iaufen. Wie beim Antrieb von Verstellpropellern allgemein fiblich, wird der Dieselmotor drehzahlgerecht gefahren, d. h. der Motorreglergibt gerade sovicl Biennstoff frel bis bei der vorgegebenen Drehzahl das Motormoment dem Propellermoment entspricht. Telllast-betrieb wird zweckma13igerweise nicht durch Verringerung der Propellerleistung, sondern durch Reduzierung der Motordrehzahl gefahren.
Wegen des im Propeller befindlichen Untersetzungsgetriebes sind die Motordrehzahlen innerhalb bestimmter Grenzen wahlbar. In Tabelle 3 sind diese Grenzen angegeben. Es sei darauf hingewiesen, daS es sich hier urn Richtwerte handelt und da13 in einzelnen Fallen Abweichungen auftreten konnen.
Bel der Auslegung der Wellenleitung ist zu berficksichtigen. dun der
Voith-Schneider-Propeller em Flochleistungsgetriebe enthalt. Es empfiehlt sich daher, zwisthen Dieselmotor und Propeller entweder eine im Betrieb schaltbare Kupplung oder aber eine Fottinger-Kupplung (Turbokupplung) vorzusehen, damit em n stoBfreies Anfahren und Abstellen der Anlage gewahrleistet 1st. Die Fottinger-Kupplung bietet den zusatzlichen Vorteil, dad Drehschwingungen in der Wellenleitung praktisch ausgeschlossen sind.
Die Verbindung von Wellenleitung und Propellerritzelwelle mui3 durch eine
verlage-rungsfahige Kupplung (z. B. Bogenzahnkupplung) erfolgen. Hierdurch wird vermieden,
a13 infolge von Montageungenauigkeiten,
Warmedehnung der Wellenleitung oder elasti-welle kommen..chen Verformungen des Schiffskorpers Ewangskrafte in die Lageruni der
Proyllerritzei-H. Aktiv- und Bugstralikud0:':.7;
aex nfi r
A. Auslegung von Querstrahl-
und Aktivruder-Anka
Dr.-Ing. W.Pieper
I. Allgemeine Gesichtspunkte.
Querstrahl-und Aktivruder-Anlagen haben die Aufgabe, die Manovriereigenschaften
Schiffes bei kleinen Geschwindigkeiten und unglinstigen Strbmungsverhaltrussen u.im An- und Ablegen zu verbessern..
Die Querstrahlanlagen werden heute im allgemeinen im Bug des
Schiffes, Aktivruder dagegen im Ruderblatt eingebaut. Das Aktivruder kann im Gegensatz zu den Querstrahl-anlagen auch einen Vortrieb erzeugen, z. B. bei Schleichfahrt oder
ausgefallener Haupt-maschine. Durch Kombination von Bugstrahl- mid Aktivruder 1st
es moglich, mit einem Schiff zu traversieren (siehe Bud 1) oder einen noeh kleineren Drehkreis als mit Aktiv-oder Bugstrahlruder allein zu erzielen (siehe Bild 2).
lc
Bild 1 Traversieren Mit ARUN,- und
Bug-strahlruder Bild 2 Drchen mit Aktiv- end Bugstrahl-ruder
Bei den Querstrahlanlagen werden folgende Grundsystemeverwendet: Antrieb durch nassen Unterwassermotor. Ein Propeller,
direkt auf der Motorwelle. Regelung durch Impulsschaltung Oder Frequenzumformer (siehe
Bild 3).
Antrieb Uber Getriebe mit normalem Gleich- odorDrehstrommotor. Regelung durch Feldveranderung oder Vorwiderstande im Lauferkreis.
Anorcluung eines Propellers (Kegelgetriebe, Bild 4) Anordnung von zwei Propellern (Bild S)
gegen15ufig mit gleicher Drehzahl (Kegelgetriebe)
gleichlaufig mit verschiedener Drehzahl (Differentialgetriebe)
cLUI N1.151U1rUllg des Kanals kann man unterscheiden:
1 Gerader Kanal (}31Id 3-5) Heute Standardausfiihrung.
2. Gekrilmmter Kanal (BIld 6),
3 Kanal mut T-Form (Bild 7) Steuerung der Austrittsrichtung desDrehschieber. Wassers erfolgt durch 4. Zwei Kanale mit S-Schlag. Antrieb im Drehschieber (Bild 8).
Bad 3 Bugstrahlruder mit Bad 4
Bugstrahlrnder mit Bild 5 Bugstrahlruder mit Unterwassermotor Stirnrad- und Kegelgetriebe.
Stirnrad- und Kegelgetriebe. Ein Propeller Zwei Propeller
Bud 6 Mid 7 Gerade Qnerkanale
Gekrilmmter Querkanal mit Drehschieber (a) Bild 8
S-fOrmige Querkanale mit Antrieb im Drehschieber (a) Die welter unten folgenden Betechnungsangaben sind filr alle obengenannten
Anord-nungen gilltig, jedoch wird urn folgenden nur der gerade Kanal genauer betrachtetwerden.
Beim grundsatzlichm Ruderblatt
emgebauten Aktivruder ergeben sich folgende mog-lichkeiten:
freischlagend
in einem Schutz/11'1g laufend
in elner Dlise laufend. Heute Standardausfiihrung (Bild 9).
Wahrend bei Schiffen normaler Geschwindigkeit der Schleppwiderstand des Aktivruder-Propellers praktisch vernachlass/gt werden kann, wird bei schnellaufenden
Schiften emn Segeistellungspropeller eingebaut. Dieser Segeistellungspropeller ist so konstruiert, dal3 er such urn geschleppten Zustand stets auf den kleinstmoglichenWiderstand einstellt.
2. Konstruktive Gesichtspunkte. Die Lage des Querkanals im Vorschiff ist so zu bestim-men, daB das Schubmoment, d h das Produkt aus Schub und Hebelarm des Schubes, bezogen auf den Brehpunkt des Schiffes, em Maximum wird.
Dieser Gesichtspunkt 1.vird bet heutigen Ausfuhrungen von Bugstrahlrudern oft auBer acht gelassen und das Hauptaugenmeik auf den maxunalen Schub allein gerichtet. Wenn z Z als gunstugste Lage desQuerkanals etwa 15
o der Schiffslange, vom Bug aus gerechnet,
angcsehen wird, so stimmt das
sleherlIch fur spezielle F511e, filr die diese TJntersuchung vorgenommen wurde. Allgemem
gilt jedoch, dafi der 'Canal so weit nach vorn gelegt
werden sollte, dal3 im Querkanal gerade noch emwandfreie StromungsverhaltnissemOglich sind Jede Verlangerung des Kanals ergibt zusatzhche Reibungsverluste
und damit eine ermmderung des effektiven Schubes Aus dem vorstehend Gesagten erkennt man, dafl bei en verschiedenen Bugformen die Lage des Querkanals im Vorschiff in weiten Grenzen schwanken kann
Zu berUc(sichtigen 1st bei der endgultigen Festlegung des QUerkanals
auflerdem der EinfluB der Bugwelle, der jedoch nur bet sehr geringer Uberdeckung des Querkanals wirksam sem chlrfte.
Die Lage des Querkanals unter der Wasseritme wird bestimmt durch Tiefgang des Schiffes, Kavitationsgefahrdung
und erwarteten Schub Eel der
endgUltigen Festlegung darf die Kavitationsgefahrdung
nicht unberucksichtigt bleiben, well sich daraus emn erheblicher Abfall des Propellerwirkungsgrades und damit desSchubes ergibt. Auflerdem kann eine u. U sehr beachtliche
Gerauschbelastigung auftreten, die nur durch aufwendige konstruktive Maflnahmen (Schaildammungl) herabgesetzt werden kann.
Falls bet relativ flachgehenden Schiffen grofle Schdbe erwiinscht
sind, kann far den
Propeller nicht immer die
erfoiderliche Uberdeckung vei wirklicht werden.. Urn trotzdem Belashgungen durch Kavrtationsgerausche
zu vermeiden kann man die Leistung ate zwei Querkanaie aufteilen die
zweck.malhg hunereinander hegen riper den giinstigsten Abstand
0
Geiundeter Einlauf. Germgste Em-trittsverluste Feitigung aufwenchg Ubergangskegel Eintrittsverluste etwas hoher ills bei a) Fert1gungsm3f3ig gUn-stig.
C) Ventui ieinsatz Eintrittsverluste und Fertigung wie bei b) Durch Venturi-emsatz bessere Staiimungsverhaltniss im Querkanal und bessere Gerausch-e dammung.
Bild 9 Aktivrtuler in Normalausfahrung
1
Buhl 10 Ausbildung der Einlaufliffnungen fur gerade Querkanale
Scharfkantiger Einlauf. Hochste Ein-ittsverluste. Fertigung sehr einfach. Kon7entrisches Einlaufgittcr. Hierdurch Eintrittsverluste etwa zwischen a) und b) liegend.
Stromungsmulcie zur Verringerungdes duich die Kanaloffnung bedingten zu-sat/lichen Schiffswiderstandes.
liegen noch keine genauen Untersuchungen vor, doch kann man als Anhalt einen Abstand, auf die Mittelpunkte der Querkanale bezogen, von 1,75 bis2,25 D wahlen.
Erne Aufteilung auf zwci Querkanale hat auBerdem in gewissen Fliflen auch regel-technische Vorteile. Andererseits ergibt die Aufteilung auf zwei Ranale jedoch eirien groBeren Fertigungsaufwand.
Bei der Ausbildung des Querkanals 1st darauf zu achten, daB die Ein- und Austritts-verluste mOglichst klein bleiben. Da der Propeller nach beiden Seiten arbeiten mull, bedeutet dies, daB die Offnungen des Kanals filr einen rnoglichst guten Einlauf auszu-bilden sind, praktisch sind allerdings aus Fertigungsgriinden sehr enge Grenzen gesetzt: In Bild 10 sind einige Ausaihrungsbeispiele gezeigt, in Tabelle 1 dazugehorige Widerstands-erhohungen. Urn trotz dieser relativ ungtinstigenEinlaufeffnungen eine halbwegs gleich-maBige Zustromung zum Propeller zu erreichen, ist em n Mindestabstand des Propellers von der Eintrittskante einzuhalten, der bei 0,5 bis1 D liegt. Die Mindestlange des Quer-kanals wird deshalb etwa Aggregatlange Propellerdure.hmesser.
Eine weitere Einschrankung bei derWahl des giinstigsten Einlaufes fill' den Querkanal ergibt sich dadurch, daB die Form der Kanaldffnung einen EinfluB auf den Gesamtwider-stand des Schiffes hat.
In Tabelle 1 sind filr verschiedene Kanaloffnungen zugehorige Widerstandserh8hungen angegeben. Es 1st jedoch zu beachten, daB dlese Werte nur ftir em n bestimmtes Schiff gelten und sehr stark durch die Bugform und die Bugwelle beeinfluBt werden. Bezogen auf den Gesamtwiderstand 1st der TJnterschied zwischen den verschiedenen Kanaloffnungen so gering, daB er praktisch innerhalbder Mel3genauigkeit liegt.
Tabel/e 1 Widerstandserhohungen be/ verschiedenen Einlaufoffnungen (nach Tastrani) Einlauf des
kein Querkanal gerundet scharfkantig mit
AbstrOm-Querkanals Bild 10a
Bild 10d mulde (Bild 10f) Widerstand,
1,038
bezogen auf Schiff 1,00
1,055
ohne Querkanal (1,015) 1,017
3. Berechnung der Bauctabmessungen.
Die striirnungstechnische Berechnung des Quer-kanales erfolgt am zweckmaBigsten
unter der Annahme, daB der Propeller abs Axialpumpe arbeitet.
Die vom Propeller aufzubringendeForderhohe H setzt sich zusammen aus I. Geschwindigkeitshohe cD2/2g (bezogen auf Austritt des Querkanales)
Reibungsverluste h ins Querkanal
Ein- und Austrittsverluste hE des Querkanales,
also H cD2/2g + hv + hE + hv
(1)
Da hE und h im Gegensatz
zu cD2/2g nicht zum Schub beitragen und reine Verluste sind, milssen sie moglich.st klein gehalten werden.
Die Leistungsaufnahme des Propellers ist G H
= 75 cp L0.1L- (2)
mit G y eD FD = in der Zeiteinheit durch den
Querkanal flieBender Gewichtsstrom in kp/s
H = FOrderhohe in m WS
-np
Propellerwirkungsgrad, streng zu untersc.heiden vom Vortriebs-wirkungsgrad.
hE unit hv sind ebenfalls geschwindigkeitsabhangig, so daB
CD'
H--K-mitKr=l+XA-+E+V.)
2g (3)Filr die erforderliche Motorleistung ergibt sich dann
mi 1 CD, 1 1 DD2 4 75 zg K cD2 Nerf = 0,535 [PS] 1,1Getr.
) Definition der GroBen siehe spater Nerf =
(9)
1P 1Getr.
Fill' den Schub ergibt sich aus dem Impulssatz
S =
(cDv)
(6)oder S Drs!
y CD (CDv) [kW (7)
4 g
Da hier in den meisten Fallen die Schiffsgeschwindigkeit v 0, kann man schreiben
S = 80 De CD- [kp) (8)
Als Giltegrad fin- die Gesamtanlage haben wir den spezifischen
Sub
S 80 De ce IGetr. (5) Nerf 0,535 X CD!
TI.
150 Getr. (10) NerfcE K
PSBestimmung von c!/2g, hv und hE:
D2/2g: Von den drei GroBen kann allein die Austrittsgeschwindigkeit fret gewahlt wer-den durch Bestimmung von Propellerdurchmesser und Propellerdrehzahl, sehr haufig spielen jedoch wirtschaftliche Oberlegungen die entscheidende Rolle. Die kleinstzulassige Stromungsgeschwindigkeitist begrenzt durch die Forderung, da3 die kleinste Steigung des Propellers am AuBendurchmesser im Normalfalle aus stromungstechnischen Uberlegungen einen bestimmten Wert nicht unterschreiten sollte:
0,55
Abgesehen davon, da3 der so bestimmte Propeller oft im Schiff nicht unterzubrin-gen 1st, muli aufierdem der Einflui3 der Umfangsgcschwindigkeit berticksichtigt werden. Falls bei nicht sehr tiefem Einbau des Propellers unter der Wasserober-flache h8here Urafangsgeschwindigkeiten aufteten, 1st der Propeller au f Kavita-tionssicherheit nachzurechnen.
Der Reibungsverlust irn Couerkanal kann relativ einfach erfal3t werden, wenn man den Xanal gernaB Bild 11 unterteilt.
Fur Reibungsverluste in Rohrleitungengilt allgemein
h X
L V ph 2g mit X Reibungsbeiwert L = Rohrlange 4F Dh == -= hydraulischer DurchmesserUU Umfan,g der benetzten Oberflache.
Die.Reibungsverluste in den Abschnitten II und III (vergl. Bild 11) ergeben sich sofortzu LII +1111 CD'
hvII + III
DD 2g
Der hydraulische Durchmesser fur den Abschnitt I 1st
4F DD2
Dh
U DD + Di
BiId 11 Bezeichnungen am Querkanal
[rn]
(12)
158
und nach kurzer Rechnung
Dann 1st
und der gesamte Reibungsverhast
X hv 2g DD 1(111÷ L111) elf ÷ 1 DiiI3D i
.
Li cmsi
eD Wegen cm =1 PW
--= folgt mit Lii + Lm =Li
[D'
eD k hv = X L cD2 L Li 1 DD 2g L L le (1 Di/DD) L cD2 LII
1 h L kle (1 Di/DD) )1 V =X 1 DD 2g (16)Die in der eckigen Klammer befindlichen Werte kann man in einem Faktor A zusammen-fassen und in Abhangigkeit von Di/DD und Li/L darstellen, so clan
L CD,
hv -= X A [ml
(17)
DD 2g mit 0,01 <X <0,05
Die Ein- und Austrittsverluste hAngen weitgehend von der Ausbildung des Kanal-eintrittes ab. Als Erfahrungswert kann man annehmen
mit 0,15 <E < 0,50 Der untere Wert gilt filr gerundeten oder konischen Eintritt, der obere Wert fur scharfkantigen Eintritt.
AuBerdem zeigt sich, daL3 die Beiwerte mit grtiBer werdendem Durchmesser etwasabnehmen. hv: Verluste durch Geschwindigkeitsumsetzung im Venturieinsatz (s. Bild 10c).
2g
hv
cD2 rnit 0,15 < V < 0,20
Mit den vorstehend angegebenen Gleichungen ergibt sich folgender Berechnungsgang: Aus dem Schiffsentwurf ist die Lateralflache bekannt. Aus Bild 12 flndet man den dafilr erforderlichen Schub. lThersch16glic1 kann man S/N = 12 kp/PS setzen. Damit wird die erforderliche Leistung Np S/12 [PS]. Die zu dieser Leistung gehorige Propellerdrehzahl kann man aus Tabelle 2 entnehmen. Falls mehrere Drehzahlen angegebenslnd, ergibt be1 gleicher Umfangsgeschwindigkeit die h6here Drehzahl den kleineren Schub. Der Pro-pellerdurchmesser ergibt sich aus der Gleichung (4)
5 zu Dp = Li hl = Xv CD' 11E = E JmJ 2g 131p Np DD (1 Di/DD) 2g (15) [ml (19) (10 tg 603.)3 le (1 + XA L/DD + E) (np/100)2
mit N.-. =N2 au( " 1Gctr. (falls keine Getriebe:
.Gctr. 1,0)
tg 60a = = Winkel zwischen relativer
ZustrOmgeschwindigkeit zum Propeller und
Up
Umfangsgeschwindigkeit. Filr 0,55 1st 80a.--:-.--10°.
1) der in Bild 12 angegebene Schub
fill. Bugstrahlruder gilt insbesondere für Spezial-schiffe, wie Fahren, Tonnenleger,
Saugbagger, Forschungsschiffe usw. Filr normale Fracht-zweck).
schiffe kann der erforderliche Schub kleiner gew3hlt werden (abhangig vom
Verwendungs-Dh DD (1
LID ist zunachst zu schdtzen. Eventuell Rechnung wiederholen. Falls aus konstruktiven Grilnden der Propellerdurchmesser
1 13 Tip Np
tg oa
k n/100
vorgegeben 1st, kann aus GI. 19 berechnet werden
vDp,
(1 + X A- + E)
ft
Da np gewahlt, ergeben sich welter Umfangsgeschwindigkeit
np Dp r rn
Up=so L
s J
Strornungsgeschwindigkeit am ICanalaustritt
und nach GI. (10)
150 TIP TIGetr.
(1+ A. A L/DD +E) cr,
0
0.2 03 04 05 06 07 0.8
0;/00
Bild 12 Schub als Funktion der
Lateral-115.che
BSR = Bugstrahlruder AR = Aktivruder
ergflat sich zu
S = (-14S7f Nf [kp] (23)
Bei der Auslegung der Propeller ist darauf zu achten, daB die Umfangsgeschwindigkeit etwa 35 m/s nicht ilberschreitet, wenn normale Propeller verwendet werden. Falls die Umfangsgeschwindigkeit tiber 35.m/s liegt und besondere Gerauschauflagen vorliegen, sind evtl. von der iiblichen Ausfiihrung abweichende Propeller vorzusehen.
Filr eine erste tiberschlagige Auslegung von Querstrahlanlagen konnen die vorstehenden Gleichungen z. T. erheblich vereinfacht werden, wenn man die oberen Grenzwerte ein-setzt. Es ergeben sich dann folgende Gleichungen:
GroBtmaglicher Propellerdurchmesser
I/
0 1,35 Np Dp [m] (19b) (n/100)3 --Zugehorige Umfangsgeschwindigkeit up Mindestkanallange L = Li + (1 Geschwindigkeit am KanalaustrittGroi3tmoglicher spezifischer Schub S/Nerf. = 80 -und Schub S nach GI. 23.
nach GI. (20) + 2) Dp [m] (24) 3
y_
Np [m/s] (25) mit 1 + X A L/DD + E + [kpiPSI TIGetniel) (225)4. Vergleich zwischen Einzelpropeller
und Tandempropeller im Querkanal. Da bei der Entscheidung. ob für einen Querkanal em einfacher Propeller oder em
Tandempropeller (gleich- ooer gegenlaufig) vorgesenen werden soil, haufig von nichtganz richtigen Voraus-setzuhgen ausgegangen wird, soll hier auf dieses Problem etwas nahereingegangen werden. Als wesentlicher Vorteil des gegenlaufigen Propellers wird in den meisten Fallen ange-fiihrt, daB er den beim einfachen Propeller verlorenen Austrittsdrall vofi ausnutze und daher der austretende Strahl drallfrei set. Fur gegenlaufige Propeller von Hauptmaschinen 1st dieses richtig, da sie eine bevorzugte Stromungsrichtung haben und auch mit unterein-ander verschiedener Drehzahl betrieben werden lainnen.
Tandempropeller in Querkanalen sollen jedoch in beiden Drehrichtungen gleich gut laufen, d. h. aber, daf3 sie
symmetrische Profile haben mtissen. Filr eine Beurteilung der an gleich- und gegenlaufigen Propellern auftretenden Krafte und Geschwindigkeiten
ist es am tibersichtlichsten, die jeweiligen
Geschwindigkeitsdreiecke am Elin- und Austritt der Propeller heranzuziehen.
Ftir zwei gegenlaufige Propeller sind die Geschwindigkeitsverhaltnisse
am ersten und zweiten Propeller in Bild 14 und Bud 15 dargestellt. Der Austrittsdrall aus dem ersten
I lie
443 Bild 14
mit N in PS
Propeller 1st gleichzeitig der Eintrittsdrall fur den zweiten Propeller. Der rechnerische Stramungswinkel am Eintritt beider Propeller 1st
tg ft° cdu der zweite Propeller wird jedochangestromt Mit
Corn tg 130
C3o
es tritt also der StoBverlust Zs = ci° c'311 I auf, d. h. em Energieverlust.
2g
Far den Eintrittsdrall des zweiten Rades ergibt sich Coull= c3u I
1
Aus Hal = u (c3u cou) ergibt sich fur Propeller I 1
Hth I = u c3u wegen cou = 0 und far Propeller II
2 g CSU 1
Der zweite Propeller 1st also doppelt so hoch belastet wie der erste Propeller.
Far zwei gleichlaufige Propeller mit Differentialgetriebe herrschen am ersten Propeller die gleichen Verhaltnisse vie am gegenlaufigenPropeller. Fiir den zweiten Propeller sind jedoch einige zusatzliche nberlegungen anzustellen. Da beide Propeller etl.va gleiches Drehmoment aufnehmen (Differentialgetriebe!) und der zweite Propeller unter Gleichdrall angestromt wird, wild dieser Propeller seine Drehzahl so lange erh6hen, his der Gleich-gewichtszustand hergestellt 1st. Vergleiche ergaben bei gut auleinander abgestimmten Propellern, clal3 deren Drelizahlen nur 3 bis S Vo von einander abwichen, bel weniger gut abgestiminten Propellern stiegen die Unterschiedein den Drehzahlen his auf etwa 15 Vo an. Wurde das Differential blockiert, d. h. also gleiche Drehzahl fin- beide Propeller, ergab sich ein Anstieg des Gerauschpegels.
Eine Ableitung der Stromungs- und Leistungsverhaltnisse wiirde bier zu welt fahren. s sei nur festgehalten, cia13 hier der zweite Propeller zwar nicht im Punkt besten Wir-kungsgrades, jedoch mit einem besseren Wirkungsgrad als bei der gegenlaufigen Anlage arbeitet. Andererseits sind beim gegenldufigen Propeller die Drallverluste kleiner als beim gleichlaufigen, jedoch nicht.kleiner als beim Einzelpropeller.
Beachtet man weiter, daB bei maBigem Gleichdrall der Propellerwirkungsgrad ansteigt, bei Gegendrall dagegen absinkt, so dfirfte die Energiebilanz einschlicBlich Austrittsdrall, jedoch ohne Bertidcsichtigung der Kavitation etwa ausgeglichen sein.
Da bei Bugstrahlrudern jedoch sowohl die umfangsgeschwindigkeit
ale auch die Ein-tauchtiefe immer hart an derKavitationsgrenze liegen, ergeben sich filr den gleichlaufigen Propeller doch effektive Vorteile im
Betriebsverhalten. Bekanntlich setzt Gleichdrall die Kavitationsgefahr herab, wahrend sie durch Gegendrall erhoht Wird. Die
Folge sind emn erbohter Gerduschpegel und zumindest Kavitation im Spalt zwischenPropellerspitze und Gehausewandung beim gegenlaufigen Propeller. Urn bei gegebener
Propelleranordnung diese Spaltkavitation herabzusetzen, mui3 man den Spalt schr stark vergroBern, da nut schwach vergrOBertem Spalt die Kavitation zunachst noc.h kraftig ansteigt. Durch chose SpaltvergroBerung ergibt sich jedoch ein starker Abfall des Wirkungs,rades und
13 H. d. W.
162
Abfall zu Beginn der SpaltvergrOderung besonders
hoch, so dad dann der
Wirkungsgrad bet gegenldufigen Propellern erheblich niedriger liegt als bet gleichlauflgen Propellern mit verschiedener Drehzahl.Zusammenfassend 15I3t sich sagen, daB der gleichlauflge Propeller dem gegenlauflgen Propeller unter den praktischen Einsatzbedingungen sowohl im Wirkungsgrad als auch besonders im Gerausch- und Kavltationsverhalten iiberlegen 1st. Falls nicht ganz auBer-gewohnliche Verhdltnisse vorliegen, 1st jedoch kein Grund vorhanden, vom einfachen Propeller abzugehen.
5. _Typ-Tabelle
6. Berechnungsbelsplele .
1. Fiir ein Fahrschiff mit 360 In, Unterwasser-Lateralflache und 1000 m, Oberwasser-Laterallidche ist em n Bugstrahlruder mit Unterwassermotor (Bild 3)
vorzusehen. Nach Bud 12 ist der erforderliche Schub
filr 360 m2 Unterwasser-Lateralfldche 3000 bis 4300 kp. Filr 1000 rn, Uberwasser-Lateralfidche ergibt sich ebenfalls aus Bild 12 em
n Schub von 8000 bis 11 500 kp. Diesen Schub halbiert man fiir die Auswahl der Bugstrahlruder-Lelstungund vergleicht ihn mit dem fiir die Unterwasser-Lateralflache. Der grodere der beiden Werte 1st fOr die BestImmung der erforderlichen Leistung madgebend.
Santo. --Ober
3000 his 4300 kp R 4000 bis 5700 kpFur die Motorenauswahl wurde S ---- 5000 kp zugrundegelegt,
so dad Ned7--.- 400 PS.
Aus Tabelle 2 entnimmt man hierfilr einen geeigneten Motor mit
Ned--400 PS np = 480 I/min
Di = 690 mm I.,/ ,---- 2900 mm Der grol3tmogliche Propellerdurchmesser wird nach Gl. 19b
5
Dp 1/ 1,35
400 ---. 137m ' 4,802 gewdhlt Dp =-- 1350 nun . a 1,35 480 mit up =, - 33,90 m/s 60a) Mit dem auf Seite 158 ff.
angegebenen Rechnungsgang ermitteltman filr einen Kanal nach Bild 10 b die folgenden Werte:
L.,-- LI -I- DD = 4250 mm Li/L --- 0,682 L/DD = 3,15 Di/DD = 0,511 k---= 1 (690/1350), = 0,739
so dad nac11 Mid 13 A =-- 2,85
geschdtzt 2,...A-.. 0,05 E :---- 0,30 fur konischen Einlauf.
Fur Tjp mull die Spaltweite s zwischen Propeller und Kanalwand berilcksichtigt werden. Tabelle 2 Leistungen und Abmessungen von Pleuger-Aktiv-Ruder tmd
-Bugstrahlrudermotoren fur 50 Hz
Typ n [U/min] Di [mm] Dp [mm] DD [min] 1.1 [mm] 26-4- 50 33-4- 100 35-5- 100 37-4- 200 39-5- 200 47-5- 300 49-6- 300 57-7- 300 49-5- 400 57-6- 400 59-7- 400 59-6- 500 65-7- 500 65-8- 500 591-6- 600 720 720 575 720 575 575 480 412 575 480 412 480 412 362 480 368 470 470 470 470 580 580 690 580 690 690 690 825 825 690 900 930 1160 930 1160 1160 1390 1600 1160 1390 1600 1390 1600 1850 1040 1070 1340 1070 1340 1340 1600 1850 1340 1600 1850 1600 1850 2130. 1700 2060 2240 2540 2840 2850 3100 2970 3100 2970 3270 3270 3270 3270 66-7- 600 67-8- GOO 67-7- 700 69-8- 700 69-7- 800 74-8- 800 76-8-1000 77-8-1200 79-6-1400 412 362 . 412 362 412 362 362 362 362 825 825 825 825 825 940 940 940 940 1390 1600 1850 1600 1850 1600 1850 1850 1850 1850 1600 1850 2130 1850 2130 1850 2130 2130 2130 .2130 3420 3420 3520 3520 3770 3770 4450 4700 5000 5300
_
"flp = 0,90 (1 - 112,0 s/Dp)
S = 6 mm s/Dp = 6/1350 = 0,0095
TIp 0,81
Jetzt kann man nach GI. 19a berechnen:
3 0,1 "V 13 0,81 400 tg I3oa 0,739 4,80 1,355 (1 + 0,05 2,85 3,15 + 0,30) 0,2294 12,9°> 10°, Dp = 1,350 mm alsozulAssig nath Cl. 21 cp = 0,739.13,90 0,2294 = 5,74 m/s 150 0,81 nach Cl. 22 S/Ned - - 12,1 kp/PS 1,749 5,74 und nach Gl. 23 S = 12,1 400 = 4840 kp
Nonnalerweise dilrfte dieser Schub ausreichend sein. Falls jedoch em hoherer Schub
erwtinscht 1st bei gleicher
Leistung, kann man entweder eine kleinere Drehzahl wahlen oder das Bugstrahlruder
mit Venturieinsatz ausfithren. Beide Moglichkeiten sollen nach-folgend durchgerechnet werden.
b) In Tabelle 2 ist fiir Ned = 400 PS neben
np -- 480 u/min noch rip = 412 1/min angegeben. LI = 3200 mm Di 690 mm
-groRtzullissiger Propellerdurchmessernach Gl. 19b.
1,35 400 Dp 4,12, gewahlt Dp = 1600 mm mit Up - M.._ 34,50 mis L + Dp 4800 mm Li/L 0,667 L/Dp = 3,00 Di/DD -= 0,431 k -- 0,814 nach Bild 13 A = 2,30 geschbtzt 1. 0,05 E 0,30filr konischen Einlauf
71p = 0,81
Nach GI. 19a t 0,1 1
0a = 0,814 4,12 1,0 (1 + 0,05 '2,30. g (9 -i3O0 -I- 0,30) 04866 130a -7.-- 10,6° > 10°, Dp also zulAssig nach GI. 21 cp = 0,814 34,50 0,1866 -= 5,24 m/s
nach GI. 22 S/Nerf 151OG-405,815214,0
19,10 kp/PS und nach GI. 23 S 14,10 400 = 5640 kp
Dieser 1st fiir das als Beispiel gewithlte Fahrschiff voll ausreichend.
c) Will man bei gegebener Leistung und Drehzahl den Schub noch weiter
erhEihen, 1st em n Venturieinsatz nach
Mid 10c vorzusehen. Der
Berechnung hierfiir soil das Beispiel lb zugrundegelegt werden.
Propellerdurchmesser Dp bleibt unverandert, wahrend der Kanal-durchmesser vergroBert wird auf Dp 1,15 Dp. Damit ergibt
sich Dp 1,15 1600 = 1850 mm L = 3200 + 1850 = 5050mm 11/L = 0,634 L/Dp = 2,73 Di/Dp -- 0,373 k - 0,860 -inch Bild 13 A 1,80
geschatzt' X 0,05 E 0,30 filr konischen Einlauf rip 0,81 V 0,20: Veriuste durch
Geschwindigkeitsumsetzung im Venturleinsatz.
0,1 1/ 13
0,81: 900
Nach Gl. 19a tg 13,a
-0,860 4,12 1,85, (1 + 0,05 1,30 2,73 + 0,30 + 0,20) -- 01352 1,85 412 = -- 39,85 m/s 60 messer DD
tg 110a und up sincl reine rechnerische GroBen eines gedachten
Propellers vom Durch-Nach Cl. 21 cp = 0,860 39,85 0,1352 -= 4,64 m/s
nach GI. 22 S/Nerf 150 0,81 1,0
- = 15,01 kp/PS und
1,746 4,64
nach Gl. 23 S 1501 400 = 6000 kp 13
... x.in Bugstrahlruder nach Bild 4 habe folgende Daten: Nerf - 1000 PS np = 330 I/min DD = 1900 mm Dp - 1800 mm Di = 680 mm DD - Dp 1.1 = 3500 mm L = 10500 mm s = 2 = 50 mm
Der Einlauf sei scharfkantig. Mit diesen Abmessungen ergibt sich
L/DD = 5,53 LI/L = 0,334
Di/DD = 0.358 k = 1 - 0,128 0,872
Nach Bild 13 1st A = 1,3
Geschatzt 0,03, filr scharfkantigen Einlauf 1st E = 0,50, doch werde wegen des groBen Durclunessers gesetzt E -- 0,40.
Weiter ergibt sich ip 0,90
-
V
2,0 --1-13 )= 0,693Geschatzt nGetr 0,87 8 0,1 -1/ 13 0,693 0,87 1000 tg f3oa 0,872 3,3 1,9' (1 -1- 0,03 1,3 5,53 + 0,40) -0,2020 it 1,9 330 Up - - 32,8 m/s GO CD = 0,872 32,8 0,2020 = 5,78 m/s 150 0,693 0,87 SiNerf 1,62 5,78 9,66 kp/PS 9660 kp
3. Filr em n Frachtschiff von 155 m Lange und 8,5 m Tiefgang sind Leistungen und Abmes-sungen des Aktiv-Ruders zu ermitteln.
Die Berechnung erfolgt in gleicher Weise vie fur Bugstrahlruder, statt der Kanallange 1st die Dilsenlange einzusetzen. Wegen L/DD:---...0,5 und k 0,85 ergeben sich einige Ver-einfachungen; mit E = 0,1 und X A L/DD 03 kann man schreiben
3 4 i. A L.,DD E 1,20 const.
Nach Bud 12 liegt filr eine Lateralflache von 1300 m: der erforderliche Standschub zwischen 6000 and 9000 kp, so daB eine Aktiv-Ruder-Leistung von rund 600 PS erforder-lich 1st.
Nach Tabelle 2 sind die zugehorigenDrehzahlenbei 50 Hz np = 360 1/min und np
415 1/min.
Es werden gewahlt np = 360 1/min.
Da in den Gleichungen zur tiberschlagigenAuslegung 1 + X A LID + E
1,5 gesetzt wurde, fur Aktiv-Ruder jedoch 1 + A L/D +E 1,2, ergibt sich nach Gl. 19 b
5
-V 1,35 1,5 600
Dp
-1,2 3,6 - 1,83 m gewahlt Dp = 1800 mm
Zur Kontrolle nach GI. 19 a mit
i10,78
3
0,1 -1/ 13 0,78 600
tg f30a - 0,85 3,6 1,8, 1,20 - 0,2112
13ea 11,94°> 10°, der gewahlte Durchmesser kann deshalb beibehalten werden,
ilmfangsgeschwindigkeit up = a 36600- 1,80
33,90 m/s
Austrittsgeschwindigkeit CD nach Gl. 21
CD = 0,85 33,9 0,2112 = 6,09 m/s
spezifischer Schub nach GI. 22
150 0,78
SiNcrf 1,20 6,09 = 14,05 kp/PS und der Schub nach Gl. 23
S 14,05 = 8440 kp
Da em n Schub 6000 bis 9000 kp erforderlich 1st, 1st die Leistung von GOO PS groB genug gewahlt. Falls man eine schwachere
Wirkung des Aktiv-Ruders in Kauf nehmen will, ist auch eine Aktiv-Ruder-Leistung von 500 PS noch ausreichend.
B. Voith-Schneider-Propeller als Bugsteuerpropeller
Dipl.-Ing. R. Laucks
Als Manovrierhilfe filr schraubengetriebene Schiffe bei k 1 eins ten F a hr g es ch win-dig keit en wird in zunehmendem Marie der sogenannte Bugsteuerpropeller verwendet, em n vornehrnlich in einem Querkanal im Vorschiff angeordneter Propeller. Fiir diesen Zweck 1st such der Voith-Schneider-Propeller gut geeignet und mehrfach verwendet worden. Be! ihm kann bekanntlich ohne Umsteuerung der Antriebsmaschine Schub nada beiden Querrichtungen erzeugt werden. Die Grine des Propellerschubes 1st hierbel fiber die Propellersteigung feinfiihlig regulierbar. Der Querlcanal selbst jot infolge seines recht-eckigen Querschnitts baulich sehr einfach. Irgendwelche zusatzlichen Halterungen sind nicht erforderlich. 1000 800 600 400 200
I
1
0 0 2000 .4000 Sew stop 10000 12000Bild 1 Erforderliche Bugsteuerleistung
Die Leistung fiir den Bugsteuerpropeller hAngt in erster Linie von der Schiftsgrine, d. h. vom Deplacement ab. In vielen F511en ist auch der auf dem tTherwasserlateral des Schiffes lastende Winddruck bei der Festlegung der Antriebs/eistung zu berticksichtigen. Einen Annalt ftir die erforderliche Antriebsleistung gibt Bild 1, in dem abhangig vom Deplace-ment die Bugsteuerleistung ausgefiihrter Anlagen aufgetragen ist. Wahrend die untere Kurve fiir nonnale Wetterbedingungen gilt, istbei der oberen bereits em n gewisser Wind-einfluB mit benicksichtigt.
Die mit einem im Querkanal angeordneten
Voith-Schneider-Propeller erreichbarenspezifischen Querkrafte Q/N sind in Bild 2 abhangig von der Strahlflachenbelastung NIP aufgetragen. Diese Werte gelten allerdings nur fur den Fall, daf3 die Vorausgeschwindigkeit des Schiffes nur wenig von Null verschieden ist.
Bild 2
Spez. Querlcraft von VSP-Propellern im Querkanal N Antriebsleistung F Propellerstrahlfidche Q Querkraft 20* 19* 18 17 N/FrPshrel 100 200 300 165
em n groBes Steuermoment zu erzielen, sollteer moglichst angeordnet werden. Die liohenla,ge ergibt sich aus der Bedingung, da13 bei icerem Schiff der Propeller noch keine Luft ansaugen darf. Man legt daher Oberkante Querkanal etwa 300 mm unterhalb der Leerladelinie. Die besten Querschtibe ergeben slob. wenn man den Kanalquersehnitt gleichbleibend und rechteckig mit scharfkantigem EM-bzw. Austritt ausbildet. Urn die Erhohung des Schifiswiderstandes durch die Querkanal-offnungen klein zu halten, empfiehlt es sich jedoch, wie Modellversuche gezeigt haben,
den Ubergang der hinteren Kanalwand in die
Aul3enhaut mit einem entsprechendenRadius auszurunden. Rine iihnliche Wirkung erzielt man auch dadurch, daB die Spanten irn Bereich der Ofinungen durchlaufen. Der Kanalquerschnitt sollte so eng wie moglieh sein. "Die Breite wird im allgemeinen durch den Spantabstand vorgegeben sein. Man sollte sicb aber weitgehend dem MaB L3 DFL fiir die Breite annahern(D, FL Flugelkreisdurehrnesser)
11111Ealbol
Bild Ausfiihrungsbeispiel einer VSP-Bugsteueranlage
Bild 4 Vergleich von
VSP-Bitg-Bild 5 Frei angeordneter VSP-Bugsteuerpropeller steueranlagen mit und ohne
Quer-kanal
Zwischen Fliigelspitzen und Oberkante Kanalboden ist em n Freigang von 15 mm aus-relchend. Urn em n Eindringen von Schwimmkorpern in den Kanal zu verhindern, emptlehlt es sich, bei kleineren Propellern an den Offnungen Schutzstreben vorzusehen, die vor-nehmlich vertikal angeordhet sein sollten, weil
damit der N.viderstandserhohendeWS
der Offnungen etwas reduziert werden kann.Bugsteuerpropeller wird man mit Rticksicht auf die Raumverhaltnisse im allgemeinen elektrisch antreiben. Beim Voith-Schneider-Propeller konnen Drehstrom-Motoren ver-wendet werden, da die Regulierung der Leistungsaufnahme und das Umsteuern tiber die Propellersteigung erfolgt. In der Wahl der Anordnung des Motors relativ zum Propeller ist man fret, da das Propelleroberteil mit der Antriebswelle beliebig verdreht werden kann. Ein Ausfiihrungsbeispiel zeigt Bild B.
Auf den wesentlichen Nachteil aller Querkanal-Propeller ist bereits oben hingewiesen worden: Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit nimrnt der Querschub ziemlich stark ab. BiId 4 zeigt die Ergebnisse einer Modelluntersuchung; fur eine Strahltiachenbelastungvon 250 PS/rn, 1st hier das Verhaltnis Q/Qo abhangigvon der Vorausgeschwindigkelt des Schlffes aufgetragen. Eine wirksame Bugsteuerung mit einem Querkanal-Propeller ist demnach oberhalb von Geschwindigkeiten von 3-4 kn nicht mehr zu erwarten. In all den Fallen, wo man gerade hier groBere Querkrafte im Vorschiff bentitigt, wird man daher den Voith-Schneider-Propeller fret anordnen (Bild 5). Solche frei angeordneten Steuerpropeller sind wiederholt ausgeftihrt worden. Bei ihnen kann man sehr vorteilhaft die Tatsaphe ausntitzen, dat3 bei einem Voith-Schneider-Propeller, wenn er fret angestromt wird, mit zunehrnender Geschwindigkeit die Querkraft groBer wird als der Standschub. Zum
Ver-gleich sind daher in Bild 4 auch die
erreichbaren Querkrafte eines fret angeordnetenVoith-Schneider-Propellers eingetragen. Liegt die erforderliche Bugsteuerleistung bereits in der Grtifienordnung der Hauptantriebsleistung eines Schiffes und werden die Querkrafte nicht nur bei kleinsten
Fahrgeschwindigkeiten bentitigt, so 1st zu ilberlegen, ob man nicht zum Voith-Schneider-Hauptantrieb iibergehen
