Ermittlung der längs-und querkräfte sowie der am haupt-ruder- und flossenschaft auftretenden momente bei flossen-rudern

16 FLUE 12C2

ARCHIEF

Ermittlung der Langs- und

Querkrafte sowie der

am Hauptruder- und Flossenschaft

auftretenden Momente

bei Flossenruderns)

1. Einleitung

Aus Griinden der Verkehrssicherheit bei standig zuneh-mender Verkehrsdichte auf den WasserstraBen werden heute erhohte Anforderungen an die Steuerfahigkeit von Schiffen und Schiffsverband6n gestellt. Diese Entwicklung sowie das Bestreben, die Schiffseinheiten auch unter er-schwerten Bedingungen, wie z. B. bei langsamer Fahrt in engeii Gewassern, aus eigener Kraft und solange wie 'nog-lich ohne zusatz'nog-liche Steuerhilfen von manovrierfahig zu erhaiten, lassen den zweiteiligen Flossenrudern eine er-hebliche Bedeutung zukommen, well diese unter den sta-tisch wirkenden herkommlichen Steuerorganen vergleichs-weise hohere Querkrafte liefern. Zur Erzeugung hoher Querkrafte nutzen diese den aus der Luftfahrt bekannten Hochauftriebseffekt, der bis zu gewissen Grenzen dann auftritt, wenn die ProfilwOlbung des Tragfliigels vergro-Bert wird.

Flossenruder liegen bisher als patentierte Ausfiihrun-gen, wie das Becker-Ruder [1, 2, 3] oder das

BCP/Lumley-Ruder [4] und das vor etwa zwei Jahren eingefillarte

Jastram-Flossenruder [5], vor. Bei den beiden erstgenann-ten Ausfiihrungen wird die an das Ruderblatt angehangte Flosse Ober eine Anlenkung, die unterhalb der Schwimm-wasserlinie am Ruderschaft befestigt ist, zwangsweise ge-steuert in der Art, daB beim Anlegen des Ruders die Flosse urn annahernd den doppelten Anstellwinkel des Haupt-blattes gedreht wird. Hierhei ist die Winkeliibersetzung der Flosse im ganzen Ruderwinkelbereich nahezu kon-stant.

Ausgehend von einer solchen Anordnung, beschrankten sich die bisherigen Untersuchungen mit Flossenrudern meistens auf die Ermittlung der summarischen Gesamt-krafte und Momente am Hauptruderschaft. Zur

Berech-flung und Dimensionierung der Einzelteile, besonders

wenn die Flossensteuerung unabhangig vorn Hauptruder gehalten werden soil, reichen diese jedoch nicht aus.

Eine getrennte Steuerung der Flosse, wie sie' in der

letzten Zeit in Betracht gezogen warden ist, bietet in vie-len Falvie-len den Vorteil, daB das Flossenruder an den je-weiligen Fahrt- oder Betriebszustand des Schiffes optimal angepaBt werden kann. So kann der Flossenwinkel zur Starkung der Ruderwirkung im Bedarfsfall, d. h. bei- klei-nen Ruderwinkeln bzw. Schiffsgeschwindigkeiten vergro-Bert und umgekehrt bei h6heren Fahrtstuf en zur Vermin-derung des Widerstandes und der Gierschwingungen ver-kleinert werden. Diesbeziigliche EinZelheiten sind z. B.

auch in [5] im Zusammenhang mit dem dart vorgestellten Ruder ausfiihrlich beschrieben und werden hier nicht wie-derholt.

In der vorliegenden Arbeit sind als Erganzung zu den bisherigen Untersuchungen die auf dem Ruder und auf der Flosse im Schraubenstrahl, d. h. unter Arbeitsbedin-gungen auftretenden Krafte und Momente am Beispiel eines Ruders mit HSVA-Mischprofil modellmaBig gemes-sen worden und werden in Abhangigkeit von den unter-suchten Parametern wiedergegeben.

2. Versuchsiibersicht

Als Ausgangsruder diente, Wie eingangs bereits erwahnt, em: aus den bekannten Ruderprofilserien ausgewahltes

*) Gekilrzte Fassung des VBD-Berichtes Nr. 954

Die Mittel zur Durchfiihrung dieser Untersuchung stellte

in dankenswerter Weise die Deutsche Forschungsgemeinschaft zur Verfilgung.

HANSA - Schiffahrt - Schiffbau - Hafen - 117. Jahrgang-- 1980 - Nr. 22

lab.

v.

Scheepsboo

Technische Hogesc.

'-194. Mitteilung der Versuchsanstapt

le

fur Binnenschiffbau e. V., Duisburdielit

Institut an der RWTH Aachen

Dipl.-Ing. G. Luthra

Ruder mit HSVA-Mischprofil. Dieses Profil mit hohlen Hin-terflanken und schlankgehaltener Profilnase besitzt seine groBte Dicke auf 450/0 der Profillange. Sein Dickenverhalt-nis von tic = 0,20 liegt im Bereich der normalerweise ver-wendeten Werte. Die Form und ProfilaufmaBe des Ruders sind in der AufmaBtabelle angegeben.

Kraftedeflnitionen

CF = Ruder- bzw. Flosgenquerkraft positiv nach rechts DF = Ruder- bzw. Flossenwiderstand

Y; Y' = Ruder- bzw. Flossennormalkraft X; X' = Ruder- bzw. Flossentangentialkraft QR; QRF = Ruder- bzw. Flossenschaftmoment (Nm);

rechtsdrehend positiv

S = Lage des Momentennullpunktes (*/0 von c); negativ wenn nach hinten gerichtet

AufmaBtabelle: Form und AufmaBe des Ruders

Das ausgewahlte Profil wurde als Flossenruder unter-sucht, wobei die Flossenlange im Verhaltnis zur Profillange wie folgt variiert:

Variante I: CF = 25 °/o von c

Variante II: CF = 15 °/o von c.

In beiden Fallen erfolgte die Untersuchung mit dem Ru-der im Propellerstrahl. Hierbei ist em Propeller Ru-der Wage-ninger Serie B 4.55 benutzt worden:

Durchmesser D = 0,18 m

SteigungsverhAltnis P/D 0,8

Flachenverhaltnis AE/AO = 0,55

Der Abstand von Mitte Hauptruderschaft bis zur Erzeu-genden des Propellers SA betrug 135 mm = °AD. Sowohl die Propellerdaten als auch der Abstand SA entsprechen den Werten, die bei einer vorangegangenen Ruderunter-suchung in der VBD verwendet wurden [6], wodurch die Ergebnisse unter sich verglichen werden konnen. Dort wurden drei Ruderprofile, namlich

unter ahnlichen Bedingungen, jedoch mit Propellerdreh-zahl n = 1000 U/min untersucht. Dagegen ist die

vorlie-gende Untersuchung ilberwiegend mit n = 750 U/min

durchgefiihrt warden, weil Oberschlagsrechnungen zeig-ten, daB bei h6heren Drehzahlen die an Variante I zu

mes-1765 NACA 0025 JfS 63 TR 25 JfS 58 TR 15 x/c y/c . 0,0125 0,0230 0,0250 0,0306 0,0500 0,0419 0,1000 0,0583 0,1500 0,0706 0,2000 0,0801 0,2500 0,0881 0,3000 0,0939 0,4000 0,0994 0,4500 0,1000 0,5000 0,0965 0,6000 0,0766 0,7000 0,0546 0,8000 0,0335 0,9000 0,0145 1,0000 0,0054

senden Krafte fiir die in der VBD vorhandene kleine

Sechs-Kompopenten-Waage zu groB werden. Um den Ver-gleich dennoch zu ermoglichen, wurde die Variante II zu-satzlich mit n = 1000 U/min untersucht.

Die MeBruder bestehen aus Kunststoff, die hinsichtlich der Profilform auBerst genau bearbeitet wurden. Die Ru-derabmessungen betragen:

Ruderhohe h = 0,20 m

Profiltiefe c = 0,20 m

Ruderflache AR = 0,04 rn6

Mitte Hauptruderschaft OR = 0,082 m von vorne

3. Versuchstechnik

Zur Messung der Gesamtkrafte am Hauptruderschaft ist die in der VBD vorhandene Sechs-Komponenten-MeBplatt-form nach entsprechender Erweiterung und Anpassung zur Aufnahme einer zweiten, kleineren und in der VBD ebenfalls vorhandenen Sechskomponenten-MeBwaage, mit der eine getrennte Messung der Flossenkrafte vorgenom-men wurde, benutzt worden. Die zweite MeBwaage war so angebracht, daB die Flossenkrafte von hier aus auf den Hauptruderschaft iibertragen und dort nochmals summa-risch mit den Kraften vom ilbrigen Ruderblatt als Gesamt-kraftkomponenten erfaBt wurden.

Bei den beiden Versuchsvarianten sind folgende Para-meter untersucht worden:

Hauptruderwinkel 8R

Es wurden Ruderwinkel von 0 lals 450 untersucht. Die Schrift-grOBe des Ruderlegens betrug 50

Flossenwinkel OF

Der relative Winkel zwischen Ruder und Flosse wurde bei

jeder Ruderwinkelstellung gemal3 a) zusatzlich von 0 bis 45° in Richtung des Hauptruders variiert. Die Schrittgrofie betrug ebenfalls 5°.

C) Propellerfortschrittsziffer J

Es sind jeweils insgesamt 4 bzw. 5 Fortschrittsziffern einschl. J = 0 gefahren worden, wobei die Propellerdrehzahl konstant gehalten und die Anstromgeschwindigkit variiert wurde. Mit Variante U wurde darfiberhinaus eine zweite Drehzahlstufe bei einigen ausgewahlten Ruderwinkelstellungen untersucht.

Die folgende Tabelle gibt eine Zusammenstellung der ge-fahrenen Versuche:

Die Registrierung der MeBdaten auf Lochstreifen er-folgte mittels EDE-Anlage der VBD. Zum direkten Ver-gleich mit anderen veroffentlichten RudermeBreihen sind die MeBwerte getrennt fur das Gesamtruder und fiir die Flosse in dimensionslose Koeffizienten umgerechnet

wor-den.

Fur die Umrechnung

ist die

Propellerabstrom-geschwindigkeit VAb am Ort des Ruders benutzt worden. Da diese meStechnisch nur auBerst schwer zu erfassen ist, wurde sie annaherungsweise iiber Strahlzusatzgeschwin-digkeit mit entsprechenden Korrekturen fiir den Abstand zwischen Propeller und Ruderschaft SA nach Gutsche [7] errechnet. Da die Korrektur Km fiber dem Propellerradius R veranderlich ist, wurde der fiir 0,7 R galtige Wert als

Mittelwert benutzt. Die korrigierte Abstromgeschwindig-keit ergibt sich somit wie folgt:

VAb = VA [1 ± Km (-1 ± + Om)] [m/s]

wobei VA = Anstr6mgeschwindigkeit (= 17Wagen)

prh = Schubbelastungsgrad des Propellers.

In der Tabelle sind die so errechneten Werte der Ab-stromgeschwindigkeiten mit aufgefiihrt.

4. Versuchsergebnisse

Die Ergebnisse der Versuche mit Variante I sind hier aus Platzgriinden jeweils nur fiir zwei Fortschrittsziffern

in den Bildern 1 und 2 getrennt für das

Gesamtruder-system und in den Bildern 3 und 4 fiir die Flosse in

grafi-seller Form dargestellt. Entsprechende Werte fur

Va-riante II sind in den Bildern 5, 6 und 9 (Gesamtsystem bei n = 750 bzw. 1000 U/min) sowie in den Bildern 7, 8 und 10 (Flosse) wiedergegeben. Aufgetragen sind iiber dem Ru-derwinkel OR die in iiblicher Form dimensionslos gemach-ten

Querkraftbeiwerte Cegesamt und C0Fiesse Widerstandsbeiwerte CD gesamt und CD_Flosse

C) Momentenbeiwerte C_{Rgesamt und CQFlosse}

bezogen auf den jeweiligen Drehpunkt

d) Lage des Druckpunktes Ss der Flosse in Oh von der Profiltiefe bezogen auf den Flossendrehpunkt.

Die durchzogenen Linien geben jeweils die Werte bei einem konstanten Relativ-Winkel zwischen Hauptruder und Flosse von 0'; 10'; 20°; und 30° bzw. 40° an. Sie sind mit Ziffern von 1-5 bezeichnet. Der relative Flossenwinkel OF = 0 oder die Kurve a" bzw. I" kennzeichnet das nor-male Einflachenruder. Die gestrichelten Linien zeigen die Werte fiir den Zustand, bei dem die Flosse jeweils in einer konstanten Winkeliibersetzung von 0,5 bis zum 3fachen des Ruderwinkels brt gegenilber dem Hauptruder zusatz-lich noch gelegt ist. So bedeutet z. B. die Kurve b" bzw.

c" bei einer Winkeliibersetzung von 1 :1, daB bei Ruder-winkel 8n = 10° die Flosse relativ zum Hauptruder urn weitere 10° oder insgesamt 20°, bei oft = 20° um weitere

20° oder insgesamt 40° usw. gelegt ist.

Aus der Auftragung der Querkraftbeiwerte ist ersicht-lich, daB bei Betrachtung des Systems als Einfiachenruder

(Kurve a" bzw. 1") die maximale Ruderquerkraft im

Stand, d. h. mit J = 0 bei einem Anstellwinkel von etwa 33° erreicht wird. Mit zunehmender Fortschrittsziffer steigt der Querkraftbeiwert und wird bei J = 0,427 von etwa Cc = 0,3 urn das 2,5fache auf Cc = 0,75 vergroBert. Zugleich ist eine geringfilgige Verschiebung des zugehorigen An-stellwinkels zu kleineren Werten festzustellen. Dieses Ver-halten der Querkraftbeiwerte in Abhangigkeit von der Fortschrittsziffer J stimmt mit den bisherigen Feststel-lungen itherein und ist zum Teil dadurch zu erklaren, daB mit fallendem J die tangentialen Anteile des Propeller-abstroms und damit die Schraganstramung des Ruders anwachsen und zur Abnahme der Querkraftbeiwerte fiih-ren [6 und 81.

Wird die Flosse gegeniiber dem Hauptruder zusatzlich gelegt, so laBt sich der jeweilige maxiroale Querkraft-beiwert des als Einflachenruder gekennzeichneten Systems in Abhangigkeit von der FlossengroBe und 6F bei wesent-lich kleineren Ruderanstellwinkeln unter gleichzeitiger Verringerung des Widerstands erreichen. Bei einem Rela-tiv-Winkel SF von 30° wird dieser Querkraftbeiwert filr die Flosse I (Flache = 25 0/o von Ruderfiache) bereits mit nude ranst ellwink eln von 10° bis 14° erzielt. Filr die klei-nere Flosse II (15 0/o) betragt der entsprechende

Ruder-anstellwinkel etwa 20°.

Wird die Flosse jeweils urn einen festen Winkelbetrag gegenilber dem Hauptruder gelegt, so zeigen die

Quer-vWagen [m/s]

Variante I Variante II

n 750 U/min n = 750 U/min n = 1000 Uhnin

VAb Rn. 10-6 J VAb Rn. 10-6 J VAb Rn. 10-6

[-] [m/s] [-] [-] [m/s] [-] [-] [m/s] [-] 0 1,958 0,367 (j 1,958 0,353 0 2,605 0,470 0.24 0,107 1,900 0,356

- -

-0,48 0,213 1,851 0,347 0,213 1,851 0,334 0,16 2,450 0,442 0,96 0,427 1,798 0.337 0,427 1,798 0,324 0,32 2,370 0,427 1,44 0,640 1,813 0,340 0,640 1,813 0,327

-Variante I Variant II

Profiltiefe der Flosse CF 0,05 m 0,03 m

Flossenflache AF 0,01 m2 0,006 mi

Mitte Flossensehaft von vorne OF 0,15 m 0,17 m

-40° -30° -2 dit -40° _-30° -20° -10° 112 0.5 CD9o. 0.1 2 ,a3 0° 10° 20° 30 40° Crk 0,1 _-52 -0.3 -54 Gzsamtwiderslondsb.vert

Flossenkrafte und Momente im Propellerabstrom

J =0,427 n = 750,UPM NInkelapersdtzung : 0 10.5 ta 1:2 13 crR -40° -30° 0 -10° 55 ° -10° ° 10° 20° 30' ---56 0.5+ CDF Flossemviderslandsbeitvert Gesamtrudersystem

Wolfe und Moment elm Propellerobstrom

J=0 n =750 UPA1 cr_R 10° 40° -40° 30° 20° 'Variants /1 [Variants lj Co 006

t

I/Ao A.o4 a 02 20° 30° 40° ' -40° -30° -Air V75140,20° CrR CrR, -01 0° _a.04 NW"' Winkeldbersetiung di. di 0 7.1 1:2 e, 1:3 -ho. -30° -20° -10° 0° 70' 20 30 40° di? erR 10 -30 -40 Ss 1%1 .4 hinter Schaff

en-4/7/1)

114'bc:d.R

V; Fr

Wriceliibersehung 4 al 0 45) 10.5, 1:1 1:2 @ 1:3 WinkdlObersitzung zu di cCges. 1.0 S 05 7,0 Gesamtrudersystem

Krone uhd Schaftmomente im Propellerabstrom

J =0,427 n =750 UPM 5. Cipses. Gesamfividerslondsbeiwert 0.5. CD 1.0. -Oesomhviderstandsbeilverf Gesamtrudersystem

Krcifte und Schaftmomente irn Propellerabsfrom

J =0 n =750 UPM [Variante Variants HI crR crN -40° 30° -2 10 CCF -C15 -40° -30° -20° -10° I 4. 2.0 2 7.0 1.0 .0 .0 4.0 _° 10° 0:2 _-0.6 Fiossenwiderstandsbeiworf 55. CO, ,Winkeliibdrszfzung u07 0 0 l0.5 1 : I 1:1 . :40° -30° -20° -10° r. 05 1.0 0.5 CD 9.s. Gesamtwidersfandsbeivrer I

Bild 1-10 Flossenrtider

Flossenkrafte und Momente im Propeileraostrom

J=0 n =750 UPM. 10° 20 3 0 ° 0 ° -400 -30° di? erR Winkelibersetzung tf; zu 9 1:2 1:3 _30° -° -10° Gesamtrudersystem

Krafte und Schaftmomente im Propellerabstrom

J =0,427 n =750 UPM -70] [Variante 20 100. Co'RF 10 1766 a 'Variants II 10° 20° k30° 40° 30 _{-40 SS} 1%1 c hinter &haft crfe 10° 20° 30° 40° eft 'Crld 40° -40° 20° 30° = 0 70°1 20° Bild 1 Bild 2 'Mid 3 Bild 4 Bild 5 Bild 6

1766 b WInkelobersetzung 41-4 zu 0 (2) 1.1 1:2 1:3 crr = 0 too CI) 20° (4) 30° CrR -40° -30° -20° -30° Flossemviclerstandibeiviert a5 CD NInkelObersetzuni cr,zu 0 -bl 1:55 t :t (a) 12 (i) 1:3 6 .0 a 20° ! 30°

11111V"7-Flossenkrafte und.Momente im Propellerabstrom

1,0 CcF :2 -06 Mid 7 -1.0 05=Cpos. Gesarntwinerstandsbeivreil Bild 9 J=0 n =750 UPM Gesamtrudersystem

Krdfte und Schaftmomenteim Propellerabstrom

J =0 =1000 UPM 1Vorionteill caRg.

0

I IVariante cfR 0° 20° 30° 40° -30

Ss ,151i v.c hinter Scholl

40° crR cc WinkelObersettung 4r, zu 0!) 10° 20° 30° ,d-F1-40° -30° -20° -10° Floisenwidersfandebeiwert .14Inkelabersetzun9 zu 0 10.5 t:r a 1:2 1:3 .o to. 20° sr di -40° -30° -20° di?-40° Flossernviderstandsbeerf

Flossehkrafte und,Momente im Propellerabstram

J.=0427 1.0 n =750 UPM 0,4 46 _ o,sxCDF BIM 8 02 06 0 5.CDF Bild 10 Varionte , -10 20 10° 20° 300 40° dk 20° 30° 40° d-R rem& , '-20 30 S5.1541 v. c hinter SChaft

I

a, is 6 .

,

e e aos il

V

g 1 z z -10° 30° 40°) CrR -30 -1%!o, hinter Schaff cc 0' 0.4 C0RF 15 lrO.5 (g) 11 03 E ® 1:3 los IVoriante

Flossenkrafte und Momente im Propellerabstrom

J0

n =1000 UPM

0,1

CcF

kraftbeiwert-Kurven eine weitgehende parallele Verschie-bung zu hoheren Werten.. Bei 8F = 30° wird die Quer-kraft im Maximum gegeniiber dem Einflac.henruder urn den Faktor von 1,4 bis 1,5 fur die Variante I und urn 1,3 bis 1,4 ffir die Variante II vergroBert. Die kleineren Werte sind den h6heren Fortschrittsziffern zugeordnet. Demnach betragt die Verbesserung der maximalen Querkraft gegen-Ober der Einflachenvariante je nach Fortschrittsziffer und FlossengroBe im vorliegenden Fall ca. 30 bis 50 0/0.

Die GroBe der Flosse, fur sich gesehen, scheint bei J 0

keinen wesentlichen EinfluB auf den erreichbaren

Hoch-auftriebseffekt zu haben, wohl aber bei hoheren

Fort-schrittsziffern, bei denen die gr8Bere Flosse ilberlegen ist. Im Gegensatz hierzu haben die Flosse selbst sowie ihre GroBe naturgernaB einen erheblichen EinfluB auf die Ru-dermomente am Hauptruderschaft.

Das Flossenruder mit betatigter Flosse hat bei gleicher Querkraft etwa den gleichen Widerstand wie das Ein-flachenruder. Dies gilt auch dann, wenn die Flosse bei

festgesetztem Hauptruder allein betatigt wird und die

Fortschrittsziffer klein ist. Bei groBeren

Fortschrittszif-fern zeigt das Ruder in diesem Fall jedoch einen etwas h6heren Widerstand.

Wird die Flosse bei festgesetztern Hauptruder allein betatigt, ergeben sich filr die beiden Flossenvarian ten I und II bei 30° Flossenwinkel etwa die gleichen Querkrafte wie beim Einflachenruder mit Ruderwinkeln von 20° bzw. 15°. Dies gilt fiir die Fortschrittsziffer von J = 0. Die ent-sprechenden Winkel des Hauptruders fiir J = 0,427 sind kleiner und betragen etwa 15° und 11°. Fur das Kurs-steuern eines Schiffes bei Dienstgeschwindigkeit ist dieses in aller Regel ausreichend.

Die Kurssteuerung des Schiffes durch die Flosse allein bietet zwar einige Vorteile, wie z. B. die Moglichkeit, das Schiff feinfilhlig und dosiert zu steuern und damit seine Gierbewegungen geringhalten zu kormen, bei Flossen-winkeln von 30° oder auch 20° konnen aber sehr hohe Ru-dermomente am Hauptruderschaft auftreten, die eine last-abhangige Steuerung der Flosse als notwendig erscheinen Die Ergebnisse zeigen, daB das untersuchte Profil mit vorgegebener Balancierung bei seiner Benutzung als Ein-flachenruder erwartungsgernaB sehr.hohe, in der gleichen Richtung wie der Drehsinn des Ruders auftretende Ruder-momente aufweist, die jedoch durch die gleichzeitige Be-tatigung der Flosse minimiert werden k8nnten. Diese wer-den im vorliegenwer-den Fall zum Beispiel bei einem 'Ober-setzungsverhaltnis von 1 :1 oder OF = 0R erheblich vermin-dert. Geht man von den bei diesem rbersetzungsverhalt-nis resultierenden Maximalwerten aus, so werden sie bei alleiniger Anstellung der Flosse bereits bei Flossenwin-keln von etwa 10° (Variante I) und 15° (Variante II) er-reicht.

Auf der anderen Seite ist em n solches festes Oberset-zungsverhaltnis oder eine Minimierung der Rudermomente nicht ohne Verzicht auf Vollausnutzung der Vorteile hin-sichtlich der Querkraft zu verwirklichen. AufschluB hier-Ober geben auch die Abbildungen, in denen jeweils die Querkraftbeiwerte der Flosse getrennt wiedergegeben sind. Diese lassen erkennen, daB die querkraftmaBige Wirksam-keit der Flosse in Nullage des Hauptruders iiber einen groBeren Flossenwinkelbereich erhalten bleibt als dies bei gelegtem Hauptruder der Fall ist. Bei relativen

Flossen-winkeln, die filr J = 0 groBer sind als 10° und fiir J =

0,427 groBer sind als etwa 20°, nimmt ihre Querkraft mit zunehmender Hauptruderanstellung ab. Es zeichnet sich im jeweiligen Zustand, der eine konstante Winkelfibersetzung

der Flosse gegentiber dem Hauptruder darstellt

(ge-strichelte Kurven), eine Maximumbildung ab, die sich urn. so mehr zu kleineren Ubersetzungsverhaltnissen verlagert, je groBer die Hauptruderanstellung ist. Demnach und um einen steilen Anstieg der Querkraftbeiwerte zu erzielen,

HANSA - Schiffahrt - Schiffbau - Hafen 117. Jahrgang - 1980 Nr. 22

scheint es besser zu sein, daB anfangs em n h6heres Uber-setzungsverhaltnis gewahlt, dieses bzw. die Flosse aber dann mit groBer werdendem Hauptruderwinkel zuriick-genommen wird. Die anfangliche Anstellung bzw. tTher-setzung der Flosse sowie ihre Riicknahme mit steigenden

Hauptruderwinkeln laBt sich rnit einer lastabhangigen

Steuerung durch Vorgabe eines aus den Momentenbeiwert-kurven entnommenen Hochstwertes regeln.

Der Anstieg der Querkraftbeiwerte, ausgedruckt als Zu-nahme des Beiwertes pro Grad Hauptruderwinkelande-rung in Abhangigkeit von Flossenwinkehibersetzung, wird nachfolgend filr beide Varianten und zwei Fortsduittszif-fern in Tabellenform dargestellt:

Die Bilder 9 und 10 geben die Ergebnisse der Messun-gen an Variante II bei erhohter Propellerdrehzahl aber vergleichbaran Fortschrittsgeschwindigkeflen wieder und erlauben, den DrehzahleinfluB aus der Gegerniberstellung

von diesen und den Bildern 5-8 festzustellen. Dieser

EinfluB scheint gering zu sein. Die Beiwerte, insbesondere der Rudermomente, sind bei holier Drehzahl etwas groBer. Es ist jedoch zu beriicksichtigen, daB mit der -Drehzahl auch die Abstromgeschwindigkeit hoher liegt.

Der Vergleich zu drei weiteren Profilen, die unter glei-chen Bedingungen untersucht wurden und in [6] beschrie-ben sind, zeigt, daB das hier untersuchte Profil als Ein-flachenruder fast gleiche maximale Querkraftbeiwerte CC aufweist wie die Profile JfS 63 TR 25 und NACA 0025. Die Querkraftgradienten CC/OR sind im vorliegenden Fall steiler und bedeuten, daB der Umschlag der StrOmung am

Ruder hier bereits etwas friiher, d. h. bei etwas

klei-neren Ruderwinkeln einsetzt. Dieses sowie die maximalen Querkrafte und Rudermomente, die bei dem hier unter-suchten Profil verstandlicherweise wesentlich hoher liegen, lassen sich durch die Flosse vorteilhaft beeinflussen.

5. Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit befaBt sich mit Untersuchungen an einem Flossenruder mit HSVA-Mischprofil. Im ein-zelnen sind an zwei Varianten mit unterschiedlichen Flos-senlangen die am Ruder und an der Flosse im Schrau-benstrahl bei schrittweise veranderter Ruder- und Flos-senanstellung auftretenden Krafte mid Momente modell-maBig gemessen worden. Die Messungen wurden filr meh-rere Fortschrittsziffern, die bei beiden Varianten durch

Andertmg der Freifahrtgeschwindigkeit und bei einer

Variante zusatzlich durch Anderung der Propellerdreh-zahl eingestellt wurden, vorgenommen.

Die MeBwerte sind mit einer Datenerfassungsaniage aufgenommen worden. Diese, mid die in Beiwerten urn-gerechneten Ergebnisse liegen als Datenlisten vor. Sie werden hier in Diagrammform wiedergegeben und er-ganzen die Bir den Entwurf und die Berechung der Flos-senruder benotigten Unterlagen.

Nachfolgend werden die Ergebnisse zusammengefaBt:

Die Querkraftbeivverte des Systems sowohl s

flachenruder als auch als Flossenruder nelunen mit stei-gender Fortschrittsziffer zu.

Die Querkraftbeiwerte werden durch die Flosse am

Ruder erstens in ihrem Anstieg mid zweitens im Maximum bedeutend verbessert. Die Verbesserung gegenfiber der Einflachenvariante im vorliegenden Fall betragt zwischen 30 mid 50 °/o; die GroBe der Flosse in den hier untersuchten

1767

0,97 10-2 0,93 10-2 1,25 10-2 1,25 10-2

1 : 1 1,60 - 10-2 1,43 10-2 1,96 10-2 1,88 10-2

1 : 2 2,36 10-2 1,88. 10-2 2,61 10-2 2,36 10-2

1 : 3 2,90 10-2 2,36 10-2 3,27 10-2 2,75 10-2

Winkel- Variante I Varante

ilbersetzung J = 0 J = 0,427 J = 0 = 0,427

Varianten bei J = 0 hat keinen wesentlichen EinfluB den erreichbaren Hochauftriebseffekt, wohl aber auf das Rudermothent.

Die an der Flcisse irn System vorgenommenen Messun-gen zeiMessun-gen, daB die Flossenquerkraft bei groBeren Rela-tiv-Winkeln zwischen Flosse und Hauptblatt mit stei-gendem Hauptruderwinkel abnimmt. Die Wirksamkeit der Flosse laBt sich noch vorteilhafter nutzen, wenn anfangs em n h6herer RelatiV-Winkel zwischen Flbsse und Haupt-ruder gewahlt, dieser bzw. die Flosse aber dann mit stei gendern Hauptruderwinkel zuriickgenommen wird. Hierbei miissen allerdings Ruderrnomente beachtet werden.

Schubbelastungsgrad

CTh =_T/(Q/2 VIA Ao)

T = Propellerschub = Propelleidiskflache

[--] Querkraftbeiwerte des Ruders

bzw. der Flosse

CD = C-/(o/2 AR) bziv. CF/(072 V2Ab AF)

Widerstandsbeiwert des Ruders bzw. per.Flbsse

CD = DI(Q12 V2Ab AR) bzw

DF0/2 V,Ab tAF)

[]

Momentenbeliniert am Hauptruder bzw. Flossenschaft DQR = 9R1(o/2 V2Ab - AR - bzw.

6. Symbolverzeichnis

111)] c;.cF [111] Ruderhtihe

Profiltiefe des Ruders bzw. der

QRF/(0/2 VAI AF CF)

7. Literaturverzeichnis

Flosse [1] Limbach, K.: Unkonventionelle Steuerorgane eine Ober-[m] Ruderdicke sicht. Schiff und Haf en, Heft 4/1974.

AR;AF [rn'] Ruder- tiZw. Flossenflache [2] Hinze, IL: Einilachenruder Becker". Hansa", Heft 1611965. °R _Ern] Mitte Ruderschaft von vorne [3] Buhtz, C.-P.: Becker-Ruder und KortIriise. Hansa",

OF [m] Mitte Flossenschaft von vorne Heft 1972.

Ss [oh] Lage des Druclepunktes der Flosse [4] Articulated rudders past and present. Naval Architect, 11

8R VA [49 [49 [mis] Ruderanstellwinkel

Flossenwinkel bezogen out Haupt-ruder

Propelleranstriimgeschwindigkeii

1974.

[5] Wei13, F.: Das Jastram-Flossenruder, em n neuartiges abschalt-bares Hochleistungsruder fur Seeschifte. Schiff und Hafen, Heft 4/1978.

(= Schleppwagengeschwindigkeit) [6] Landgrat, J.: Verstarkung der Ruderwirkung durch den

Schrau-VAb Em/s] Propellerabstromgeschwindigkeit

aus Strahltheorie- mit Korrektur

nach [7]

benstrahl. Hansa", STG-Heft 1973.

[7] Gutsche, F.: Die Induktion der axialen Strahlzusatzgeschwin-digkeiten in der Umgebung der Schraubenebene.

Schiffstech-[UPM; UPS] Propellerdrehzahl nik, Bd. 3, 1957.

Fortschrittsziffer.T = VA/(n D) [8] Romahn, Thieme: Zur Wahl der Balancefiac.hen von Rudern

Rn Reynolds-Zahl Rn = (VAb c)/V im Propellerstrahl. Schiffstecimik, Bd. 4, 1957.

1768 HANSA - Schiffahrt - Schiffbau - Hafen 117. Jarirgang - 1980 Nr. 22

CTh

Ccges;,CcF

CDges; CDF