Untersuchung von bugstrahlrudern auf ihre wirkung am fahrenden schiff in krümmungs-strecken von Rhein-Neben-flüssen

Untersuchung von Bugstrahlrudern auf ihre Wirkung

am fahrenden Schiff ¡n Krümmungsstrecken

von

RheinNebenfIüssen*

TECHNISCHE UNIVERSITE Laboratorium voor Scheepshydromhanjca Mekelweg 2 - 2628 CD DELFT

Aufgabenstellung

Die Hauptabmessungen moderner Bin-nenschiffe haben sich in den letzten

Jah-ren nicht nur auf dem Rhein, sondern

auch auf seinen Nebenflüssen vergrößert. Zudem ist, vor alle auf Neckar und Main, nur eine geringfügige Verbreiterung des Fahrwassers ohne große landschaftliche Veränderungen möglich.

Dies hat zur

Folge. daß die Manövrierfähigkeit der

Fahrzeuge erheblich verbessert werden mußte, In der polizeilichen Verordnung [1] für den Main und den Neckar wird für

Fahrzeuge über 90m Länge die

Ausrü-stung mit einer aktiven Bugsteuereinrich-tung gefordert.

Da die Wirksamkeit der verschiedenen Typen der Bugstrahlanlagen zur

Unter-stützung bei Kurvenfahrten noch nicht

untersucht wurde, kann man bisher nur von den im Stand ermittelten Querkräften ausgehen. Nachfolgend soll das Fahrver-halten der mit Bugstrahlruder

ausgerüste-ten Schiffe in Flußkrümmungen

unter-sucht werden.

* Kurzfassung des VBD-Berichtes 1229 Die Arbeitsgemeinschaft Industrieller For-schungsvereinigungen e.V., Köln, hat der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e.V., Duisburg. auf deren Antrag in dankenswer-ter Weise die Durchführung des Versuchs-programms ermöglicht und das Vorhaben aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft gefördert.

Der vollständige Bericht kann zum Selbstko-stenpreis zuzüglich Porto und MwSt. von der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e.V.. Klöcknerstr. 77, 4100 Duisburg i, bezogen werden.

Bild i Versuchszuslande

102

Dipl. -In g. K. Steigerwald

249. Mitteilung der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e.V.. Duisburg: Institut an der Rheinisch-Westfälischen Techni-schen Hochschule. Aachen; Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Industrieller For-schungsvereinigungen e.V., Köln

Untersuchte Bugstrahlsysteme

Aus dem vorangegangenen Forschungs-vorhaben [2] ist zu ersehen, daß von den vier untersuchten Bugstrahltriebwerken nur zwei sowohl in Bezug auf die

spezifi-sche Leistung als auch hinsichtlich der

Drehgeschwindigkeit bei beladener Fahrt mit VW = 12 km/h ausreichende Werte aufweisen. Es handelt sich um den Schot-tel-Jet und die Ebert-Bugstrahlanlage. Sie sind zur weiteren Untersuchung geeignet. da sie sich in der Anordnung des Propel-lers unterscheiden.

Als weitere Anlagen wurden die BSG-Bugstrahlanlage und der Omega-Jet wählt. Die BSG-Anlage hatte in [21 ge-ringere Werte ais die Anlagen von Sehnt-tel und Ebert. fand aber vor allem wegen der Häufigkeit in der Praxis Beachtung. Dieses Bugstrahlruder ist in zahlreichen Motorschiffen, die oft die Nebenflüsse be-fahren, installiert. Dies trifft auch für den Omega-Jet zu, dessen prinzipieller Auf-bau mit dem Schottel-Jet vergleichbar ist, wobei die Kanalführung andere Merkma-le aufzeigt.

Bei den bisher erwähnten Anlagen han-delt es sich ausschließlich um Einbauten mit vier Kanälen, wobei zwei Kanäle in Schiffslängs- und zwei in Schiffsquerrich-tung verlaufen.

Weiterhin sind die Bugstrahlanlagen des Typs Clausen und Dekaap in die Un-tersuchung eingeflossen. Bei der Clausen-Anlage handelt es sich um eine verein-fachte Variante des Schottel-Jets, die nur zwei Querkanäle besitzt, während heim Dekaap Bugstrahlruder der Propeller in einer kegelstumpiförmigen Vertiefung

oh-ne Kanäle installiert ist und unter den

Schiffsboden abgesenkt werden kann.

Die wichtigsten technischen Daten der untersuchten Fahrzeuge sind in Bild 1

aufgeführt.

Theoretische Grundlagen

Fahrzeuge. die eine Flußkrümmung durchfahren, benötigen eine Fahrbahn-breite, die sich erheblich von der Schiffs-breite unterscheidet. Dies entsteht, da zur Kompensation der Zentrifugalkraft Fz ei-ne hydrodynamische Querkraft FR durch das Anstellen des Schiffes zur Bahntan-gente erzeugt werden muß (Bild 2). Hier ist zu erkennen, daß die Zentrifugalkraft

Q(V+dV)'V2u0

Fz-

_R

von der Geschwindigkeit über Grund VÜG abhängig ist, wogegen die hydrodynami-sche Querkraft

FR=l/2QV2dWcROAcl/2sin23

direkt proportional der Geschwindigkeit durch das Wasser Vdw ist.

Die benötigte Fahrbahnbreite läßt sich aus dem Driftwinkel 3, dem Fahrbahnin-nenradius und den Schiffsabmessungen ab-leiten.

BF = V(Ri+B)2+[l/2.L+(R+1/2.B).tanI3]_R Die theoretisch geringste Fahrbahnbrei-te ergibt sich, wenn die Schiffslängsachse auf halber Schiffslänge eine Tangente an den Fahrbahnradius ergibt, d. h. der Drift-winkel Null ist.

BF min = V(R + B) + (1/2

L) - R1

Dies ist mit einem Bugsteuerorgan er-reichbar.

A RC1EF

bw/ZfB - Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen - Nr. 3 - Mai 1989

Fahrzeug Länge über alles [m] Breite f m] [m] Thflefl [m] Hauptm.-leistung [kW] Ruderanlage

Typ Anzahl der

Ruder Bugstrahlruder Typ Leistung [kW] A 108,5 ti .0 2,34 2,34 883 Flossenruder BSG 203 B 108,4 11,0 2,95 2.91 1103 Flossenruder BSG 177 C 105,0 10.5 0,46 1,60 883 Staukeilruder 2 Omega-Jet 191 D 105,0 10,5 0,42 1,60 883 Staukeilruder 2 Ebert 162 E 108,5 11,0 0,41 1.55 883 Flossenruder BSG 203 F 105,0 11,0 0,50 1,45 810 Staukeilruder 2 Schottel-Jet 153 G 90,0 9,0 0,30 1.50 640 Flossenruder I Omega-Jet 191 H 100,0 9.5 1,00 1.60 736 Staukeilruder 2 Clausen 100 I 100,0 9,5 0,40 1,50 854 Flossenruder i De Kaap 149

8F j(R. 01"[4 L IR. Rl rrr91'-R1

Bild 2 Theoretische Betrachtung der Fahr-bahnbreite beim Durchfahren einer Fluß. krümmung

Versuchsaulbau

Die ausgewählten Krümmungsstrecken auf Main und Neckar werden mit den Fahr-zeugen bei unterschiedlichen Hauptma-schinendrehzahlen durchfahren. Mittels Radarphasenaufnahmen erfaßt man die benötigte Fahrbahnbreite und den entspre-chenden Driftwinkel. Den Kurs. die Dreh-geschwindigkeit und den Ruderwinkel

re-gistriert ein Sechskanalschreiber. Kurs-und Drehgeschwindigkeit werden vom Meßkreisel, der Ruderwinkel wird von an Bord vorhandenen Instrumenten abgegrif-fen. Die Geschwindigkeit des Schiffes über Grund bestimmt man mittels der Flußkilo-metrierung und einer Stoppuhr.

Versuchsdurchführung

Zu den Messungen in den ausgewä hiten Krümmungsstrecken des Mains wurden während der beladenen Bergfahrt (Fahr-zeug A) auf den geraden Teilstücken zu-sätzlich Anschwenkversuche durchgeführt. Da aus den hieraus gewonnenen Ergeb-nissen keine eindeutige Aussage über den

Wirkungsgrad eines Bugstrahlaggregats getroffen werden konnte, wurde die bela-dene Talfahrt (Fahrzeug B) auf dem Main untersucht. Hier zeigte sich, daß der einge-tauchte Schiffslateralpian Ac zu groß und deshalb eine Wirkung des Bugstrahlruders beim Durchfahren von Flußkrümmungen nicht meßbar ist.

Die nachfolgenden Untersuchungen wurden bei Talfahrten mit Leertiefgang bzw. Ballasttiefgang durchgeführt, da die Wirkungen der Bugsteueranlagen hierbei am deutlichsten hervortreten. Der Schot-tel-Jet, die Ebert-Bugstrahlanlage und der Omega-Jet finden hei Talfahrten auf dem Neckar Berücksichtigung (Fahrzeuge C. D und F), während die BSG-Bugstrahlanlage auf dem Main (Fahrezuge E) zum Einsatz kommt. Zusätzlich wurden auf dem Main der Omega-Jet, die Clausen- und die De-kaap-Bugstrahlanlagen (Fahrzeuge G, H und I) allerdings nur in Bezug auf Fahrver-halten und wegen Mangel an einer ausrei-chenden Zahl von Maßwerten nicht auf Fahrhahnbreite untersucht. Hier muß er-wähnt werden, daß es sich bei den Fahrzeu-gen A und E um dieselben Schiffe handelt, diese aber unterschiedlich benannt wur-den. um eine Verwechslung zwischen

bela-dener Bergfahrt und leerer Fahrt zu ver-meiden.

Zur Erzielung verschiedener

Fahrbahn-breiten durchfährt man mehrere

Fluß-krümmungen. die sich sowohl in Fahrbahn-innenradius als auch in der Strömungsge-schwindigkeit unterscheiden zum Teil mit und, um Vergleichswerte zu erhalten, zum Teil ohne Einsatz des Bugstrahlaggregates.

Versuchsauswertung

Die Bergfahrt mit größtem zulässigen Tiefgang auf dem Main (Fahrzeug A) zeig-te, daß der Einfluß des Bugstrahlruders auf das Fahrverhalten bei hetriebsüblichen Fahrgeschwindigkeiten nicht eindeutig zu ermitteln ist.

Bei der beladenen Talfahrt (Fahrzeug B) stellt sich ebenfalls keine entscheidende Beeinflussung durch das Bugstrahlruder bei Kurvenfahrten heraus.

Daß Einflüsse vorhanden sind, zeigt der Versuch mit Unterstützung der Autopilot-anlage für die Geradeausfahrt. Dabei wer-den mit 900 querab gerichtetem Bugstrahl 30 Ruderwinkel dauernd benötigt (Bild 3).

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₄ wk'hni Bb15 lo 5 0 5 10 15 Stb Bb20 10 0 10 2OStb Sb 10 5 0 5 10 Stb a r-o. ro ro Radarphase n -aufnehmen: Bildabst and: r30s Euh rt r icht un g

Bild 3 Gerade Streckenfahrt mit Autopilot und Bugstrahlruder Fahrzeug R. i' = 2,93 m Main zu Tal; Einstellung Autopilot; 0°/mm; Bugstrahlruder: Strahlrichtung Rb; v,, = 12,6 km/h

'[Br,

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hw/ZfB - Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen - Nr. 3 - Mai 1989 1(13

BF* 140.. 30 20 - 10-o

B'

[U i40 30 20 - 10-O o 104 S CH OTTE L-J et Fahrzeug F BS max = 153 kW OMEGA -Jet Fahrzeug C Fahrverhalten

Bei allen untersuchten Fahrzeugen wur-de eine mehr owur-der weniger starke Beein-flussung des Fahrverhaltens beim Durch-fahren von Flußkrümmungen feststellt (Bild 4).

Fahrbahnbreiten

Für die nachfolgende Auswertung

wur-den nur die

Versuchsfahrten

mit den

Fahrzeugen C, D. E und F herangezogen. da die Anzahl der vorhandenen Meßwer-te bei den restlichen TalfahrMeßwer-ten in Ballast für eine statistische Auswertung zu gering waren.

Bei der Bestimmung der Fahrbahnbrei-ten während der KurvenfahrFahrbahnbrei-ten setzt man für alle untersuchten Fahrzeuge die glei-chen Hauptabmessungen (108,5m X

11,0 m) und eine rechteckige Schiffsform

an. Hierdurch kann man die

Fahrbahn-breiten der einzelnen Fahrzeuge unterein-ander vergleichen. Aus der Innenseite der Fahrspur wird ein kreisförmiges Teilstück ausgewählt. dessen Mittelpunkt geome-trisch konstruiert wird. Die so ermittelten

= P_{BS max} = 191 kW F min mit BS B F. min ohne BS R1 = 300 m - R. = 500 m 100 % 13.0 14.0 15.0 16.0 VdW [km/h]

Bild 4 Maximale Reduzierung der Fahrbahnbreite durch Einsatz von verschiedenen Bug-strahlrudern beim Durchfahren von Flußkrümmungen

Fahrhahninnenradien sind für die jeweili-gen Kurven nicht bindend,

da jeder

Schiffsführer die Krümmung anders durchfährt.

Bei Auftragung der Fahrbahnbreiten

über dem Innenradius in verschiedenen Geschwindigkeitsbereichen entstehen für jedes Fahrzeug jeweils zwei Kurven; zum einen mit, zum anderen ohne Benutzung des Bugstrahlruders. Bei vorgegebenen Fahrhahninnenradien ergibt sich der

mini-male Fahrwegbedarf über der

Fahrge-schwindigkeit durch das Wasser, ebenfalls mit und ohne Bugstrahlruder.

In Bild 5 ist das prozentuale Verhältnis Fahrbahnhreiten mit und ohne Bugstrahl-einsatz der untersuchten Fahrzeuge bei zwei Fahrbahninnenradien dargestellt.

Die beiden aufgetragenen Radien

ent-sprechen den mittleren gemessenen Ra-dien auf den Versuchsstrecken (Main: R1 = 500m: Neckar: R = 300m).

Bei dem Vergleich der untersuchten

Bugstrahlanlagen stellen sich einige typenspezifische Merkmale heraus. So zeigt sich bei den Anlagen mit vertikaler

Propellerwelle (Schottel-Jet, Omega-Jet)

eine abnehmende Wirkung bei

zuneh-mender Geschwindigkeit durch das Was-ser, wogegen bei Bugstrahlanlagen mit horizontalen Propellerwellen (Ebert, BSG) die Wirkung bei zunehmender Ge-schwindigkeit konstant bleibt bzw. noch zunimmt. Dies dürfte auf die zusätzliche Schuherhöhung zurückzuführen sein, die durch die erhöhte Anströmgeschwindig-keit aus dem in Schiffslängsachse gerich-teten Kanal durch die Fahrgeschwindig-keit entsteht 19].

Die Fahrhahnhreitenreduzierung bei ei-nem Vier-Leichter-Schubverband mit pas-sivem Bugruder beträgt bei einer betriebs-üblichen Geschwindigkeit durch das Was-ser von 13 km/h ca. 21 % [21. dies zeigt, daß

die Querkräfte der untersuchten

Bug-strahlanlagen auch während der Fahrt noch relativ hoch sind.

Den Verringerungen der Fahrbahnbrei-ten liegen die, aus den Großversuchen er-mittelten, minimalen Fahrhahnbreiten zu-grunde. die weder als minimalste Breiten überhaupt, noch als unbedingt erreichbare Fahrhahnhreiten angesehen werden kön-nen. Die ist immer von dem jeweiligen Schiffsführer und den Randbedingungen (Strömung, Seitenwind, usw.) abhängig.

Zusammenfassung

In der beladenen Tal- und Bergfahrt

zeigt der Einsatz des Bugstrahlruders als zusätzliche Steuerhilfe heim Durchfahren von Flußkrümmungen nur bei reduzierten Geschwindigkeiten. die unter den betrieb-süblichen Geschwindigkeiten liegen, einen wirksamen Einfluß auf. Bei der Talfahrt im Leer- bzw. Ballastzustand zeigten die Bug-strahlanlagen bei den Kurvenfahrten gute Wirksamkeit.

Als eine ausreichende Manövrierhilfe zur Verringerung der Fahrbahnbreite bei der Kurvenfahrt in der Leer- bzw. Ballast-fahrt zu Tal erweisen sich alle vier der aus-führlich untersuchten Bugstrahlanlagen (Omega- und Schottel-Jet. bzw. Ebert- und BSG-Bugstrahlanlagen). Bei der Schottel-Jet-Bugstrahlanlage wirkt sich die hohe Verstellgeschwindigkeit des Drehkrüm-mers vorteilhaft auf die Manövrierfähigkeit des Schiffes ohne Benutzung des Hauptru-ders aus. Bei den zusätzlich untersuchten Fahrzeugen weist nur Fahrzeug I keine zu-friedenstellende Verbesserung der Manö-vrierfähigkeit durch das Bugstrahlruder bei den betriebsüblichen Geschwindigkeiten auf, da die durch den Bugpropeller erzeuge Querkraft zeitlich nicht konstant bleibt und somit keine Hilfe für den Schiffsführer ist. Dies ist auf den Strömungsabriß am freien Propeller zurückzuführen.

Abschließend sei den beteiligten Reede-reien für die bereitwillige Mitarbeit und die Bereitstellung der Fahrzeuge für die Ver-suchsfahrten gedankt.

Literatur

[1] N.N. Binnenschiffahrtsstraßen-Ordnung. Deutscher Bundesverlag. Mai 1985

[21 Schäle, E. Naturgroße, vergleichende Un-tersuchungen neuer Bugstrahlantriebe an

Großmotorschiffen. ..Hansa'. Heft 12/1985 bw/ZfB - Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen - Nr. 3 - Mai 1989

13,0 1'I.O 15.0 16.0 BF* _{V [km/h]} 140- B S G -Bugstrahlaniage 30- Fahrzeug E P = 203 kW 20-

___!__---_-- 10-BF* [U 40 30 20 -10 13,0 114,0 EBER T-Bugstrahanlage Fahrzeug D _{BS max} 15,0 = 162 kW 16,0 VdW [km/h] 15.0 16.0 VdW [km/h] 130 114,0

Aktive Bugsteuerorgane für moderne Bin-nenschiffe. 181. Mitteilung der VBD (Eigen-druck)

Unwersität Duisburg, Gesamtschule. Akti-ve Steuerorgane in Schiffahrt und Meerestech-nik. 2. Kolloquium Schiffstechnik/Meerestech-nik. Vortragssammlung. 1981

Universität Duisburg. Gesamtschule. Zu-künftige Umsetzung und Ausnutzung der Hauptmaschinenleistung. 4. Kolloquium Schiffstechnik/Meerestechnik, Vortragssamm-lung, 1983

Schottelwerft. Schottel-Bugstrahlanlagen. Betriebsergebnisse und Dimensionierungshin-weise. .,Hansa", Heft 12/1984

Schäle. E. Angewandte Schiffshydrome-chanik und Schiffahrtsbetriebstechnik. Vorle-sung an der Universität Duisburg

[81 Heuer, H. Nussbaum, W. Untersuchung kombinierter Heck-Bug-Antriebe für Binnen-frachtschiffe . ..Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen". Heft 7/1982

9] Heuser. H. Bow Thrusters for Large River and Inland Vessels. Vortrag: 10. Pan-American Congress on Naval Engineering, Rio de

Janei-ro, Juni 1987

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Bild 5 1)urchfahrt einer Flußkrümmung mit Bugstrahlrudereinsatz

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o--Sb Neckar zu i al w _{G -} knit rl

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Reduzierung der Fahrhahnhreite R, T. Tm [ni] ]kWl (Fill [ml [ml Schiffslänge

maximale Leistung des Bug-strah Iruders

Kurvenradius Kurveninnenradius mittlerer Tiefgang

Bi.- mit BS T550 [ml Tiefgang hinten

Tvorne [ml [s]

Tiefgang vorne Zeit

BF min ohne BS

BF , mit BS [ml Fahrbahnhreite mit Bugstrahl- [mal Verdrängung

ruder dV [ma] hydrodynamische Masse

BF min ohne BS _[ml

Fahrbahnhreite ohne Bugstrahl-Vdw

[km/hl Geschwindigkeit durch das

ruder _Wasser

BS Bugstrahlruder VG [km/h] Geschwindigkeit über Grund

BSG Bayerische Schiffbaugesell-

[Ol

Driftwinkel

schaft. Erlenbach b

[]

Ruderwinkel

FR [kN Radialkraft [kg. rn-3] Dichte

F,

[kNj Zentrifugalkraft

[Ol

Kurswinkel

11m ]m] mittlere Wassertiefe CU min] Drehgeschwindigkeit

bw/ZfB - Zeitschrift für Binnenschiffahrt und Wasserstraßen - Nr. 3 - Mai 1989 105