:\uiatnli der Ikrcthnug eines Sdiaufelradts noch den (rehers-t:hen trudwn empfand es der
erfaser
als einen Mangel. daß diese Ver.suchsergehnisse nicht in Form voti Berethmrngsdiagramnìen, ähnlich denen vonSrhraubenpropellero, vorlagen. Im Rahmen seiner TiitigLeit urn Lehrstuhl für Entwerfen von Schiffen und.Sthiffs-theorie IProf. .Dr.-Ing. l'. Wendel) der Technis'4ien hochschule llarnover hatte er Gelegenheit, soldic an
'ntwikeln. Er hofft. damit di.e Verwendung der voriüglidmcn (eh-sthen Versuchsergebnis.e in der Praxis ricichtert zuhabemi.
:iiau(e1radantrieh ist àueh heute noch für manche An-tnsgebiete dem Schrauhenuntritb überlegen. So
wer-B. auf der Donau in jüngster Zeit wieder in verstärk-u Maße Radsdmlepper gebaverstärk-ut. Die Ursache dafür liegt averstärk-uf
Hand: die Vsserverhiiltnisse bechränken einerseits den ng, andererseits Lt wegen des orkomunenden starken in großerSchuberforderlich. Der Wirkungsgrad der
i ist bekanntlich um besser, je grülier die vom
usmnittel erfaßte Wassermasse und e kieiner die ihr e gsch1eunigung ist. Rei aerinem Tiefgang kann aber,
ein Blick auf Bild i sofort zeigt. mit cinemil Schaufelrad chr Wasser als mit einem oder zwei Sdmraubenprupellern
er-t werden.
j
i.tid I Stratitquersctinitte für Sthie mit Schrauben-,
Seienrad-und Voith-Schneider-Propelter-Antr$ub
Daß man den Si-liaufelraclsntçjeb audi auf Gewässern mit - teem lìelgang trotz seiner Überlegenheit eine Zeitlang herholi" betrachtete, lag an einem Feb schah: iticht das
;,uimf-)rad. sondern der in Verhindun mit ihm übliche mplantrieh war überholt. Er wurde durch die Einführung
I)i1,l.-ln. O. }. r l!4m i n ge r, Teehuisdie Hoduchule Hannover
3k)
-Schau felradbereehn
11echnc Ic!1
des leichteren unrl in Ansdiatlung, Betrieb und Bedienung bu-higer:-n Dieselanrielis-erserzt. Zu den Dieelmowren mit ihren
verhältnismäßig hohen Drehzahlen schien das Schaufelrad mit eneI1 ca. 40 limnin nicht nwhr zu hÌassen Mit der
wicklung der ,G.ctriebctedinik uod der diesclelektrisckn
An-triche it jedoch die -!öglichkeit gegeben, di Vorteile von
Die-slmiìOtor und Schaufelrad zu vereinen [1]. [2J, 31 . [4]. l'imi annieres Gebiet. auf dem sich das Schaufelrad Inicism
a1 Heckrad ausgeführt) und auch sein A ntricb durch
Dampf-niasdmincn nach wie vor behauptt, sind die tropischen Striime. Da ihr Wa-erstari:i sarken jahreszeitlichen Sehwankiuigcn
uimterliegt, ist der a1 ihnen zilässige Tielgang sehr gering. l)ies ist der eine Grund, der für:die Anwendung ron Schaufel' rädern spricht. Ein sseiterer it der, daß Reparaturen anm
Schau-feirath. welches hier meist luit }lolzs-haufeln crsehcn ist. audi
ohne - Sdiifisaufzug oder Deck nit verhäh-nismnäßig eimìfacheu
Mitteln durchgefiihrt werden kiinncn. Diesen Vorteil schätzt ma-ri erst richtig ein, wenn man bedenikt. daß das Schiff weite Strecken durch unbewohntes Latid auf einem Fahrisasser mit starkem Pflanzenwudis. mit milgefiihrtemn Treibholz und mit vielen Sandbänken zurüd-legen tnuß.
Dt-r Darnpfamitrieh mil holzbefeuertemn Kessel wird
vor-gezogen, weil Brennholz billig und unbesdirmmkt erhähtlidi ist und weil zur Bedienung tier einfach gehaltenen Damnpf macchine am-h ungelerntes Personal
'eri rdet
werden kann [1].t t t. I
i)le griiïiithtcn
ouche mil Schaufeirjidern wurden hohl 'n G,ers du rchgefiihrt S. Leider erstrecken sic .irh nur auf wci SdlauielradR.pen Bild 2 und 3). Div\trLrchÑrgí'b-ni-se kiinnn eineri1s als GrundIaze hit di' Bert1inuni
on den .\1t,ddllridcrn ähnlichen SthaufeIrdern verwendet werden. Andererseits zeiueu iie. dall älterc 'ersu'1e I I 7]
- benn lihihaupt nur nul \'tfl.iilit /tL gebtaunlien sind. da
sie da- Frtideche .Iì!ichkeitszeet
nicht 1uruckirhti)len
-L.
Bild S Modeil eines Seldepperrades
\Varuin fdr 4eliaufeliäiler - u1iuohl ,ic schon so C mid auth heute: noch angewandt werden ini
jtz zu 4aubcnpropefleru so wenig \erL1clisergebni' vor? Wöhl %eil ihre Anwenduni begrenzter ist al di von
Schrau-ben... I renzL' heiieht sich nicht nur auf ¡:lAnwendunig,-moglidikeit. snndrrii auch nui das Anw nduiigsaehiet :-iv
cnt-%(3eit4tn ich auf jeiii-&n trotngehìtu ihr skli. während bei .thrtul.'n propellerts die Bedo rfni'ae tind Erich rUn.n-fl nahe-allcr 'esrIiiffahrttreibi'niIen die Eniwieklun Iwstimrnteii.
Bild 2 Moden ciñes Schaufetrades für ein Passaicrscbiff
b
Tabelle i
3 Die Schauf-elki Litri cnZ vii d Von Gebers in 151 flieht
ange-geben. Der Verfasser kannte Ste auch anderweitig nicht ermitteln. PersofleflsthtffraU- Bild 2
Modell--Ahiniesaniigen Ahmessunen tri twin bezouen auf It,
Scxiteppertad Bild :t
Modell-Abthe8sun.en A binessungen n rum bezogen a-uI ¡1.,
R, 125 2cl .1.000 .L218 320 3.600 1,2.54 154. 0.091 190 0.594 T 87 O,52'T 20.5 0.t4i) I, 75 :ui 8.4.54 0,218 lOti 5 0.890 0.234 11 95 0.228 85 33.266 b 312 1.909 4ao 1.290 r 132 0.69 ? 34 0.260 60 t 4.3 4.862 17.5 0,983 48 3,221 05 0260
7
Eu1C 4 As den Versuchen mit dem Modell des Personenikaíffs-rades Schubleennziffer und Momentenkeiinziff er K über dem Fortsthrittsgraci für Verschiedene Drebzalilen. Bei Sthraubeflpro-peflera Würden sowohl die K-Kurven aI auch die K-Kurven in
je eine Kurve zusammenfallen
und auch andere Mängel, wie die Verwendung von zu kleinen und daher vereinfachten Modellen ajfweisen. Gebere weist nämlich durch seine Versuche nach, daßdie ErfiïUun dea
all-gemeinen Newonadien Ähnlichkeit eeizes für Schaufelräder anders wie für Sebraubenpropeller nicht ausreicht (siehe Bild 4). Zu diesem Schluß führt auch sthori die Betradtmig eines arbeitenden Schaufelrades: es erzeugt Wellen. Da das Wellenhild von der Sdiwerkraftheeinußt wird, handelt es sich dabei um einen Vorgang, bel dem das Froudesde .hnlith
kitsgesetz berücksidnigt werden muß. Auch d'urdi Verstxthe wurde von Gebers seine Auwendbarkeit nachgewiesen. Bild 5
zeigt den Vergleich der Versuthsergebnisse vön zwei verschieden
großen, jedoch geometrisch ähnlichen Modellen. Die des klei-neren wurden iiath Froude umgeredmet. Die Differenzen sind, besonders für Bereiche, die für praktische Ausführuneu in Frau kommen, ziemlich gering. Außerdem kann, man aus Bìld S ersehen, daß dic \irkungsrade für das größere Modell
Thifahrendes Schaufelrad
bei verschiedenen Drehzahlen
f.y,ll.W.lI. ,.5. rJp.
/
32
-et
Bild 5 Verg1ei. it-i sgebnb.t des MoiL
denen eines halb so großen ModeIIs
durchweg hüher liegen. Bei dieser Umrechnung H roße 1i
man aIo auf de sicheren Seite.
Au orstehendun fol Berethnungdiagram mr Sth felrädernìüasen anders àis oldme für S'thraubenpropeller uni, Beriicksithtìung de Froudesdsén Áhrdithkeitsgesetzes u gebaut werdei. An einem Rethmrngsbeispiel zeigt Gebers zwar, wie durch Umrechnung der Versuchsergebnisse nachl Fronde ein Schaufelrad berechnet werden kann. Er verlJ3t aber dann diese Rechnungsinethocle zugunsten. eines Nähe' runsver1ahrean, bei dem er jedoch, den Einfluß der Drehzahl nicht beriidcsidiiigt und auch auf die Anwendung von dimen-sionslosen Grüßen verzichtet. I-torn erweiterte diese' \'ifahreu durch Einführung einer rrekturgröße, die Jen Drehrah! einfluß berwksithtigt und durch die '\ferwendung on dun sionsloCen .Vrten. Aber auch diese rweiterung'hat den Na L
teil die egenthchen \t-rsuthsergebnzst. in dtn Hintei_r _imnd Näherungs. bzw. F'austformeln in den Vsir'lergrund
zu lassen.
,íh:
:d.s '
Bld 6 Versuchsergebnisse nach Gebers lür das in Bild
Di ,/ -, 5.', H',e.,-, ,,.,s, D. d.,th d'* R.ls/g 5. $thÑe' V9,58s,',g 5l , ,h.,e', .',thl/e, 2.5- ao '"/3e1 I gezeig%e Modell
o
o 7.0
Bud 7a r1-Werte über LUI 20L n ìtd dU den Gçhers'.chen Versuchen ein Be hnung iahien hergeieitt, das die Eigenart des Schaufel-dès herüthithtigt und in dem auth die Versudisergebnisse den ilinçn ge.biihrenden Platz einnehmen..
Dazu erden die in Bild 6 dargsteflten GröPen in
dimen-eilsiose Form gebracht: Man setzt an Stelkder Einlrittsesthwin4igkeit 'des Wassers
in da Schaufelrad w JL
desSthubes S r.
SyR3
íle Momente M M!y R,4
3er Drehzahl n rfl = n
i Bezugslänge wurde der Zapienkreisradius dethalb gewählt. eu er das Sdtaufelrad am besten charakterisiert. (Er ändert
. B. im (;egeatz zum Außendurduneser nichl. wenn ein vorhandenr Schaufelrad größere Schaufeln oder
-chaufein mit einer anderen Lage des lrebptunktes eingesetzt
verden.)
33 -1
M
Z4.Z 15f
Bild 7' r.-Werte über für ModCfl 1311d 2
15 .4e 6 ' -2,5 für Modell Büd 2
E5 ist weiter -¿weckniäßig. ni&ht die W.rkungsgradkur'en seibst, sondern r-KlLrven bzw. r1-Kuien gleichen Wrkungs-radc einzuzeidinen. Die auf diese Art aus 'Bild 6 hergeleite-ten Diagrariune sind in Bild 7 und 7a darestelit. Auf dieselbe Art und Weise wurden auch für die Schaufeiradtype Bile 3 die Diagramme Bild 8 und 8a aus den Gebers'sthen. Versuchs-ergebnissen entwickell. Die Anwendung dieser dimensions-losen Schaufelrad-Diagramme soll nun an Hànd von Beispielen gezeigt werden. Zuvor ist nod, zu erwähnen. daß rier Milstrom, un3 die Siderstandsvertnehrung durch clic Propulsionswirkung. in gleicher Weise zu berücksichtigen sind wie bei
Schrauben-propellern. (Nahe Angaben dariiber beítnden sich ini nIiang.)
Beispiel 1: Ein Persnenschiff fir einen Binnensee hat
bei einer Geschwindigkeit von 21 kmh ( 3.83 m/sec) einen Widerstand von 4900 kg. E kann ein Sthaulelrad von max. --1700 min Außendurdimesser untergebracht werden. Leistung, Drehzahl und Drehmoment soijen berechnet iverden.Bein Personenchiffsrad (Bild 2) entspricht diesem Außen-durchmesser ein Zapfenkreisradiu, R 1930 mm. Die
Mit-ir
zenommen. il v1-.
900 3630 k 0.l3imnier ¿eiSeitenräder 'orhanclen sind, braucht von einem r die HäUte des Suhuhe aufebraeht zu werden.
s
.)MO,
--2815kg.
-.Lmit wird
6.18. V9.81 193 142; S1!yR 28151000; 7,19 = 0.392
is Bild 7 kann mali -nun ablesen: 0,281, i = 67 Ìu. un-it wird die Drehzahl
- 0281
T=O633U
38Umin
R7.nd die Leistung en dec. flenkupplung
Sv.
.56306.18
- 692 PS
0,6ii.
Bild Sa r-Wert über
für Modell Bild 31.06. lc SogìiÍIi'r nit - 0.13 this Drehnioment kiim nun entweder au Leistung w1
h-zahl oder auch mincis Bild 7a berechnet 'terden.
--O,Ob)] 5,3: 6.I8 nit-
692M, t16,2 716,2 13 040 mL
oder:
Mit
= 1.42 und
r 0.281findet man aus Bild 7a
r 0.47 auch i kann hier abe1esen werden. Man cirhält
natörlidi denselben V.'rt wie Iröher. Mit r1 erhalt man
M1
r«R47
-- 0,-4713,88-1000 6.S2ønìkgM 2 = 13050 mkg
-34-s
ivz
Dic Ahmessnaaen Bades können mit Hilfe von Tabelle- I bèstiniint werden. So wird- z, B.
dic Sdiaufelhre-ité h 1.909 0 3 68Ò mm
dic Eintàuehtieíe T 0,527 1930 1 017 Inni di,e Hiihe der Weile
ii Lier sserspiege1
Ft' 0.691 1930
1334mmdie Sdiaufelhöhe h 0,434' 1930 876 min
Bei dieser Auföhrung ¡St die Drehzahl ziemlich niedrig und das Moment groß. Dad urth wird die ganze Anlage schwer lind teuer. Man hat nun mehrere Möglichkeiten, die Drehzahl zu erhöhen und das Moment kleiner zu machen:
¿0 2.0
a)VerkIeirie.rungder Breite des
Schaure1rade-Gtbers ht ins*irten Veruthen fetgeste1It, daß sieh Schub und Drehmoment proportional der Sthaufelbreite ändern. Nehmen wir ai neue Breite 2900mm. so werden Stthub und Moment be konstanter Dreh?ahl und GedLwindigkeit
29U3(8O
.=, 0,788mal kiether. Um deìrerfoiderlithen Sdub erzeugen .zu könnei. muß die Drehzahl erhöht werden.
Mit r =- r 368012900 0,197 findet man aus Rild 7:
t5t = 0,295 : n1 = r1 : j1gíR O665 U!s 40 U/mm. Der rkunsgrad hat sdi dabei kaum geändert.
.h) Verkleinerungder Taúchang
durch hihe
re-n Einbau der Welle. Nab Geberskann diese
berück-sithtigt werden. ¡ndem man Sthn+ und Motnnt lin Verhä1tns der eingetaudnen Kreisa1chnitte des äiißcrstenSthaufe1rtd-kreies
verkIcinet. Wdhlt man als nèúe EintauditiefeT1 = 900 mm, so verhalten sid
die .' Krei5absdinitte wie 0.50/0.42.Mit
r
- 0,50/0,42 OE4i7 erhält ma -- OE291;n., -- 0,6.56 U's 39.4 IJ/xnin.
Man kann auch Sdaufe!breite und
eiimaudiung gleich-zeitig andern r r 3680'2900 O O O 42 (1 392Aus Bild 7: r1,1 0,312; n1. T 0,703 Us 42 U/ixuin
Der Wirkungsgrad wird i (5 O/e.
t-) Schließlich läLft sich die Drehzzhl auch
durch Ve rk lei
-neruag des ganzen Rades erhöhen. Mit einem
Zaplen-kreisradius von R71 1700mm wird = 1.51; S, "'R,31 0,574 und iiath Bild 7 r,a 0.322; ri: j/g/R,1 0,773 U/s 46,4U!min; 6°!u. Sehr einfadi laßt vich auch folgende Aufgabe lösen: Urn wieviel darf man den Zapfenkreisradiu verkleinern, dapiit der Wirkungsgrad gerade nodi 60 /o beträgt?
Zu chesernZwd eliniiniërt man R, aus.den Gleichungen v4/g - R, und r:,
S1IyR.
Man erhält: r,
S'' g/v--t.
Da S1 and , vorgegeben sind, kann man für jeden Wrt audi r betiinmen. Diese Wertepaare ergeben eine Kurve in Bild 7. Der Schnittpunkt dieser Kurte mit der Linie i 00°/o
hai die Abszisse 1,57 und. die Ordinate
r-
0723. Aus oder auth aus r kannman nun den gesuchtenZapfenkreis-radius berechnen.
R7
= 1,58 in odr R, -
1.58 m.Bei i el 2 : Ein Schlepper soll mit einem-Dieselinotor von 1200 PSe bei 3OOUmiii ausgerüstet
werden. Der gÑßte'
ans Kon'truktionsgründen niliglithe Zapfcnkrehradiii.betrgt
1675 mm. Welchen Trossenzug kannder Schlepper bei ¿mer Gesdiindigkeit von'12 km/h (' 3,33 mis) auf u!hesthränkter Wassertiefe aiüben; welche Übersetzung mull das Getriebe erhalten? Der Widerstand ds Sdileppersbi 12 kmh beträgt
670kg.- Es wird ein Getriebewirkvngsgracl r
0,90, eine
Mit--stromziffer -- 0,06 und eine Sogzifler -- 0:04 gewählt.Damit erhält man
- 3.33 1,06 r 3.53 uns
NN,n,-1200Q,9I080PS
Für ein Rad ist mit der halben Leistung
N1 N!2 -= 540 Ps
711 rerhrien.
-Aus den Gleichungen r MR74y
11.94 N:n 1iR4'
(da M = 75 N!2tn 1l.94N/n; n in U!s) und r,- n
kann man n elirnijiieren. M&n erhält:
(11,94 N1- R,-R7 g)
1!r.
35
-Die Ausrechnung dieses Klammerausdrucks ergibt
-
r
-0.339 Ï/r.
-Diese Gleithmig stellt eine Kurve in Bild 8a dar. Jedem Punkt dieser Kurve entspricht bei konstantem Zapfenkreis. radius und konstanter Leistung eine hestintmte Drehzahl und eir bestimmtes Drehmoment, aber audieine gewisse Gesdiwin-digkeit. Der vorgegebenen Geschwindigkeit ist
der über
i j/g R7 0,-87 liegende Kurvenp-unkt zúgeordnet. Nadideni man durch Probierenfestgestellt hat, daß dier
-Punkt zwischen r, .O.24 uM r = 0.28 liegt. zeidiriet man sudi die Kurvenpunkte füf r = 0,26 u-nd 0,27 (interpolieren!) ii Bild 8a ein.--i Für den Sdun-ittpuhk-t d-ieser Kurve m-it 0.87 eonst.
kann man a11esen: -
--
-0.262, - r1 L29. Ø'4ß,
--Damit kanii man Schuh. Trosseruzug. D,ehzagl der Schaufel-räder und Übersetzung des Gtriebes berechnen.
S N' 75 -ri/v,, 1-08b 75 0.48/3.5-3 11060kg.
Denselben Wert muß unan a'4i erhalten, wenn man mit 087 und ra 0.-262 aus Bild
r,
estiuiìmt und darausden Schub errechnet: r., ergibt sichzu 1,18 und damit der Schub
5550kg
-Das sind für 2 Räder 11100 kg. Die kleineADifferenz gegen-über dem oben erreduuieten Weit ist durch die begrenzte
Ab-lesegenauigkeit bedingt. -
-Nach Ab-tug (1er iderstandsvermehrung durch die
Propul-sions*irkung
-w +
S (l--h)
11100(1--0.04)
1065O kgerhält man für den Trosseuug
- Z = 10630 ---- W, 9980 kg -*
Die Drehzahl wird
n - r - - ¡/9,81/1,675
0.634 U/s 38 U/mm.
-Als t1bersetzungsrhältnis für da Getriebeerhält man
-- i 360/38 9.5.
-Muu könnte aun den \irkungsgrad noch verbessern, indem man die Breite -des Rades 'ergr5le-rt. Für ein Rad, dessen Breite b1-b nial größer als die dea demMude-litad genau liehen Rades ist, wìrd r -r31 'b/b1. Die-- Ausgangsgleiebung würde damit buten:
r311 ". híb (11.94 N1 VR/R4' 1/y ¡/g) -Der weitere Gang der Rechnung dergleiche wie früher
Ähnlich wie die vorstehenden Beispiele kann noch eine An-zhl weiterer gelöst werden.. Für das eine oder andere ließen sich nodi ret+ientedunisch bequemere Arten von Diagrammen
aufstellei',., Da aher a,txth die vorliegenden
zwei (riiber
' und
r-M aber a-uf alle Fälle zu einer- Lösung führen,' wurde
darauf verzichtet -
-Fíir die sorïältige Anfertigung derZeichmungen dankt der Verfasser cand, arch. uav Klaus Kn ii p f e r.
Anhang: Bestimmung voti Sog u-nd
Mittroni
Bei Sdiraubenpropellerii wird der Mitatrom iiteis dec
Mit-stroniziffer i (y --sJ Jr und der Sog mittels der Sngziffer
-
S(+Z-)
-- r
--'ii = - - berii&siclitlgt. In der Literatur linden sich
S
-viele mehr oder niinder braqthbare.Zahlenweiie für t und
für Sdtraubensduiffe. -
-Audi bei Radsduìffen kann Sog und Níitstrom formal ganz leith beriicksithtigt werden. A11edings sind in der Literatur kaum Angaben darüber zu finden; nur Gebers untersucht am Rande seiner Arbeit audi die gegenseitige Beeinflussung von Schiff und Rad, Bild 9 zeigt die von Gebers für Ràdschlepper
egehe'
ziff:
hha -.W ntauchtiele des Schaufelrades. Obwohl [51
trerwähnten Diagramm ersichtlich ist, solI im1 if hingewiesen werden, daß die Mitstroinziffern
hifin itn Gegensatz zu denen von Schrauben- [6J
Li Lie
v sind. Für Personensthsrüdr kannen die
'
kliner al
cBild 9 zeigt anenom
il 2]
[31 [41
[7]
bei Seiwnradsdiiffen 'nid't sprechen) karm für Schlepper mit 4nhang zwischen 2 und f°ut, angenwnmen werden. Für kleine
t;thwidigkin sind dabei die
tiedrígeren Wtrte. fürgrö-ßere die höheren zu wählen. Beifreifahrenden Schiffen ist audi
lie Wasertiefe von Einfluß. Bei unbeschränkter liefe liegt ' -wisdien 10 und 30 °/o bei beschränkterzwischen 10 und 20 O/
FI ier gtìert jedoch die kleineren Werte für dic größeren Ge. sthwindigkeiten und umgekehrt.
Schrifttum
S U :b e r k b: ,,Der Radschiffsantrieb". Schiffbau
1939,
S. 315.
Gras .., Dieselelektrìther Sthaufelradsthlepper Széchenyi".
Werft, Rederei, Hnfen 1939, 5. 247.
B i o ni e r i u s: Das fliese1radsthiff. Schiffbau 1939 S326.
Proehúzka :
,,Motorsdilepper auf derDonnu".Schiff-bau 1941, S. 121.
G e b e r s : Das SchaTtfelrad 1m Modellversuch". Zwei
Be-richte der Sthiffbau.tediriisthen Versuthaanstalt in Wien. Mit einem Beitrag von Prof. Dr.-Ing. E. h. Dr-Ing. Fritz Horn. Springer-Verlag Wien 1952.
S e h a f f r a n -. .,Modeljversuthe mit
thaufelradprope1-leni". Jahrbuch STG 1918, S. 475.
Z i I eh e r: ,,LeisturLg und Wirtschaftlichkeit ven Fluß-schieppern verschiedener. Antriebart". Werft,. Reederei,