Energieeinsparung und manövrierverhalten von ein-schraubenschiffen mit neuartiger propeller und ruder-anordnung

,ARCHID-

Lab.

v. Scheepsbouwkuncle

Technische Hogeschoot

Delft

Energieeinsparung und Manovrierverhalten von

Einschraubenschiffen

melt

neuartiger propeller

und Ruderanordnung

Energieeinsparung und Manovrierverhalten

von Einschraubenschiffen mit neuartiger

Propeller- und Ruderanordnung

Dipl.-Ing. G. Luthr a') 2)

This paper gives a summary of VBD report 1127 over model tests to

investi-gate feasibility of a stern design concept for single screw vessels as an

approach to minimise thrust deduction and thus reduce propulsive power requirement by shifting the propeller plane far astern while replacing the rud-der with twin blades arranged abreast of the propeller.

With reduced slope of waterlines enabled by this concept from extending these further aft and the advantage that a larger diameter propeller can be accommodated, power savings between 6 and 10 % can be obtained. Twin rud-ders show no disadvantage in normal runs but by not being in propeller wash provide Little steering force at zero and small speeds. The application is thus particularly interesting for ships which are generally equipped with auxiliary

manoeuvring devices.

Als Energieverbraucher ist

die Schiffahrt, gerade weil sie - bezogen auf die befOrderte Menge und die

zu-riickgelegten Entfemungen - der

sparsamste Verkehrstrager ist und bleiben will, von den sprunghaft ge-stiegenen Treibstoffkosten betrof-f en und zu erhohter Sparsamkeit

ge-zwungen. Aus hydrodynamischer

Sicht laBt sich dieses Ziel im wesent-lichen durch Verbessertmgen im An-triebsbereich ezTeichen, einschlieB-lich der Schiffsform und der Propel-ler- und Ruderanordnung, die einen niedrigen Widerstand mid einen ho-hen Propulsionsgategrad sicher-stellen.

Wahrend sich der Wirktmgsgrad des Propellers nicht mehr nennens-wert steigern laBt, konnen der Pro-puLsionsgiitegrad und die Laufruhe im Betrieb, wie einige Sonderfalle in der Vergangenheit- zeigten, z. B.

durch bessere Nutzung des

Rei-Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau e. V., Duisburg

231. Mitteilung der Versuchsanstalt fiir Binnenschiffbau e. V., Duisburg, Institut an der Rheinisch-Westfalischen Techni-schen Hochschule, Aachen, Mitg,lied der

Arbeitsgemeinschaft Industrieller

For-schungsvereinigungen e. V., Kohl Die 231. Mitteilung iSt eine Kurzfassung des VBD-Berichtes 1127. Die Arbeitsge-meinschaft Industrieller

Forschungsver-einigungen e. V., Köln, hat auf Antrag der Versuchsanstalt in dankenswerter Weise die Durchfuhrung des Versuchsprogram-mes ermoglicht und das Vorhaben aus

Mit-teln des Bundesministeriums fiir

Wirt-schaft gefordert. Der vollstandige Bericht

kann zum Selbstkostenpreis zuzilglich Porto von der Versuchsanstalt for Binnen-schiffbau e. V., Klocluierstr. 77, 4100 Duis-burg 1, bezogen werden.

M1230

Bild 1: Modell eines Frachters in herkomm-licher Eleckspantform mit nach hinten ver-setztem Propeller, Zwillingsruder and auf-gefillter Gillimg

bungsnachstroms [1; 2] bzw. der La-gerung der Propellerwelle in einem elastischen Stevenrohr [3] noch ge-steigert werden. Die Aktivitaten auf diesem Gebiet umfassen eine Viel-zahl von weiteren MaBnahmen, wo-von die alteren teilweise in [4] be-sciu.ieben sind. Einige Beispiele aus den neueren Entwicklungen sind:

koaxiale und ilberlappende

Propeller-anordnungen der Heckwulst

tmkonventionelle Heckanordnungen,

wie Katamaran-Heck, Anordnung der

Propeller in Tunneln

das asymmetrische Hinterschiff (5) das Grim'sche Leitrad® [6] der TVF-Propeller [7]

die Zustrom-Ausgleichsdilse [8; 9] die Becker-Y-Diise [15]

Ausgehend von der Notwendigkeit einer Verminderung des Antriebslei-stungsbedarfs, ist in der

vorliegen-den Arbeit eine neuartige

Anord-nung von Propeller mid Ruder nach einem Vorschlag von Prof.

Schnee-kluth untersucht worden. Dieser

sieht eine Versetzung des Propellers weit nach hinten vor, um die

Sog-kraft-bedingten Verluste im

Lei-stungsiibertragungsbereich zu ver-ringem.

Geringfiigige Verlangerungen des Stevenrohrs und damit die Verlage-rung des Propellers nach lainten sind in einigen Fallen vor allem zur

Ver-besserung der

Schwingungserre-gung ([3] mid [11]) bereits in der Ver-gangenheit vorgenommen worden. Dagegen wurde eine starke Vergro-Berung des Abstands zwischen Pro-peller mid Rumpf bisher nicht in Be-tracht gezogen, weil das hinter dem Schiff angeordnete Ruder dies ohne eine Verlangerang des Schiffes nicht zulaBt. Als AbhiLfe wurde im vorlie-genden Fall statt des ilblichen Ru-ders em n Zwillingsruder mit je einer Flache seitlich versetzt neben dem Propeller angeordnet, urn die beab-sichtigte Verlagerung der Propeller-ebene zu verwirklichen.

Der ausfiihrliche VBD-Bericht

1127 enthalt die vollstandige

Be-schreibung der Versuche mid die Er-gebnisse. Sie werden bier in gekiirz-ter Darstellung wiedergegeben.

Untersucht wurde these Propeller-und Ruderanordnung an zwei Schiffsvarianten. Die vergleichen-den Messungen am ersten Modell ei-nes Frachters

in herkommlicher

Heckspantform (Bild 1) lieBen zu-nachst erkennen, daB die

VergroBe-rung des Propellerabstandes nicht

zum erwiinschten Erfolg fiihrt, wenn nicht gleichzeitig eine Zuscharfung der Wasserlinien im Hinterschiffsbe-reich vorgenommen wird. Diese und weitere MaBnahmen, wie eine Ver-groBerung des Propellerdurchmes-sers, die durch Verlagerung der Pro-pellerebene bei unverandertem Freischlag moglich ist, und eine Auf-ftillung der Gillung ilber mid hinter

dem Propeller, ergaben eine

Lei-stungseinsparung von etwa 8 % im Dienstgeschwindigkeitsbereich. Die Manovrierfahigkeit mit dem seitlich versetzten Zwillingsruder zeigte

,I,m 1 1 r "

1

_A

_

2294 HANSA- Schiffahrt -Schiffbau - Hafen 122. Jahrgang 1985 -Nr. 22

MS 19 20

BiId 3: Heekanderung X = 37 M 1230.1, M1230

keine Nachteile in Fahrt. Dagegen

war die Steuerkraft im Stand sehr

gering.

Eine solche Propeller- und Ruder-anordnung diirfte daher in erster Me fur diejenigen Schiffstypen von besonderem Interesse sein, die von Anbegirm mit Bugsteuerorganen

ausgertistet werden wie z. B. die

neuzeitlichen Ro-Ro-Schiffe. Bei diesen Schiffen geht der Trend aus Wirtschaftlichkeitsgriinden mehr mid mehr zu der Einschrauben-An-ordnung. Allerdings bereitet die Formgebung dann einige Schwierig-keiten, da der Wunsch besteht, die Maschine weit hinten anzuordnen, wodurch das Hinterschiff volliger, die Zustromung ungleichmaBiger und damit die Gefahr der Schwin-gungserregung groBer wird. Die

Formgebung solcher Schiffe ist in [10] ausfiihrlich behandelt. Die Form des anschlieBend tintersuchten Mo-dells ist den dort enthaltenen Aus-ftihrtmgen entnommen worden. Der

SpantenriB wird in Bild 2 gezeigt.

Ausgehend von diesem Modell,

wurde entsprechend der

Aufgaben-[4120 Kopf s 1

_0.0

.= F 20 40 .flSz" IkW1 14000 13000 12000 13000 10 000 9000 8000 7000 16 5me 17 Leistungsmessungen M 1230 18 Vs Lknl 16 17 18 VsEknl Bild 5: Lestungsmessungen M 1230

stellung der Propeller nach hinten versetzt und die Hinterschiffslinien zugescharft. Letzteres ist durch die Verlagerung der Propellerebene nach achtern moglich, ohne die Ma-schinenraumbreite wesentlich zu

verkleinern. Die hierftir vorgenom-mene Heckanderung wird in Bild 3 gezeigt, wahrend die Anordnung von Propeller und Zwillingsruder in Bild 4 schematisch dargestellt wird.

Die Ergebnisse der Leistungsmes-sungen mit schrittweise geanderter Propeller- und Ruderanordnung werden in den Bildern 5 und 6 der Ausgangsvariante C) vergleichend gegentibergestellt. Es ist ersichtlich, daB die VerSetzung des Propellers

nach hinten bei gleichzeitiger

Zu-Die mit der Variante C) in verglei-chenden Z-Manover-Versuchen und Ruderquerkraftmessungen erzielten Ergebnisse zeigen, daB sowohl die SteuerkenngroBen als auch die Querkraft in Fahrt durch die Zwil-lingsruderanlage verbessert werden. Dagegen bleibt die Steuerkraft im Stand nur gering, da die Ruderflache erst bei groBen Winkeln vom Propel-lerstrahl beaufschlagt wird. Fiir die Kursfahrt ist das Zwillingsruder tiberciimensional. Eine in der HOhe vorgenonunene Ktirzung der Ruder-flache urn 15% ergab eine zusatzli-che Leistungsreduktion von 2%.

Da ein solches Schiff tiblicherwei-se mit einem Bugsteuerorgan

ausge-rtistet wird, das die notwendige

Ruder flack corn 5° divergierend angestellt

Bild 4: Propeller- und Rnderanordnung Variante C) bis 0 = M 1230.1

scharfung der Wasserlinien zu-nachst jedoch ohne Ruder (Variante 6) eine Leistungsverringerung von 6 bis 7 % ergibt. Mit der Anordnung des Zwillingsruders Variante C) geht der Gewinn, bedingt durch den Eigenwiderstand der Ruderflachen,

auf 1,0% zurtick.

Die Verlagerung der,Propellerebe-ne nach hinten ermoglicht eider,Propellerebe-ne Ver-gr6Berung des Propellerdurchmes-sers. Mit dem von 5,92 m auf 6,66 m vergroBerten Propellerdurclunesser in Variante C) konnte der Leistungs-gewinn der mit Zwillingsruder aus-geriisteten Variante auf 6 bis 7%

ge-steigert werden. Eine nochmalige

VergroBerung des Propellerdurch-messers urn 6,5 % in Variante C)

er-brachte keine weitere Steigerung

des Gewinns.

Auch der Versuch, die Gillung tiber und hinter dem Propeller aufzuftil-len, ergab bei dieser Hinterschiffs-form keine zusatzliche Leistungsein-sparung und lieferte die Bestatigung, daB these MaBnahme bei modernen Spiegelheckformen kaum einen Vor-teil verspricht.

Steuerkraft im Stand liefert, und

ei-ne wesentliche Verbesserung des

Zwillingsruders in dieser Hinsicht kaum noch moglich ist, wurde in ab-schlieBender Arbeit die Anbringung

0.3 02 03 t0.15 030 0,05

--

---1,1 OA i 0,7 _Cf) ----16 17 VsIke) 18 Bild 6: Leistungsmessungen M 1230

11

MI

'III

_{\ \\}

', \\,12a.s

HANSA - Schiffahrt - Schiffbau - Hafen 122. Jahrgang 1985- Nr. 22 2297

'le

einer Zustrom-Ausgleichsthise ([9

und 14]) in Verbindung mit der vor-liegenden Propeller- und Ruderan-ordnung im Propulsionsversuch un-tersucht, urn AufschluB ilber mogli-che weitere Leistungseinsparungen zu gevtrinnen. Dieses fiihrte zu einer weiteren, wenn auch geringen Lei-stungseinsparung von etwa 2%.

Zusammenfassend laBt sich sagen, daB durch die hier erorterten MaB-nahmen Leistungseinsparungen von 6 bis 10% auch bei den neuzeitlichen, relativ schlanken Schiffen moglich sind. Sie diirften jedoch fiir

gen Schiffstypen von besonderem Interesse sein, die von Anbeginri mit aktiven Manovrierhilf en wie z. B. Bugsteuerorgan

ausgeriistet

wer-den. Literatur

[ 1] Manzen, P.: Verbesserung des

Propul-sionsgiitegrades durch Ausnutzung des Reibungsnachstroms; HANSA", Heft

18/1970

Schmidt-Stiebitz, H. Luthra, G.: Unter-sucting der Eieeinflussung des 'Schiffs-Antriebs-Leistungsbedarfs durch

Lea-flachen, die den Reibungsnachstrom

sarruneln; HANSA", Heft 18/1970 Grim, 0.: Lagerung der Propellerwelle in einem elastischen Stevenrohr; Jahrbuch

STG, 54. Bd., 1960

Meyne, K.: Schiffspropeller; VBI-Z 114/ 1972

Collatz, G.: Treibstoffeinsparung durch asymmetrische HinterSchiffsformen fiir Einschrauben-Schiffe; HANSA", 1-2/ 1982

Grim, 0.: Propeller und Leitrad;

Jahr-buch STG, 60. Bd., 1966 und 76. Bd., 1982;

IfS Bericht 388/1979 und JSR, Nr. 4/1980 Ruiz-Fornells, R. Peres Gomez, G.: Full-Scale Results of First TVF Propellers;

ISSHES international Symposium on

Ship Hydrodynamics and Energy Saving,

Madrid, 1983.

Luthra, G.: Energy Saving in Ship

Pro-pulsion from Application of Flow

Straightening Devices; ISSEES, Madrid, 1983

Luthra, G.: Verbesserung des Schiffsvor-triebs von Einschraubenschiffen durch Leitflachen im Propellerzustrom;

BMFT-Statusseminar, Hamburg, 1983; IfS Kon-takt-Studium, 1984; VBD-Bericht 1093

Vossnack, E., Buys, C.T., Jonk, A., Vriend,

S.G., Beek, J. v. d.: Development of Large Cellular Container Vessels; Jahrbuch

STG, Bd. 76/1982

Volker, H.: Diskussionsbeitrag zuñi Vor-trag tiber die Wechselwirkung zwischen Schiff und Propeller" von Pohl, K. H.; Jahrbuch STG, Bd. 55/1961

Luthra, G.: Systematische Ermittlung und Zusammenstellung der charakteri-stischen SteuerkeringroBen von

Binnen--schiffen und Schubverbanden; Zell-schrift fiir Birmenschiffahrt und Wasser-straBen, Nr.4/1985

Brix, J.: Die ManOvrierdaten der Ham-burgischen Versuchsanstalt; FDS-Be-richt 15/75

MaBnahmen zur Energieeinsparung -Zustrom-Ausgleichsdiise; Schiff und Ha-fen, Heft 9/1984, sowie HANSA", Heft

18/1984

Heuser, H., Nussbaum, W.: Entwicklung eines Dilsensystems für hochbelastete

Propeller an flachgehenden, volligen

Schiffen; Schiff und Hafen, Heft 11/1982