Untersuchung der nachstromverhältnisse an drei- und vier-schrauben schubbooten

Untersuchung der Nachstromverhaltnisse

an Drei- und Vier- Schrauben-Schubbooten

191.Mitteilung der Versuchsanstalt fur Binnensc,hiffbau e.V., Duisburg,

'Institut an der Rheinisch-VVestfalischen Techhischen Hochschule, Aachen,

Mitglied der Arbeitsgemeinschaft IndustrieIler Forschungsvereinigungen e.V., KoIn

Dipl.-Ing. G. Luthra

Die Mittel zur Durchfuhrung dieser Untersuchung stellte

dan-kenswerterweise die Arheitsgemeinschaft Industrieller

For-schungsvereinigungen zur Verfilgung.

5 Jllii11 1980

Lab. v. Scheepsbouvikuncie

RCHIEF

Technische Hogeschool

Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau e.V. Duisburg

Bericht: 919

Untersuchung der Nachstromverhaltnisse an Drei- und

Vier-

Schrauben-Schubbooten-1. Einleitung

Zur Ermittlung der Nachstromverhaltnisse an verschiedenen

Bin-nenschiffstypen, die als Grundlage zum Entwurf des jeweiligen

Propellers dienen, sind in der VBD einige Untersuchungen [1, 2 und 4], darunter auch an einem 2-Schrauben-Schubboot mit 4 Leichterft im Verband, durchgefUhrt worden. Bei einer

Vergros-serung des Schubverbands auf 6 Leichter, wie diese aus Wirt-schaftlichkeitsgrunden angestrebt wird, muB fur unveranderte Fahrgeschwindigkeit die Antriebsleistung erh6ht werden. Auf

der anderen Seite lassen es die WasserstraBenverhaltnisse nicht zu, den Tiefgang bzw. den Propellerdurchmesser zu ver-groBern. Die hohere Antriebsleistung in Schubbooten muB infol-gedessen auf drei oder vier Propeller verteilt werden, damit die bereits vorhandenen extrem hohen Schubbelastungen nicht weiter steigen und so die Propulsionsbedingungen hinsichtlich

Wirkungsgrad, Kavitationsgefahr und Schwingungserregung

ver-schlechtern [5 bis 8].

Zur Auslegung von Propellern fUr die Drei- und Vier-Schrauben-Schubboote fehlen bisher die Daten Uber das Nachstromfeld. Be-reits bei einem 2-S-Schubboot im Verband, dessen Breite und Tiefgang die des Schubboots wesentlich Uberragen, ist die

An-strOmung der Propeller unganstigen Bedingungen unterworf en.

Bei einem 3- oder 4-Schrauben-Schubboot konnen infolge der zu erwartenden wechselseitigen Beeinflussung der Propeller noch ungUnstigere Verhaltnisse vorherrschen, wodurch eine

Ubertra-gung der an einem 2-S-Schubboot gemessenen Nachstromwerte auf

Drei- und Vier-Schrauber erschwert wird.

-1-Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau

e. V. Duisburg

Bericht: 919

Die vOrliegende Arbeit ist daher mit dem Ziell die

Nachstrom-felder an solchen Mehrwellen-SchubboCten experimentell zu

er-mitteln, durchgefiihrt wOrden. Im einzelnen sind modellmaBig

die

Ortlichen Geschwindigkeiten jeweils in ej,ner Ebene

unmit-telbar vor den PrOpellern an einem 3- und einem 4-S-Schubboot im Verband mit 6 Leichtern sowohl ohne ala auch bei arbeiteh-den Propellern aufgemessep worarbeiteh-den. AnschlieBend sind in einer weiteren VerSuchsreihe vergleichende Messungen bei arbeitenden Propellern in eingebauten Dusen vorgenommen worden; um den

gin-fluB

der

Diise auf die NachStrotverteilung festzustelleh

gine Obersicht tber die Versuche gibt die Tabelle unter 2.), wahrend Modell- upd Propellerdateh unter 2.1) aufgelistet sind.

2. Obersicht fiber die Versuche

T

9,8 m breiter und 190 m langer

Versuchstank der VBD

ank

Ruhendes Wasser. Wassertiefe h

= 312,5 mm entspr. h = 5,0 m in der Natur.

Anhange Versuchsdaten Nachstrommessungen

Nachstrommessungen zunachst jeweils ohne

Duse und ohne Ruderanlage.

AnschlieBend

verglei-chende Messungen mit eingebauten

DUsen Und Hauptrudern.

M 838: Dasen 3 x 124 II: M 843: AuBenpropeller - 2 x D 126 + 2 x R 488 I. Ruder 3 x 474 Innenpropeller - 2 x D 127 + 2 x R 488

Schubboot M 838, 3-Schrauber ohne

mit DUsen

M 843, 4-Schrauber ohne

mit DUsen

M

751 - 762,

Typ "EUROPA II" im

Dreigliedrig-Zwillingsverband Zweigliedrig-Drillingsverband M 838, Drei-Schrauben-Streckenschubboot

(Abb.1)

M 843, Vier-Schrauben-Streckenschubboot

(Abb.2)

Modell- und Propellerdaten: siehe

unter 2.1 Dreigliedrig-Zwillingsverband. Leistung [kW] 3180 (2170) 3140 Drehzahl ns [UPM] 228 2281-) Geschwind. Vs [km/h] 12 57 12,57 13,25 13,25 Zweigliedrig-Drillingsverband _Leistung PD [kW]. 3180 (2060) 3575 Drehzahl Geschwind. ns [UPM] Vs [km/h] 11,66 11,66 MeBfahrten 1) ohne Propeller;

2) mit arbeitenden Propellern,

3) mit arbeitenden Propellern in

DUsen

MeBebene

jeweils 0,40 D

vor Propeller

+) Diese Drehzahlen entsprechen

nicht dem

Leistungs-Geschwindigkeits-Verhal-Enis bei Anwendung

von DUsen

in Propulsionsversuchen.

Messungen

In den Schnittpunkten eines

gedachten quadratischen Netzgitters

von 15 bzw.

10 mm Teilung

mittels Dreikanal-Zylinder-Staurohren

von 6 mm

0

aber 6 Druckdosen und MeBverstarker.

MeB-wertregistrierung Uber SABA-EDE-Anlage

der VBD. Modelle Schubleichter:

A=

16 Schubboote: 285 285 ) 224 224+) 310 310+) 10,86 10,86

Streckenschubboote

Schubleichter "EUROPA II"

M838

M843

M 751-762 Verband 3-Schrauber 4-Schrauber auBen P/D AE/A0 c0,7R innen 37,0 15,0 1,65 36,0 608,1 616,7 1,54 3,37 9,20 3,00 1,08 auBen innen .P186r/l+P 196r .P46r/1 P52r/1 Einzel-Leichter

Tiefgang Lange W1 Verdrangung

.

Benetzte Ober- flache

S = 1225,0 m2 1 Seite = 161,1 m2

LA

fm] 35,0 Ba.Spt. 14,95 1,70 LW1 33,89

V

[m3] 553,5 [m2] 564,5 [u] 2,10 1,92 1,92 1,052 .0,964 0,90 0,710 0,56 0,56 4 4 4 Ern] 0,884 0,603 0,60 229,5 153,0 22,66 33,99 3,0 3,0 223,3 146,8 14158,2 14158,2 6383,4 6061,2 T = 3,0 m LW1 = 73,4 m V = 2359,7 m3 [ml 1,55 [ra] 3,64 Ern] 8,-80 [ml Mitte [m] 1,11

Versuchsanstalt far Binnenschiffbau e.V.

Duisburg

Bericht: 919

3.. VersuchsdurchfUhrung

Zur Durchfiihrung der Versuche sind vorhandene Modelle eines

Streckenschubboots in Drei- bzw. Vier-Schrauben-AusfUhrung.im MaBstab 1:16 benutzt worden. In beiden Fallen ist die Hinter-schiffsform sowie die Tunnelgestaltung, unter BerUcksichtigung der wesentlichen Gesichtspunkte, die den heutigen Forderungen an die Schubschiffahrt Rechnung tragen, ausgelegt worden.

Ab-bildungen 1 und 2 zeigen den jeweiligen SpantenriB bzw. die. Vor- und Hinterschiffslinien.

Als Leichterverband dienten 6 Schubleichter des Typs "EUROPA II" ebenfalls im MaBstab 1:16, die aus dem VBD-Bestand stammen. Sie wurden in Dreigliedrig-Zwillings- und Zweigliedrig-Drillings-Formation untersucht. Die Art der Ankoppelung der-Leichter in beiden Formationen ist in den Abbildungen, die die

MeBergebhis-se wiedergeben, schematisch angedeutet.

Alle Untersuchungen erfolgten auf einer Wasgertiefe von h=312,5mm entsprechend h = 5,0 m in Natur und mit einem Leichtertiefgang von TL = 187,5 mm entsprechend TL = 3,0 m in GroBausfiihrung. Nach-strommessungen wurden 'zunachst mit dem Schubboot im Zustand "ohne aisen und ohne Ruder" durchgefilhrt. Zur Ermittlung der

Nachstrom-verteilung wurden die ortlichen Geschwindigkeiten in den Schnitt-punkten eines.netzartig verteilten Gitters in einer zur Langs-achse senkrechten Ebene im Abstand von 0,4 x D. vor dem Propeller

sowohl ohne als auch mit arbeitenden Propellern-gemessen. 'Die-ser Abstand entspricht der jeweiligen aisen-Eintrittslange. und

wurde so fixiert, damit die spater erfolgten Messungen mit ein-gebauten DUsen in.der gleichen Ebene unmittelbar vor der jewei-ligen Wisenoffnung vorgenommen werden konnten. FUr die erste MeB-reihe wurde eine quadratische Teilung des MeBgitters mit 15'mm Abstand zwischen den MeBpunkten gewahlt. Bei aisen-Messungen

wur-de mit Rucksicht auf die kleine MeBflache eine dichtere Teilung

-5-Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau e.V. Duisburg

Beritht:- 919

vorgezogen. Die Entfernung zwischen den MeBpunkten in diesem Fall betrug 15 mm in der horizontalen und 10 mm in der vertika-len Richtung. Die Mesungen erfblgten mittels zwei.in der VBD angefertigter und bisher benutzter Zylinderstaurohre vOn 6 mm AuBendurchmesser. Der Versuchsaufbau und die Eichung der-Rohre ist in [3] beschrieben und wird deswegen hier nicht wiederholt.

Aus Symmetriegranden

wurde-das

Nachstromfeld'mur atif einer Seite bzw.

vor

dem Mittel-und dem StB,PrOpeller am 3-:8-Schub-boot und vor den beiden StB-Propellern am 4-S-SchubbOdt aufge-MeSsen. Die Verbandgeschwindigkeiten tnd Propellerdrehzahlen

ztm Aufmessen des liachstroms bei beiden VerbandSfOrMationen wur

den auS den Zugehotigeh PrOpuisionsversuchen ausgeSUcht und sind

in der-VersuchsaberSicht-unter'2.) 'angegeben..Um dieSe Zuordnung

von PrOpellerdrehzahl und Fahrgeschwindigkeit:lixieren'zu konnen,

waren Propulsionsmessungen-jeweils mi-E'dem Schtbboot ohne Dasen im Verband erforderlich und gingen' denA4achs-ErotheSsSungen

vor-aus. Aus diesen 1st ferner der jeweilige effektive NachstromWert nadh dem ablichen Verfahren der Schubidentitat etrechnet und dem entsprechenden Volumenmittelwert des nominellen Nachstroms

ge-genabergestellt worden.

Bei den spater erfolgten Messungen des Nachstromfelds an beiden Schubbooten nit eihgebauten Dasen sind die gleichen Fahrgeschwin7

digkeiten Und Propellerdrehzahlen beibehalten warden. -Es ist zu

beachten, daB diese Drehzahlen nicht den Leistungen entsprechen,

die bei eingebauten Dasen zum Erreidhen der gefahrenen .Geschwin-digkeiten erforderlich sind.

4. VersuchsetqabnisSe.

4.1 Leistungsmessungen

Die Ergebnisse der jeweils als Kurzversuch durchgefahrten Lei-stungsmessungen mit beiden Schubbooten im'Sechser-Verband in zwei verschiedenen Formationen sind in Abb. 3 und 4 dargestellt.

Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau

e. V. Duisburg

Berichv 919

Wie eingangs erwahnt, Orfolgten diese Messungen. in,dem ZUstand

l!SchubbObt ohne DUsen, und ohne Haupt-. und FlahkenrUder., Als Ver7

gleich sind die entsPrechenden Leistungs7

_{Drehzahl-) Werte}

far beide VerbandsformatiOnen mitHdem 3-Schrauben-Schubboot mit

eingebauten DUSen und Rudern aus [7] UbernomMen und hier eben-.

falls Wiedergegeben wordeh.

Der VergleiOh in Abb.1 verdeutlicht am Beispiel des

3-S-SChub-boots- die Leistungseinspatungen, die durch Anordnung der

Propel-ler in DUsen.gegenfter unumMantelten PropeIPropel-lern-bei vorliegehden

SChubbelastungen etzielt werden konnen.

Ein Solcher VergleiCh beim 11S-Schubboot kann nidht

vorgenommen

werdeh,.da die entsprechenden Merte fUr dieSes Schubboot mit

Dusen niCht vorliegen. Abb.4 Zeigt jedoch die Cberlegenheit

des

4-S-SchubboOtS gegenUber der 3-SthraUben-,Variante. Die

Leistungs-Werte bei diesem Schubboot iM Preigliedrig-Zwi1iing8Verbarid'sind

.trotz NiChtvothan4enseins der DUsen gleichwertig oder sogar etwas

gUristiger als die der 3-S-Variante mit

DUsen. Im

Drillingsverband ist em n geringfUgiger LeiStungsMehrbedarf

zU

verzeichhen, dem jedoch keine groae Bedeutung zukoMmt, weil

_auch

in diesem Fall das 4-S-Schubboot durch.DUSenanordnung gUnstiger

abschneiden wird.. In diesem Zusammenhang wird auf die in [8]

festgeStellten PropulsionsgUtegrade

an je einem ZWei-,

und

.Vier-Schrauben-Schuibboot sowie auf die Ausfulirungen

Uber VOrzUge

des MehrSchraubenantriebs fUr leistungsstarke Bdnnenschiffe in

[6] hingewiesen.

NachstroMmessungen

Die VerteiIiing'dei mittels VerbandsgeSchwindigkeit

V.-dimensiOns-los gemaChten axialeh ZustromgesChWindigkeiten-

_{VA bzw.- des}

no-Minelleh NachstromS w = VA/V fUr den Zustand "5chubbootohne

Propellern-wird in Abbildung 5 fUr Drei7Schrauben- und8.ffir

-7-Versuchsaristaltfur Binneristhiffbau

e. V. Duisburg

Bericht: 919

Vier-Schrauben-Schubboot jeweils in 1 Verbandsformation in der

Ublichen,Darstellungsform als Isotachen d.h. Linien gleicher

Geschwindigkeit aufgetragen. Abgesehen von ortlichen .Storungen,

die hauptsachlich auf den verwirbelten Nachlauf des

Leichter-verbands zuriickzuftihren.sind und nicht auf Ablosungsgebiete am

jeweiligen Schubboot hinweisen; zeigen die Isotachen einen im

wesentlichen vom Reibungsnachstrom bestimmten Verlauf. Es

er-gibt sich eine der Spantcharakteristik der ebenbodigen Gillung

entsprechende, nahezu horizontale Staff lung der Isotachen,

deren Werte nach oben stark abnehmen.

Ein nennenswerter EinfluS der Tunnelform mit runden Spanteh

in Drei- und gradlinigen Knickspanten im

Vier-Schrauben-Schub-boot auf den Nachstrom ist nicht festzustellen. NaturgemaS

ist im oberen Teil des jeweiligen Tunnels, der tiber der

Ruhe-wasserlinie liegt, bei nicht arbeitendem Propeller praktisch

keine Zustromung vorhanden. Auch der Wasserzulauf zum

mittIe-ren bzw. zu den innemittIe-ren Propellern wird starker verzogert als

dies bei den auSeren Propellern der Fall 1st. Die

Nachstromfel-der bei arbeitenden Propellern in den Abbildungen.6 und 9 zei-,

gen jedoch, daS hierdurch keine nachteiligen Auswirkungen

ent-stehen.

Die arbeitenden Propeller saugen tiberwiegend ius dem jeweiligen.

Tunnelbereich an. Der Verlauf der Isotachen in diesem Fall ist

beinahe radial tiber:dem Propellerkreis gleichmaBig verteilt und

last die tratz der Mehrschraubenanordnung am Schubboot durch

ent-sprechende Tunnelgestaltung erzielte gute Wasserzufuhrung zu den

Propellern erkennen. Die Tunnelwirkung beim breiteren

Zweigli-drig-Drillingsverband kommt starker zur Geltung, well die

Pro-peller dann mehr vom Bodenbereich ansaugen.

Die Isotachen bei arbeitenden Propellern sind auBermittig

verla-gert. Es bildet sich eine Zone starker beschleunigten Wassers

lie-Versuchsanstalt fOr Binnenschiffbau e. V. Duisburg.

Bericht.: 9,19

genden Propellern. Diese Erscheinung ist auf die gegenseitige

Beeinflussung :der Propeller zurUckzufthreh. Eine derartige

WPOhselwitkung nach Anbringung von DUsen

bis

18)

nicht mehr: festStellbar'. Ahnliche.Wirkung bei nicht.ummantel-teM Propellern an _{Mehrwellenanlagen laBt.sich durch}

Tiefer-Setzeh der entsprechenden TunnelschUrzen _erreichen.

Die Veranderungen der ortlichen Geschwihdigkeiten _{infolge der} arbeitenden Propeller Sind in den Abbildungen -7 uhd 10 als di-:

menSiOnslos gemachte Werte VmP V.oP in.Isotachenform

darge-vVerband

DieSe Aufttagungen verdeutlidheb, _{da3 die von den Pro-.}

pellern geleistete Beschleunigungsarbeit

in

_den unteren-Qua-dranten radial nahezu gleiohmaBig vettent 1st. Die Geschwindig-keitSerhohung in den oberen Ouadramten _{dagegen ist} tingleichmas-sig Und wird erklarlicherweise _{von der Lage des jeweiligen}

Pro-pellers, des TurinelVerlaufs und _{vor allem von der 8Ohe des}

Tun-nels

tber der Ruhewasserlinie beeinflu.Bt. _{Die kegelartige} Ge--schwitdigkeitsspitze, jeweils _{ir5 oberen, inneren Quadranten det} Seiten,- und des AuBenPrOpellers-im _{M 838.}

121 1A7. M 843, 1st ebenH falls durch den TunneleinflIO'sowie _{durch die StOruMg von}

Steven-rohr und Wellenbock:tu erklaren,

Der fur die jeweilige Diskflache geltende Volumenmittelwert des Zustromgeschwindigkeits-Verhaltnisses _{VA/V- ohne und mit}

ar-beitenden Propellern sowie die .Anderungen infolge der arbeiten-.

den Propeller werden Ubersichtshalber _{nachfolgend in} Tabellen-form angegeben. Die Tabelle enthalt auch die aus der Schubiden-titat errechneten Vergleichswerte

b)

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Duisburg

Bericht: 919

M838

M843

3,S-SChubboot .4-S-SchUbbOot

Wahrend der'nomipelle Wert 'iii Fallen ant Mittel- bzw.

Innen-prbpeller' erwartUngsgeMal3 niedriger ist bzw_ AuBen-piopeller, zeigen die.zugehrigen. effektiven Mrte der

Zusttomge-schwindigkeit eine ent§egengeSetzte Tendenz auf. Zugleich.-sind die

effektiven Werte durchweg gtoBer

als

die Vergleichbaren nbMinellen

Wette. Letz-teres ist bekannt und entpricht den bisher gemessenen

ErgebniSsen [1, 2, 3 Und 5]. Weiterhin falit auf, daB mit

arbeiten-den Propellern der.VA/V-Wert an beiarbeiten-den PrOpellern im M 843 in

je-weiilget VerbandSformation annahernd gleich ist, wahrend £m M,838

der Mittel- und der Seitenpropeller fast die gleiche Bescp1euni.7. gungsarbeit leiSten. Diese ausgedrUckt als

(VA -VA liegt

in

. oP) Mittel- Seiten-propeller propeller - Innen-propeller*prQ1Dellr AuBen-V . [un/h.] _ 12,57 .13;25 (VA/V)Offektiv 0,610 0;540 0,690 0,610 (V V) A

/nominell

9,7_5 0,480 0,408 0,441 .(17A/V)mit Prop.. 0.936 1,029 0,91-8 0,907' A-_mP--VA

)/

o V 0,561. 0,549 0,510, 0,456: [km/h] 10,86 11,66 /V) -effektiv 0,600 0,550 0,690.

0,603

(V /V)

'A nbminell 0,364 0,490 - 0,389 0;475 ./V)Mit 15rOp. A 0,969 1,113. 0,97.8 0, 998 (VA _-VA ) , mP -oP/ .0,605 0,623 0,589 .0,523

Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau e. V. Duisburg

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diesem Fall im Mittel bei etwa 55% fur Formation a) und 61% fUr Formation b). Der vergleichbare Wert am 2-S-Schubboot in [1] betrug 38%. Eine Erklarung fUr das abweichende Verhal-ten der beiden hier untersuchVerhal-ten Schubboote einander gegen-Uber last sich auBer der unterschiedlichen Steigung der Pro-peller

im

M 843 und der Tatsache, daB die Diskflache im M 838 groBer 1st, nicht angeben. Sie dUrfte z.T. in der

wechselsei-tigen Beeinflussung der Propeller liegen.

Wie oben bereits erwahnt, ist beim Vergleich zwischen den Volumenmittelwerten der nominellen und den Uber Schubidenti-tat ermittelten effektiven Zustromgeschwindigkeiten

(VA _/v)

bzw.(VA /V) allgemein festzustellen, daB die erstgenannten

Werte durchweg niedriger liegen. Trotz dieser Unterschiede geht man bei der Propellerberechnung meistens von dem nominel-len Nachstromfeld aus, weil beim effektiven Wert die _radiale Geschwindigkeitsverteilung zur Berechnung der Teilabschnitte nicht bekannt ist. Hierbei werden die fur verschiedene Berech-nungsradien ermittelten nominellen Werte zur Anpassung an den

jeweiligen effektiven Wert korrigiert. Eine Beziehung _fur die-se Korrektur ist z.B. in [10] enthalten und last sich wie

nach-folgend angeben. (VA _V) = C1 [(VAnA7)r/R=i -1] +1 mit C1 = w /W

-1-(7An/V) e n hierin ist; 1-(VAe/V)

(VAe/V) = effektiver Wert fUr

Disk-flache aus Schubidentitat

(VA/\J) _{= nomineller Volumenmittelwert}

fur Diskflache

(VAn/V)r/R=i = nomineller Wert auf be-liebigem Radius

-Versuchsanstalt fur Birinenschiffbau e. V. Duisburg

ben

Bericht: 919

Da in vorliegenden Fall der. Unterschied zwischen

(VA /V),,1111d

n .

(VA/ V) erheblich ist und nach obiger Methode

korri--giert Werden sollte, ist hier der Versuch unternommen

wordenv derijeweiligen.effektiven Wert der

ZustromgeSchwindig-keit

im.,NachStromfeld aus der

zu.ermitteln.

Der Grundgedanke hierbei ist, 40, wenn man von,_dem

gemesse-Volumenmittlwert

VA

bei arbeitendem Propeller

dieptrahl-zusatzgeschwindigkeit, berechnet nach der $trahltheorie,

_

Zieht, so mtiBe das Ergebnis dem effektiven Wert der Anstrom-;

geschwindigkeit -70.

VA

entsprechen. Linter vereinfachenden

An-nahmen-IaBt. sich

e e

die bei einem in gegebenem

Nachstrom-feld.arbeitenden Propeller resultierende Strahl2Usatzgeschwin7

digkeit-C

_aco

welt hinter der Propellerebene wie folgt

berech-.

nen:

a

+

+

CTh)-n

mit C

_Th

_p/2-1-72

.

ADisk

An

DarC--Wert in der Propellerebene betragt 0,5- C

_{a aob}

-und

Tall, daB die MeBebene davot liegt, kann flit diese

des km:-Korrektutfaktors-.nach Gutsche [121:berichtigt werden

Die so ermittelten Wette sind nachstehend

tabellarisCh'engege-..J VA = . .C.: M

N

C.

C.km

V

a

V

/V

V

/V

. . xl A

a

a A _{( A} )

( A

An

3-S-Schtibboot M 838

14 a? co MP [m/Si

[m/s]

[m/s]

[M/S] . e e )KT

=konst,

-Mittelprop.

a) 0,327

_{b) 0,275}

1,768

_1,825

0;261

_0,269

_0,462

_.0,612

0,637

0,610

_0,600

- -Seitenptop.

a) 0,419

_{b) 0,370 -1,794}

1,717

0,253

0,645

_0,575

0,738

_0,762

0,540

_0,550

7s-Schubboot M 843:

a) 0,375

1,623

.0,214

0,631

0,685

0,690

Innenprop.'

_{b) 0,311}

_{1,770' 0,233}

_0,548

_0,686

_0,690

AuSenprop.

a) 0,406

_{b) 0,380}

1,741

_1,854

0,237

_0,44

0,605

_0,553

'0,658

_0,680.

0,610

_0,603'

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Bericht: 919

Per Vergleich zeigt eine.gute ,Obereinstimmung-zwiSchen und IV /V Dies gilt besonders

far

_den

Mittel-(

Ae _{)KT =Konst.}

bnd für den Innenpropelier, bei denen praktisch _keine Unterschie-defestZ4stel1en Sind. Eine Erklatung far _{das Herausfallen der} Werte beim Seitenpropeller.M 838 _{konnte nicht gefunden werden.} 'Ein.MeBfehler in der Schtbmessung in diesem Fall ist

unwahr-Scheinlich abet. nicht -a.uSzuschlie6en.

4.3

AnstrOmrichtungen-Die 'zur.-AUfmeSsUn-g des NachStroMfeldes _benutzten

Zylindetstauroh.-re erlauben, neben den ortlichen AnstroMgeschwindigkeiten _auch die:Anstromrichtungen in der waagerechten Ebene _{zu erfassen. Die}

'letztgetannte koMponente iSt bei Schubbootpropellein _insofern

wichtig, als diese infolge der Wassettiefenbeschrankung oft

vor-:Wiegend von

den

_{Seiten-Wasser-ansaugen.. Die schrag nach oben}

ge-riChtete-StrOMungskompohehte Wird'ih etSter Linie

_on

deOunnel-hohe'und dem .Gillungsanstieg des'SchubboOts beeinfluBt und ist

nicht-s0 sehr von den tiefet beladenen Ieichtern im Verband vor dem _{Schubboot abhangi.g. Sie Wurde desnalb und.auch wegen des}

hier-filr etfotderlithen, erheblichen VersUChsaufwands _{niCh.t gemessen.}

Die waagerechten GeschwindigkeitSvektoren _{nach GroBe und Richtung} in den jeWeiligen Me8pUnkten-werden.in.den _{Abbildungercil ibis 14}

wiedergegeben_ Sie sind filt die Dar-stellung,jeweiis in die

Zei-chenebene_umgeklappt. Die durCh die arbeitenden

Propeller.herwr-gerufeneh Veranderungen der ortlichen-ZustroMgeSchwindigkeiten,

vor alleM aber,ihre. Richtungen sind deutliCherkennen:- _Die

Sei-ten- und, Auf3enpropeller im M 838 bzw. _{M-843:zelgen em n ahnliches}

Ansaugverhalteni. Wahrend-der Mittelpropellerim-Vergleichum In-nenpropeller pnterschiedeaufWeist. _{Diese bestehen darin-, :daf3 der}

AnsaUgbeteich des. letZteren. infolge-geringeren _{Abstands zu beiden} benachbarten propelletn starker: eingeengt- wird

aie

dies beim

Mit-telptopeller..der-Fall istwodurch hierAeine,nennenswerte'seit-liche Zustromung erfolgt.

-13-Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau

e. V. Duisburg

Bericht: 919

Nachstromfelder bei eingebauten.Duen

Die Geschwindigkeitsverteilung jeweilS unmittelbar vor der

DU-sen-Eintrittsoffnung bei arbeitenden Propellern sowie die

waa-gerechten GesChwindigkeitsvektoren-sind

in

den Abbildungen 15

bis dargestellt- Diese, an Schubbooten erttmalig aufgemesse-nen Felder, zeigen wetentlich hohere Zustromgetchwindigkeiten

als ,die vergleichbaren Werte ohne 'Jitter'. Die

.GeschWindigkeits--erhohung durch die DUse ist beim breiteren Verband b)

wesent-lich starker als beim zweireihigen Verband a).. Die Isotachen

weisen einen ringfOrmigen Verlauf auf, dessen Mittelpunkt aus-sermittig nach unten verlagert 1st. Veranwortlich hierfur

ist-offensichtlich der hochgezogene, Uber der Ruhewasserlinie

lie-gende Tunnelscheitel sowie das an dieser ,Stelle fehlende

DUsen-profil.

logesehen von der auBermittigen Verlagerung der ringformigen

Isotachen falit weiterhin auf, daB deren Dichte, ausgedrUckt

aLs das. Gefalle fur einen IsOtachensprung von,AVA/V =.0,1,auf

den auBeren Propellerradien stark zunimmt. Einegewisse Rolle spielenhierbei'sicherlich der

8:tau

und die Umlenkung der

Stro-Mung vor der Profilnase. Auf'die starke Umlenkung:.deuten auch

die

in

Profilnahe schrag nach innen gerichteten waagerechten Geschwindigkeitsvektoren, deren Neigungswinkel 4.09 thd mehr betragt. Es bleibt aber dehnOch zu,klaren, oh

das:Zusammehdran-gen der Isotachen

dutch

die vorliegende radiale Stelgtngsver-teilung der Propeller zustande kommt oder ob die,DUse vorisich aus fur einen derartigen Verlauf der Isotachen VerantWortlich ist. Ungeachtet der Utsachen deuten.die NaChttromfelder datauf-hin, daB durch Veranderung der SteigungsVerteilung bei

festgehal-tenem mittleren Steigurigsverhaltnis des Propellers, eine Verbes7 serung des Wirkungsgrads des Propeller-DUsen-Systems- zu erwarten ist. Eine Voruntersuchung bzw. eingehende Behandlung dieses-

The,-menkomplexes kahh an dieser Stelle

night

vorgenommen.werden:.und MuB daher einem. noCh zu-beantragenden Forschungtvorhaben vorbe-halten bleiben.

Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau e. V. Duisburg

Bericht: 919

5. Zusammenfassung

Der voriiegende BeriCht.enthalt die Ergebnis.se von MOdeIlver-suchen. zur Ermittlung der Nachstromverteilung an eineth und einem 4-Schratben-iSChubboot- Im einzelen werden -die. mittels Zylinderttaurbhren aufgemessenen NachStromfelder.sowie die

f)rt-lichen horizOntalen Stromungsvektoren vot der Propellerebene je-.

Wei18

mit

dem Schubboot im Verband mit 6 Leichtern soWohl ohne

als aubh beiarbeitenden Propellerft wiedergegeben.

bie Nachstromverteilung bei Nicht-Vorhandensein der Propeller

ist vergleichbar mit der des 2-Schrauben-Schubbobts in [1].

Der sich an der ebenen Bodengillung des jeweiligen Sehubboots ausbildende.Reibungsnachstrom beeinfluBt im wesentlichen den

Verlauf der Isotadhen. Die VerbandSformation Selbst hat lcauM

Einen EinfluB.auf den nominellen Nachstrom Seine Veranderung durch die arbeitenden. Propeller ist in beiden vorliegenden

Fal-.

len,j0 nach AnZahl und AnOrdftUng der Propeller, unterSthiedlich

-aber inSgesatt gOBer

als

dies beim.2-S-Sbhubboot'der Fall ist. Die Ergebnisse zeigen, daB die arbeitenden.Propellet:Uberden

J.Jmfang annahernd gleichmaBig ansaugen. Sie bestatigen, daB die

verbesserten:Arbeitsbedingungen fur

die

Propeller VOr alleM 'durch'entsprechende,Tunnelformgebung zu erreichen.sind. Eine

verhaltnismUBig geringe wechselseitige Beelnflussung bei neben-einanderliegenden Propellern, besonders im 4-S7Schubboot, 1st

dennOch zu erketinen. Zugleich leistet der mittlere bzw. der

innete Propeller eine groBere Beschleunigungsarbeit, wodurch die effektive Anstromgeschwindigkeit gemaB Schubidentitat hier

hohere. Werte liefert. Eine mit Hilfe der Strahlzusatzgeschwindig-keit vorgenotmene Ermittlung der VergleiChbaren effektiveft Werte

aus aufgemessenen Nachstromfeldern bei arbeitenden Propellern

- bestatigt dieses Ergebnis.

-15-Versuchsanstalt f

r Binnenschiffbau e: V. DuisbUrg

Bericht: 919

AnschlieBend enthalt der Bericht noch die ErgebniSse der Vergleichsmessungen zur ErMittlung der GeSchwindigkeitsver-teilung unMittelbar vor der DUsen-Eintrittsoffnung _bei

ar-beitenden. Propellern

in

eingebauten Dgsen..

DUISBURG, den 26.6.1979 Lu/Vo FACHBEREICH II Angew. Forschung Der Bearbeiter: (Dipl..-Ing. G. Luthre) Fachbereichsleiterl. Versuchsansta1t. für Binnenscniffbau e. V. .,ForSchungsinstitut fgr FlachWasserhydrodynam (Dipl.=Ing. G. Luthra)

Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau e.V. Duisburg

6. Literaturverzeichnis

Luthra, G. _ Untersuchung der Nachstromverteilung eines

im Verband schiebenden Schubboots in

Ponton-fo rm

Hansa, Nr. 18/1974

Schmidt-Stiebitz, H. Untersuchung der Geschwindigkeitsverteilung

Luthra, G. im Propellerbereich an einem mittels

Ruder-propeller angetriebenen und gesteuerten

Flachwasserschiff

Schiffstechnik, Bd. 18/1971, Heft 91

Schmidt-Stiebitz, H. Beeinflussung des Nachstromfeldes durch

den Propeller

Schiff und Hafen 1966 S.595 und 1967 S.175 Graff, W. Luthra, G. Heuser, H. Muller, E. Binek, H. Milner, E. Luthtai Pohl, K.H. Brehme, puthra, G. Gttsche, Bericht: 919

Untersuchung Uber AnderUng von Sog und Nachstrom auf beschrankter Wassertiefe in

stehendeM und sttomendem Wasser Schiffstechnik, Bd.. 8/1961, Heft 44

Untersuchung der Nachstromverteilung an

einem 2-S-BinnengUtermotorschiff

Zeitschrift fur Binnenschiffahrt Und Wasser-straBen, Heft 11/1976

'VorzUge des MehrSchraubenantriebs fUr

lei-stungsstrke Binnensthiffe

Zeitschrift fUr Binnenschiffahrt und Wasser-straBen, Heft 5/1977

PropulsionsVersuche mit Schubverbanden auf begrenZter Wassertiefe

Schiff und Hafen, Heft 1/1978

Einwirkung der Ruderprofildicke und des An-stellwinkels in Votausfahrt der an

Sthub,-booten anzubringenden Flankenruder

auf'Sog-ziffer und AntriebsleistUngsbedatf VBD-Berichte 884.und 911

Untersuchung aber nominellen und effektiven

Nachstrom in der Propellerebene _von Ein-schraubenschiffen

Schiffstechnik, Bd. 10/1963i Heft 50

Die vom Propeller im Nachstromfeld eines Ein-schraubenschiffes verursachten Giermomente Schiff und Hafen, Heft 11/1977

ModellmaBige Untersuchung der Drehzahlabnahme eines Schiffspropellers im Laufe der

Betriebs-zeit bei konstant gehaltener Antriebsleistung Schiff und Hafen, Heft 9/1975

Die Induktion der axialen

Strahlzusatzge-schwindigkeit in der Umgebung der Schrauben-ebene

Vor- und Hinterschiffsform 3

S-Streckenschubboot M838

Hauptdaten ... Tunnelscheitel \

I.-nen _ _

--

i ifiu Totholz Basis__

iji

. -_

L A

= 35,00 m Bo.spe. = 14,95 m 1,70m =

553,5 m'

4 5 6 7 8 9 14 15 . 16 17 18 19 20 .11111.1111

Schurze ounen

0

Vor-und Hinterschiffsform 4 S-Stret*enschubboot M843

3370

Tunnelscheilel 6 Hauptdaten Lu.A 3Z00 m Bo. SO. = 15,00m 1,65m =608,1 m3 MS 5 ₁₆ 6 ₁₇ 7 ₁₈ 8 19 CWL 20 0

I.

2 3 4 5 3 2 1 0 20 19 18

PO; PE

(PSI

5000 4000 3000 2000 1000

0,

ns WPM] - 3000 -

300

2500 2000 -ioo 1000

-

0 500 IM 838

0 IM

Mittel -Propeller St B -Propeller

Pc, und Ils mit eingebau ten Dusen und Rudern1

aus (7)

150

-450

-Abb.:3

Leistungsmessungen

3-Schrauben-Schubboot ohne Deisen

Wasserfiefe h = 5,0m Leichtertiefgang 7 3,0.m 10 20 30 40 Schub T. iMp:1

PO,

(Psi

5000 [kW] 3500 ns WPM] 3000 4000 300 2500 2000 1000 500 200 5,0 5,0

Leistun95messungon

4 Schrouben.-Schubboot ohne Dijsen

Wc;ssertiefe h 5,6 m Leichtertiefgahg z = 3,0 m CD1M843

C)

I M843 10,0 TStB- Innenpro/i. TStB-Aunenprop.

/

/

/ //

/

z-

v

(Gilt nur fur 3-5-Schub.bool)

PD mit DUsen-u,Ruderanlage aus 7I 10.0 Teesamt Vs (km/h1 k N1 Abb.:4 15,0 0 250, 350 -10 15,0 30 3900 2000 1000 0

Geschwindigkeitsverteitung, bezogen auf Verbandsgeschwindigkeit

VA /V

3-Schrouben-Schubboot ohne Propeller

1441sserhohe h =5.0m Leichtertiefg2ng 1 3,0 m Geschwindigkeit V =12,57 km/h MIS ..iallliW. .a:1111.13t2a-.diaLik0t.. -IIIMIP 'Wein 1114

.

. Mefileld Schubver band

M838

Geschwindigkeitsvertedung, bezogen auf Verbandsgeschwindigkeit VA / V

3-Schrouben-Schubboot mit orbeitendem Propeller

Schubverband Wasserhohe " h =5,0m Leichtertiefgang TL =3,0 in Geschwindigkeit V =12,57km/h Propellerdrehzahl np =228 min.-1

Geschwindigke.'tsanderung durch den crbeitenden Propeller

Schubverband

3-Schrouben-Schubboot mit arbeitendem Propeller

I-MeOebene Wasserhohe h = 5, Om Leichtertiefgang TL =3,0 m Geschwindigkeit V =12,57 kmih Propellerdrehzahl np Amila. M-15 AralliVa. ,oliiitee.. 'Moir 'Islarsa"--V .. . II _ Men felt' ,Vrn

vVerband.

+411W

Mea

Geschwindigkeitsverteilung, bezogen auf Verbandsgeschwindigkeit 144/V

4-Schrouben-Schubboot ohne Propeller

Schubverband

EltI

--uglIIIIIIIM

rniumi

WI

0 6

lip

Med.

.

Fly/

r,

14

-EWA

-KOWA

Wasserhohe h = 5.0 m Leichtertiefgang

ij

:: 3,0 m Geschwindigkeit V =13,25 km/h

Geschwindigkeitsverteilung, bezogen auf

Verbandsgeschwindigkeit VA / V

4 -Schrouben-Schubboot mit arbeitendem Propeller

Schubverband Yg_09 0,9 v '

,411=11

Arimaisnro,,

,Ad

0,9 0,75

\

Q8 Yti=085 v ' Basis 12_4 =0,8 V 0,85 0,85 \ 0,8

Wasserhi:ihe Leichtertiefgang Geschwindigkeit

V Propellerdrehzahl rip .4/ 0,75 Qg 5 0,8 = 5,0 m

=3,0

m = 13,25 km/h =285 min.7! -. 0

PP

-ii.. ...

...

va4eIIIII

r I

\----

I

00

41 --I _I 1 I ' I ' 1

\

'1 % ' . .9 I

S

m

-Geschwindigkeitsanderung durch den arbeitenden Propeller

VP VoP

V Verband

Basis MS MeBleld Wasserhohe h = 5,0 m Leichtertiefgang TL. = 3,0 m 'Geschwindigkeit V =13,25 km/h Propellerdrehzahl np = 285 min.-1 0.2 0,2

IN

111144111

1

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035 1% ..0.z 55

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0,3

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LI I

/ 0,4 0,25

0.r

_,

Schubverband IM843

die Zeichenebene ,umgeklappt

3-Schrouben-Schubboot ohne Propeller

Schubverband Wass erhohe h = 5,0 m Leichtertiefgang T =3.0 m Geschwindigkeit V =1257 km /h

Horizontale-AnstrOmgeschwindigkeits-Komponenten in 'die Zeichenebene umgeklappt

3-Schrauben-Schubboot mit arbeitendem Propeller

-Wasserhohe h. = 5,0 m Leichtertiefgang TL = 3,0 m Geschwindigkeit V =12,57km /h Prbpeller ehzahl np = 228 min-7 MIS ---- .

1---

J . ..1 .

J

'i

:I.

Men feld Schubverband M83

Zeichenebene umgeklappt

-4-Schrouben-Schubboot ohne Propeller

Schubverband Wasserhohe h = 5,0 m Leichtertiefgang TL = 3,0 m Geschwindigkeit V = 285 km/h

Horizontale-Anstromgeschwindigkeits-Komponenten in die Zeichenebene un-geklappt

-Schrauben-Schubboot mit arbeitendem Propeller

S Mellebene Schubverband Wasserhohe h = 5,0 Leichtertiefgang

TL=3,0

m Geschwindigkeit V =13,25 km/h . kmth Mefileld rehzahl np =285 min -1 Propeller

Geschwindigkeitsverteilung, bezogen

auf Verbandsgeschwindigkeit VA/

V

3-Schrauben-Schubboot mit arbeitendem Propeller in der

Douse Mellebene Schubverb and

102FATATMMITAIM

B1111111111111EM

Ifiriramiray

1111/41111=111=1,11111111

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0,9 1. .2 1,0 percic

Wasserhohe Lekhtertiefgang Geschwindigkeit Propellerdrehzahl

= 5,0 m .3,0 m V =12,57 km/h np = 228 min.-1 0,8 1,0

Horizontale-Anstromgeschwindigkeits-Komponenten in die Zeichenebene umgekloppt

3-Schrauben-Schubboot mit arbeitendem Propeller in der Dase

M838 I

111

giA4

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11,111.111.1

MFMEAM

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I

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\ Menebene ,F-4 20 km/h Eintriltstillnung Diise Basis

Wasserhohe Leichtertiefgang. Geschwindigkeit Propellerclrehzahl

h

-50m

Ti =3,0 m V =12,57 kmlh np =228 min:'

Geschwindigkeitsverteilung, bezogen

auf Verbandsgeschwindigkeit

Via/V

4-Schrouben-Schubboot mit arbeitendem Propeller in

der ()use

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,"airat. MS Menfeld Eintrittsoffnung Duse Oasis Schubverband Wasserhohe Leichtertiefgang h

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TL=3.0

m wGeschwindigkeit V .= 13,25. km/h Propellerdrehzahl np = 285 min -I

Horizontale-AnstrOmgeschwindigkeits-Komponenten in die Zeichenebene umgeklappt

h-Schrauben-Schubboot mit arbeitendem Propeller in der Duse

S ilv181,3 Schubverband L= 20 km/h Mellfeld Leichtertiefgang TL = 3,0 Geschwindigkeit V = 13,25 km/h Propellerdrehzahl np = 285 min.' Wasserhohe = 5,0 177