JUU 1978
ARCHEF
Untersuchung der Nachstromverteilung
eines iurn Verband schiebenden Schubboots
in Pontonform
Dipl.-Ing. G. Luthra
147. Mitteilung der Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau e.V., Duisburg, Institut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule, Aachen, Mitglied der Arbeitsgerneinschaft Industrieller ForschungSvereinigungen e.V., Koln
ab. v.
Scheepsbouwituncie
Technische
-,Hogeschool
_
Delft
.c<E,
Untersuchung
deriNachstrom-.001,t(*in1 91221,10111
verteilyng eines im Verband
schiebenuen Schubboots
in Pontonform
Dipl.-Ing. G. Luthra
1. Einleitung
Die Zustromung des Wassers zu einem Schiffspropeller ist
beicanntlich nicht gleichformig. Far die Binnenschiffahrt
trifft dies, bedingt nicht zuletzt auch durch die Wassertie-fenbeschrankung, in erhohtem Mane zu. Die Ungleichfor-migkeit des Nachstromfeldes hat u. U. einen sehr ungiinsti-gen EinfluB auf Schub- und Drehmomentschwankunungiinsti-gen an der Propellerwelle und damit auf die Erregung von Schiffs-schwingungen. Je groBer die von der Schraube abertrage-nen Leistungen sind, urn so groBer werden auch die Wech-selkrafte, die vom Propeller auf das Schiff abertragen wer-den. Auch beziiglich der Kavitation kann die ungleichfor-rnige Anstromung des Propellers ungiinstige Folgen haben.
Far die Beurteihmg dieser Eigenschaf ten sowie deren
Verbesserung, soweit diese von der Schiffsform und anderen GroBen her beeinflabar sind, ist es erforderlich, daB
aus-reichende Unterlagen aber die Nachstromverteilung zur
Verfiigung stehen. Durch Annahme der Schub- bzw.
Mo-mentenidentitat fiir den Propeller, erstens im
Freifahrt-zustand und zweitens hinter dem Schiffsmodell, laBt sich
zwar der mittlere effektive Nachstrom berechnen, seine
Verteilung in der Propellerebene wird aber in dieser Weise nicht erfaBt. In den letzten Jahren sind einige Einzelunter-suchungen an Motorgiiterschiffen auf beschrankter Wasser-tiefe durchgefiihrt worden [1, 2 und 3], die fur die genann-ten Schiffsformen AufschluB fiber die Nachstromverteilung geben. Filr em n Schubboot im Zweigliedrig-Zwillingsverband hingegen fehlt bisher eine derartige Untersuchung.
Bei Schubbooten handelt es sich urn verhaltnismallig
hochbelastete Propeller, deren Auslegung durch wechselnde
2. Obersicht iiber die Versuche
Modelle Schubleichter: M 751 bis M 762, Typ Europa II"; zweigliedriger Zwillingsvarband
2%. Schubboot: 1) M 771, k o n v e n t i one 1 1 e s 2S-Streckenschubboot
1 :1 6
2)M 799; Katamaran
2S-StreckenschubbootModelldaten siehe unter 2.1
Arllitinge Messungen ohne Gruppenruderanlage und ohne Dilsen. Katamaran-Schubboot mit AnhangenZusatzlicher Propulsionsversuch
Versuchsdaten Nachstrommessungen MeBebene MeBpunkte Wasser-' hohe
Tief- Wasserhohen- Ver- 1) Verband mit 2S-Schabbdot 2) Verband mit
Katamaran-gang verhaltnis drang. ") M 771 Schubboot M 799
[-] 2,8 2,27 1,79 8 780,0 5,0 3,2 2,78 1,56 10 115,0 ") Gesamtverband alif
Mit einer zwecks
VerbesseruPgRaiDq
Zustroms zum Propeller geanderten
Zweirumpf-Formgebung
147. Mitteilung der Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau e.V., Duisburg *) **).
Institut an der Rheinisch-Westfilischen Technischen Hoch-schule, Aachen.
Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungs-vereinigungen e.V., Köln.
Betriebsbedingungen, denen sie ausgesetzt sind, erschwert wird. Daraber hinaus werden dem Trend nach immer
gra-Bere Antriebsleistungen installiert, wahrend in der Wahl
der Propeller relativ zum Schubboot keine Freizagigkeit be-steht.
Abhangig von der Verbandsformation ist die Anstromung
der Schubboot-Propeller besonderen Bedingungen
tinter-worfen. Bereits bei der einspurigen Formation 'carmen die
Stromungsverhaltnisse sehr ungiinstig ausfallen, wie die
Untersuchungen [1] an einem pontonformigen Motorgiiter-schiff, das dem einspurigen Verband vergleichbar ist, erken-nen lassen. Das Nachstromfeld dolt weist eine, entsprechend
der ebenen geradlinig verlaufenden Gillung nahezu
hori-zontale Schichtung der Isotachen auf, deren Absolutwerte nach oben stark abnehmen. Im
Zweigliedrig-Zwillingsver-band, dessert Breitenabmessung (md Tiefgang), die des
Schubboots wesentlich iiberragt, sind ahnliche oder sogar noch unganstigere Verhaltnisse zu erwarten.
Die vorliegende Arbeit befaBt sich Mit Nachstrommessun-gen an einem solchen Verband. In Modellversuchen 1st das Nachstromfeld eines konventionellen Zweischrauben-Schubboots im Zweigliedrig-Zwillingsverband sowohl ohne als auch rnit arbeitenden Propellern aufgemessen worden. Die Versuche erfolgten auf ,der korrespondierenden Wasser-tiefe von 5,0 m. Als Versuchsvarianten sind zwei Leichter-tiefgange fiir je zwei Geschwindigkeiten untersucht worden. ") Die erforderlichen Mittel fur die Untersuchung wurden dan-kenswerterWeise von der Arbeitsgemeinschaft Industrieller
Forschungsvereinigungen e.V. (AIF) zur Verfilgting geStellt. ") Der ausfiihrliche Bericht mit 48 Abbildungen kann zum
Selbst-kostenpreis bezogen werden von der Versuchsanstalt fur
Bin-nenschiffbau e.V., Duisburg, Postfach 582.
Leistting PD [PS] Drehzahl [min-1] GeSdok. V [km/h] LeiStUng PD [PS]
0,4 Dp vor NabenVOr-darkante (Im ModellmaBstab 66 mm vor der Propellerabene)
160 / 166 / 168 MeBpunkte in den Schnittpunkten eines Feldnetzes von 15 mm Teilung
Messung mittels zwei Dreikanal-Zylinder-Staurohren von 6 inni 0 in 150 mm seitlichem Abstand
iiber sechs Druckdosen und se.chs MeBverstarker
Drehzahl [min-1] Geschw. V [km/h] 234,0 12,78 196,0 11,17 234,0 12,01 196,0 ,10,43
MeBfahrten a) ohne Schubboot
mit Leichterverband b) mit Schubboot, jedoch ohne Propeller C) mit Schubboot mit arbeitendem Propeller Tank Flachwassertank der VBD
L = 190 m; B = 9,8 m; h = 312,5 mm entspr. 5,0 m in Natur, ruhendes Wasser
[In] h
Propeller siehe Daten unter 2.1
.3375 241,0 12,78 3040 2040 203,0 11,17 1810 3550 242,0 12,02 3180 2000 201,0 10,32 1840
Dariiber hinaus 1st zu der Frage, durch konstruktive MaB-nahmen der Formgebung die Zustromungsverhaltnisse so githstig wie rhoglich zu beeinflussen, die Katamaran-Bauart fur das Schubboot in Erwagung gezogen worden. Russische GroBversuche [4] mit Katamaran-Schubbooten,die beträcht-lithe erbrachten, lassen die Vorteile
dieser Bauart hinsichtlich der gestellten Forderung erken-nen. Unter dem. Aspekt, claB sich die Katamaran-Bauart als eine alternative L6sung anbietet, sind die hier durchgeftihr-ten Versuche mit vergleichenden Nachstrorninessungen an einem Katamaran-Schubboot, das fiir diesen Zweck in der VBD entworfen wurde, erweitert worden.
:2.1 Modell- und.Propellerdaten Propeller Durchmesser Steigungsverhaltnis Flachenverhaltnis Fltigelzahl Profillange Dickenverhaltnis P/D . AE/AO 00.79R t/D P 186 r/I [m] 0,13125 1,052 0,710 4 [m-] 0,05525 0,0442
3. Verwefidete Modelle
Zur Durchfiihrung der Versuche sind vorwiegend vorhan-dene Modelle benutzt worden. Damit w-urcie erreicht, daB die Untersuchung hauptsachlich mit StandarthTypen durchgeftihrt und gleichzeitig die Modellkosten so gering wie moglich gehalten werden konnten.
Als Leichterverband dienten vier
Schubleichter des Typs Europa II" im MaBstab 1 :16, die aus demVBD-Be-stand stammen. Die Vor- und Hinterschiffslinien dieses
Leichtertyps sind in Bild 3 wiedergegeben. Eine nbersicht
der Modellmessungen gibt die Datentabelle 2.1. Fur die
Ztveigliedrig-ZvAllingsforniation waren die Leichter, tvie Ublich, paarweise mit dem Heck gegeneinander gekoppelt.
Als konventionelles Schubboot wurde das ebenfalls im
MaBstab 1 ::16 vorhandene Modell M771 verwendet. Bei
diesem Modell handelt es sick um emin neuerer Zeit
bautes Zwei-Schrauben-Streckenschubboot, das unter
Be-rucksichtigung der wesentlichen Gesichtspunkte, die den heutigen Forderungen an die Schubschiffahrt Rechnung
tragen, gebaut wurde. Filr die vorliegende Untersuchung 1st die§es Schubboot gut geeignet, urn reprasentativ das Nach-stromfeld an der Einnunpfform zu messen und stellt gleich-ieitig eine typische Ausgangsvariante filr die vergleichen-den Nachstrommessungen an einem Katamaran-Schubboot dar.
Die Propeller sind ini Tunnel angeordnet, der in Knick-spant-Bauweise ausgeffihrt 1st. Der Gillungsanstieg im
Tunnelbereich ist verhaltnismaBig flack gestaltet, urn Mog-lichst giinstige Zu§tromung zum Propeller zu gewahrleisten.
Bild 1 zeigt den SpantenriB sotvie die Vor- und
Hinter-schiffslinien dieses Schubboots.
Bild 1 Vor- und Hinterschiffsform 2S-Streekenschubboot M 771 Hauptdaten: Lila = 35,00 m
BaSpt. = 14,00 m
= 1.75m
V = 517,08 in.
Bild 3 Leichter M 751- 762
Fiir den Entwurf des Katamaran-Schubboots standen
widerstandsznaBige Betrachtungen nicht im Vordergrund. Bemessungskriterien, wie Rumpfform geringeren Wellen-wideestandes und in diesem Zusammenhang der optimale
Rumpfabstand, waren daher von untergeordneter
Bedeu-tang. Es wurde vielmehr von Hauptabrnessungen
ausgegan-gen, denen ja bekanntlich durch die zulassige Lange des
Verbands sowie dtn-ch Wassertiefenbeschrankung Grenzen gesetzt sind. Vor allem aber wurde versucht, die Verdran-gung vergleichl3ar zu halten. Die so gewahlten Hauptdaten
des Katamaran-Schubboots sind nachfolgend angegeben
und denen der Ausgangsvariante gegenithergestellt.
Soil Metre, der Pto,o .9.00re.
UK Spedel Wm Beers I.85m
Bild 2 Vor- und Hintersehiffsform 2S-Streekenschubboot
()Catama-ran) M 799 Hauptdaten: = 38,00 m B gesamt = 14,00 m B Schiffskorper = 5,00 m = 2,00 -hi V gesamt = 541,78 m. Itsattfsa 20
Mit 50/0 /loiterer Verdrangung gegeniiber der
Ausgangs-variante 1st das dtirch die Katamaran-Bauart bedingte
MehrgetAcht nicht ganzlich vernachlassigt geblieben. Der groBere Tiefgang hat neben dem hydtodynamischen Nutzen den weiteren Vorteil, daB Propeller groBer Abmessurtgen ohne die kostspieligen DUsen angeordnet werden konnten;
andererseits 1st bei der Wahl von groBeren Propellern in
3
Modelle 2S-Schub- 2S-Schubboot Schubleichter
boot Katamaran Europa II"
konven-tionell
M7'71 M799 M 751-762
Lange zw d Lot. Lp, [m] 2,1188 2,3750 4,7813
Lange fiber Alles LuA [m] 2,1375 2,3750 4,7813
Br. a. Spt. Schiffskorper Ba.spt [ml 0,8750 0,3125 0,7081 Gesamtbreite Bg.es [m]
-
0,8750 Tiefgang T frn3. 0,1094 0,1250 0,175 0,200 Lange I. d. WL LwL [m] 2,1188 2,3319 4,565 4,611 Verdrangung v [dm.] 126,24 66,14/132,28 535,9 617,4 Benetzte Oberfl. S [dm'] 212,97 110,54/221,08 466,0 491,3 Volligkeit SwL-
0,622 0,726/0,519 0,947 0,945 Katamaran AusgangsvarianteLange fiber -alleS 38,00 m 35,00
Breite (Gesamt), 14,00 m 14,00 m Tief gang 2,00 m 1,75 m
Verdrangung ...
541,78 517,08 In. 96,9 115,6 243,8 229,0 468,8 562,5 70,0 70,0UK Spiegel ilb. Basis [mm] Propellerlage vor Spt. 0 [mm] seitlicher Abstand d. Propeller [narn] Halle Propellerwelle fiber Basis [mm] 70
-7Diisen eine wesentliche Senkung des Bedarfs an Antriebs-leistung filr gleiche Fahrgeschwindigkeit zu erwarten.
Aus Vergleichsgrunden und in rbereinstimmung mit den
Bestrebungen moglichst einf ache Formen zu entwickeln
und damit den Bauaufwand, der bei Zweirumpf-Bauarten ohnehin hoher ist, niedrig zu halten, wurde die Formgebung des Katamaran-Schubboots mit einfachen Linien in Knick-spantbauweise ausgefiihrt.
Bild 2 zeigt den SpantenriB und die Vor- mid
Hinter-schiffslinien des Katamaran-Schubboots. Der freie Rumpf-abstand b betragt 4 m. Die durch Rumpflange bzw. Apreite dimensionslos gemachten Werte entsprechen b/L = 0,105 und b/B = 0,8. Int Vergleich zu den bekannten Versuchen mit Katamaranen [6 und Schriftturnangabe dort sowie 7] ist der Rurnpfabstand gering. Auf Grtmd der besonderen Vor-aussetzimgen fiir das Schubboot im Verband ist jedoch an-zunehmen, 'daB weder eine VergroBerung des Rumpfab-stands (in den moglichen Grenzen) noch eine Veranderung
der Formgebtmg den Gesamtwidetstand des Verbandes
oder die mittlere Nachstromziffer wesentlich beeinflussen. Dahingegen ware durch solche KonstruktionsmaBnahmen
die Sogziffer moglicherweise zu verringern.
4. Versuchsdurchfiihrung
Die Versuche mit dem Schubverband wurden mit zwei
Leichtertiefgangen, entsprechend T = 2,8 und T = 3,2 m, auf ether korresPondierenden Wassertiefe von h = 5,0 m im
gro-Ben Tank der VBD durchgefiihrt.
Widerstands- und Propulsionsversuche jeweils mit
dem Schubboot im Verband gingen den Nachstrommes-sungen voraus, um eine Zuordnung von Propellerdrehzahl
mid Fahrgeschwindigkeit zu ermitteln. Diese Versuche
waren auch wichtig, urn die mittlere effektive Nachstrom-ziffer zu bestimmen und zugleich eine Gegenilberstellung der erforderlichen Leistungen bei den zwei grundverschie-denen Schubbooten zu erhalten. Die Messungen erfolgten in dem Zustand: Schubboot ohne Haupt- mid Flankenruder-anlagen und ohne Diisen. Es wurde filr beide Schubboote das gleiche Propellerpaar benutzt.
Beim Katamaran-Schubboot wurde für gleiche
Fahrtge-schwindigkeiten eine Ersparnis der Antriebsleistung von
etwa 100/0 festgestellt. Mit cliesem hohen Gewinn war der AnlaB gegeben, auch einen Leistungsvergleich mit einge-bauten Dilsen und Anhangen durchzufiihren. Der zusatzlich ausgefiihrte Propulsionsversuch erbrachte keine Leistungs-unterschiede zwischen den beiden Schubbooten mid zeigte, daB es unverzichtbar ist, die Flanken-Ruder in optimal an-gestellter Null-Lage anzuordnen, um EinbuBen in der Lei-stung zu vermeiden. Wegen des dafiir erforderlichen hohen
Versuchsaufwands war es im Rahmen theses Vorhabens
nicht rnoglich, auch die optimale Null-Lage der Flanken-Ruder fur das Katamaran-Schubboot zu ermitteln. Fiir den Versuch waren die beiden inneren Ruder 8° und die auBeren
17° relativ zur Langsachse symmetrisch un.d nach vome divergierend angestellt. Dagegen war die optimale
Null-Stellung der Flanken-Ruder beim konventionellen Schub-boot bekannt und eingehalten worden.
Die Nachstrommessungen wurden in einer Ebene 52,5 mm entsprechend 0,4 X Propellerdurchmesser vor Nabenvorder-kante durchgeftihrt. Die Messungen erfolgten mittels zwei in der VBD angefertigten mid bisher benutzten Zylinder-staurohren. Der Versuchsaufbau ist in [1 mid 2] beschrieben mid braucht deswegen nicht wiederholt zu werden.
Zur Ermittlung der fur die verwendeten Staurohre
gel-tenders Beiwerte wurde im Versuchstank eine Eichung, wie in [1] beschrieben, durchgefiihrt.
Eine 1Thersicht iiber die Versuche sowie die wesentlichen Daten der untersuchten Varianten sind miter 2.0 in Tabel-lenform zusammengefaBt. Trim,, Kosdlostig 10. 147 10 (cm) Absenkung Bild 4
5. Versuchsergebnisse
5.1 Widerstands- mid Leistungsmessungen
Die Ergebnisse der Widerstands- und
Propulsionsver-suche mit dem Schubverband sind in Bild 4 dargestellt. Die Leistungswerte des Katamaran-Schubboots im Ver-band sind fiir beide Leichtertiefgange und irn ganzen Ge-schwindigkeitsbereich giinstiger aLs die des konventionellen
Schubboots. Der Gewinn in der Schleppleistung betragt
etwa 30/o, wahrend die Wellenleistung mit Ersparnissen von mehr als 100/0 noch besser abschneidet.
Die betrachtliche Absenkung des Beclarfs an
Antriebs-leistung ist vor allem dem hOheren SchiffseinfiuBgrad des Katamaran-Schubboots zuzuschreiben. Auch der Propeller-wirkungsgrad, der infolge des gleichmaBigen Ansaugens des Propellers ilber semen Umfang h6her liegen muB, tragt zur Vermindertmg der Leistung des Katamaran-Schubboots bei. Es gilt allgemein, daB der Wirkungsgrad des Propellers bei
seiner Anordnung im Bereich der Wasserstagnation bzw. der abgebremsten StrOmung schlechter ist als im Gebiet
hoheren Stromungsdurchsatzes.
Die Trimm- und Absenkungswerte sind sowohl bei den
Widerstands- als auch bei den Proptilsionsversuchen
an-nahernd gleich. Sie werden durch die Zweirumpf-Formge-bung geringfiigig verandert. Die Absenkung des Katama-ran-Schubboots ist etwas groBer, der Trimm steuerlastig.
Bild 5 zeigt die PropulsionskenngroBen der beiden Schub= bootvarianten. Zwischen den iiber Schubidentitat berechne-ten Werberechne-ten der effektiven NachstromzifferwT fiir die zwei Schubboote zeigen sich keine nennenswerten Unterschiede. Auch die jeweils aus der Aufmessung der
Geschwindigkei-ten im Nachstromfeld bestinunGeschwindigkei-ten Werte der mittleren
nominellen Nachstromziffer
W,
die ebenfalls in Bild 5auf-getragen sind, weisen keine formbedingten Unterschiede
auf. Diese liegen jedoch Miler als die effektiven
Nachstrom-Widerstands.und Propulsionsversuche Mit einem
n(UPMI 300 11 .3,20m Schubverband
41
,, ,, , ,,,fi
poor":1,(,
FA'Xr
,,'
'iiir
A1,
ri. . 2.80rn'V Kotomoron-Schubboot rid gang T00 2,0.0 m VIKrn , ? . 5 fiTrim, und Absenkunig Schubboahverte be1 Propulsionsversuchen
-... ... 14771 banie 799 14475Serhohe h 5.00 m
Schubbool oboe Dusan uncl ohne Ruder konventioneffes 5chubboot Tlelgang 7. .1.75 m 250 200 50 2000 100 (2.1000) 1000 7 8 9 10 12 13 PD (WM <000 (2. 2000) 3000 PE IPS/ 1500 1000 500
0 0,3 0. 0.2 170 o 0.3 0 1, 0 -E aII; 0.2 1,0 konventionelles Schubboot ----Katamaran-Schubboot 7i =3 20m _
gemessener Wn Milfelwert (ohne Propeller)
Ober Schubidentitat
T, =2.80m
Bild 5 Nachstrom-, Sogziffer und Wirktmgsgrade, Schubverband
werte. Auf die Diskrepanz wz, und WT wird spater naher eingegangen.
Der Vergleich der Sogziffer zeigt niedrigere Werte fur das
Katamaran-Schubboot und verdeutlicht die durch
Zwei-rumpf-Formgebung verbesserten Arbeitsbedingurigen fur den Propeller.
Die Beobachtung der bewegten Wasseroberflache sowie die Aufnahmen der Wellenbildung an den Seiten des Kata-maran-Schubboots (ausf. Bericht) zeigen keine tibermaBige
Wellenbildung an der Seite des Rumpfkorpers. Das
Stro-mungsfeld des Leichterverbands ist dominierend. Eine ge-genseitige Storung der Rumpfumstromung beim Katama-ran-Schubboot ist kaum oder nur beschrankt vorhanden.
5.2 Nachstrommessungen
Zur Ermittlung der Nachstromverteilung an beiden
Schubbootvarianten wurden die ortlichen
Geschwindigkei-ten in den SchnittpunkGeschwindigkei-ten eines netzartig verteilGeschwindigkei-ten qua-dratischen Gitters in einer zur Langsachse senkrechten
Ebene im Abstand von 0,4 X Dp vor dem Propeller sowohl ohne als auch mit arbeitendem Propeller gemessen. Die Ent-fernung zwischen den Mel3punkten betrug 15 mm. Die hori-zontale Ausdehnung des MeBgitters erfaBte eine Breite von 2 X Dp , wahrend die untersten MeBstellen auf einer Ebene 10 mm tiefer als die Unterkante des Propellers lagen. Aus
Symmetrie-Griinden wurde das Nachstromfeld nur auf
einer Seite bzw. vor einem Propeller aufgemessen. Die Ver-suche mit dem Schubverband erfolgten mit zwei Leichter-tiefgangen bei jeweils z-wei Geschwindigkeiten.
In einer weiteren Versuchsreihe wurde die
Geschwindig-keits-Verteilung im Nachstromfeld des Leichterverbands
ohne Schubboot fiir beide Ladefalle bei einer
Geschwindig-keit gemessen. Der Abstand des gemessenen Feldes hinter dem Verband betrug 0,86 X Lange des Schubboots (M 771). Dies entspricht der Lage der MeBebene bei Vorhandensein
des Schubboots. Auch die GroBe der MeBebene war die
gleiche.
Messungen an beiden Schubbootvarianten in Alleinfahrt wurden nicht durchgeffihrt.
Die Verteilung der mittels Verbandsgeschwindigkeit dimensionslos gemachten axialen Zustromungsgeschwindig-keiten VA bzw. der Nachstromziffer w 1st in Bild 6 bis 12 aus Platzgriinden nur far den Tiefgang TL = 2,8 m und fur die Geschwindigkeit V = 12,78 km/h wiedergegeben.
7
/64
Bild 6 Geschwindigkeitsverteilung, bezogen auf Verbands-geschwindigkeit VA/V, Leichterverband ohne Schubboot.
menwe
IrassarhOh ft 1000 Llchfallegang C 2.80o
GschOntproll V 12.7. 0015
Bild 7 Geschwindigkeltsvertellung, bezogen auf Verbands-geschwindigkeit VA/V, Schubboot ohne Propeller.
IMSVIII5h h
Lvichlvrhvitmg II 4800
Cleetwheglaidt V 07314M0
Das Nachstromfeld hinter dem Leichterverband ohne
Schubboot (Bild 6) zeigt eine storungsbehaftete Stromung. Neben dem Einflul3 der Oberflachenwellen weist der
Ver-lauf der Linien gleicher Geschwindigkeit auf Ablosungs-gebiete him Diese sind scheinbar auf die stumpfwinklige
Formgebung des Wasserlinieneinlaufs beim Pontonbug zu-rtickzufiihren und vor allem im oberen Bereich dort zu
er-5 72 =2,80m TL =3.20m 72 .3.20m 72 =2.80m ....- ..-- ...-.- -- ...-...- -- --, '-... .--T, =3.20m 7i x 2, 80 M ,...""'.
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Bild 8 Geschwindigkeitsvertellung, bezogen auf Verbands-geschwindigkeit VA/V, Katamaran-Schubboot ohne Propeller.
kennen, wo die Wasserlinien des Leichters abgeknickt ilber Kimmflache in die ebene Bodengillung einlaufen. Ortlich
abgebrernste Str6mung ist in der Mitte der im Verband
nach innen liegenden Leichterhalfte, besonders bei groBem Tiefgang, feststellbar.
Die gemessene Flache stellt nur einen kleinen Teil des Nachstromfeldes des Leichterverbands dar und gestattet
keine allgemeinen Aussagen fiber die Verteilung der Stro-mung. Der Verlauf der Isotachen laBt tendenzgemaB
fest-stellen, daB die in etwa gleichem MaBe verlustbehaftete Stromung fiber eine Flache der transversalen Ebene
ver-teilt ist, die fast die ganze Hauptspantflache des hier anzu-bringenden Schubboots erfaBt.
Die Nachstromziffer, gemittelt fiber die gemessene Flache, betragt 0,285 fur TL = 2,8 m und 0,294 fiir TL = 3,2 m.
Die Verteilung des nominellen Nachstroms an beiden
Schubbooten zeigen die Bilder 7 und 8 (weitere in ausf. Be-richt). Der Verlauf der Linien gleicher Geschwincligkeit bei nicht arbeitendem Propeller ist in beiden Fallen sehr ahn-lich. In den beiden unteren Quadranten der Propellerkreis-flache ist keine wesentliche Beeinflussung durch die unter-schiedliche Formgebung des Schubboots zu erkennen. An der auBeren Propellerperipherie bleibt das Stromungsfeld des Leichterverbands mehr oder weniger unverandert.
Der sich an der ebenen Bodengillung des jeweiligen
Schubboots ausbildende Reibungsnachstrom bestimmt den
Verlauf der Isotachen in den oberen Quadranten der
Pro-pellerkreisflache. Entsprechend der Spantcharakteristik der Hec.kspanten ergibt sich eine nahezu horizontale Schichtung der Isotachen, deren Absolutwerte nach oben stark
abneh-men. Der Abfall der Geschwindigkeit in der vertikalen
Richtung bzw. die Dichte der Isotachen, ausgedriickt als das Gefalle für einen Isotachensprung von AVA/V = 0,05, ist beim Katamaran-Schubboot geringer als bei der
Ausgangs-variante. Eine Umschichtung der Isotachen zwecks
Ver-gleichmaBigung des nominellen Nachstroms durch
Kata-maran-Bauart erscheint jedoch nur in geringerem MaBe moglich. Dies gilt besonders dann, wean an der
Spant-charakteristik der Hinterschiffslinien sowie an der Hinter-schiffs-Volligkeit festgehalten wird. Erschwert werden die MaBnahmen zur VergleichmaBigtmg der Zustromung durch
die Notwendigkeit, relativ groBe Propeller bei geringen
Tiefgangen in hochgezogenen Tunneln anzuordnen.
Ablosungsgebiete am Schubboot wurden nicht festgestellt.
Im Gegenteil, das Anordnen des Schubboots scheint den
stark verwirbelten Nachlauf des Leichterverbands giinstig
zu beeinflussen. Die Verbandsgeschwindigkeit im unter-suchten Bereich zeigt keinen markanten EinfluB auf die
Nachstromverteilung.
Die Nachstromfelder bei arbeitendem Propeller sowie die Veranderungen der ortlichen Geschwindigkeiten infolge des arbeitenden Propellers sind in Bild 9 bis 12 wiedergegeben.
Die arbeitende Schraube bewirkt teilweise eine Vergleich-maBigung des Nachstromfeldes. In diesem Zusammenhang wird auch auf die Untersuchung [8] hingewiesen. Die Iso-tachen passen sich weitgehend der radialen Steigungsver-teilung an und zeigen, besonders bei dem Einrumpf-Schub-boot, einen fast ringformigen Verlauf, dessen Mittelpunkt
seitlich verschoben in der auBeren Halfte der
Propeller-kreisflache liegt. Die seitliche Verschiebung verdeutlicht, daB der Propeller hauptsachlich aus dem auBeren Tunnel- und ICimmbereich ansaugt. Das stark abgebremste
Stromungs-feld mittschiffs und nah an der inneren Tunnelwand
er-fahrt naturgemaB nur geringe Veranderungen.
Auffallend sind die Geschwindigkeitsanderungen durch den arbeitenden Propeller, die jeweils filr eine
Verbands-geschwincligkeit ausgewertet mid in Bild 10 und 12 als Vmp VoP
dimensionslos gemachten Werte aufgetragen
VVerband
sind. Diese bewegen sich filr das konventionelle Schubboot
Al771 =O..= Melo=
LITANFM,
drAl
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-7 ...17',11)// -1,LIERIEL
,myramlusalmirlumear
5 aBild 9 Geschwindigkeitsvertellung, bezogen auf Verbands-geschwindigkeit VA/V, Schubboot mit arbeitendem Propeller.
14111.I0
Bild 10 Geschwindigkeitsanderung durch einen arbeitenden Pro-peller (Vmp Vop) I VVerbalad
MIIIM1111111141O SOMI MM.! Viasserhehe h 5.0m loChlerrhelgehp ZetIn OsChnodlyhof V 11.78 10.171 Provvibr=enzahl n.20.0 =no 10218=h6h h talchMlelporg IL. 28 = 0....nag=e1 V 12.78.1h IVaseerhdh h SO 280nt OevenendIgkell V 12.780mlh Plepoleedrvhsahl A. 220.0 silk, ,.4.0.5o r
BM 11 Geschwindigkeitsverteilung, bezogen auf Verbands-geschwindigkeit VA/V, Katamaran-Schubboot mit arbeitendem Propeller
Bild 12 Geschwindigkeltsanderung durch den arbeltenden Propeller
lolelleavo Malawn. 111771 ; kWh
LL L
.1.1_ I \c / _I 1L
.1 I._ I. I I L_L_L L_iBild 13 Horizontal-Anstromgeschwindigkeits-Komponenten in die Zeichenebene umgeklappt Schubboot ohne Propeller.
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Bild 14 Horizontal-AnstrOmgeschwindigkeits-Komponenten in die Zeichenebene umgeklappt Schubboot mit arbeitendem Propeller.
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1 / /Bild 15 Horizontal-Anstromgeschwindigkeits-Komponeten in die
Zeichenebene umgeklappt Katamaran-Schubboot ohne Propeller.
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ROM.. 10 4li05fer5eli.0 2. 2.50. Gamh..figkelt v 122. Nom Rapalmr.von/ q. Sr,Bild 16 Horizontal-Anstromgeschwindigkeits-Komponenten in die Zeichenebene umgeklappt Katamaran-Schubboot mit arbeiten-dem Propeller.
zwischen 200/0 der Verbandsgeschwindigkeit an der unteren Propellerperipherie und 65 °/o im Tunnelbereich. Demgegen-iiber ergeben sich für das Katamaran-Schubboot Werte, die zwischen 20 und 400/0 liegen und auBerdem eine gleichmai-gere Verteilung tiber dem Propellerumfang aufweisen. Der filr die Diskflache resultierende Mitteiwert betragt 38 °/o fiir
das konventionelle und 300/0 fiir das
Katarnaran-Schub-boot.
Die Geschwindigkeitserhohung infolge des arbeitenden Propellers, die als Impuls gedeutet werden kann, ist beim konventionellen Schubboot erheblich groBer und weist auf
die relativ starkere Propellerbelastung hin. Gleichzeitig
veranschaulicht die Verteilung der Isotachen, daB der Pro-peller ilber semen Umfang sehr unterschiedliche Beschleu-nigungsarbeit leistet. So ist auch zu erklaren, daB die Lei-stungskenngroBen beim konventionellen Schubboot weniger giinstig ausfallen als die der Katamaran-Variante.
Bild 13 bis 16 geben die in die Zeichenebene geklappten horizontalen Geschwindigkeitsvektoren nach GrOl3e und Richtung in dem MeBnetz erstens fill. die Ausgangsvariante
und zweitens fiir das Katamaran-Schubboot wieder. Die Veranderung der Ortlichen Zustromungsgeschwindigkeit und ihrer Richtung durch den arbeitenden Propeller ist
deutlich zu erkennen. Die bei arbeitendem Propeller
kon-vergierenden Stromfaden sind in der rechten Halite des
MeBfeldes und damit auf der Auf3enbordseite starker ge-neigt und zeigen, daB der Propeller mehr von der Seite an-saugt. 25 -5chubboot Katamaran-Schubboof M771 M799 0.2 ,v0 W, EOL7012.--ohm Schubboof a, 7 20 2.5 20 2.5 Vlazurhhhenvrtohlrms
Bild 17 Nachstromwerte Schubverband: Wasserhohe = 5,0 m,
Geschwindigkeit = 12,0 km/h (Fnh = 0,475).
Der Vergleich des hier aufgemessenen nominellen Nach-stroms mit dem iiber Schubidentitat ermittelten zeigt, daB die erstgenannten Werte holler liegen (Bild 17). Dies ent-spricht den bisher in der Versuchstechnik gemessenen Er-gebnissen [1, 2, 9 und 10]. Mit wachsendem
Wasserhohen-verhaltnis bzw. geringerem h/T-Verhaltnis nehmen diese
Werte zu und gleichzeitig entfernen sie sich weiter vonein-ander. Bei der vorliegenden Untersuchung 1st eine ahnliche Tendenz, wenn auch in geringem MaBe, feststellbar. Der
Vorgang laBt sich dadurch erklaren, daB die infolge der
Wassertiefenbeschrankung erhohten 'Obergeschwindigkei-ten an Seite Schiff die Breite der Reibungsschicht beeinflus-sen und demzufolge den nominellen Nachstrom verandern.
Auf der anderen Seite wird bei arbeitendem Propeller der effektive Nachstrom durch die Belastungsanderung des Pro-pellers in Abhangigkeit vom h/T-Verhaltnis beeinfluBt.
Die Differenz zwischen dem Volumen-Mittelwert des
nominellen und dem fiber Schubidentitat ermittelten effek-tiven Nachstrom unterliegt bisher nicht bekannten Geset-zen. In [9] ist z. B. die Abhangigkeit des effektiven Nach-stroms vom Fortschrittsgrad und vom Steigungsverhaltnis des Propellers tmtersucht worden. Bei zunehmender
Stei-gung und gleichem Fortschrittsgrad, bei der Schub und
Schubbelastungsgrad groBer werden, nimmt der effektive Nachstromwert ab. Die vergleichsweise groBere Diskrepanz bei dem konventionellen gegenilber dem Katamaran-Schub-boot laBt sich z. T. hierdurch erklaren. Auch der Sog, der bei
vorgegebener Heckform und vorgegebenem Propeller und
Propellerabstand fur vorn Belastungsgrad des Propellers abhangt, ist folgerichtig niedriger bei dein
Katarnaran-Schubboot.
6. Zusammenfasstmg
Der yorliegende Bericht enthalt die Ergebnisse von Mo-de.11versuchen zur UntersuChung der Nachstromverteilung an einern Schubverband in Zweigliedrig-Zwillingsformation. Das Nachstromfeld ,des im Verband angekoppelten Schub-boots wurde zu Vergleichszwecken an einem vorhandenen Zweischrauben-Schubboot in Knickspantforrn und an einem Katamaran-Schubboot, dessen liumpffonngebung ebenfalls in Knickspant-Bauweise ausgefiihrt war, aufgemessen. Die
Versuche wurden sowohl ohne als auch mit arbeitendem
Propeller durchgefiihrt.
Der Vergleich der Nachstromverteihmg bei nicht
arbei-tendern Propeller zeigt einen ahnlichen Verlauf der,
Iso-tachen fur beide Schubboote. Der sich an der ebenen Boden-gillung des jeweiligen Schubboots ausbildende Reibungs-nachstrom beeinfluBt im wesentlichen den Verlauf der Iso-tachen. Die Urnstriimung des einzelnen Katamaranrumpfes wirkt sich auf den nominellen Nachstrom gering aus.
Dahingegen zeigen die Nachstromfelder bei arbeitendem
Propeller, dal3 der Propeller beim Katamaran-Schubboot
aber semen Umfang gleichrnaBiger ansaugt. Die durch the Zweirumpf-Formgebung verbesserten Arbeitsbedingungen
fiir den Propeller machen sich in PropulsionskenngroBeri bernerkbar. Die Verminderutig der erforderlichen Antriebs-leistUng gleicher Fahrgeschviindigkeit betragt 10 6/0.
7. Sdirifttunt
- [I] SchmidtStiebitz, Luthra: Untersuchung der
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