1Q9
WISSENSCHAFTLICH.TECHNISCHE MITTEILUNGEN
Herousgegeben vom Institut für Schiffbou, Rostockund der Sektion Schiffstechnik der Universität Rostock
DK-Nr.: DR 532.5.031
DK 629.12.037.1.001.24
Dos von dem vereinfachten Wirbelsystem eines Propellers
induzierte Geschwindigkeitsfeld
Atis dem Institut für Schiffbau Rostock Dircktor: DipL-Ing. S. Kr'uppa
69. Mittcilung dcr Schiffhau-Vcrsuchsanstait Loitor: Dr..Ing. e. h. IV. Hen8chke
Von Dr.-Ing. Kari-OUo Edet, Borlin
Einleitung
Urn schon mi ersten Entwurfsstadiiiin die Wii'kung
cincH Propellers auf cino in seilicin Strnhl vorhnndcnc andero St,röinungsleitvorriclitung, wio zui ii lloi.spiol auf ciiieii zwoiten, gloich. oder gcgonliiufigon Propeller, auf cia Loitrad odor iuifcm Ruder, erfasMen zu könneii, vor-oinfachte GutRclie [I] clas von cinom Scliraubonpropci icr
crzougte \Virbclsystem so wcit,1 dnf3 sich die iiiduzicrto Axialgcscliwindigkeit relativ cinfach bcst,inirncii Iief3.
Die Vcrciiifachting bcsteht in cler Annahrnc ciiicr
kon-stanton Zirkulation lungs cbs Flugeirnclius und ciner unondlichen Flugclzahl. Das dcii l'ropeller und scino
Wirkuiigon ersctzcndo Wirbei8ystom bcsteht dann aus
ci nor kreisforinigcn Schci ho gobundcncr Wirbel mit
radutl vcriiiiclçrlichcr Stãrke, ans eincm cinseitig
uncod-lichen, lrnmogciicn Wirhclzylinder mit konstanter
Steigu ug cler Wirbelolemento und aus eincm cbcnfails cinseitig uiiond lichen Nabenwirbel.
Tm folgonden werdoii Formoiri zur Bostimmung dor
incluzierton Gcschwi iid igkoi ton in axialer, tangoiitinlcr und radialor Richtung angegebon. Für die niihcro Urn-gobung des idealisierton Propellers werden die Formein
flu incrisch ausgowertot.
Die Bestimmung
des induzierten Geschwindigkeitsfeldcs
Dio Borochnung des Feldes der iiidiiziertcn
Cescliwiiulig-kei ton wird unter der Voraussctziii ig durchgefuhrt, dalI sich diis Wirbeisystorn iii oiner idoalcn, roibungsfrcien Flussigkeit von der Propellcrcbono his zurn Unondiichon
mit unveriindcrter Stárko crstrockt. Die gobundenc
Zirkulation kings der Propoilorflugel mid die Steigung
dor von don Flugeispitzen dos Propellers ahgehcnden frcicn Wirhel wird ebenso wie dor Radius R, auf dern
sich dieso froien Wirbel befinden, als konstant
angenom-men. Wegon der gloichforniigen Anströmung und der
woiterh in vorausgesotzt.en unendlichen Flügelzahl 1st das gosarnte System rotationssymmetrisch; unter diesen
SthtffbauforsdUflg 9 5/6/1970
Lab.
v
Scheepsbouwkuth
Tecknische Hogeschoof
DeIft
Umstönden ist es mdglich, den Pnnkt, für (lelk
(lie induzierteii Cescliwindigkcitcn bcstiinint werden sullen. so zu legeii, dalI die Ableit,ung dc'r .Eu'orrneln rnögliclistoinfaeh wird. Als Grundlago für die ]3ercchnutigen
orgibt sich das im Bud I dargestellto Wirbclsystcrn.
BuId 1. Das idcalbulerte SVirbelsyLtem e1nc14 SchrauI,enprowIIcrs
1st auf doin Radius r die Gcsamtzirkulation (los
Z'-flüge-ligen Propellers gleich der des unendiicli.Iiugeligcii
Propellers, dor Wirbclscheibe, so orgibt sich die flüchcn-haft vertoilto Zirkulation der Propellcrscheibo zu
z.r
(1)Die allgomeino Beziehung für die Stãrke der frcicn Wir-bol in Abhiingigkcit von clor Anckrung der
Zirkulations-strke der gcbundenen Wirbel ist
rgcb
=
øs ds. (2)Somit orgibt sich die Zirkulation des Nabenwirbols zu
I'NW.ZI'.
(3)Die Zirkutatioiisstãrko (108 hoinogonon, hal bunendl ichén Wirbeizylirniets it
Z.f,
'frel
2.
(4)Aus dieson' drei Zirkulationsanteilen vordezi mit Ililfo des Cesetzes von Diet -Savart die induzierten
Goschwin-ctigkcitt'n Ilk der Umgcbuiig des Propellers durch Inte-gration Uher die gesamtv Ausdohnnng der Wirbel be.
stiinint. Das Koordinatensystem wird so golegt, dali tier I'iiiikt L', für dcii die Geschwiiidigkeiten bestirnint wer-dèii sollen; nuT der ra(iial gerichteten x-Achse liegt; die axiale Etitfertititig volt dem Punkt P bzw. dem
Koordi-nateliurSprtiiig zur l'ropellorebcno ist z. Die '-Aclise fiillt mit tier Drchnchso ties Propellers zusammen; sie
weist iii die Riehtiirig dos Propellcrst.ra}iles liild 2.
IJild 2. lilt !t.idI g tier Induzkrten Gcsehwlnttlgkeltsits den Etenten liii ties VIrbeIzyIIiiders
Aus dem homogenoit, halbunendlichea Zylinder der freien Wirbel ergibt sich dor Vektor (icr indtiziorten
Coschwindigkoit uvz. mit den Einhitsvektorcit i, j utid I in den Achseniiehttingon x, y und z bzw; xii
2,T
rrel
(
(d_xr
It.dO.
/
J
In3Ux Ur
__2f
J(
eot/31 eos8R sine)
itd-df)
In3 Uy =U1j = j2s:f
(. cot.fij. sin 0 r +
i_.0 Cx
±R.cosO)
1n13 (9) (8) J-Zd1(1
Jz2+K)
gclost weidcn [2] [3) [4] . [5]. Bui der Durehführung tier Integration uber den Winket 0 lieferti die mit dote Fak-tor siit 8 'crbundeiiomi Anteilo tier I iitegrtuidoti wegoi
I lirer Syininetrieeigcnschafteii ii n lmtt.cgratioiishoroich von 0 bis 2r kt-iiien ]3eitmag. Ei,i wuiteror Toil tier
Iiit.egrale litlit tech inittels dur Bezieliutig [61
ab. cos U
2r/a für a> b
I.
dO=
... (13)./
a2+b--2a.b.cost
0fura<b.
,5=0auswerton. Die verblothoitticit Antoilo In (loll Boziehun-gee (8), (9) ned (10) Itisson tech zwar auf vollständige elliptiseho Integralo zurQekführen, doch werclon sie für
(lie Auswert.ung folgonderinalieii zusatninuitgefi'ilit:
R.(Rr.cos0).d8
.(I 2)
Y1t+ r2 + 2
2 H r cos UWird das in tier Formo! (5) enthaltoite Vektorprodukt .
durcit die Beziehutigon (6) ausgedruckt. so ergiht sich
' 12*
j
.ltz
f
f cot fi
tfl1 r (r - R cos U) c18O'O
rRcos8 ilsinU
---(Jt2+r2-2R-r-eosU). 'R2 +r2 +z2-2Rr.cos8
H- cos 8. dO F1t2 + r2 -J- z2-21t.r. cosU (16) Daboi d=
r=
In=
oo
sindcot fii.sinö.d.i+
+cot1ti-eos8.d.i±
+d-r
(rRcos8).iRsin8.j--!.
(6)'. 190 Seh1ftbmniZoraehung 9 3/0/1070=
=
.?-!iJj
cot/it.(It - r. cos
0)-In3 (I 0)
Dci Beachtung dor Boziehung für don Botrag dos
Radius-voktors rI nach 01. (6) köiiiioii' die inneren Integrale, flbcr mit Hilfeder Foninoin
L.
-
' II'-
-4-- i' )' z2 + J'dir. }.d/
(.7) Die Koinponenton : des. Geschwindigkeitsvektors flwz.
mit
c1= dc-!
= r.i+0-j---!
ri
= 1/r2+2.
Aus dor ausfuhrlichefl Darstelluhg
.
i.
iiUNW. =
r,v.
00
C r
Die ntimcrischo Aiiswcrttlflg
dieser Integralo ist mit
Hilfo l)ekalultor Mothodoli, z.
B. mittels dor
Cantl-Intogration moglich. Die am Schltil3 dieser Arbeit' wiedergegeheflCfl integraltafelti wurdoim -each dcr
Mothodo von Gafl bei 20fncher Untortcilultg des
Into-grationsbercichos mit, je 2StutzstClICfl pro interval1 be-rcchnet. Die von dein cinseitig unendlichcn Wirbclzylin der mh konst,autot Stãrkcund Stoigung clerWirhclfclen induziorton Geschwindigkoitsantodo sind nunrnehr
-
r
UNw.
-J
it;3I
BUd3. 7iir Bcst.irnnulflg ,ierIrniuzicrtCfl oescliwindigkcit ills ticu
Eicrncfl-ten des NabCflWiFbCiS
Die Anwonduuig des Gesotzcs von Biut.Savart auf den
halbunondliChot1 Nabonwirbcl konstanter Strko liefert
(20)
(21)
ist sofort orkonnbar,
dalI our die
GoschwiiIdigkcit8-komponcfltO in y-B ichtiing,.fllSo.dio TangontialgCScl1'.'fl1digkoit, existiert. Sic ist
"NW.
r
rd
Uy = U t2
=
J
Mit der Beziehung (12) ergiht sich hieraus
NW.
/
Z=
II +
4xr
\
I'r2+z2
Die induziorten 05chwindigkeiten infolge der heiden Anteilo der froien Wirbel, Wirbeizylinder und
Naben-5chtgtbauforsthung 9 5/6/1970
wirhel, orgeben sich aus dor Uberlagcruflg der
Einzol-ergobnissc zu Ur = . . .15*
zr
I___I
Ut - - ;;
i,,' +
fürr<R
st,irnlndIi, . . (Bud 7)..:.
.Das Biot.Savart'sCIlO Gcsetz lautot für (liOSCflFall
221 1t
flwS.
= /
J
0=0 Q'O
mit .
cos8-di ±,sindet -f
0-I= (r_e.COS0)fi
suii-1 +t
(29)ti
Vr2+2±z2_2!05
Wird des VcktorprodUkt in tier Forinel (28) durch dio Boziohungen (29) ansgedrdckt, so ergiht sich
.e.dt
:(28)1%VS. =
.r
.i 'o=0 e'=O
r-2 co8
siii zde- (30) Uy fl'.
- f
4 0,0 ci -I.d-
(31)\ J
J1r2 + Ci2.+z2 2 r
- cos i /. QO .Die Integration Ol)er dcii Radius kano minter
13eah-tung 4cr Tatsachedurchgeführt wcrdcn, claL3 das Pro-dukt ntis dcr gcbundeiiefl- Zirkulatioli der PropIler-scheibo geb. mit dem Radius nach Cl. (1) omen
koim-stanton Wert ergibt Es folgt somit [43
191
Wegon dor Sym etrieeigeflStt00 cmos Teils 1os
Integrandon im Bercich von
= 0 his 0 =
2ver-t(22) schwiidcfl die Komponefltefl dos Vektors uvs. in
radialer itud
in azialer Richtung.. Die tatigontialoKomponeiit.0 ist . -Ut Uti = yrret
fli
furr.(R
(17) (18)_0
4zr
fiirr>14
Zr
2 T2* 2 r us =cófli.(1+1i5)
- .(1 +12)
fürr>R
für r(R
(27) 2 rZr
* fit-It cot4t R
fü r > R.
U Yrrel .cotfli.(1+TI*)fürr..<R
(19) Vfrei fit. '1*cot für r. >R. (Bilder 4 his (1).
2
Bud 3.
Es bleiht zum SchiulI nur noch ubrig, den mcistcns
ver-i machver-i üssver-igtcnAntcil der induzierten Gcschwi ndigkcitefl
iiifolgo clor gobundenenZirkulation dcr utiondlich widen
be-PropellcrflügOl bzw. der propellorwirbdl5ch0b0 zu
0 VgcI'.
4 r.
d
(.
nil,! .5. Die von den freien VIrbcIn des SysteluslnduztCrtell TangCUtIflI
gd,WlntIIghefle0 u
--cos 8
lits - -
4 Ir(I - cos2 8) +
z2oo
2+r2Z2_2158
+Vfl
+ z2r.cos8)d8
(32)
Dor Wert dos
Integrals ubr den
zweitefl Tell des Inte-graitdefl in der G1..(32) kaun für z 0 aiigegebonwer-den ç4]. Für den etstelk Toil (los IntegranCiCil in tier
GI. (32) wird die]3ezoichflUitg oingofQhrt
Ii lid S
Dk von dem Vrb&sYBtern Induzierten
Ur
do.
R2+r2+Z2_2Rr co8
(33)
Die BeziehUng für die flgcr1tia1g050hw ltgkett, die
von der
gobundoflen Zirku!atiOIl dor jsforinig0flWirbesChOib0 induziert wird, lautot nunmehr
Ut3 =
(i
>
(_1+?+2+I***) fürz>O.
Aus dem )3iid 8 jet ersichtlich, dal3 derAnteil dor tan-. gontial induZiortetl ceschwjfldjgkoitsk0rnp0e1ttd1 in-folge dar gobundeflen ZirkulatiOil mit dcraxialen Ent-fernung i. von dorPropollerOb0t0 stark abklingt. Sornit
ist die dieses Auteils für viole Füllo
g(,reChtfertigt. Für die nahere Uingebuilgdes.PrePOlI0t
1st these 01achlaS9ig1g jedoch nicht ineltr statthaft; ullorciings ist uilter dioseitUIflstüII(l01l dann auch die
her
benutzto Jdealisicrttttg nicht mohr zulüssig, so dai3 zu
ancleren Modetloil ubergegaflgefl wcrdon iruiU3to.
Die J3ilder 5 iind 8
zeigen. da3 -
ahgosehcit von dor nüchsten Nâhe der Propcllorcb010 - vor (loin Propeller so gut wiekeiiie 11g0flt,ialg05 iwuaigkeitoit wirksaitiscm werden. Die 11gelItia1g05 rindigk0it hinter dorn Propeller ist anniiheriiddoppelt so groB wie die von den freion Wirbelii
an den
propeileIu1üg0 i,i(ltlziortofürz<O
(34)
R r. cos 8
3. Die Darsteilung der induzierten 0schwjndigkt0 mit Hilfe von Distanzfaktorofl
Urn die un vorigen Abschltitt erhaltonen ResuittitO für
die iii der Einleittlttg nitgofflhrtefl Aufgahofl bei
Pro-pellern mit endlichor Flugolztthl Z anwondon ukOnmiol',
1st es weckmnül3ig, das Verliãltflis der von don freicmi
Wirl,eln induziCrtCti 05ehwindigk0it iii oinern em z
von der
Propellerel)01b0eritferuton Punkt auif dent
Radius r zur glcielten 0 eschv adigkoitskOIflp0tit0 tLttfdemn gleichort Radius r, abet iii durPropellerobcnO. d. h. boi z = 0, zu bilden. Wird woitór tioch. beaclitot, daB.
9 3/43/1070 z
=
oo
-r.(Rr..00SO
tr2(1_C0828) +2].)iId 7. Znj 1let.Iminiin der intiuzierten
(echwindigkcit an denElernen.
ten der kreh4fOrllligen\Virbelgrlicibo
dio radialoKomponeiitO u mitwaclisendom z
verschwin-det, und dal3 dioanderumi boidon Kompononten, Utund
u, wait vor
dem Propeller Null sind, weit hinter clorPropcl)crebono aber doppolt so gro skid wic in cler Propdllorebeno sclbst, so lasson sich die Bcziohungcn
n.ngcben: (35)
furr<R,<O
1 (36)fürr<R, z>O
für r ( R, z <0
furr<R,
z>o.j
(37) SchiuIbau(orscbung 9 5/6/1970=
u1(z)=
u1(0).(1gt)
= ut(0).(1
+gt)
u3(z)
=
Ua(0) (1 ga)
= Ua(0) (1 + gft)
L 6 -Q4 -0)
0 42
z/A'
ihid 6. DIe von dem VirbciyBtem induzicrton
Axlalgeschwlndigkeiten u
Ilild S. Die on dengebundenen Wirbein de Systems nduzierten
Tangen-tialgcsc)iwintligkettcn U6 193
_____:
&c.
-
4t.
0 '(I 8 -01 az 0,3 05 L . z'J5
6 - -02__83
-a q 6 8 IDMit Ausnahmo für die RadialkompOflentOlassen sich die
vorstelionden efinit.iorishoziehUflgeIt für die
Distanz-fitktoren abor nur auf die induzierton
Geschwindig-keiten intierhaib de Propellerst.rahleS.
also für r < R,
iutweiidon, da die Kornponenten
t und U
in der
Propellerebene für r > R Null sind.
Suit das Fold cior induziorteli Geschwindigkeitefl urn
omen Z.flugeligen Propeller bcstiinmt verdcn, so ergibt sicli mac erste Nülicrurig, wcnn in (ho Formeln(35), (36)
mid (37) dio mit eiiicm geeigneten MittolwoitfaktOr
verseheiicn Geschwiiid igkeitskoinpononteit ci iigcSotzt
werden, die ii. a. nach dorn Vorfnhren von Lerbs [7]
an den trageuderi Liiiien cler Propohlorflügel bestimint
vordcii sind. Die Fornieln für die zu
verwondendenDistanzfuktorcn lai,ten: (38)
12* mitr < R
(39)rnitr<R.
(40) J**(z) 9t 0 42 4* 48 48 W 2 14. 7,lWd 30. Ocr DIst.anzfáktorgtfür die tiingentlute Komponente der von don
frelen Wirbein Induziertcfl Ccschwindigkelt
-4.9 48 q 90 4 4 a
_#z/R-0 itd 11. Ocr Dlstanzfaktor 5a für die azinle Komponeute der Induzlerten
GCSLhwiud}gkelt
kompononton bestimmt. Es wordon Distanzfaktoren definiert, mit doren Hilfe es moglich ist, eino erBto Nãhe-rung für dus Fold dor indiiziertoii Oeschwindigkoiten an Prapellorn mit end hieher Flugelznhl zu gewinflon.
:
.iill 48 47 -... '0*46
.jf/1fl8-/
--- .. 48$-tiff
443__UL
-194 SehiCTbnUfOrscliiUflg 9 9/Gj'lOTO 0 42 0* 46 48JJild 9. Ocr D!stanzfaktor 5r für die radiala Koinponcute derinduzierten
(jcschwlndtgkeit -.
Bilder 9 bis 11.
1st die Tangontialgesehwindigkeit ut(Z) unter Einschlu3
(los Anteils aits den goburiclonen Wirbeln gesucht, so kann - in Uboremnstimmung mit den irn vorigen Ab.
schnitt orwfthnten Schluf3folgeruiigen aus don Bilderri 5
micE 8 - (icr Distanzfaktor als konstant, gt = 1, an-genommen wercien.
4. Zusammonfassung
Atis dern stark idealisierten VirboIsystern oines,
Schrau-Iioitpropehlers wercieri die incluzierten
Goschwindigkeits-4*
Uteratur
[) (/&iM, 1)11) r,olirIirn hr 4)InIeI) $)rI(lIIIIl(Ig*IsIIiwIui)i0lI lu
der IJmgcI g (icr Sc) I,cnehcnc. Mc(illlslcchnik 3 (1955) 12/13,
8.31 14s 33.
2I Z,rirk, II'.: Zur Ilerechnunil dir Zirkulatlon nnd (icr Irlkftc clues Pro-pellers im achst,rom. SchllUbahIforRc)iiing 1(1062) 4, S. 157 bis (84. 13) Qriibner, W., und II ofreifrr, N.: Integraltafeln, 1)d.2. Springcr-Vvrla.
WIen 1000.
141 Meyer z,Ir Capelliz. I I.: In) egrallalein. S1iringcr-erlag. BrrIin/( 5l tfl gen/Ilriddhcru (950.
131 l9il.'4', I
it
((1)1) )ln#Iofrmo1 1 llftllnen l'roiliik) 1(11(1 In) er!iI lOin. V 1 I) 1)euI selier \'erlag (i('r W'IssennehiE)en, I(crltn (1)57.
[0) Isaji, (V.-!!.: Propeller) heoric - Ilydrod)nalnlsrhc l'rohlerne. Springer-Verlag, llerlin/llOt,tingenhlleidcIlJCrg 1963.
[71 J,rb. II.: Moderately loaded propellers with a finite number of blanles and arbit mr) elistributlon of circulatIon. Transactions of thc S NA SI E 60 (1952)8.73 hIs 117.
Tofd I. 1)asIntegral 1 nich 0I.(14)
NzI1t 0.0 0.1 0.2 0.3 .0.4 0.5 - 0.6 0.7 0.14 0.9 . 1.0 r/R 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.00 0.70 0.80 0.00 0.05 0.90 l.01 1.05 1.10 1.20 1.40 t.60 1.80 2.00 0 0.0995 0 0.1002 0 0.1025 O 0.1067 0 0.1132 0 0.1232 0 0.1387 0 0.1644 0 0.2120 0 0.3215 0 0.4373 0 0.2837 0 -0.1422 0 -0.3007 0 -0.1040 0 -0.0966 0 -0.0300 0 -0.0209 0 -0.0(28 0 -0.0086 0.1001 0. (975 0.2(117 0.2093 0.22 12 0.2388 0.2652 0.3056 0.3699 0.4704 0.5568 0.3474 -0.1 109 -0.3237 -0.2498 -0.1540 -0.07(7 -0.0391) -0.0249 -0.0168 0.2874 0. 2892 ((.2048 .0.1048 0.3 (99 0.34 II) 0.3731 0.4171 0.4786 0.5637 0.6225 0.39 18 -0.0774 -0.3 (08 -0.2508. -0.1790 -0.0952 -0.0559 -0.0358 -0.0244 0.37 14 0.3735 0.3799 0.39(0 0.4070 0.4309 0.4623 0.5038 0.5508 0.0236 0.6697 0.4279 -0.0469 -0.2010 -0.2488 --0.l873 -0.1101 -0.0682 -'-0.0441) -0.0312 0.4172 0.44 94 0.4559 0.4672 0.4838 0.5003 0.5355 0.5721 0.6(61 0.6603 0.7073 0.4587 -0.0196 -0.2703 -0.2356 -0.1858 -0.1182 -0.0771 -0.0523 -0.0370 0.5 145 0.5 (66 0.5229 0.5337 0.5192 05698 0.5957 0.6270 0.6633 0.7003 0.7386 0.4854 0.0049 -0.2504 -0.2209 -0.1797 -0.12(6 -0.0820 -0.0580 -0.0418 0.5735 ((.5754 0.58 13 0.59 II 0.6051 0.6233 0.6457 0.672k 0.70 19 0.7373 0.7654 0.5080 0.0267 -0.2317 -'-0.2064) -0.1715 -0.1217 -0.0862. -0.0020 -0.0450 0.6247 0.6264 0.6:117 0.6404 0.0527 0.0685 0.0876 0.7097 0.7342 0.7037 0.7888 0.5298 0.0464 -0.2145 -0.1917 -0.1023 -0.1197 -0.0870 -0.0647 -0.0485 0.6690 0.0705 0.675 1 0.6827 0. 611:13 0. 7008 0.7220 0.74 14 0. 76 17 0.7865 0.8002 0.5483 0.0630 -0.1087 -0.1782 -0.1528 -0.1103 -0.0876 -0(1602 -0.0505 0. 707 1 0.7084 0.7 124 0.718) 0.72a0 0.7305 0. 75:10 0.7685 0.7854 0.8005 0.8273 0.56411 0.071)5 -0.1843 -0.1655 -0.1435 -0.1120 -0.0865 -0.0668 -0.05)9
Fortsct,aing der Tafel 1:
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