Ruderkraftmessungen und manövrierversuche auf dem forschungsschiff METEOR

22 SEP. 192

ARCH1E

Ituderkraftmessungen und Manövrierversuche

auf dem Forschungsschiff ,,Meteor"

Von Dipl-Ing. K. Suhrbier, Hamburg A. Einleitung

Als Beitrag zum Thema Ruder und Steuerfähigkeit soll hier über einige Ergebnisse eines größeren Vorhabens berichtet werden, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft ini Zu. saxumenhang mit anderen schiffbaulichen Untersuchungen _{auf dem Forschungsschiff ,,Meteor"} gefördert wird. Das Ziel dieser Arbeit lag iii der Bestimmung_{der Ruderkräfte, der Untersuchung} der Steuereigenschaften und_{vor allem darin, durch den Vergleich der Messungenan Schiff und} Modell zu allgemeinen Einblicken _{zu gelangen, die hauptschJich in das Gebiet der}

sogenannten Maßstabseffekte gehören. Das Forschungsschiff weicht zwar durch einige Besonderheiten etwas von einem üblichen Schiff ab; das ist jedoch u. a. auch in Anbetracht der äußerst günstigen meßtechnischen Möglichkeiten, die bei diesem Schiff gegeben waren, nicht von großer Bedeutung. Für die geplanten Vorhaben wurde _{es mit einer von H. Thiemann vorgeschlagenen} Ruder-meßeinrichtung ausgerüstet, die die Bestimmung der Ruderkräfte bzw. -momente in sechs Frei-heitsgraden bei glattem Wasser und im Seegang erlaubt. Eine an Bord installierte Schubmeß-anlage stellte eine weitere günstige Voraussetzung für die Untersuchungen dar.

An dieser Stelle können bisher nur Ruderkräftemessungen in ruhigem Wasser, Manövrierimter. sitchungen sowie entsprechende Modellversuche _{besprochen werden. - Ergebnisse statistischer} Messungen im Seegang, wie sie erstmals nach einer Meßfahrt von Hamburg nach Neapel _im Oktober/November 1964 erwartet wurden, liegen bisher leider noch nicht vor. Wegen des_relativ ruhigen Wetters (maximal Seegang 4) waren die Kräfte verhältnismäßig klein.

MehrkomponentenMessungen am Ruder eines naturgroßen Schiffs sind bisher nur vereinzelt bekanntgeworden [1, 2, 3], was wegen des meßtechnischen_{und schiffbaulichert Aufwands} ver-ständlich ist. Sie wurden zuerst im Jahre 1958 von B ecke r und Broc k auf einem amerikanischen Zerstörer mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen ausgeführt [1]. Bräu [3] untersuchte die Ruder-kräfte im Zusammenhang mit Fragen der Kursstabijität _{an einem etwa 8,5inlangen Motorboot.} Weiterhin ist bekannt, daß das Forschungsschiff ,,Fritz Horn" der Versuchsanstalt für Binnen-schiffbau, Duisburg, für derartige Versuche vorgesehen ist. Ruderschaftmomente wurden dagegen

schon oft bestimmt; trotzdem gibt _{es auf diesem Gebiet noch manche Unsicherheit [4]. Im}

Seegang sind sie von H a t t e n dorf auf einem 1 35-in-Frachter gemessen worden [5].

Ober die Kräfte an freifahrenden Rudern kleiner Seitenverhäjtnjsse ist eine Reihe neuerer Arbeiten und brauchbarer Theorien erschienen (z. B. [6, 7, 8, 9]). Die Zahl der Untersuchungen, die sich mit einem definierten oder systematisch variierten Einfluß des Propellerstrahis _{auf die} Ruderkräfte befassen, ist nicht sehr groß [10, 11, 12, 13, 14, 15]. Neben Zusammenstellungen zum Thema Ruder von Thieme [18], sei hier noch auf eine _{neuere Arbeit von Schoenherr} hingewiesen, worin ebenfalls ein umfassender tJberblick_{hierüber gegeben und das Studium aller} das Ruder beteffenden Einflüsse_{an einem bemanuten 60-ft.-Modell voresch1agen wird [4]. Zur} Beurteilung der Steuereigenschaften des naturgroßen Schiffes ist heute neben Drehkreismessun gen u. a. der Spiralversuch nach Dieudonné [16] und der _{Schlängelversuch (Z-Manöver) nach} Kempf [17, 18] in Gebrauch. Während die erste Methode eine unmittelbare Aussage über die Kursstabilität zuläßt, ist_{man im zweiten Fall auf eine spezielle Analyse nach No}

moto [19] oder in verbesserter Form nach Nor r b i n [20] oder einfach auf den Vergleich mit ähnlichen Fahrzeugen bzw. Statistiken angewiesen (vgl. Möckel [21], _{Gertler und Go ver [22]). Eine}

neue Methode beschreibt Norrbin [20]. Danach ist der Verlauf _{der Häufigkeitsverteilung der Ruderwinkel ein} Kriterium für das Kursverhalten des Schiffes. Das Kursverhalten im Seegang ist bisher wenig erforscht. Ober interessante theoretische und experimentelle Ergebnisse berichtet Rydill [23].

20 _{Jahrb. STO. Bd. 59}

lab. y. Scheepsbouwkund

Technische Hogeschool

402 _{Ruderkraftmessuiigen und Manüs-rierversuche auf dem Forschungsschiff Meteor"}

B. Uber Schiff und Modell

Das etwa 82 m lange Schiff ist als Einschrauber auf geradem Kiel gebaut. Es ist mit _einem

Spatenruder mit einem relativ großen _{PleügörAktivruderAntrie (350 PS) sowie mit zwei}

Pleuger-Bugstrahlrudern von je 250 PS ausgerüstet. Diese Anlagen verleihen dem _{Schiff im} Stand und bei niedrigen Geschwindigkeiten eine gute Manövrierfähigkeit. Die Ruderfläche_beträgt 2,3% von £IVL. T, der Umriß ist trapezförinig, das Ruderprofil ist NACA 0023. Das _{Ruder kann} bei niedrigen Geschwindigkeiten bis_{zu 90° nach Backbord und Steuerbord gelegt werden.}

Fir

den Hauptantrieb stehen maximal 2000 PS zur Verfügung. Die Geschwindigkeit liegt bei 13,5 kn, der Propellerdurclimesser beträgt 2,90_{m. Das Schiff hat Schlingerkiele, eine elastiscFie Steven.} roh.rlagerung (Grim sehe Welle), eine Gillungsflosse _{über dem Ruder, einen kleinen}

Wuist unter dem Vorsehiff (zur Aufnahme von Unterwasserschall Geräten) sowie einen Trossenabweiser, der drehbar am ilintersteven gelagert und lose mit dem Ruder verbunden ist. Auffallend ist_das geringe Totholz, um in Verbindung mit dem freitragenden Stevenrohr die Vibrationen möglichst gering zu halten. Das Hintersehiff ist _{wegen der Heckaufschieppe breit ausgeführt. Die Spanten} verlaufen im Ruder-PropellerBereich entsprechend flach. Der Lateralschwerpunkt des Unter-wassersehiffes fällt der Länge nach etwa mit dem des Gewiehtsschwerpunktes zusammen.

Fu.r die hier besprochenen Modellversuche wurde ein in der Wasserlinie 5,5 m langes, aus Araldit hergestelltes Modell verwendet. Steigungsverlauf.. _{und Flächenverhältnjs des Modellpropellers} weichen etwas von dem der Großausführung ab. Weitere Einzelheiten enthält Anhang1.

C. Meßtechnik und Versuchsdurchfuhrung

Die als 6-Komponentenwaage ausgeführte Rudermeßeinrichtung zeigt Abb. 1. Siè wurde nach dem o. a. Vorschlag von der Bauwerft (AG Weser, Werk Seebeek) konstruiert und besteht im

Priuzip aus sechs Meßstäben mit auf DMS-Basjs arbeitenden Kraftmeßdosen besonders_kleiner Bauart (F.A.G. Frischen), die eine das System_{Ruder + Rudermaschine" tragendedreiarrnige} Konsole mit dem übrigen Schiffskörper _{verbinden. Diese Stäbe aus geschmiedetena hoehfestem} Stahl (34 CrMo 5, vergütet) sind zur Vermeidung gegenseitiger Beeinflussungen der sechs Kompo-nenten an beiden Enden mit elastischen Gelenken" _{(Einschnürungen) versehen. Alle ZUIÜhrUn.} gen (Rohre, Kabel, Steuereinrichtungen) sind biegeweich _{an das Meßsystem angeschlossen. Thr} Einfluß ist sehr gering, wie Eichungen zeigten._{Als Rudermasehine wird eine 14-mt-AEG])reh..} flügelanlage verwendet. Die Schaf tiagerung ist nicht, wie üblich, direkt im Ruderkokerangeordnet, sondern wird von einem in ihm befindlichen Rohr aufgenommen, das mit der Konsole fest ver-bunden ist. Elastische Gummidichtungen über und unter der Wasser _{verhindern den} Wasser-eintritt in den Rudermaschinenraum. Die Anlage kann im Notfalle (Bruch einer Dichtung oder eines Meßgliedes) in verhältnismäßig kurzer Zeit _{in unmittelbare wasserdichte Verbindung}

mit dem Schiffskörper gebracht werden.

Durch eine nachträglich vorgenommene Tiefgangsvergrößerung wurde es wegen der nun höher beanspruchten Dichtungen leider nötig, die Anlage im Normalfalle in arretiertem Zustand_zu verwenden. Das Fahren in Meßstellung ist nur bei besonderen Meßreisen möglich. Dadurch können automatische Dauermessungen im Seegang zur statistischen Auswertung nicht mehr im vor-gesehenen Umfang ausgeführt werden. Die Einrichtung ist ini übrigen mit mindestens_gleicher Sicherheit wie eine übliche Ruderanlage gebaut worden. Die elektrischen Kraftmeßdosen wurden mit Ausnahme der horizontal angeordneten Dose Y2 _{für einen Meßbereich von 100 t ausgelegt.} FÜÍ die Komponente Y2 genügte ein Bereich bis 50 t. Die tYberlastbarkeit geht bei allen Dosen bis 100% über Nemilast. Die Genauigkeit einschließlich Linearität wird vom Hersteller mit besser als 1% angegeben. Dieser etwas anspruchsvoll erscheinende Wert hat seine Berechtigung, wenn man bedenkt, daß er auf die Nennlast von 100 bzw. 50 t bezogen ist und daß der Meßbereich bei den Glattwasserversuchen nur_{zu 10 bis 20% ausgenutzt wird. Für die Messungen wurden} Nach-eichungen ini eingebauten Zustand durch Abdrücken _{der Meßglieder im Rudermaschinenraum} und durch Kontrollversuche im Dock durchgeführt.

Die Ausführung der Anlage aLs 6-Komponentenwaage_{ergab sich aus der Absicht, außer} den einfacheren Versuchen im glatten Wasser, für die u. U. eine 3-Komponentenmessung _gereicht hätte, auch im Seegang die Beanspruchungen zu bestimmen, und zwar sowohl die Kräfte als auch die Momente.

Abb. i. Hinterschiff mit

Ruder mid Rudermel3ejn-richtung;

26

Gesamtresultjerende Schaf tbiegemoment

Ruderkraftmessungen und ManövrierverBuche auf dem Forschungsschiff ,,Meteor" 403

Die Kraftkomponenten am Ruder und_{ihre Reaktionskräfte in den Meßdosen X1, Y1, Y2,}

V1,

V2, V3, die in der x-, _{y- bzw. z-Richtung des Schiffes liegen, zeigt im Prinzip Abb. 2. Danach} ergibt sich ohne Berücksichtigung der Massenkrafte:

Längskraft _{X = X1}

Seitenkraft _{Y = Y1 + 12}

Vertjkalkraft _{V = V1 + V2 + V3}

Schaftdrehmoment _{MR =}

_{- f)}

Resultierende in der X-Y-Ebene B = VX2 + 2

R6es VX2 + Y + V2

M,, = Rh,

Bei Schräglagen oder Beschleunigungen (im Seegang) müssen die Stabkräfte korrigiert werden, weil die Massenkräfte der Rudermaschine und des Ruders (ca. 20 t) mit in die Messung eingehen. Die Meßdosen wurden über sechs_{TrägerfrequenzMeßverstar (5 kHz) gespeist, die zusammen}

YCOSÓft _+XSiflÔR

(V1./ V./l).sinôR +(V2 V3)--co ÔR

404 Ruderkraftmessungen und Manövrierversuche auf dem ForAehungschiff ,,Meteor"

mit einem Oszillographen (für Glattwasserversuche) bzw. einem Magnetband _{(bei Seegangs} messungen) und den sonstigen Meßgeräten in einem Labor aufgestellt waren. Die Meßsignale der Ruderkräfte mußten wegen des mechanischen Störpegels an der Rudermaschine mit Tiefpässen

(Grenzfrequenz 4 Hz) gefiltert werden.

Während der Glattwasser -Versuche wurden außerdem folgende Einrichtungen eingesetzt: elektrisches Bodenlog mit Einrichtung zur Drift-winkelinessung,

elektrischer Ruderlagengeber,

BQthbOI'6

Philips-Schub- und Drelizahigeber, Kurskreisel

Drehgeschwindigkeitsgeber, Decca-Navigator (Mark 12)

Filmkamera (für Kurs- und Decca-Anzeige) Kreiselgerat zur Krängungsmessung.

Das eigens für diesen Zweck entwickelte Bodenlog

S/euarbor,i _{wurde 1,20 m unter dem Schiffsboden aus dem}

soge-nannten Hydrographenschacht (etwa Mitte Schiff, 3m hinter Hauptspant) ausgefahren. Es bestand aus einem drehbar angeordneten elektrischen Pr a n dt 1- Rohr, das sich mit Hilfe einer Richtungsfahne durch die An-strömung in Fahrtrichtung stellte. Gleichzeitig konnte so über ein Potentiometer der Driftwinkel gemessen werden, der später für die Abweichung vom Schwer-punkt zu korrigieren war. Das Log wurde im

Schlepp-tank und auf der Meile geeicht. An Bord standen

außerdem ein Anemometer und eine fest eingebaute

Rllo'erthoft _{Hoppe-Fahrtmeßanlage (Steven-Seitenlog) zur}

Ver-fügung. Zusätzlich zur Decca-Ortung (Dänische Kette)

Krafte und Momente an der Rudermeßeinrichtung. _{wurde von Mitarbeitern des Deutschen}

Hydrographi-sehen Instituts die Drehkreisbahn durch terrestrische Peiimg (Doppelwinkelmessung mit Sextanten) bestimmt Die elektrischen Meßsignale_{konnten mit} den fotografiach festgehaltenen Decca- und Borlkreiselwerten sowie mit den Peilungen mittels be-sonderer Markierungen auf dem Oszifiographen synchronisiert werden. Für die Untersuchungen im Seegang war sowohl die Registrierung der sechs Ruderkomponenten und der _drei Beschleuni-gungen (am Ruder) auf Magnetband als auch die Messung des Seegangsspektrums über längere Zeit bzw. bei Sternfahrten über 10 bis 30 Minuten zur statistischen Auswertung vorbereitet.

In verhältnismäßig ruhigem Wasser (Seegang 1 bis 2, Wind 4 bis 5) wurden ini Juli 1964 bei einem Tiefgang von 5,0 m und einer Wassertiefe von 25 bis 30 m folgende Bordversuche _vor Eckernförde gefahren:

Spiraltests

Drehkreisfahrten (4 und 10 kn) Dreh-Stütz-Manöver (12 kn)

Manöver mit Bugstrahl- und Aktivruder.

Im Seegang konnte im November 1964 im westlichen Mittelmeer _{nur eine Sterniahrt bei} Tg = 5,20 m und See 4 zur Untersuchung des Kursverhaltens durchgeführt werden._{Die dabei} gemessenen Ruderbeanspruchungen sind nicht interessant.

Für die Modellversuche wurde i. a. eine 3-Komponentenwaage mit induktiven _Gebern ver-wendet. Lediglich für einige Vorversuche diente eine 1-Komponentenwaage.

Vorläufig sind folgende Modell-Untersuchungen ausgewertet: Ruderkräftemessungen

Freifahrt (ohne Modell und Propeller)

Ruder im Propellerstrahl (Vorversuch ohne Modell) Ruder am Modell (mit Propeller)

Spiralmanöver

Die Ruderfreifahrtversuche und die Rudermessungen im Propellerstrahl erfolgten _{in der} Schiepprinne des IfS (33 X 2,1 X i m3). Es wurde für die Vorversuche im Propellerstrahl" ein

Ruderkraftmessungen und ManövrierversucJe auf _{em Forschungsschiff ,,Meteor" 405}

elektrisches Propellerdynamometer eingesetzt, das in einem besonders schmalen Freifahrkasten mit langem Stevenrohr Platz hat. Der Einfluß _{des vor,, dem .lrope1Ier gefahrenen Kastens ist} gering. Das Ruder war stets so getaucht; daß' der Abstand Wasseroberfläche bis O. K. Ruder 75% der Ruderhöhe betrug.

Bei diesen beiden Versuchsarteri wurden mehrere Modeliruder zum Vergleich verwendet, und zwar:

Ruder A, wie in Abb. 1, im Modelimaßstab 1:14

Ruder. A1, wie Ruder A, jedoch mit 3,5% geringerer Ruderfläche (nur für Vorversuche) Ruder B, Trapezruder entsprechend Ruder A, ohne _{Aktivruder-Anbau.}

Im Normalfalle drehte bei den Rudern A und A1 der Aktivruderpropeller leer mit. Eine Schwie-' rigkeit für die richtige tThertragung auf die _{Großausführung liegt in der modellähnlichen} Lager-reibung. Sie ist praktisch kaum realisierbar. Zum Vergleich sind deshalb in einigen Fällen die Messungen durch solche ohne und mit festgesetztem _{AR-Propeller ergänzt worden. Diè} Ruder-messungen am Sehiffsmodell (nur mit Ruder A) wurden ira großen Tank der HSVA durchgeführt. Für die Spiralmanover wurde das Modell _{ähnlich wie die Großausführung}

_{- mit einem}

elektrischen Pr a n dt I - Rohr versehen, das 'in der Hauptspantebene unter dem Boden angeordnet

war. Die Reynolds_{- Zahlen des Modellruders lagen bei 2,6 - 1O für Ruderfreifahrversuche und}

i. a. bei etwa 2,6. lO bis 3,3- lO _{bei den übrigen Messungen. Durch Vorversuche mit frei}

ge-fahrenen Rudern A und B wurde der kritische Bereich besonders im Hinblick auf den_Einfluß des Aktivruders überprüft. Danach traten im Bereich der im Modellversuch erreichbaren Kenn-zahlen ab R R 2,5 - 1O keine merkliche Änderungen der Profileigenschaften mehr auf.

D. Ruderkraftmessungen

a) Grundsãtzliche Probleme. Der typische Verlauf der am Schiff gemessenen Ruderkräfte und Momente ist in Abbi 3 dargestellt. (Der Ruderwinkel_{übertraf bei diesen speziéllen Meßfahrten,} die nicht mit der vollen Geschwindigkeit gefahren wurden, in einigen Fällen den sonst für die Bartruderlage festgelegten Wert von 33°.) Wegen der bald nach Einleitung des _{Rudermanövers} eintretenden Schiffsdrehung und der damit verbundenen Verringerung des effektiven Ruder-anströmwinkels werden in der sogenannten Anschwenkphase keine Maximalwerte erreicht. Des-halb wurden außer Kräftemessungen währénd der Drehkreisfahrten zusätzlich eine Reihe von Dreh-Stütz-Manövern (1. Hälfte der sogenannten Z-Manöver nach Kern pf) ausgeführt, wobei bekanntlich in der Stützphase die höchsten Ruderkräfte und -momente auftreten. Sie entstehen durch die Vergraßerung des effektiven Anströmwin.kels. Der Einfluß der Geschwindigkeit ist nicht immer gleich zu übersehen. Zwar fällt die Fahrgeschwindigkeit in dieser Phase U. u.

be-trächtlich ab, dadurch bedingt und _{wegen des geringeren Drehzahlabfallg steigt jedoch}

der Schubbelastungsgrad c, so daß die effektive Anströmgeschwindigkeit fast' gleich bleibt. Im stationären Drehkreis beträgt in unserem Falle der Geschwindigkeitsverlust bei Hartruderlage sogar etwa 60%, der Schubbelastungsgrad erhöht sich von etwa 1,1 bis 1,3 auf 8 bis1O. Dieser wegen seines teilweise stationären Verhaltens _{an sich günstige Zustand schien wegen der} extremen Verhältnisse und wegen der infolge Anströmwinkelverminderung geringen Ruderkräfte nicht besonders für den Vergleich mit dem Modell geeignet zu sein. Außerdem wäre dabei die doch sehr wesentliche Bestimmung des Abreißpunktes (Maximalauftriebes) nicht möglich. Beim Dreh-Stütz-Manöver ändern sich dafür laufend Driftwinkel, Fahrt- und Drehgeschwindigkeit sowie meistens auch der Ruderwinkel. Nur bei Erfassung und Berücksichtigung aller _dieser Größen ist ein vernünftiger Vergleich zwischen Schiff und Modell zu erwarten. Der_{Modellversuch} kann grundsätzlich entweder 1) mit einem freifahrenden Modell bei gleichartigen Manövern oder 2) im festgehaltenen Zustand auf gerader Bahn_{bei verschiedenen DriftwinkeLn bzw. 3) auf einer} Kreisbahn durchgeführt werden. Die zweite _{Methode erschien als die zweckrnäßigste, weil man} eigentlich nur hiermit die wesentlichen Einflußgrößen systematisch variieren kann, vor allem Schräganströmung und Schraubenbelastungsgrad. Der Einfluß der Schiffsclrehung muß _dann jedoch besonders berücksichtigt werden. Er wirkt sieh auf den (örtlichen) Driftwinkel_{am Ruder} und in geringem Maße auf die Ruderanströmgeschwindjgkeit _aus.

Man ist weder bei der hier gewählten Methode noch bei Benutzung eines freifahreriden_Modells in der Lage, mit einem vernünftigen_{Versuchsaufwand alle für einen direkten Vergleich}

in Frage kommenden Fahrtzustände (Geschwindigkeit, Ruderwinkel, Driftwinkel, Belastungsgrad) aus-reichend nachzuahmen; deshalb wurden - wie ohnehin zweckmäßig und mit hilfe der gemessenen

406 _{Ruderkraftmessungen und Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff ,.Meteor"}

Schubwerte auch möglich - die Meßgrößen mit der momentanen Anströmgeschwindigkeit dimensionslos gemacht und einer effektiven Anströmrichtung zugeordnet.

Zu den oben erwähnten Einflüssen muß man noch berücksichtigen, daß man bei Bordmessungen selten stationäre Zustände zu erwarten hat _{und daß außerdem Fahrten mit und gegen Wind}

1200-10o s/b. w0°_ 15C t mi

i

Abb. 3a u. b.

Verlauf der Meßgrößen im

Dreh-kreis- und Dreh-Stutz4lanöver.

Drehkreis-Manöver; Dreh-Stütz-Manöver. - -10--3k 10--5--z

r

sec1 Ruder/önythrcf/.r ,'RuderseItenirnc1tY I hiicbwe/c/,yny çt 1I //t'uderwinkel ilR 10-kn -180 mint 1go 1"o 700 20 80 0 -z0.

0.0

-15 10

r

0 -5 -0 10- 8-2 o -5 I 0,5 o -

e---/

,-,'4h8chiiòbeIus/ungiirc'

C-/

/

/

_Ruderons/rörngesc&vJAn/oiJfgchw 4q/v0 J

y-/

/

Prvpelferrthub T l'eschwindigkeiì e Drehzahl n ,/f'röngungss'/nke/ 150 ¡00 250 sc 100 a Ze/iL

infolge der dadurch bedingten Belastungsanderung große Differenzen aufweisen können, die sonst kaum mit einer Modellmnessung in Übereinstimmung _{zu bringen sind. Das Wetter war nicht} besonders günstig, so daß eine Mittlung dieser Meßergebnisse für die beabsichtigte

Gegenüber-stellung auch nicht in Frage kam.

-5-2

- t

soir

Ruderkraftmessungeu und Manövrierversuche au! dem For8chungsschiff ,,Meteor" ₄₀₇

Es muß also eine Anströmgeschwindigkeit definiert werden. Sie ist hauptsächlich von

Schiffs-bzw. Modellgeschwindigkeit y, Belastungsgrad CT, Nachstrom w und der Drehung w abhangig.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß ein Teil der Ruderflächcñicht vom Propellerstrahl erfaßt wird. Es ergeben sich drei Haupteinflußgrößen für R, nämlich

Propellerstrahlgeschwindigkeit y1 für den im Propellerstrahl befindlichen Ruderflächen-anteilA1,

Anströmgeschwindigkeit y2 für den außer-halb liegenden Flächenanteil A2 und

Geschwindigkeitserhöhung infolge Drehung. Näherungsweise wird die Geschwindigkeit im Propellerstrahl - wie meistens üblich

- durch

die mittlere axiale Geschwindigkeit bestimmt:

V1=Vp+'v

mit v=v(1-w1)

und v _{vpkm(V1 + cr-i) nachderStralìjtheorjè}

wird y1 = y (1 - w1) [1 + km(Vi +CT - 1)]. Dabei ist y die Geschwindigkeit des Schiffes oder Modells, v die Eintrittsgeschwindigkeit in den Propellerkreis, Av die Zusatzgeschwindigkeit im Propellerstrahl, w1 die effektive Nachstrom-ziffer im Schraubenbereich, lOm der Koeffizient zur Berechnung der mittleren Zusatzgeschwindig-keit in AbhängigZusatzgeschwindig-keit vom Abstand

Ruder-Pro-T

peller nach Gutsche [24] und c

D2- der

2 4

Schubbelastungsgrad.

Die auf den Flächenanteil A2 wirkende Ge-schwindigkeit ist:

= y (1 - w2).

Durch die Drehung w des Schiffes bzw. Mo-dells wird die Geschwindigkeit u. U. una einige Prozente erhöht. Dieser Einfluß wird mit fol-gender Formel abgeschätzt (s. a. Anhang 2):

VR

rk

1411

+(_-_)2.

20-8 t _mt 15 - l0-sec1 ¿

::

-l---2'O° 780 min1 -leo 15 5 Dr/u/wthire/ß0 70 Prope//ersehub Sthubbe/csfungsgroo.

n

rehzohIC Ruderwthke/1R Riidersei/e,,/rraf/ y Ruder/öngskrc/'/ r ( Ruderthtiflrno,nen/fil &ehyeschsrthdi/rei/ w /(wrobweicbung .o Rhldercns/römgeschw./An/cufyeschw ilft/110 e -io ¿1eschwthdig/reiìv ¿

Ii

i

'I

,

-as gungswín/irlço 2-VR j/- .

+ .-.

i o so sec7. Hierbei ist der Einfluß des 2. Termes unter

h Z8/t

der Wurzel und der von k gering. Die so berech-nete Geschwindigkeit ist etwas kleiner als nach der vielfachen üblichen Formel 5R _{VP i/i. + C. A' ist die Bezugsruderfläche (s. u.).}

Es wurde die vom Ruder (und von der Ruderlage) unbeeinflußte sowie von der Belastung nicht allzu abhängige effektive Nachstromziffer des Rumpfes verwendet, die man bei Benutzung des Freifahrversuches mit dem System Propeller _{+ Ruder" über Schubidentität erhält} (Nä-Läßt man die Effekte der Seitenverhältnisse der Ruderteile außer acht, so können die auf die

O C _{einzeinen Ruderflächenteile entfallenden}

Kom-ponenten in 1. Näherung dem Quadrat der An-strömgeschwindigkeit y1 und y2 proportional

ge-setzt werden. Die mittlere

Ruderanströmge-schwiridigkeit wird dann:

12 kn

10-::

¿ û

408 _{Ruderkraftmessungen und Manövrierwersuche auf dem Forschungsschiff Meteor"}

heres s. u.). Für die oberhalb (les Propdllerstrahis liegende Ruderfläche konnte die _Nachstrom. ziffer w2 nach nominellen Nachstrommessungen der YWS Berlin abgeschätzt werden.

Es ergeben sieh damit folgende Werte zur Bestimmung von 15 ,:

0.10 (für Schiff) 0,11 (für Modell) w2 0,3 0,78 0,22 0,93

Zur Kritil an der so berechneten mittleren Anströmgeschwindigkeit_{15R muß gesagt werden} daß folgende Einflüsse nicht berücksichtigt sind:

die Strahikontraktion. wodurch sich die Flächenanteile A und A2 vor allem bei größeren Be lastungen verändern,

der SchraubendralJ, d.h. der Einfluß der tangentialen Geschwindigkeiten im Propellerstrahl die unterschiedliche radiale Geschwindigkeitsverteilung über dem Flügel sowie alle nach-strombedingten Ungleichmäßigkeiten,

die durch Strahlaufweiturig eintretende Geschwindigkeitsverminderwìg (Strahigrenzenein. fluß), wie sie ähnlich auch bei Messungen im offenen Windkanal mit großer Versperrung

beob-achtet wird [25, 26] und

die Anderung der Nachstromziffer durch das Ruder (Ruderstau).

Der unter 4. genannte Einfluß kann offenbar recht groß sein, besonders bei hohen Belastungs. graden. Da seine Abschätzung, ähnlich wie für Punkt 2 und 3, noch offen ist, wurde auch von der für die Strahlkontraktion abgesehen. Das Zusammenwirken_{von Kontraktion im Schraubenstrah.l}

und Strahlaufweitung (durch das Ruder) kann ohne weitere Studien nicht geklärt werden. Die Berücksichtigung der durch das Ruder verursachten und vorwiegend von der Propellerbe-lastung abhängigen Stauwirkung wäre grundsätzlich einfacher. Andererseits ist dieso definierte Geschwindigkeit mit gleichzeitiger Angabe des Schubbelastungsgrades zumindest für den vor-liegenden Fall eindeutig und damit ausreichend. Andere Autoren fanden oder verwenden für die nach der Strahltheorie errechnete Ruderanströmgeschwindigkeit einen Abminderungsfak. tor [12, 15].

Die mit dieser Anströmgeschwindigkeit gebildeten Beiwerte können natürlich nur unter Berück-sichtigung des vorhin Gesagten richtig interpretiert werden. Ihre Abweichung von den Profil-werten einer Ruderfreifahrt oder Windkanalmessung ist aus o. a. Gründen verständlich. Man darf

Abb. 4. Krtiftc und Momente am Ruder.

F Ruderseitenkraft, in y-Richtung des Schiffes, positiv nach

Steu-erbord; X Ruderlängskraft, in x-Richtu.ng dea Schiffes, positiv

nach hinten; C Ruderquerkraft (Auftrieb), senkrecht zu yR D

Ru-derwiderstand, In Richtung y_R resultierende Ruderkraít in der x.y-Ebene; _{R Rudernormaikraft; XR Rudertangentlaikraft; MR} Ruderschaftmomcnt, Iinksdrehend positiv; R Ruderwinkel,

Back-bordlage positiv; eR effektiver Ruderanströmwinkel; 6

geome-trischer Driftwlnkel am Ruder, positiv bei Anströmung von Back-bord; 6R effektiver Driftwinkel am Ruder; vR effektive Ruderan-strömgescbwindjgkeit; e Abstand dea Druckmittelpunktes von der

Vorkante des mittleren" Profils; a Abstand des Ruderschaítes

von der Profilvorkante.

auch nicht übersehen, daß es sich dabei um verschiedene hydrodynamische Zustände handelt. Trotzdem ist ihr Vergleich nützlich, da in der Praxis oft der umgekehrte Wegbeschritten wird, nämlich die Berechnung der Ruderkräfte in drailbehafteter Strömung unter Verwendung von Daten aus normalen Windkanalmessungen. An dieser Stelle sei auch aufeine neuere Arbeit von Isay [14] hingewiesen, worin die Ruderkräfte im Propellerstrahl nach der Tragflügeltheorie

Ruderkraftmessungen und Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff ,,Meteor" 409

berechnet wurden und nicht der Umweg über Profileigenschaften bei dralifreier _Strömung

erforderlich ist.

Die Bedeutung der Kräfte und Winkel am Ruder ist aus Abb. 4 ersichtlich. Die benutzten Bezeichnungen sind weitgehend nach den Vorschlägen der InternationalenTanldeiterkonferenz (ITTC) gewählt worden'. Die Querkraft (oder Auftriebskraft) C und der Widerstand D sind die Kräfte quer und längs zur Richtung der mittleren Ruderanströmgeschwinthgkeit _{ii5, die} Seiten-kraft Y und die LängsSeiten-kraft X die auf das Koordinatensystem des Schiffes bezogenen Komponen. ten, M5 ist das Schaftmoment. An Bord kann man praktisch_{nur X und Y messen. C und D} müs-sen durch Umrechnung bestimmt werden. Dazu werden folgende Beziehungen verwendet:

C=Yoosß5X.sinß5

D = X.cos ß + Y sin ßR.

Als Bezugsfläehe A' wird aus Vergleichsgründen die dieser Bauart _{zugrunde liegende Fläche} des einfachen Trapezruders benutzt. Die Flächenvergroßerung durch das_{Aktivruder bleibt dabei} also außer Betracht. Die mittlere Profillänge L5 ist im Flächenschwerpunkt _{dieses Trapezes} bestimmt [11, 4] (sie ist etwa 1% größer als die, die Sich _{auf der halben Ruderhöhe H5 ergäbe).} Hiermit lassen sich daim die dimensionslosen Werte für die _{Ruderkräfte und -momente im} Pro-pellerstrahl bilden:

ccP C

D

Profilgleitzahl

_{s =}

-r--Dèr Index P (für Propeller) wird im folgenden der Einfachheit halber weggelassen. Als Rey

-nolds-Zahi des Ruders ist RNR V5L5 _{und als Froude-ZahI des Schiffes bzw. Modells}

FN definiert.

Vg.L

Zur Bestimmung der effektiven Anströmrichtung_{werden folgende Annahmen getroffen:} Durch die Umlenkwirkung des Schiffsrumpfs, _{die von der Form und der Heckgestaltung} ab-hängig ist, una durch die Geschwindigkeitserhöhung im Propellerstrahl wird der geometrische Driftwinkel am Heck

ß = ß0 +

reduziert. Dabei ist ß0 der Driftwinkel im Schwerpunkt des Schiffes, i der Abstand vom

Schwer-punkt zum Ruder und

_{w =}

_{die Winkelgeschwindigkeit (Drehung nach Steuerbord positiv).,}

Der effektive Driftwinkel wird dann angenähert durch:

ße11ß51cß.

Die z-Aoine zeigt in Abweichung dazu jedoch nach oben, die z-Achse nach hinten.

Beiwert der Ruderquerkraft

Beiwert des Ruderwiderstandes

Beiwert der Ruderseitenkraft Cyp =

fÄ4'

y

Beiwert der Rudeminngskraft

Cp

2

T

V5A

Beiwert des Ruderschaftmomentes cJJP=

vR

relative Druckpunktlage

- L5

Ycosô5+XSin55

M5

410 _{Ruderkraftmessungen und Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff ,,Mateor"}

Mit k0 als Reduktionsfaktor des 1)riftwinkels für den Rumpfeinfluß gilt für den Faktor hin-ter dem Propeller:

k = k0

V1+CT

Diese Formel stimmt mit Angaben von Perse hitz [27] überein, nur wird im vorliegenden Falle der reine Rumpfeinflu tI k0 näherungsweise aus den Messungen mit Propeller ermittelt (dazu

s. Anhang 2). Als effektiver Ruderanströmwinkel wird gesetzt:

= 5R + ß

Unter Verwendung dieser grundsätzlichen Beziehungen ist es nun möglich, die Beiwerte der Ruderkomponenten als Funktion des (effektiven) Anströmwinkels für den Vergleich Modell -Großausführung darzustellen. a a -o, a ojo 12 09 09 aos a12

Abb. 5. Ruder am ModeU; Einfluß der Rey-noi de -Zahl.

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-ao- -zr -ir o- ir

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Sth _ßb.

b) Einfluß der Reynolds-Zahi. Zur Beurteilung der Modellversuche und in gewisser_Hinsicht auch dér Bordmessungen ist es vor allem wichtig, den Einfluß der Reynolds-Zahi_{zu kennen.}

Nach Koning [28] ist - je nachdem - ab RIÇR = 21O... 1,51O mit befriedigenden

Ergeb-nissen zu rechnen. Nach Schoenherr [4] sollte die Reynolds-Zahi bei hohem _{Turbulenzgrad} 10 erreichen, damit auch die tTbertragbarkeit des Abreißpunktes gewährleistet _{ist. Mit den}

to)

30

Ruderkraftmessungen und Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff ,,Meteor" 411 normalen Versuchseinrichtungen läßt sich jedoch der letztgenannte Wert hinter einem Schiffs-modell selten realisieren. Im vorliegenden Falle wurde, wie schon erwähnt, aus Freifahrversuehen mit Ruder A und B ermittelt, daß die Messungen_{ab RN 2,5 10 im überkritischen Bereich} liegen. Dies gilt sicher nicht für den Aktivruder-Aribau. Trotzdem konnte kein nennenswerter Einfluß bei höheren Geschwindigkeiten auf die Profilbeiwerte mehr festgestellt werden. Die hinter dem Modell ausgeführten Untersuchungen bestätigten etwa diese Angaben (Abb. 5). Für die Bestimmung der maximalen Auftriebsbeiwerte _{sind sehr viel höhere Reynolds- Zahlen}

erforder-lich.

e) Einfluß der Schubbelastung. Die Schubbelastung_{hat erwartungsgemäß wegen der ijnmittel.} bar von ihr abhängigen Strahlzusatzgeschwinthgkeit einen starken Einfluß auf die Ruderkräfte im Propellerstrahl. Abb. 6a zeigt die absoluten Werte des Modeilversuchs für die Belastungsgrade 0,2; 1,15 und 2,45 und konstante Geschwindigkeit. (An den Ordinaten sind der besseren

J 9 mt 4' 8

..

a a -z 0J 44' -30 -!0 -10 O' 10' 20' .10' 4'0 O4' -sir -20' -w' o' a ₆₉

Abb. 6a u. b. Ruder am Modell; Einfluß des Schubbelastungsgradeg.

10' 20' 30' 4'0 ßb.

Vorstellung wegen die für die Großausführung geltenden Kräfte- und Momentenmaßstäbe mit angetragen.) Die Belastungsgrade 1,15 und 2,45 treten in etwa - allerdings immer bei verschie-denen Geschwindigkeiten _{- beim Drehen bzw. beim Stützen auf. Die Kurve für}

C 0,2 wurde

nur aus Vergleichsgründen mit eingezeichnet. Es fällt auf, daß_{die absoluten Momente bei} Bb.-Ruderlage relativ unempfindlich auf die Belastung reagieren. Das fast gleiche Moment im Bereich

10 kg

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¿0 110 -10 -20 0 -Z -a 120 1% 08 o.o 08

412 _{Ruderkraftmessungen mid Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff ,,Meteor"}

von + 20°... + 30° entsteht offenbar durch Verschiebung des_{Druckpunktes nach hinten bei}

den niedrigen Belastungen. Sonst läßt sich aber allgemein sagen, daß die Druckpunktlage_im interessierenden Bereich C _{1,2. . . 2,5 bei , ,gesunder Strömung" nur in geringem Maße von} der Belastung abhängig ist (s. a. Anhang 3).

Die dimensionslose Auftragung zeigt Abb. 6h. Man sieht dabei, daß die mit der o. a. Anström. geschwindigkeit berechneten Kraftbeiwerte mit_{steigender Belastung kleiner werden. Diese} Ten-denz war grundsätzlich schon bei Vorversuchen mit dem Ruder allein, jedoch hinter dem Pro-peller ermittelt worden (s. Anhang 3).

Weiter ließen die Voruntersuchungen erkennen, _{daß der Druckmittelpunkt durch den Drall}

bei

normaler Belastung gegenüber dem Freifahrzustand etwas weiter hinten liegt, bei hoherBelastung jedoch näher an die Profilvorkante wandert. Im Extremfall CT = 00 (Pfahlprobe) liegt er bei-spielsweise bei 200 Ruderwinkel auf 18% der Profillänge von vorn, und zwar sowohl für Ruder A als auch für Ruder B (ohne Aktivruder). Diese Effekte können nicht auf Ablösungen infolge großer Drallwinkel zurückgeführt werden, weil dann die Widerstandsbeiwerte höher liegen müßten. Theoretische Ergebnisse nach Isay [14] zeigen hinsichtlich der Kräfte einen ähnlichen Verlauf; außerdem bestätigen Experimente von Shiba [13] das oben Gesagte.

d) Einfluß der Schraganströinung. Die Schräganströmung, wie sie beim manövrierenden Schiff praktisch immer vorkommt, ändert _{vor allem den effektiven Anströmwinkel des Ruders. Dieser} Einfluß wird durch die in Abb. 7 a eingetragenen Ergebnisse der Modell-Rudermessungen mit festen Driftwinkeln ß = 00,

- l0,

_{20° deutlich. Offenbar bedingt durch das Zusammenwirken} von Nachstrom und Propellerströmung fällt diese Beeinflussung bei_{nach ihren Vorzeichen} ver-schieclenen Drift- und Ruderwinkeln nicht gleich _{aus. Es zeigte sich, daß folgende Reduktions.} faktoren für die Driftwinkel praktisch brauchbare_{Ergebnisse liefern (Tab. 1).}

Tabelle i Bereich Stützen Bb. Anschwenken Stb. Stützen Stb. .Ansehwenken Bb. 0,80 0,65 0,65 0,30

Diese Faktoren sind nach Abb 7a unter Berücksichtigung_{der bei nicht zu großen Ruder.} winkeln (0°. . .15°) gemessenen Seitenkräfte bestimmt (also nicht - wie eventuell auch möglich

-für den Fall C _{Y = 0, entsprechend x R = 0). Es gilt, wie in Anhang 2 näher ausgeführt:}

k

_p

Um den Faktor k0 zu erhalten, der zwar dem Rumpfeinfluß entspricht, jedoch nicht mit ihm identisch ist, wurde die bei dieser Untersuchung wirksam_{gewesene Schubbelastung eliminiert:}

k0 = kVi + .

Zur Anwendung der Driftwinkelkorrektur für einen beliebigen Fall muß dann in die nach k auf-gelöste Gleichung der jeweilige Schubbelastungsgrad C eingesetzt werden. Die damit berechneten Winkel ß bzw. z_{R führten zu der in Abb. 7 b gezeigten Auftragung. Sie zeigt, daß die Korrektur} befriedigend arbeitet. Die Abweichung einiger für_{ß° = - 100 gültigen Beiwerte hat keine allzu} große praktische Bedeutung. Aus den Großversuchen konnte im_{Mittel der Wert k = 0,5 bestimmt} werden, der für die meisten Fälle etwa mit den Ergebnissen des _{Modeilversuchs übereinstimmt.} Für die Umrechnungen der Bordmessungen wurden die Faktoren nach dem Modellversuch ver-wendet. Die oben angeführte Arbeitshypothese für ß R kann natürlich nur in bestimmten Grenzen, d. h. für nicht allzu große Driftwinkel als_{ausreichend angesehen werden.}

Der Modellversuch zeigt übrigens sehr deutlich, daß eine Vergrößerung des effektiven Anström-winkels durch Schräganströmung (wie sie beim Stützen auftritt) den Auftriebswert wesentlich erhöhen kann, und zwar ini untersuchten Fall um ca. 20%, und daß der Abreißpunkt nicht vom Anströmwinkel _{R, sondern vom Ruderwinkel R abhängig ist. Er liegt im Modellversuch ziemlich}

z; z: i; a a a 7,2

t:

7,0 a Q2 -42 al' as 48 -7,0 S/b.

-a 0' 'fi l'0'50' -l'0' -30' -20° -70' 0' ßbS/b. _«fi b

Abb. 7a u. b. Ruder am Modell; Einfluß der Schraganströmting.

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10' 20' 30' _{10' 20' 30' l'0' 50'} Sb.

414

Ruderkraftmessungen und Manövrierversucha auf dem Forschungsschiff ,,Meteor"

genau bei 30°. Theses Verhalten ist offenbar dadurch zu erklären, daß bei großen Ruderaussehiagen die Profilvorkante erheblich _{aus der Strahimitte herausragt [31j.}

Die Auftragung der Druckmittelpunkte -i--- über dem Ruderwinkel_{6R zeigt eme (scheinbare)} Verschiebung nach hinten, so wie fian sie mitunter beim Stützmanöver zu beobachten glaubt. In Wahrheit ist dies ein durch _{Anströrnwrinkeländerung bedingter Effekt.}

e) Ruderfreifahrt und Einfluß des _{Aktivruders; Ruder am Sehiffsmodell. Zur}

Beurteilung der Profileigenschaften in normaler dralifreier Strömung _{sind die Ruder A und B (ohne}

Aktivruder) zusätzlich freifabrend untersucht worden _{(Abb. 8). Bei Vergleich dieser}

Ergebnisse erkennt_man deutlich den Einfluß des Aktivruders. Es zeigte sich, daß durch die Birne und Düse allein (bei

-,u -oir -oir -10° 00 _{10° 80° 80° *0°}

Sm.

¿g-Abb. 8. Ruderfreifajirt: Ethfluß des Aktivruder.

Abb. 9. Ruder am Model]; Ruderkr5.fte bei Rückwärtsfahrt.

Sm.

gleicher Bezugsflache A') keine nennenswerte Änderung drehendem AR-Propeller hingegen werden sie um etwa 5 versuche im Propellerstrahl ergaben etwa diesen Wert(cá. stärker beeinflußt. Durch das Aktivruder liegt sie etwa

-70° 00 _10° 200 _{80° *0°}

8h

der Auftriebsbejwerte eintritt. Bei mit-bis 10% verschlechtert. Auch Kontroll-5%). Die Druckpunktlage wird dagegen 0,05 LR weiter nach hinten. Der

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Ruderkraftmossungen und Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff ,,Meteor" . 415

: lineare Verlauf für den Auftriebsbeiwert bei kleinen Séitenverhältnissen kann durch Vergleich

mit Angaben von Wicker und Fehlner [9], die Messungen an ruderähnlichen Flächen mit dem Profil NACA 0015 durchfuhrten bestatigt werden wenn er hier durch vorzeitige Ablosimg auch nicht so klar erkennbar ist. Die Rudermessungen im Propellerstrahl zeigen dies wegen der größeren -effektiven R e yn o ld s - Zahlen i. a. deutlicher.

Die bis zur Ablösung gleichartige Tendenz der Querkraftbeiwerte für das freigefahrene und für das hinter dem Modell und bei normaler Schraubenbelastung (CT i .2) gefahrene Ruder ist

offenbar auf das Zusammenwirken zweier gegensätzlicher Einflüsse zurückzuführen, und zwar einmal auf die oben besprochene Verringerung der Profilbeiwerte im Schraubenstrahl undzum anderen auf eine effektive Vergrößerung des Seitenverhältnisses durch die Nähe der Schiffswand (speziell der Gffiungsflosse), wodurch der Druekausgleich oberhJb des Ruders vermindert wird. Bei einem Vergleich ,,Ruder hinter freigefahrenena Propeller" und ,,Ruder hinter Modell" ist die richtige Erfassung des Rumpfnachstroms wichtig. Man darf jedoch annehmen, daß die be-nutzte Nachstromziffer ( 1 1 %) nicht zu hoch ist und daß die Gegenüberstellung solcher Meßwerte

in Anhang 3 diesen Einfluß in etwa richtig wiedergibt. Die Widerstandsbeiwerte könnten durch

unterschiedliche Reibung des leerlaufénden AR-Propellers etwas beeinflußt sein.

I) Ruderkräfte bei Rüekwirtsfahrt. Bekanntlich ergeben sich bei Rückwärtsfahrt besonders hohe Beanspruchungen am Ruder. Versuche mit rückwärts geführtem Modell mit verschiedenen Rückwärtsdrehzahlen (Belastungsgraden) ließen deutlich cile enorme Vergrößerung des Schaft-momentes erkennen. Sie beträgt für den vorliegenden Fall bei Annahme_{y RÜCkSVäFt 2/3 .,,voraus}

und bei Hartruderlage (35°) fast das 3fache des für Vorausfahrt geltenden Wertes. Der

Druckmittelpunkt liegt bei etwa 0,8 LR. Die Beiwerte in Abb. 9 sind mit _{VR = y berechnet.} g) Ergebnisse der Messungen am naturgroßen Sehif! sowie Vergleich mit den Modeilversuchen und den Regeln von Klassifikationsgesellschaften. Die Darstellung der Bordmessungen nach der oben beschriebenen Methode, also Beiwerte als Funktion des effektiven Anströmwinkels,zeigt Abb. 10. Die eingetragenen Meßpunkte unterlagen insofern einer gewissen Auswahl, als nur solche mit nicht zu großen (geometrischen) Driftwinkeln

_{- etwa bis}

10° .'. . 15° - zum Vergleich

herangezogen wurden, damit nicht der Gültigkeitsbereich der Winkelkorrektur überschritten wird und dadurch ein falsches Bild entsteht. Trotzdem sind in allen Fällen die Maximader auf-getretenen Beanspruchungen erfaßt, und man erkennt, daß sich bei Beachtung aller Einflüsse die Ergebnisse beider Manöverarten (Drehen und Stützen) ohne weiteres in zusammenhängender Form wiedergeben lassen. (Gleichartige Punkte kennzeichnen einen bestimmten Drehversuch, _die mit Fähnchen versehenen Zeichen dessen nachfolgendes Stützrnanöver.) In den meistenFällen sind 'die Werte der Ruderlegephase entnommen. Die letzten jeweiligen Punkte _{gehören jedoch} immer zum Fall ' _{- O. Bald nach Ruderstifistand fallen cile Werte meistens ab, was auf Ab.} lösungen und zum Teil auch auf erhebliche Driftwinkel -Vergrößerung (Verminderung _des Anströmwinkels) zurückzuführen ist. Die zu den Meßpunkten gehörigen Bedingungen (Ruder. winkel, Driftwinkel, Drehung, Belastungsgrad) sind in Abb. lOb angetragen. Außerdem enthält

das Diagramm Abb. 10 zum Vergleich die Ergebnisse der mit Driftwinkel _{¿9° = O}

durch-geführten Modellversuche (Kurven). Man kann sagen, daß die tbereinstimnaungzwischen Modell und Großausführung i. a. außerordentlich gut ist, wenn man die Punkte der _{Anschwenkphase} (ohne Fähnchen, C 1,1 .. . 1,4) mit der Modelikurve für CT _{1,2 und die der Stützphase (mit}

Fähnchen, CT 2,1 . . . 2,7) mit der für'cr _{2,45 vergleicht. Auffallend ist, daß die bei Rey.}

nolds - Zahlen von R _{R 3,3 10 durchgeführten Modellversuche höhere Auftriebswerte liefern} als die Messungen an der naturgroßen Ausführung, mit der _{nur 0c max i bei einer Reynolds.} Zahl von etwa 1,5 10 erreicht wurde. Dieser Unterschied wird noch größer, wenn man mit den Modeilversuchèn für ¿90 + 0 vergleicht (Abb. 7). Man kann die am Sehiffsruder früher einsetzende Ablösung der Strömung durch seine relativ größere Rauhigkeit erklären. Sie ist möglicher. weise durch den Kathodenschutz, die im Bereich der größten Profildicke _{aufgebrachten} Tief-gangsmarken u. a. bedingt (Abb. 11). Das Modell wies eine glatte Oberfläche auf. Bemerkenswert ist weiter, daß nach dem Abreißen dagegen die Momentenbeiwerteim Modellversuch etwas höher liegen als bei der Großausffthrung. Der Vergleich mit den bei Schräganströmung gefahrenen Werten unterstreicht diese Aussage. Offenbar sind die Ablösungsvorgänge am Modell und am Schiff nicht ähnlich. Der Druckmittelpunkt wandert in diesem Falle beim _{Modellruder stärker} nach hinten. Dieses Ergebnis ist insofern von Interesse, als andererseits_{auf Schiffen wiederholt} größere Momente geniessen wurden als nach den Modellversuchen zu erwarten war. Die Neigung

416 _{Ruderkraftmessungen und Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff Meteor"}

zu Ablösungen am Schiffsruder war hier bei niedrigen Geschwindigkeiten (y _{10 kn, F 0, 9)} stäxker als bei den höheren (y 12 kn; F 0,22) trotz der relativ geringen Unterschiede in dir

Reynolds. Zahl. a o 0,20 lo' 12 08

j

alo 0,2 0)

Abb. 10e u. b. Vergleich der an Modell und Oroßaueftihrung geniessenon Ruderkrätte und -momente.

Wifi man die gemessenen resi.iltierenden Ruderkräfte R

=

Vx2+ y2 _{mit den Regeln der}

Klassifikationsgesellschaften vergleichen, beispielsweise mit der des Germanischen Lloyd ,,Ruderdruck" R = 20 Fy2

oder der des Norske Ventas

,,Ruderkraft" N = k A für Schiffe mit L <90 m (k nach Tab. 1)

bzw. N = 8,7 A (v/2 + 7 + 0,3 L)2 für SchiffeL > 90 m und y < 14 kn,

dann geschieht dies am einfachsten durch Bezug der Resultierenden R_{= N auf das Quadrat der} jeweiligen Anlaufgeschwindigkeit y0 in kn und die Ruderfläche A = F in m2. Die beiden Angaben des N. V. geben fast die gleichen Werte. Abb. 12 zeigt eine solche Gegenüberstellung Man erkennt, daß der Wert nach dem G. L. gerade erreicht wird und die Angaben nach N. V. vor allem für

y 12 kn überschritten werden, obwohl die Auftriebswerte unter ihrem möglichen Höchstwert geblieben sind. Eine Begründung hierfür mag sein, daß bei diesem Schiff der Rumpfnachstrom gering ist, so daß das Verhältnis VR/vo höher als gewöhnlich liegt (s. a. Abb. 4). Andererseits darf

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10' 20' 30' 0' fib t2--a a 0,18 -20' b

2

176

12

10

Ruderkraftmessungen und Manövrierversuche auf deni Forhnngsschiff ..Meteor" ₄₁₇

Abb. 11. Zustaiid. des Ruders nach Versuch (Juli 1964).

Abb. 12. Vergleich der gemessenen Ruderkräfte mit Angaben des Ger-manischen Lloyd und des Norske

Ventas.

20

punkte für den Fall ,,hinter klemmung des AR-Propellers Angaben ist durch die relativ

27 _{Jahrb. STG. Bd. 59}

Modell"

r-2

man natürlich nicht übersehen, daß diese Regeln haupt-sächlich dazu bestimmt sind, Vergleichsgrößen für

Vor-schriften festzulegen und daß die wahre Lastannahme erst aus den Sicherheitszuschlagen (mit Berücksichti-gung des Seeschlages) ersichtlich ist.

h) Zum Einfluß des Ruders auf die Propulsion. Der Einfluß des Ruders auf die Propulsion ist im allgemeinen mehr oder weniger bekannt. Die bei diesem Schiff

be-sonders auffälligen Verhältnisse geben jedoch Anlaßzu

einigen Bemerkungen: Der Ruderwiderstand beträgt bei normaler Fahrt mit Null-Ruderlage etwa 16 bis 18% des Propellerschubes und verschlechtert damit enorm die Propulsionseigenschaften. Dies geschieht vor allem durch die Erhöhung des Soges. In Abb. 13 sind zum Vergleich Widerstandswerte der Großausführung und des Modells aufgetragen, wobei im Diagramm b die Modellversuche durch systematische Meßreihen des im Propellerstrahl bei verschiedenen Schubbelastungsgraderj allein gefahre-nen Ruders ergänzt sind. Man erkennt den Einfluß des Profils allein (Ruder B; D/T 8%) und des Aktivru-der-Anbaues (mit und ohne AR-Propeller). (Die

Meß-bei CT 1,1 liegen wegen einer später festgestellten Ver-zu hoch.) Der Unterschied dieser Werte im Vergleich Ver-zu anderen große AR-Düse (Düsendurchmesser/Propellerdurchmesser _0,51)

ermun/schep Lloyd 10 kn

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42

28

418 _{Ruderkraftmessungen und Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff .,Meteor"}

und durch die große Profildicke (Profildicke/Profillange = 0,23; Profildicke/Propellerdurch messer 0,19) zu erklären. Busmann [30] gibt für einen 7700-tdw-Frachter eine Widerstands-erhòhung von 2 bis 3% an. Dabei betrug der Düsendurehmesser jedoch nur 26% des Propeller-durchmessers. Es wurden keine Experimente mit sogenanntem Tandem-Betrieb durchgeführt, bei dem ein Teil der Antriebsleistung auf das Aktivruder gegeben wird. Dadurch wäre wahr. scheinlich ein günstigeres Ergebnis zu erzielen (vgl. [30]).

Weitere Betrachtungen führen zu der Feststellung, daß die allgemein übliche Zerlegung der Propulsionsgrößen wegen ihrer Änderung durch das Ruder im vorliegenden Fall zu falschen Schlüssen verleitet. So entspricht es eigentlich nicht der allgemeinen Vorstellung, daß Sog. und

1,2 7) 020 aB ao o az o 10 4. 3 b l7 8 lO 72 7/c7-is io

-Abb. lIa u. b. Ruderwiderstand und Ruderwiderstand/

Propellerschub in Abhängigkeit von

Schiffsgcschwindig-keit (a) bzw. Schubbelastungsgrad (b) bei Null-Ruder.

lage (Ergebnisse der Bordmessungen aus Meilen- und Ma-növrierfahrten). L? a oB 0,1' as aBo as 0,10 0,08 o,00 s og 0,7

r-Abb. 14. Freifahrtversjiche mit Propeller und Propeller/Ruder.

7

Nachstromziffer, die man doch im wesentlichen als Eigenschaften des Schiffsrumpfes anzusehen hat, durch die Anwesertheit eines Ruders (scheinbar) verdoppelt werden können. Bekannt _ist aus verschiedenen Untersuchungen [31, 32, 33] die Erhöhung der effektiven Nachstromziffer durch das Ruder, obwohl man, wie eine experimentelle Untersuchung_{von Harvald [32] zeigt,} nur eine geringfügige Erhöhung des nominellen Nachstroms durch das Ruder nachweisen kann, was allerdings auf das Fehlen der Propellereinwirkung zurückzuführen ist (s. a. [34]). Nach Gutsehe [35] haben die über Schub- oder Momentengleichheit ermittelten _{Nachstromziffern} mehr den Charakter von Anpassungsfaktoren, die auch die Einflüsse der inhomogenen

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Ruder à/nfer freigefohreiern Propeller

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g 70 u, 71 73 cn 7* 1,0 li o 7O 08 48 71

27

Ruderkraftmessungen und Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff .,Meteór" ₄₁₉ strömung und die nicht rumpfbedingten Auswirkungen der vor oder hinter dem Propeller an-geordneten Bauteile berücksichtigen, also auch den Stau des Ruders. Bei Vergleich der aber Schubidentität bestimmten Nachstromziffernmit dem nominellen Wert der VWS Berlin ergab sich im vorliegenden Falle eine Differenz von ca. 100% '[36]. Wie bereits an anderer Stelle erwähnt [36]. konnte sie durch Freifahrversuche mit dem System .,Propeller _{+ Ruder" (Abb. 14)} geklärt werden. (Sie sind hinter einem sehr schmalen Freifahrtkasten ausgeführt. Wie wiederholte Kontrollen ergaben, wurde der Schub durch cien Kasteneinfluß nicht meßbar verändert, das Drehmoment zeigte größere Streuungen.) Der Verlauf dieser Freifahrtwerte stimmt tendenzmäßig mit den Angaben von Lindgren [33] gut überein. Auffallendwar im vorliegenden Falle, daß die Änderung des Ruderwiderstandes durch den AR-Propeller die K- und KQ-Werte nicht

beein-flußt. Bei Auswertung der effektiven Nachstromziffer über Schubidentität nach diesen Ergeb-nissen erhält man dann den vom Ruder unabhängigen - jedoch den fur die Schiffsform allein

zutreffenden - Wert. Er beträgt ca. 11%, was mit der_{o. a. nominellen Messung sowie mit der}

effektiven Nachstromziffer des Modells ohne Ruder gut übereinstimmt, während die übliche Auswertung mit Hilfe der normalen Propellerfreifahrt etwa 23 bis 25% ergibt _{(s. a. [37]). Dieser} durch die Stauwirkung des Ruders erklärbare Unterschied zwischen den beiden effektiven Nach-stromziffern äußert sich im Freifahrtversuch in einer Verschiebung der_{K- und KQ-Kurven} (s. Abb. 14).

Ähnliche Überlegungen führten auch zu eIner Untersuchung des am Modell gemessenen Soges

(für y _{12 kn). Will man auch hierfür den Einfluß des Ruders bestimmen, so ist dies bei Kenntnis}

des Ruderwiderstandes im Propulsionsversuch D(,) möglich. Die ,,Gesamtsogziffer" setzt sich aus einem Ru,rnpfanteil und einem Ruderanteil zusammen. Wenn der Sogermittlung der Wider-stand ohne Ruder - mit R0 bezeichnet - zugrunde gelegt wird, gilt demnach

TR0'

tgs.

-T - - tRumpf + tRuder (T DU)) - R0

+ -- 0,10 + 0,17

0,27.

- Bei Bezug der Sogziffer auf den Widerstand mit Ruder R0 + D(w) wurde folgender Wert

er-mittelt :

tges.

T

Dw)) 0,20.. .0,22.

Betrachtet man andererseits das System , ,Propeller + Ruder" als Propulsionseinheit, so läßt sich ein effektiver Schub definieren, nämlich Test

_{= T}

_{D(p), und man erhält (abweichend von} der o. a. Formulierung) die Sogziffer für den Rumpf bei Annahme_{dieses Vortriebssystems:}

(TD(p))R0

₀₁₂

tRampf_

_TD(p)

Dieser Wert stimmt etwa mit dem aus Propulsionsversuch ohne Ruder überein. Durch meß. technische oder maßstabsbedingte Effekte mögen diese Angaben etwas verfälscht sein, vor allem wegen des Aktivruders. Andererseits hat jedoch der Versuch am naturgroßen Schiff für den Ruderwiderstand eine gute Bestatigung gegeben.

Allgemein kann man sagen, daß für den vorliegenden extremen Fall die übliche Auswertung der Propulsionskenngrößen nicht genügt. Richtiger wenn auch umständlicher wäre es, Propeller und Ruder als einheitliches Propulsionssystem _{anzusehen, wie bei Verwendung eines} Leitapparates. In Abb. 14 erkennt man u. a. die Wirkungsgradkurve für den Propeller allein (ausgezogen), die bei Anwesenheit des Ruders (dick gestrichelt) und die für das System ,,Propeller

+ Ruder A".(dïck strichpunktiert).

E. Manövrieryersuche

a) Zu Versuchsmethoden und Auswertung. Zur Beurteilung der Steuereigenschaften wurden die Ergebnisse aus Spiraltest, Drehkreisfahrten und_{Dreh-Stütz-Manövern herangezogen. Dabei} stand der Spiraltest nach D i e u don né [16] ini Vordergrund der Untersuchungen, da mañ luit seiner Hilfe die beste Informatioñ über die hier besonders interessierende Kursstabilität erhält. In diesem Zusammenhang schien weiterhin die Frage der Brauchbarkeit solcher Bordbeobachtun-gen unter normalen - also nicht windstillen - Verhältnissen von Bedeutung. (Offenbar weBordbeobachtun-gen der üblichen wetterbedingten Schwierigkeiten ist bisher_{relativ wenig über derartige Messungen} auf Schiffen bekanntgeworden. Eine Ausnahmestellerj_{z. B. die umfangreichen Untersuchungen}

420 _{Ruderkraftinessungen und Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff ,,Meteor"}

auf einem Mariner-Typ-Schiff _{von Morse und Price dar [38].) Diese Versuche, die mit} statio-närem Drehen bei 150 Bb.- oder Stb. -Ruderlage begannen, wurden mit stufenweise verringertem Ruderwinkel bis etwas über die Nullage hinaus fortgesetzt, wobei in jedem Fall ein stationärer Zustand abgewartet und für längere Zeit (mindestens bis 1800 _{Kursänderung) beizubehalten} war. Aus der Auftragung der registrierten i)aten - Drehgeschwindigkeit o (vom Drehgeschwin. digkeitsgeber), Bahngesclìwindigkeit i' und Driftwinkel ß0 (vom Bodenlog mit Richtungsanzeige) - über dem jeweiligen Kurs war dann dic Beeinflussung durcis äußere Störungen (Windstärke 4 bis 5. Seegang 1) ersichtlich. Sie war i. a. nicht allzu groß. Trotzdem wurden nur die bei 00 und

1800 _{zum Wind gemessenen Werte für die beabsichtigte Darstellung verwendet.}

Man kann erwarten, daß durch diese Auswahl der Meßpunktc der Windeinfluß praktisch eliminiert ist. Natürlich müssen dabei sowohl die Winkelgeschwindigkeit als auch die Bahngeschwindigkeit und der Driftwinkel nahezu stationärgewesen sein.

Zur Auftragung über den Ruderwinkel wurde die dimensionslose Winkelgeschwindigkeit oder Drehung

L wL

R y

benutzt (L = Schiffslänge in der WL [m], R = stationärer Drehkreisradius des Schiffsschwer-punktes [m], w = Drehgeschwindigkeit [Bogenmaß/s}, _{y = Geschwindigkeit [mis]). Es ist also} nicht - wie vielfach üblich - die Winkelgeschwindigkeit in Grad/Sekunde dargestellt, und zwar deswegen, weil dieser Wert geschwindigkeitsabhängig _{ist, während L/1?,, für nicht zu große}

Frond e_{- Zahlen diesem Einfluß normalerweise nicht unterliegt und damit für einen Vergleich}

geeigneter erscheint.

Zur direkten Bestimmung des Drehkreisradius bzw. -verlaufs bei größeren Ruderwinkeln (ca. 15 0 250, 35 0) wurden, wie erwähnt, außerdem Decca-Messungen und terrestrisehe Peilungen verwendet. Dabei zeigten alle 3 Methoden recht gute tibereinstimmung. _{Weil die Schiffsbahnen} nach der Decca-Ortung in engeren Zeitabständen (1 oder 3 Sekunden) und mit ausreichender relativer Genauigkeit gemessen werden konnten (die geographische Lage des Drehkreises ist da-gegen etwas verschoben), wurden sie hauptsächlich hieraus ermittelt. Den stationären Wert für den Radius erhält man auch in diesem Fall am sichersten aus den Fahrabsàhnitten mit und gegen Wind(1800_{und 3600 Kursänderung). Abb. 15 zeigt beispielsweise einen mit dem Decca-Navigator}

sec

Windrichiung (B/i p/S)

Abb. 15. Drchkrcis naeb

Decca-Mes-sung; r0 10,3 kn, 6 = 39,5 ° Stb.

\

¿8z,g\ \ 37Csec ¡ZUsec/- / ZO8,ec

J

//

/1'

i

¿ ' 19Z.Csec 77'sec

\ig.

,/'8ßsec

/-/

. 17ZS1C 13zgsec

---N

ermittelten Drehkreis. Alle I)rehkreisversuche wurden _{bei einem Kurs mit Wind nach einer} genügend langen Anfahrtstrecke begonnen.

Die Dreh-Stütz-Manöver _{- vor allem wegen der Rùderkraftmessungen ausgeführt - geben} zusätzliche Informationen über die Steuereigenschaften. Da sie im Prinzip abgekürzte Z-Manöver

o

N

1Z,ßsec '---,.ZZßsec

\

0. 0, o;

k:

li o; -o; 20 10 -3D' 50' ôordmessung SpiroIIest Drehkreiverruc/, (U 109n) Diehirte is ve rouch (DO 9 In) Modellversuch Spiro//est Wind,Bfl.9/5 Wind, ßf/.5 )l'ind ßft.9 z z. 2,5 3,0 3 ¡ 3,5 9 7,5 S g 8 70 38 0,5 20 70

aD

g 7,5 20' 20 1g 72 08 09

Abb. lOa u. b. Spfraltcst und Drehkrejs'ç-ersuche

(static,-ñare Drehung). a) dirnensionIose Drehgescbwindjgkejt L/I?0; b) Driftwinkel 0 und Freude-Zahlen Fv.

18'

b

Abb. 17 a u. b. AnschwenJzejten und tYberschwingwjnke aus Dreh-Stütz-Manövern mit Gegeuruderlagen bei 20 ° 1ursabweichung. a) Anschwcn1zeiten !j'o für 20

°Kurs-&nderung; b) Uberschwingwinkel 9 (ô,4

o _{Aus /'ùhrung A}

Aus fiihrung ft

Kursanderung von 200 ausgeführt hatte (Anschwenkphase); in diesem Moment wurde mit gleich großem Gegenruder ô ¡s gestützt, wodurch die anfangs eingeleitete Drehbewegung all-mählich wieder aufgehoben wurde (Stützphase).

27 A Jahrb. STG. Bd. 59

//

'NorrncicusführungA A '

H

zum önderle cusfùhrirny J'eiy/eith Modell- ge-8 _! ßoTf o ncth[zzJ,ex/rcpo/ Fchrtrich/zsai ii -'i2hn uujt Hnd geoen + 'olOkn ini '7th0 Fòhnchen tech/s links 5/e.- Drehung 8h. -Drehern1

_____I

bo1d Rich/wept noch [221

Ruderkraftmessungcn und Manövrierversuehe auf dem Forschungsschiff ,,Meteor" ₄₂₁ darstellen, sind nur folgende Erläuterungen nötig: Nach stationärer Geradeausfahrt ₍ O 0)

erfolgte eine bestimmte Rudereinstellung _{R.I die so lange bestehenblieb, bis das Schiff eine}

10° 15° 20' 25' 30' -go' -90 -30 -20 b 8h a -Z 30 -70' 0' 10' 20' 30' 90' iYb. cus Dreh-und ßchnge- Hub/wert

422 _{Ruderkraftinessungen und Manävrierversuche auf dem Forschungsschiff ,,Meteor"}

"

Mit dein Modell wur(Ie nur der Spiraltest gefahren. Auch hierbei konnte außer der Dreh. geschwindigkeit, wie bereits erwähnt. die momentane Bahngeschwindigkeit y mit einem Bodenlog gemessen werden. so daß die Bestimniung L/I? möglich war.

h) Kiirss(ahilität und i)rehíiiliigkeit. In Abb. 16 sind die Ergebnisse der Spiralversuehe_sowie der Drehkreismanöver (v = 4 und 10 kit) eingetragen, und zwar teils nach I)reh- und Bahn. geschwindigkeitsmcssung und teils nach .Decca-Ihtung _{fur einige Versuche aber auch nach} beiden gleichzeitig durchgeführten Verfahren. Obgleich die mit 4 kn gefahrenen _Drehkreise

stärkerem Windeinfluß unterlagen. ähnlich wie die bei erheblichem _{Geschwindigkeitsabfall}

erfolgten Mariövcr mit großen Rudcrviie1n, ist sehr deutlich die weitgehende _{Unabhängigkeit} der Drehkreisdurchmesser (D = 2R) von der Geschwindigkeit im untersuchten _Froude.Zahi. Bereich erkennbar. Durch clic Benutzung des Verhältniswertes L/R ist es möglich, beide Versuchs. arten und somit auch die charakteristischen Merkmale und Größen für die Kursstabilität_und die Drehfähigkeit in einer Darstellung zusammenzufassen. Der Verlauf der Drehgeschwindig keitskurve ini Bereich kleiner Ruderwinkel ist bekanntlich kennzeichnend für _die Kurseigen-schaften. Bei einem stabilen Schiff ist jedem Ruderwinkel eine bestimmte Drehung (Richtung und Betrag) zugeordnet. Beim unstabilen Schiff dagegen ist diese Zuordnung nichteindeutig: bei Ruderausschlagcn um Øo ist die Drchtendenz abhängigvon der des vorausgegangenen Ma-növers. Man erhält im instabilem Bereich zwei Kurvenäste und es entsteht dadurch ein _nicht. linearer Verlauf mit einer Schleife, deren Höhe und Breite als Maß fir die Instabilität _anzusehen sind. Im Falle des Forschungsschiffes ist das unstabile Verhalten sehr deutlich._{Das wird auch} von der Schiffsführung bei schwierigeren Manövern so empfunden, kann .dann allerdings durch die anderen Manövrierhilfen weitgehend kompensiert werden. Wie aus Abb. 16 ersichtlich, könnte beispielsweise mit dem Ruderwinkel O ° je nach der Anfangsdrehtendenz sowohl _{ein Drehkreis} nach Backbord als auch nach Steucrbord mit einem, Durchmesser von etwa 12 Schiffslängen gefahren werden. Die Höhe der Schleife ist (L/R0)0 _{0,3 oder umgerechnet für eine}

angenom-mene mittlere Fahrtgeschwindigkeit von 12 kn: *

f L \ y 0,514412

= -:i-)

0.3 - _{i,3 = 1.4} ¡s.

Dieser Wert erscheint, auch verglichen mit einer Statistik

_{von Gertler und Gover [22]}

recht groß. Andererseits ist die Schleife mit etwa 3 ° sehr schmal, wodurch u. a. die Frage nach der richtigen Beybrtung von Höhe und Breite als Maß für die Instabilität _{aufgeworfen wird.} Abb. 16 b enthält zusätzlich den Geschwindigkeitsverlauf während der Messungen und die Drift-winkel ß. Dabei mag von Interesse sein, daß man offenbar auchaus der Auftragung von ß° das Kursverhalten eines Schilfes recht gut beurteilen kann.

Die Modellversuche ergaben eine gute Bestätigung für die Bordmessungen, obgleich die Dreh-zahl wegen der höheren Belastung bei freifahrendem Modell etwas zu hoch war. Mit einem zusätzlich angebrachten TothoFz könnte zwar eine Verbesserung der Kurseigenschaften erreicht wcrden kursstabil würde das Schiff allerdings auch dadurch nicht.

Durch die an Bord ausgeführten Dreh-Stütz-Manöver werden die aus dem Spiraltest gezogenen Schlüsse erhärtet (Abb. 17). So ergeben sich für ein mit etwa 12 kn gefahrenes 20 °/20/-Z-Manöver (1. Phase) Uberschwingwinkel von 20 0 nach Steuerbord und 26 0 nach Backbord (beim 100/100. Manöver etwa 13 ° und 180) Diese Werte sind sehr groß, wenn auch der eingetragene Vergleichs. wert [22] zu niedrig erscheint. Näch Schmitz [39] läßt sich auch aus der Lage dessogenannten taktischen Drehpunktes die Kursstabilität beurteilen, und zwar soli er danach mehr als 9% der Schiffslänge hinter dem Bug liegen. Im vorliegenden Fall befindet er sich jedoch bei nicht zu starken Drehungen etwa 10% davor.

Die Drehfähigkeit ist außerordentlich gut. Der Bahndurchmesser der stationären Drehung bei Hartruderlage (ca. 33 0) beträgt nur etwa 2,6 Schiffslängen, der taktische Durchmesser (senk-rechter Abstand des Aufgangskurses bis zum Schiffsschwerpurikt nach 1800 Drehung) etwa 3 Schiffslängen; 4,5 Schiffslängen werden für die letztgenannte Größe als brauchbarer Richtwert angesehen [22]. Die Anschwenkzeit tA für 200 Kursänderung ist ca. 20% kleiner als nach einer

extrapolierten Normangabe aus der bereits zitierten Arbeit von Gertler und Gover. tA[S] ist

hier entsprechend einem Vorschlag von Kemp f [17] in sogenannte Schiffslängenfahl-Leiten

tA X v0/L (y0 = Anfahrtgeschwind.igkeit [m/s], L = Schilfslänge in der WL [m]) umgerechnet, wodurch wiederum eine geschwindigkeitsunabhangige Aussage möglich wurde.

Zur Beurteilung des Kursverhaltens im Seegang wurden die Gier- und Ruderwinkel auf ver-schiedenen Kursen zur See aufgenommen und statistisch ausgewertet. Die bisher erhaltenen

Ruderkraftniessungen und Manövrierversuche auf dem Forschungsschiff ..Meteor" ₄₂₃

Ergebnisse sind jedoch fur eine allgemeinere Aussage noch zu wenig systematisch. Eine Häufung der Ruderwinkelausschläge bei Fahrt gegen See in (1er Nähe der Rudernullage an den Grenzen des oben beschriebenen unstabilen Bereihs (nach Spiraltèst) _{vie sie von Norrbin [20J für} unstabile Schiffe angegeben wird,. konnte bisher nicht festgestellt werden. Bei Seegang4 und

ca. 00 gegen Wind und See zeigte sieh dagegen in der lläufigkeitsverteilung (der Ordinaten) der über 10 bis 20 Minuten gemessenen Ruderwinkel bei der Rudernullage eine _{ausgeprägte Spitze.} Das mag auf die Wetterverhältnisse oder aber auf die sehr schmale Schleife der Spiraltestkurve zurückzuführen sein. Bei querkommender und achterlicher See wird die Verteilung wegen der erforderlichen größeren Ruderausschläge erheblich flacher.

Zu den besonderen Problemen eines solchen Schiffes gehört i._{a. wegen der relativ hohen} Aufbauten auch die größere Windempfindlichkeit. Nach Angabe der Schiffsführung steuert das Schiff ab WincLstärke 4 von 20° bis 80° zunehmend luvgierig. Aus Windkanalversuchen des Über- und Unterwasserschiffes [40] konnte gleichfalls ab etwa 20 0 ein steigendes luvgieriges Moment ermittelt werden. Im übrigen wird das Steuern bei vorlichem Wind und achterlichem Wind bis Stärke 4 und mäßiger See als befriedigend angesehen.

F. Zusammenfassung

Es wird eine als 6-Komponentenwaage ausgeführte Rudermeßeinrichtung beschrieben, die auf dem Forschungsschiff Meteor" eingebaut ist. Die bisher erfolgten Messungen der Ruderkräfte

und -momente in ruhigem Wasser zeigten gute Übereinstimmung mit den _{Ergebnissen der}

Modellversuche. Dabei konnten die während der Schiffsmanöver wirksam _{gewesenen Einflüsse} der Schräganströmung und Schubbelastung berücksichtigt _{werden. Auffallend ist die Größe des} Widerstandsanteils, der durch das. Ruder verursacht wird. Durch eine Reihe von Spiral-, Dreh-kreis- und Dreh-Stütz-Manövern wurde.guteDréhfähigkeit, aber auch Kursinstabilitãt festgestellt. Abschließend möchte ich Herrn Professor Grim und Herrn Th jeme für die zuteilgewordene Unterstützung danken - sowie allen beteiligten Mitarbeitern des IfS, insbesondere jedoch Herrn Thiemann für die umfangreichen konstruktiven und meßtechnischen_{Arbeiten. Mein Dank gilt} , auch den Herren vom Deutschen Hydrographischen Institut einschließlich der Schiffsführung

für die bereitwillige Hilfe bei der Vermessung der Schiffsmanöver

Anhang i

27 A

Daten des Schiffes'

Länge über alles

Länge zwischen den Loten Länge in der WL Breite a. Spt. ßthdeci-WLIi Ba;/ídeCk 17 WLÍ0 WL9 HcuØdCd( WL8 WL7 WLf WL51O WLS WL WL3 WL2 WL1 IoBcis ¡(L.

Die angegebenen Werte beziehen sich, soweit sie_{vom Tiefgang abhängig sind, auf Tg = 5,00m (gleich.}

lastig). entsprechend dein Zustand während der Glattwasserversuche. Die Völligkeitsgrade sind mit LWL

gebildet.

/

= 82.10 m LFr = 72.80 iii LWL = 77.50 m B =l3,50m /L. _fts. Abb. 18.

424 _{Ruderkraftmessungen und Manös-rierversuehe auf dein Forschungsschiff ,,Meteor"}

max. Tiefgang

Tiefgang (bei Glattwasserversuchen)

Verdrängung a. Spt., max. Verdrängung a. Spt. (Tg = 5,00 in) Leistung max. Drehzahl i, C = 0,54 B/Tg = 2,7 q,, Cr = 0,61 LWT/B = 5,74 Lateraifläche über 1J'L

Schwerpunkt von AL,V

Lateraifläche unter JVL (mcl. Ruder) Schwerpunkt von A_L Gewichtsschwerpunkt Tq5 5,20 in Tq = 5,00 in Vmax = 2830 in3 = 3000 in3 cmai =2000PS 71maz = 190 U/Mm. V/(LwL/10)3 = 6,1 = 670 iii2 = 0,55.Lpr vor HL = 355 ni2 = 0,492 vor HL 1,9 = O,48ilL vor HL OAu.Pf. A L OA L û. W. Oc Abb. 19. Ruder

Typ _{Spatenruder mit Aktivruder (350 PS)}

Profil NACA 0023

Ruderfläche insgesamt _{A RGes = 9,33 m2}

Bezugsruderflache _{A' = 8 85 m2}

mittlere Länge im Fliichenschwerpunkt LR _{= 2,56 m}

Hohe _{H'R = 3,50 rn}

Seitenverhältnis

LWLT

zusätzliche Manövriereinrichtungen _{2 Bugstrahlruder (je 250 PS)}

Propel! er Bauart _Ostermann Durchmesser _{D = 2,90 m} Steigungsverhältnis P07/D = 1,01 Flächenverhältnis _{Ao/AD = 0,70} Flügelzahl z = 5 Drehsinn rechts mit Eisverstärkung Modell Mode]linaßstab z = 14;

in Abweichung zu den sich daraus ergebenden Maßen gilt für den Modellpropeller_{: A0/A D = 0,60, ohne}

Eis-verstarkung.

Anhang 2

a) Zur Abschätzung der Geschwindigkeitserhöhung infolge Drehung. _{Mit der Annahme, daß die} Anström-geschwindigkeit durch die Drehbewegung am Orte des Propellers um das gleiche Maß erhöht wird wie an einer

darunter gedachten und nicht vom Rumpf beeinflußten Stelle gilt:

v =vcosß0

vsinß + wl

Vjj = Vv2 + a2l2

A = 1,385