Naturgrosze vergleichende untersuchungen neuer bug-strahlantriebe an groszmotorschiffen

ARCH1Er

HANSA

SONDERDRUCK

Zentralorgan fur SchiffahrtSchiffbau Hafen Heft 12 1985

Einleitung

Die Hauptabmessungen der Bin-nenmotorschiffe insbesondere ih-re Lange haben in den letzten Jah-ren diejenigen GJah-renzen erreicht, die von wasserbaulicher Seite, gesetzt

sind, wenn these Schiffe als

soge-nannte Rundfahrer die Wasserstra-BenIdasse IV befahren sollen.

Dem-zufolge sind auch die

navigatori-schen Anforclerungen hoch, d. h., die

grol3en Schiffe miissen

fahrtech-nisch und manovriertechfahrtech-nisch eben-so beherrschbar sein wie ihre Ideine-ren Vorganger. Diese Beherrschbar-keit bezieht sich

auf genaue Kurshaltung unter alien

Bedingungen der Wasserstrafie bei ho-her und geringer Geschwindigkeit, auf gerader mid gekrummter Strecke, iin belade_nen Zustand mad bei Leerfahrt, ja selbst im Stillstand, gleich ob in ru-hendem oder stromendern Wasser auf das Stoppen, vorwiegend bei Tal-fahrt, auch mit teilweise austauchen-dem Hauptantriebspropeller

auf das Ansteuern von Schleusen mid BrUckendurchfahrten, auch bei relativ geringer Fahrgeschwindigkeit, ebenso wie das Ausfahren, wenn die

nachfol-gende Strecke tibermaBig stark

ge-krtinunt ist

auch auf Sondermanover, die das Zu-sammenstellen von Leichtem zu

Schubverbanden erfordem, wenn das

1) 226. Mitteilung der Versuchsanstalt fur-Birmenschiffbau Dtribsurg;

Institut an der Rheinisch-Westfdlischen

Technischen Hochschule, Aachen;

Mitglied der Arbeitsgerneinschaft Indu-strieller Forschungsvereinigungen e. V.,

Kinn

'2) Die gewonnenen Versuchsergebnisse

konnten aus Platzgriinden Mir gekiirzt

abgedruckt.werden. Der vollstandige

Be-richt (Nr. 1113). kann zum Selbstkosten-preis zuzilglich Porto von der

Versuchs-anstalt für Binnenschiffbau e. V., KlOck-nerstr. 77, 4100 Duisbrirg 1, bezogen werden.

Schiff zugleich als Antriebsfahrzeug

clienen soli

Urn diese Bedingungen zu erfiillen, geniigen die bewahrten Hecksteuer-anlagen (Flachenruder, auch hoch-ster Wirksamkeit) nicht allein. Die Praxis 2eigt, daB es dann notwenciig ist, zusatzliche K.rafte am Bug des

Schiffes zu erzeugen. Als bewahrte Erzeuger solcher Krafte kornmen in Betracht:

Flachenruder mit alien Konsequenzen ihrer Wirkung mid Anordnung Propeller, jedoch eingebunden in Bau-elemente besonderer, auf Schiffsform und Nutzen abgestimmter Konstruk-tionen

Wahrend Flachenruder nur wir-ken, wenn sie angestromt werden

(man bezeichnet sie deshalb gem n als

Passivruder"), erzeugen Propeller Schubkraft, wobei die GroBe der

Kraft durch die Leistungs- bzw.

Drehzahlregelung bestimmt werden kann. Aus diesem Grunde hat sich die Bezeichnung aktives Steueror-gan" eingebilrgert [I].

Inzwischen werden die verschie-denartigsten Konstruktionen

ange-boten. Es war im Rahmen theses

Vorhabens von vornherein nur beab-sichtigt, diejenigen vergleichend zu

untersuchen, die die meisten der vorher genannten Anforderungen

erfiillen und wahrend ihrer Entwick-lungsphasen schon vom Modellver-such oder von einigen Tests in der GroBausfiihrung der VBD her be-kannt waren [2].

Systemauswahl

Eine weitere Verbesserung der

Manovrierfahigkeit und damit die

Erhaltung des bisher schon hohen

Lab, v. Scheepsbouwkuncj.

Technische Horschool

Sdhiffahnt-verlag ansa. C. Schroedter otift& Co. KG

Stubbenhuk 10 2000 Hamburg 11

Standards der Verkehrssicherheit

auch bei GroBmotorschiffen werden Systerne erreichen, die also in der Lage sind, nichtausreichende Steu-erkrafte am Heck durch gleichsinnig wirkende am Bug zu erganzen.

Der vorliegenden

VBD-Untersu-chung standen vier Anlagentypen

für naturgroBe Messungen zur

Ver-fiigung:

der Schottel-Bug-Jet die Ebert-Bugstrahlanlage die BSG-Bugstrahlanlage der ELKA-Jet (Ups-Keller)

Alle vier Systeme zeichnen sich dadurch aus, daB die Strahlenergie nach vier Richtungen rnit jeweils 90° Versetzung wirkt uncl so Krafte nach steuerbord, backbord, vorwarts und riickwarts erzeugt werden kiannen.

Die Unterschiede bestehen in der Anordnung der Propeller, der

Ka-nalfiihrung, den Anordnungen der Strahlaustrittsoffnungen am Schiff und deren Querschnitten, den Strahlneigungen gegeniiber der

Ho-rizontalen wad den verwendeten

Leiteinrichtungen limerhalb der Stromungskanale oder an deren

Austritten. Der Reihenfolge nach

zeigen die Prinzipskizzen der Anla-gen die wesentlichsten Elenlente. Schottel-Bugstrahlanlage

(Bild1und 2)

EM horizontal angeordneter Pro-peller P, 100-200 mm iiber Basis,

saugt Wasser von unten in einen

Kriimmer K, der den beschleunigten Strahl in eine horizontale Schubrich-tung umlenkt. Der Krilnamer 1st mit-tels Steuergetriebe G schwenkbar, so daB der Schubstrahl zunachst in beliebige Richtung gelenkt werden kann. Im vorliegenden Fall bewegt sich der Kriimmer in einem zylin-drisch ausgefiihrten Brunnen B mit vier in 90° zueinander rundum ange-ordneten Austrittsoffnungen A. Je nach Positionierung des Krtimmers durchlauft der Schubstrahl die ent-sprechenden Kanale (Bild 2), tritt in das umgebende Wasser aus und er-zeugt bei rotierendem Propeller ei-nen standig wirkenden RiickstoB auf das Schiff.

Ebert-Bugstrahlanlage

(Bild 3 und 4)

Die Anordnung der kreuzvveise zu-einander laufenden Steuerkanale

entspricht bei diesem System prinzi-piell Bild 2, nur arbeitet das

Propul-NaturgroBe vergleichende Untersuchungen

neuer Bugstrahlantriebe

an GroBmotorschiffen

Dr.-Ing. E. Schale und cand. 'rig. W. G rywot z1)2)

Four bow thrusters of the type which deliver their thrust by ejecting propel-lerstream through either four tunnels with different slopes arranged at 90° to each other or one kneetunnel rotatable through 360° have been investigated in a comparative study showing that their effectiveness in respect of reaction force on the ship varies considerably. Measurements were conducted on the ship in captive condition (bollard pull) and in unconstrained condition in still water at zero speed of advance and at forward speeds in the range of 12 km/h through water. Data recorded consisted of rpm and torque and bollard pull or course deviation and rate of turn of ship.

sionsorgan in anderer Weise. Der

Brunnen B ist gemaB der Kanalstel-lung quadratisch ausgefiihrt. Die

Kandle AIA4 seIbst manden mit

geringer konischer Auswolbung zy-lindrisch em. Ihr Innendurchmesser entspricht dem auf horizontaler Wel-le laufenden KaplanpropelWel-ler P, des-sen Antrieb (hydraulisch oder ilber Winkelgetriebe) zentrisch

angeord-net ist und von einer Hohlwelle H

getragen wird. Urn these ist mittels

positionierbarem Mechanismus G

das Antriebssystem schwenkbar. Alle vier Karlale sind grundsatzlich offen. Der Propeller treibt das

Was-A,

Bild 3 Ebert-Bugstrahlanlage Systemzeichnung

2

ser aus dem Brurmen und erzeugt

damit den Schubstrahl, wahrend alle drei weiteren Kanale dann dem

Zu-lauf dienen. Bei Fahrt wirkt z. B.

auch der Staudruck mit, so daB emn Teil der Wirbelverluste im kubischen Brunnen kompensiert wird.

Bild 4 zeigt das ganze System im Vorschiff. Hier Mit gegeniiber der Schottel-Anlage auf, daB der Vorka-nal wesentlich hoher liegt und sogar die Stevenkonstruktion durch-schneidet.

BSG-Bugstrahlanlage

(Bild 5)

Die Konstruktion dieser Anlage

entspricht den beiden vorausgegan-genen mit dem Unterschied, daB

die Kanale starker geneigt sind und nur die Bodenebene durchschneiden

Wohnraum

das Propellerantriebssystem von der Fa. Jastram ilbernommen wurde, die theses fur Seeschiffe entwickelt hatte.

Im grollen Rahmen ahnelt es der

Ebert-Konstruktion, wobei der motori-sche Antrieb iiber Winkelgetriebe vor-genommen wird.

Bild 5 zeigt die etwas andere Art der Kanalfiihrung.

Lips-Keller ELKA-Jet

(Bild 6)

Dieses kompakte Aggregat besteht im Zentrum aus einem den

Propel-lerpumpen sehr ahnlichen

Trieb-werk T, wobei die Propellerwelle W horizontal arbeitet und der Wasser-zu- und -ablauf iiber Rohrkriimmer

KL, K2 gleichen Durchmessers

er-folgt. Beide offnungen befinden sich

in der Bodenebene und sind im

Querschnitt so gestaltet, daB sie die

BUd 4 Prinzipzeichnung eines Bugstrahlantriebes, Typ Ebert-Bugstrahlanlage, einge-baut in GMS Haniel 'Wrier 60", Antriebsleistung PB=200 kW

Bild 1 Schottel-Bugstrahlanlage Systemzeichnung des Bild 2 Schottel-Bugstrahlanlage Einbauzeichnung

ihnen zugedachte Funktion

mtig-lichst gut erfilllen. Wahrend im An-saugbereich die Achsneigung nur ca. 500 betragt, miindet der Austritt 900 zur Bodenebene. Die konische Aus-weitung client zur Aufnahme des so-gen. Steuerrostes R. Dessen sektenartig und parallel zueinander an-geordnete gewolbte Flachen F len-ken den Propellerstrahl in eine von

der vertikalen abweichende Rich-tung und erzeugen so die auf das

Schiff vvirkende

Horizontalkompo-nente H. Diese laBt sich mit der

Steuerwelle S um 360° schwenken, so daB die Rundumwirkung gezielt ge-nutzt werden kann.

Die Antriebsleistung liefern bei

al-ien Systemen separat installierte

Dieselmotore. Die Kraftiibertragung erfolgt iiber Winkeltriebe, erganzt durch Gelenkwellen, Riemen oder Hydrosysteme. Die mechanischen Verlustanteile liegen zwischen 5 und 12%. Moglich und gelegentlich aus-gefiihrt 1st auch der Antrieb durch Elektromotore, teils direkt ohne Winkelgetriebe, so daB die

mechani-schen Verluste deutlich geringer sind.

Testmethoden

Die bei Modellversuchen

ange-wendete MeStechnilc zur Erfassung von Kraften und Momenten [1] laBt sich auch auf das Messen am natur-groBen Schiff tibertragen. Allerdings

sind Einschrankungen in Kauf zu

nehmen, die hi Verbindung mit un-terschiecilichen Randbedingungen Erschwernisse hervorrufen. Um

die-se weitgehend auszuschalten taw.

den hier erwiinschten Vergleich der Bugstrahltriebwerke zu sichern, wurde versucht, folgendes zu-gleich praxisbezogen einzuhalten:

Wassertiefe am MeBort konstant, mOg-lichst 4-5m

Tiefgang des Schiffes 2,5-2,8m

SchiffsmaBe 105 x 11 m bis108 x 11,4 m

(GroBmotorschiffe)

mog,lichst genaue Ermittlung der An-triebsleistung

Die Testmethode selbst sollte so beschaff en sein, clan sie nicht nur zu reproduzierbaren MeBergebnissen sondern zugleich auf einfache Weise auch Anwendung bei Priifun-gen durch die Schiffsuntersuchungs-kommission (SUK) finden kann. Sie unterteilt sich in Kraftmessungen am Pfahl" Drehgeschwindigkeitsmessung im Stand" Drehgeschwindigkeitsmessung bei Fahrt"

Test 1 und 2 zeigen die Bilder 7 und 8. Bei Test 3 sollte das Schiff selbst mit dem Hauptantrieb in Fahrt und auf geraden Kurs gebracht werden,

wobei die Geschwindigkeit einen

konstanten Wert erreicht, zunachst

(als Vorschlag) 12 km/h.

Dieses Verfahren wurde in Vor-versuchen erprobt, fiir praktikabel

Bild 5 BSG-Bugstrahlanlage Systemzeichnung

:1:1311=wm;

Rierhenantrieb

Bild 6 ELKA-Jet (Lips-Keller)-Bugstrahlanlage Systemzeichiumg

befunden und im vorliegenden Fall fiir folgende vier Schiffe ange-wendet: GMS Friedrich Cote, 105 x 11,0 m, mit Schottel-Jet, Propellerdurchmesser 1,10 m GMS Haniel Kurier 60", 108,5 x 11,4m, mit Ebert-Anlage, Propellerdurclunesser 0,6m GMS Haniel Kurier 61", 108,5 x 11,4m, mit BSG-Bugstrahlruder, Propellerdurchmesser 0,85m GMS Gottardo", 95 x 11,4m, mit Elka-Jet, Propellerdurchmesser 0,78m 11111[111,11111.111[11.1.1111111111111.111,11111,1,y, c., _L 80m Zucidynomo-IIIPPINUIROPHIBIN

Es waren somit ausnahmslos GroBmotorschiffe mit

Ladefahigkei-ten zwischen maximal 2600t 3000t.

In der durchgefiihrten

Untersu-chung wurden zusatzlich Drelu-no-ment und Drehzahl gemessen, urn nicht nur die Wirkung auf das Schiff

J1111111111 .1 WI 111111 tI iItItliIiItIiIIi!1. 9

o

180°

111111! 1 111 1111111111111111111111111'111 1111

Bild 7 Lage des Schiffes bei der

Tabelle 1 Wendemanover

Werte auf ganze Zahlen gerundet

zu erinitteln, sondern auch die ent-wickelte Horizontalkraft, bezogen auf die Antriebsleistung des Motors, zu spezifizieren. 28 26 24 20( 18 16 1 12 1 8 6 50 60 70 80 90 100 nIVel

Bud 9 Vergleich der spezifischen

Lei-stungen

Versuchsdurchfiihrung

Pfahlprobe

Alle Schiffe konnten nach den

vor-her angegebenen Methoden

meB-technisch untersucht werden. Von besonderer Bedeutung sind die Pfahlzugversuche, well bei diesen unterschiedliche Verdrangungen keine entscheidende Rolle spielen. Die vergleichenden spezifischen Endwerte zeigt Bild 9.

1

Werte auf gauze.' Zahien gerundet

Wenden im Stand

Die Wirkung der Bugstrahltrieb-Werke wird bei ihrer hataigsten

An-Wenclung, dem im Stillstand des

Schiffes beginnenden Ablegemano-ver, am deutlichsten gichtbar. Da din Solches Manover nur in Aiisnahine-fallen reproduzierbar ist, wurde filr einen Vergleich der Triebwerke emn voiles Drehmanover bei Stillstand des Schiffes in stehendem Wasser durchgefiihrt und die maximal ge-messene Drehgeschwindigkeit pro-tokolliert.

Kursabweiehung bei Fahrt

Die eigentliche Ruderwirkung, ggf.

vergleichbar mit derjenigen von Heckruderanlagen, kann nur bei

Fahrt ermittelt

werden. Da die

Durchschnittsgeschwindigkeit bela-dener Schiffe auf

Binnenwasserstra-Ben der Klassen IV und V bei

Vdw 12 km/h liegt, wurden die Ver-suche bis zu diesem Wert gefahren und nach Erreichen des Beharrungs-zustands 0) ohne weitere Betati-gung der Hauptruder bei maximaler

Bugstrahlleistung und nach einer

Kursabweichung von 5° abgelesen. (Hier besteht dine gewisse Analogie zum Schlangelversuch, bei dem in der Regel nach 10° Kursabweichung gestiitzt wird).

Die Ergebnisse der Messungen zu den Abschnitten Wenden im Stand"

und Kursabweichung bei Fahrt",

umgerechnet auf den Einheitstief-gang, zeigen die Tabellen 1 und 2.

Bild 10 zeigt die

Gegeniiberstel-lung dieser umgerechneten Werth

mad ermoglicht den Vergleich unter-einander, wobei bewuBt auf Beriick-sichtigung weiterer

Schiffsform-und Leistungseinfhisse verzichtet Wurde..

Nutzanwendungen

Wie anhand der durchgefiihrten

Untersuchungen deutlich zu erken-nen ist, dieerken-nen Bugstrahltriebwerke

bei Bilmenschiffen zur

Unterstiit-zimg jedweder Schiffsmanover. Ihre Anwendung in der Praxis fiihrte den im Laufe der jetzten Jahre

ver-besserten Konstruktionen, Wie in

den Zeichnungen nachgewiesen. Die Wirkung auf das Schiff soil moglichst

fundurn", zumindest abet in Vier

Hauptrichtungen nutzbar gemacht

werden konnen, was nebeh den

Steuereigehschaften atich zur Erho-hung der Vortriebs- bzw. Stoppkraf-te fuhrt. Beispielsweise .wurde mit GMS Friedrich Gotz" im Stillwas-ser eine Reduzierung des Stoppwe,

ges aus Vs = 10 km/h urn 8% erreicht.

Von wesentlicher Bedeutung gind fcilgende NutzanWendungen:

Unterstiitzung von An- und Ablegema-novern im Bereith der Urnschlagplatze Vortrieb und Steuerung des Schiffes in Haien ilber kleine Wege ohne Einsatz der Hauptmaschine

Positionierung oder Ausrichtung des

Schiffes, wenn bei langsamer Fahrt

Fahrwasserengen o. a. angesteuert werden miissen

(Briickendurchfahr-ten, SChleuseneinfahrten)

Erhaltung der Bewegungsrfchtung bei Stoppmanovern

Unterstiitzung der Fahrt durch Kram-rnungen, wenn die Radien die Ausbau-normen des BMV unterschreiten

(Ne-benfliisse, ggf. auch Kanale alterer

Ausfiihrungen)

Da der letzte Punkt em sehr

we-sentlicher filr die Zulassung von

GroBmotorschiff en auf der

Wasser-straBenklasse IV war, soli dieser

aoxi-hand der Mawerte aus Bild 10, be-zogen auf eine Fahrgeschwindigkeit von 9 km/h (mittlere Schiffsge-schwindigkeit innerhalb der

Kriiin-mungen von Rhein-Nebenfliissen

mid Kandlen), berechnet werden.

Dies fiihrt für die vier Schiffe (T = 2,5 m) zu folgenden Fahrbahnradien:

In der Praxis wirken die Heclu-u-der natiirlich in unvergleichlich ho-herem MaBe (die Drehkreisdurch-messer bei Vs = 9 km/h, auf R/L be

-4 Schottel-BuOet . )

NM

pi 1mq

111k Ebertrahlaniage.u s .

ININII

IEEE

BSG-B

.1,1111111

0 Punkt nicht in I--Tendenz

liegt Eill-:

der strahl-untage

EN

Vdw =0-12km/h -t-Vertgleich bei Fahrt

chattel-Bug-Jet 11111103,

-s

--....

1 .

-.M11111111111All.

,

Schiff ALo ALI ALI 1.1)o

[m21 [m2] AL, _{[°/mM] [°/min]} -1. Friedrich Gotz 258 247 0,96 43 41 2. Haniel.Kurier60 267 274 1,03 38 39 3. Hanle] Kurier 61 267 267 1,00 34 34 4. Gottardo 232 270 1,16 23 27

Tabelle 2 Kursfahrt, bezogen auf_12 km/h 333 ni/s

Schiff ALI '1 Vo

AL, -

- r,

[°hmin] [°/min]

1. Friedrich Gotz 0,96 1,00 21 20 2. Haniel Kurier 60 1,03 1,08 20 20 3. Haniel Kurier 61 1,00 0,95 6 6 4. Gottardo 1,16 0,97 2 2 Schiff R R/L 1. Friedrich Gatz 26,5 325 3,1 2. Haniel Kurier 60 24,3 366 3,5 3. Harliel Kurier 61 12,4 694 6,4 4. Gottardo 6,8 1265 13,3 o 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12

Bild 10 Wendegeschwindigkeit Vdw (km/hi

50

4

zogen, liegen bei 1,3 bis 1,7). Stieg die

Fahrgeschwindigkeit auf Werte von Vdw = 15-17 km/h, konnte man wall-rend der Bergfahrten auf dem Rhein bei keinem der untersuchten Typen von Bugsteueranlagen eine Beein-flussung des Kurses erkennen, ob-gleich sie theoretisch vorhanden sein

mtiBte.

Zusanunenfassung

Eine vergleichende Untersuchung von Bugstrahlantrieben, die ihre Propellerstrahlenergie entweder durch vier 900 zueinander angeord-nete Kanale unterschiedlicher Nei-gung oder stufenlos iiber 3600

schwenkbar abgeben konnen, zeigte im Hinblick auf ihre Reaktionskraft am Schiff sehr unterschiedliche Wir-kungen. Die Messungen wurden im Stand (am Pfahl), in stehendem Was-ser ohne Vortrieb und bei Kursfahrt mit Geschwindigkeiten urn Vdw

12 km/h ausgefiihrt. Dabei sind

er-faBt worden: Drehzahl,

Drehmo-ment und je nach Versuchsart der Pfahlzug, die Kursabweichung mid die Winkelgeschwindigkeit des

Schiff es.

Die spe7ifi7ierte Auswertung der

MeBergebnisse laBt folgendes er-kennen:

Jede der gepriiften vier Bauarten er-moglicht es einem im Stillwasser be-findlichen Schiff, sich ohne Hauptan-trieb nach alien Richtungen frei zu be-wegen. Je nac.h Hohe der Wirkleistung

geschieht dies mehr oder weniger

schnell.

Soil das Schiff Fahrt aufnehmen, hilft der Bugstrahlantrieb mit, die Anfahr-beschleunigung zu erhohen. Nach Er-reichen der Betriebsgeschwindigkeit konnte auf dem Rhein keine zusatzli-che Vortriebswirkung nachgewiesen werden irn Stillwasser wird sie ge-ringfiigig spiirbar.

Die Nutzung des Bugstrahltriebwerks als Bugstrahlruder zur Kurskorrektur

in Fahrt" ist bis zu einer

Geschwin-digkeit durch das Wasser von 9km/h moglich. Die effektive Wirkung ist bei

den vier Konstruktionen sehr

ver-schieden, natiirlich spielen dabei auch die motorische Antriebsleistung und die spezifische Propellerbelastung eine

Rolle.

Die quantitativen Nachweise er-folgen durch tabellarische und grafi-sche Darstellungen. Ein spezifigrafi-sches

Leistungsdiagramm und out den

Einheitslateralplan bezogene Tabel-len ermoglichten vergleichende Wertung.

Literatur

Heuser, H.: Aktive Bugsteuerorgane fiir

modeme Binnengaterschiffe; 181.

Mittei-lung der VBD, Eigenciruck, Dezember

1977.

Schale, E.: NaturgroBe, vergleichende Untersuchungen von Bugsteuerorganen an Schubverbanden und GroBmotor-schiffen auf geradem und gekriimmtem Fahrwasser zur Erhohung der

Verkehrs-sicherheit; Forschungsbericht des Landes

NRW, Nr. 2665.

Schottelwerft:

Schottel-Bugstrahlanla-gen Betriebsergebnisse und Dimensio-nierungshinweise; Hansa", Heft 12/1984,

S. 1115 ff.

Brix, J.: Dimensionslose GroBen der

Ma-novriereigenschaften von Schiffen;

Jahr-buch der STG, Band 66, Jahrgang 1972. Beyen, H.: Bugsteuereinrichtungen

ih-re Bedeutung, ihih-re Moglichkeiten und einige Auswahariterien fiir den Schiffs-eigner; Zeitschrift für Binnenschiffahrt

und WasserstraBen, Heft 3/1982, S. 103 ff.

Universitat Duisburg, Gesamthochschu-le: Zweites Kolloquium Schiffstechnilc/ Meeresteclmik Aktive Steuerorgane in Schiffahrt und Meerestechnik";