H e u s e r , H . / Mö^jer^E.
Vorzüge des Mehrschraubenantrïebs
für leistungsstarke Binnenschiffe
171. Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e. V., DuisbuKtg
Institut an der Rhein.-Westf. Technischen Hochschule Aachen
v o r g e t r a g e n a m 2 6 . 10. 1976 ïm H a u s d e r T e c h n i k , Essen
Teif I (Heuser)
E i n l e i t l i n g
Als eineVoraussetzung für die Erhaltung der Wettbewerbsfahigkeit sind die in e i n e r nautischen Einheit der deut-schen Binnengüterflotte transportierten Ladungsmengen wahrendi der lletzteni 20 Jahre stark angewachsen,
Dementsprechend nahmen die Haupt-abmessungen der Schiffe bzw. Schiffs-verbande zu.
Obgleich der spezifische WIderstand je Wasserverdrangung bei VergröRe-rung und insbesondere bel Verlange-rung der Einheit zurückgeht, war denn-noch eine Erhöhung der Antriebslel-stungen für unveranderte Fahrge-schwindlgkeit/licht zu vermeiden.
Da die Wassertiefen — zumal' des Rheins, der wichtigsten deutschen Schiffahrtsstral3e — nicht ebenfalls ver-gröfiert werden konnten, blleb die Tief-gangsbeschrankung der Schiffe prak-tisch .unverandert. Der Tiefgang aber setzt' die Grenzen für die Gröf3e der Propeller. Das Problem einer befriedi-genden Umsetzung von Antriebslei-stung in nutzbaren Schub bei ertrag-lichem Vibrations- und .Gerauschpegel im Schiff nahm damit einèni noch höhe-ren 'Rang ein als bisher..
Gleichzeitig stellteni sich <fie Forderung nach ausreichender Manövrierfahigkeit der groBen Einheiten uhd die Frage nach der Beanspruchung der Fahrwas-sersohle durch das von Schiff und Pro-peller erzeugte Druckfeld in verscharf-ter Porm.
B e d e u t u n g d e r G r ö R e d e r P r o p e l l e r -flache
Die bezeichnende Gröf3e für den Leï-stungsbedarf eines Schiffes lm Ver-gleich zu seinem gesamten Wasser-widerstand lm geschleppten Zustand, ohne Eigenantrieb ist der
G e s a m t w i rik u n g s g r a d oder P r o p u ï s i o n s g ü t e g r a d
HQ. = —-; Pf = Widerstandslelstungi r o
(ScMepplelstung)
PQ. = Leistung .an der (den) Propellerwelle(n)
Wahrend Pg nur von Schiffswiderstand und Schiffsgeschwindigkelt abhangt, wird die erforderliche Wellenlelstung Po von der GröBe mehrerer Teilwir-kungsgrade beeInfluBt. f'Slr^tlottwV ?„ - -f- - z ^ -7. , 1 a I . . ^ Soffiirtfr w . 1 .SL NochiirotmilUr Abb. I
Gema(3 Abb. 1 spielen dabei sowohP der Wirkungsgrad des freifahrend i(ohne Schiff) arbeltenden Propellers,
n^j, als auch die Einfiüsse aus dem Zusammenwirken von Propeller undi Schiff, namlich der W I T k u,n g's g r a d der Ain IÓ r d' n u n g n^
ürrd der S c h * f f s.e ' i n f l u- (3 g r a d n^^
einé wesentllche Rolle,
Schon die einfache Strahltheorie dès:' Propellers erkennt den Tatbestand daf} grundsatzHch der Wirkungsgrad n,, mit zunehmender Schubbelastung der Kreisflache des Propellers
abnimmt-So wird der S c'b u b b e 1 a s t u n gis :T g r a o ;
" p/2 • V A ' . A „
zur Mafigrölie für deo' PropeUerw'n kungsgrad.
Bei Verwendung von Düsen bleibt'die-ser Zusammenhang erhalten, C,(, ist dann als Gesamt-Schubbelastungsgrad. mit
T = Tp. -f- RQ Tp = Schub des P r o T . pellers in Düse RD = Düsenwiderstand zu verstehen.
Wie kann man nun einen vorgegebenen Schiffswiderstand RT mit möglichst ge-dnger Antriebslelstung kompensieren?
Das Zielr mul3 sein, alle vorgenannten Teilwirkungsgrade zu optimieren. We-gen ihrer geWe-genseitiWe-gen Abhëngigkeit ist dabei sehr sorgfaltlges Vorgehen notwendig.
Aus Abb. 1 ist zu entnehmen, daB der Gesamtwirl<ungsgrad bei einer be-stimmten Schiffsgeschwindigkeit relativ zum Wasser und dem dabei auftreten-den Schiffswiderstand in erster Linie und eindeutig durch 2 MaBnahmen begunstigt werden kann;
1. Wahl einer möglichst groBeri Pro-pellerflache A^,, bezogen auf den erforderllchen Schub T .
2. Weitestgehende Reduzierung der Differenz zwischen erforderlicher Schubkraft T und Schiffswiderstand RT (Sogziffer t ^ O).
Eine hohe Anströmgeschwindigkeit, V ^ , hat giinstige Auswirkung bezüglich Pro-pellerwirkungsgrad n^, ungünstige be-züglich SchlffseinfluBgrad n^.
Praktisch überwlegen die Vorteile, d h. eine relativ geringe Nachstromziffer sollte angestrebt werden.
Positive Auswirkungen auf S o g z i f -f e r u n d N a c h s t r o m z i -f -f e r sind nur aus einer Fprmgebung der Schiffe zu erwarten, die in sorgfaltiger Abstim-mung mit der Anordnung der PropuU sionsorgane am Schiff vorgenommen vvTrd D^ljei sFntJ ^ u ^ T erhlsbliche Ï T h -flüsse aus der Fahrwasserbegrenzung, vor allem. aus dem Wasserhöhenver-hgltnls
im Haupt-Elnsatzbereich der Fahrreuge zu berücksichtigen.
Unabhangig von diesem notwendigen und in der Binnenschiffahrt zwar aus-sichtsreichen, aber aucb sehr kom-plexen Bemühungen bleibt die Vermin-dertjng oder zumindest die Begrenzung der Schubbelastung der Propulsions-organe durch VergröBerung ihrer StrahlflSche ein entscheidend wichtiges Ziel.
Da die UmriBform der Propellerflache von untergeordneter Bedeutung ist, liegt es nahe, die breiten, flachgehen-den Binnenschiffe mit Vortriebsorganen aus:iurüsten, die einen rechteckigen Querschnitt besitzen und damit den beim MIndesttiefgang eintauchenden Hauptspantquerschnitt weitgehend aus-nutzen können.
Man möge sich einmal klar machen, daB bei einem Schubboot von 15 m
Breite und nur 1,40 m Mindesttiefgang ein ausnutzbarer Querschnitt von ca. 20 m» für Propulsionsorgane zur Verfü-gung steht. Wird dieses Schiff mit 4 Schraubenpropellern ^ o n je 1,80 m Durchmesser in entsprechend hohen Tunnein ausgerüstet, so wird eine Ge-samt-Propellerflëche von nur 10 m ' erzielt. Die Schubbelastung könnte also bei Vorhandensein entsprechender Pro-pulslonsorgane mit Rechteckquerschnitt auf etwa die Hölfte gesenkt werden. Bei diesem Oberschlag bleiben die N a d i -teile der hohen Eintunnelung der Schraubenpropeller für deren Wirkungsgrad sowie die Verluste im A n -saug- und Abstrombereich noch unbe-rücksichtigt. Darüber hinaus wird durch die Tunnel Auftrieb gerade dort redu-ziert, wo er am dringendsten gebraucht wird.
Diese Uberlegungen sind nicht neu und sie beschaftlgen viele von uns immer wieder. Der Schraubenpropeller ist eben nicht der ideate Antrieb für flach-gehende Schiffe. Verschledentlich wurde in diesem Zusammenhang der Ruf nach dem altbekannten Schaufelrad laut. Dem stehen allerdings derzeit nicht gelöste Probleme hinsichtlich GröBe, Gewicht und hoher Drehzahl-untersetzung vom Antriebsmotor her entgegen.
Es erscheirit jedoch lohnend, eine Wei-terentwicklung des Schaufelrades mit dem Ziel der Verringerung von Durch-messer und Schaufelbreite zu ver-suchen. Erste Ansatze waren bereits 1967 erfolgversprechend.
Die notwendige Schaufelverstellung in Anpassung an Raddrehzahl und Fort-schrittsgeschwindigkeit könnte heute sicher wesentlich eleganter und ge-wichtsparend z. B. durch Stellmotore In den profilierten Schaufein selbst erfol-gen.
Bei nicht durch Fahrwasserverhaitnisse oder Wasserbauwerke beschrankter Schubbootbreite wëre aus Gründen der Gewichtsverteilung, der Steuerfëhigkeit und des Propulsionsgütegrades die Radanordnung an den Schiffsseiten gegenüber dem Heckantrieb zu bevor-zugen.
Weitgehende.Verwendung von Leicht-metallenund Kunststoffen, z.B. bei der Beschaufelung und ein diesel-elek-trlscher bzw. diesel-hydraulischer Rad-antrieb könnten weitere Komponenten eines modernen Propulsionsorgans Schaufelrad sein.
Sie dürfen gewlB sein, daB wir auch weiterhtn alle Aspekte einer möjjllchen neuen Schaufelradgeneration prüfen werden — zum gegenwërtigen Zeitpunkt aber haben wir uns mit dem A n -trieb durch Schraubenpropeller und den verbleibenden Möglichkeiten der, Min-derung der Schubbelastungsgrade aus-einanderzusetzen.
In dieser Hinsicht bot natürlich zunëchst die Verwendung vor> Düsen erhebliche Fortschritte. Bei gleichem Gesamt-Nutz-schub des Systems Propeller und Düse können die motorischen Antriebslei-stuhgen gegenüber dem freien Propel-ler wesentlich reduziert und die Schub-belastung des Propellers in der Düse erheblich vermindert werden. Herr Prof. Schneekiuth ist darauf bereits ausführ-lich eingegangen.
Wir befinden uns Jedoch heute an éinem Punkt, WO trotz allgemeiner V e r w e n -dung von Düsen bei den Schubbooten mit bis zu 6000 PS installierter Leistung dre Schubbelastung der Propeller an oder oberhalb der technisch und ökb-nomisch vertretbaren Grenze liegt.
Wird i m S c h i f f b a u t e c h n i s c h e n H a n d b u c h von 1957 der hfichste Mittelwert. des Schubbelastungsgrades für Schlepper noch mit
C,h = 30
angegeben, so erreicht ein mo<S^rnes GroBschubboot im normalen E i n s ö z auf dem Rhein bereits Werte um
C,h = 35.
Dabei sind die vorerwahnten Naiirteile durch die hohe Eintunnelung und die damit verbundene geringe Propeller-tauchung in Ruhelage nicht berücksich-tigt.
Andererselts geht das Bestreben gerade bei Schubbooten nach einer weiteren Tiefgangsverminderung, um in Kleinwasserzeiten und/oder f ü r die Oberrheinfahrt möglichst lange einsatz-fahig zu sein.
An dieser Stelle sollten e i n n ^ t ganz eindeutig die Grenzen für den realisier-baren Propellerdurchmesser als Funk-tion des Tiefgangs einerseits und der spezifischen Wellenlelstung anderer-selts aufgezeigt werden.
Der Propeller im Tunnel ist als Axial-pumpe mit offenem Gehause zu betrachten und somit nicht
selbstansau-Zeitschrift für. Binnenschiffahrt und Wasserstraöen Nr. 5/77
gend. Das erforderHche Vollsaugen des TuTinels 1st daher nur möglich, wenn eine Mindesteintauchtiefe des Propel-lerkreises gewahrleistet ist.
Das Problem wird dadurch verscharft, dafi beim Umsteuern zunachst der Tun-nel leer fallt und gleich darauf nach Drehslnnumkehr des Propellers von der ursprünglichen Druckseite her wieder vollgesaugt werden muR. Dies gelingt vollstandig nur bei allseitlgem Schutz des Tunnelberelchs gegen
Luftein-bruch. *
- J - = O.tt
A b b . 2
Unter dieser Voraussetzung geiten die Grenzen für einwandfreles Ansaugen von Propellern in Tunnein gemëB Abb. 2.
Da der Schiffstlefgang In aller Regel etwas gröl3er ais der Propellertiefgang ist, ergeben sich daraus wichtige Hin-weise für den Entwurf.
Es 1st aus Sicherheitsgründen wegen des S t o p p v e r m ö g e n s und sonstiger, schnelli erforderlicher U m -s t e u e r m a n ö v e r gefahrlich, die genannten Grenzwerte zu ignorieren. Werden in dieser Form Höchstwerte des Propellerdurchmessers festgesetzt, so resultieren aus dem S c h u b b e -l a . s t u n g s g r a d erforder-liche M-ln- Mln-destwerte.
Op
PraptllT ohm Oust
Proptlltr In Düs* AUS speNZ>K:i>reN lür« V . LCISTUHaSKLASTUHO In, • « « O sbo A b b . 3 (ft» Wtlltnltistuni 1^
Für hochbelastete Schrauben unter ahnlichen Ansaugbedingungen kann man den S c h u b b e l a s t u n g s -g r a d als Richtwert für den erforder-llchen Propellerdurchmesser verelnfachen zur spezifischen L e i s t u n g s -b e l a s t u n g .
Als obere Grenzwerte für relativ'langsame S c h u b b o o t e und, G r o f l -m o t o r s c h l f f e ergeben sich aus dem vorgenannten Schubbela-stungsgrad die spezifischen Lelstungs-belastungen für Propeller ohne Düsen qpA 35 Ao PD P P A mox. für Propeller
in Düsen qpA max.
380 PS/m'
460 P S / m '
Abb. 3 zeigt die den entsprecher>den Wellenleistungen zugeordneten emp-fohlenen Mindest-Propellerdurchmes-ser.
Durch Zusammenfassen der A b b ^ 2 -und 3 erhalt man die gewünschten Entwurfsdaten für Durchmesser und A n -zahl der Propeller. Dazu 2 Beispiele gemaB Abb. 4 und 5. Sie demonstrieren die Bedeutung der hier in Rede stehen-den physlkalischen Grenzwerte sehr eindrucksvolti.
Selbstverstëndlich erübrigen diese Kontrollberechnungen nicht die Nachrechnung der Propeller auf K a v i t a -t i o n s g e f a h r d u n g . Sie muB in ihrer endgültigen Form vom Propeller-hersteller durchgeführt werden, lm Sta-dium des Vorentwurfs kann und sollte die W e r f t jedoch selbst eme Nëhe-rungsbetrachtung dazu anstellen. Dies 1st m. E. besonders einfach und schnell nach der Methode zu machen, die K r ü g e r im H a n d b u c h der W e r f t e n . Band XIII (1976) angege-ben hat.
Erweist sich der Propeller danach als zu wenig kavltationssicher, so erfordert dieser Sachverhait unbedingt eine überprüfung durch den Propellerher-steller. Er entscheldet, inwieweit für seine Propellerkonstruktion, unter Bel-behaltung des Durchmessers, eine der üblichen MaBnahmen — wie z. B. Ver-gröBerung des Flachenverhöltnisses — angewandt werden kann und mit wel-chem Erfolg dies mögJich ist.
Bezüglich der Auswirkungen des S c h u b b e l a s t u n g s g r a d e s auf tien Propulsionsgütegrad bei unter-schiedlichen Anzahlen der Propeller möchte ich auf Teil II dieses Beltrages verweisen.
Herr Dr. Müller wird dort u. a. die Ergebnisse umfangrelcher Modellver-suche mit Schubbooten unterschied-licher Propellerzahl diskutieren. Bei der Bewertung sollte man nicht auBer Acht lassen, daB an den jeweiligen Unter-schleden im Leistungsbedarf für gleiche Geschwindigkeit und damit im Propul-sionsgütegrad nicht nur die unter-schiedliche Schubbelastung, sondern sicher auch die verschiedenartige Tun-nelführung mit ihrer Auswirkung auf Gütegrad der Anordnung und Schlffs-einfluBgrad ihren Anteil haben.
Die Tendenz zum flachgehenden Mehr-schraubenschlff ist aus hydrodynami-schen Gesichtspunkten für die Binnen-schiffahrt sicher richtig. Ob sie auch aus der Sieht des Reedereikaufmanns posi-tiv beurteilt wird, höngt entschetdend davon ab, wie sich der
Investitionsauf-BEISPIEL A GPOSSMOTORSCHIFF
PfOp*llff ctin* Own In Sehroub*otunMfn Lttrtiffgong an drn Proptttttn
Pfsptlkf*inhvet>ung flb6*t l • VS m Mbfor/sd» Antritbsltittijng ItOO PS Wf/lmltistu.-ig • ITOOPS ll MM. Prsptllrr -0 lEinwoodtrtin Aniougtol 1.90 m 2.1 Hn. Pnptllir • 4 ILmltjnffSitrtastüngt' 1.1. als EINXHPAUBER ft™ • 2.31 m U. O/s 2WEIXMPAUBEP ft™ -1.70 m
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MINDESTAN2AHL PROPEUEP: 2
A b b . 4
B£ISPI£L_M SCHUBBOOT
Proptllrr in Düun und Schrautunlunntln •MlndtstlMgans %„.„ . t.40 m
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Das projrWtrtt Sdtubbcol kann
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HtNOESJANZAHL. «tl POOPEUEfl: i A b b . 5
Zeitschrift für Binnensct)iffaf)rt und WasserstraBen Nr.5/77
wand und die laufenden Unterhaltungs-kosten in Relation zum bisher üblichen verhalten.
Wir sind davon überzeugt, da(ï auf die-sem Gebiet die Einführung des Antriebs von 2 Propellern durch jeweils 1 Haupt-maschlne sich trotz höheren Aufwandes für die Getriebe kostensenl<end auswlr-ken wird',
Entsprechende Untersuchungen werden zur Zeit In Reedereikreisen angestellt. 'Eventuell können wir noch heute oder doch in Kürze dazu Naheres erfahren. Meine sehr geehrten Herren, ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit und darf nun das Wort an Herrn Dr. Müller für den ïl Teil des Vortrages weitergeben.
TeiHI (Müller)
,Dfe Diskussion über Vor- ünti Nach-teile des Mehrschraubenantrïebs beE Binnenschiffen wird seit vielen Jahren geführt. In letzterZeit entflammt sie aber wieder haufiger, vor allem im Zusam-menhang mit gröBeren Schiffseinhelten. Aus diesem Grund haben wir uns in der V B D entschlossen, innerhalb einiger Forschungsvorhaben der Arbeltsge-imeinschaft Industrieller Forschungsver-elnlgungen, der Deutschen Forschungs-gemeinschaft und des Landesamtes für Forschung des Landes Nordrheln-Westfalen mehrere der anstehenden Probleme klaren zu'helfen.
An Hand zweier Diagramme wird zu-nachst der Vergleich der erforderHchen Antriebslelstung eines Drei- und eines Vier-Schraubenschubbootes gegeben. die einen Verband aus 6 Lelchtern des Europa-Typs II bewegen. Belde Schub-boote sind nicht speziell für Flachwas-serfahrt entworfen worden.
3-Schrauben- 4-Schrauben-Boot 4-Schrauben-Boot Lü.o. [m] 35,0 37,:0 B [m] .14,95 1 5 , 0 T [m] 1,7 1,65 D [m] 2.1 m Pro- 1,92 Innen peller 1,92 auReni P/D: 1,05 0 , 9 innen 0 , 9 6 auBen I/D 0 , 7 Düse 0 , 8 4 innen
0 , 7 5 auBen
Profil- Trag- Einfachprofil form flügel
ersten DIagramm (Blld 1) sehen Sie:. das Lelstungsschaubild eines 3-spurig, 2-gliedrlgen Verbandes für die Wasser-tiefe h = 3,5 m. Die Fahrwasserbrelte kann als praktisch unbegrenzt angese-hen werden. Die durchgezogenen Kur-venscharen gelten für den Antrieb mit dem 3-Schrauben-Boot, die gestrichel-ten für den Antrieb mit dem 4-Schrau-ben-Boot. Parameter 1st der Leichter-tiefgang T, der zwischen LeerLeichter-tiefgangi und 2,8 m variiert.
O 5 ra • 15 V iVmflj
Blld 2 Leistungsverglcith zwischen -3-und 'i-Schraubenontrieb; h=35 m
Zeitschrift für
Bei Leertiefgang laBt sich mit zuneh mender Geschwindigkeit eine deutliche überlegenheit des 4-Schraubers erken-nen. So ergibt sich z. B. bei V =f. 13 km/h eine Leistungsersparnis vorv ca. 1 5 % gegenüber dem 3-Schrauber. Mit zunehmendem Tiefgang geht die Über-legenheit des 4-Schrauben-Schubbootes jedoch zurück. Für T = 2,5 m und V = 9 km/h liegt der Leistungsgewinn zwar noch bei 9 % , aber für T = 2,8 m und V = 8,5 km/h 1st praktisch kein Lei-stungsgewinn des 4-Schraubers mehr fesfeustellen. lm Geschwlndigkeitsbe-reich V = 5 — 8 km/h wurde für den 4-Schrauber sogar eine höhere Leistung geniessen. — Bei der etwas unter-schiedlichen Tendenz des Trlmmverhal-tens ist zu beachten, daB es sich nur um geringfügige WInkelanderungen von Insgesamt 9 = 5 handelt, d. h. man befindet sich praktisch an der Grenze ,der MeBgenaulgkeit. — Interessant
hin-gegen ist, daB die Parallefabsenkung bel Lelchterleertiefgang keine Anderung zwischen 3- und 4-Schrauber zeigt, mit zunehmendem Leichtertlefgang der Verband' mit 4-Schraubenantrieb aber geringere Absenkungen aufwelst. Wir haben nach Rücksprache mit inter-essierten Reedereien zunachst unsere Untersuchungen auf den breiten 6er-Verband konzentriert, weil hier die Wahrscheinlichkeit der Zulassung in den niederlandischen Gewassern grö-'Ber ist, als für den langeren
6-er-Ver-band.
ilm zweiten Bild sehen Sie aber auch den Leistungsvergleich mit dem strö-mungstechnlsch günstigeren 2-spurig, 3-gliedrigen Verband ebenfalls auf der
Wassertlefe h = 3,5 m. Der Vergleich wurde nur für T = 2,8 m durchgeführt, er fallt aber deutlich zugunsten des 4 -Schraubenantriebs aus. Für V = 10 km/h ergibt sich eine Leistungserspar-nis von ca. 2 5 0 / 0 . Der geringere Lei-stungsbedarf des 4-Schraubenantriebs gegenüber dem 3-Schraubenantrleb bleibt im gesamten untersuchten Ge-Bchwlndigkeitsberelch erhalten. Ergan;-zend zu den beiden gezeigten Dia-grammen sind lm nachsten Blld (3) die Propellerleistungen eines 3-Schrauben-und eines 2-Schrauben-Schubbootes in Verbindung mit einem Vlerer-Verband gegenübergestellt worden. Die Wasser-tlefe betragt ebenfalls wie bei denr vor-angegangenen Diagrammen h = 3,5 m. Lediglich beim Leertiefgang der Leich-ter zeigt sich der 2-Schrauber dem 3Schrauber überlegen. lm beladenen Z u -stand kann kaum ein Unterschied zwi-schen beiden Antriebsbooten festge-stel'lt werden. Die fleichte
überlegen-Binnenschiffahrt und 'WasserstraBen Nr. 5/77
B i l d 3
l i VIknVN 20
Leistungsvergleich zwischen 2 - L n d 3-Schrautienantrleb; h=3l5ra heit des 3-Schraubers im steilen Lel-stungsanstieg ( V > 1 0 km/h> dürfte in der Praxis kaum noch ausgenützt wer-den. Nachzutragen wSren die Daten des 2-Schraubenschubbootes: L" — J 5 m U , Q , B 1 4 m T 1 , 7 5 m D 2,1 m P/D = 1,05 I/D 0 , 8 9 Profil Tragfiüg Propeller Düse
Die durch einen Sechser-Verband im um-gebenden Wasser erzeugten hydrody-namischen Anderungen sind wesentlich gröBer, als sie von kleineren Einheiten hen/orgerufen werden. Um eine über-sicht über die GröRenordnung zu erhal-ten, wurden wahrend der Serlenmodell-versuche in der V B D In bekannter Wei-se die WasWei-serspiegelverformung, die Wassergeschwindigkelt und der Soh-lendruck neben bzw. unter den Schub-verbanden gemessen. Die Anordnung der MeBwertgeber 1st dem nachsten Bild (4) zu entnehmen.
Durchgezogene Linien geben den Querschnitt des dreispurlgen (breiten) Verbandes und die Lage der zugehörl-gen Geber wieder (24 m aus Verbands-mitte; 7 m neben der Bordwand), ge-strichelte Linien den Querschnitt des zweispurigen (schmalen) Verbandes und zusatzlich angebrachte Geber (16 m aus Verbandsmitte; 4,3 m neben Bord-wand). Die nachfolgenden Bilder zeigen den charakteristischen Verlauf der hydrodynamischen Anderungen, die durch den 6er-Verband hervorgerufen werden. Auch hier sind wieder 3- und 4-Schraubenantrieb gegenübergestellt worden. — Zunëchst die Anderungen des 6er-Verbandes für eine Geschwin-digkeit V = 9 km/h (Bild 5): die
Was-B l l d 4 Anordnung der Henwertgeber im Schlepptank
Zeitschrift für Binnenschiffahrt und WasserstraBen Nr. 5/77
B l l d 5 Hydrodynam. Anderungen h = 3,5m
serspiegelabsenkung mit 4-Schrauben-antrieb ist um ca. 10 cm gröBer als mit 3-Schraubenantrieb, im Mittel be-trëgt die Muldentlefe 40 bzw. 50 cm. Sie wird überwiegend durch das groBe Leichterpaket verursacht. Bei der geringen Wassertlefe von h = 3,5 m sind diese Werte durchaus zu beachten (mit zunehmendem seitllchen Abstand vom Verband flacht die Mulde aller-dings ab!). — Die übergeschwindigkei-ten neben dem Verband liegen im
Maximum für beide Antriebsarten in gleicher GröBenordnung. Sie betragen etwa 60 Vo der Verbandsgeschwindig-keit. Diese induzierte zusatzliche Ge-schwindigkeit muB vor adem der Schiffsfühmng eines überhofenden Schiffes bewuBt sein. Für überholvor-gënge in geringem seitlichem Abstand sind u. U. erhebliche Leistungsreserven des Uberholers erforderlich.
W]tf«rgM£hwrr>digkait
Blld 6
Hydrodynam. Anderungen ti = 3,5n
Die Unterdrücke an der Kanalsohie lie-gen im Mittel bei 110 -f- 160 Vo des Staudrucks entsprechend 34 50 mbar, wobei der 4-Schraubenantrieb die hö-heren Werte aufwelst.. Die Spitzen-werte an der vorderen Schultermuldé liegen sogar bei ca. 300 Vo des Stau-drucks entsprechend 94 mbar.
Wasserspiegelabsenkungen, flück-stromgeschwlndlgkeiten und Sohlen-drücke des zweispurigen 6er-Verban-des sind im Mittel geringer, wie das Bild 6 beweist [Ah «= 20—30 cm; AV (20—35) Vo V ; Ap (60—80) Vo p/jV' = 23—31 mbar], obwohf die Fahrge-schwindigkeiten für die dargestellten Werte sogar gröBer sind (V = 9,6 bzw. 10 km/h. Es laBt sich — mit Ausnahme der Rückstromgeschwindigkeit — auch nur ein geringerer Unterschied zwischen den Werten des 3- und 4-Schrauben-antriebs feststellen. Allerdings sind die Muiden an vorderer und hinterer Schul-ter starker ausgeprëgt, so daö die Spitzenwerte durchaus an die Zahlen des breiten Verbandes herankommen.
Um den kurzen überblick über unsere in jüngster Vergangenheit durchgeführ-ten Modellversuche mit Schubverban-den abzurunSchubverban-den, möchte ich noch kurz einige Ergebnisse der Untersuchungen in verschiedenen Kanalquerschnitten vorstellen. Das nachste Bild (7) zeigt eine Zusammenstellung der getesteten. Kanalprofile. Wir haben verstöndlicher-weise die Querschnltte idealisiert Die verschiedenen MeBstellen zeigen die Lage der MeBwertgeber relativ zum
L . -Kfi.. J
rHO—.
BHd 7 Untersudite Kanalprofile
S d i l f f und zum Kanal. Wëhrend der Versuche ist eine korrespondlerende Wassertlefe von h ^ 4,0 m eingestellt vyorden. <edi9rn:h im Main-Donau-Kanal war die Wassertlefe etwas grö6er, nSm-Kch h ^ 4,15 m, um das SohlengefëNe zu kompensieren.
Im folgenden Bild (8) sind die Leistungs-verlëufe eines einspurig-zweigliedrigen Schubverbandes in den verschiedenen Kanalprofilen über der Geschwindigkeit dargestellt. Der Verband bestand aus zwel L e i d i t e m d e s Typ Europa II (Tief-gang T = 2,8 m) und einem 2-Schrau-ben-Kanalschubboot mit den Abmes-sungen: Lö.o. = 20.5 m B = 9,46 m T . = 1,6 m D = 1,65 m Propeller P/D = 1,03 ohne Düse
Dieser Vergleich zeigt deutlich die überlegenheit des Rechteckprofils. Hier können höhere Geschwindigkeiten ge-fahren werden, bzw. ist geringere Lei¬ stOng erforderlich als selbst im Main-Donau-Kanal, obwohl die Wasser-spiegelbreite nur 42 m betrfigt, vergli-chen mit 55 m im Main-Donau-Kanal. Entscheidend für diesen Gewinn ist sicherlich nicht die Wasserspiegelbrelte und nicht nur das
Querschnittsverhëlt-Kanalquerschnitt
nis n ( = - r—r-)
son-Hauptspantquerschnitt
dern offensichtlich auch die
Flëdienver-U
O 5 10 15V(kmft.| B i l d e WeBentóstung on den PropeUern
in vifKhiedenoi Kanalquerschnitten
teilung des Querschnitts. Das DIa-gramm zeigt weiter. daö man selbst im kleinsten untersuchten Kanal, dem DEK, den o . g . Verband noch mit ca. V = 5—6 km/h fahren kann, ohns Grund-beruhrung zu erhalten. Allerdings be-nötigt man dabei mehr als das Doppelte an Leistung gegenüber den anderen Kanalen.
Die nöchster> beiden Bilder zeigen wie-der die hydrodynamischen Veranwie-derun- Veranderun-gen in Schiffsnahe, wobei der Leichter-tlefgang nur T = 2,5 m betragt. Sie sehen. da6 im Rhein-Heme-Kanal (Bild 9) bei V = 9 km/h Geschwindig-keit, die vom Verband mit 2 Leicfitem hervorgerufene Wasserspiegelabsen-kung (durchgezogene Kurven) nur rund 12 cm gröQer ist. als vom Verband mit einem Leichter (gestrichelte Kur-ven). Die Werte sind In ihrer absolu-ten GröQe allerdings nicht zu ver-harrrriosen. Ahnliches gilt für die Was-sergeschwindigkelten, die in ihrer GröBe
der Fahrgeschwindigkeit gleichkommen. Auch die Sohlendrücke liegen hier im M i t t e l erheblich höher als z. B. in seit-lich unbeschrSnktem Fahrwasser (50 bis 70 mbar.
BnifiurlQtr Vtrtand; ItiMtrl/p: Eurcpa I
ILtittm tiMmrr
1- "-—
^
. " ~ j r ~ 3B i l d 9 iVdrodynan. Anderungen im R h e i n - H e r n e - K a n a l h = 4in;T=Z5iii,- V . 9 k m / h
eiruptirfgtr Vtrbond.- UKfittrtfp- Europa B
7UM««r I
B i l d 10 Hydrodynam. Anderungen i n Rechtcck - K a n a l p r o f i l h = 4 m i T = 2,5m,-V^llkm/h
lm Rechteckprofil sind die Gegeben-heiten w e s e n t i i * günstiger (Bild 10). Obwohl die Geschwindigkeit höHer ist (V = 11 km/h), sind die Wassersplegel-anderungen etwa In gleicher GröBen-ordnung wie im vorangegangenen Fall. Wassergeschwindigkelt und Sohlen-druck liegen dagegen betrëchtlich niedriger.
AbschlieBend möchte ich noch etwas über das Manövrierverhalten u r x l die Ruderwirkung ausführen. Die Manövrier-fëhigkeit eines Schiffes kann durch die Anzahl der Propeller positiv beeinfluBt werden. Der Begriff des Manövrierens umfaBt hierbei sowohl Kursstabilitöt, Drehfëhigkeit und Ansprechschnellig-keit als auch Beschleunigungs- und Ver-zögerungsvorgënge auf geradem Kurs, d. h. Anfahren und Stoppen. Alle diese Eigenschaften muB ein Binnenschiff auf unseren dichtbefahrenen Wasserstra-Ben .in hohem MaBe besitzen, leider lassen sie sich nicht immer vereinbaren.
Samtliche Manöver, die eine Kursande-rung beinhalten, werden in der Wehr-zahl der Falie durch Heckruder Hinge-l e i t e t Um mögHinge-lichst groBe Ruderkrafte zu erhalten. ist es zweckmëBig, das öder die Ruder im Propellerstrahl an-zuordnen.
Eine Gegenüberstellung der gemesse-nen Ruderkrafte in freier, turbutenter Anströmung, im «Propellerstrahl" und im
.eingebauten Zustand am Schiff und im Propellerstrahl' am Beispiel eines nor-malen Tragflügelprofilruders für Binnen-schiffe zeigt die überlegenheit des Ru-ders in der Propellerströmung (BUd 11). Obwohl die hier dargestellten Auftriebs-beiwerte für turbulente Strömung die gröBeren Zahlen aufweisen, so ist u. a. zu bedenken, daB dabei mit einer gerin-geren Geschwindigkeit normiert ( d . h . dimensionslos gemacht) worden 1st Die realen, dimensionsbehafteten Zahlen zeigèn die richtigen Relationen.- Für einen Ruderwinkel von ög = 10° betra-gen die Auftriebsbeiwerte(s. Diagramm):
(virbuijnh *ra(rBmun» PrO!>»»t«lrohl PrepiSlroN u n j Sehrtt 7,53 f i V l . 27,1 kmrti ' Normalruder Auftrlebs-und Momenlenbeiwerte Turbufenz C l = 0,41 Propellerstrahl C l = 0,16 Schiff + Propellerstrahl 0,065
Bei einer gewShlten Geschwindigkeit v o n V = 2,88 m/s = 10,4 km/h und einer Ruderflache von AR = 2,9 m ' er-geben sich damit folgende Auftriebs-krafte:
L [t] 0,503 1,342 0,545
dabei ist ira Fall der turbulenten Strö-mung die Verminderung der Anströ-mung durch Nachstromverluste noch nicht berücksichtigt wórden, lm Pro-pellerstrahl stehen die gröBeren Ruder-auftriebs- oder -querkrëfte zur Verfü-gung infolge der hohen Strahlgeschwin-digkeit, die im vorliegenden Fall Vsi, — 7,53 m/s = 27,1 km/h betrug. Die glei-che Tendenz, das darf nicht verkannt werden, ergibt sich allerdings auch bei den Schaftmomenten.
Ich möchte auch noch darauf htnweisen, daB der Zusammenbruch der Ruder-querkraft infolge StrömungsabriB am Ruder durch den PropellerstrahleinfluB erst bei gröBeren Winkein erfolgt, was ein weiterer Vorteil ist.
Bei einem Flossenruder (Bild 12) findet man ahnliche, z. T. sogar günstigere Verhëltnisse vor. Hier sind die Schaft-momente absolut geringer als beim Normalruder. turtnise» *nartmuog Proy»«»f»lrflN (>rop,.ar*l urri S<hm B l l d 12 flossenruder Auftriebs-und Homentenbeiwerte
Ich hoffe, mit meinem heutigen Beitrag den Praktikern unter Ihnen gezeigt zu haben, daB die Forschungsaliteilung in der V B D nicht nur in der Lage ist zu theoretisieren, sondern daB wir auch praxisnahe Forschung betreiben, die Ihnen unmittelbar zugute kommt. Wir wollen selbstverstöndlich diesen Weg weitergehen. Dazu erbitte ich mir auch weiterhin Ihre Anregungen und Vor-schlage.
Meinen Mitarbeitern möchte ich danken für die geleistete Arbeit wëhrend der umfangreichen Versuchsserien und der daraus resultlerenden Auswertearbeit.
Ihnen danke ich für Ihre Ausraerksam-keit. S y m b o l v e r z e i c h n i s : AR R u d e r l a t e r a l p l a n B S c h i f f s b r e l t e B w F a h r w a s s e r b r e l t e C l = p / » - V - A R A u f t r i e b s b e l w e r t C N = p / j • V • AR • C M o m e n t e n b e l w e r t R u d e r p r o f II lënge P r o p e l l e r d u r c h n n e s s e r Froud'sche TIefenzahl h W a s s e r t l e f e L R u d e r a u f t r i e b I O ü s e n p r o f i l i ë n g e Lo.a S c h i f f s i ö n g e ü b e r a l l e s N R u d e r m o m e n t n P r o p e l l e r d r e h z a t i l n K a n a l q u e r s c f i n l t t / H a u p t s p a n t -q u e r s c h n i t t P P r o p e l l e r s t e l g u n g PD L e i s t u n g a n d e r P r o p e l l e r w e l l e BJ A b s e n k u n g T T i e f g a n g V G e s c h w i n d i g k e i t Vsir P r o p e l l e r s t r a h i g e s c h w i n d i g k e l t ^R R u d e r w i n k e l p DicJite S ü B w a s s e r T r i m m A h W a s s e r s p i e g e l ö n d e r u n g A p S o h l e n d r u c k S n d e r u n g A V W a s s e r g e s c h w i n d i g k e l t
