Weitere schritte in der optimierung der hinterschiffsform für schiebende grossmotor-schiffe

Weitere Schritte in der Optimierung

der Hinterschiffsform

für schiebende Großmotorschiffe

1. Ausgangssituation undAufgaben-ste/Jun g des Vorhabens

1.1 Ausgehend von der Koordinierung wis-senschaftlich ungenutzter Konstruktionser-fahrungen aus der Praxis mit Entwicklungen

der VBD und neueren Arbeiten zur Syste-matik der Tunnelformen, sind seit 1983 in einer Folge von Forschungsvorhaben der AiF 1Lit. 1-61 neue Erkenntnisse über die Formgebung der Tunnelhinterschiffe für

Großmotorschiffe erarbeitet worden. Das Doppelschrauben-Großmotorschiff mit einem Leichter (Verbandsabmessungen 185 X 11,4m) ist zu einer wesentlichen Kompo-nente der Schubschiffahrt geworden. Diese nach hydrodynamischen und praktisch-wirt-schaftlichen Gesichtspunkten günstige

For-mation bietet eine besonders flexible Lö-sung für verschiedene Transportaufgaben, die hei Bedarf auch das Mitführen von 1-2

weiteren Leichtem erlaubt.

Wegen der erforderlichen höheren

An-triebsleistung, die in der Schubfahrt auch bei kleinen Tiefgängen voll verfügbar sein

muß, werden an die Hinterschiffsausbildung des schiehenden GMS zum Teil andere und

höhere Anforderungen gestellt als an den Einzelfahrer. Dabei ist die

Tunnelformge-hung wichtigster Ansatzpunkt für

wirt-schaftliche Verbesserungen am Antriebssy-stem dieser Schiffe.

1.2 Frühere Untersuchungen als Ausgangs-punkt für das vorliegende Forschungsvorha-ben und daraus resultierende AufgaForschungsvorha-benstel- Aufgabenstel-lung.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT Laboratorium voor

(Systematische Untersuchungen

Scheepshydromechanlca

mit einer neuen Form

Archief

für hochbelast efe Doppeischrauben-Tunneisch life)

Mekelweg 2, 2628 CD DeIft

Tel.: 015- 786873 - Fax: 015- 781838

* Kurzfassung des Berichtes Nr.1266

derVersuchsanstaltfür

Binnenschiff-bau Duisburg über das AiF-Forschungsvorhaben Nr. 7482*.

255. Mitteilung der Versuchsansfalt für Binnenschiifbau e.V., Duisburg

Dr. -in g. Norbert von der Stein

Es konnte von zwei eingehend untersuchten Hinterschiffsformen (A) und (B)

ausgegan-gen werden 1Lit. 2 und 3]. die in

wesentli-chen Punkten vergleichbar waren

identisch in den Hauptabmessungen, der Länge des geformten Hinterschiffes, den Formkennwerten und sehr ähnlich in den

Tunnel-Kennwerten.

jedoch verschieden im Formtyp, d. h. unter-schiedlich

- im Charakter der Spantform und - im Querabstand der Propeller.

y

I'll'--UI II, FormA Modell 1192 MS

Der systematische Vergleich dieser beiden Formen hatte zwar in den

Belastungsberei-chen der Schubfahrt eine Präferenz für die

Form (B) ergeben, die Form (A) war jedoch

in bestimmten Freifahrtbereichen und auf

flachem Wasser besser. Damit war zwar die

Möglichkeit einer gezielten Verzweigung

der Weiterentwicklung gegeben, aber noch

keine Optimalform gefunden. Außerdem blieb die Frage offen, ob die festgestellten großen Unterschiede mehr dem

Formcha-rakter oder dem Propellerabstand

zuzu-schreiben waren.

Dabei stehen durchaus noch lohnende Ver-besserungsmöglichkeiten offen, wie ein vor-greifender Blick auf die Ergebnisse (Abb. 6) zeigt: Ahnlich wie dort, allerdings in

vielfäl-tig veränderlicher Abhängigkeit von den

Form B Modell 1193

Abb. 1: Unterschiedlicher Formcharakter der beiden vorher untersuchten Hin-terschiffe

* Die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forsehungsver.

einigungen e.V.. Köln. hat der Versuchsanstatt für

Binncnschiffbau e.V.. Duisburg, auf deren Antrag in dankenswerter Weise dic Durchführung des Versuchs-programms ermöglicht und das Vorhaben aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft gefördert.

Form- und Fahrtparametern und zum Teil

auch unter wechselnder Rangfolge der

Va-rianten, sind im gesamten Feld der unter-suchten Wassertiefen und Tiefgänge

zwi-schen der örtlich jeweils besten und schwächsten Variante deutliche Leistungs-unterschiede festzustellen. Diese liegen bei Schubfahrt in

der Größenordnung von

10-20%, obwohl es sich ausschließlich um

hydrodynamisch hochwertige und zudem

relativ ähnliche (vgl. auch 1.3) Hinterschiffe handelt.

Durch die Definition bestimmter

,Formty-pen" für Tunnelhinterschiffe, die modernen

hydrodynamischen Ansprüchen genügen.

und von speziellen

Tunnel-Formkennwer-ten (Lit.5 und 6) war inzwischen versucht worden, eine Uhersicht in die Vielfalt der

vorhandenen Tunnelformen zu bringen und gleichzeitig ein schrittweises Vorgehen bei

der Optimierung zu ermöglichen, so daß

man zunächst die prinzipiellen

Unterschie-de Unterschie-der Formtypen klären und später einen ausgewählten Typ im Detail optimieren

kann.

Hieraus ergab sich die aktuelle

Aufgaben-stellung, einen dritten Formtyp zu

untersu-chen und eingehend mit den vorliegenden Ergebnissen der Hinterschiffe (A) und (B)

zu vergleichen.

1.3 Untersuchung eines neuartigen

Form-typs

Für die weiteren Untersuchungen wurde ein bisher in der Binnenschiffahrt nicht

vertre-tener Hinterschiffs-Formtyp gewählt, der

bei der Neuordnung der Formtypen sozusa-gen synthetisch entstanden war. (Lit. 1).

Ein- und Zweischcauber

Einschrauber oder eng stehende Doppeischrauben

Wasse rzu fUh rung

In dem hier vereinfacht dargestellten Form-typenkreis figuriert als Formtyp I die

unter-suchte Form (A), eine Entwicklung der

VBD.

Als Formtyp II erscheint die Form (B).

Während der Formtyp III ein weiteres be-kanntes, aber nur für Schubboote geeigne-tes Formprinzip darstellt, ist der Formtyp

1V neuartig.

Entsprechend diesem neuen Formtyp wur-de das Hinterschiff (D) so entworfen, daß

trotz der augenfällig anderen Spantform ein

Höchstmaß an Ahnlichkeit mit der früher untersuchten Form (B) erreicht wurde. So

sind bei beiden Hinterschiffen alle

entspre-chenden Spantquerschnitte flächengleich

und unterscheiden sich nur in der

Umriß-form. Abgesehen von diesem einzigen Un-terschied ist die Form der Hinterschiffe (B) und (D) identisch.

Abb. 3: Spaflteflriß des Hinterschiffs

(D)

Modell 1379/Formtyp IV

Zwei-Drei-Vierschrauber

Zwei- und Dreischrauber

Abb. 2: Formlypenkreis

Wichtigste Form/ypen für moderne hochbelastete Mehrschrauben-Tunnelhin-terschiffe

342

Da die Spantform des Formtyps IV sich sehr

gut dazu eignet, ohne wesentliche Ande-rung des Formcharakters den

Propellerab-stand zu verändern, bot sich das Hinterschiff

(D) außerdem als Ausgangsbasis für eine Variante mit verkleinertem Propellerab-stand an. Der PropellerabPropellerab-stand konnte

er-heblich von 52 % auf 36 % der Schiffsbreite verrringert werden, unter vollständiger

Bei-behaltung aller Formkennwerte und

Tun-nelkennwerte. Das geänderte Modell wurde

im letzten Teil des Forschungsprogramms als Variante (D') unter der neuen

Modell-Nr. 1398 sehr ausführlich untersucht. Somit wurden verglichen:

2 l-Tinterschiffe (D) und (B) mit identischen Formkennwerten, die sich nur im

Spani-charakter unterscheiden:

2 Hinterschiffe (D) und (D') mit

identi-schen Formkennwerten und praktisch

gleichem Spantcharakter. die sich

ledig-lich

im Propeller-Querabstand

unter-scheiden.

Demgegenbüer waren die Hinterschiffe (A)

und (B) in beiden dieser Merkmale

ver-schieden (im Spantcharakter und im Propel-lerabstand). bei sonst gleichwertigen Form-daten

2. Versuchsmethoden.

2. 1 Vorüberlegungen und Erfahrungen.

Bei Tunnelschiffen der vorliegenden Art

kann man zwar den Propulsionsgütegrad1D

feststellen, dieser ist aber infolge der

star-ken Flachwassereinflüsse kaum auswertbar oder übertragbar. Hinzu kommt. daßbei

ge-tunnelten Düsenschiffen einer separaten

Messung des Düsenschubes große Schwie-rigkeiten entgegenstehen. so daß die

Sogzif-fer, die ja gerade bei geringem

Wasserpol-ster unter dem Schiff sehr wichtig ist, nor-malerweise gar nicht ermittelt werden kann. Abgesehen von diesen grundsätzliche

Erwä-gungen hatte sich schon bei den früheren

Versuchen mit den Formen (A) und (B)

ge-zeigt, daß im Widerstandsvergleich dieser

Schiffe die Unterschiede in der Tunnelform überhaupt nicht sichtbar wurden. Es wurde deswegen im weiteren Ablauf der Versuchs-programme auf Widerstandsversuche völlig verzichtet.

Ahnliches gilt für Propulsionsversuche mit allemfahrendem GMS. Zwei aus

besonde-ren Gründen gefahbesonde-rene derartige Versuche konnten mit Ergebnissen der Formen (A)

und (B) verglichen werden. Sie zeigten

überschneidende Leistungskurven und er-härteten damit, daß man sichere Aussagen

über die Wertigkeit der Hinterschiffsformen

bei hohen Leistungen aus solchen

Versu-chen nicht gewinnen kann, weil sich die ent-scheidenden Unterschiede erst im schwer zu

beurteilenden Steilanstieg der

Leistungs-kurven entwickeln.

Bei Propulsionsversuchen mit Leichtem kann man zwar die erforderlichen höheren

Leistungswerte erfassen, die Zuordnung ei-ner bestimmten Leistung zu verschiedenen Geschwindigkeiten ist aber nur möglich,

in-dem man die Schubformation ändert (1, 2 oder 3 Leichter). Dies hätte einen

erhebli-Binnenschiffahrt-ZfB - Nr. 8 - April 1991

chen, nicht vertretbaren Versuchsaufwand erfordert. denn es war notwendig. den

ge-samten Leistungs- und Geschwindigkeitsbe-reich abzudecken, um eine wirklich fundier-te Aussage über die Wertigkeit der Formva-rianten zu bekommen.

Trossenzugversuche, mit denen man am einfachsten Leistung und Geschwindigkeit beliebig variieren kann, hatten bisher den

Nachteil, daß dabei das alleinfahrende GMS

ganz andere Zuströmungsverhältnisse hat als hinter einem oder mehreren

geschobe-nen Leichtem, so daß die quantitativen Er-gebnisse von Trossenzugversuchen nicht mit denen von schiebenden Schiffen

vergleich-bar waren. Diese Schwierigkeiten konnten

jedoch mit der Erweiterung der

Meßmetho-dik durch die Nutzschuhmessung

weitge-hend ausgeräumt werden.

2.2 Prinzip der Nutzschubmessung. Einem Vorschlag aus [Lit. 61 folgend. wird das Modell vor dem Antriebsteil durch eine Querfuge geteilt. Die beiden Teile des

Mo-dells sind biegesteif und gleichzeitig

rei-bungsfrei längsverschieblich miteinander

verbunden, so daß in der Trennfuge eine Längskraft gemessen werden kann, die als

Nutzschub F* bezeichnet wird und den

Nutzschubgütegrad

*

F* . V

1F

rD

liefert. Dieser ist nicht mit dem üblichen

Propulsionsgütegrad vergleichbar, sondern eher mit dem Trossenzuggütegrad. bei dem

ebenfalls eine äußere Nutzkraft durch den

als geschlossenes System betrachteten Schlepper erzeugt wird - so wie hier durch

den sog. ,,AntriebsteiP' des Schiffes. Diese

Methode wurde bereits weitgehend bei der

Untersuchung der Formen (A) und (B) an-gewandt [Lit. 1,2,3], so daß Vergleichswer-te zur Verfügung standen.

2.3 Gegenseitige Beeinflussung der Schiffs-teile.

Wie das

hier behandelte Versuchspro-gramm erneut bestätigte, besteht eine

er-staunlich starke gegenseitige Beeinflussung zwischen Antriebsteil und Ladungsteil eines

Schiffes oder Schubverbandes. Diese wird sichtbar, wenn man einen der beiden Teile verändert.

Einerseits werden die

Propulsionsverhält-fisse (d. h. der Gütegrad) eines

Hinterschif-fes stark beeinflußt, wenn sich die Form oder Formation des Ladungsteiles ändert.

zum Beispiel davon, ob ein GMS allein fährt

oder einen oder mehrere Leichter schiebt.

Dies ist der Formations-Formeintluß (FFE).

Der Hinterschiffs-Formeinfluß (HFE) ist

ei-ne hydrodynamische Fernwirkung des im

Betriebszustand arbeitenden Antriebsteiles

auf den davorliegenden Ladungsteil. Der

HFE bewirkt, daß ein bestimmter

Ladungs-teil verschieden große Widerstände

auf-weist, wenn er alternativ mit verschiedenen Hinterschiffsformen kombiniert wird. Schon eine Drehsinnänderung der Propeller kann den HFE verändern, wie am gemesse-nen Nutzschub feststellbar ist.

Die hydrodynamische Güte des

Antriebstei-les wird damit in zwei Komponenten zer-legt: in die Effizienz der eigentlichen Pro-pulsion, die im Nutzschubgütegrad zum Ausdruck kommt, und in die Fernwirkung auf den Widerstand des Ladungsteiles. die in der Veränderung des absoluten

Nutz-schubwertes sichtbar wird.

3. Anwendung und Konsequenzen

derNutzschubmessung.

Bei den nachfolgend genannten Verhältnis-werten ist immer ein punktueller Vergleich zweier Varianten (1) und (2) vorausgesetzt.

3.1 Die Komponenten der Gesamtwertung

im Propulsionsversuch.

Beim Propulsionsversuch gilt als Maßstab für die Bewertung zweier Hinterschiffsva-rianten das Verhältnis der

Antriebsleistun-gen

DI'D2 bei einer bestimmten

Ge-schwindigkeit.

Durch die zusätzliche Messung einer Kraft (Nutzschub Fp*) und den daraus

abgeleite-ten Nutzschubgütegrad läßt sich das Lei-stungsverhältnis der beiden Varianten in

zwei Komponenten zerlegen:

Hinterschiffs-Fornieinfluß

Verhältnis der absoluten Nutzschübe Verhältnis der Gütegrade

t Leistungsverhältnis =

Gesamtbewertung Bewertung der Propulsion

Dies bedeutet, daß der Nutzschubgütegrad

für sich allein nicht zur Bewertung des

Ge-samtsystems ausreicht, sondern daß auch der gemessene Absolutwert des

Nutzschu-bes mitberücksichtigt werden muß. Ein ho-her Nutzschubgütegrad, dem an sich auf gute Propulsionseigerischaften hinweist, nützt

nichts, wenn em mit der Induzierung eines

sehr hohen Nutzschubbedarfes einhergeht.

Diese Frage ist durchaus von praktischem

Interesse, denn selbst zwischen den hier

un-tersuchten sehr ähnlichen Hinterschiffsva-rianten differiert der Nutzschuhbedarf des

gleichen Ladungsteiles in einem Größenord-nung von 10%.

3.2 Erfassung der Komponenten im

Tros-senzugvemsuch.

Hier sind die Verhältnisse etwas kompli-zierter, weil das Verhältnis der

Trossen-züge

F1.1

Q = den Bewertungsmaßstab bildet

'P2

und weil bei den Komponenten nicht nur

das Verhältnis der Gesamt-Nutzschübe

Q* sondern auch der für jede Variante

verschiedene Anteil des Trossenzuges am Gesamtnutzschub, der Quotient FIF*, zu

berücksichtigen ist.

Durch die Einführung von Q (als Verhält-nis dieser

Trossenzuganteile am

Nutz-schub) gelingt auch hier eine einfache Dar-stellung der Wertigkeitsanteiie.

*0

t

IN

Gesamtwertung = Propulsion Hinterschifts-Formeinfluß

Dabei ist QfN em Korrekturfaktor, der je-doch kein empirischer Wert, sondern

ein-deutig aus der jeweiligen Konstellation der Meßwerte bestimmbar ist [Lit. 31.

3.3 Methode der Nutzschuhidentität zur

Erfassung des Formations-Formeintlusses

(FFE).

Wenn die Leistungskurve und

Nutzschuh-kurve eines Propulsionsversuches .,GMS

mit Leichtem" vorliegt. kann man aus dem Datenfeld eines Trossenzugversuches , das

ebenfalls die Fp*Werte enthält. diejenige

Antriebsleistung heraussuchen, die bei gleicher Geschwindigkeit den gleichen

Nutzschub produziert wie das schiebende

GMS. Daraus erhält man zwei über die

Nutzschubidentität verknüpfte

Leistungs-kurven (PD über V). die darstellen. in

wel-chem Maße sich für ein bestimmtes Hin-terschiff der Gütegrad bzw. Leistungsbe-darf durch den FFE verändert, wenn man

von der Alleinfahrt zum Schieben

über-geht. Entsprechend der in 3.1 angeschrie-benen Beziehung der Komponenten fällt bei Nutzschubidentität der beiden Varian-ten das Verhältnis der Nutzschübe heraus.

Damit entfällt auch die in 3.2 beschriebene

Komplizierung der Zusammenhänge. und

man kann die beiden nutzschuhidentischen

PD-Kurven in Abb. 4 nunmehr wie zwei Propulsionsversuche mit gleichem Nutz-schub betrachten, deren Leistungsunter-schied nur im Gütegrad liegen kann. Die-ser wiederum kann bei zwei gleichen Hin-terschiffen nur aufgrund der

unterschiedli-chen Formation des Ladungsteiles differie-ren, womit der FFE eindeutig erfaßt ist.

Hiermit ist die Auswirkung der

verschie-denartigen Zuströmungsvemhältriisse bei Trossenzugversuch und Leichter-Propul-sions-Versuch überschaubar geworden und

der erste Schritt in Richtung auf ein

Kor-rekturverfahren gemacht. das es in

Zu-kunft erlauben könnte, bei systematischen Untersuchungen weitgehend nur mit Tros-senzugversuchen zu arbeiten und die

Er-gebnisse auf Schubverbände zu über-tragen.

3.4 Ergebnisse zum Formations-Formein-fluß (FFE) und Folgerungen für

Korrektu-ren an den Trossenzug-Vergleichsdia-grammen.

Bei der Form (A) hatte die

Leichterforma-tion einen höheren Leistungsbedarf als das

alleinfahrende GMS bei Nutzschubidenti-tät. ebenso bei der Form (B) - bei der al-lerdings nur wenige Vergleichsfälle

vor-lagen.

In auffälligem Gegensatz hierzu hat bei

der Form (D) die Schubformation mit i

oder 3 Leichtem bei Nutzschuhidentität

ei-nen äußerstenfalls nur gleich hohen, sonst

überwiegend deutlich geringeren Lei-stungsbedarf als der trossenzugbelastete

Einzelfahrer (vgl. Abb. 4).

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Auch bei der Variante (D') ist der

Lei-stungsbedarf in Schubformation mit i oder

3 Leichtem geringfügig bis deutlich niedri-ger als beim nutzschubidentischen Einzel-fahrer.

Diese Tendenz des geringeren Leistungs-bedarfes in der Leichterformation ist auf flachem Wasser am stärksten ausgeprägt und nimmt mit wachsender Wassertiefe

ab.

Unabhängig von den Wassertiefen

nimmt der FFE auch mit wachsender

Ge-schwindigkeit ab.

Es ist also festzustellen, daß - bei gleich-artiger Veränderung der Formation - bei

verschiedenen Hinterschiffsformen die Veränderung des Gütegrades nicht nur

un-terschiedlich stark, sondern sogar positiv oder negativ ausfallen kann. Dies bedeu-tet, daß verschiedene Hinterschiffsformen

verschieden empfindlich oder sogar

gegen-sätzlich auf eine Formationsänderung

rea-gieren.

Die hierzu in [Lit. 1] angestellten näheren Überlegungen führen dahin, daß man die erzielten Trossenzugwerte im

Vergleichs-diagramm (Muster Abb. 6) etwa in der

Größenordnung der prozentualen

Lei-stungsunterschiede korrigieren könnte, die sich bei einem passenden

Vergleichsver-such (entsprechend Abb. 4) ergeben.

Die genaue Höhe derartiger Korrekturen ist aber noch etwas unsicher, u. a. weil be-sonders mit den Formen (A) und (B) noch zu wenige Vergleichsversuche vorliegen. Immerhin kann man annehmen, daß die Form (D) in Schubfahrt besser ist, als sich

aus den

Trossenzug-Vergleichsdiagram-men ergibt, weil ihr Leistungsbedarf im

Gegensatz zu (A) und (B) in der Schub-fahrt geringer wird. Dies bedeutet, daß die positiven Aussagen über die relative Wer-tigkeit von (D) - im Vergleich zu (A) und (B) - auf der sicheren Seite liegen.

Abb. 4: Formafions-Formeinfluß

Allein fahrt und Schub fahr! - Leistungsdifterenz bei identischen Nutzschub; Wassertiefe h = 5,0 m und Tiefgang T = 3,5 m

Vorerst kann, auch wenn schon hauptsäch-lich Trossenzugversuche gefahren werden, auf einige begleitende Propulsionsversuche

mit Leichter zur Kontrolle des FFE noch

nicht verzichtet werden.

3.5 Erfassung und Beurteilung des Hinter-schiffs-Formeinflusses (HFE).

In einer besonderen ,,kombinierten

Dar-stellung" können die Trossenzugwerte

ge-meinsam mit den zugehörigen Nutzschü-ben über der Geschwindigkeit aufgetragen werden, wobei im Unterschied zu den nor-malen Trossenzugdiagrammen (vgl. Abb. 6) die Leistungsstufen getrennt dargestellt

werden.

Hierbei ist zu beachten, daß sich im Tros-senzugversuch der zur Fortbewegung des Ladungsteiles erforderliche

Nutzschubbe-darf AF als

Differenz des gemessenen Trossenzuges F und des gemessenen Ge-samt-Nutzschubes F

ergibt. Die für den

HFE maßgebliche Kraft AF erscheint hier

jeweils als die Differenz zwischen zwei zu-sammengehörigen Kurven

und F.

In der Konstellation von Abb. 5 (2m Tief-gang bei 3m Wassertiefe) war nach

frühe-ren Versuchen die Form (A) besser als

(B), aufgrund des im oberen

Geschwindig-keitsbereich höheren Trossenzuges. Aus dem gleichen Grund ist die neue Form (D)

gleichwertig und zum Teil etwas besser als

(A). Die Nutzschubwerte F* von (A), (B) und (D) sind weitgehend etwa gleich, die

drei Varianten haben also etwa gleiche

Nutzschubgütegrade.

(A) und (D) induzieren aber oberhalb von 9 km/h einen geringeren Nutzschubbedarf

AF des Ladungsteiles, so daß ihre

Trossen-Abb. 5: Kombinierte Darstellung von Trossenzug F und Nutzschub Fe" Vergleich der drei Hinterschiffe (A), (B) und (D) bei h = 3,0 m Wasseniefe und T=2,Om Tiefgang

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IV1

zugkurve und damit die Gesamtbewertung höher liegt. In diesem Beispiel ist also bei

etwa gleicher Güte der Propulsion der

HFE entscheidend für die relative Gesamt-Wertung.

Es wurde in 2.3 schon erwähnt, daß allein eine Drehsinnänderung der Propeller eine Veränderung des HFE bewirken. d. h. den Nutzschuhbedarf des Ladungsteiles

verän-dern kann. Beim Hinterschiff (D) war

z. B. unter Schubfahrtverhältnissen bei h = 3,5 m Wassertiefe und T = 2.0 m

Tief-gang der innenschlagende Drehsinn um

fast 11 % besser. Davon entfielen 6,5%

auf einen besseren Gütegrad und 4.3 %

auf den HFE, was eine erstaunlich

weitrei-chende Fernwirkung der Propellerzuströ

mung erkennen läßt.

Die Gesetzmäßigkeiten und genauen Zu-sammenhänge des HFE mit den verschie-denen Parametern der Schiffsform und der

Betriebsverhältnisse

sind noch nicht zu

übersehen. Im Gegensatz zum

Formations-Formeinfluß. der sofort zu der in 3.4 ge-zeigten praktischen Anwendung geführt hat, ergeben sich beim HFE zwar sehr

in-teressante Einblicke in die bisher nicht

er-faßbare Wechselwirkung. aber zunächst wohl mehr neue Aufgaben und Probleme

als konkrete Anwendungsmöglichkeiten.

4. Vergleichende Gesamtbewertung derHinferschiffsvarianten.

4.1 Trossenzugversuche als wichtigste

Be-wertungsgrundlage.

1m Trossenzugversuch lassen sich alle

prak-tisch vorkommenden Kombinationen von

Leistung und Geschwindigkeit zwischen den

Extremen des Pfahizustandes und der

Al-leinfahrt des GMS versuchstechnisch ratio-nell erfassen.

Im Unterschied zum normalen

Propul-sionsversuch. bei dem bekanntlich die

Lei-stung so eingeregelt wird, daß das Modell genau die konstant eingestellte

Geschwin-digkeit des Schleppwagens erreicht und

kei-nerlei Längskräfte zwischen Modell und

Wagen auftreten, wird beim Trossenzugver-such die Antriebsleistung des Modells wäh-rend der konstanten Fahrt stufenweise

über-höht. Dadurch entsteht ein ebenso

stufen-weise ansteigender Trossenzug. mit dem das

Modell (mit seinen bescheidenen Kräften)

in Fahrtrichtung den Schleppwagen sozusa-gen mitzieht.

Dieser unter den jeweiligen

Randbedingun-gen erreichte Trossenzug gibt ein Maß für

die Höhe einer möglichen zusätzlichen

Be-lastung durch Schleppanhang oder Schub-leichter. Er ist damit ein Maßstab für die Wertigkeit der Hinterschiffsform über den

gesamten Geschwindigkeits- und

Leistungs-bereich, der erfaßt werden muß, weil die Varianten sich in verschiedenen

Teilberei-chen ganz gegensätzlich verhalten können.

Für mehrere solcher Versuche werden die

gemessenen Trossenzüge der

Geschwindig-keit und Leistung zugeordnet, und daraus

entstehen Trossenzug-Vergleichsdiagram-me, von denen Abb. 6 ein Beispiel zeigt.

Binnenschiffahrt-ZfB - Nr. 8 - April1991 o 400

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-Ir-Abb. 6: Beispiel eines Trossenzug-Verg!eichsdiagromms für die drei Hinter-schiffe (A), (B) und (D)

4.2 Ergänzungen des Versuchsprogramms. Neben den Trossenzugversuchen mit einem Anteil von über 60 % aller Versuche waren

Leichter-Propulsionsversuche mit ca. 26%

Anteil die wichtigste Ergänzung des vorlie-genden Versuchsprogramms. Sie sollten in erster Linie die Aussagefähigkeit des Tros-senzugvergleiches durch Erfassung des FFE

absichern. Diese Aufgabe ist insofern

er-füllt, als nach den Uberlegungen in

Ab-schnitt 3.4 die positiven Aussagen über die Form (D) auf der vorsichtigen Seite liegen.

Ferner konnten die Resultate der

Leichter-Versuche herangezogen werden, um in den Trossenzug-Vergleichsdiagramm die für die

praktische Schubfahrt relevanten Bereiche

bei der Gesamtbeurteilung besonders zu be-rücksichtigen.

Bei den Propulsionsversuchen mit und ohne Leichter wurde auch die Vertrimmung und Absenkung insbesondere auf flachem Was-ser gemessen. Hier zeigten sich bei den drei Formtypen keine wesentlichen Unterschie-de, so daß sich hieraus kein besonderer Be-wertungsfaktor ergab.

Bei den Trossenzugversuchen wurde für je-de Variante je-der unter Berücksichtigung ver-schiedener Fahrtbedingungen generell gün-stigste Drehsinn der Propeller ermittelt.

Abb. 7: Gesamtbeurteilung des Hin terschiffs Form (D) imVergleich mit den For-men (A) und (B). Ubersicht über die Kurs be wertung aus den einzelnen Tros-senzug-Vergleichsdiagrammen h=3,Ors h=3,hrn h=5,Orn h=7,5m h=15,8m T = 1,7 m _{(D) besser als} (A) und (B) (D) et gleich-wertig mit (B) und etas besser

als (A) T = 2,0 (D) ets besser als (A) und (B) (D) deutlich besser als (A) und (B) T - 2,5 m (D) deutlich besser als (B) und viel besser

als (A)

(D) lin .nzen

ets besser als

(A) und (B)

(D) g1eicer-tig

mit (B) und

besser als (A)

(D) ets besser

als (B) und viel besser

als (A)

T = 3,5 m _{(D) eSsa}

gleich-wertig mit (B)

und deutlich besser als (A)

(D) fast gleich-. wertig mit (B)

und beide viel besser als (A)

(D) fast

gleich-wertig mit (B)

und beide besser

4.3 Zusammenfassende Bewertung der

Hintersehiffe (A), (B) und (D).

Die Bewertung ergibt sich aus der

Betrach-tung einer Anzahl von

Trossenzug-Dia-grammen in der Art von Abb. 6.

Das Diagramm zeigt die Auswertung der

Trossenzugversuche bei 7,5 m Wassertiefe

und 2,5 m Tiefgang, dargestellt für 4 Lei-stungsstufen von 1000-25000 kW. Für die Form (D) sind die Meßpunkte für die

Ge-schwindigkeiten O-9-15-19,5 kmlh eingetra-gen. Die Vergleichskurven für die früheren Versuche mit (A) und (B) sind dem Bericht Nr. 1215 [Lit. 3] entnommen.

Links bei V = O ergeben sich die Pfahizuge der drei Formvarianten für die dargestellten Leistungsstufen, rechts die Freifahrtge-schwindigkeiten beim Trossenzug Null.

Die Geschwindigkeiten für den

Schubver-band mit einem Leichter liegen für die vier

Leistungsstufen zwischen etwa 16 und 20 km/h, für drei Leichter etwa zwischen 13

und 17 kmlh. Unter Berücksichtigung dieser

Geschwindigkeitsbereiche ergibt sich für

das Diagramm Abb. 6 die zusammenfassen-de Kurzbewertung:

..Form (D) etwas besser als Form (B) und

deutlich besser als (A)."

In der Tabelle Abb. 7 sind diese

Kurzbewer-tungen aus li derartigen

Vergleichsdia-grammen zusammengefaßt und nach

Was-sertiefe und Tiefgang geordnet. so daß sie

als Uberblick für die Gesamtbewertung die-nen kann.

Als Ergebnis der früheren Untersuchungen hatte die Form (A) eine spezifische Eignung

für Fahrtzustände mit geringerer Leistung

oder für die kleineren Tiefgänge auf flachem

Wasser gezeigt, also in der linken oberen

Ecke der Tabelle.

Dagegen war die Form (B) für den Schubbe-trieb im beladenen Zustand und generell bei hoher Belastung der Antriebsanlagen über-legen, mit Schwerpunkt im rechten Teil der Tabelle bei größeren Wassertiefen und Tief-gängen.

Demgegenüber ist das Leistungsverhalten

der neuen Form (D) ausgeglichen über den

Gesamtbereich der Parameter. Sie hat bes-sere Flachwasbes-sereigenschaften als (B) und

erreicht und übertrifft darin auch die Form

(A), die damit ihre partielle Uberlegenheit

in diesem Teilbereich verliert.

Im übrigen Bereich ist die Form (D) entwe-der besser als beide Konkurrenten oentwe-der sie

kommt in dem bisher von (B) dominierten

Bereich sehr nahe an (B) heran, so daß dort (B) und (D) gemeinsam und mit deutlichem Abstand besser als (A) sind.

Die Form (D) erreicht oder übertrifft somit in allen Feldern der Tabelle die jeweils dort bessere der beiden Formen (A) und (B). 4.4 Ergebnisse der Formvariante (D'),

Mo-dell-Nr. 1398.

Für die Untersuchung der Formvariante

(D'), die sich von der Grundform (D)

prak-tisch nur durch den Querabstand der

Pro-peller unterscheidet, wurde etwa A der

Trossenzugversuche aufgewandt und das

Gesamtergebnis in gleicher Weise ermittelt, wie in 4.3 beschrieben, jedoch in dem

Ver-gleich mit (A) und (B) weggelassen, um die Ubersicht nicht zu beeinträchtigen. Insgesamt sind die Formen (D) und (D') fast gleichwertig. mit einem leichten Vorteil für die Grundform (D).

Die bei Propulsionsversuchen festgestellten

partiellen Leistungsunterschiede beruhen

im wesentlichen auf dem Gütegrad. die

Nutzschubwerte liegen dicht beieinander.

Auch bei den Trossenzugversuchen ist kein

eindeutiger Unterschied im HFE zu

er-kennen.

Aus Propulsionsversuchen ist zu entneh-men, daß gelegentliche partielle Vorteile der engerstehenden Propeller mit

steigen-der Belastung abnehmen und bei hohen Be-lastungen verschwinden, ähnlich wie bei der Form (A).

Unterwasserfotos

Die Fotos. bei denen mit an geeigneten

Stel-len austretender Milch der Strömungsver-lauf in Außenhautnähe sichtbar gemacht wurde, entstanden bei unterschiedlichen Propellerbelastungen. Trotzdem war das Strömungsbild bei der Form (D) sehr

ein-heitlich und fast unabhängig von den

Para-metern h. T, V und PD

Im Vergleich mit früheren Fotos wurden

Unterschiede zwischen den Formtypen

sichtbar [Lit. i und 3]. Bemerkenswert ist, daß bei (D) ebenso wie bei (B) keinerlei

schädliche Auswirkungen der eckigen Aus-bildung der Bodenkante zu erkennen waren.

Bedeutung des Formtyps

Das Gesamtergebnis des

Forschungsvorha-bens bestätigt sehr klar die Bedeutung des

Formtyps, d.h. des Formcharakters der

Spanten im Sinne des Formtypenkreises Abb. 2. Wesentliche Unterschiede in den Eigenschaften der untersuchten

Hinter-schiffsvarianten können mangels anderer

Abweichungen der Form nur durch den

Formtyp begründet sein.

Am klarsten zeigt sich dies beim Vergleich der Hinterschiffe (B) und (D). Hier handelt es sich um zwei praktisch identischen Hin-terschiffsformen mit kongruenten Spantare-alkurven. völlig übereinstimmenden

Form-kennwerten alter und neuer Art, gleichen

Propellerdurchmessern. Propellerabstän-den, Tunnelhöhen usw., die sich ausschließ-lich in der Charakteristik der Spantform un-terscheiden.

Trotzdem ist eine dieser Varianten, die

Form (B). in ihrer Qualifikation deutlich auf hohe und höchste Belastungen hei mittleren und großen Wassertiefen spezialisiert,

wäh-rend die Form (D) in ihren Eigenschaften

universell ist, ohne jedoch größere

Nachtei-le gegenüber den Optimaiwerten der Form

(B) aufzuweisen.

Auch die Flachwassereignung der beiden

Hinterschiffe weist prägnante Unterschiede auf: Bei einer differenzierteren, überlagern-de Nebeneinflüsse ausschaltenüberlagern-den

Betrach-tung der Ergebnisse zeigt sich eine mit

ab-nehmender Wassertiefe stetig zunehmende

relative Verbesserung der Leistungen von

(D) gegenüber (B).

Auch die Variation

Propeller-Querabstan-des weist auf die Bedeutung der Spantform hin:

Beim Vergleich der Form (A) mit (B) und

heim Vergleich der Form (D) mit (I)') ist in beiden Vergleichsfällen der

Propeller-Querabstand sehr unterschiedlich, wenn

auch nicht genau im gleichen Maße. Wesentliche Unterschiede in den

Versuchs-ergebnissen zeigen sich nur zwischen (A)

und (B), also dort, wo auch der Formtyp der Vergleichsvarianten verschieden ist.

Dagegen ist bei den in der Spantform

glei-chen Varianten (D) und (D') die Variation

des Querabstandes praktisch wirkungslos. Danach muß bei (A) und (B) zu einem gro-ßen Teil die Spantform für die Differenz der Ergebnisse ursächlich sein, jedenfalls nicht allein die Position der Propeller.

Möglicherweise gibt es für jeden Formtyp

eine optimale Position (oder einen Bereich) für die Lage der Propeller. Für den Formtyp IV (Form D) ist dieser Bereich wahrschein-lich relativ groß, weil Querverschiebungen des Propellers die Spantform nur wenig ver-ändern. Dies könnte zu den geringen Unter-schieden zwischen den Formen (D) und (D') beigetragen haben.

Beim Hinterschiffs-Formeinfl uB (HFE) scheinen sich ebenfalls typische Unterschie-de abzuzeichnen, die mit Unterschie-dem Formtyp zu-sammenhängen.

Die Form (A) hat bei den kleineren

Wasser-tiefen überwiegend einen relativ günstigen

FIFE, aber schlechte Gütegrade. Bei

größe-ren Wassertiefen ab 5 m liegt es meist an

beiden Komponenten. wenn (A) schlechter ist als andere Formen.

Die Form (B) hat bei kleinen Wassertiefen

dagegen meist hohe Gütegrade, teilweise aber in Kombination mit ungünstigerem

HFE. Bei größeren Wassertiefen ist für die

positive Gesamtbewertung der Form (B)

durchweg ein hoher Gütegrad

entschei-dend.

Die neue Form (D) hat bei kleinen Wasser-tiefen ihre Stärke in hohen Gütegraden, bei

großen Wassertiefen in günstigen Werten

sowohl beim Gütegrad als auch heim FIFE.

Zusammenfassung

Abgesehen von denkbaren Ausnahmefällen an den Rändern des praktisch nutzbaren Pa-rameterfeldes - im untersten

Belastungshe-reich bei der Form (A) und bei extrem

ho-hen Belastungen und sehr tiefem Wasser bei

der Form (B) - kann man sagen, daß die

neue Form (D) die spezifischen Vorteile der

konkurrierenden Formen (A) und (B) in

sich vereint und überall besser oder

minde-stens etwa gleichwertig mit der bisher

je-weils besseren Form ist.

Man ist in Versuchung, von einer Optimal-form zu sprechen; jedenfalls ist das Ergebnis

mehr als nur ein Kompromiß.

Ein bemerkenswertes Teilergebnis ist ferner

die gute Flachwassereignung der Form (D) in Verbindung mit ihrer fertigungstechnisch einfachen Bauform.

Ein weiteres wesentliches Ergebnis des For-schungsvorhabens liegt in den nicht zu über-sehenden Hinweisen auf die Bedeutung des Formtyps für die Qualitätsunterschiede der

Varianten. Hierzu ist auf die Gegenüber-stellung der verglichenen Formtypen und

die Definition ihrer Ahnlichkeiten und Un-terschiede in Abschnitt 1.3 hinzuweisen

so-wie auf die abschließende diesbezügliche

Diskussion der Ergebnisse in Abschnitt 6. Das scheinbar negative, zumindest neutrale

Ergebnis der Querabstands-Variation mit der Form (D') hat in Verbindung mit dem

Begriff des Formtyps durchaus Bedeutung: es zeigt. daß die starken Unterschiede

zwi-schen den Formen (A) und (B) nicht über-wiegend am Propellerabstand liegen kön-nen, sondern wesentlich auch

formtypbe-dingt sind.

Der Formations-Formeinfluß, insbesondere seine unterschiedliche Auswirkung auf

ver-schiedene Formtypen, ist unerwartet groß. Interessant ist, daß bei der Form (D) die Propulsionsverhältnisse gegenüber einem

nutzschubidentischen Trossenzugversuch durch das Vorsetzen von Leichtem

verbes-sert werden, nachdem bei den

Hinterschif-fen (A) und (B) das gegenteilige Verhalten festgestellt worden war.

Zum Hinterschiffs-Formeinfluß lassen sich

schon einige interessante Aussagen ma-chen, aus denen man aber noch keine

kon-struktiven Konsequenzen ziehen kann. Da der vielfach untersuchte Formtyp III (s.

Abb. 2 Formtypenkreis) für schiebende

GMS nicht geeignet ist, sind alle für diesen hier vorrangig betrachteten Schiffstyp

infra-gekommenden Hauptformtypen nunmehr

miteinander verglichen, und es steht jetzt als

nächste Stufe der Optimierung eine Varia-tion der neuen Tunnel-Formkennwerte

be-vor, die am Formtyp IV in Gestalt des Hin-terschiffes (D) erfolgen soll.

Literatur

Bericht Nr. 1266*) der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau, Duisburg, über das AiF-Forschungsvorhaben 7482 -

Hinter-schiffsoptimierung durch systematische Un-tersuchung einer neu entwickelten Tunnel-form für Großmotorschiffe". 1990.

von der Stein. N. Praktische Fortschritte

in der Hinterschiffsgestaltung durch neue

Einblicke in die Strömungsverhältnisse.

(Kurzfassung des Berichtes Nr. 1215 der

VBD) bw/ZfB Nr. 3 Mai 1989.

Bericht Nr. 1215*) der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau, Duisburg. über das

AiF-Forschungsvorhaben 5534/6523

-.,Hinterschiffs- und Antriebsoptimierung

für Großmotorschiffe auf dem Rhein mit

sy-stematischer Auswertung bisher

wissen-schaftlich ungenutzter Erfahrungen und

Entwicklungen aus der Praxis". 1988. Heuser, H. Weiterentwicklung bei Formwahl und Linienentwurf von Binnen-güterschiffen.

Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesell-schaft. Bd. 82. 1988.

von der Stein, N. Neue

Bewertungskrite-rien für die Formgebung von getunnelten

Mehrschrauben-Hinterschiffen. Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft, Bd. 82. 1988.

von der Stein, N. Beitrag zur Formge-bung und deren systematischer Bewertung

bei hochbelasteten Mehrschrauben-Tunnel-schiffen. Dissertation Aachen 1986.

* Kopien der vollst5ndigen Berichte mit Zeichnungs-und Diagramm-Anlagen können zum

Selbstkosten-preis zuzüglich Porto von der Versuchsanstalt für

Bin-nenschiffbau e.V.. Klöcknerstraße 77. 4100 Duisburg I. bezogen werden.