Das Ruder im Focus von Forschung und Entwicklung in der Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam

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1 1. Einleitung Das Ruder im Focus von Forschung und Entwicklung in der Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam H.-J. Heinke; M. Steinwand Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH Ruder am Heck eines Schiffes sind nach wie vor das effektivste Mittel zur Erzeugung einer Querkraft am Achterschiff zum Manövrieren bei Fahrt. Durch die Anordnung des Ruders im Propellerstrahl können auch bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten und im Stand Querkräfte erzeugt werden. Einen guten Überblick zu der Hydrodynamik des Ruders gibt Brix [1]. Die internationalen Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet des Ruders konzentrierten sich in den letzten Jahrzehnten u. a. auf die Untersuchung von Ruderprofilen in homogener Zuströmung (Versuche zumeist in Windkanälen) [2], [3], [4], die Untersuchung des Ruders im Propellerstrahl [5], [6], [7] und die Fragen der Kavitation am Ruder [8], [9]. U. a. wurden verschiedene Profilformen für Ruder entwickelt, um den Widerstand zu minimieren, den Auftrieb zu vergrößern und/oder das Drehmoment in der Ruderdrehachse zu verringern. Zur Erzeugung von großen Querkräften bei kleinen und mittleren Geschwindigkeiten haben sich Ruder mit einem Flap an der Austrittskante bewährt [10]. Eine Vergrößerung der Querkräfte von Rudern wurde durch Profile mit einem Fishtail an der Austrittskante erreicht. Die Verfahren zur Bestimmung der stationären Ruderkräfte in Abhängigkeit von der Ruderform und der Anströmung für die unterschiedlichsten Fahrtregime des Schiffes wurden sowohl experimentell wie theoretisch weiterentwickelt [11], [12], [13], [14], [15], [16]. Die Berechnung der Ruderkräfte in homogener Zuströmung und im Propellerstrahl ist seit einigen Jahren mit CFD-Methoden [17], [18] möglich und bietet für die Vorherbestimmung der Kennwerte von Rudern in der Nähe der Strömungsablösung, der Wechselwirkung Propeller Ruder, der Prognose der Kavitationsgefährdung und der Bestimmung der Reynoldszahleffekte neue Möglichkeiten. Ausgehend von der Bedeutung des Ruders für die Steuereigenschaften und die Propulsion des Schiffes wurden auch in der SVA Potsdam vielfältige experimentelle und theoretische Arbeiten im Zusammenhang mit der Hydrodynamik des Ruders durchgeführt. Ausgewählte Ergebnisse sollen im Folgenden vorgestellt werden. 2. Rudermomenten- und Querkraftmessungen In den ersten Jahren nach der Gründung der Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam wurden auf dem Gebiet Manövrieren des Schiffes überwiegend Großversuche (Leistungs- und Ruderschaftmessungen) im Auftrag der Werftindustrie durchgeführt. Anfang der 60er Jahre wurde mit Rudermomenten- und Querkraftmessungen am Model begonnen (Bild 1) [M31], [M32]. Mit Hilfe von an den Geradeführungen angebrachten Messgliedern wurden die am Modell angreifenden Querkräfte F SY für verschiedenen Ruderwinkel gemessen. Weiterhin wurden die Momente um die Ruderachse gemessen, um Angaben zur Auslegung der Rudermaschine zu erhalten. Manövrier-, Rudermomenten- und Querkraftmessungen waren seit 1963 ein fester Bestandteil der Modellversuche im Rahmen der Entwicklung von neuen Schiffen durch die Werften, die in der VVB Schiffbau und später im Kombinat Schiffbau zusammen geschlossen waren (Warnowwerft Warnemünde, Schiffswerft Neptun Rostock, MTW Wismar, Volkswerft Stralsund, Peenewerft Wolgast, Elbewerften Boizenburg/Roßlau, Yachtwerft Berlin) [20], [21]. Für mehr als hundert Schiffe wurden die verschiedensten Steuereinrichtungen untersucht. Damit verfügt die SVA über umfangreiche

2 Erfahrungen bei der modellmäßigen Herstellung, Untersuchung und Beurteilung von Steuereinrichtungen. Bild 1: Modell eines Loggers in der Schlepprinne erste Rudermomenten- und Querkraftmessungen (1962) Entsprechend dem Profil des DDR-Schiffbaus waren die Arbeiten in der SVA in den 60er Jahren durch umfangreiche Untersuchungen der Fang- und Gefrierschiffe vom Typ Tropik bzw. Atlantik, die in Serien von 86 resp. 147 Stück auf der Volkswerft gebaut wurden, geprägt. Hinzu kamen in den 70er bis 90er Jahren die Fang- und Gefrierschiffe Atlantik-Supertrawler (195 Schiffe), Atlantik 333 (134 Schiffe) sowie Atlantik 488 (37 Schiffe) [21]. Fischereischiffe, Schlepper und Binnenschiffe arbeiten mit hoch belasteten Propellern. Zur Erreichung guter Propulsionseigenschaften und hoher Trossen- und Pfahlzüge werden bei diesen Schiffstypen überwiegend Düsenpropeller eingesetzt. Bei der Verwendung von fest eingebauten Düsen mit dahinter liegenden Rudern steht der erreichbaren Propulsionsverbesserung eine Verschlechterung der Steuereigenschaften bei Rückwärtsfahrt gegenüber. Diese Diskrepanz wurde durch die Entwicklung drehbarer Düsen beseitigt, die sowohl als Propulsions- als auch als Steuerorgan dienen (Bild 2) [M3], [M4]. Modell M 371 (1963) Modell M 453 (1966) Bild 2: Entwürfe von Ruderdüsen für Fischereischiffe (1963, 1966)

3 Zur Auslegung und Weiterentwicklung der Drehdüsen wurden systematische Untersuchungen durchgeführt [M8], [M9], [M12], [M18]. So wurden z. B. am Modell M 454 eines Küstenmotorschiffes Drehdüsen mit unterschiedlichen Stabilisatoren untersucht (Bild 3). Die erreichbaren Querkräfte lagen bei der Düse mit Kreuzstabilisator 24% unter den Querkräften mit einfachem Stabilisator, durch Anbringung zusätzlicher Außenflossen konnte die Kreuzstabilisatorvariante deutlich verbessert werden. Düse mit einfachem Stabilisator Düse mit Kreuzstabilisator Düse mit Kreuzstabilisator mit zusätzlichen Außenflossen Bild 3: Drehdüse mit unterschiedlichen Stabilisatorvarianten (1967) Die Untersuchungen mit Drehdüsen beinhalteten in den folgenden Jahren u. a. Variationen der Düsenprofile, der Düsenlänge und der Stabilisatoren. Es wurde Messtechnik entwickelt, die sowohl die Messung der Kräfte am Düsenpropeller wie auch am Stabilisator gestattete. Für verschiedene Schiffstypen wurden Propulsions- und Steuersysteme mit und ohne Drehdüsen sowie unterschiedlicher Anordnung der Ruder untersucht. Die Messergebnisse wurden in Berechnungsverfahren integriert. Die letzten Untersuchungen mit Drehdüsen wurden im Rahmen des FuE-Vorhabens Fischereischiff der Zukunft - Schiffsform- und Propulsionsoptimierung in Zusammenarbeit mit der Volkswerft Stralsund, dem DMR und der Universität Rostock durchgeführt. Im Rahmen des FuE-Vorhabens Manövrier- und Rudermesseinrichtungen wurde die Messtechnik Ende der 60er Jahre weiterentwickelt. Eine Dreikomponentenwaage ermöglichte nun die Messung des Ruderwiderstandes F RX, der am Schaft angreifenden Querkräfte F RY und des Rudermomentes Q R (Bild 4). Bild 4: Dreikomponentenwaage zur Ruderkraftmessung im Einsatz (1970)

4 In den 70er Jahren wurden in der SVA hauptsächlich Mehrzweckfrachter und Semi-Containerschiffe entwickelt und untersucht. In den 80er Jahren lag der Schwerpunkt der Arbeit in der SVA dann bei Fähren und Containerschiffen. Die Schiffe wurden in der Regel auf den Werften in Serien von 10 bis 25 Schiffen gebaut. Die langfristige Entwicklung der Schiffstypen beinhaltete u. a. die Optimierung des Steuerorgans hinsichtlich System, Rudertyp und Ruderprofil einschließlich Anordnung am Schiff. Der z. T. sehr hohe Untersuchungsaufwand soll am Beispiel eines Trailerschiffes verdeutlicht werden. Für den Zweischrauber wurden 4 Rudervarianten untersucht (zwei Schweberuder, Profil NACA 0018, zwei Schweberuder mit Beckerflosse, Profil NACA 0018, zwei Schweberuder, Hohlflankenprofil, zwei Dreiflächen-Ruderanlagen, Hohlflankenprofil) (Bild 5). Schweberuder, Profil NACA 0018 Dreiflächen-Ruderanlagen, Hohlflankenprofil Bild 5: Modell M 747 eines Trailerschiffes mit unterschiedlichen Ruderanlagen (1979) Die Manövriereigenschaften des Schiffes waren infolge der Hinterschiffsform (Doppeltotholz) und relativ großem Ruder grundsätzlich gut. Die maximal erzeugten Steuerkräfte der vier untersuchten Ruderanlagen unterschieden sich nur unwesentlich. Die Rudervariante mit Beckerruder und die Dreiflächen-Ruderanlage erzeugten auch noch bei kleinen Anströmgeschwindigkeiten relativ große Querkräfte und waren somit vorteilhaft. 3. Manövrierfähigkeit Bei der Einschätzung der Manövriereigenschaften eines im Projektstadium befindlichen Schiffes auf der Basis von Modellversuchen spielt nicht nur die Frage der Versuchsmethode und der Übertragbarkeit der Versuchsergebnisse auf die Großausführung eine große Rolle sondern auch die Frage nach dem Einfluss der Schiffsform und der Rudergeometrie auf das Manövrierverhalten. Im Zeitraum von 1970 bis 2005 wurden in der SVA u. a. die FuE-Vorhaben Bestimmung der Kenngrößen zur Beurteilung der Steuerbarkeit von Schiffen (1977) [M17], [M18], [M19], Untersuchung des Manövrierverhaltens von Fracht- und Fischereifahrzeugen (1980) [M25], [M26], [M27], Bewegungsverhalten von Schiffen II (1988) [M29], [M30], Einfluss der Heckgestaltung auf das Manövrierverhalten seegehender Frachtschiffe (1994) [M34], [M36], [M37], Systemidentifikation manövrierender Schiffe (2002) [M41] und Entwicklung und Einsatzuntersuchungen für ein hocheffizientes Halbschweberuder anstelle eines Heckstrahlruders für Containerschiffe (2005) [M44] durchgeführt. Im Rahmen von RGW-Themen wurden insbesondere in Zusammenarbeit mit dem BSHC in Varna (Bulgarien), dem CTO in Gdansk (Polen) und der Universität Rostock Vorhaben zur Ermittlung der Manövriereigenschaften von Schiffen im Großausführungsmaßstab und zur Vorhersage des Manövrierverhaltens mit dem Verfahren der Systemidentifikation bearbeitet.

5 3.1 Systemidentifikation Die Systemidentifikation ist ein Verfahren, um das Manövrierverhalten von Schiffsmodellen mit empirischen Bewegungsgleichungen numerisch zu simulieren. Die Koeffizienten der Gleichungen werden aus Messungen mit freifahrenden Modellen ermittelt. Das Verfahren kommt somit ohne Kraftmessungen und ohne PMM (Planar Motion Mechanism)-Anlage aus. Das Schiffsmodell wird in der Schlepprinne speziellen Quellmanövern unterzogen, die Bewegungen und der Zeitverlauf des Ruderwinkels und ggf. weitere Steuersignale werden gespeichert. Die Zeitreihen der Messdaten sind die Eingabedaten für das Systemidentifikationsmodul. Aus den Analysen der Messwerte werden die Koeffizienten bestimmt, die von der Simulationssoftware zur Berechnung der Bewegung des Schiffes genutzt werden. Im Bild 6 ist der Aufbau der Software dargestellt. Bild 6: Aufbau der Software zur Systemidentifikation (2002) [M41] Der Vorteil bei Anwendung der Systemidentifikation liegt darin, dass mit der Bestimmung des mathematischen Modells die Simulation von beliebigen Manövern möglich ist. Auch von Manövern, die aufgrund den Abmessungen in der Schlepprinne der SVA Potsdam nicht möglich sind. Die Möglichkeit Manöver auch lange nach den Versuchen zu simulieren, ist ein weiterer Vorteil. 3.2 Einfluss der Heckform von Containerschiffen auf die Manövriereigenschaften Heckwulst, weit ausgeschnittene Propellerbrunnen und ein breites Spiegelheck, wie sie bei Containerschiffen zur Vermeidung von Schwingungen und zur Erhöhung der Ladekapazität charakteristisch sind, wirken sich ungünstig auf die Gierstabilität des Schiffes aus. Zusammen mit der Universität Rostock wurden im Rahmen des FuE-Vorhabens Einfluss der Heckgestaltung auf das Manövrierverhalten seegehender Frachtschiffe im Zeitraum 1991 bis 1994 umfangreiche Untersuchungen zu dieser Problematik durchgeführt [M34], [M35], [M36]. U. a. wurden Manövrierversuche mit Variation des Heckwulstes und der Gillung sowie mit asymmetrischem Hinterschiff durchgeführt. Weiterhin wurden Totholzflächen zur Verbesserung der Gierstabilität getestet (Bild 7).

6 Bild 7: Totholzflächen zur Verbesserung der Gierstabilität (1995) [M36] Die Erkenntnisse des Vorhabens lassen sich wie folgt zusammenfassen: Bei Schiffen die zu dynamisch gierinstabilen Verhalten neigen, können bereits kleine Änderungen der Form insbesondere im Heckbereich starke Auswirkungen auf die Gierstabilität haben. Ein dicker Heckwulst und ein stark abgerundeter Kiel im Heckbereich verschlechtern die Gierstabilität. Eine ausgeprägte Gillungskante im Hinterschiffsbereich oberhalb des Propellers und eine damit verbundene Verkleinerung des Schraubenbrunnens haben keinen Einfluss auf die dynamische Gierstabilität. Eine wesentliche Verbesserung der Gierstabilität kann durch hinreichend große Totholzflächen am Heck unterhalb der Propellerwelle erreicht werden. Die Manövriereigenschaften des Schiffes hängen im starken Maße vom Beladungszustand ab. 3.3 Übertragbarkeit von Modellversuchsergebnissen auf die Großausführung Eine immer wiederkehrende Frage ist die, wie sich die Ergebnisse der mit einem Schiffsmodell durchgeführten Manövrier- und Stoppversuche auf die Großausführung übertragen lassen. Korrelationsuntersuchungen wurden von der SVA unter anderem für ein Containerschiff durchgeführt [M33]. Die Übereinstimmung der aus den Modellversuchen ermittelten und über das Froudesche Ähnlichkeitsgesetz auf die Großausführung übertragenen Daten mit den Probefahrtsergebnissen des Schiffes war zufrieden stellend (Bild 8). Diese und andere Untersuchungen zeigen, dass die auf Basis von Modellversuchsergebnissen erstellten Prognosen zum Manövrier- und Stoppverhalten von Schiffen eine hinreichende Treffsicherheit aufweisen.

7 Bild 8: Vergleich der Spiralkurven (links) und vom Stoppmanöver (rechts) von Modell und Großausführung (1994) 3.4 Hocheffektive Ruderprofile Die Effektivität eines Ruders in Bezug auf das Steuern bzw. Manövrieren eines Schiffes hängt vor allem von dessen Geometrie ab. Hocheffektive Ruder, d. h. Ruder mit zumeist Hohlflanken-Profilen und Staukeil, waren und sind aktueller Untersuchungsgegenstand bei Industrieaufträgen. Zusammen mit Aker Yards Germany und IBMV Rostock wurden im Rahmen des FuE-Vorhabens Entwicklung und Einsatzuntersuchungen für ein hocheffizientes Halbschweberuder anstelle eines Heckstrahlruders für Containerschiffe umfangreiche Untersuchungen am Beispiel eines Containerfeederschiffs durchgeführt [M44]. U. a. wurden vergleichenden Ruderkraftmessungen (Bild 9), CFD-Berechnungen und Kavitationsversuche durchgeführt. Bild 9: Halbschweberuder Hohlflanken-Profil mit Staukeil (links) und mit NACA-Profil (rechts) (2005)

8 Durch den Einsatz des Halbschweberuders mit Hohlflanken-Profil mit Staukeil ist es gelungen, das Manövrierverhalten des Schiffes gegenüber dem Halbschweberuder mit NACA-Profil zu verbessern. Sowohl bei Betriebsgeschwindigkeit als auch bei An- und Ablegemanövern konnten die Vorteile herausgearbeitet werden. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt den Vergleich der Messungen mit den IMO-Kriterien der IMO-Richtlinie A.751(18), die die Mindeststandards für das Manövrierverhalten von Schiffen größer 100 m angibt. Hier zeigt sich eine zum Teil deutliche Reduzierung der Drehkreisdurchmesser und der Überschwingwinkel für das Schiff mit dem optimierten Halbschweberuder Tabelle 1: Vergleich von Messungen mit dem Modell eines Containerfeederschiffs mit konventionellem und optimiertem Halbschweberuder mit den IMO-Kriterien 10 /10 Z-Manöver Ruder mit NACA-Profil Bb Stb Bb Stb Ruder mit Hohlflanken-Profil mit Staukeil IMO- Grenzwert Weg bis 10 Kursabweichung [ ] 2,09 2,73 1,76 1,79 2,5 1. Überschwingwinkel [ ] 6,33 3,22 7,12 6,89 12,1 2. Überschwingwinkel [ ] 12,06 9,99 8,24 8,65 28,8 20 /20 Z-Manöver 1. Überschwingwinkel [ ] 16,42 14,65 16,25 15,35 25,0 Drehkreis (35 Ruderwinkel) Vorausfahrt [L PP ] 2,64 2,75 1,99 2,17 4,5 Taktischer Durchmesser [L PP ] 4,24 4,00 2,94 3,19 5,0 Stoppversuch Weg [L PP ] 5,28 4,68 15,0 4. Einfluss des Ruders auf die Propulsion 4.1 Abstand Propeller Ruder, Ruderdicke In den 80er Jahren wurde in der SVA Potsdam ermittelt, wie sich Änderungen am Propeller und Ruder sowie ihre Lage zueinander und zum Schiff auf die Propulsionskennziffern von Einschraubenschiffen auswirken. Dazu wurden die Ergebnisse der Untersuchungen der SVA mit zahlreichen Objekten systematisch ausgewertet [M30]. Das unmittelbar hinter dem Propeller angeordnete Ruder erhöht infolge seiner Stauwirkung und der Beeinflussung der Ausbildung der Strahldrehung die Drücke hinter dem Propeller. Dadurch erhöhen sich der Propellerschub und das Drehmoment des Propellers. Hinsichtlich des Gesamtgütegrades der Propulsion ergibt sich aus den SVA-Untersuchungen, dass das Ruder möglichst dicht hinter dem Propeller angeordnet werden sollte. Ein geringer Abstand des Ruders zum Propeller führt auf Grund der Geschwindigkeitsminderung vor dem Ruder und die Schuberhöhung des Propellers zu einer Erhöhung der Nachstrom- und Sogziffer. Der Schiffsgütegrad und der Gütegrad der Anordnung nehmen zu. Bei der Analyse der Propulsionskennwerte sind die Untersuchungsmethoden zu beachten (z. B: Widerstandsversuch mit oder ohne Ruder). Unabhängig von den Untersuchungsmethoden ist jedoch, dass durch die Ruderanordnung die Propulsion geringfügig beeinflusst wird.

9 Mit dem Modell M 822 eines 146 m langen Containerschiffes wurden Propulsionsversuche mit Rudern verschiedener Dickenverhältnisse durchgeführt. Die verschiedenen Ruderprofile sind im Bild 10 dargestellt. Die Kennziffern weisen eine deutliche Abhängigkeit von der Ruderdicke auf. Vom Standpunkt der Propulsion ist die Verwendung eines Ruders mit dem Profil NACA 0015 bis zum Profil NACA 0022 am günstigsten. Bild 10: Einfluss Abstände Propeller Schiff, Propeller Ruder und Ruderdicke auf die Propulsionskennwerte (Anhaltswerte) (1988) 4.2 Propulsionsbeeinflussende Zusatzvorrichtungen im Propellerstrahl Zielstellung von Modellversuchen mit propulsionsbeeinflussenden Zusatzvorrichtungen im Propellerstrahl war die Untersuchung, inwieweit durch Verbesserung der Abstrombedingungen hinter dem Propeller bzw. durch Anbringen zusätzlicher Elemente im Propellerstrahl die Energieverluste (insbesondere die Drallverluste) verringert und die Propulsion verbessert werden kann. Es wurden Freifahrtversuche mit einem Verstellpropeller ohne Ruder mit verschiedenen Ablaufkappen an der Propellernabe und Versuche mit Propeller-Ruder-Anordnungen bei unterschiedlicher Gestaltung des Übergangs zwischen Propellernabe und Profilruder durchgeführt. Weiterhin wurde der Einfluss einer Propulsionsbirne sowie horizontaler Ruderflossen am Ruder untersucht (Bild 11).

10 Propeller ohne Ruder Propeller mit kurzer Ablaufkappe Propeller mit kegelförmigen Übergang zum Ruder Propeller mit zylindrischem Übergang zur Propulsionsbirne am Ruder Propeller mit kegelförmigen Übergang zum Ruder mit Seitenflossen Propeller mit kurzer Ablaufkappe, Ruder mit Seitenflossen Bild 11: Ablaufgestaltung im Propellerstrahl (1986) Charakteristisch für die Ergebnisse der Kraft- und Momentenmessungen (Propellerschub, Drehmoment, Ruderlängskraft) der verschiedenen Propeller-Ruder-Anordnungen war, dass die einzelnen Varianten nur geringfügige Unterschiede aufweisen, die im Rahmen der Messgenauigkeit lagen und daher in ihren Aussagen unsicher waren. Die Untersuchungen zeigten, dass die Vermeidung von Nabentotwasser in Propeller-Ruderanordnungen durch strömungsförmige Übergangselemente von der Propellernabe zum Ruder (Übergangskegel) keine nennenswerten Verbesserungen der Propulsion erbrachten. Bei allen Propeller-Ruder-Anordnungen wurden im Modellversuch Ruderlängskräfte gemessen, die dem Propellerschub entgegenwirken. Dieser Ruderwiderstand wurde teilweise durch die gleichzeitige Erhöhung des Propellerschubes gegenüber Anordnung ohne Ruder wieder aufgehoben. Verbesserungen in der Schubwirkung in der Größenordnung von 1 bis 2% gegenüber der Grundvariante ergaben die Anordnungen Ruder mit Propulsionsbirne sowie Ruder mit Flossen in günstiger Flossenstellung. Im Rahmen des Forschungsvorhabens Optimierte Propulsionssysteme für See- und Binnenschiffe wurden im Teilthema Hydrodynamische Analyse und Modellbildung im Nabenbereich von Propellern" die Arbeiten zur Propulsionsbirne weitergeführt. Zwei Propeller mit unterschiedlicher radialer Lastverteilung wurden in einer Propeller-Ruder-Anordnung mit und ohne Propulsionsbirne am Ruder untersucht (Bild 12).

11 Bild 12: Propeller-Ruder-Anordnung (1993) Die Untersuchungen zeigten, dass der Einsatz von Propulsionbirnen am Ruder sinnvoll ist, wenn die Last am Propeller zur Nabe hin verlagert ist, große Nabendurchmesser verwendet werden und hohe Schubbelastungsgrade des Propellers auftreten. Bei Propellern, deren nabennahe Schnitte stark entlastet sind und bei sehr kleinen Abständen zwischen Ablaufkappe und Ruder ist die Anordnung einer Propulsionsbirne nicht sinnvoll. Die Auslegung der Ruderbirne erfolgt bis heute mehr oder weniger empirisch. Durch systematische numerische Berechnungen im FuE-Vorhaben CFD als Mittel zur Auslegung von Ruderbirnen sollten deshalb Hinweise für den Entwurf von Ruderbirnen ermittelt werden [M39], [M40], [M43]. Für die Berechnungen von Propeller mit Ruder wurden drei Ruderbirnen ausgewählt. Wie üblich wurde der Durchmesser der Propulsionsbirne etwas größer gewählt als der Nabendurchmesser des Propellers, damit durch die größere Strahlaufweitung mehr kinetische Energie über den Druck auf der Ruderbirne in Schub umgewandelt wird. Die Berechnungen der Umströmung des Ruders mit und ohne Propulsionsbirne im Propellerstrahl (Bild 13) wurden im Modell- und Großausführungsmaßstab durchgeführt. Die Reynoldszahl beeinflusst die axiale Umströmung der Propulsionsbirne deutlich, während die tangentiale Geschwindigkeitskomponente relativ unabhängig von der Reynoldszahl ist. Die Tabelle 2 zeigt die Änderung des Gesamtschubes (Propellerschub plus Ruderwiderstand) und des Drehmomentes für die untersuchten PB-Varianten bezogen auf das System Propeller mit Ruder ohne PB. Tabelle 2: Verhältnisse der Koeffizienten des Propellers mit Ruder mit den PB-Varianten Ruder Ruder mit PB Costa 1 Ruder mit PB Costa 2 Ruder mit PB Costa 3 K TGmPB /K TGoPB 1,00 1,032 1,020 1,020 K QmPB /K QoPB 1,00 1,029 1,015 1,015 η mpb /η opb 1,00 1,002 1,006 1,006

12 Ruder Ruder mit PB Costa 1 Ruder mit PB Costa 2 Ruder mit PB Costa 3 Bild 13: Berechnete Geschwindigkeitsvektoren, Reynoldszahl der Großausführung (2004) In einem weiteren Schritt wurden CFD-Berechnungen und Modellversuche zur Untersuchung des Effektes von Propulsionsbirnen an unterschiedlichen Schiffstypen durchgeführt. Für die Untersuchungen wurden je ein schlanker Ein- und Zweischrauber sowie ein völliger Einschrauber ausgewählt. Beim völligen Einschrauber (hoher Schubbelastungsgrad) wurden Propulsionsverbesserungen im Bereich von 4% im Modellversuch und in der CFD-Berechnung nachgewiesen. Beim schlanken Einschrauber und beim Zweischrauber sind die Änderungen im Leistungsbedarf mit und ohne Propulsionsbirne minimal. Mit den einzelnen Modellen wurden Ruderkraftmessungen unter Propulsionsbedingungen, jeweils für die Dienstgeschwindigkeit durchgeführt. Dabei wurde die im Propulsionsversuch ermittelte Propellerdrehzahl eingestellt. Folgende Erkenntnisse konnten gewonnen werden: Es gibt eine Tendenz zu niedrigeren maximalen Auftriebsbeiwerten durch die PB. Die Widerstandsbeiwerte der Ruder mit PB sind teilweise größer als die der konventionellen Ruder, teilweise gleich groß. 5. Kavitationsgefährdung des Ruders Die Kavitationsgefährdung des Ruders wurde in der SVA Potsdam erstmalig 1986 im Auftrag der Peenewerft untersucht. Es dauerte aber noch weitere 10 Jahre bis das Ruder standardmäßig im Versuchsaufbau für Kavitationsversuche berücksichtigt wurde. Die folgenden Fotos (Bild 14 und 15) zeigen die Änderungen im Versuchsaufbau des Kavitationsversuchs.

13 Bild 14: Dummymodell DM 08 ohne Ruder (COT 20) (1994) Bild 15: Dummymodell DM 40S mit Ruder (KRISO Containerschiff) (2004) In den letzten Jahren haben die Antriebsleistungen und Geschwindigkeiten der Schiffe deutlich zugenommen. Dadurch wird die Kavitationsgefährdung des Propellers und des Ruders kritischer. Im Bild 16 sind beispielhaft Kavitationserscheinungen an einem Halbschweberuder dargestellt. Die Kavitationsgefährdung an den Kanten und Öffnungen zwischen Ruderhorn und Ruderblatt sowie die Beaufschlagung des Ruders durch die kavitierenden Spitzenwirbel und den Nabenwirbel ist deutlich sichtbar. Ruderwinkel δ R = 0 Ruderwinkel δ R = 10 Bb Ruderwinkel δ R = 10 Stb Bild 16: Kavitationsgefährdung eines Halbschweberuders bei den Ruderwinkeln δ R = 0 und ±10 (2004)

14 Das Risiko der Eigenkavitation der Ruder lässt sich verringern durch kavitationsarme Profile und eine Rudergeometrie, die an die hydrodynamischen Bedingungen innerhalb des Propellerstrahls besser angepasst ist. Im FuE-Vorhaben Kavitationsarme Profile für Hochleistungsruder wurden im Zeitraum 2003 bis 2004 ausgehend von den bekannten HSVA Mischprofilen MP und MP potenzialtheoretische und viskose Berechnungen zur Optimierung der Druckverteilung der Profile durchgeführt. Im Ergebnis der Berechnungen wurde das Mischprofil MP SVA-22 für weitergehende CFD-Berechnungen und Versuche ausgewählt. Zur Untersuchung des Einflusses eines Fishtails und eines Flaps auf die Kennwerte und die Kavitationseigenschaften wurde das Profil mit einem Fishtail (MP SVA-22 FT) und mit einem Flap (MP SVA-22 Flap) versehen (Bild 17). MP SVA-22 MP SVA-22 FT MP SVA-22 Flap Bild 17: Profil MP SVA-22 ohne und mit Fishtail und Flap (Modellmaßstab) (2004) Die Tabelle 3 zeigt die maximalen Auftriebsbeiwerte und dazugehörigen Ruderwinkel für die drei Ruder mit und ohne Propeller. Der maximale Auftrieb des Ruders mit dem Profil MP SVA-22 wird im Modellversuch durch den Fishtail um ca. 18% und durch das Flap um ca % vergrößert. Tabelle 3: Maximale Auftriebsbeiwerte, Λ = 1,969, R n = 4, Zuströmung Ruder MP SVA-22 MP SVA-22 FT MP SVA-22 Flap homogen C Lmax [ - ] 1,078 1,261 1,583 δ Rmax [ ] 22,06 22,07 25,59 C Lmax [%] inhomogen C Lmax [ - ] -1,113-1,319-1,559 P 1356 δ Rmax [ ] -30,00-30,000-25,50 C TH = 0,85 C Lmax [%] inhomogen C Lmax [ - ] 1,062 1,193 1,684 P 1356 δ Rmax [ ] 30,00 30,00 29,50 C TH = 0,85 C Lmax [%] Ein Schwerpunkt der Untersuchungen bestand im Studium der Kavitationseigenschaften der Profile und Ruder in homogener Anströmung und im Propellerstrahl. Im Modellversuch ergab sich an der Profilseite in homogener Anströmung eine Verringerung der Kavitationsgefährdung, bezüglich der Blasen- und Schichtkavitation, bei Anwendung eines Fishtails oder Flaps (Bild 18). Beachtet werden musste jedoch die Kavitationsgefährdung am Fishtail (Kavitation an der Austrittskante) und am Flap (Wirbelkavitation).

15 σvruder [-] 6 5 Kavitationsgrenzen Blasen- und Schichtkavitation am Ruder MP SVA-22, MP SVA-22 FT, MP SVA-22 Flap homogene Anströmung _ MP SVA-22 MP SVA-22 FT MP SVA-22 Flap 1 Λ = c L [-] Bild 18: Kavitationseinsatz für Blasen- und Schichtkavitation, homogene Anströmung Ruder MP SVA-22, MP SVA-22 FT, MP SVA-22 Flap, Λ = 1,969 (2004) Das Ruder mit Flap zeigte auch im Propellerstrahl die geringste Kavitationsgefährdung an der Profilseite hinsichtlich Blasen- und Schichtkavitation. Die Ruder MP SVA-22 und MP SVA-22 FT unterschieden sich bei kleinen Ruderwinkeln nur geringfügig im Kavitationseinsatz. Bei größeren Ruderwinkeln wies das Ruder mit dem Fishtail einen späteren Kavitationseinsatz auf (Bild 19). σvruder [-] 7 6 Kavitationsgrenzen Blasen- und Schichtkavitation am Ruder MP SVA-22, MP SVA-22 FT, MP SVA-22 Flap Ruder im Propellerstrahl _ P 1356 / MP SVA-22 P 1356 / MP SVA-22 FT P 1356 / MP SVA-22 Flap Λ = c L [-] Bild 19: Kavitationseinsatz für Blasen- und Schichtkavitation, Ruder im Propellerstrahl Ruder MP SVA-22, MP SVA-22 FT, MP SVA-22 Flap, Λ = 1,969 (2004)

16 6. CFD-Berechnungen Die SVA arbeitet seit über 15 Jahren auf dem Gebiet der numerischen Hydrodynamik. Die erste viskose Berechnung der Umströmung des Ruders in Verbindung mit dem arbeitenden Propeller ist im Rahmen des FuE-Vorhabens Berechnung der instationären Umströmung von Schiff, Propeller, Ruder im Jahr 2000 realisiert worden [M38]. Systematische CFD-Berechnungen wurden u. a. im Vorhaben CFD als Mittel zur Auslegung von Ruderbirnen [M39], [M40] sowie im Auftrag von Ruderherstellern in den letzten Jahren durchgeführt. Im Folgenden sollen Berechnungsergebnisse aus dem FuE-Vorhaben Kavitationsarme Profile für Hochleistungsruder vorgestellt werden. Reynoldszahleffekte Die Widerstands- und Auftriebsbeiwerte der Ruder werden durch die Reynoldszahl stark beeinflusst. Im Bild 20 ist die berechnete Umströmung der Profile MP SVA-22, MP SVA-22 FT und MP SVA-22 Flap beim Anstellwinkel 12 für die Reynoldszahlen 7, und dargestellt. Im Modellmaßstab ist bei den drei Profilen Ablösung zu verzeichnen. Bei der Reynoldszahl tritt beim Profil MP SVA-22 keine Ablösung mehr auf, beim Profil MP SVA-22 FT ist hinter dem Fishtail eine Verwirbelung der Strömung sichtbar. Beim Profil mit dem Flap tritt auch bei der Reynoldszahl Ablösung auf. MP SVA-22 R nm = 7, MP SVA-22 R ns = MP SVA-22 FT R nm = 7, MP SVA-22 FT R ns = MP SVA-22 Flap R nm = 7, MP SVA-22 Flap R ns = Bild 20: Geschwindigkeitsvektoren für 12, Profile MP SVA-22, MP SVA-22 FT, MP SVA-22 Flap, Modell und Großausführungsmaßstab (2004)

17 Die Tabelle 4 zeigt die Berechnungsergebnisse zum Reynoldszahleinfluss. Es wird deutlich, dass bei den untersuchten Reynoldszahlen der Profilwiderstand um bis zu 50% verringert wird und der Auftrieb sich um bis zu 40% vergrößert. Weitere systematische Berechnungen für Ruder im Propellerstrahl sind notwendig. Tabelle 4: Berechnete Reynoldszahl Effekte für die Profile MP SVA-22, MP SVA-22 FT, MP SVA-22 Flap, Λ =, R nm = 7,5 10 5, R ns = Profil MP SVA-22 MP SVA-22 FT MP SVA-22 Flap Winkel C DS /C DM C LS /C LM C DS /C DM C LS /C LM C DS /C DM C LS /C LM [ ] [ - ] [ - ] 0,0 0,600 1,000 0,600 4,0 0,588 1,082 1,000 0,938 0,579 1,185 8,0 0,625 1,168 1,000 0,956 0,613 1,206 12,0 0,524 1,315 0,750 1,142 0,492 1,301 16,0 0,559 1,334 0,472 1,343 0,518 1,236 20,0 0,496 1,425 0,438 1, Kavitationsberechnungen Für die Ruder MP SVA-22, MP SVA-22 FT und MP SVA-22 Flap, homogen angeströmt bzw. hinter einem arbeitenden Propeller, wurden für ausgewählte Betriebspunkte (Ruderwinkel, Propellerdrehzahl, Kavitationszahl) Berechnungen der viskosen Strömung mit Modellierung der Kavitation vorgenommen. Die CFD-Berechnungen (Bilder 21 und 22) zeigen, dass der Kavitationseinsatz und der Ort der Kavitationsgefährdung mit guter Genauigkeit prognostiziert werden können. Der Charakter der Kavitation und davon abhängend auch die erosive Wirkung der Kavitation kann zur Zeit nur in Ansätzen prognostiziert werden. δ R = 3, σ VR = 0,962 Bild 21: Kavitation am Ruder MP SVA-22 im Propellerstrahl, δ R = 3, C L = 0,073, σ VR = 1,32, R n = 9, (2004)

18 δ R = -3, σ VR = 1,595 Bild 22 : Kavitation am Ruder MP SVA-22 FT im Propellerstrahl, δ R = -3, C L = -0,234, σ VR = 1,696, Rn = 9, (2004) 7. Zusammenfassung Das Ruder stellt eine der wichtigsten Einrichtungen an Bord eines Schiffes dar. Das Ruder hat primär die Aufgabe, Kursänderungen zu bewirken und das Kurshalten des Schiffes zu gewährleisten. Durch die Anordnung des Ruders im Propellerstrahl beeinflusst es die Propulsion des Schiffes. Die Entwicklung im Schiffbau zu größeren Leistungen und Geschwindigkeiten bringt neue Anforderungen an den Entwurf und die Ausführung von Rudern. Aspekte der Kavitationsgefährdung und Schwingungserregung sowie die Anpassung des Ruders an die Zuströmbedingungen gewinnen an Gewicht. In der Entwicklung der SVA Potsdam standen u. a. Mitarbeiter wie Gutsche, Schroeder, Labes, Koslowski, Schmidt, Weede und Maksoud für die Integration des Ruders in die Fachgebiete Manövrieren, Propulsion und Kavitation im schiffbaulichen Versuchswesen. Mit vielfältigen Entwicklungen wurden in den letzten Jahrzehnten die Grenzen der eigentlich für Manövrierversuche zu schmalen Schlepprinne der SVA immer weiter verschoben. Mit den entwickelten Messsystemen (Laser-Ortungsverfahren, Ruderwaagen, Schrägschleppanlage, ), Versuchsmethoden, Umrechnungsverfahren sowie der Systemidentifikation und den CFD-Verfahren verfügt die SVA heute über die notwendigen Werkzeuge um auch in Zukunft aktiv an der Entwicklung von Rudern im Speziellen und Steuersystemen im Allgemeinen mitwirken zu können. Der kontinuierlichen Forschung und Entwicklung in den Fachgebieten Manövrieren und Propulsion stellt dabei eine wichtige Komponente dar, um für die Zukunft gut gerüstet zu sein. Danksagung Die Autoren bedanken sich bei dem Bundsministerium für Bildung und Forschung und dem Bundsministerium für Wirtschaft und Arbeit für die Förderung von Forschungsprojekten in den letzten Jahren zur Problematik Manövrieren und Ruderentwicklung. Besonderer Dank gilt auch den Firmen, die durch ingenieurtechnische Zuarbeiten und praxisbezogene Analysen die Bearbeitung der unterschiedlichen FuE-Vorhaben unterstützten.

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