Naturgrosze vergleichsmessungen mit staukeil-rudern

8 Al16. 1983

ARCHIE&

v.

Scheepsb

Technische

Del

Dr.-Ing. E. Schale

211. Mitteilung der Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau e.V., Duisburg Institut an der Rheinisch-VVestfalischen Technischen Hochschule, Aachen 'Mitglied der Arbeitsgerneinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen e.V., KOIn

NaturgroBe Vergleichsmessungen

rnit Staukeilrudern

1. Einleitung

Im Vergleich zum Seeschiff werden beim Binnenschiff erheblich hohere Forderungen an seine

Manovrierschnel-ligkeit gestellt. Sie gipfeln darin, inner-halb kiirzester Zeit Kurswendungen urn

180° auszufuhren und dabei eine

Kreis-flache zu Oberstreichen, die im

Durch-messer nur wenig groBer als die eigene

Schiffslange ist.

Nattirlich hangt die Erfullbarkeit einer solchen Forderung von sehr vielen

Faktoren ab. So wie aus der Vielzahl

praktizierter Schiffsformen der letzten Jahrzehnte sich nunmehr zwei bis drei herauskristallisierten, lief parallel dazu

auch die Entwicklung passender Ruder. Da sich ihre Wirkung ebenfalls ver-bessern lieB, versah man 'die jeweils letzte Entwicklung mit dem Pradikat

Hochleistungsruder".

Die VBD hat an den Entwicklungen

stets auf zweifache Weise mitgewirkt. Einerseits meist

in Form

systema-tischer Modellversuche, andererseits durch Messungen am naturgroBen Schiff, wobei mehrfach auch das eigene Forschungsschiff FRITZ HORN"

be-teiligt war.

Wahrend des Entwicklungszeitraums der Typschiffe, also in den Jahren 1938

bis 1956, ging man selbstverstandlich

davon aus, daB das Ruder von Hand

bedient wurde. Da die

Antriebsleistun-gen noch relativ niedrig waren das

meistgebaute Typschiff GUSTAV KOENIGS" bekam (nur) eine

Maximal-leistung von 300 kW jedoch eine

hohe Manovrierfahigkeit gefordert

wurde, erland man die Mehrflachen-Ruderanlagen. Sie erhielten die Namen

der Erfinder und wurden fortan mit

Hitzler-Ruder" und Schilling-Ruder"

bezeichnet, urn nur zwei von ihnen zu

nennen.

Steigende Anforderungen und

wirt-schaftliche Verpflichtungen fuhrten

spater zu erheblichen Erweiterungen

der damaligen Grenzabmessungen

(80x 9,5x 2,5 m). Somit sind die 60er

Jahre kennzeichnend fur die

Entwick-lung des Schubverkehrs, die 70er Jahre

lassen deutlich den Trend zum

GroB-motorschiff (110 x11,4 x3,7 m)erkennen und damit Propellerleistungen bis zu 1200 kW notwendig werden. HierfOr

lassen sich Schiffsruder naturlich nicht

mehn im Handbetrieb bewegen,

infolge-dessen sind motorische Antriebe

ver-schiedener Art installiert worden, bei

denen der fruhere Trend zur Minimie-rung der Bewegungskrafte in den Hin-tergrund trat.

Auf dem Markt erschienen die vorn

schon genannten Hochleistungsruder, etwa von Becker, Schilling oder auch

Brohl.

Im Laufe der Jahre zeigte sich jedoch,

daB die rnit relativ viel Aufwand

er-reichte und anerkannte

Leistungsfahig-keit dieser Ruder auch Nachteile mit

sich bringt. Empfindlichkeit gegen

auBere Einflusse, vor allern bei Niedrig-wasser, und oft langere Reparatur-zeiten in Verbindung mit steigenden

Kosten, lieBen den Trend zur Installa-tion von Vielflachen-Ruderanlagen

ab-klingen.

Die Betriebserfahrungen, die

beispiels-weise die franzosische Reederei CFNR

mit Einflachenrudern an ihren

Schub-booten erworben hat dort wurden

von Anfang an nur Oertzruder

ver-wendet lassen hinsichtlich der Unthaltungskosten deutliche Vorteile

er-kennen. Bei Erhohung ihrer Wirksam-keit durch Anbringung von Endschei-ben und Staulkeilen erfullen sie schon

erheblich besser die heutigen

Anfor-derungen an Manovrierschnelligkeit

und Kursstetigkeit.

Diese recht guten Ergebnisse mit dem

nnodifizierten

Oertzruder an einem

franzOsischen Schubboot, die

inzwi-schen im Modell- und GroBversuch ge-priiften, gleichartigen

Rudererganzun-gen an herkommlichen Profilrudern, die

daraus resultierende Vereinfachung

der gesamten Ruderanlagen sowie ihre

kostengtinstige Installation und Unter-haltung, veranlaBte die VBD, sich mit solchen Rudern intensiver zu befassen und nach einem Optimum zu suchen,

dessen Grundkonzept anhand von

Voruntersuchungen festzustehen scheint.

Ober Staukeile berichtet Thieme [1 I sehr ausfiihrlich, nur haben.

Vorver-suche mit Profilrudern gezeigt, daB der angewendete Staukeilwinkel von 2x45°

= 90° fur Binnenschiffsruder zu groB

ist, denn der Ruderwiderstand erhoht

sich dadurch auf mehr als das

Dop-pelte. Sinnvoll sind 2x15° = 30`: Hin-_ sichtlich der Profilgestaltung bzw. Wahl des gunstigsten Prof Is liegen ebenfalls Erfahrungen vor. Aus der groBen Zahl

aerodynamischer Profile (Gottingen,

NACA) eignete sich fur Binnenschiffs-ruder das Profil NACA 0015 recht gut.

Darijber hinaus lohnt siCh auch eine sogn. Einfachbauweise aus vier ebenen

Platten ebenso wie eine Kombination

aus beiden. . Im Versuchstellte sich

heraus, daB solche Profile auch bei'

Anstellwinkeln > 30° noch einen

Quer-kraftanstieg aufweisen. Die Wirkung

vergri5Bert sich, wenn die Unterkante des Ruders mit einer Endscheibe

ver-sehen wird. Eine Kombination von

Ruderblatt mit Staukeil von 30° und

Endscheibe verspricht, die Vorstellun-gen der Praxis nach einem einfachen, kostengunstigen, reparaturunanfalligen

und wirksamen Ruder zu erfullen.

2. Aufgabenstellung

Urn den Vorstellungen der Praxis

nahe-zukommen oder sie weitgehend zu

er-fullen, ist vorgesehen die

gewon-nenen neuesten Erkenntnisse des

Hauses nutzend 7 in den Bildern 1

bis 7 dargestellte Ruder experimentell nach einheitlichem MeBprogramm zu testen.

M 1:50

Dr.-Ing. E. Schale

NaturgroBe

Vergleichs-messungen mit Staukeilrudem

fur Binnenschiffe

211. Mitteilung der Versuchsanstalt

ftir Binnenschiffbau e.V., Duisburg

Mitglied der Arbeitsgemeinschaft IndustrieIler

Forschungsvereinigungen e.V.

Bild 1 STAUKEILRUDER NAGA 0015 120 120 360 240 6

(Die Bilder sind MaBzeichnungen von

den GroBmodellen und zeigen die

Ruderflache, deren Profil und die Kon-tur der Endscheiben, oben und unten

gleich.)

Damit von vornherein

MaBstabsein-flüsse sollen diese Tests, wie in bereits praktizierter Weise, mit dem Forschungsschiff FRITZ HORN"

durch-gefiihrt_werden [2].

Dabei sollen gernessen werden:

a) stationar am Schiff: Ruderwiderstand 520 2 Ruderquerkraft Ruderschaftmoment

in Abhangigkeit vom Anstellwinkel 0-50° BB Und StB

b) die Bewegung des Schiffest Kursstetigkeitsverhalten Stiitzverhalten VVendegeschwindigkeit r, La 690 6_S

nach den iiblichen Testmethoden von Kempf und Dieudonne [3] auf flachem, stehendem VVasser (Ijssel-Meer), aber

auch mit festliegendem Schiff zur Er-fassung der Ouerkraft, die das Ruder

am Schiff erzeugt.

Von vornherein war jedoch festgelegt

worden, daB alle MeBwerte relativ

miteinander verglichen

werden. Spater zeigte sich dann, daB em n solcher

Vergleich auch auf die einzelnen Ver-haltensweisen bei den versChiedenen Manoverarten ausgedehnt werden

kann. Will i6 Oqnungewinkel 2.15'

it

?-. 640 4 360 6 240 1 k a unungswinkel 2 . 15. 649

Bild 2 STAUKEILRUDER _{Bild 3} STAUKEILRUDER _{Bild 4} STAUKEILRUDER

IFS 58 TR 15 SCHILLING I SCHILLING II

M 050 6150

Bild 5 STAUKEILRUDER Bild 6 STAUKEILRUDER Bild 7

STAUKEILRUDER-KAUFER I KAUFER PLATTENRUDER

1:50 6:50 360 74° IL 360 240 son 65 60 7s0 150 .600 - 500 .057 57

Oftnungsvinkel 2.15° Ott nungswIra. 2.19

3. Versuchsvorbereitung

Die ordnungsgemaBe, zielgerichtete

Versuchsdurchfuhrung erforderte urn-fl fangreiche konstruktive und meatech-nische MaBnahmen, die iiberhaupt nur

dadurch realisierbar waren, daB das institutseigene Versuchsboot als Trager der Versuchsobjekte eingesetzt

wer-den konnte. Seine Abmessungen und

die Anordnung von Propeller und Ruder

bestimmten GroBe und Lage auch der

7 Versuchsruder.

3.1 Versuchstrager FS FRITZ HORN"

Die Anordnung von Propeller und Ruder entspricht herkqmmlicher I3ootsbau-weise. Der Ruderschaft (Ruderwelle) ist

zentral durchbohrt und endet in einem Flansch, der in der Regel das Normal-ruder tragt. Bohrung und Flansch sind von vornherein so ausgebildet worden, daB Versuchsruder und MeBglieder fur

Schaftmomente zur gegebenen Zeit

austauschbar sind. Da bei dieser

MeB-aufgabe einerseits auch der Ruder-widerstand und der Profilauftrieb

ge-messen werden muBten und

anderer-seits die Versuchsruder mehrmals

nacheinander auszutauschen waren

ohne das Schiff auf Helling zu nehmen , wurde em n Spezialschaft konstruiert, der

beide Zwecke zu erfullen hatte: schnel-len, einfachen Rudertausch und zuver-lassige Messung der Komponenten

Schaftmoment Profilwiderstand Profilauftrieb.

Diese Komponenten lessen eine

quan-titative Wertung mit gewisser

Allge-meingUltigkeit zu, wahrend diejenigen Rudereigenschaften,

bei denen die

Bewegungscharakteristik .des Bootes mitwirkt, nur eine relative Wertung er-lauben. Die gebotenen Vergleiche der

Ruder untereinander sind also zulassig,

eine DirektUbertragung auf herkomm-liche Binnenschiffe ist nur bedingt mog-lich. Allerdings wird das bessere Ruder auch am Binnenschiff die bessere

Wir-kung haben.

Betrachtet man FS FRITZ HORN" als Modell und die gewonnenen Versuchs-ergebnisse als Modellwerte, lassen

diese sich auf jedes MaBverhaltnis der

naturgroBen Binnenschiffe nach den

Modellgesetzen urnrechnen, wenn

auch die UH-Werte konstant bleiben. Nimmt man weiterhin an, daB der

Pro-pellerdurchmesser an einem GMS 1,6 m

betragt, dann ware der MaBstab zum

Versuchsboot 1:2; denn dessen

Pro-pellerdurchmesser betragt 0,8 m.

Bild 8

In der folgenden Tabelle wird em n solcher Fall angenommen:

Versuchsboot

Modell

Ruder Propeller np _{PD TP} Ern] [m] [1/min] [kW] [kN]

Angenommene GroBausfiihrung

Ruder Propeller H L np _PD Tp

[m] Ern] [1/min] [kW] [kNI]

1,53 1,2 234 280 24

1,53 1,2 283 400 43

Darin bedeuten:

H = Hehe des Ruders L = Lange des Ruderprofils

np = Propellerdrehzahl PD = Propellerleistung Tp = Propellerschub IJSSELMEER dlicher Tei I PA MPUS M50 Iroghase 776 AttlinHtlIstixrfe (.froghilse'xnes xtlen Mrsucluntlers

300 40: 80_4

Wellonkra (2weda Absenkung d,s Pm*. - /4.0sysfernf)

:20

Bericht:999 An!,: I/

RUDER-MESSWELLE tioar#00

3.2 MeStechnik

Es wurden grundsatzlich bewahrte

meStechnische Systeme angewandt Messen mechanischer GroBen mit-tels Drehnungsstreifen

(MeBver-starker, Analogschreiber)

Messen stationarer und dynami-scher GroBen am Schiff mittels Krei-selgeraten und Drehpotentiome-tern.

Fiir die Messung der

Ruderkomponen-ten wurde eine sogn. MeBwelle gebaut, die durch die Zentralbohrung der boots-festen Ruderwelle hindurchgesteckt

sowie in HOhe des Ruderantriebs und am unteren Montageflansch gelagert,

als Biegewelle ausgefuhrt, die

Ver-suchsruder separat zu tragen hatte

(siehe hierzu Bild 8). Durch Krafte am

Ruder biegt sich die MeBwellezwi-schen

den Lagerstellen AB. Dazwischen sind die DehnungsmeBstreifen 90° versetzt in Langs- und Querrichtung so ange-.

ordnet, daB die gewunschten

Kraft-messungen nach stationarer Eichung

in Liblicher Weise ausgefiihrt werden k6nnen. Die Ruderkraftmomente

(Dreh-momente) Irefert em n Biegestab am

Kopf der MeBwelle, dessen Widerlager

am Ruderquadrant befestigt 1st.

Die Arbeitsgemeinschaft industrieller For-schungsvereinigungen e.V. hat der Ver-suchsanstalt fUr Binnenschiffbau auf deren Antrag in dankenswerter Weise die Durch-.

fuhrung des Versuchsprogramms zum

obengenannten Thema ermoglicht und das Vorhaben aus Mitteln des Bundesministe-riums für VVirtschaft geftirdert.

Des Platzes wegen kann der Forschungs-bericht hier nur auszugsweise abgedruckt werden. Wie tiblich wird der umfangreiche

Originalbericht Nr. 999 auf Anfrage und

gegen Erstattung der Unkosten an Inter-essenten geliefert.

Anschrift: Versuchsanstalt fur

Binnenschiff-bau e. V., Postfach 10 12 28, 4100 Duisburg 1.

0,763 0,6 330 25 3,0

Bild 10

4. VersuchsdurchfUhrung

4.1 Dynamische Messungen Die dynamischen Messungen, bei denen vorwiegend die Reaktion des als

Konstante" anzusehenden Versuchs-bootes ausschlaggebend war, wurden

im ljsselmeer innerhalb eines oftmals benutzten Gebietes auf 2,5 bis 2,6 m

Wassertiefe durchgeftihrt; Bild 9. Folgende Versuche liefen

nacheinan-der ab:

Kursstetigkeit bei Geradeausfahrt Drehkreismessungen

Schlangelversuche Dieudonne-Spiralversuche

4.2 Stationare Messungen

Die stationaren Messungen wurden im

Oberwasser der Schleuse Raffelberg

(Mi.ilheim/Ruhr) auf 3,5 m Wassertiefe

ausgefuhrt. Dabei lag das Boot mit dem

Steven gegen einen Dalben driickend

fest. Das Hinterschiff konnte sich in

Querrichtung frei bewegen. Die

Fesse-. 44

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Bild 12

lung erfolgte Ober dehnungsarme

Stahl-seile so, daB mittels Dynamometer die auf das Boot wirkenden Ruderkrafte = Querkrafte gemessen werden konnten.

5. Versuchsergebnisse

5.1 Kursstetigkeit

Wahrend einer Fahrzeit von jeweils

15 Minuten auf geradem Kurs (rd = 0) bildete die Zahl der Steuerimpulse die

Basis. Die Steuersignale zur Einhaltung

des Kurses lieferte eine festinstallierte Prazisions-Kreiselsteueranlage der Fa. Anschiitz. Windgeschwindigkeit am Versuchstag: 0-0,4 m/s. Die Ergeb-nisse in entsprechender

Diagramm-auftragung zeigt Bild 10. Daraus resul-tiert zugleich eine erste Wertung.

5.2 Drehkreisverhalten

Die Drehkreisversuche wurden bei 15°,

300 und 450 Ruderwinkel und Propeller-drehzahlen von 330 min-1

(Leerlauf-drehzahl des Motors) und 400 min-1

durchgefiihrt.

Die aus gemessener

Bahn- und Winkelgeschwindigkeit

er-rechneten Durchmesser, bezogen auf den taktischen Drehpunkt des Bootes, zeigt Bild 11. Die Werte wurden in ge-ordneter Balkenform aufgetragen.

Auch hier ist em n Vergleich sofort mog-lich.

5.3 Schlangelversuche

Aus versuchstechnischen Grunden

lassen sich bei Schlangelversuchen mit FS FRITZ HORN" nur Zeiten und

Win-kel messen. Wege, resultierend aus Peilungen oder nach der bewahrten

Radarphasenbild-Methode scheiden

aus, da sich das Boot zu schnel I bewegt. In

Bild 12 sind MeBwerte dar- und

gegeni.ibergestellt. Auch hier ist eine

Vergleichbarkeit gegeben.

5.4 Dieudonne-Spiralversuche

Diese Versuchsmethode erlaubt nicht

nur die Bewertung der Kursstetigkeit des Systems Schiff-Ruder, sondern gibt auch Auskunft iiber die Querkraftwir-kung eines Ruders beim Wechsel in

Gegenlage (BB StB) mit sehr kleinen

Ruderwinkeln.

Da der Versuch mit Ruder-Vollausschlag

beginnt und in Stufen gegen Null" lauft

(Spiralkurs), wirkt die Massentragheit

erheblich mit. Das Schiff schwenkt um die Hochachse, die vertikal durch den

taktischen Drehpunkt lauft und den

Wert 6) liefert. Hierbei wird G.) infolge abnehmender Ruderkraft verzogert. In

welcher Weise dies erfolgt, zeigt Bild 13,

das zugleich auch die MeBwerte quan-titativ darstellt. Als Beispiel wurde das

Bild 14

5.5 Stationare Querkraftmessungen

Die vorn beschriebene Fesselung des

Bootes zeigt Bild 14. Es wurden ge-messen:

Darstellung der Menposition

beim Standversuch Bild 15 Bild 17 CD

a

Pr 7PI

Bild 14 auch auf EinfluB der Seiten-mauer. Beiden folgenden Balkendia-grammen wurden die Werte jeweils

gemittelt.)

5.6 Zusammenfassende

Gegen-iterstell ung

Die VVirkung der sieben verschiedenen

Staukeilruder, resultierend aus den

jeweiligen MeBwerten, wurden prozen-tual so gegeniibergestellt, daB jeweils

der Flochstwert oder die giinstigste Verhaltensweise = 100% gesetzt, die

Basis bildete. Bei linearer Einordnung der anderen gleichartigen MeBwerte,

lieB sich wiederum em n Balkendiagramm konstruieren, das den gewunschten

Vergleich der Ruderprofileermoglichte. Dies zeigt Bild 18. Bemerkenswert ist dabei, daB, abgesehen vom

Kursver-such, groBere Unterschiede in der

Wertigkeit nur im Standardversuch zu erkennen sind.

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Drehkreisversuch o.Fluden.W1 nv73011=1,4001callhnin Schlangelversuch a. timmIngenkrell ro,730 1=1. 4001011/mM 0.001imuc0004mil n,,=3:301= I. 400101 Wm Stondversuche thmricrell am WWI hp.330101.40,1=1111140 Aullrmh nv.7501.3I. 400101 If fmn Bild 18 STAUKEILRUDER

Gegenuberstellung oiler Heilergehnisse spezif iver ter prozentuater Bewertung

Versuchstrager FS "FRITZ HORN" Ruder. Schiff und Mentechnik siehe AM. 1-12 Kursversuch

Von.r1 111,400 S Ilirkwhrle In,4001/min

NICA10111116.711111 ackM.11 M. MOM 111.1nielm

0.500.1 ao n,.3101= 1.400101 Winn .1413:15 1.69711111 Senn. Sdr18V/ Ruderquerkraft = Profil-auftrieb L (N) Ruderwiderstand D (N) Schaftmoment = Drehmoment QR (Nm) Seilkraft = erzeugte Querkraft am Schiff C (N)

Diese Komponenten wurden in

Abhan-gigkeit vom Ruderwinkel in

gemein-samen Diagrammen zusammengefaBt.

Um Vergleichbarkeit mit den unter

Lit. [2] leichter zu ermoglichen, wurden die reinen Querkrafte fur 330 und 400 Umdrehungen pro Minute aufgetragen. (3 Beispiele zeigen die Bilder 15-17.)

(Die hier besonders augenfallige Un-symmetrie beruht, wie bei jedem Ein-schraubenschiff, auf einseitige M

it-wirkung des Propellers, und nach

h rhiaenomimi 30' n,3301= 1. 4001.0 limm c Rwlervordul <5. v7331 = LOOP. IIhmn 4 ' C.1.611;111111401_{9,1301= 1. 40010} Dieudonne.-Spirolversuch a /n..1741 .330I 0040,1011=

5.7 Anmerkungen

Bisweilen h6rt man aus der Praxis, daB

Staukeilruder einen erheblich hbheren Widerstand Flatten, als Ruder (gleicher Abmessung) ohne Staukeil. Dies mag

fur Profile mit sehr dickem Keil

zu-treffen, die Widerstandsmessungen an den untersuchten Rudern zeigten dies jedoch nicht, weil allein der Widerstand der Profile untereinander schon

Diffe-renzen aufwies.

Im Vergleich zu den vorn genannten Hochleistungsrudern liegen die hier

behandelten Staukeilruder in der Quer-kraftwirkung noch zwischen 5 bis 15% unter diesen. Die Charakteristik (Kraft Ober Ruderwinkel) ist jedoch nahezu

identisch.

Bei Variationen des Staukeilwinkels und der Keillange wird mit groBer Wahr-scheinlichkeit die Leistungsdifferenz auszugleichen sein.

Da die Bereitschaft zunimmt, Staukeil-ruder einzusetzen, ist beabsichtigt, an

den vier im Durchschnitt besten

Pro-filen

WeiterzUatbeiten und die

ge-nannten Variationen zu testen und zu optimieren.

Diese -sind die Typen NACA 0015

IFS 58 Tr 15 Traaflti6elprofile

SCHILLING II Eigenprofil

KAUFER II Profil in

Einfachbau-weise

Ein entsprechender Fortsetzungsantrag

wurde bereits bewilligt.

6. ZusarnMenfassung

In Fortsetzung der allgemeinen

Weiter-entwicklung von Schiffsrudern, mog'

lichst als Einflachen-Rudersysteme

konstruiert, untersuchte die VBD auf experimentellem Wege am

instituts-eigenen Forschungsschiff FRITZ

HORN" praxisgerechte Typen, jedoch mit Staukeilen am Profilende versehen. Alle Ruder hatten gleiche Abmessun-gen und wurden auch unter vollig glei-chen Randbedingungen meStechniSch untersucht.

Et wurden sowohl die Reaktionen auf

das Schiff als auch Krafte und Momente

am Ruderschaft gerhessen.

Der I3ericht umfaBt die zeichnerische Darstellung der Versuchsruder und-cler MeStechnik sowie die MeBergebnisse

in Einzel- und vergleichenden.

Dia-grammen. Daraus konnen Schliisse gezogen und Entscheidungen gefallt werden, wenn es um Anwendung in der Praxis geht.

Literaturangaben

111 Thieme Formgebung von Schiffs-rudern

STG-Jahrbuch 1962, Seite 381-422

[2 Schale, Vergleichende

Untersu-Schydlo chu-ng geteilter

Profil-ruder zur Verbesserung

der Manevrierfahigkeit

von Booten, Fahrgast-schiffen, Schubbooten Forschungsbericht des Landes NRW Nr. 2310

31 Muller, Kraft- uncl Momenten,

Landgraf, messungen an

Schwebe-Schale rudern in Modell- und

GroBausfuhrung 169. Mitteilung der VBD

141 Kwik Systematische

VVindka-nalversuche mit Schiffs-rudern

Schiffstechnik, Band 19/ 1971, Heft 92, Seite 55 bis 62