2 8 ME 1979
ARCHIEF
Lab.
v.
Scheepsbouwkundc
Technische Hogeschool
Delft
Einfllu& eines vor dem Normalpropeller
angeordneten kleinen Steuerpropellers
auf Leistungsbedarf und Manovrierfahigkeit
Dipl.-Ing. G. Luthra
174. Mitteilung der Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau e.V., Duisburg Institut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen.Hochschule, Aachen
Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Industriellet ForschUngsvereihigungen e.V.; Köln
EinfluB eines vor dem
Normal-propeller angeordneten kleinen
Steuerpropellers auf
Leistungs-bedarf und Manovrierfahigkeit
Einleitung
In dieser Arbeit ist die zusatzliche Anwendung eines Steuerpropellers, der vor einem Hauptpropeller oberhalb
des. Stevenrohres angeordnet 1st, untemucht worden [1]. Ausgangsform ist em n Einschraubenschiff. Der zusatzlich angeordnete Ruderpropeller 1st nach beiden Seiten urn je
1100 drehbar gestaltet. Die Untersuchung stellt eine
weiterung der im Aufsatz Vorpropeller" [1] beschriebenen Vorversuche dar. Diese hatten einen positiven EinfluB des Vorpropellers auf den Gesamtleistungsbedarf und auf die Manovriereigenschaf ten des untersuchten SchiffsthodelN erkennen lassen.
Das erweiterte Versuchsprogramm umfaBt vergleichende
Leistungs- und Querkraftmessungen bei verschiedenen Fahrstufen, urn die quantitativen Zusammenhange auf
einer breiteren Ebene zu ermitteln. Trossenzugmessungen mit verschiedenen Drehzahl- bzw. Leistungsverhaltnissen
der beiden Propeller dienten der Erhaltung ihrer
Zuord-nung'zueinander als Funktion der Geschwindigkeit.
Dariiber hinaus wurden mit dem freifahrenden Modell
An- und Ablegemanover ausgefahrt, wobei die wichtigsten Phasen dieser Manover zwecks Auswertung und Dokumeri-tation auf Videoband festgehalten wurden.
Modell- und Propellerdaten
Hauptabmessungen
M 882 Modell eines Einschrauben-Schiffes im MaBstab 1 : 25
Propellerdaten
Iristitut an der Rheinisch-Westfalischen Technischen
Hoch-schtile, Aachen. Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Industriel-ler Forschungsvereinigungen e.V., Köln.
Die Arbeitsgemeinsehaft Industrieller Forschungsvereinigun-gen e. V., Köln, hat der Versuchsanstalt fiir Biniienschiffbau e. V., Duisburg, auf cleren Antrag in dankenswerter Weise die Durchfiihriank deg VersUchsProgramrns zum obengenannten Thema ermoglicht und das Vorhaben au.s Mitteln des Bundes-ministeriums filr Wirtschnft gefordert.
174. Mittellung der Versuchsanstalt far
Binnenschiffbau e.V., Duisburg
*)Dipl.-Ing. G. Luthra
Ruderdaten
Atisgangs-modell sowie Vor-Propeller- propeller-anordnungen anordnung
Modellversuche
Die Modellversuche wurden im groBen Tank der VBD mit einer Wassertiefe von 1000 mm, entsprechend
h = 25,0 m in Natur, durchgefahrt. Als
Turbulenzerzeu-ger dienten zwei 15 mm breite Sandstreifen, die auf Spt. 17 und 19 angebracht waren.
Zunachst wurden mit der konventionellen Ein-Propel-leranordnung Widerstands- und Propulsionsversuche
so-wie Trossenzug- und Ruderquerkraftmessungen
durchge-fahrt, um Vergleichswerte gegentiber der Vorpropeller-anordnung zu erhalten. Die Hinterschiffslinien des
Aus-gangsmodells werden in Bild 1 gezeigt. Die Propeller- und Ruderdaten sind unter, 2. angegeben.
Spontenrill, Vorschiff und Hinterschiffskontur
VDD Modell 882 'Lso a+, _130,00171 19,00n T B, 20in Spf.-Abst. 6.59 rn 1311d 1
Der Vorpropeller P 106 sowie der zugeh6rige Z-Antrieb stammen ails dem Vorrat der VBD. Seth Durchmesser
be-tragt 440/s von dem des Hauptpropellers. Da er fast ganz im Fliigelbereich des Hauptpropellers angeordnet ist,
wurde er zur Nutzung einer Drallenergierackgewinnung
als gegenlaufiger Propeller angeordnet.
Bild 2 zeigt die Varianten I und II der Vorpropeller-anordnung. Sie unterscheiden sich nur dadurch, daB das Getriebegehause des Z-Antriebs in Variante II welter
nach vom verlagert und darnit noch starker in den Schigs-korper eingestrakt 1st. Die als Verkleidung dienende Flosse
wird in alien Fallen mitgeschwenkt und sorgt far gute Wasserzufiihrung zum Vorpropeller, auch in der
Quer -1=311r=1.11=1.81=071.1 0 / 18 IP10* Haupt-propeller P 204 r Vor-propeller P 106 1 Durchmesser 13 mm 192,0 84,4 Steigungsverhaltnis P/D 0,799 0,820 Flachenverhaltnis AE/AO 0,55 0,70 Profillange C0.7 R mm 56,62 31,6 Typ Wageningen B 4,55 B 4,70 Propellerlage vor Spt. 0 in mm Ausgangsmodell 92,0 Vorpropelleranordnung I und II 92,0 142,5 Vorpropelleranordnung III 25,0 142,5
Lange zwischen den Loten LPP 5,200
Lange in der WL LWL 5,3835
Breite auf den Spanten Ba.SPt. in 0,784
Tief gang 0,328 Verdrangung V dm' 924,958 Benetzte Oberflache 588,852 Volligkeit CBpp 0,692 CBLWL 0,668 I und II R 518.1 R 518.2 Flache AR dine 2,945 0,720 Seitenverhaltnis c./h 0,711 0,711 Streckung /WAR 1,406 1,125
Bild 3
Vor0roOeller mit Flosse
.VBD Modell 882
0
Bild 2
lage. In beiden Fallen ist die Lage und Anordnung des Hauptpropellers und des Ruders gegeniiber dem Aus-gangsrnodell unverandert gelassen worden. Die verglei-chenden Versurhe wurden vorwiegend mit diesen beiden
Varianten durchgefiihrt. Vorpropelleitnoi-dnung mit.Zwischenruder VS0 Modell 882 tea 5 ft2.5
-Mit Variante III in Bild 3 ist eine weitere Anordnungs-moglichkeit untersucht worden, bei der der Hauptpropel
ler nach hinten versetzt rind das Ruder mit entsprechend
verkleinerten Abmessungen zwischen den beiden
Propel-lern angeordnet wird. Fur die Versuche wurde diese
An-ordnung mit einfachen Anderungen des ModeIls
verwirk-licht, urn die Kosten so gering wie rnoglich zu halten. aperlegungen hinsichtlich der Schwingungen und Statik wurden nicht berticksichtigt, spielen aber auch filr die
Aussage iiber die Propulsions- und Manovriereigenschaften
keine Rolle. In der Praxis kann die lange freie WeIle als
Grith'sche WeIle ausgefiihrt oder der untere Schiffskorpet
verlangert werden. Die hier etwas kleine Ruderflache
laBt sich durch verschiedene MaBnahmen rergroBern.
4. Versuchsergebnisse
4.1 Leistungsmessungen
Die Beeinflussurig des G6samtleistungsbedarfs und der
effektiven Nachstromziffer durch den Vorpropeller wird
in Bild 4 gezeigt, und zwar bei einer
Schiffsgeschwinclig-keit von 16,33 kn (bzW. Fn = 0,235), Was der
Konstnik-tionsgeschwindigkeit entspritht. Der Vergleich zeigt, daB
die Vorpropelleranordnung I im optimalen Bereich der
Leistungsaufteilung zu einer Leistungsersparnis von etwa
2,5 °A fiihrt.
Die Vorpropelleranorcinung II bringt zwar keinen Ge-winn, sie bestatigt aber, daB die notwendige
Antriebs-leistung, die auf Vor- und Hauptpropeller aufgeteilt wird, nicht erhoht werden muB, urn die Dienstgeschwindigkeit
zu etreichen. In beiden Fallen ist der EinfluB der
Lei-stungsverteilung deutlich zu erkennen.
Durch das Versetzen des Hauptpropellers nach hinten in Anordnung III xvird bereits im Zustand ohne
Vor-propellee eine Leistungsersparnis von ca. 5 '1/4 gegeniiber dem Ausgangsmodell erreicht (Bild 5 oben). Der Gewinn
in Antriebsleistung ist zum Teil auf die durch den Weg-fall des relativ groBen Ruders und des Ruderhorns be-dingte Verringerung des Schleppwiderstandes und zum Teil auf die Verbesserung der Sogziffer zuruckzufiihren.
Die Sogziffer in der rieuen Hinterschiffsanordnung ist urn
0,045 geringer.
Die Beeinflussung der Gesamtleistung durch den Vor-propeller ist aus Bild 5 unten zu ersehen. Bei dem
vor-liegenden Schiff zeigt es sich, daB der
Antriebsleistungs-bedarf bei Vs = 16,33 kn durch den Vorpropeller um ca.
Leistungsvergleich
Einflen der Loge des Hauptpropellers
Ausgonomoetlei ohne Voree
6,6777i-trnto,kknkkkke
.cnierschillsonordnung /Q.V. olve ber,,eipeller
15 17 YsIkni
Beetnfluwung der Gesomtletstung aura, den Vorpropeller
Vs =16.33 Ion konstont 'One vorpropeff Illeversrodesanoreinue, tonne Vorpropell VorpropeMer 3 Beeinflussung der Gesomtleistuno und der
Nachstromziffer durch den Vorpropeller.
Geschwindigkeit 5k I6.33 Ion konstant
76111PePeoeF .F0 k 0.235 t; 03kkkk voworn,e,
5 FO /%/
Lers, ossre7enelung PO 1O71, gown,'
Pa IPS/ 7000 6000 e000 3000 7000 Inse 5500 6000 Bild 5 Poggg. 'PSI 7500 7000 6500 BiId 4
160 PS gegentiber der gleichen Hinterschiffsanordnung ohne Vorpropeller und urn ca. 490 PS gegenilber dem Ausgangsschiff verringert werden kann. Das giinstigste Ergebnis vrird dann erzielt, wenn der Vorpropeller etwa
auf 10 bis 11O/0 der Gesamtleistung ausgelegt ist.
Das Fahren kleiner Fahrstufen mit Vorpropeller als
alleinigem Antrieb erwies sich als ungiinstig, weil der im Abstrom des Vorpropellers arretierte vierfitigelige Haupt-propeller einen erheblichen Widerstandszuwachs bedeutet.
Deshalb sollte versucht werden, den Zusatzwiderstand
durch HaUptpropeller zu verringern. Empfehlung:
Drei-Flligelpropeller mit einer solchen Arretierung,
daB em n groBer Ausschnitt oben frei ist.
Auskupplungsm8glichkeit, so daB der Propeller frei
mitdrehen kann.
4.2 Trossenzugmessungen
Vergleichende Trossenzugversuche wurden durchgefiihrt, urn den EinfluB des Vorpropellers auf die Gesamtleistung bei verschiedenen Propellerbelastungen zu erfassen. Diese
Versuchsart, bei der der Belastungsgrad des Propellers
bei gegebener Geschwindigkeit durch Anderung der Pro-pellerdrehzahl geandert und der SchubilberschuB bzw. die Trossenzugkraft gemessen wird, ist wegen der guten
MeB-genauigkeit besonders dann geeignet, wenn nur kleine
Differenzen der Ergebnisse erwartet werden. Wahrend beim Ausgangsmodell der Trossenzug in Ubereinstimmung rnit
dem iiblichen Verfahren im gesamten Drehzahlbereich des Hauptpropellers gemessen wurde, erfolgten die Ver-suche bei der Vergleichsvariante derart, daB der zusatz-fiche Trossenzug bei gegebener tberlast des Hauptpro-pellers (Drehzahl konstant) durch Antrieb des
Vorpro-pellers aufgebracht wurde.
Trossenzugversuche
Gegenubeistellung der Trossenzugwerte be! gleicher Leistung Fr. F5 nue IMAMIO.Oran Orbeliff roma voravaenn
Houpl-unp VOMInyefer
Trossenzugversuche.
Zuncrhme des Trossenzugs AFT infolge einer Erhohung der Clberleistung urn 4P9, -- Fee I: Oh,,. Vorp
.4Pe yam PlouPWSPells aulgebrada
beide Propeller orbellen AP. vom 201.21sPeS; aulgebracer 026 1200 PS 900 PS 600 PS Bild 8 4.3 Querkraftmessungen
Die gemessenen Querkraftwerte des Hauptruders in
konventioneller Hinterschiffsanordnung bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Ruderwinkeln sind in Bild 9
auf-getragen.
Fiir the Vorpropelleranordnung ergibt sich eine
Viel-zahl von moglichen Untersuchungsvarianten, wovon hier
nur die wichtigsten untersucht wurden. Bild 10 und 11 zeigen den Querstbub des Vorpropellers als alleiniges
Steuerorgan, d. h. bei Mittschiffslage des Hauptruders = 0), bei arbeitendem sowie bei nicht arbeitendem HauptProPeller. Zugleich ist der EinfluB des Drehsinns
des Vorpropellers aus Bild 11 zu ersehen.
Die kombinierte Anwendung des Vorpropellers mit dein
Ruder und _die damit erzielbare Erhohung der Querkraft
wird in Bild 12 wiedergegeben.
- In alien drei Fallen kann festgestellt werden, daB der
Querschub des Vorpropellers, im Gegensatz zu einer kon-ventionellen Tunnelquerstrahlanlage, mit steigender
10000 400 60.00 6000 4000
Letseogsbereiee Hostel. Sr PASPS1
Bild 7
propeller aufgebracht wird. Diese Grenzleistungen sind in Bild 8 oben als Funktion der Leistungsverteilung
PDvor/PDgwiedergegeben. In der gleichen Abbildung wird
unten der EinfluB der Leistungsverteilung auf
Trossen-zuggewinn gezeigt.
Trossenzuqversuche
Gren5leislu00e0 oberhalb denen eine Verteilung der Gesamtlaistung puP Vor- und klaupfprobeller (Fall 2) gansligor 1st als wenn those allein voin Haup1p-ropeller (Fall I) aufgebracht wird.
Mel V wrglnl slen ouch nor ...Were Orman um 6,400 P3 alle:LI.o..e1;1111,7,:orp.coreet n-P0,,,,,/P06,....1%1 ,5 6000 - 6000 1,174. 1,03 .e 101 1p.171 t 099 0.98 0.97 .098 0.93 I Vs a 10.0 kn 'Ve e5.0kil 14/ I// 11'..300PS p0 0(1 =1200 - nne Verprop,1 600PS'-`,
///
I'://
J///
;,.,,
PS 8000 3000 6000 7000 3000 6000 MOO .1_ 8000BiId 6 Gesangleistiing Po..
Die vollstandigen Ergebnisse der Trossenzugmessungen
sind im VBD-Bericht 818 enthalten. Aus Platzgrunden wird hier nur eine Gegeniiberstellung dieser Werte bei
gleicher Gesamtleistung in Bild 6 gezeigt.
Der arbeitende Vorpropeller verschiebt
erwartungs-gernaB den Arbeitspunkt des Hauptpropellers derart, daB
derselbe -bei gleichbleibender Drehzahl weniger
Dreh-moment bzw. Leistung aufnimmt. Die Verminderung der Leistungsaufnahme betragt1/3 der jeweiligen Leistung, mit
der der Vorpropeller angetrieben wird.
Der Anstieg bzw. die Gradienten der Trossenzugkurven fiber der Gesamtleistung AFT/APD werden in Bild 7 nailer
untersucht. Sie zeigen eine starkere Abhangigkeit vom
jeweiligen Leistungsbereich bei Vorpropelleranordnung als
dies der Fall ist, wenn nut der Hauptpropeller arbeitet.
Es zeichnen sich im Leistungsbereich obere und untere
Grenzen ab (das letztere gilt fur sehr kleine
Schiffsge-Schwindigkeiten), oberhalb bzw. unterhalb derer eine
Verteilung der Gesamtleistung auf Vol.= und Hauptpro7 peller giinstiger ist, als wenn these allein vom
Haupt-5 10 b.,./Foo,...1%) Trossensuggewinn
Foil 2 gegenilber Fall I ,41-Bereich
V=5.0 en V 4-10.0 lin
7000
Mid 9 BiId 11 , 1 4°. Ila 135-Sods ;O. 20 Ruder querkraftversuche M882-Vorpropeller050785509
0
Anstssung Varrmapeller 902 tar100.-Oren2c23 0252000.0.220
010.0111.1.9 .0 VOrausf oh,'
Orschrinaprof t, .0
dorm. Propoller vnlopienr
Lao., von MO wnS un Pronlrugrovoun 1_4 j...,' I I 1 ISto-Seite 20. 30. c66 Ruderquerkraftversuche VBD Model/ 882 Varprapelleranordnung Ruckwartstahrt sod -drehsinn des Hauptpropellers
Ruoonvo5W
Schiffsgeschwindigkeit nicht abnimmt, sondern wachst.
Diese klare Aussage verdeutlicht den grundsatzlichen
Vor-teil des Vorpropellers als Heck-Querstrahlanlage. Audi bei An- und Ablegemanovern fiir das Drehen auf der Stelle kann der Vorpropeller als wirksame
Querstrahl-anlage eingesetzt werden. Als weiterer Vorteil gegeniiber
einem Tunnelquerstrahler ist hier noch zusatzlich eine kleine Kraftkomponente in Vorwarts- und
Riickwarts-richtung erzielbar.
Die Versuche mit dem freifahrenden Modell, die auf
Video-Band dokumentiert sind, bestatigen die
Durchfiihr-Bild 10 Fp too 90 1 Ruderwinkel eo 60 50 60 30 20 10 0 Bild 12 1000 250 Moon,' Monotnaor 4.0 Cooluon, Haualomo0 ents,t1,1 Fahrpsse.P.S-hwir 0,0 ow 2.0 ay. Leon, von et, .67(10 PS
Erhohunq der Ruder querkraft durch den Vorpropeller
VBD Modell 882 Vorousfahrt konvenhone. HinterschIllsonordnung 1 Ppv. 000 nive,,eeerenarenune® NW 5°° Ps.en P V 0 90. 55 000 PS '9 000' 'YI /. I di .30°13b y Anstallung 0225550vder 0152 22000010,220
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PPSidlung nu. HaEotruder
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W .i116,11 '5 ti Iknl 5 ' 0 10° 20° 30°
Gerchvelndigkeil 56-Rumirwinkel cr, 16auatruds,
Ruderquerkraftversuche
VBD Modell 882 Vorpropelloronordnung Rikkewartsfohrt Lind -drehsinn des Houptpropell rs
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dix =20°96 4.,
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or.n.ono end teisfung V.
5000fpr000006 s. 000.09001/
Fanrgeschv0di0ket1 aus y." Proaulslonsrersuch 7/7 /./ I I y
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1 Fa Il/eplo 30 .1 I 20 300 0, (UPS) 3 0 NF° Ga0Chr589220 9 0 &OPIUM PIPS.P,PPOPelf I7.7'67:sr,v5;"; r,5"7 Plantrugrersuch ---1 1 -I 7....<'''''...T .1 -too 10barkeit soldier Manover. Das gleiche gilt fiir das
Stopp-manover. Der zwischen hart Bb und hart Stb in beliebiger
Stellung ansdiwenkbare Vorpropeller kann nicht nur zur
Unterstiitzung des Stopp-Manovers herangezogen werden, sondern er verhindert durch semen Querschub em n Ver-fallen des Schiffes.
Die Querschubwerte des Vorpropellers bei Ruckwarts-fahrt bzw. Riickwartsdrehsinn des Hauptpropellers wur-den gemessen und sind in Bild 13 und 14 getrennt Stb- und Bb-Seite aufgetragen. Die h6heren Werte
Stb-Seite sind auf die nach dieser Seite gerichtete
Steuer-500 300 21. RAO Bild 14
/
5 2000 WOO Sao a Fp 1201 16 105 .8.0kn Houptruder 00 / LVorpropeller90° BB N, taw! 200 200 5,WPM? 250 300 Ruderquerkraftversuche Ruderquerkroftversuche MB82-Vorpropelleranordnung 0M882-konventionelle llmfersctuffsanordnung Varouslalul
.202022V212* 00
NNILIII1111111111M
'7
-Bild 15 Vorpropelleranordnung I
wirkung des rtickwartsdrehenden Hauptpropellers
zuriick-zufiihren. In der Bb-Richtung reicht der Querschub des Vorpropellers aber dennoch aus, urn die vom
Hauptpro-peller resultierende Steuerwirkung auszugleichen bzw. zu
iiberwinden.
5. Zusammenfassung
Der vorliegende Bericht befaSt sich mit Ergebnissen von Modellversuchen zur Untersuchung der
kombinier-ten Anwendung eines Steuerpropellers, der am Heck eines konventionell angetriebenen Einschrauben-Schiffes als emn
steuerbarer Vorpropeller oberhalb des Stevenrohres
an-geordnet ist.
Die Wirkungsweise und die hydrodynamischen Eigen-schaften eines Steuerpropellers als Hauptantriebsorgan oder als zusatzliche Bugsteuerhilfe sind weitgehend be-kannt. In der letztgenannten Stellung hat er meistens den Nachteil, daB er in der Geradeausfahrt den
Schiffs-widerstand und damit den Gesamtleistungsbedarf zur
Er-reichung einer bestimmten Geschwindigkeit erhoht. Je nach seiner Lage und Anordnung kann sich der
Quer-schub mit steigender Schiffsgeschwindigkeit vermindern.
Demgegentiber zeigt der als Vorpropeller angeordnete
Steuerpropeller einige Vorteile hinsichtlich des
Manovrie-rens und des Vortriebs. Der Querschub nimmt nicht nur
in der Vorausfahrt bei wachsender Schiffsgeschwindigkeit zu, sondern er reicht auch beim Stoppen und in der
Rack-wartsfahrt BUS, urn em Verfallen des Schiffes zu
verhin-dern oder das Schiff feinfiihlig zu steuern. Die Versuche
mit freifahrendem Modell fiihren zu einer ahnlichen,
posi-tiven Bewertung des Vorpropellers fur das An- und Ab-legemanover, was fiir die Praxis von erheblicher Bedeu-tung ist.
Al
Bild 14 Vorpropelleranordnung
Die Trossenzugmessungen lassen erkennen, daB, wenn
der Vorpropeller dem Hauptantrieb in bestimmten
Lei-stungsbereichen zugeschaltet wird, die Erh6hung der
Tros-senzugkraft starker ist, als wenn die Hauptantriebslei-stung urn die Leistung des Vorpropellers vergroBert
wax-de.
Die Propulsionsversuche bestatigen, dati die notwen-dige Schiffsantriebsleistung, die auf Vor- und Hauptpro-peller aufgeteilt wird, in weiten Bereichen geringer sein
kann, urn eine bestimmte Geschwindigkeit zu
er-reichen.
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