Bepaling van de schroefkarakteristieken van de 'Van der Stel' schroef in dompende toestand

Rapport No. 360

E

LABORATORIUM VOOR

SCHEEPSBOUWKUNDE

TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT

BEPALING VAN DE SCHBOEFKARAKTERISTIEKEN VAN DE "VAN DER STEL" SCHROEF IN DOMFENDE TOESTAND

door

A. Goemari

december 1972

Inhoud

Samenvatting Inleiding

Bepaling van de intreesneiheid in de schroefschijf De meetopstefling

De meetresultaten Conclusies

Lit eratuur

Lijst van gebruikte symbolen Tabellen

Schroefgegevens Lijst van figuren Figuren

Samenvatting

Ten behoeve van een serie voorstuwingsproeven met _{een model van de "Van der Stel",} een snelvarend vrachtschip,werden een serie openwaterschroefproeven uitgevoerd met een model van de der Stel" schroef.

De schroef kreeg daarbij een dompende beveging orn de invloed _{van de vertikale} snelheidskomponent op de stuwkracht en het askoppel te meten.

Bovendien werd vastgesteld welke invloed _{de stroming ter plaatse van de schroef} onervond van he± dompende gondellichaani.

Inleiding

Voor het bepalen van de schroeí'karakteristieken wordt een model van die schroef gemonteerd op een schroefas welke aan de voorkant uit een gondel steekt. In de gondel bevindt zich dan een dynamorneter waarmee stuwkracht, askoppel _en

toerental van de schroef gerneten kan worden. De instroomsnelheid V kan gelijk-gesteld worden aan de sneiheid V waarmee de gondel door het stilstaande water beweegt, inits de schroefas lang genoeg is orn ter plaatse van de schroefschijf geen invloed te ondervinden van de aanwezigheid van het gondellichaam.

De gebruikte gondel is voorzien van een korte schroefas orn trillingsproblemen te vermijden. Met behuip van een pitotbuis werd _{een onderzoek ingesteld naar de}

invloed van het gondellichaam _{op de stroming ter plaatse van de schroefschijf.} Bij het bepalen van de schroeí'karakteristjek _{van de "Van der Stel" schroef werd} rekening gehouden met de _{in bovengenoemd onderzoek bepaalde invloeden.}

Bepaling van de intreesneiheid in de

schroefschijf

Voor de meting van de invloed van het gondei,lichaam t.p.v. de schroefschijf werd gebruik gexnaakt van een pitotbuis. Het druiçverschil _{op beide meetpunten} van de pit otbuis werd gemeten met een differentiaaldrukopnerner, Dit drukver-schil kan worden uitgedrukt in de formule = k x V2

waarin V = instroomsnelhejd van het water

k _{een faktor omvattende de calibratiefaktor van de drukopnemer} de korrektiefaktor van de pitotbuis

de faktor p

Door een aantal proefruns te maken, waarbij alleen de pitotbuis onder de sleep-wagen was bevestigd _{kan de waarde van k worden vastgesteld (zie tabel I).}

De pitotbuis met drukopnemer kan _{nu worden toegepast bij het meten van de} instroom-sneiheid van het water in de schroefschijf bij een niet oscillerende gondel.

Daar bleek dat die instroomsnelheid aanzienhijk _{lager was dan de wagensnelheid} werden ook een aantal metingen verricht _{op plaatsen verder voor de gondel uit} orn te bepalen hoe lang de as zou moeten zijn _{orn geen invloed. te ondervinden.}

Deze metingen werden verricht bij niet oscillerende gondel en bij een oscillerende gondel met cirkeifrequentie _{5 en 9 rad/sec}

en amplitude z= cm.

Daarbij werd met behulp _{van een U.V.-recorder de snelheidsvariatje gedurende} een oscillatieperiode bepaald. De resultaten _{zijn vermeld in tabel II en tabel III.} Uit deze tabel III blijkt _{dat de oscillerende beweging van de gondel veel} in-vloed heeft op het snelheidsveld ter _{plaatse van de}

_{schroefschijf.}

Daarorn werd de gondel verdiept met een blok schuim _{orn de invloed van de gandelbodem te}

ver-minderen door een tweedimensionale

_{stroming te bneren}

en de serie proeven werd herhaald. De resultaten zijn _{vermeld in tabel IV.}

Uit dit vooronderzoek kan _{het volgende worden}

gekonkluderd

Bu _{de bestaande gondel zou eeri aslengte van minstens 500}

mm moeten warden toegepat am een ongestoorde _{instroming in de schroefschijf te krijgen} waar-bij de instroamsnelhejd _{Va gelijk}

is aan de wagensnelheia _V. Bij de "verdiepte"

gondel met de bestaande as van 165 mm trad geen belangrijke variatie in instroomsnelhejd

ap tii gevolge van de Oscillatiebeweging van de gondel. De waarde van deze _{instroomsnelhejd was 0,900 x de wagensnelhejd.} Bij de origiflele _{gondel (zander schuimblok) was de instroomsnelhejd geli5k}

aan 0,927 x de wagensnelhejd.

De meetopstelliflß

Voor het bepalen van de schroefkarakteriStieken werd de modelschroef gemon-teerd op het aseinde van de gondel waarin een dynamomter voor het meten van stuwkracht askoppel en toerent8ì van de schroef. De gondel was bevestigcl. onder een excitator, welke haar een dompbeweging gaf. Van de signalen van stuw-kracht en askoppel werd gedurende een geheel aantal osciliatieperioden de

gemiddelde waarde bepaald. Bovendien werden de signalen gesplitst in een in-fase en een uitin-fase component, waaruit de variatie en de in-faseverschuiving van het signaal als gevoig van de oscillerende beweging kan worden bepaald. [i]

Tijdens de runs werden ook gemeten: I-[et schroeftoerental, de wagensnelheid en de oscillatie frequentie. In fig. 1 is de meetopstelling schematisch weergegeven. De metingen werden verricht bij de volgende omstandigheden

(A) slag indompeling

O -

_292mm

0 -

_153mm

O -

113mm

O -

73mm

5 2xl4Omm 292 mm gemiddeld ti t, ti ,,

75

ii ti ti it H _{222 mm}

_ge$deld

5 ' 113 7.5 t, ii t, t, 10 ' it 5 2x3ümni " " lo ti ti O - >

200mm

o - > t? it ti bij zonderheden

het standaard openwater diagram

invloed indompeling

irivloed dornpbeweging

grote slag indompeling

als bij

itVan der Stel"

kleine slag

o

stamphoek 5

o

stamphoek 10

De wagensnelheid en het schroeftoerental werden gelijk gekozenÇaan de toestand zoals deze bij de voortstuvingsproef zou moeten gelden orn de in niodelconditie juiste schroefkarakteristiek te verkrijgen. Daarom werd bi alle runs het toerental Constant gehouden op i1 omw/sec. (dit kamt overeen met het toerental van de scheepsschroef).

'I

f

i)

De wagensnelheid werd odanig gekozen dat de gewenste waarde van J werd bereikt. De diameter van de inodelschroef was 111 mm,

Volgens Gutsche [2] ugt het Reynolds getal bij bovengenoemde omstandighedefl in het bovenkritisch gebied. Daarbij wordt het Reynoldsgetal gedefinieerd als

R n.D.lm

e

De meettijd varieerde van 15 tot'2O seconden waarbij het aantal perioden varieerde van 12 tot 21f, afhankelijk van de ocillatiefrequentie . Alleem bij w .5 kon

siechte over 2 perioden worden genieten in verband met de beschikbare lengte van de meetrun.

-7

De meetresultaten

Het op de gebruikeli.jke manier opgmetefl openwaterschroefdiagr8m (K_KJ_d±agram) wordt weergegeven in figuur 2. De schroef beyond zich daarbij diep onder water

en kreeg alleen een voorwaarts gericb±esnelheid t.o.v. het omringende, stilstaande water.. In figuur 3 is de invloed. weergegeven, die de schroef ondervindt van de

aanwezigheid van een vrij vloeistofoppervlak op een afstand van minder dan lx de schroefdiameter t.o.v. hart schroefas.

In f iguur 14 is de invloed van een s4iphoek op stuwkracht en askoppel weergegeven.

In figuur 5 wordt de invloed van een dompweging op de achroef weergegeven. Daar-Ùij beyond de schroef zieh zo diep ander water dat geen invloed van het

wateropper-viak kan worden verwacht. De geniiddelde inpeling bedroeg 292 nun voor w .5, 5 ,7.5, 10. 0m praktische redenen werd bij w ih. de indompeling verminderd

tote

222 mm. ßij de normale snelheidsgraad van deze schroef, J .75, werd tidens de run, bij een horizontale sneiheid van 1,214 rn/sec een maximale vertikale sneiheid

m

rad

tijdens de dompbeweging van .58 ¡sec bereikt, (bij w = 114.6 mec en z = 140mm). De invloed hiervan op KT en KQ blijkt verwaarloosbaar te zijn.

Bi.j kleine indoinpeling bleken stuwkracht en askoppel wel beinvloed te worden, n.l. in die çase n de dompbeweging waarbij de schroef dicht ander het water-opperviak komt. Dit wordt weergegeven in de figuren 6 en 8. De indoinpeling is hier-bij gelijk aan de indompeling t plaatsing van de modelschroef onder het model van de der Stelt. In de figuren 7 en 9 is het openwaterdiagrarn gegeven bij

een indompeling van 113 mm gemiddeld op hart as.

Daarbij worden KT en KQ weergegeven 1Îj w0 (geen dompbeweging) en w=5 en w10 bij z = 140 mm respectievelijk 30 min.

Uit de f iguur blijkt duidelijk dat en K0 alleen bij kleine waarden J worden beinvloed door de ringe indompeling. Bij de normale waarde J .15, ander-vinden KT en KQ geen invloed. Het is bi,j kleine waarden van J niet erg zinvol het rendement te beschouwen, daar n nul wordt bij J = O. Daarom is in de

figuren 7 en 9 een kromme gegeven, voorstallend /K , een faktor die in wezen het rendement r bepaalt. 00k deze kromme geeft aan dat boyen J=.145 geen invloed meer wordt uitgeoefend door het vrije wateropperviak op de dompende schroef.

In de hierboven noemde figuren 2 t/ra 9 is alleen de gemiddelde waarde van en KQ egeven, gmeten over een geheel aantal

oscillatijrioden of een

overeenkomstige tijdsduur indien geen dompbeweging werd gemaakt.

De eveneens gemeten waarden van de infase- en uitfase component en de daaruit te berekenen variatie en faseverschuiving bleken geen praktische betekenis te hebben voor het huidige onderzoek. De variatie bedroeg niet meer dan 2% van de gemiddelde waarde. Oak b±j het "uitschri.jven" van de signalen van T en Q op een U.V.-recorder bleek de dompbeweging geen enkele invloed uit te oefenen op de groatte van T en Q zolang de indompeling zo groat was dat de bvenste schraef-bladen in bovenste positie van de dampbeweging niet dicht ander het waterap-perviak kwamen.

Conclusies

BIj de oorspronkelijke gondel werd de instroomsnelheid. in de schroefschijf beinvloed door de aanwfigheid van het gondellichaam.

Uit metingen bleek

Instroomsnelheid = .927 x wagensnelheid

Bij een afstand van meer dan lx de schroefdiarneter tussen het wateropperviak en hart schroefas is de invloed van het wateroprvlak op de werking van de dompende schroef nihil.

Het bealen van een schroefkarakteristiek van een schroef ander een stamphoek (tot 100) is weinig zinvol.

Het bepalen van een schroefkarakterisek v

een dompende schroef,

waarbij de dompbeweging overeenkomt met die ten gevolge van zeegang, dus met relatief lage frequenties, is eveneens weinig zinvol.

Indien het mogelijk is het vrije wateropperviak in de proef te betrekken, kan wel een afwijkend openwaterdiagram gevonden worden.

Voor de voortstuwingsproef van de "Van der kan gebruik gemaakt worden van het standaard openwaterdiagram daar in dompende of staimende toestand geen

afwijking van betekenis gevonderl is bij die waarden van de snelheidsgraad, die voor de voortstuvingsproef van belang

zi5n.

Literatuur

i H.J. Zunderdorp en M. Buitenhek

Oscillator-techniques at Bhipbuilding Laboratory

Rapport lii, Laboratorium voor Scheepsbouwkunde, TH-Delft

2 F. Gutsche

Kennwertejnflüs bei Schiffsschraubenmodelversuchen

Lijst van gebruikte symbolen D _{schroefdjameter} J = Va/nD _{snelheidsgraad}

52

K =Q/pD n askoppelkonstante

KTT/pD n

stuwkrachtkonstante

gemiddelde lengte van bladelementen

n _toerental

Q askoppel

Re=n.D.lm/u _{getal van Reynolds volgens Gutsche}

T _stuwkracht

V _{sneiheid van de sleepwagen}

Va _{intreesnelhejd in de schroefschijf}

Z _{amplitude van de dompbeweging}

n schroefrendement _{bij de openwaterproef}

G _stamphoek

y _{kinematisehe viscositejt}

van zoetwater

p _{dichtheid van zoetwater}

Tabel I

Bijzonderheden

Gondel niet oscillerend

asengte

165 mm.

gemiddeld

= .927

J

V rn/sec. aflezing

Ap-meter

ii 's k = aflezing V2 .5714 ₁₁₅

₃₅₀

.614

2014 3149

.953

325

358

1.11414 14614 3514 1.3311

620

3148

1.520

805

348

1.709

1017

3149 Tabel II V Va Va/V rn/sec rn/sec .5714

.533

.930

.710

_.930

.952

.886

_.930

1.1143

1.060

1.3314

1.225

.921

1.518

₁₄₀₂

.9214

1.706

1.580

.925

de gemiddelde waarde van k =

₃₅₀

Tabel Iii

V Va Va/V Variatie in Va

rn/sec rn/sec Bijzonderhedefl

.572

.533

.935

3.1

.952

.88v

.920

3.6

Aslengte 165 ims

1.519

i.14014 .921

2.2

J

.573

.557

.970

3

.953

.918

.9614 1 Aslengte 330 mm

1.521

1.1470

.966

1 .5714

.572

.995

1

.952

.9143

.990

1 Aslengte 500 mm

1.517

1.1492

.990

1/3

Bijzonderheden Pitotbuis op hart as 170 mm voor onde1 Pitotbuis 50 mm naast hart as 170 mm voor gondel Pitotbuis 6D mm boyen boyen hart as 170 mm voor gondel Tabel IV Va rn/sec. Va/V Variatie in Va rad/sec. V rn/sec.

.382

.314

.89

3 5

.573

.52

.91

2 ₅

.762

.70

.92

1 ₅

.952

.86

.90

5

i.i14i

1.02

_.89

1 ₅

1.332

1.19

.89

1 5

1.518

1.35

.89

5 .5714

_.52

_.91

₃ 9

1.519

1.35

.89

2/3

9 .5714

_.53

_.92

_{3 9}

1.517

1.36

.89

9

.573

.53

.92

5

1.518

1.36

.89

1., 3 5

.572

.515

_.90

1 ₅

1.518

1.35

.89

0 5

.575

.52

.90

1 ₉

1.518

1.314

.88

₉

I

Schroefgegevens

NQ 26

Soort

Droalrichtkig

: Rechts.

Diameter

117 mm. _o/D :

1,0063

Aontot bLacien

:14 :

0,625

Spoed a.d. float

117,714 umi.

a.d. omtrek F

117,714 mm.

O.7R

Ontw. gestr.bLadopp.Ag

f6719 mm2

Gebruikt bij model nr.

914

Ontwikketd btadopp.AD

( van der Stel.)

G.proj. badopp.

Ap

Opmerkingen

N.S.P. nr 14199 Gegevens Scheepsschroef. D

_5850mm.

H :

5887mm.

Schaal : 50

15

Lijst van figuren

fig. i Schema van de meetopstelling

fig. 2 Openwaterdiagram _{van de "Van der Stel" schroef; indompeling 292 mm geen} oscillatje

fig. 3 Invloed van indompeling op het openwaterdiagram fig. 4 Invloed van een stamphoek op het openwaterdiagram

fig. 5 Invloed van een dompbeweging op het openwaterdiagram indompeling gemiddeld 292 mm, doinpamplitude 4O mm

fig. 6 _{Invloed van een dompbeweging op het openwaterdiagram}

indompeling gemiddeld 113 mm, donipamplitude 0 mm fig. T Openwaterdiagram _{van de "Van der Stel" schroef}

indompeling gemiddeld. 113 _{inni, dompamplitude líO mm} fig. 8 Invloed van een dompbeweging _{op het openwaterdiagram}

indompeling gemiddelcl. 113 mm, dompamplitude 30 rmn fig. 9 Openwaterdiagram van de "Van der Stel" 8chroef

Oscillator Rekmeter Integrator

q

--i k _Demodulator

>OE

Figuur 1. Schema Meetopstelling.

Print er

t

I

1

.5

fig. 2 Openwaterdiagram van de "Van der Stel" schroef; indompeling 292 mm geen oscillatie

7

o

0

₅₀

QDT*

loe

1Sc

fig1

3 Invloed van indompeling op het openwaterdiagram

2cc

25e

WDoi'WELiN VArI

HARrc

In

3cc

o

2

A=

A

jvI

7/'

7/

/

p-.--,-Ii

I

-

-

- -

-- -.

O--iÏ

-

-O

A

o

-.

o-:---

O-

_._? .

_{_._}

'o

f

f

2

-team

5

(A) i

(V

rnreDP.

fig. 5 Inviced van een dompbeweging op het openwaterdiagram indo 292 mm, dompamplitude LW min eling gemiddeld / c..1

i

A

Q

-! ' A AI

A

--A

-A

s-Ok

_{-o--- --}

e.

--

-

-

--- _

--.-

O

- -.

-

_--

-S -

-R

-L

o

-A

A

A

1-- 1-- 1--

o o o

-o - - -o

-A

-A

-___

-I

I-.

T

.7

.5.

G

I

'C

fig. 6 Invloed van een dompbeweging op het openwaterdiagrain indompeling gemiddeld 113 inni, dompamplitude IW mm.

WmER?1'.

.1\

f); , q

¡j

O

A = \ 1, .1

A--A

-o-J

o - - -o

--o

- --

-A

_A

_A

7

.'

.5. s-

.-_

__ _.Ja A

4),

₁₄

-

.-.---ff

-

.6---

-.-, 'r A

&

tulo

2

2

'5

8

J .

fig. T Openwaterdiagra van de "Van der Stel" schroef; indompeling gemiddeld 113 mm, dompamplitude 1O mm.

o

t

.

.7

î

.1

fig. 8 Invloed van een dompbeweging op het openwaterdigram indompeling gemiddeld 113 mm, domparnp1itide O mm. íTBeePP.

\

_\.\

J

o ¿

A

-A

---"

A-- ___

o-

--o--o-- -

_A

Ao

-A

A-5

/0

a

f

.7

5.

«4.

.2

's

o

s .r' "--.., .---1

'4--.5..-

.

A

o

.

£

)!Q

£

s

_s

s

.3

4

.7

9

1.1 J