Lab. V. Scheepsbouwkunde

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Technische Hogeschool

FORSCHUNG UND ENTWICkkJNG Zur optimalen Dimensionierung von Propeflern von Einschrauberischiffen n bezug auf Proputsion, Schwingungserregung und Kavitation Von Klaus M e y n e, Hamburg 344.

Mitteilung der HSVA*)

Bis vor einigen Jahren wurden Propeller lediglich im Hinblick auf den Propulsionswirkungsgrad ausgewählt. Aber infolge der dauernd wachsenden Antriebsleistung und der bei

einzelnen Sthiffstypen zunehmenden Völligkeit rückt der Cesiditspunkt der Kavitationsaushildung und Schwingungs-

erregung in den Vordergrund. Es erscheint ratsam, einen

geringen Wirkungsgradverlust in Kauf zu nehmen, wenn dafür eine Verringerung von Kavitationsausbildung und Schwingungserregung gewonnen werden kann. In bezug auf die Schwingungserregung des Sthiffspropel1ers liegen viele experimentelle und theoretische Untersudìungen vor. Im folgenden seien besonders die aus der Literatur bekannten konstruktiven Möglichkeiten am Propeller, clic zur Verminderung der Schwingungserregung führen, er wähnt. Cber systematische Versuche zur Verminderung der Kavitationsausbildung ist wenig bekannt.

und Drehmomenterregungen lieferte, aber bezüglich der letztlich ebenso interessierenden Querkraft- und Biegemomenterregungen ungünstiger als der Vierflüg-

lcr ist. Daß diese Aussage nicht allgemein gültig ist, entnehme man der Arbeit von LERBS [9]. cl) Änderung des ,,skew back" Nach den theoretischen Beredsnungen in [8] und ]9J bewirkt ein ,skew back" von etwa 5'/o des Durchmessers an der Propellerspitze (Wageninger Serienpropel-

Abb. 2: H,ckkontur HSVA-Modell 950

Abb.

1:

Spantriß HSVA-Modell 950

Änderung des Durchmessers Nudi KROHN [3] ergibt eine Verkleinerung des PropelI erdurchmessers eine Verringerung der Schub- und

Drehmoineritschwankung, bedingt aber bekanntlich auch gleichzeitig eine \'erringerung des Propellerwirkungsgrades.

Änderung des Fliichenverhiiltnisses

Eine Vergrößerung des Flädienverhältnisses FaJF führt nach KROHN [4] und 15] zu einer Zunahme der Schwingungserregung des Sdsiffspropellers. Eine Vergrößerung des Fa/F über die aus Cründen der Kavi-

tationsvermeidung gewählte Größe hinaus bedeutet aber auch Wirkungsgradverlust.

Änderung der Flügelzahl Eine Reihe von Jahren hielt man den Fünfflügler als

geeignete Lösung für Vibrationsprobleme, bis man erkannte, daß dieser Propeller zwar kleinere SchubDiese Arbeit wurde von der Gesellschaft der Freunde und Förderer der Schiffbautechnischen Entwicklung e.V. finanziert und wird ent-

sprechend dem Zusarnmenarbeitsvertrag STGIGFF im Einverständnis mit den beiden Gesellschaften veröffentlicht.

Abb. 3: Kurven gleicher Nachstromziffer, HSVA-Modell 950

Schiff und Hafen, Heft 2/1969, 21. Jahrgang

93

6JPo

1er) eine Verminderung der Schwingungserregung. In der vorliegenden Arbeit wird eine systematische Va-.

nation cies ,skew back von 0, 5, 10 und 15°/o von D vorgenommen. (Derartig unterschiedliche Flügelpfeilungen werden von den Propellerherstellern aus-

0,

0,8

0,

0.

0,5

wi II JI.

7

l 3i'1F4,

H,69 .0

,-

t

.1,074

r47

7

geführt.) (0

0

Ô.3557

,2044u

960

-l477

-

r pp

0,4

-

0,3

0.2

0

60

30

f20

90

f50

180

(

.2 V.

Abb. 4: Verteilung des nominellen Naçhstroms (axial) HSVA-Modell 950

Abb. 5: Freifahrtdiagramm von HSVA-Prope(ler 704, 970 und 971 n,

i,fl8Or10g

(,CD)

D

113,6

-00 D

l3,6

5.375 5,105

-lOO D

113,6

-'5:62

13,6

-20% D

113.6

4.640 4,570 4,307

230 .400

2,190 0,970

5.575 5,573 5,770 .375

179

-7%v

102,3

-1,06 o l5,4 o

0.840 0.540 1.085

96,6

9.'."

070

',''9

j

Op

'960

0,580 0.570 0,553 0,030 0.503

27.6 27,6 27,6 27.6 27,6

0.547 0,505 0.500 0.579

26.20

76.,

24.81 23.54

76.5

22,07

p, i lar

0

(lI/O) I

704

970

971 1064 125 1126

5375 5375 5575 5375

5575 5575

-

P.4

J

0,003 0.926 0,695 0,946 0,044 1,133

t-i

0,471 0,471 0.471 0,471 0.471 0,471

e

Pr02112or.

4 4 4 4

0866510008

t-1

4 4

76068110000 708611X5060 70617.0,,,0F,, OALL'lflf,:I,

06061115000

sind für die gegebenen Entwurfsbedingungen verschiedene Durchmesser- und Drehzahländerungen vorgenommen worden. Das Ergebnis (Tabelle 1) zeigt, daß eine Drehzahländerung bis _200/e nahezu keinen Wirkungsgradverlust bedeu-

166,5, 156.7

tet, während die gleiche Anderung im Durchmesser eine starke Wirkungsgradeinbuße zur Folge hat.

66,6

[6.7

Ausgehend vom HSVA-Propeller 704, der als Optimaipro-

=196

peller entworfen ist, wurden zwei Propeller, wie im Ver-

Dr.04.82406.r008 0.0.005er llrop,000r 704

peller 971) ermittelt. Die drei Propeller entsprechen, wie audi alle folgenden, den Wageninger Seriesipropellern bis auf den Hang, der hier nur 100 beträgt (s. Tabelle 2). Alle

Tab. 1: HSVA-Propeller 704 (Optimalpropeller) Bp = 27,6;

HOUA_P

Mit Hilfe der Ergebnisse der Wageninger Serie B 4.55

l06j, 106.5

0%

_l 0%

drei Propeller habeiì einen konstanten Steigungsverlauf.

Mit diesen Propellern wurden Freifahrtversuthe (Abb. 5),

.10% _l0%

Propulsionsversuche (Tabelle 3, 4a, 4b und 4c), Sdxwingungs-

-227

messungen (Tabelle 5a und 5b) und Kavitationsversuthe im einregulierten Nadistromfeld durchgeführt (Abb. 10-12).

-ISP

Tabelle 2: (Die Propeller entsprechen, bis auf den Hang, der hier mit 100 gewahlt ist, den WAGENINGE4 Serien-Propellern)

e) Änderung der Zirkulationsvertei!ung In [2] wurden Propeller mit sehr unterschiedlicher

Schubverteilung bzw. Steigungsverteilung (Entlastung

der Propellerspitze) untersucht. Danach zeigen alle Propeller nur geringen Unterschied in Propulsionswirkungsgrad, Schwingungserregung und Kavitationsausbildung.

Versuche (1. Versuchsabsehnitt) Im Anschluß an die Arbeit von KROHN [3] wird die vorliegende Untersuchung am gleichen HSVA-Sdiiffsmodell 950 und für den in [3] ais ,,Nr. II" bezeichneten HSVA-Propeller 704 als Basispropeller fortgesetzt. Spantenriß, He,kkontur des Modells und die Ergebnisse der Nachstrommessung ent-

nehme man Abb. i bis 4. Im Gegensatz zu [3] werden jetzt

nicht Durchmesser und Drehzahl geändert, sondern der

Durchmesser konstant gehalten und Drehzahl und Steigung geändert. Eine Variation des Durchmessers ergibt nach [31 eine Verringerung der Sch'.vingungserregung, sie bedeutet aber gleichzeitig eine wesentliche Beeinflussung des Propellerwirkungsgrades.

84

sudssprogramrn vorgesehen, für eine Drehzahländerung von --1O°/o (HSVA-Prope)ler 970) und von +i0/o (HSVA-Pro-

Schiff und Hafen. Heft 2/1969, 21. Jahrgang

Ergebnisse (1. Versuchsabschnitt)

Aus den) 1. Versuchsahschnitt erhält man folgendes: (s. auch 3. Seite oben) Alle drei Propeller 704, 970 und 971 ergeben in etwa das gleiche Rrgehnis im Propulsionsversudi. Dagegen ist hinsichtlich der Sdiwingungserregung der Propeller 970 (_100/o n) nach Messung und Berechnung (nach dem in [8] erarbeiteten Beredinungsverfaliren) günstiger als der Propeller 704, der wiederum kleinere Sdswingungsampli-

tuden aufweist als der Propeller 971 (Tabelle 5a und 5b).

Die Definition der Komponenten der Sdswixsgungserregung entnehme man Al)b. 9. Damit ist im Hinblidc auf die Sdìwingungserregung eine \7erringerung der Drehzahl günstig. 1$VA - loden, 90 1100A -

970

704

r,

Oli

01'S

UpS

96,1

3740 4230 4780 5426 6170 7040 5000 9063

50.3

l3.0 3725 5,5 4530

lO 2

4.0 4400

54.6

4,5 5450

109,1

113.7 15,5 6900' 114,4 6,0 2520 123.3 120.4 6,11 9730 '1,0 1.07" 173,9 10,%

6140

'0200

064

971

OPi

93,1

96.9 11.00.0

105.1

109,8 114,5 119.0 23,5

1P3 5715

4200 4625 5460 6160 6950 7975 9020 10300

0p11

105,5 10,1 115.0 119,4 124.0 129.7 134.9 140,5 146,7

000 UpU 3730 86.5 4212 4700 95.0 5420 99.2

9','

6120 103,1

6090 '07,2 7775 111,4 0925 116.4 18430120,5

I 25 000

5760 4200 4900

080

00.4 92,2

96.0 5600 100,0 6340 104,1 7132 108,5 8050 113,0 4100 117.7 0450 125,6

126

020 OpO 3600 77.7 4150 01,2 4770 44,8 5430 88,4 6200 92,0 6970 95,4 7900 99.5

9000 104,1

10420 '70.9

Tab. 3: Propulsionsversuchsergebnisse mit dem HSVA-Schiffsmodell Nr, 950

Ir.

r.polI 0,0.1.?,,

LosC. .0.6. P707.11 072070

000257.l.7.,1,

al,.... 2.7.

8r.5079

757,0

.

00.11401 (6.8.) . 8/0 -

11747S0122705. 704.77406 00

rs/y

.

0,74

-

7,012100712828178

Sr. 704

.

.4

155.0 8

1p6. 81,,,ko.7r,.1900

15'S 0.00) 0.477

060,0.8,,,, 7181790g (2.0.)

.

77/0

.

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alIsO 70 0,76

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-

0o9101o0.t.l,

970 9175 4200 00 0.926 0,471

II

6270.90. 4.

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-

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S

00.90,0)2.0.

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5

17.78.17

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0/0 00/p

-

0,695 0,III

0.7.19,52710.087157,.7,.,9 7,000.

C

7014

i'1 10.0 70,9

78,0

IhI 74.0 74.9

0,7677 7.1605 0.1617 0,119)

1706 7950 2220 0570 2800 3275 7720

79.0 6940 '5,5 16,0 14,5

¿8

; 0010 7060 7727 4270 4800 5850

0900

0.696 0. 2105

5425

4760

77,7 17,0 77,9 17,7

0.577

0,7776 0,2710 0.7719 0,2700 0.7707 0.0288 0,1746 0,22)2 0,1770 0,2770 0.7798 0.2)45

4100 4797

1820 8970 71.0 70270

0.518 0,71)7 0.702 0,5095

0.0276 0,0090 0,2706 0,2)70

0,500 0.509

78,7 70,6

0.5085 0,505)

79,6

0.500 0.1925

71.0 78.)

o7?0

570

00

1000 lo

92,0

12,1

54,2 74,2 04.2 55.1 57,6 72,9 52.4 50.2 72.5 90.)

724.9 701,8

60,7 50,8 59.6

12h)

59,1

707.2 702,7 727.5 779,7 178,4 779,7 701.0

59.9 60,2

67,0 67,0 60,4 60.2

60,0

60,7 60,1 60.7

60,1

60,5 67.7 67,2 60.0

59.9 59.5 50,4

99.5 90,7 98,7

70.0

7740

15.5 14,0 74.5

4250

5417 6870 7040 2000 9060

99.8

700,6

15,5 76,0 76.5 77.0

1,

O

2725 2600 2930

0,1988 0.509

0.551

0,058 0.700

0,5)0

7700 5715

0.7954 0,797 0,200 0,0005

0,507

4295

0.007

0502

o:s7

79,7

77.1

4060 5460

0,200 0,204 0,2075

0,101) 0.505 0.507

0.505 0.7S0

79,7

70.7

70.1

90,0

6.0

10,9

0700

0.566 0,500

77,2 77.3 77,4

74.' 71,3 57.6 52.0 71.6

18.2 10.1

0,962

726.0 720.9

70,7 740.2 779,0 177,5 776,4 170.5 720,)

58,5

00

67.5 67.7 67,2 67.1 17,0

60,8 60.7 60,5

8?!

OrS

0?

20

7100

'0 1.4

707,8 102.2

59.5 59,1

105.2

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102,2 707.2

12.0 12,5 13,0 77.5 74,7

i;

¿.

(80( 00.7

59,1 00.7 07,4 00.0 59.8 59.7

;'

7660

2025 7250

0.1756 0,7767

0,467 0,005

16,5 77,0 77,9

0,1759 0.1745 0.1727

2.465

70,4 76.0 11,0 '5,6 19,7

0,177'

1970

77750210 4250 4025 5440 6700

¿576

0,00

II,) 5,0 75.5 6750 76.0 7075 70,5 9020 17,0 70700

0,1419

9206

0770

1400

4210 0.140) ¡750

0,1457

5595 6760

0. 7419 0,7 509

0.415 0.464 0.484 0,462 0,459 0,452 0,411

0,1747

0,1750 0,1700 0,7789 0,7806

7,4 9,4 71,7

05.0 75,0 01,9 51,0 57,5 51.7 72,8

726.8 127.1 705,0 720.7 Iii.? 771,7

74,7 72.6 72,9 '1,8

170,2 119,0 120,7 721.0

'7,

54,7 5001 07,0 59.6 60,7 00.4 60.5 60,) 60,5 59,8

121.0

59,4

59,1

99.,

59,5 9,5 59,3

100,5

59.0 79,2 59.0 59,) 50,7

57.7

414.19917' 2 200 8' .6,76 0070.1.4,0., 01076,74.1 676800 9,2 4.0

T.b. 4.

Tab. 4b

1.178 8.4.7.

.

755.0.

711ÇsM

.

9.0

5.107.190M s. 07 .27400 II,Okfl.137,2170

Tab. 4c

7064 5575

57.00970 (6.0.) I/o r./r

08

0085 -

62028 88.

0,066 27.70

0.2..

7..to*la 080412750)0 8. OpO.

0,74

-

757,76

-

9.0 27406 0.76

-

1171260,11292.00. 0.,,o9.o,,O.,rf.flr,, l0I,

03)

7150

17,5 74.0

4710 4700 5120 1770 6850 1775 8925 77.0 704)0 74,9 95,0 15.9 76.0 71,5

2725 2525 0015 9)05 7115 4205 ¿750 5475 6780

2?

,t

7064

0,7980

0,527

0,577

0.1905 0,5799

0.579

0.2029 0.204 0,206 0.208 0,077 0,211 0,214

0.719

0,512 0,572 0,769 0,567 0.569

0.7775 0,5225

0.567 0.507

0,517 0.975 0,576 0,177

4 . -

1,9101. OC.,, I

5)75 5074 0,984

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7810008.4.7.

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0.74

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-

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t

.8

17,9 IS.) 16.7 17.1 17,9

18,2 18.6 77,9 78,0

55,7

71,6 02.2 51,5 77,6 57,7

72.0 70,5 70.6

.0

t

070

007

07

¿050 5270 7760 4200 4900 5800

1599 2766 2404 2809

6540 7710 0090 9700

4050 4570 5190

0,7979 7.7997 0.2077 0,2050 0,2058 0,2010 0,20,6 0.0064 0.2084

5010 0,2700 0.1060 0,595 10,1

26.1

57,0 104,0

6600

26,7

'1,

O

O 79.0

00170.80.81 015,497* (2.8.) 0/0 0

7084

J

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4l,j 129,9 727,9 720.0 720.5 120,0 119,7 775,6 770.1

60,0 60.1 60.9 07,2 61.1 60,8

I 78,7

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67,7

79,9 00,5 60,0 60.0 59,8 57.5

90,8 99,7

100.7

701.4 702.7 702.7 59,7 702.8 99,2 709,9 58,9 102,0

77.0 72.5 75.0 79,5 71,0 54.5 79,0 '5.5 16.0

7708 3579

0,0746

0,2950 0.65 77,4 0,2959 0.2965 0,1900

0.678 0,015 0,609 0.600 0,596

26,7

77,9 70,5 18,9 19,6

07,0 27,5 27,6

20,0

28,5

0,7000 0595 20,0

78,1 21,5 20,6

0, '040

0,7078

0,5062 0,7060 0,5120

0,595 0.596

20,7

79,9 79,0

10.0

9,50)

A1.,.r&,,,8, 1' 264" .200 4011, .0,0,, 81046.,

Tab. 4d

61.7 65,0 67.1

66,7

62,4 771,9

65.8

62.0 62,0 62.0

5.7

644 717,3

04,6 67.1

62,0 62.0

0

104,5 704,5

07:7 707.0 107.0 705.4 725.9

7700

2020

'hO 5600

2721 2070 90)8 5450 5060

72.9 15,9 74.0 74.5 15.0 15,5 16,0 70.5

4150 4fl0

550 6100 6970 7900 9000

17,0 70420

0.67 0,67 2

0,667 0.6 60 0,05 5

0.647 0,646 0.645

4702 4950 5610

0.651

0400

6

5

OSp

25.7

65.5

15,1 76.0

57.0

727,2

50.0

119,0 01,6

8,0 10,7

50.7

177,5 716.7 7,6.4 IIS,7

19.7

19,4 79.6

79,5 10.6 l,0

70.1 70.9 50.9 90,0 70,0

175,9 775,7 115,7

29.6

29.6 115,6

64.4 61.6 5.5

67.2 62,5 62,6 60,2 61,4

62:4 61,9 61.5 60,9 60.9 60,8 60,5 59,7

0.0 2,020. 86 4.0

Tab. 4e

Tab. 4f

Tab. 4.f: Aufstellung der Scbiffsgütewerte nach der Lesstungsmessung mit dem Modell 950

Dagegen zeigt hinsidìt1id cies Kavitationsverhaltens der Propeller .971 (+ lQ°Io n) gegenüber 704 und 970 cIas günstig-

eine Verbesserung der Kavitationsverhältnisse gerichtet werden. Aus diesem Grunde hat der Propeller 1064 eine variahle Steigungsverteilung erhalten. Die Spitzenzonen sind entlastet. Das ist einer der üblichen, bisher besc.hrittenen Wege, um die Kavitationsausbildung zu verringern. Der Pro-

Ste Verhalten (Abb. 10 bis 12). Die Ergebnisse der Scitwingungserregung stimmen zumindest für die Sthuhsdtwankungen zwischen Experiment und theoretisdier Berechnung

redit gut überein. Für den Propeller 970 wurde nodi der

peller 1125 hat eine konstante Steigung, aher Profile, die nads zweidimensionalen Messungen einen großen kavitati-

Einfluß verschiedener Rücklagen rechnerisch ermittelt: 00/e Riidciage (symmetrisches Blatt), 5°/o von D Rücklage an der Fliigelspitze (entspricht in etwa der Rücklage der Wageninger Serienpropelier) und Rüddagen von 10 und l5°/. Nach dem vorliegenden Ergebnis (Tabelle 5a) bringt eine größere Riicklage als 55/e kaum nodi Verbesserungen. Dieses Ergebns braucht nicht für (tile Nachstromfelder zu gelten. Den Berechnungen liegt das nominelle Nadsstromfeld (Abb. 3 und 4) zugrunde. Komponenten des Nadistromfeldes in Umfangsrichtung blieben unberücksichtigt.

onsfreien Ansteliwinkelbereidi aufweisen [111. Der Propeller 1126 schließlich ist ausgelegt für eine Drehzahlverringerung

von 20°/o, er hat wieclenim Wageninger Sdinitte und konstanten Steigungsverlauf. Mit diesen drei Propellern wurden ebenfalls Freifahrtversuthe (Abb. 6 his 8), Propulsionsversuche (Tabelle 3, 4d, 4e und 4f), Schwingungsmessungen (Tabelle Sa und 5b) und Kavitationsversudte im einregulierten Nadistromfeid durchgeführt (Abb. 13 bis 15). Ergebnisse (2, Versuchsabsdsnitt)

Auch in diesem Versudssahsdtnitt ergeben alle Propeller (1064, 1125 und 1126) ein etwa gleidses Ergebnis ins Propulsionsversuch wie der Propeller im vorangegangenen Ahschnitt. Lediglich der Propeller 1125 weicht etwas ab. Hinsidtlidi der Sdiwingungserregung erreicht man mit der Verringerung der Drehzahl um 20°/o (Propeller 1126) eine weitere Verkleinerung der Amplituden. Auth hier zeigt das Be-

Versuche (2. Versuciisabschnitt)

Im zweiten Versudosabsdtnitt wird der Propeller 970 aIs Basispropeller gewählt, da die Drehzahlverringerung keine Verminderung des Propuisionswirkungagrades ergibt und die Sdiwingungserregung unter Umständen nods weiter verringert werden kann. Das Hauptaugenmerk soll aber audi auf

HOYA -

000618(0

24 20

20 20'

24 406

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boj

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750

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970

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20064

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1,79

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4,79 4,24

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'0.55

7,05 7.07 7.37

5.33

5,53 6.04

0.06

2,73 0,67 0,62

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06 05

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7126

54

7126

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726

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24 47

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2ß 800'

56

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011okisgo

2g P8/S

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04

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970 970 970 970

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5% 70%

0,707 0.161

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977

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0,230

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0,297

0,794 0,990

0.770

/0

20 847/4

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0)36

0,275

0.079

0,022

0,154

0,55)

0,172

0,077 0.020

0.077 0.701

0.039 0,01)

0.770 0.706

0.020

0.909 0,509

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0,724

0,000 0,272

0,939

7.039

0,295

0,019

0,153

0,020 '

0,090 7,099

0.021

o, 00

0. 351

0. 797

0.092

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0, 69 0.167

0,070

0.? l

0.028

0,016 0,019 0.019

0,056 0,014

0,079

0.079

7125 1126

5%

0,187

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5%

0.167 0,767

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0,074

706088808 0.,t. - 704080800 SIr to

S - .01610r,r Pnpel lerochuO 0 - 62001.1,7, I7op.1OIrdr.h000.,t

Tab. 5a und b: Ergebnisse der Scbwingungsmessung und -rechnung

Schiff und Hafen, I-left 2/1969, 21. Jahrgang

95

90.0

5:'.5

¿5

00,6 701.4 702.0 00,2

102.5 701.1 702,9 704.0

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Prop Nr 6064

F./F

5375 a7a, 47.1 %

Z NID

0546 -

D

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4

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06

r,op Nr MÍOS 5375 "1m

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6.

0944.

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SQ 461

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i-Imp e

sly .

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.,

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si Links:

Abb. 6: Freifahrt.

02

diagramm von

04

HSVA.Propeller 1064

rr4

_c

si

Ql

02

-r__im VA

Redits:

Abb. 7: Freifahrtdiagramm von HSVA-Propeller 1125

61

04

42

rethnungsergebnis für verschiedene Rüddagen nur geringfügige Anderungen bei größeren Rücklagen als 5°/u (dazu sei wiederum bemerkt, daß das Ergebnis nicht allgemein gültig sein wird). Gegenüber dem Optimalpropeller 704 sind die relativen Erregeramplituden in P,2 um ca. 5°/o (Absolutwerte), in Mz um ca. 40/o, in M um ca. 9°/o und in M0 um ca. S°/o kleiner (s. Tabelle Sb). Der Propeller mit radial veränderlicher Steigung (HSVA-Propeller 1064) läßt eine gewisse Veränderung in der Kavitationsausbildung erkennen, dagegen zeigt der HSVA-Propeller 1125 mit Profilen, die nach zweidimensionalen Messungen einen vergrößerten kavitationsfreien Anstellwinkelberejth erwarten lassen, in Hinblick auf die Kavitationsausbildung gegenüber dem Propeller 970 kaum Veränderungen. Der Propeller 1126 (-20°/o n) weist noch größere Kavitationserscheinungen auf als alle vorherigen. Damit steht einer Verringerung der Schwingungserre-

03

0.6

über. Dieses Ergebnis wurde für Propeller nach der Wageninger Serie erhalten. Durch Anderung der Profilwölhung, der eintretenden Kanten und der Steigungsverteilung könnte die

Kavitationsausbildung wohl noch verringert werden. Doch sollten diese Maßnahmen innerhalb dieser Versuchsreihe nicht vorgenommen werden. Bei allen Kavitationsversuthen wurde kein Einfluß auf Drehzahl- und Leistungsverhalten beobachtet. In bezug auf mögliche Beschädigungen eines Propellers durch Erosion infolge Kavitation ist vermutlich kein Unterschied zwischen den einzelnen Entwürfen. Es handelt sich in allen Fällen um Schithtkavitation, zum Teil in intermittierender Form. Trotz der sehr untersdiiedlidien Größe der Kavitationsausbildung könnten alle Propeller als gleichwertig angesehen werden.

/

gung durch das Herabsetzen der Propellerdrehzahl bis zu 2O0/o eine Vergrößerung der Kavitationsausbildung gegen-

Poop No 1120 47,7

2

ilPa/F NID

53

U

e'

5375611717

0

.1.

4 1122

'10

Abb. 9: Definition der Komponenten der hydrodynamischen Schwingungserregung

63

- rn-q.

22

q

p

47

VA

02

no. 27

04

23

lo

MO

Abb. 6: Freifahrtdiagra,nm von HSVA-Propaller 1126

LSchiff

vnd H.f,n, Heft aiig, 21. Jhrging

no

IO

no.

Abb. 10: Kavitationsversuchsergebnis im einreguliert.n Nathstromfeld. HSVA.Propel!er Nr. 971; K7 = 0,143; = 0,259; Saugseiten-Kavitation Druckseite kavitationsfrei

Links: Abb. 11-15:

Kavitationsversuchsergebnisse im einreguliorten Nachstromfeld

Von oben nach unten:

Abb. 11: HSVA-Propeller Nr. 704; K7. = 0,1719; = 0,311; Saugseiten-Kavitation; Druckseite kavitationsirpi 2CC

I00

Abb. 12: HSVA-Propeller 970; K7. = 0.2036; = 0,371; Saugseiten-Kavitation; Druckseite k av itationsf rei

0,2075; Abb. 13: lISVA-Propallor 1064; K7. = 0,374; Saugseiten-Kavitation; Druckseite

k av itation sire i 470

Abb.

14:

= 0.366:

HSVA-Propelier 1125; K7. = 0,2085; Saugseiten-Kavitation; Druckseite

kayitation sire i

HSVA-Propeller 1126; K7. = 0,2635; Saugseiten-Kavitation; Druckseite kavitationsf rei Abb.

15:

0,469;

¿CC

00

Unten: Abb. 16 C.

0.5

koys&ztionsthagmv'n

Pür d e

KSV4-Modcllpropel/ev-

Nr 970 sind 97f 44

fßO

C.7

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43

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Zu,fra,our 0.2

knvilalionstrese,

L. ¿CC

-

--

190

u PoprCeC 975 O P'opel/rr 070

0.1

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde eine optimale Dimensionierung von Propellern von Einsthraubensthiffen in bezug auf Propulsion, Schwingungserregung und Kavitation gesucht. Der Untersuchung liegt ein vierflügeliger Propeller vom Wageninger Typ zugrunde, der als Optimaipropeller ausgelegt ist. Abweichend von diesem wurden weiter Propeller mit 100/a

4f

512

43

04

ou -

04

46

57

Schiff und Hafen, Heft 2/1969, 21. Jahrgang

48

97

vergrößerter bzw. 10 und 20°/o verkleinerter Drehzahl und

entsprechender H!D-Anclerung hei sonst gleichen Parametern (Durchmesser, Flädìenverhältnis, Dickenverhilitnis, Flügel-

zahl usw.) untersucht (s. Tabelle 2). Dabei zeigen alle Propeller nahezu gleiche Propulsionseigensdsaften (s. Tabellen 4 hei V= 15 kn). Bezüglich des Sdiwingungsverhaltens der Propeller ergibt sich für das Nachstromfeld dieses Schiffes mit Herabsetzen der Drehzahl ein Abnehmen der Sdìwingungserregung (s. Tabellen 5). Auf rechnerisdiem Wege wurde gefunden, daß ein größeres ,,skew hack" als 50/e von D an der Propellerspitze keine wesentliche Beeinflussung der Schwingungsamplituden ergibt. Diese Aussage braucht aber ohl nicht für jedes Nathstromfeld zu gelten. Im Kavitationsverhalten zeigt der Propeller mit der größ-. ten Drehzahl (HSVA-Propeller 971; + 10°/u n) die geringste Kavitationsaushilciung, diese wächst mit fallender Drehzahl (HSVA-Propeller 1126; -2O°/u n). Somit zeigt also der hinsichtlich der Sdìwingungserregung giinstigste Propeller die größte Kavitationsausbildung. Da es sich aber hei der beobachteten Kavitation in allen Fällen um Sdìidstkavitation, zum Teil in intermittierender Form, handelt, könnten alle Propeller als gleichwertig angesehen werden. Der HSVAPropeller 1064 mit variabler Steigungsverteilung läßt gegenüber HSVA-Propeller 970 eine gewisse Verminderung in der Kavitationsausbildung erkennen. Bei Verwendung von Profilen, die einen vergrößerten kavitationsfreien Ansteliwinkelbereidi erwarten lassen (HSVA-Propeller 1125), wird keine Verbesserung hinsichtlich (lcr Kavitationsausbilciung erreitht.

rechnet. Das Ergebnis ist in Abb. 16 aufgetragen. Man muß sich die kavitationsfreien Bereiche wohl etwas nach oben verschoben denken, so daß die Punkte für homogene Zuströmung auch noch hineinfallen. Die Ergebnisse zeigen folgendes: Für die Schwingungserregung ergibt sich die Tendenz, daß mit ahnehmender Drehzahl audi die Erregeramplituden sinken. Das soll nun nach Tabelle 6 erklärbar sein durch die bei Verringern der Drehzahl abnehmenden relativen c1-Schwankungen. Für die um-

gekehrte Tendenz im Kavïtationsverhalten der Propeller

kann nach Abb. 16 clic Erklärung sein, dall sich mît abnehmender Drehzahl eine größere Differenz in den Absolutwerten von c2117 ergibt. Da die hier vorliegenden Ergebnisse hinsichtlich der Kavitationsausbildung letztlich nicht befriedigen, wird eine weitere Arbeit auf diesem Gebiet angesichts der bei den Neubauten zu beobachtenden ständig wachsen-

den Wellenleistungen als besonders dringend empfunden. Der Gesellschaft der Freunde und Förderer der Schiffbautechnischen Entwicklung e. V. (CFF), die die Mittel für die Durchführung dieser Forschungsarbeit bereitstellte, sei an dieser Stelle gedankt. Bezeichnungen: D [inj R

H/D [-J Fa/F z

[-J S

KT = ISIS-,..,. lt.. 00. 971

0/0 - 0,097 2

2' 0,9 0,6 0,7 0,0 0,5

0,200 0,006 0,009 0,009 0,005

20,. 02

0,073 0.000 0,597 0,547

72'

970'

0,676 0.079 0.267 0.056

0.66

0000

0,640 0,376 0.795 0.306

1,952 0.910 0.047

.696 0.575

M

KQ 4

¿

0,500

- 0.009 - 0,725 - 0.097 - 0,000

2

4 0,993 0,700 0.757

Schubbeiwert

t n2 D°

_1 59 L

ß2:.:í'

Propellerdurthmesser Propellerradius Steigungsverhältnis Flächenverhältnis Flügelzahl

]m]

Drehmomentbeiwert

D5

Ve

J

Fortsdsrittsziffer

0.6.0

Wirkungsgrad

0,700

Sogzif fer SVS-000p.l .00,. 704

i

2' 0.5 0.6

0.7 0,0 0.9

0.330 2,090 0,057 0,076 0,006

0.607 0,905 0.070 0,750

0,000

I/O - 0,009

jl,7

j

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102 I

Nachstromziffer

p-e

, g_

-- (w2R2+ y1,2) 0,700 0,007 0.076 0,039 0.020

0,630 0,310 0,025 0,501 0.560

0,95

0,902

0,200 0,093

- 0,025 - 0.307 - 0.006 - 0.660

0,670

0,500

Kavitationszahl, auf den Umfang bezogen

0,947 0,759 0.09%

0,243 0,676

Anhang

Für verschiedene Aufgaben der Auslegung eines Schiffs-

propellers kann die Kenntnis des Auftriebsbeiwertes am I/I -

I5IO_PO.p.11.O lt.. ¶70

005,0 j_'I

'o 7-

0,5 0,6 0,7 0,0 0,9

0,600 0,35

0,751 0,659

0,907 0,005 0,061

0.5,6 0,661 0,772

72'

0,500 0,365 0,200 0.007 0,150

280' 5,775

2,397 0,905 0,690 0,623

tor.4 4

0.972 0.010 0,730 0.000 0,095

I 05 t. Çw.:f

4

'o

4

0,647

0,117

- 0.007 - 0.002 - 0,707

0,400

-0307

0.626

berechnet:

0,917

Tab. 6: Auftriebsbeiwerto für homogene und inhomogene Zuströmung (3 Positionen im Nachstromfeld, quasistotionär nach ¡121 berechnet)

Für die Bewertung der Kavitationsgefährdung eines Propellers ist die Kennzahl o nur für die homogene Zuströmung geeignet. Für alle Propeller dieser Untersuchung z. B. ergibt sich nach dem bekannten BURRILL-Diagramm [14] ein nahezu gleiches Flächenverhältnis. Im Nathstromfeld des HSVAModells Nr. 950 ist clic Kavitationserscheinung der einzelnen Propeller aber sehr unterschiedlich. So hat der Propeller 971 cias kleinste o, weist aber die geringste Kavitationsausbilclung auf; der Propeller 1126 hat das größte o und weist die größte Kavitationsausbildung auf (s. Abb. 10-15).

Offensichtlich bedarf es noch einer weiteren Größe, um das Kavitationsverhalten eines Propellers im Nachstromfeld zu erfassen. Dafür könnte z. B. der Auftriebsbeiwert c.11 herangezogen werden. Für drei der untersuchten Propeller sind die c-Werte am Arbeitspunkt nach 11] für homogene Zuströmung und für die Verhältnisse im Nadìstromfeld nach [12] bei den Flügelstellungen 0° und 180° quasistationär errechnet worden (Tabelle 6). Weiterhin wurde für Propeller 971 und 970 ein Kavitationsdiagramm J - o aufgenommen und mit Hilfe der im Anhang vorgelegten Kurven c0o7 über J für Wageninger Propeller in ein c7-o-Diagramm umge-

98

iiquivalenten Radius 0,7R e207 von Interesse sein. Für einige der Wageninger Serienpropeller wurden diese Werte nach der von LERBS und RADER [12] vorgeschlagenen Formel

Schiff und Hafen, Heft 2/1969, 21. Jahrgang

Cr0.7

0,7224 z

KT

J/

1+0,207(+)

(l/D)117

0149 + (__)

Die Ergebnisse sind in Abb. 17 bis 24 als Funktion von der Fortschrittsziffer J dargestellt. Sie werden mit Werten e207 von KERWIN verglidsen, der in [13] mit Hilfe der Wirbeitheorie für Optimaipropeller Freifahrtkurven (KT, KQ über J) aus den geometrischen Daten der Wageninger Serienpropeller errechnete (o). Weiter sind in Abb. 20 bis 24

e.10 -Werte eingezeichnet (.), die der Verfasser in

[15]

durch Nachrecfsnung von Freifahrtergebnissen der Wagenin-

ger Propeller mittels der Methode des äquivalenten Profils erhalten hat. Die Übereinstimmung der c1-Werte und damit die Gültigkeit der obigen einfachen Formel muß als recht gut bezeichnet werden. Literatur: 1

Ergebnisse der angewandten Theorie des Schiffspropellers. STG 1955 LERBS, t-4. W.

I 2¡ y. MANEN, J. D. und J, D. CROWLEY: Some Asoects ot Circulation Theory Design of Screw Propellers, J. S. P. 1959 I 3 I KROHN, J.: Dber den Einfluß des Propellerdurchmessers auf die Schub- und Drehmornentschwankungen am Modell. Schiffstecbnik 1959

I 4 I KROHN, J.: Numerische und experimentelle Untersuchungen über

dio Abhängigkeit der Schub- und Drehmomentschwankungen vom Flächenverh5ltnïs bei vierftügeligen Schifispropellern. Schiffs. technik 1962

0,6

48

ÓUU

0,7

0,6

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0,7

Wg

Ca7

5455

B. 335

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44

0,3

43

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49

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45

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-e.--. J Abb. 21

Abb. 17 40

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Abb. 18

0,9

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Abb. 24

Abb. 17-24: Auftriebsbeiwerte am Radius 07 R für Propeller der Wageninger Serien

Schiff und Hafen, Heft 2/1969, 21. Jahrgang

99

5 1 KROHN, J.: Numerische und experimentelle Untersuchungen über die Ahhangigkeit der erregencten Querkraft- und Biegemornentschwankungen vom Flächenverhàltnis bei fünfflügeligen Schitfspropellern. Schiffstechnik 1963 6 J SCHUSTER, S. Beitrag zur Frage des tünfflügeligen Propellers. STG 1955

7] SCHUSTER, S.; A. GROSS; H. SCHWANECKE; E. A. WALINSK? und T. FRIESE: Beispiele für die Behandlung instationärer Probleme im Schiffsmodellversuch. STG 1958 18I

LAUDAN, J. u. H. SCHWANECKE: Ermittlung der hydrodynamischen

Propeller-Erregungen für einige spezielle Ausbildungen des Hinterschiffes. t-ISVA-Bericht F 10/66 (unveröffentlicht) I 9 I LERBS, H.W.: Einige Gesichtspunkte beim Entwurf von Propollern gröllerer Leistung. STG 1966 110] SCHWANECKE, H.: Gedanken zur Frage der hydrodynamisch erregten Schwingungen des Propellers und der Wellenleitung,

ill WALCHNER, O.: Bericht über Profilmessungen 1121

bei Kavitation. KWI-lnstitut tir Strömungsforschung, Göttingen 1934 LERBS, H. und H. RADER: liber den Auftriebsgradienten von Profilen im Propellerverband. Schitfstechnik 1962

1131 KERWIN, JE.: Machine Computation of Marine Propeller Characteristics. J. S. P. August 1959 1141 a. MANEN, J. D.: Recent Data on Cavitation Criteria. J. S. P. 1954 1151

MEYNE, K.: Experimentelle und theoretische Betrachtungen zum Matstabseffekt bei Model Ipropelleruntersuchungen.

Schiffstechnik

1968 1161

MEYNE, K.: Berechnung der Schub- und Drehrnomentschwankung am Propeller eines Einschraubenschiffes nach quasistationärer Methode. Diplomarbeit am Lehrstuhl von Prof. Dr-Ing. habil H. Lerbs (Institut tür Schitfbau der Universität Hamburg). November 1959), u n ve röf f entlicht

STG 1963

Universaldiagramm der Stabilität für den Gebrauch an Bord Von Dr. Otto H e b e c k e r, Hamburg Setzt man in der an Bord vorzugsweise benutzten Formel

T. =

f.B

für die Rolizeit T, wobei der Index i = individuell, darauf hinweist, daß diese Roilperiode einem bestimmten Schiff mit der Breite B zugeordnet ist, auch T proportional mit B, also T = kB; so wird fB

kB -

1/MG

k-

oder

dungen die f-Werte für die Werftunterlagcn berechnet, für alle anderen Ladungen aber aus Krängungs- und Roilversueben bestimmt. Es handelt sidi um die Fälle in Ballast ah Emden, in Ladung ab Los Angeles, ab Bangkok und in Kobe, Osaka. Die Punkte sind im Diagramm eingetragen und bestimmen

den gestrichelten f-Bereid'i, der, mit f bezeichnet, als nur für

die Papenburg" gültig anzusehen ist. Rechnet man Roll-

perioden, deren Sekundenzahlen den Metern der Breite entsprechen als normal, so lassen sich die Bereiche steif", normal", weich" und rank" der relativen Stabilität voneinander abgrenzen. Dese geben unmittelbar das Stabilitätsverhalten des Schiffes für alle Belaclungen wieder, ein Vorteil, der bei den üblichen Werftunterlagen fehlt. Der mit

rank" bezeichnete Bereich muß als gefährdet angesehen

werden. Der als individuell bezeichnete gestrichelte Bereich

1/ MC

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Aus dieser Formel findet man die Kurven f = konst als gleichseitige Hyperbein mit den horizontalen Achsen ì' MC1 oben und MC1 unten. Als vertikale Achsen sind k rechts

und T links in der Abbildung zu sehen. Für f genügen die 4 Werte 0,7, 0,8, 0,9 und 1, wenn es sich um übliche Schiffs-

formen handelt. Für das 2 Jahre alte MS PAPENBURG" wurden aof einer Trampreise mit unterschiedlichen Bela-

loo

2

uS

Man schreibt k = k1, mit u = universal, d. h. für alle Schiffe gültig, unabhängig von ihrer Breite, also

k-

175-21

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Schiff und Hafen, Heft 2/1969, 21. Jahrgang

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ist für dieses verhältnismäßig kleine Schiff von ca. 4200 tdw im wesentlichen durch das Sdiwergutsystem, Bauart Stülcken,

bestimmt, durch welches bei Ballastfahrt je nach Reiseverbrauch besondere Anforderungen an die Schiffsleitung gestellt werden, besonders im achterlidien Seegang.

Auf der rechten Seite der Abbildung sind für Sdsiffsbreiten der linken

bis zu 50 m die speziellen Roliperioden T

vertikalen Randskala sowie dic Bereiche der relativen Sta-

bilität angedeutet, wie sie sich aus Reisen auf größeren Massengutfrathtern abgrenzen lassen. Als normal" gelten

bei zunehmenden Breiten Rollperioden, die z. T. unterhalb der Sehiffsbreite, Meterzahl gleich Sekundenrollzahl gesetzt, bleiben.