Passieren von schubverbänden in schiffskanälen

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Passieren von Schubverbänden

in Schiffskanälen

H. Bin e kund E. Müll e r

177.

Mitteilung der Versuchsanstalt für

Binnenschiff-bau, Duisburq')

1.

Einleitung

Auf Grund der wirtschaftlichen Bedeutung von Schub-verbändenals Gütertransportmittel in der Kanalfahrt sind im ersten Teil dieses Forschungsvorhabens [1] die hydro-dynamischen Veränderungen in der Umgebung von allein in Kanalmitte fahrenden Verbänden sowie deren Wellen-leistung und Schwimmlage modellmäßig untersucht wor-den. Damit wurden wesentliche Grundlagen für die fol-gende Arbeit geschaffen.

Bisherige Untersuchungen über das Verhalten von Schiffen beim Begegnen und überholen sind meist in seitlich unbegrenztem Wasser durchgeführt worden. Theoretische Berechnungen mit weitgehend allgemein gültigen Aussagen über das Verhalten zweier Schiffe beim Begegnen und überholen sind zur Zeit ohne wesentlich vereinfachende Annahmen nicht durchzuführen.

In der Versuchsanstalt für Binnenschiffbau Duisburg sollten im Modellversuch die Änderungen der Strömungs-felder beim Begegnen und überholen von Schubverbänden in verschiedenen Kanalprofilen gemessen werden. Ferner waren die Bewegungen der Verbände beim Passieren sowie deren Leistungen und Schwimmlagen bei außermittigen Kanalfahrten zu erfassen. Mit Hilfe dieser Ergebnisse wird es möglich sein, die optimalen Geschwindigkeiten für Pas-siervorgänge von Schubverbänden in Abhängigkeit von deren Größe und Tiefgang und vom jeweiligen Kanalquer-schnitt festzulegen.

Moin - Donau - Kcna!

2. Versuchs technik

Als erste Untersuchung waren Alleinfahrten der Modelle aus Kanalmitte bei verschied enen Geschwindigkeiten und Tiefgängen vorgesehen.

Die anschließenden überhol- und Begegnungsversuche mußten in einem bestimmten Meßquerschnitt erfolgen, in dem die Bodendruckdosen, Wellensonden und Stau-scheiben zur Bestimmung der Strömungsfeldänderung untergebracht waren.

Zur Durchführung der Passierfahrten sind die bereits vorhandenen Kanalprofile von 80 m auf 140 m verlängert worden. Die einzelnen Sektionen von 2,5 m Länge aus leichtmetallbeschichtetem Kunststoff wurden im leeren Versuchstank der VBD zu einem Modellkanal im Maß-stab 1:16 zusammengebaut. Durch Auseinanderziehen bzw. Zusammenschieben der beiden Böschungsseiten, die ein e Neigung von 1 : 3 hatten, konnten größere und klei-nere Trapez-Querschnitte hergestellt werden (Bild 1).

Das am großen Wagen geführte Modell war mit Schub-und Drehmomentmesser ausgerüstet. Der Geschwindig-keitsverlauf wurde dagegen immer am Modell des kleinen Schleppwagens gemessen..

Wie aus Bild 1 ersichtlich ist, sind an zwei Stellen eines jeden Kanalquerschnitts im Tankboden Druckänderungen mit Bodendruckdosen gemessen worden: Mit zwei Stau-scheiben und zwei Wellensonden wurden die Geschwin-digkeitsänderungen des Wassers und die Wasserspiegel-verformungenermittelt"), Bild 1 0,7 0,12 20,50m 9,46m 1,60m 2 70,00m 9,43m 2,00m 2,50'm 2,80 m 1202,00m' 1518,00m' 1708,00m' Düse in Einfach-bauweise 1,65m 1,027 0,594 3 Europa-Leichter Typ I Länge über alles . .

Breite auf Spanten Tiefgang Verdrängung p r o p e l l e r d a t e n D • . P/D . AE/A_o z Kanalschubboot Länge über alles . . Breite auf Spanten

Tiefgang .

Anzahl der Propeller in Düsen

3. Versuchsdurchführung

Mi t einspurig-emgltedrigen und einspurig-zweigliedrigen Schubverbänden im Maßstab 1:16 sind in verschiedenen Modellkanälen außermittige Alleinfahrten, Begegnungs-und überholversuche vorgenommen worden. Je nach Kanalquerschnitt wurden Formationen aus Europa-I-Leichtern oder Europa-II-Europa-I-Leichtern mit jeweils einem 20,5 m Kanalschubboot gebildet.

Daten der untersuchten Schiffstypen (Großausführung).

1) Die Mittel zur Durchführung dieser Forschungsaufgabe stellte dankenswerterweise die Arbeitsgemeinschaft Industrieller For-schungsvereinigungen zur Verfügung.

2) Die vollständigen Versuchsergebnisse sind im VBD-Bericht Nr.814enthalten.

Rechteck - Trapezprofil

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Bild 2 Bild 3 Bild 4

E u r o p a - L e i c h t e r Typ 11 Länge über alles . .

Breite auf Spanten

Tiefgang . Verdrä n gung . . . . 76,50m 11,33 m 2,00m 2,50m 2,80m 1544,00m' 1945,00m' 2197,00m'

4. Ergebnisse und Auswertung

4.1 Außermittige Alleinfahrt

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In Bild 2 bis·9 sind die Wellenleistungen PD an-d en

Propellern sowie der Trimm1:, die Parallelabsenkungen Sz

und die Drehzahlen n der mittig- und außermittig in den

KanälenfahrendenFormation en über derSchiffsg

eschwin-digkeit V aufgetragen worden. Parameter ist der

Schiffs-tiefgang T. Die durchge zogenen Linien entsprech en den

Meßergebnissen der Einzelfahrten in Kanalmitte. Die

WtUenlei5tung an denPropellern' Rh--H-Konaf;hzl,Om

2-S-SchubboOt Laa_z20.5r.: hichtrr Lua.~10,0m

Wellenleistungan den PropelJern

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WelJenleistung onden Propellern Kan al mitRechteck -Trap ezprofi/;h=I.JJm

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gestrichelt dargestellten Kurven sind die Meßwerte der außermittigen Alleinfahrten. Diese Fahrten dienten u. a. der Festlegung der Begegnungs- und Uberholgeschwindtg-keiten.

,I m allgemeinen ist im Mai n- Don a u - K a n a I erst

ab einer Wellenleistung von 1000 PS ein sichtbarer Unter-schied zwischen mittig und außermittig fahrenden For-mationen feststellbar. Bei 2000 PS liegt der Geschwindig-keitsverlust je nach Schiffstiefgang zwischen 0,2+0,6 km/h,

Im R h ein - Her n e - K a n a l m i t bei d sei t i

-gern T rap e z pro f i I sind sowohl für die

einspurig-eingliedrige wie auch für die einspurtg-zweigliedrige

For-mation bei den außermittigen Versuchen ein höherer

Trimm und eine größere Parallelabsenkung gegenüber den Versuchen in Kanalmitte festzustellen. Je nach

Schiffs-tiefgang wird ab V = 7,5-9 km/h eine etwas stärkere

Leistung'für gleiche Geschwindigkeiten erforderlich.

Im R h ein - Her n e - K a n a l m i t R e c h tee k

-T rap e z - Pro f i I sind die außermittigen Fahrten zum Rechteckprofil hin unternommen worden. Obwohl Trimm und Absenkungen im Vergleich zu den Versuchen in

Kanal--rnit t e größer sind, liegen die Drehzahlen und

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Gescbwindiqkeitsvertout beim Begegnen

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zweier einspurig - zweigliedriger Schub ver bände

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Geschwindigkei/sverlauf beim Begegnen

zweier einspurig • zweigtie'driger Schubverbände

im M-D-Kanal; h=ÜSm c:J CD To2/Jm

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VG°7.06krnl7t VI>'~lU"m/tl tO r~J o Bild 10 Bild 11

HANSA - Schiffahrt - Schiffbau - Hafen _ 114.Jahrgang -1977 - Nr. 20 ₁₈₃₉

leisturigen für alle drei Tiefgänge und beide Formations-varianten niedriger. Diese Tendenz ist schon bei kleinen Schiffsgeschwindigkeiten erkennbar.

Im R e c h t eck - Pro f i I - K aTIa I sind für die

außermittigen Fahrten die Absenkungen beider Verbände ebenfalls größer als bei den in Kanalmitte gefahrenen Ver-suchen. Propellerdrehzahlen und Wellenleistungen zeigen keine meßbaren Unterschiede.

4.2 Begegnen

Den Geschwindigkeitsverlauf von einspurigzweigliedrigen Schubverbänden (Typ 11) beim Begegnen im Mai n -Don a u - K a n a I zeigt Bild 10. über der Fahrzeit t [s]

wurde die Geschwindigkeit V [km/h] aufgetragen. Der

gesamte Begegnungsvorgang beinhaltet einen Teil der

Anfahrt, die charakteristischen Begegnungsphasen Bug-Bug; Hauptspant-Hauptspant; Heck-Heck und einen Teil der Weiterfahrt.Die Vc;-Werte zeigen jeweils die konstant bleibenden Geschwindigkeiten des Gegenmodells an. Für jeden Schiffstiefgang sind die Geschwindigkeitsverläufe

einer Formation in einem Diagramm zusammengefaßt

worden. Unabhängig vom Tiefgang und 'den

unter-schiedlichen Geschwindigkeiten sind vor der Begegnungs-phase Bug-Bug keine meßbaren Geschwindigkeitsände-rungen festzustellen. Erst wenn beide Schiffe mit ihrem Bug auf gleicher Höhe liegen, beginnt eine Beschleuni-gungsphase. Danach wird der Verband wieder langsamer und erreicht nach Beendigung des Begegnungsvorganges. d. h. nach der Phase Heck-Heck wieder seine

Ausgangs-geschwindigkeit (Auswirkungen der Unterdruckgebiete).

Allgemein erhöhen sich die Geschwindigkeitsänderungen mit größer werdender Anfangsgeschwindigkeit.

Die Zeiten für einen Begegnungsvorgang von Bug-Bug bis Heck-Heck liegen je nach Geschwindigkeiten

zwi-schen t

=

48 s -7- 96 s. Der Geschwindigkeitszuwachs

be-trägt für kleine Schiffsgeschwindigkeiten 159 / 0 und für die hohen Geschwindigkeiten 209 / 0 der Antangsgeschwin-digkeit,

Geschwindigkeitsverläufe beim Begegnen der

Schubver-bände (aus Europa-I-Leichtern gebildet) im Rh

ein-Geschwindigkeilsverlauf beim Begegnen

zweier ~;nspur;g-zwe;g(;edriger Schubverbände

im Rechteck • Kanalprafi( ; h ='.Dm cJ

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Her n e - K a n a I zeigt Bild 11. Die Auftragung ist iden-tisch mit der des M a i n - D o n a u - K a n a l s . '··

Unabhängig von der Anfangsgeschwindigkeit und dem

Tiefgang wird das Schiff vom Begegnungszeitpunkt ~ug­

Bug an beschleunigt. Auch im Rhein-Herne-Kanal wird ein Geschwindigkeitsmaximum dann erreicht, wenn beide Schiffe auf gleicher Höhe liegen d. h.

Hauptspant-Haupt-Geschwindiqkeitsverlaul beim Überholen

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im Rechteck-Trapez-Kanal; h='.Dm

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im M-D-Kanal; h='}5m

zweier einspurig -zweigtiedriger Schubverbönde

HANSA - Schiffahrt - Schiffbau - Hafen - 114. Jahrgang -1977 - Nr. 20

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Geschwindigkeilsverlauf beim Begegnen

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Bild 12 1840

zweier einspurig +zweigliedriger Schubverbände

4.3 Überholen

Zur Darstellung der Meßergebnisse ist die gleiche Auf-tragungsart wie für das Begegnen verwendet worden. Die Lagen der Verbände zueinander sind durch Symbole gekennzeichnet. In Bild 14 sind für drei Tiefgänge je zwei

Geschwindigkeitsverläufe der einspurig-zweigliedrigen

Formation (Typ 11) im Mai n - Don a u - K a n a I dar-gestellt. Die Geschwindigkeiten des zu überholenden

Ver-bandes lagen zwischen V

=

6 km/h -i- 8 km/h und die des

Uberholers zwischen V

=

8 km/h -;-. 11 krn/h,

Wenn der Bug des Uberholers das Heck des zu über

-holenden Verbandes erreicht hat, wird dieser merklich

langsamer. Die Verzögerungsphase reicht bis über den

Bereich Hauptspant-Hauptspant hinaus. Je nach Tief

-gang und Geschwindigkeiten kann sogar eine Umkehrung

der Fahrgeschwindigkeit von voraus auf zurück erfolgen.

Ist Mitte Schiff des Überholcrs an Mitte Schiff des zu

überholenden vorbei, so wird letzterer wieder beschle

u-nigt. Nach Beendigung des Überholvorganges (Heck-s-Bug)

wird bei kleinem Tiefgang die Anfangsgeschwindigkeit

bald wieder erreicht. Bei größerem Tiefgang (T = 2,5 m

und 2,8 m) kommt der überholte ohne Propellerdrehzahl-änderung erst sehr viel später wieder auf seine Aus-gangsgeschwindigkeit.

spant. Bis zur Phase Heck-Heck fällt die Schiffsgeschwin-digkeit annähernd zur AusgangsgeschwinSchiffsgeschwin-digkeit wieder ab. Der Bugstau beider Schiffe macht sich auch hier kurz vor der Begegnungsphase Bug-Bug noch nicht bemerkbar, d. h. es kommt zu keiner Geschwindigkeitsabnahme.

Bild 12 gibt den Geschwindigkeitsverlauf beim Begeg-nen zweier einspurig-zweigliedriger Schubverbände (Typ I) in einem K a n a l m i t R e c h tee k T r a p e z pro -f i I wieder, Bild 13 den im K an alm i t Re c h tee

k-pro f i I (Leichter-Typ 11). Wie schon in den anderen

Kanälen, so ergibt sich auch hier innerhalb der Begeg-nungsphase eine Erhöhung der Geschwindigkeit bis zur Lage Hauptspant-Hauptspant. Je höher die Anfangs-geschwindigkeiten sind, um so ausgeprägter ist der Ge-schwindigkeitszuwachs. c:J r ,~Sm ,oe 7.~Am ,oe "'" H~ " · 811' .-.- - +-j-- - . , --... . ~~:_1.,"'_-_-:: __ __ ..__.. ..._~...-... ~ __

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Geschwindigkeilsverlouf beim Überholen

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Bild 15

Geschwindigkeilsverloufbeim Überholen Geschwindigkeilsverlouf beim Überholen

zweier einspurig -zweigliedriger Schubverbönde

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zweier einspurig - zweigfiedriger Schubverbönde

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Bild 16 Bild 17 Fahrtrichtung _

5. Symbolverzeichnis

In den Kanälen mit Trapez- und Rechteck-profil konnten höhere Geschwindigkeiten gefahren werden als im Kanal mit Trapezprofil (Rheiri-Herne-Kanal).

Für den Rh ein - Her n e - K a n a I (Leichter-Typ I),

den K a n a l m i t R e c h tee k - T rap e z pro f i I

(Leichter-Typ I) und den 'K a n alm i t Re c h tee k

-pro f i I (Leichter-Typ II) sind die Geschwindigkeitsver-läufe beim überholen der Schubverbände in Bild 15 und 17 aufgetragen worden.

Verbandslänge Ober alles Propellerdrehzahl Propellersteigung Maschinenleistung Wellenleistung

Parallelabsenkung des Schiffes Schlffstlefgang

Schiffsgeschwindigkeit

Schiffsgeschwindigkeit des Gegenkommers, überholers

VerdrängungdesSchiffes

Flügelzahl desPropellers Dichte Süßwasser

Modellmaßstab Schiffstrimm

[5] Mül!er, E.:Untersuchung der gegenseitigen GeschwindigkeIts-beeinflussung von Motorgüterschiff und Schubverband beim Passieren in einem tlefen- und breitenmäßig wesentlich be-grenzten Fahrwasser.130 Mltt.der VBD.

[11 Binek, H.; Müller,'E.: Einzelfahrten von Schubverbänden In Schiffahrtskanälen."Hansa" Heft 8/1976.

[21 Mül!er, E.; Blnek, H.:trntersuchung der Wasseroberflächenver-formung beim Begegnen zweier Schiffe Im Kanal. VBD-Mltt. Nr.l01.

[3] Graff. W.;Blnek, H.: Untersuchung über den Energieaustausch

beim überholen zweier Selbstfahrer. Zeitschrift für Binnen-schiffahrt und Wasserstraßen Heft4/1972.

6.

Schrifttum

v

z 11 ;. Propellerflächenverhältnis Schiffsbreite auf Spanten Propellerdurchmesser __V__Froude'sche Tiefenzahl Jlg.h Wassertiefe AE/A_o BaSpt. D F nh= h

Mit Ausnahme des kleinen Tiefgangs kam es bei allen Versuchsfahrten während der Überholphase zum

Still-stand oder zur Rückwärtsfahrt des zu überholenden

Ver-bandes. Im Kanal mit Rechteckprofil sind dabei am ein-gliedrigen Verband Rückwärtsgeschwindigkeiten von 2,0 km/h (Großausführung) gemessen worden. Abschließend

muß noch gesagt werden, daß der Uberholer zwangsweise

am zu überholenden mit konstanter Geschwindigkeit vor-beigeführt wurde. Er konnte keine Eigenbewegungen in Längs- und Querrichtung durchführen.