FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 1727 Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers vom Landesamt für Forschung, Düsseldorf DK 629.12:532.525 621-225: 629.12 Prof. Dipl.-Ing. Wilhelm Sturtzel Priv.-DoZ. Dr.-Ing. Hermann Schmidt-Stiebitz Versuchsanstalt jUr Binnenschiffbau e. V., Duisburg Institut an der Rhein.-Westj. Techn. Hochschule Aachen Untersuchung der Querkräfte und der Propulsionsgütegrade von Spaltdüsen mit steuerbarer Sekundärdüse 80. Mitteilung der VBD WESTDEUTSCHER VERLAG· KÖLN UND OPLADEN 1966 ISBN 978-3-663-06458-9 ISBN 978-3-663-07371-0 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-07371-0 Verlags-Nr.011727 © 1966 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag Inhalt Textteil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. Einführung..................................................... 7 2. übersicht über die Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3. Auswahl der Düsenabmessungen .................................. 8 4. Durchführung der Versuche ...................................... 9 5. Ergebnisse...................................................... 9 5.1 Wirkungsgrad............................................... 9 5.2 Querkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 5.3 Rudermoment............................................... 10 6. Zusammenfassung............................................... 10 7. Literaturverzeichnis.............................................. 11 Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33 5 Textteil 1. Einführung Die Konstruktion von Einfachdüsen, die zur Steuerung von Schiffen dienen sollen, sind bisher 1. mit festliegender und 2. mit (urn senkrechte Achse) schwenkbarer Propellerwelle durchgeführt worden. Beide Varianten haben den mit ihnen ver sehenen Schiffseinheiten gute Steuereigenschaften verliehen. Die Verbesserungen gegenüber der Wirkung herkömmlicher Ruderanordnungen waren besonders bei kleinen Fortschrittsgraden der Propulsionsanlage spürbar. Bei der erstgenannten Variante wirkt sich allerdings der für das Schwenken der Düse urn die festbleibende Propellerebene erforderliche Spalt zwischen PropellerauBenrand und Düseninnen kante stark nachteilig auf die Propulsionsgütegrade bei Geradeausfahrt aus. Bei der zweitgenannten Variante bringt die Entwicklung der erforderlichen U m lenkungs- und Steuergetriebe neben den anfallenden höheren Kosten zunächst auch eine Beschränkung auf Antriebsleistungen unter 500 PS mit sich. Sämtliche aufgeführten Nachteile schienen bei Verwendung einer Doppeldüse mit schwenk barer Sekundärdüse, jedoch festliegender Propellerwelle und Primärdüse, ver meidbar, für die in den voraufgegangenen Untersuchungen [1-4] ein zu beachten der Gewinn im Propulsionsgütegrad gegenüber dem der Einfachdüse nachge wiesen wurde. Die Messungen bestätigen in vollem MaGe die in die Steuerfähigkeit der Doppeldüse gesetzten Erwartungen und lassen die Wettbewerbsfähigkeit der Doppeldüse gegenüber einer steuerfähigen Einfachdüse erkennen. 2. Übersicht über die Versuche Kanal Grofier Tank der VBD, stehendes Wasser L = 148 m, B = 9,8 m, Hw = 920 mm Versuchsgerät Grofies Freifahrtgerät der VBD wie in FB 1116 [2] und 1324 [3] beschrieben. ZusätzIich Verdreheinrichtung für die durch die Strebenverkleidung der Sekundärdüse geführte senkrechte Halte rungswelle der Sekundärdüse. Mefimäglichkeiten mit Hilfe von Biegeelementen und Dehnungsmefistreifen des Schubes von Primärdüse und Sekundärdüse und des Drehmomentes der Sekundärdüse. 7 Primärdüse 64 aus bisherigen Ergebnissen entwickelt NACA 4405 LjD = 0,5 Sekundärdüse 49 wie in FB 1431 [4] Stellung 1 Vorderk ante Sekundärdüse auf 82% L der Primärdüse Stellung 2 Vorderkante Sekundärdüse auf Hinterkante Primärdüse (100% L) Propeller 116 R wie in FB 1431 [4] 1 mm Spaltbreite zur Düseninnenkante Mitte Welle 350 mm unter Wasserspiegel Ruderwinkel der Sekundärdüse {JR = 0 - 30° mit 5° Stufung Geschwindigkeiten v = 0 - 3,0 mjs Messungen Propellerschub und -drehmoment mit Federelementen (KEMPF und REMMERS) Schub Primär- und Sekundärdüse (getrennt), Ruderdrehmoment der Sekundärdüse über DehnungsmeGstreifen und MeGverstärker geschrieben auf Visicorder. 3. Auswahl der Düsenabmessungen Um den apparativen Aufwand niedrig zu halten, wurde die hier zu verwendende Düse unter den nach FB 1324 [3] erprobten und als günstig befundenen Düsen ausgewählt. Ein dem herkömmlichen Hartruderwinkel von Profilrudern ent sprechender Schwenkwinkel der Sekundärdüse war nur mit Doppeldüsen breiten Spaltes erzielbar. Unter diesen hatte die Doppeldüse 43/49 in der Stellung 1, d. h. Vorderkante Sekundärdüse (49) auf 0,75 L in Sehnenrichtung des Primärdüsen profils (in FB 1324 [3] mit Stellung 2 bezeichnet) gemessen, die besten Ergebnisse gezeitigt. Die bisher verwendete Primärdüse war für die Obernahme gröBeren Schubs beim Ausschwenken der Sekundärdüse mit L/D = 0,35 zu kurz und wurde mit L/D = 0,5 neu entworfen (Abb. 1). lhr Profil erhielt einen Sehnen anstellwinkel von 11,5° bei 15% Profildicke. Der Profilrücken auf der dem Propeller zugekehrten Seite wurde im Bereich der Propellerberandung weit gehend begradigt, um den wirksamen Spalt möglichst auf die gesamte Propeller auBenkontur auszudehnen. Als praktisch vertretbare Mindestspaltbreite wurde nach den Versuchen in FB 1431 [4] 1 mm (im Modell) im Radius angesehen und konstruiert. Die AufmaBe sind der Abb. 1 zu entnehmen. AuBer der erwähnten Düsenzuordnung, die hier mit Stellung 1 bezeichnet wird, wurde zusätzlich noch die Stellung 2 untersucht (Abb. 2), bei der Vorderkante Sekundärdüse in der Seitenprojektion auf Hinterkante Primärdüse liegt. Der Rohling der Primärdüse 64 wurde wie die V orgänger aus Aluminium gegossen. Als Propeller wurde das von den genannten Untersuchungen bekannte ModeUl16 R mit der Konzeption für einen Fischdampfer benutzt. 8 4. Durchführung der Versuche Der Aufbau der MeBeinrichtung war durch das V orhandensein der erprobten Gesamtanlage [2-4] unter EinschluB des groBen Freifahrtgerätes von KEMPF und REMMERS und vie1er Einze1teile aus den vorangegangenen Versuchsreihen sehr erleichtert. Neu anzubringen war die Halterungswelle der Sekundärdüse, die durch die ausgehöhlte und feststehende Strebenverkleidung geführt war. Auf einer am oberen Ende festangeordneten Lochscheibe mit 5°-Teilung nach beiden Seiten war es möglich, mitte1s Stift die Ausschwenkstellung der Sekundärdüse festzulegen. Weiterhin wurde in die V orrichtung noch eine MeBstelle für das Ruderdrehmoment eingearbeitet. Um mit den zur Verfügung stehenden geringen Mitte1n haushälterisch umzugehen, wurde der manuelle Justier- und Ableseauf wand mit den damit verknüpften Fehlerquellen weitgehend eingeschränkt. Die Daten der MeBwertgeber wurden über MeBverstärker auf sofort entwickelten Visicorderstreifen geschrieben und waren dadurch bereits während der Versuchs fahrten auf Stichhaltigkeit überprüfbar. 5. Ergebnisse 5.1 Wirkungsgrad Für jede um 5 ° gestufte Stellung der Sekundärdüse nach back- und steuerbord wurden nach Abzug der Strebenwiderstände (Abb. 3, 4, 5) die Schub- und Momentenbeiwerte und Propulsionsgütegrade über dem Fortschrittsgrad er mittelt und aufgetragen (Abb. 6-18 und 19-31). Der optimale Wirkungsgrad WIt von etwa'YJ = 58% bei PR = OOauf etwa'YJ '" 30% bei PR = 30° und verschiebt sich dabei zu etwas kleineren Fortschrittsgraden. Zwischen den Ergebnissen für Back-und Steuerbordausschläge bestehen keine grundsätzlichen Unterschiede. Es ergeben sich lediglich geringfügige und normalstreuende Abweichungen. Das Wirkungsgradoptimum für PR = 0° liegt etwa 6% über dem des Ausgangs düsensystems 43/49 aus FB 1324 [3] mit Propeller 112 Rund kennzeichnet die mit dem Neuentwurf erzie1te Verbesserung. Den Wirkungsgradabfall infolge Ausschlags der Sekundärdüse bei konstantem Fortschrittsgrad gibt Abb. 32 wieder. Unter Berücksichtigung des Geschwindigkeitsabfalls nach einge1eiteten Steuervorgängen kann die Hüllkurve praktisch als mafigeblich für den Wirkungs gradabfall angesehen werden. Jeder der 'YJ-Kurven (Abb. 6-31) ist zum Vergleich der Wirkungsgradanstieg der Schraube ohne Düse gegenübergestellt worden, um die Verbesserung durch das Düsensystem zu kennzeichnen. Die Verbesserung liegt naturgemäB bei kleinen Fortschrittsgraden und bleibt auch bei Ausschlag der Sekundärdüse erhalten. Abb. 33 (unten) gibt an, bei welchem Fortschrittsgrad - abhängig vom Aus schlagwinke1 der Sekundärdüse - die Verbesserung durch die Düse aufgehoben wird. Abb. 33 (oben) läBt die maximale 'YJ-VergröBerung für die genannten Varianten erkennen. Ein Unterschied zwischen Stellung 1 und 2 ist hierbei nicht 9 feststellbar. Der auf den Wirkungsgrad der allein fahrenden Schraube bezogene Gewinn durch Doppeldüse bei verschiedenen Ausschlägen der Sekundärdüse gibt Abb. 34 an. 5.2 QuerkraJt Der Querkraftanstieg über der Geschwindigkeit bzw. dem Fortschrittsgrad ist bei geringen Ausschlägen der Sekundärdüse annähernd linear (Abb. 35-38). Mit zunehmendem Ausschlagwinkel wird der Querkraftanstieg besonders bei kleinen Fortschrittsgraden sehr viel steiler als in den Anfangslagen, urn bei gröGeren Fortschrittsgraden deren Werte etwa wieder zu erreichen. Der querkraftmäGig optimale Hartruderwinkel (Abb. 39,40) ist bei Stellung 1 im ganzen Geschwindig keitsbereich etwa mit f3 = 25 ° und bei Stellung 2 und kleinen Geschwindigkeiten erst mit f3R = 30° erreicht. In Stellung 2 bildet sich im oberen Geschwindigkeits bereich ein flaches Optimum schon unter Ruderwinkeln von f3R = 20-25° aus, ohne nennenswerte Verluste durch gröGere Hartruderwinkel erkennen zu lassen. Die bedeutenden Vorteile der Steuerdüse gegenüber einem statisch wir kenden Ruder springen durch Ermittlung des Querkraftbeiwertes ins Auge (Abb. 41-44), der wie üblich auf Staudruck und Projektionsfläche (hier wegen der Ringform zweifach gezählt) bezogen wird. Gerade in dem bezüglich Wirkungsgrad vorteil haften Bereich niedriger Fortschrittsgrade für Doppeldüsenanordnung übersteigt der Querkraftbeiwert den der besten herkömmlichen statisch wirkenden Ruder [7] urn ein Vielfaches, wobei die beiden Stellungen der Sekundärdüse kaum nennens werte Unterschiede zeitigen. Eine entsprechende Überlegenheit bei kleinen Fort schrittsgraden hat der Ruderpropeller bereits bewiesen [5,6]. 5.3 RuderlJlolJletzt Urn eine Orientierung der Ruderquerkräfte und -momente zu den sonstigen auf tretenden Kräften zu erhalten, sind von ihnen Beiwerte wie für den Vortriebs Schub und das Moment gebildet worden, die ihnen gröGenordnungsmäGig ent sprechen (Abb. 45-56).Die Rudermomente halten sich in dem interessanten Fort schrittsgradbereich gleichbleibend niedrig und steigen erst zu höheren, praktisch nicht erreichbaren Geschwindigkciten stärker an. Sicherlich trägt die Abschirmung durch die Primärdüse zu dem günstigen Ergebnis viel bei. Die absolute GröGe des Rudermomentes in [kpm] in der Versuchsausführung errechnet sich durch Multi plikation des Beiwertes mit 11,43. 6. Zusammenfassung Die hier durchgeführten Querkraft-, Ruderdrehmomente- und Propulsionsgüte gradmessungen an einer Doppeldüse mit steuerbarem Sekundär-Düsenteil haben 10 den Erweis gebracht, daB die Doppeldüse auBer einem Gewinn an Wirkungsgrad gegenüber der Einfachdüse auch in wirksamer Weise zum Steuern verwendet werden kann. Die Ergebnisse lassen wünschenswert erscheinen, die mit einer steuerbaren Doppeldüse erzielbaren Manävrierverbesserungen auf Unter suchungen an einem freifahrenden, mit einer derartigen Kombination von Pro pulsions- und Steuerorgan ausgestatteten Modell auszudehnen. Urn den Entwurf und das einwandfreie Funktionieren der MeBapparatur hat sich Dipl.-Ing. PETER BÜCHEL verdient gemacht. Der Verfasser dankt ihm für seinen Beitrag am Gelingen der Untersuchung. Priv.-Doz. Dr.-Ing. HERMANN SCHMIDT-STIEBITZ 7. Literaturverzeichnis [1] SCHMIDT-STIEBITZ, H., Untersuchungen über die Möglichkeiten, den Wirkungsgrad von Düsenpropellern durch zusätzlich angeordnete Mischdüsen zu verbessern. FB 561 des Landes NRW*. [2] ADAM, U., Untersuchung der Wirkungsgradverbesserung von Propellern, erstens bei kleinem und zweitens bei groi3em Fortschrittsgrad durch Ummantelung mit Spaltdüsen. FB 1116 des Landes NRW*. [3] ADAM, U., Untersuchung der Wirkungsgradverbesserung an Spaltdüsensystemen durch optimale Gestaltung des Diffusorauslaufs. FB 1324 des Landes NRW*. [4] ADAM, U., Untersuchung über den Einffui3 der Spaltbreite zwischen Propeller aui3enrand und Düseninnenwand auf den Wirkungsgrad von ummantelten Kaplan schrauben. FB 1431 des Landes NRW (und Literaturverzeichnis dort)*. [5] SCHÄLE, E., und H. HEUSER, Untersuchung der Manövriereigenschaften von ge schob enen Fahrzeugen, die einzeln oder im Verband befördert werden, unter dem Einflui3 von Strömung und Fahrwasserbeschränkung. FB 1072 des Landes NRW*. [6] SCHMIDT-STIEBITZ, H., Die Manövriereigenschaften der Schiffe in Abhängigkeit von Schiffsform und Fahrwasser. Schiff und Hafen 2/1964, S. 97. [7] HELM, K., und H. HEUSER, Systematische Ruderversuche mit einem Schleppkahn und einem Binnenselbstfahrer vom Typ »GUSTAV KOENIGS« mit Kort-Düse. Schiffund Hafen 7/1960. * Im gleichen Verlag erschienen. 11 Abbildungen 13