Untersuchung der manövriereigenschaften von gelenkschiffen in flachem wasser

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Technische Hogeschool

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Untersuchung der Manövriereigenschaften

von

Gelenkschiffen ¡n flachem Wasser

von H. Schmidt-Stiebitz, G. Luthra

104. gekürzte Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e. V., Duisburg Institut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen

¡i

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I-Sonderdruck aus der Fachzeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen

Heft 6 - Juni 1970 - Seite 208 bis 216

H. Schmidt-Stiebitz, G. Luthra

2.2 Drehkreise

Nur das hintere Gelenk geknickt

Untersuchung der Manövriereigenschaften von

Gelenkschiffen in flachem Wasser

Während bei der Fahrt auf breiten Flüssen mit mehrzeiligen Schubverbänden eine Gelenkigkeit an den Leichterstößen

bisher weder geplant noch verwirklicht worden ist, liegen

für die Kanalfahrt mit seitlichen Fahrwasserbeschränkungen mit einzeiligen Schubverbänden bereits einige wenige Ver-suchsergebnisse vor, die eine erhebliche Verbesserung der

Manövrierfähigkeit erkennen lassen und anhand deren es

möglich erscheint, die noch bestehenden

Verkehrseinschrän-kungen für einzeilige Schubverbände auf ein Minimum

herabzusetzen. Die Verbesserung muI3 zwar mit erhöhtem konstruktiven Aufwand für die Gelenke erkauft werden. Die vorliegende Untersuchung soll neben der eingehenden Be-stimmung der bei verschiedenen Wasserhöhenverhältnissen

zu erwartenden Manövriereigenschaften auch einen Weg zeigen, wie mit minimalem Aufwand eine genügende

Ver-besserung zu erzielen ist.

Die Versuche wurden mit einer zum Hauptspant des

Ver-bandes symmetrischen Krümmung der Längsschiffsrnittel-linie begonnen, wobei die Anzahl der Gelenke gleich der um eins verminderten Anzahl der Verbandsglieder ist, und mit nur einem Gelenk am hinteren, die Hauptmaschinenanlage tragenden Teilschiff fortgesetzt.

Die VBD dankt für die vom Landesamt für Forschung des

Landes Nordrhein-Westfalen, Staatssekretär Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt, bereitgestellten Mittel.

* _{Pfeilrichtung gibt Propellerschubrichtung an.}

* Der ausfQhrliche Bericht kann zum Selbstkostenpreis von der VBD (Postfach

Duisburg 582) bezogen werden.

104. gekürzte Mitteilung der

Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e. V., Duisburg Institut an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule

Aache n *

1.0 Einführung 2.0 (Jbersicht über die Versuche

I

h Knick- T

schema

h

h T

n [min ] Knick- Steuerpropeller-o SteuerpropellerAnzahl

Bug Heck 200 160 100 125 100 2,0 266 2,66 1000 1000 1000 1300 1300 1300 1500 1500 1500 8° 8° 8° 10° 10° 10° 12 12° 12° 50° 50° 50° 60° 60° 60° 70: 70 70° 1 1 1 2 2 2

Tank 1. Flachwassertank der VBD

ruhendes Wasser ohne schwimmenden Strand L = 140 bzw. 190 m, B = 9,8 m

2. Manövrierbecken der VBD 25 x 25 m

Modell 1:20 Gliederschiff M 506/505/507

Modeildaten siehe 2.3

Ubersetzung von Gelenk- und Steuerpropeller-winkel wie 2:3.

Propeller 2 Steuerpropeller 107 r I Heck siehe 2.3

1 Steuerpropeller 106 r Bug

Düsen Nr. 27 siehe 2.3

Anhänge keine

Turbulenzerzeuger Sandrauhstreifen an M 506 (vordcres Schiff)

Versuche Tank i

Geradeausfahrten zur Leistungs-Drehzahlermitt-lung. Standardschlüngelfahrten. Modell mit ein-gebautem Kurskreisel, siehe 2.1. Stromzufüh-rung über von Hand gehaltene Angel. Manuelle

Schwerpunktspeilung übertragen durch

Dreh-potantiometer auf Visicorderschrieb. Tank 2

Drehkreisversuche, siehe 2.2 4-Mann-Peilung von Tankwand aus.

* Pfeilriclrturrg gibt Propellerschubrichtung arr.

2.3 Schiffs- und Modelidaten siehe nächste Seite

3.0 Versuchsdurchführung

Der Formauswahl für das vordere und hintere Schiff des

dreiteiligen Verbandes (Abb. 1 und 3) lagen Ergebnisse früherer Untersuchungen an einem zweiteiligen Verband

[1, 2] zugrunde. Das mittlere SchiFf (Abb. 2) ist vollkommen symmetrisch gestaltet und weist an den

Begrenzungsschot-ten wie die anschliel3enden Enden des vorderen und hinteren

Schiffes einen leicht hochgezogenen Boden auf, um bessere Strömungsübergänge bei unterschiedlichen Werten von

Ab-ladung, Absenkung und Trimm zu schaffen. Für weitere

Kostenersparnis in der Herstellung der Einheiten kann die runde Kimm durch eine kantige Abphasung ersetzt werden.

Die maximale Verdrängung bei 2,5 m Tiefgang betragt 3140 m3 und bei 2,0 m Tielgang noch 2447 m3.

2.1 Schlängeln Nur das hintere Gelenk geknickt

Beide Gelenke geknickt Fnh

Leistungsmessungen in der Geradeausfahrt gingen voraus, um Daten mit und ohne arbeitenden Bugsteuerpropeller zu

erhalten und eine Zuordnung von Propellerdrehzahl und Fahrgeschwindigkeit für die beabsichtigten

Standard-Schlän-gelfahrten zu finden. Die Absenkung wurde von den drei Einzelschiffen und der Trimm zwecks Beschränkung des Mel3aufwandes nur am vorderen und hinteren Schiff

ge-messen.

Die Gelenke liel3en auch bei den Schlängelfahrten Freiheits-grade für unterschiedliche Werte von Trimm und Absenkung der sich berührenden Teilschiffe zu, Die beidseitigen Zapfen des einen Teilschiffes griffen in offene Gabeln des anderen Teilschiffes ein, während ein gewichtsbelasteter, zwischen

beiden gespannter Faden auf Mitte Schiff die

Verhands-koppelung aufrechterhielt. Rudermaschinen im vorderen und

h Knick-sch ema T h y (m/s) F nh Knick-.' Steuerprop.-b c d Stütz--Anzahl Steuerprop. Bug Heck Knick-< loo Steuerpr.-4 150 Anzahl Steuerprop. nur Heck h-T 065 083 0,92 0" 8 10 12 200 loo 2,0 0,465 0,593 0,656 15 12 15 18 100 1 2 2 0,6 0,75 0,82 0° 8 10 12 125 2,66 _{0,428 0,536 0,586 15 12 15 18} 10° 1 2 2 0,6 0,75 0,82 0° 8 10 12 100 2,66 10° 8° 1 2 2 160 0,48 0,6 0,655 15 12 15 18 _{bei b} 0,6 0,75 0,82 0 _{8 10 12} 125 °°,56 10° i 2 2 0,48 0,6 0,655 15 12 15 18 200 160 100 125 125 2,0 2,66 4,56 0,465 0,428 0,48 0,593 0,536 0,6 0,656 0,586 0,655 10 15 10 15 100 100 10° 1 1 1 2 2 2

2,3 Schiffs- und Modeildaten

hinteren Schiff sorgten für das Einknicken an den Gelenken

und für die gleichzeitige Verdrehung der Steuerpropeller. Es war eine Ubersetzung von Gelenkknick- zu

Steuerpro-pellerausschlagwinkel von 2 : 3 für alle Schlängelversuche eingehalten worden. Beim Wechsel der Varianten wurde der

Knickwinkel jeweils mit Winkelschablone neu justiert. Ein

in der VBD konstruierter Kurskreisel löste beim Erreichen

der jeweils eingestellten Kursabweichung * Steuerimpulse

auf die Rudermaschinen aus, so daß in jeder Grenzlage

automatisch Gegenkurs gesteuert wurde. Die Einstellung der vorzugebenden Kursabweichung (Stützwinkel) war mit einer Stufung von 2 C möglich. Der Kontakt für die erste

Steuer-bewegung wurde nach Erreichen der beabsichtigten

kon-stanten Geradeausgeschwindigkeit elektrisch über die Angel-schnur von Hand ausgelöst. Der Schwerpunktsweg des Ver-bandes (Mitte mittleres Schiff) wurde vom Meí3wagen aus mit einer handgeführten Peilvorrichtung verfolgt und deren

Wege über Drehpotentiometer mittels Visicorder

zeitab-hängig aufgezeichnet. Ebenfalls übertragen wurden die

Anderungen der Steuerpropeller- und der Kurskreiselwinkel zur Modellachse. Mit Hilfe der automatisch mitgezeichneten

Zeitmarken des Versuchsdiagramms und der bekannten

Mel3wagengeschwindigkeit läßt sich das Wegdiagramm

er-mitteln.

Dieser Winkel, bei dem der Stützvorgang beginnt, wird mit StQtzwinkel

be-zeichnet.

Bei den Drehkreisversuchen konnte wegen der Gröl3enver-hältnisse des Modells zu den Tankabmessungen nicht die 3 : 2 - Steuerpropeller - Knickwinkelübersetzung eingehalten

werden. Es wurden Steuerwinkel von 500, 600 und 70°

untersucht. Die gewünschten Drehzahlen der Bug- und

Heck-steuerpropeller ließen sich von dem über dem Modell unab-hängig von ihm kreisenden Rundlaufarm aus nachregeln.

Abb. i

SprO, C ,/ d.nn d, rnitr(.n Sd,,ff,.s Sd,Ott.1wopu, 93/ M 506 Vorderes Schilf Maßstab 1:20 vorderes Schiff M 506 mittleres Schiff M 508 hinteres Schiff M 507 gesamter Gelenkverband M 506/508/507 S m 50 50 50 150 Lange M mm 2500 2500 2500 7500 Breite S m 9,5 9,5 9,5 9,5 M mm 475 475 475 475 Tiefgang 5 m 2,0 2,5 2,0 2,5 2,0 2,5 2,0 2,5 M mm 100 125 100 125 100 125 100 125 Verdrangung S_{M dm3}m3 774,3 993,1 921,3 1161,2 751,7 986,1 2447,3 3140,4 96,8 124,1 115,17 145,15 94,0 123,26 305,97 392,51 benetzte S m2 568,6 614,5 642,3 692,3 622,3 672,3 1833,2 1979,1 Oberfläche M m2 1,42 1,53 1,602 1,73 1,55 168 4,57 4,94 Schwerpunkt 7,41 h 6,7 h o 0 8,58v 6,81v 0,19 h 0,19 h Volligkeits-grad

-

0,882 0,885 0,969 0,978 0,79 0,83 0,8.58 0,882 Steuerpropeller 106 r 107 rI Düse 27 Durchmesser D mm84,4 Di mm 85,6 Steigung PD 0,82 Da mm 106.8 Flächenverhältn is .AE/AQ 0,7 L0 mm 50,6

F!ü ge I;! ah z 4 Hinterk. außen 13,1°

Typ 3 4,70 Wageningen Typ Nr. 20 Wageningen

s

H O & IO s Abb. 2 tA u 934 I_Q '/2(L9i 4.0 Ergebnisse 4.1 Geradeausfahrten

Die Propellerfreifahrt-Charakteristik findet sich im ausführ-lichen Berïcht. Bei den Geradeausíahrten wurde der Einfluß des Bugsteuerpropellers auf die Antriebsleistung ebenfalls Abb. 4

M 508

Mittleres Schiff

Sb

Erforderliche Mehrleistung bei Fahrt mit zwei

Hecksteuerprop&lern und einem Augsteuerpropeller gegenuber Fahrt mit nur zwei Hecksteuerprope/Iern

as F,1

ll,t

Abb. 3

Spt. 5,93/e u. 70 entsprechen

denen des mittleren Schiffes

M 507 Hinteres Schiff

dort untersucht. In Abb. 4 ist der Mehrbedarf an

Antriebs-leistung bei Vorhandensein eines Bugsteuerpropellers in

Hundertteilen der Leistung für nur Heckantrieb über der

Fahrgeschwindigkeit aufgetragen worden. Die Werte

schwan-ken je nach Wasserhöhenverhältnis und Geschwindigkeit zwischen 10% und 40%. Bei etwa 13 bis 13,5 km/h ist für

alle untersuchten Wasserhöhenverhältnisse der Mehrbedarf

etwa ein Viertel der Antriebsielstung des

Zweischrauben-Heckantriebs. Der zusätzliche Bugantrieb

ist also für die

Geradeausfahrt wenig wirtschaftlich. Da er zur

Verbesse-rung der Steuerwirkung angebracht wird, wäre zu empfehlen, ihn in der Geradeausfahrt nur soviel drehen zu lassen, daß er einen schwachen Vortrieb oder zumindest keinen

zusätz-l;chen Widerstand liefert, und nur bei Steuerausschlägen seine volle Leistungsreserve in Anspruch zu nehmen. In der Geradeausfahrt bringt der Einsatz der am Bug

instal-lierten 50-prozentigen Leistungsreserve Geschwindigkeits-gewinne von 3,7 bis 5,9%.

Absenkung und Trimm der Teilschiffe sind dem Bericht bei-gefügt. Die Absenkung des vorderen Schiffes liegt zwischen

den Werten von mittlerem und hinterem Schiff. Zeichnet

man unter Mitberücksichtigung des Trimms die Bodenlinie

beï Fahrt (Abb. 5), so kann man eine ausglechende

straakende Linie durchziehen, die bei etwa 0,42 L ihre größte Wölbungshöhe aufweist und deren Endpunkt unterhalb deä Anfangspunktes liegt. Die daraus ableitbare Druckvertei-lung unterscheidet sich von der eines starren, nicht unter-teilten Schiffes. Anstelle der bekannten lüberdruckgebiete an Bug und Heck ist am Gliederschiff Unterdruck zu

ver-zeichnen. Dabei liegen die Verdrängungsschwerpunkte der äußeren Teilschiffe formbedingt vom jeweiligen Hauptspant zum mittleren Schiff hin um etwa 6,5 bis 8,5 % L verschoben.

Dei- zusätzlich arbeitende Bugpropeller verstärkt die Wöl-bungstendenz der Bodenlinie und läßt das vordere Schiff kopflastiger und das hintere Schiff steuerlastiger werden. Daraus läßt sich ableiten, daß der unter Kiel verlaufende

Schraubenstrahl des Bugpropellers zu größeren Geschwin-digkeitserhöhungen an Ein- und Austritt der unter Kiel

ver-laufenden Strömung führt. Das vordere Schiff stellt sich etwa wie ein quergeschleppter Ponton in die Strömung, d. h., die Vorderkante neigt sich in die Bugwelle hinein.

/

//

\\

Ji

L1 a' T 0,6 0,7 F Q55 h=3,2Orr, L_11. i 0.3 0,4 0.5 0.6 0,7 0.56

-- (h/T4,00/2,00 m,t 1500 PS be,2lck. jod einem

Bugsleue'-propeller gegenuber 7200 PS be, 2 HecksteuerBugsleue'-propellern,

v0.57km/h53,7%.

h/T-'4,00/2,S0, m,t IBOOPS be, 2Heckund einem Sugoteuer propeller geçeniiber 1200 P5 bei 2 Hecksteuerpropellern,

v= 0,S2km/h-5,85

rh/r=3,20/2.50, mit 1500P5 bei 2 Heck und e,nem 8ugsteuer propeller gegenuber 1000 PS be' 2 Hecksteuerpropetlern,

20,58km/ho5,5%

O 6 8 70 72 74 18

v[krn/iJ--30

20

hinten Absenkung {m] l 0,3 -

-hinten Absenkung EmJ qi-T=2,5m =2,66 q3 4 hinten Absenkung [ml 0,3-o Absenkung ["1 ° 0,2 0,3 0,4 Absenkung u. Trimm

gemessen von UKK bei V= O

0,56 ohne Bugsteuerpropeller hur4Orn T=2,Om 0,2 -0,3-_-- h=32m T=2,Om 04

-

h=3,2m T=2,5m r2Q

h'266

vorne inten vorne Abb. 5

Wieweit ein Ausgleich von Absenkung und Trimm der ein-zelnen Verbandsglieder durch vorherige Abladungsvorgaben

möglich und wünschenswert [8] ist, wurde noch nicht unter-sucht. Da sich bei einer anderen Versuchsserie [6] Modelle mit nach unten durchgewölbtem Boden als kursunstetig er-wiesen haben, ist zu vermuten, daß die hier sich selbst

ein-stellende entgegengewölbte Bodenlinie die Kursstetigkeit

des Verbandes erhöht. Die Absenkung, ausgedrückt in Pro-zent des Wasserhöhenverhältnisses, steigt am Bug und an den beiden Trennstellen der Teilschiffe linear mit zunehmen-dem Wasserhöhenverhältnis (d. h. mit flacher werdenzunehmen-dem Wasser) an. Dagegen ist am Heck ein über das lineare Maß hinausgehender parabolischer Anstieg zu verzeichnen. 4.2 Standardschlängelfahrten

Die Versuche wurden mit dem symmetrisch zum Verbands-hauptspant geknickten Gelenkverband begonnen. Es ist so-gar versehentich eine Versuchsreihe mit entgegen zur Knick-richtung ausschlagenden Steuerpropellern gefahren worden. Hierbei folgte der Verband der Richtungsänderung der Ver-bandsgelenke und nicht der Ausschlagrichtung der

Steuer-propeller. Diese Vorversuche waren auch wertvoll, da sie

die Aufmerksamkeit auf mögliche Vereinfachungen des Ein-knickvorganges gelenkt haben.

Mit größerer Wölbung des Gelenkverbandes erreicht man ähnlich wie mit größerem Ruderausschlag kleinere

Dreh-kreisradien. In der Profilsystematik spielt aber die auf die

Profillänge bezogene Lage der größten Wölbungshöhe eine Rolle. Die Verlagerung des Wölbungspfeils von Mitte zu den Profilenden hin bewirkt einen steil ansteigenden Querkraft-beiwert [3]. Es müßte also aus diesem Vergle:ch eine bes-sere Manövrierfähigkeit des Gelenkverbandes ableitbar sein, wenn das Einknicken nicht symmetrisch, sondern asymme-trisch zum Verbandshauptspant vorgenommen wird.

Den Uberlegungen ging eine geometrische Klärung der

Fahr-bahnbreite des Verbandes [7] bei verschiedenen Knick-methoden für die interessierenden Knick- und Driftwinkel

bei Drehkreisradien A/L = 1, 2 und unendlich voraus (Abb. 6).

In der Gegenüberstellung der Fahrbahnbreiten schneidet der

nur hinten geknickte Verband bei den praktisch

vorkom-menden Driftwinkeln von 2 bis 4 ° besser ab. Lediglich bei

einem Knickwinkel von nur 8 ° und einem Drehradius von

R/L i decken sich die Fahrbahnbreiten des doppelt und

des nur hinten geknickten Verbandes. Als am ungünstigsten

erweist sich der nur vorn geknickte Verband, während der starre Verband zu einer mittleren Fahrbahnbreite mit

An-lehnung an den nur vorn geknickten Verband tendiert. Ein

ausreichendes Entscheidungskriterium können zusätzlich

erst die sich in der Schlängelfahrt einstellenden und

ge-messenen Driftwinkel liefern. Ohne den Ergebnissen

vorzu-Abb. 6 5

U

2 4 3 2 4 3 2 O

utu1I&([I.c.1,t'tlJlIut& rut)! vutittur

ogemessene Driftwinkel

-___

t

.--

-s

R/L =2

--

-.

__ Knickwnke1=12° Ç

--4 .-.--.

--

-

ií1-A,'i= 2

"°

Knickwirkel= 100

f

.

i

Knickwinkel=8° .

,,-

,..-R/L=2 -.'....-

---.-..-Driftw,okel [IC0] 2 4 & 10 ¡2 14 vorne vorne

greifen, kann bei gleichbleibender Fahrbahnbreite dem

ein-fach (nur hinten) geknickten Verband allein schon wegen des geringeren technischen Aufwandes gegenüber dem

zweifach geknickten der Vorzug gegeben werden.

Es werden im folgenden zunächst Teilergebnisse behandelt.

Wegen kleiner am Modell und an den Anlagen kaum

ver-meidbarer Unsymmetrien war die Wiederholung von MeS-fahrten einer Variante sowohl mit anfänglichem Backbord-wie auch mit Steuerbord-Ausschlag notwendig, um zwischen den unterschiedlichen Mel3ergebnissen mitteln zu können.

Ein Einfluß des Propellerdrehsinus auf die Ergebnisse

konnte nicht festgestellt werden. Die Heckpropeller schlugen

innen aufwärts, und der Bugprope{ler lief rechts herum.

Die bereits erwähnte Lose in den Gelenken ist zwar zum freien Spiel von Absenkung und Trimm der Teilschiffe

er-forderlich, aber auch Ursache für streuende Meßergebnisse. Um möglichst weitgehend Zufallsergebnisse auszuschalten, mußte jede Fahrt außer der 3-fachen Fahrtwiederholung mit

mehrfachen Schlängelbewegungen über die ganze

Tank-länge ausgeführt werden. Um aus dem Verlauf des

Schwer-punktweges den Bahnwinkel und dann aus der Differenz

zum Kurswinkel den Driftwinkel bestimmen zu können,

muß-ten die zeitabhängigen Versuchsdiagramme mit Hilfe der

Meßwagengeschwindigkeit in wegabhängige, d. h. maßstäb-liche Darstellungen des Bewegungsablaufs (Abb. 7) umge-wandelt werden.

Standardschlängelversuche beinhalten sehr viele charakte-ristische Größen. Hier werden zum Vergleich der Varianten nur einige wenige herausgegriffen.

An erster Stelle steht der oben schon erörterte Driftwinkel ß,

der im Zusammenhang mit der Knickstellenzahl die Fahr-bahnbreite beeinflußt. Weiterhin sind der auf die Schiffs-länge bezogene Querversatz Q/L und das Verhältnis von

Ausweichstrecke zu Querversatz A/Q zum Vergleich heran-gezogen worden. Der Geschwindigkeitsabfall beim

Schlän-geln gegenüber der Geradeausfahrt vu/v ist ebenso eine

für den Schiffsbetrieb wichtige Größe. In Anlehnung an die

Auswertung von Drehkreisen wurden die Einzelbögen der

Schlängelfahrt in erster Näherung als Teilstücke eines

Krei-Abb. 7

ses (Abb. 7) angesehen und die dazugehörigen fiktiven

mittleren Radien R/L berechnet, die im entsprechenden Ver-hältnis zu den echten Drehkreisradien mit größeren Steuer-propellerwinkeln stehen.

Das Knicken bzw. Ausschlagen sowohl des Gelenkes als auch des Steuerpropellers führt, wie aus dem Beispiel der

eingetragenen Anströmrichtungen des Steuerpropellers (Abb. 7) hervorgeht, zu verhältnismäßig kleinen

Schräg-anströmungswinkeln von 2,5 und damit zu nur unwesent-lichen Leistungsverminderungen durch Schräganströmung. Da der maximale Ausschlagwinkel des Bugsteuerpropellers zur Bugeinheit aus Einfachheitsgründen nach dem

Ausschal-ten des vorderen (d. h. 00) in der gleichen Größe wie der

Fortsetzung s. Seite 214

Legende zu cien Diagrammen und DarsteÍlungen über die Ergebnisse der Schlängelfahrten

T Tiefgang des Schiffes in m.

g Driftwinkel, gemessen am Hauptspant des Verbandes

zwìschen der Mittschiffsebene des mittleren Teilschiffes und der örtlichen Tangente an den Schwerpunktsweg.

Q/L auf die Verbandslänge bezogener Quersatz.

A/Q Verhältnis von Ausweichstrecke zu Querversatz.

Vm/V mittlere Geschwindigkeit beim Schlängeln, gemessen

in Richtung der Längsachse des Tanks, bezogen auf die Geradeaus-Anfahrgeschwindigkeit.

R/L angenäherter Drehkreisradius, ermittelt aus den

Schlängelbogenstücken, bezogen auf die Verbands-länge (s. Abb. 7).

x/L auf die Verbandslänge bezogene Lage des taktischen

Drehpunktes hinter dem vorderen Lot. R Ruderlagenwinkel

h Wasserhöhe des Fahrwassers in m.

h Wasserhöhenverhältnis: Wasserhöhe des Fahrwassers

h-T zu Wasserhöhe unter Kiel.

Fnh

ugh

V

geschwindigkeit (in kmh) für die Froudeschen Tiefen-Froudesche Tiefenzahl, mal3stabsunabhängige Kennzahl

der Fahrgeschwindigkeit. Eine Skala der

Absolut-zahlen der beiden im Versuch gewählten Wasserhöhen (h = 3,2 und 4 m) findet sich in Abb. 4.

10 ¡

::

o 40 0 Standard 2Heck=und Anschwenken 8ahn-- Schlange/versuch tSugsteuerpropeiler Verband v=l2 km/h, =70,8 km/h nach a.B.:/cnick-<10

(get a/ven orn 29,3.87)

h,nten geknickt, prop2 85m,nt St-Prop.-_<=15 R

/

/

R .

.- ,-

'"N

, /

'<('

Steuerprop.-e -_\ -Knìck-4/

_/

_/

/ Bof t-njmO

¡I

/

\

Prope/leronstrôm-< 4

w, -w

.

:1

200 400 500 800 1000 Wegrrn]

Ausschlagwirikel des Heckpropellers zur Heckeinheit

bei-behalten wurde, ist zu vermuten, daß hier durch weitere

Variation eine Verbesserung der Ergebnisse möglich ist. Der im Fall des nur hinten geknickten Verbandes ermittelte

Heck-driftwinkel verhält sich zum Driftwinkel des längeren vor-deren (vorderes und mittleres) Schiffes im Schwerpunkt etwa wie die reziproken Längen der Teilschiffe. Die

Ver-suchsergebnisse der verschiedenen Varianten sind über der Froudeschen Tiefenzahl (s. o.) (Abb. 8) aufgetragen und

daraus ein Querschnitt für die vier eingehaltenen

Wasser-höhenverhältnisse bei Fnh = 056 ausgewählt worden (Abb. 9, 10). Daraus ist für zwei mittlere Wasserhöhenverhältnisse

von 2,3 und 3,5 noch einmal ein Vergleich bei den

3 Knickwinkeln (Abb. 11) gezogen worden. Mit Hilfe dieses Verfahrens sollte der Einfluß irgendwelcher etwa doch noch

vorhandener, schwer zu kontrollierender Streuwerte

weit-gehend verringert und ausgeklammert werden.

Die Variante mit einem Knickwinkel von 100 und einem Steuerpropellerwinkel von 150 erlaubt einen Vergleich mit

dem doppelt geknickten Verband und auch mit dem nur am Heck angetriebenen Verband. Es ist zu bemerken, daß sich

die Ergebnisse des gegensinnig doppelt geknickten Ver-bandes von den übrigen nur wenig unterscheiden.

Dreh-radius, Driftwinkel und Querversatz sind größer als bei Abb. 8

2

to

I

Ergebnisse der Schlange/fahrten bei verschiedenen Geschwindigkeiten

0,56

I Bug=und 2

Hecksteuer-propeller

Verband hinten geknickt,

Knick- 7Q

St.-prop.-1 I5 Stütz- <' 10

einfach geknicktem Verband im Gegensatz zu den Werten

des doppelt gleichsinnig geknickten Verbandes. Der Ge-schwindigkeitsabfall beim Schlängeln ist - gleichgültig, ob gegenseitig oder gleichsinnig geknickt - größer als beim

einfach geknickten Verband. Die Ausweichstrecken sind in

beiden Fällen kleiner. Der Versuch mit gegensinnig bewegten

Steuerpropellern und Gelenken kann dem Nautiker ein Bild von der Vielfalt der erreichbaren Steuereigenschaften des Verbandes geben und ihm das Gefühl der Sicherheit

gegen-über plötzlich eintretenden Komplikationen ergeben. Das Weglassen des Bugsteuerpropellerantriebs (Abb. 9)

er-höht um eine Kleinigkeit den Driftwinkel, den

Querver-satz, den Drehradius und den Geschwindigkeitsabfall.

Es verkleinert die Ausweichstrecke. Mit flacher werdendem Wasser hat die Querversetzung eine eindeutig fallende, die Ausweichstrecke, die mittlere Geschwindigkeit und der Dreh-radìus eine schwach steigende Tendenz. Es ist bei allen

angeführten Werten nicht gleichgültig, ob das

Wasserhöhen-verhältnis durch Anderung der Wasserhöhe oder durch eine solche des Tiefganges erreicht wird, wie es hier das mittlere Verhältnis von

h T= 2,66 zeigt. Gegenüber dem starren

Verband (Abb. 10) sind die Ergebnisse des einfach, nur

hinten geknickten Verbandes hinsichtlich der

Ausweich-strecke und der mittleren Geschwindigkeit nicht sehr unter-schiedlich. Dagegen ist der Driftwinkel des starren Verban-des kleiner und der Querversatz und die Radien größer als

Abb. 9

Frgebnisse der Schldnge/fahrten

9-L ₂

= 2 Heckstecerprop aller I Bogst euerpro pelter

52 Hecksteuei-propeiler und Krnck-< =I0 5t-prop-<=l5 Stolz - ' Q/L

L'

-R/L

-hiT=20m/2,50 h/r=oom/25om-..

hi r4,oQm/2o0m" "hi r=3,2Om/2,00n

05 0,6 0,7 N 0 0,4 0,3 0,2 7 O 0 3 2 h4,0 m h=3,2m3 Wasserliòheneerhältn,s h r h/r=4ßOm/2,00m h/r20n/2,50m -h/T3,2Om/2.0Qmn h/T=400/50ini 0,56 Fob 04 05 0,6 07

beim einfach geknickten Verband. Außer dem Knickwinkel

von 10° sind in gleicher Weise auch ein solcher von 80

und von 12 0 untersucht worden. Um den Einfluß des

Knick-winkels besser erkennen zu können, sind die Ergebnisse bei Wasserhöhenvehältnissen von 2,3 und 3,5 (Abb. 11) über dem Knickwinkel aufgetragen worden. Die ebenfalls

eingetragenen Ergebnisse des starren Verbandes sind

wegen des bei ihm eingehaltenen Steuerpropellerwinkels

von 15° streng genommen nur mit dem um 10 - geknickten

Verband vergleichbar. Für die aus den Schlängelfahrten

ermittelten angenäherten Drehkreisradien sind bei Annahme

einer Lage des taktischen Drehpunktes auf ein Viertel der

Verbandslänge hinter Bug die zugehörigen Driftwinkel bestimmt worden und erreichen die Größenordnung der tat-sächlich bei allen Varianten (auch der starren) gemessenen. Es ist danach anzunehmen, daß diese Lage bei dem stetigen

Wechselspiel der Anströmverhältnisse einen brauchbaren

Richtwert liefert.

Mit den Messungen des Driftwinkels läßt sich an die Unter-suchung der geometrisch ermittelten Fahrbahnbreite (Abb. 6)

anknüpfen. Trägt man die Driftwinkel der drei Versuchs-varianten für ein gleichbleibendes Wasserhöhenverhältnis in die Abb. 6 ein, so läßt sich - von kleinen Sreuungen

abgesehen erkennen, daß die günstigere Knickvariante

-nämlich nur hinten geknickt - zwar einen größeren

Drift-winkel beim Schlängeln, aber trotzdem im allgemeinen eine

Abb. lo

Ergebnisse der Schlange/fahrten

2 eugund lfrleckstese!'

-kleinere Fahrbahnbreite einnimmt. Entscheidend für seine

Wahl dürfte zudem besonders die damit verbundene tech-nische Vereinfachung sein. Sucht man günstige Verhältnisse für große Querversetzung und kleine Ausweichstrecken, so solLe man je nach Wasserhöhenverhältnis Knickwirkel von

6 bis 10 (Abb. 11) vermeiden. Allerdings bringt es dem

Verband in diesem Knickwinkelbereich den geringsten

Geschwindigkeitsverlust ein. Mit größerem Knickwinkel

er-geben sich naturgemäß kleinere Radien. Immerhin wird

durch einen Knickwinkel von 120 am hinteren Gelenk der Driftwinkel gegenüber dem des starren Verbandes etwa

verdoppelt.

4.3 Drehkreise

Trotz viel größerer Auslenkung der Steuerpropeller (bis

70 °) in der Drehkreisfahrt ist kein nennenswertes Ansteigen

des Driftwinkels gegenüber denen der Schlängelfahrt zu verzeichnen. Bei Uberschreiten von 60 °

Steuerpropeller-Auslenkung zeigt sich für ein Wasserhöhenverhältnis von

2,66 sogar rückläubge Tendenz, Obwohl die Driftwinkel

ver-hältnismäßig klein sind, wandert der taktische Drehpunkt auf 0,4 bis 0,47 der Länge zurück, so daß der Verband nahezu auf der Stelle dreht. Wenn auch der Driftwinkel

verhältnismäßig klein bleibt, so bewirken die stark abge-lenkte Schubkraft und die gekrümmten Stromlinien einen

erheblichen Geschwindigkeitsabfall gegenüber der

Gerade-Abb. 11

0

Ergebnis.se der Schlange/fahrten bei verschieden en

Knickw,nkeln für h T 2 Heck propei! Verba r ,'-,,----,'-,-. bC /5!1 k St-pror t-, -",---,. . Verbat, h,nten, Q/L

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4 0,9 3 0,8 2 -x.I 8xIe.er 'e" d starr rrO 10 -4:45 d eknickt 870 I2

ausfahrt. Die angenäherten Drehkreisradien der Schlängel-fahrten fallen, wie bereits erwähnt, in die Tendenz der echten Drehkreisradien. Die Schlängelfahrtbögen als angenäherte

Teilkreise zu betrachten (Abb. 7) und die Möglichkeit, sie

mit Ergebnissen echter Drehkreisversuche zu vergleichen,

bedarf weiterer Prüfung. Sollte sich eine Ubertragbarkeit herausstellen, so könnte man anstelle von

Drehkreisver-suchen mit kleinen Ruderwinkein, für die die Abmessungen der vorhandenen Manövriertanks meistens nicht ausreichen. Schlängelfahrten im geraden Längstank ausführen.

4.4 Geradeaus-Manövrieren

In der praktischen Kanal- und Flul3fahrt werden im

allge-meinen nur sehr kleine Steuerausschläge erforderlich sein. Um die Kursstetigkeit des Verbandes bei geringen

Steuer-hilfen zu erproben, wurden mit der Kreiselautomatik auch

Stützwinkel von 2 bei Knickwinkeln von 4 und 6 0 gefah-ren. Bei einem maximalen Querversatz von 0,06 L verläuft

die Fahrt völlig gleichmäl3ig. Der Rückwärtsschlängelversuch,

der in der Praxis mit um 1800 gedrehten Steuerpropellern

ausgeführt werden würde, ist hier aus versuchstechnischen Gründen mit rückwärts angeströmten Düsen erprobt worden.

Trotz dieses Nachteils ist kein Abkommen vom

ursprüng-lichen Kurs festzustellen gewesen.

5.0 Zusammenfassung

Es werden die Ergebnisse von Standardschlängelversuchen mit doppelt und einfach geknicktem Verband und von Dreh-kreisversuchen bei verschiedenen Wasserhöhenverhältnis-sen mitgeteilt. n der Untersuchung der

Manövriereigenschaf-ten von Gelenkverbänden in engen Fahrwassern zeichnet sich

eine Lösung ab, die bei erträglichem technischen Aufwand

für die Gelenkigkeit des Verbandes gute nautische

Eigen-schaften verspricht.

Versuche und Auswertung haben sachbedingt einen

unge-wöhnlich grol3en Zeitraum bis zur Abgabe der Endergebnisse

beansprucht, der vom Verfasser durch Mitteilung von ersten

Zwischenergebnissen mit Vorträgen im Haus der Technik

in Essen am 16. 2. 1967 und 20. 6. 1968 [7] und an den

daran interessierten Fachkreis zu überbrücken versucht

wurde. Der Dank der Verfasser gilt der wertvollen

Mit-wirkung durch die Diplom-lngenieure Peter Büchel, Dieter

Spruth und Jürgen Thiel.

6.0 Schrifttumshinweis

Mühlbradt, M.

Untersuchung der Fortbewegungsmöglichkeiten von

unbemann-ten Leichtem in Kanälen

Schiff und Hafen H. 3/1963 S. 185 Schmidt-Stiebitz, H., Mühlbradt, M.

Schiffsverbände für den Einsatz auf Kanälen und kanalisierten

Flüssen

Hansa Nr. 6/1964 S. 549 Schlichting, H., Truckenbrodt, E.

Aerodynamik des Flugzeugs - Bd, 1 S. 403

Springer-Verlag 1959

Fuchs, R., Hopf, L., Seewald, F. Aerodynamik

Springer-Verlag 1934/35 Schmidt-Stiebitz. H.

Ein experimenteller Beitrag zu Drehkreismanövern von Schiffen auf flachem und tiefem Wasser

Schiff und Hafen H. 11/12 1963 und Heft 1/1964 Schmidt-Stiebitz, H., Luthra, G.

Untersuchung des Bodeneffektes für Flachwasserschiffe Teil Il: Einfluß auf die Manövriereigenschaften Hansa 91970 S. 784-790

Schmidt-Stiebitz, H.

Schiffsverbände für die Kanalfahrt (und Schrifttum dort) Schiff und Hafen 111 969 S. 955-956

Saunders, H. E.

Hydrodynamics in ship design Bd. Il S. 533 und Abb. 350 SNAME [91 Schuhmacher, E.

Das Motor-Gelenkschiff mit aktiver Gelenkkupplung Schiff und Hafen 7/1961 5. 607-613