kinematische Zähigkeit Ruderwinkel Modellmaßstab o Trimmwinkel (Bogenmaß)

O L 2g

normierter Trimm p Dichte Süßwasser Kurswinkel kI kopflastig stl steuerlastig

DELT Ruderwi nkel

PSI Kurswinkel

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TINA 1930

Ruderquerkraft FRD Ruderwiderstand

F Längskraft am Modell FYh Querkraft am Modell hinten

F Querkraft am Modell vorn

h Wassertief e

J V Fortschrittsziffer

nD

k Korrekturfaktor für

Korrelation LOA Länge über Alles

L\vL Länge in der Wasserlinie n Propellerdrehzahl N Giermoment PD Propellerleistung R Drehgeschwindigkeit RAA Luftwiderstand Rn

V L

Querversatz S Oberfläche t Zeit T Schiffstiefgang T Propellerschub U Schiffsgeschwindigkeit (Soll) VA Propelleranström-geschwindigkeit