Technische Universität Berlin Institut für Land- und Seeverkehr Fachgebiet Dynamik Maritimer Systeme Prof. Dr.-Ing. Andrés Cura Hochbaum

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1 Technische Universität Berlin Institut für Land- und Seeverkehr Fachgebiet Dynamik Maritimer Systeme Prof. Dr.-Ing. Andrés Cura Hochbaum Untersuchung der Tauglichkeit von gedruckten Modellpropellern für Standardversuche im Schiffbau Bachelorarbeit Von: Stefan Fiedler Matr.-Nr.: Berlin, Betreuender Professor TU Berlin: Prof. Dr.-Ing. Andrés Cura Hochbaum Betreuender Assistent TU Berlin: Dipl. Ing. Christian Eckl

2 Bachelorarbeit 2

3 Eidesstattliche Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und eigenhändig sowie ohne unerlaubte fremde Hilfe und ausschließlich unter Verwendung der aufgeführten Quellen und Hilfsmittel angefertigt habe. Berlin, den (Unterschrift) Bachelorarbeit 3

4 Inhaltsverzeichnis Verwendete Abkürzungen und Formelzeichen... 6 Abbildungsverzeichnis Einleitung Grundlagen eines Schiffspropellers Funktionsweise Parameter eines Propellers Formeln zur Berücksichtigung der Maßstabseffekte Froude Zahl Reynolds Zahl Nachstromfeld Kavitation Herstellung Standardversuche im Schiffbau Freifahrtversuch Freifahrtdiagramm Fortschrittsgrad Schubbeiwert und Drehmomentbeiwert Kavitationsversuch Propulsionsversuch Manövrierversuch Auslegung eines Propellers Rapid Prototyping D-Druck Selektives Lasersintern Extrusionsverfahren Propellermodell CAD-Modell Fertigung Stabilisierung des Propellers Versuche Versuchsdurchführung Auswertung der Versuche Versuch Bachelorarbeit 4

5 7.2.2 Versuch Versuche 3, 4 und Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Inhalt der beigefügten DVD Anhang Bachelorarbeit 5

6 Verwendete Abkürzungen und Formelzeichen Abkürzung Bezeichnung 3D dreidimensional CAD Computer Aided Design ca. circa CFD Computational Fluid Dynamics CNC computergestützte numerische Steuerung DIN Deutsches Institut für Normung FEM Finite-Elemente-Methode FG Fachgebiet ISO International Organization for Standardization s. siehe STEP Standard for the Exchange of Product model data TU Technische Universität Formelzeichen Bezeichnung Einheit J 0 Fortschrittsgrad - v a Anströmgeschwindigkeit m/s n Drehzahl 1/s D Propellerdurchmesser m K T Schubbeiwert - T Schub N ρ Dichte kg/m 3 Fn Froude Zahl - v Geschwindigkeit m/s g Erdbeschleunigung m/s 2 l charakteristische Länge der Froude Zahl m Re Reynolds Zahl - d charakteristische Länge der Reynolds Zahl m ν kinematische Viskosität m 2 /s K Q Drehmomentenbeiwert - Q Drehmoment Nm Bachelorarbeit 6

7 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Vergleich verschiedener Flügelformen bei verändertem Flächenverhältnis [3] Abbildung 2: Hang eines Flügels [1] Abbildung 3: Flügelrücklage [1] Abbildung 4: Ganghöhe eines Propellers (p/2) und Anstellwinkel des Flügels (ϕ) [1] Abbildung 5: Parameter einer Profilgeometrie mit oben liegender Saugseite und unten liegender Druckseite [1] Abbildung 6: Vergleich zweier Nachstromfelder, links ein sehr schlechtes und rechts ein gutes Nachstromfeld [2] Abbildung 7: Kavitationsdiagramm [1] Abbildung 8: Propeller mit Bohrungen Abbildung 9: Schleifen eines Propellers ( Zugriff ) Abbildung 10: Anströmung des Propellers (Prof. Dr.- Ing. Nikolai Kornev, Universität Rostock) Abbildung 11: Versuchsaufbau des K Abbildung 12: Freifahrtdiagramm des Referenzpropellers Abbildung 13: Versuchsaufbau eines Propulsionsversuchs [4] Abbildung 14: Schematische Darstellung des 3D-Drucks [9] Abbildung 15: Schematische Darstellung des selektiven Lasersinterns [9] Abbildung 16: Schematische Darstellung des Extrusionsverfahrens [10] Abbildung 17: Flächenmodell des Referenzpropellers Abbildung 18: Auskonstruiertes Modell des 240 mm Propellers Abbildung 19: Wanddickenberechnung (80 mm Propeller) Abbildung 20: Propeller mit verstärkten Flügeln Abbildung 21: Verwendete Sintermaschine FORMIGA P Abbildung 22: Versteifter Propeller (Durchmesser 160 mm) Abbildung 23: Propeller mit gekennzeichneten Flügeln und überstehenden Karbonstreifen nach der Reparatur Abbildung 24: Vergleich zwischen unbelastetem (links) und belastetem (rechts) Zustand des 80 mm Propellers Abbildung 25: Freifahrtdiagramm des ersten Versuchs mit J als Fortschrittsgrad, KT als Schubbeiwert, 10KQ der zehnfache Drehmomentbeiwert und ETA0 als Wirkungsgrad; 2 m/s Anströmungsgeschwindigkeit Abbildung 26: Vergleich zwischen unbelastetem (links) und belastetem Zustand (rechts, J=0,6) des 160 mm Propellers Abbildung 27: Vergleich zwischen unbelastetem (links) und maximal belastetem Zustand (rechts) des 160 mm Propellers Abbildung 28: Freifahrtdiagramm des zweiten Versuchs mit J als Fortschrittsgrad, KT als Schubbeiwert, 10KQ dem zehnfachen Drehmomentbeiwert und ETA0 als Wirkungsgrad; 3 m/s Anströmungsgeschwindigkeit Abbildung 29: Freifahrtdiagramm des Referenzpropellers mit J als Fortschrittsgrad, KT als Schubbeiwert, 10KQ dem zehnfachen Drehmomentbeiwert und ETA0 als Wirkungsgrad; ETA0_V2 ist der Wirkungsgrad und KT_V2 der Schubbeiwert des getesteten Propellermodells bei 3 m/s Anströmungsgeschwindigkeit Abbildung 30: Beschädigung sowie Ablösung der Versteifung an drei Flügeln (160 mm Propeller) Bachelorarbeit 7

8 Abbildung 31: Vergleich der Schubbeiwerte des zweiten (blau) und dritten (rot) Versuchs Abbildung 32: Vergleich zwischen versteiftem und nicht versteiftem Modell bei maximaler Belastung Abbildung 33: Vergleich der Schubbeiwerte des zweiten (schwarz), vierten (grün) und fünften (blau) Versuchs, sowie der Schubbeiwert des Referenzpropellers (rot) Abbildung 34: Vergleich der Schubbeiwerte des zweiten (schwarz), dritten (rot), vierten (grün) und fünften (blau) Versuchs bei Belastung Abbildung 35: Vergleich der Schubbeiwerte des fünften Versuchs (blau) mit dem anschließenden automatischen Messdurchlauf (rot) Bachelorarbeit 8

9 1 Einleitung Bei der Entwicklung moderner Schiffspropeller nehmen Modellversuche eine zentrale Rolle ein. Die verwendeten Modellpropeller werden üblicherweise aus Metall gegossen und anschließend noch bearbeitet. Diese Herstellungsart ist sehr teuer und findet vorwiegend in der Industrie Anwendung. Um die Fertigungskosten von Modellpropellern erheblich zu senken, werden im Rahmen dieser Arbeit Modellpropeller mit Hilfe eines Rapid Prototyping Verfahrens gefertigt. Diese Modelle werden anschließend durch Freifahrtversuche auf Verwendbarkeit als Modellpropeller untersucht. Aufgrund der wesentlich geringeren Fertigungskosten für die Modelle ermöglicht das Verfahren auch den Einsatz in der Lehre, da Testversuche von Studentinnen und Studenten an selbst entworfenen Modellen mit vertretbarem Aufwand durchgeführt werden können. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad eines Propellers zu erhalten, ist die Anpassung des Propellers an den Schiffsrumpf erforderlich. Für jedes Schiff ist daher die Neuentwicklung des Propellers notwendig, was eine Serienfertigung ausschließt. Die Entwicklung der Propeller findet heutzutage zum großen Teil mit Hilfe von CFD-Simulationen statt. Mit Hilfe dieser Methode lässt sich die Leistungsfähigkeit der Propeller berechnen. Dabei sind auch in der heutigen Zeit Versuche unerlässlich, um die Simulation mit den experimentellen Ergebnissen abzugleichen. Dieser Abgleich ist auch für die ständige Verbesserung der Simulationen notwendig. Da moderne Schiffspropeller einen Durchmesser von bis zu zehn Metern haben können, sind Versuche im Maßstab 1:1 nicht realisierbar. Daher werden diese Versuche mit Hilfe von Modellpropellern in verkleinertem Maßstab durchgeführt, welche die gleiche Geometrie wie die entsprechenden Schiffspropeller aufweisen. Bachelorarbeit 9

10 2 Grundlagen eines Schiffspropellers 2.1 Funktionsweise Der Propeller verwandelt die Rotationsbewegung des Motors in die translatorische Bewegung des Schiffes. Um die Leistung des Motors möglichst effektiv in Vortrieb umzuwandeln, ist es wichtig, Propeller mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zu entwickeln. Der Propeller an sich erzeugt den Schub, indem zwei oder mehr Tragflügelprofile um eine Welle rotieren. Diese Profile wirken wie die Tragflügel eines Flugzeuges. Durch die unterschiedliche Wölbung von Druck und Saugseite (s. Abbildung 5) wird die Strömung auf der Saugseite beschleunigt und auf der Druckseite abgebremst. Nach Bernoulli nimmt der Druck mit steigender Geschwindigkeit ab. Aus diesem Grund entsteht ein Druckunterschied zwischen den beiden Seiten [1]. Die Kraft, welche bestrebt ist, den Druckunterschied auszugleichen, ist der Auftrieb des Flügels. Allerdings wirkt in diesem Fall der Auftrieb nicht nach oben, wie es bei Tragflügeln der Flugzeuge der Fall ist, sondern in Fahrtrichtung des Schiffes. 2.2 Parameter eines Propellers Die geometrischen Parameter eines Propellers sind in der ISO festgelegt. Mit Hilfe dieser Norm ist es möglich, sämtliche Propeller eindeutig zu definieren. Die wichtigsten Parameter lauten: Propellerdurchmesser, Flächenverhältnis, Hang (Rake), Flügelrücklage (Skew), Steigung (Pitch), Flügelanzahl, Nabendurchmesser und Flügelprofil. Im Folgenden werden die einzelnen Parameter näher erläutert. Propellerdurchmesser (D): Der Durchmesser sollte möglichst groß gewählt werden, da auf diese Weise der Wirkungsgrad erhöht werden kann. Allerdings ist darauf zu achten, dass der Propeller einen Mindestabstand zum Schiffsrumpf nicht unterschreitet. Das ist wichtig, damit sich die Schwingungen des Propellers nicht auf das Schiff übertragen. Die Folgen von solchen Schwingungen im Schiff wären zum einen erhöhte Belastungen für den Schiffsrumpf, sowie für die Aufbauten. Zum anderen wäre die Lärmbelästigung der Schiffsbesatzung sehr hoch. Aus diesem Grund sollte der Freischlag (Abstand zur Außenhaut des Schiffes) bei Handelsschiffen 0,3D nicht unterschreiten [2]. Bei Kreuzfahrtschiffen wird der Freischlag im Allgemeinen noch höher gewählt, um einen besseren Komfort zu erreichen. Flächenverhältnis ( A E A 0 ): Das Flächenverhältnis ist der Quotient aus der abgewickelten Propellerfläche (A E ) und der Kreisfläche des Propellers (A 0 ). Dies gibt die Fläche der Flügel im Verhältnis zur Kreisfläche des Propellers an. Es Bachelorarbeit 10

11 wird aus zwei Gründen versucht, diesen Wert möglichst klein zu halten. Zum einen besitzen schlanke Profile (große Spannweite bei kleiner Sehnenlänge) einen besseren Wirkungsgrad (s. Segelflugzeuge), zum anderen lässt sich auf diese Weise Material einsparen. In Abbildung 1 ist deutlich zu erkennen, dass mit einem steigenden Flächenverhältnis die Flügel größer ausfallen. Das ist für den Preis des Propellers mitentscheidend, da sich der Preis fast proportional zur Masse des Propellers verhält. Allerdings wird ein Mindestflächenverhältnis gebraucht, um die Flügelbelastung nicht zu groß werden zu lassen. Des Weiteren entstehen an sehr schlanken Profilen sehr große Druckgradienten, da hier kurze aber sehr stark gewölbte Profile verwendet werden. Das führt zu einer sehr hohen Kavitationsgefahr. Aus diesem Grund kann sich bei hochbelasteten Propellern eine Erhöhung des Flächenverhältnisses auch positiv auf den Wirkungsgrad auswirken, da dadurch lokale Extrempunkte besser über den Flügel verteilt werden und die Kavitation somit verringert wird [2]. In Extremfällen kann das Flächenverhältnis sogar größer als eins sein (z.b. bei Containerschiffen). A E A 0 = 0,40 A E A 0 = 0,55 A E A 0 = 0,70 Abbildung 1: Vergleich verschiedener Flügelformen bei verändertem Flächenverhältnis [3] Hang (engl. Rake): Der Hang gibt an, in welchem Winkel die Flügel nach hinten (positiver Wert, s. Abbildung 2) oder vorne (negativer Wert) angestellt sind. Bei Handelsschiffen ist ein Hang von 8 bis 12 die Regel. Mit Hilfe dieses Anstellwinkels ist es möglich, den Abstand zum Schraubensteven zu vergrößern, ohne die Antriebswelle verlängern zu müssen. Bachelorarbeit 11

12 Abbildung 2: Hang eines Flügels [1] Flügelrücklage (engl. skew): Die Flügelrücklage beschreibt die Rücklage des Flügels entgegen der Drehrichtung (s. Abbildung 3). Moderne Propeller haben fast alle eine stark ausgeprägte Flügelrücklage. Der Grund hierfür liegt vor allem an den Schub- und Drehmomentschwankungen beim Durchschlagen der Nachstromdelle. Durch die Flügelrücklage schlägt nicht der ganze Flügel auf einmal in die Nachstromdelle, sondern durchläuft diese über den Radius hin versetzt. Auf diese Weise werden die Schwankungen verringert und über einen größeren Drehwinkelbereich aufgeteilt. Auch die mechanische Belastung des Flügels beim Durchschlagen der Nachstromdelle verringert sich. Zudem wird die Entstehung von Kavitation insgesamt verringert, gleichzeitig aber auch instabiler. Außerdem wird die Flügelwurzel zusätzlich durch ein Moment belastet, und die Spannungszustände am Flügel werden recht komplex, wodurch die Berechnung durch FEM fast unumgänglich ist [2]. Abbildung 3: Flügelrücklage [1] Bachelorarbeit 12

13 Steigung (P; engl. Pitch): Die Steigung definiert die Ganghöhe der äquivalenten Schraubenbahn (s. Abbildung 4) und ist eine der wichtigsten Größen für die Auslegung eines Propellers. Die Steigung verändert sich mit dem Radius. Das liegt hauptsächlich an der Vermeidung von Kavitation. Daher wird die Steigung vor allem an der Flügelwurzel und an den Flügelspitzen zurückgenommen. Diese beiden Stellen sind besonders kavitationsanfällig. An der Wurzel herrschen durch das dicke Profil hohe Druckunterschiede, wodurch leicht instationäre Kavitation entsteht. Das hätte Erosion an einer mechanisch stark belasteten Stelle zur Folge, wodurch im Extremfall sogar ein Abbrechen des Flügels möglich wäre. An den Flügelspitzen muss die Steigung verringert werden, da hier besonders hohe Umfangsgeschwindigkeiten vorliegen. Das hat ebenfalls verstärkte Druckunterschiede und somit Kavitation zur Folge. Als Referenzwert wird in der Regel die Stelle bei 0,7*Radius verwendet, da dort die Belastung des Flügels am größten ist. Um den Wirkungsgrad möglichst hoch zu halten, wird versucht, eine möglichst große Steigung zu wählen, da auf diese Weise die Drehzahl bei gleichem Schub herabgesetzt wird. Allerdings ist das nur realisierbar, wenn die niedrigeren Drehzahlen mit dem verwendeten Antriebskonzept möglich sind [2]. Abbildung 4: Ganghöhe eines Propellers (p/2) und Anstellwinkel des Flügels (ϕ) [1] Flügelzahl (Z): Die Flügelanzahl sollte so klein wie möglich gehalten werden, da dadurch die Reibung verringert werden kann, was einen Anstieg des Wirkungsgrades zur Folge hat. Andererseits hat die Anzahl der Flügel Auswirkungen auf das Vibrationsverhalten. Je mehr Flügel verwendet werden, desto gleichmäßiger arbeitet der Propeller im Nachstrom [2]. Außerdem ist bei der Wahl der Flügelanzahl Bachelorarbeit 13

14 auf die Zylinderanzahl der Antriebsmaschine zu achten. Der Quotient aus Zylinderanzahl und Flügelanzahl sollte nicht ganzzahlig sein, da es sonst zu Erregung von Eigenfrequenzen kommen kann. Nabendurchmesserverhältnis ( d H D ): Das Nabendurchmesserverhältnis soll so klein wie möglich gehalten werden, da die Nabe selbst nicht zum Vortrieb beiträgt. Der Durchmesser der Nabe (d H ) ergibt sich im Allgemeinen aus Festigkeitsgründen und beträgt bei Festpropellern in der Regel 18% - 20% des Propellerdurchmessers [2]. Profilgeometrie: Die Profilgeometrie wird bestimmt von Wölbung (f), Profiltiefe (b), Profildicke (t), Skelettlinie (gestrichelte Linie) und der Sehne (Abszissenachse) (s. Abbildung 5). Die Form des Profils trägt maßgeblich zur Schuberzeugung bei. Durch die Wölbung entsteht auf der stärker gekrümmten Seite ein Unterdruck (Saugseite) und auf der Druckseite ein Überdruck, wie in Kapitel 2.1 erläutert. Zu stark gewölbte Profile neigen allerdings zu Kavitation, da aufgrund der starken Wölbung der Druck auf der Saugseite sehr klein wird. Stärker gewölbte Profile können aber verwendet werden, um Verluste durch eine kleine Steigung auszugleichen [2], dies geschieht meist an der Flügelwurzel. Zudem kann mit dieser Methode versucht werden, Kavitation an der Profilvorderkante zu verringern bzw. ganz zu vermeiden, da durch die Rücknahme des Anstellwinkels lokale Druckminima an der Vorderkante verringert werden [2]. Ähnlich wie bei der Steigung ändert sich auch die Profilgeometrie über den Radius. So nimmt die Profildicke nach außen hin immer weiter ab, um die Festigkeit der Flügel zu gewährleisten. Daher ist das Flügelprofil an der Flügelwurzel besonders dick zu wählen (an dieser Stelle ist das Biegemoment am Flügel am größten), hierbei muss aber zwingend auf mögliche Wurzelkavitation geachtet werden. Da diese fast immer erosiv ist, gilt es, diese unter allen Umständen zu vermeiden. Generell werden die Profile möglichst dünn gestaltet, da dies den Wirkungsgrad günstig beeinflusst. Saugseite Druckseite Abbildung 5: Parameter einer Profilgeometrie mit oben liegender Saugseite und unten liegender Druckseite [1] Bachelorarbeit 14

15 2.3 Formeln zur Berücksichtigung der Maßstabseffekte Die Formeln zur Berücksichtigung der Maßstabseffekte werden für Modellversuche benötigt. Mit Hilfe dieser bekannten Formeln ist es möglich, Strömungsphänomene von kleinen Modellversuchen auf die Großausführung zu übertragen Froude Zahl Die Froude Zahl (Fn) ist eine Ähnlichkeitskennzahl bezogen auf die Trägheitskraft. Die Formel zur Berechnung lautet: Fn= v g l wobei v die Geschwindigkeit, g die Erdbeschleunigung und l die charakteristische Länge ist. Wenn bei der Modellausführung die gleiche Froude Zahl herrscht wie bei der Großausführung, dann sind auch die Trägheitskräfte bezogen auf den jeweiligen Maßstab identisch [4] Reynolds Zahl Die Reynolds Zahl (Re) ist eine Ähnlichkeitskennzahl bezogen auf die Zähigkeitskraft (Reibung). Die Formel zur Berechnung lautet: Re= v d ν hierbei wird die charakteristische Länge mit d definiert und ν gibt die kinematische Viskosität des Wassers an. Wenn bei der Modellausführung die gleiche Reynolds Zahl herrscht wie bei der Großausführung, dann sind auch die Zähigkeitskräfte bezogen auf den jeweiligen Maßstab identisch. Aufgrund der physikalischen Zusammenhänge ist es nicht möglich, beide Kennzahlen bei Modellversuchen einzuhalten. Zum einen ist die Viskosität nicht beeinflussbar (alle Versuche finden im Wasser statt), zum anderen lässt sich auch die Strömungsgeschwindigkeit nur in Grenzen erhöhen. In der Schiff- und Meerestechnik wird in der Regel die Froude sche Ähnlichkeit eingehalten, da die Trägheitskräfte meist dominieren. Das hat zur Folge, dass die Reibung bei Modellversuchen stärker ausgeprägt ist als in der Großausführung. Daher haben Modelle einen etwas niedrigeren Wirkungsgrad als die Großausführung [4]. 2.4 Nachstromfeld Beim Nachstromfeld handelt es sich um das Strömungsfeld in der Propellerebene, das die Arbeitsumgebung des Propellers ist. Für einen guten Wirkungsgrad des Propellers ist ein möglichst homogenes Nachstromfeld nötig (s. Abbildung 6 rechte Seite). Dieses verringert Druckschwankungen am Flügel, senkt somit die Kavitationsbildung. Hierbei ist besonders die Nachstromdelle zu beachten (violetter Bereich, bei Einschraubern bei 12 Uhr). Bei schlechten Nachstromfeldern (vgl. Abbildung 6 linke Seite) ist es auch für einen erfahrenen Propellerentwerfer nicht möglich, einen guten Propeller Bachelorarbeit 15

16 zu entwerfen. Zudem ist es vorteilhaft, wenn der Propeller mit einer niedrigen Anströmgeschwindigkeit (große Nachstromzahl) betrieben wird, da auf diese Weise der Wirkungsgrad des Propellers angehoben wird [4]. Das ist aber nur bedingt realisierbar, da hierdurch der Widerstand des Rumpfes erhöht wird, was den Gesamtwirkungsgrad des Schiffes unter Umständen verschlechtern kann. Da jeder Schiffsrumpf ein eigenes Nachstromfeld erzeugt, wird auch jedes Mal eine neue Propellergeometrie benötigt. Abbildung 6: Vergleich zweier Nachstromfelder, links ein sehr schlechtes und rechts ein gutes Nachstromfeld [2] nominelles Nachstromfeld Prinzipiell wird zwischen dem nominellen und effektiven Nachstromfeld unterschieden. Das nominelle Nachstromfeld entsteht, wenn nur der Rumpf ohne Propeller berücksichtigt wird. Dieses Nachstromfeld kann mit Schleppversuchen experimentell bestimmt werden, indem anstelle des Propellers Drucksensoren angebracht werden. Aus dem vorherrschenden Druckfeld kann dann das Nachstromfeld in der Propellerebene bestimmt werden. effektives Nachstromfeld Beim effektiven Nachstromfeld wird der Rumpf in Verbindung mit dem Propeller und Ruder betrachtet. Somit bildet das effektive Nachstromfeld die eigentliche Arbeitsumgebung des Propellers ab. Allerdings kann das effektive Nachstromfeld nur unter Benutzung aufwändiger Lasermessverfahren in Schleppversuchen [5], oder muss mittels CFD-Rechnung bestimmt werden. Um gute Ergebnisse erzielen zu können, erfordert es allerdings einen großen Erfahrungsschatz [3]. Für den Propellerentwurf wird das nominelle Nachstromfeld verwendet, da dieses mit Hilfe des Schleppversuches genauer und einfacher bestimmt werden kann als das effektive Nachstromfeld. Bachelorarbeit 16

17 2.5 Kavitation Bei Kavitation handelt es sich um die Entstehung von Dampfblasen im Wasser. Diese Blasen bilden sich beim Unterschreiten des Dampfdrucks. Bei Propellern handelt es sich dabei um kaltes Sieden, welches durch den erzeugten Unterdruck verursacht wird. Zudem wird Kavitation durch Keime begünstigt, das sind kleine Luft- oder Dampfblasen, sowie Verunreinigungen im Wasser. An diesen Keimen wachsen die Dampfblasen. Der Dampfdruck hängt von der Temperatur, dem Luftsättigungsgrad und der Anzahl der Keime im Fluid ab [1]. Da der Druck im oberen Bereich des Propellers immer am niedrigsten ist (geringster Staudruck des Wassers oberhalb des Propellers), tritt in der 12 Uhr Stellung in der Regel immer zuerst Kavitation auf. Durch Kavitation können verschiedene Nachteile entstehen, die bedeutendsten sind Schub- und Wirkungsgradverluste, Vibrationen, Geräuschbildung und mögliche Schäden an Ruder und Propeller [4]. Um abschätzen zu können, wo und ob Kavitation am Flügel auftritt, kann das Kavitationsdiagramm (Abbildung 7) zu Hilfe genommen werden. Das Diagramm stellt die Abhängigkeit des minimalen Druckbeiwertes vom Anstellwinkel dar und ist in der Regel korbförmig. Um Kavitation zu vermeiden, werden Anstellwinkel und Anströmgeschwindigkeit so gewählt, dass das Profil im kavitationsfreien Bereich liegt. Zusätzlich lässt sich aus dem Diagramm ablesen, an welcher Stelle des Profils Kavitation zu erwarten ist, falls der kavitationsfreie Bereich verlassen wird. Abbildung 7: Kavitationsdiagramm [1] 2.6 Herstellung Die Schiffspropeller der Handels- und Marineschiffe werden ausschließlich im Gussverfahren hergestellt. Dabei werden Sandgussformen verwendet. Nach dem Guss werden die Propeller auf Bachelorarbeit 17

18 Maßhaltigkeit kontrolliert, um Abweichungen von der Sollgeometrie festzustellen. Anschließend werden die Außenkonturen der Flügel mit Hilfe von CNC-Fräsen gefräst. Danach wird die Sollgeometrie der Propellerflügel durch eine Vielzahl an Bohrungen festgelegt (s. Abbildung 8). Mit Hilfe dieser Bohrungen sind die Schleifer in der Lage, die geforderte Geometrie des Propellers herauszuarbeiten. Die Propeller werden zuerst mit handgesteuerten Schleifrobotern (s. Abbildung 9) geschliffen. Die letzten Schleifarbeiten erfolgen allerdings auch heute noch per Hand und erfordern hochqualifizierte Mitarbeiter. Bei diesen Schleifarbeiten werden zusätzlich zu den Bohrungen auch Schablonen verwendet, um die exakte Flügelgeometrie zu erhalten. Abbildung 8: Propeller mit Bohrungen Als Propellermaterial werden spezielle Bronzelegierungen verwendet [6]. Bei der Entwicklung solcher Legierungen wird besonders auf die Korrosionsbeständigkeit in Salzwasser geachtet. Des Weiteren ist zu beachten, dass für jedes Schiff ein neuer Propeller entwickelt werden muss, somit ist jeder Propeller ein Unikat. Aufgrund des aufwändigen Fertigungsprozesses und des ansteigenden Rohstoffpreises für Kupfer sind die Kosten für einen Propeller sehr hoch. Bachelorarbeit 18

19 Abbildung 9: Schleifen eines Propellers ( Zugriff ) Die Herstellung von Modellpropellern aus Metall unterscheidet sich nur geringfügig von der der Schiffspropeller. Auch diese werden gegossen und danach mit CNC-Fräsen bearbeitet. Bei Modellen mit wenig Hinterschnitt werden diese auch direkt aus Vollmaterial gefräst. Aufgrund der kleinen Abmaße entfällt allerdings die Verwendung von Schleifrobotern, daher ist bei diesen Propellern der Anteil der Handarbeit erheblich. Deshalb sind diese Propeller in ihrer Anschaffung sehr teuer. Da die Versuche in Süßwasser stattfinden, kann aber auf teure Speziallegierungen verzichtet werden. Bachelorarbeit 19

20 3 Standardversuche im Schiffbau Versuche im Schiffbau spielen auch heute noch eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Schiffen, da es nicht möglich ist, alle Strömungsphänomene, welche in der Natur vorkommen, vollständig zu berechnen. Zur Bestimmung der Leistungsfähigkeit eines Propellers werden Freifahrt-, Kavitations- und Propulsionsversuche durchgeführt. Während in Freifahrt- und Kavitationsversuchen ausschließlich der Propeller getestet wird, wird beim Propulsionsversuch zusätzlich ein Modell des Schiffsrumpfes verwendet, um das Nachstromfeld abbilden zu können. Außerdem werden noch Manövrierversuche durchgeführt, um ein Mindestmaß an Wendigkeit für die spätere Großausführung garantieren zu können. 3.1 Freifahrtversuch Freifahrtversuche finden in einem Umlauftank oder in einer Schlepprinne mit Hilfe eines Freifahrtdynamometers statt [4]. Feifahrtversuche werden im Kavitationstank (K27) der TU Berlin durchgeführt. Die Anströmung des Propellers erfolgt wie in Abbildung 10 dargestellt. Auf diese Weise ist eine homogene Anströmung sichergestellt. Mit Hilfe eines Dynamometers werden während der Versuchsfahrten alle notwendigen Parameter (erzeugter Schub, benötigtes Drehmoment und Drehzahl des Propellers) aufgezeichnet. Abbildung 10: Anströmung des Propellers (Prof. Dr.- Ing. Nikolai Kornev, Universität Rostock) Durch die freie Anströmung wird die Nabe ebenfalls angeströmt (im Gegensatz zum Einsatz eines Propellers am Schiff) und entgegen des vom Propeller erzeugten Schubs gedrückt. Daher ist es notwendig, alle Testpunkte sowohl mit als auch ohne Propeller (Blindnabentest) abzufahren. Dadurch ist es möglich, den durch die Nabe verringerten Schub rechnerisch zu berücksichtigen und den Messfehler zu verkleinern. Während der Versuche wird der Propeller zusätzlich noch mit einer Highspeed-Kamera gefilmt, um mögliche Verformungen der Flügel und Kavitation des Propellers beobachten zu können (s. Abbildung 11). Um für das Dynamometer geeignete Messwerte zu erhalten, darf das Propellermodell nicht zu klein ausfallen. Aus diesem Grund wird ein Modell mit 160 mm Durchmesser gefertigt. Bachelorarbeit 20

21 Abbildung 11: Versuchsaufbau des K Freifahrtdiagramm Das Freifahrtdiagramm ist das Ergebnis eines Freifahrtversuches. In diesem werden die dimensionslosen Kennzahlen (Schubbeiwert, Drehmomentenbeiwert und Wirkungsgrad) des Propellers über den Fortschrittsgrad aufgetragen (s. Abbildung 12) [7]. Freifahrtdiagramm 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 J KT 10KQ ETA0 Abbildung 12: Freifahrtdiagramm des Referenzpropellers Bachelorarbeit 21

22 3.1.2 Fortschrittsgrad Das Verhältnis zwischen Anströmgeschwindigkeit und Flügelspitzengeschwindigkeit wird als Fortschrittsgrad J 0 bezeichnet und berechnet sich nach der Formel J 0 = v a nd wobei v a die Anströmgeschwindigkeit, D der Propellerdurchmesser und n die Drehzahl ist. Somit ist der Fortschrittsgrad ein Maß dafür, wie weit sich der Propeller pro Umdrehung nach vorn bewegt. Aufgrund der Wirkungsweise hat ein Propeller bei gleichem Fortschrittsgrad ähnliche normierte Schübe und Drehmomente, unabhängig vom verwendeten Maßstab des Modells. Aus diesem Grund ist es möglich, die Werte eines solchen Diagramms mit Hilfe von Korrekturformeln auf die Großausführung oder andere Modellmaßstäbe zu übertragen. Diese Korrektur bezieht sich hauptsächlich auf Zähigkeitseffekte, da die Reynoldszahl im Modellversuch kleiner ist als bei der Großausführung [4]. Es spielt keine Rolle, ob die Anströmgeschwindigkeit oder Drehzahl des Propellers verändert wird, um den Fortschrittsgrad einzustellen [7] Schubbeiwert und Drehmomentbeiwert Der erzeugte Schub T des Propellers während des Freifahrtversuches wird in den Schubbeiwert K T umgerechnet und ist wie folgt definiert [5] K T = T ρn 2 D 4 wobei ρ die Dichte von Wasser des im Versuch verwendeten Wassers ist. Das benötigte Drehmoment Q wird mit Hilfe des Drehmomentenbeiwertes K Q dimensionslos gemacht und wird nach der Formel K Q = Q ρn 2 D 5 berechnet [5]. Aufgrund dessen, dass K Q ungefähr eine Zehnerpotenz kleiner ist als K T, wird nicht K Q sondern 10K Q in das Freifahrtdiagramm eingetragen. 3.2 Kavitationsversuch Kavitationsversuche werden in Kavitationstanks durchgeführt. Das sind spezielle Umlauftanks, welche mit Hilfe einer Vakuumpumpe die Möglichkeit bieten, den Umgebungsdruck innerhalb des Tanks abzusenken. Mit Hilfe dieser Versuche wird die Kavitationsgefahr der Großausführung abgeschätzt. Dafür müssen die Kavitationszahlen der Großausführung mit der des Modells gleich sein. In der Regel ist aber die Kavitationszahl der Großausführung wesentlich kleiner, da der Staudruck beim Modell bedeutend größer ist [4]. Da die Kavitationszahl der Großausführung nur sehr stark eingegrenzt verändert werden kann, wird die Kavitationszahl des Modells angepasst. Die Angleichung der Kavitationszahlen kann durch die Änderung des Umgebungsdrucks erfolgen. Durch Bachelorarbeit 22

23 die Absenkung des Umgebungsdrucks innerhalb des Kavitationstanks verringert sich die Kavitationszahl. Der Umgebungsdruck wird soweit abgesenkt, bis Modell und Großausführung mit denselben Kavitationszahlen betrieben werden. Nachdem der Umgebungsdruck eingestellt ist, muss eine gewisse Zeit gewartet werden, bis das Wasser ausgegast hat. Beim Ausgasen wird ein großer Teil der im Wasser gelösten Gase frei. Die dadurch entstehenden Bläschen würden eine Versuchsbeobachtung stören. Die Versuchsbeobachtung erfolgt wie beim Freifahrtsversuch mit Hilfe einer Kamera (s. Abbildung 11). Für diese Versuchsart müssen die Propellermodelle einen Mindestdurchmesser von 200 mm aufweisen, da sonst das Kavitationsverhalten nicht richtig ausgeprägt ist. Zudem werden die Modelle sehr stark belastet. 3.3 Propulsionsversuch Beim Propulsionsversuch fährt das Modell selbständig in einer Schlepprinne. Dabei fährt der Schleppwagen lediglich als Geräte- und Kabelträger mit (s. Abbildung 13). Der Versuch dient hauptsächlich der Ermittlung und Optimierung der Antriebsleistung, die für die Schuberzeugung des Propellers notwendig ist, um das Modell in einer konstanten Geschwindigkeit zu halten. Zudem können mit Hilfe dieses Versuchs die Sogziffer (t) und die Nachstromziffer (w) für das Modell bestimmt werden [4]. So lassen sich bei diesem Versuch auch Aussagen über das Zusammenspiel zwischen Rumpf und Propeller gewinnen, das ist beim Freifahrt- und Kavitationsversuch nicht möglich. Unter großem technischem Aufwand (optische Messmethoden) ist es bei diesem Versuch auch möglich, das effektive Nachstromfeld aufzumessen. Diese Möglichkeit gibt es allerdings nur in Versuchsanstalten [3]. Abbildung 13: Versuchsaufbau eines Propulsionsversuchs [4] Bachelorarbeit 23

24 Während des Versuchs werden Drehzahl, Schub, Drehmoment und Modellgeschwindigkeit gemessen. Die angestrebte Geschwindigkeit wird dabei nach der Froude schen Ähnlichkeit bestimmt. Aus diesem Grund kann die Reynold sche Ähnlichkeit nicht eingehalten werden (deutlich geringere Reynoldszahl im Modellversuch), wodurch der Reibungswiderstand des Modells überproportional größer als in der Großausführung ist [4]. Aufgrund des höheren Gesamtwiderstandes des Modells wird der Propeller bei gegebener Geschwindigkeit stärker belastet. Da dies zu anderen Sog- und Nachstromziffern führt, muss eine Entlastung des Propellers erfolgen. Diese Entlastung wird erreicht, indem das Modell mit einer definierten Kraft in Fahrtrichtung gezogen wird, dies wird als Reibungsabzug bezeichnet [4]. Eine Möglichkeit, den Reibungsabzug zu realisieren ist in Abbildung 13 dargestellt (kontinentale Methode). Hierbei wird der Reibungsabzug (F D ) mit Hilfe der Gewichtskraft einer Masse (G F ) aufgebracht. Um die Kraft in Richtung der Propellachse umzulenken, wird ein Seil mit Umlenkrollen verwendet. 3.4 Manövrierversuch Bei Manövrierversuchen muss ein Schiffsmodell ferngesteuert bestimmte Manöver abfahren. Auf diese Weise lässt sich die Manövrierbarkeit der späteren Großausführung abschätzen und feststellen, ob die Dimensionierung der Ruderanlage ausreichend ist. Die Manöver des Modells sind dabei möglichst ähnlich denen der Schiffe unter realen Bedingungen zu gestalten [8]. Das Modell fährt dabei wie beim Propulsionsversuch selbstständig. Allerdings ist die Belastung des Antriebs recht klein, da Manövrierversuche bei langsamer Fahrt stattfinden. Somit wird auch der antreibende Propeller nur leicht beansprucht. Aufgrund des für solche Versuche verwendeten Maßstabs an der TU Berlin, haben die Propellermodelle für Manövrierversuche nur einen Durchmesser von ungefähr 80mm. Bachelorarbeit 24

25 4 Auslegung eines Propellers Für die Auslegung neuer Propeller wird in der Regel auf Propeller ähnlicher Schiffe zurückgegriffen. Diese werden dann an das neue Schiff angepasst, um die Vorauslegung zu erhalten. Für diese Vorgehensweise ist allerdings ein ausreichend großer Erfahrungsschatz notwendig. Falls dieser Erfahrungsschatz für den zu entwickelnden Propeller nicht vorhanden ist, findet die Vorauslegung mit Hilfe von Serienreihen (z.b. Wageningen - Serienversuchsreihe B) statt. Auf diese Weise werden die wichtigsten Parameter (die Flügelzahl Z, das Steigungsverhältnis P/D und das Flächenverhältnis A E /A 0 ) bestimmt [4]. Aus der Vorauslegung werden dann mit Hilfe von Konstruktionsprogrammen mögliche Propellergeometrien generiert. Ein frei verfügbares Programm dieser Art ist OpenProp. Hersteller aus der Industrie verwenden allerdings selbst programmierte Software. Die verschiedenen Varianten des Propellers werden anschließend mit Hilfe von CFD-Rechnungen auf ihre Eignung überprüft. Mit Hilfe dieser Simulation ist es möglich, aus vielen verschiedenen Varianten die besten herauszufiltern. Da die Strömung um den Propeller sehr komplex ist, gibt es noch keine Möglichkeit, das Verhalten von Propellern vollständig mittels CFD-Rechnung vorauszusagen. Anschließend wird der Propeller als Modell gefertigt und auf seine Eignung hin überprüft. Dies erfolgt zum einen in Kavitationstunneln, um die geforderten Leistungsparameter und das Kavitationsverhalten zu überprüfen (Freifahrtsversuch), zum anderen werden auch Versuche mit ganzen Schiffsmodellen durchgeführt, um das Zusammenspiel von Schiff und Propeller untersuchen zu können (Propulsionsversuch). Dies geschieht in Schlepprinnen. An Hand der Ergebnisse der Versuche kann es anschließend nötig sein, die Geometrie zu verändern und anschließend ein neues Modell herzustellen. Bachelorarbeit 25

26 5 Rapid Prototyping Beim Rapid Prototyping handelt es sich um Herstellungsverfahren zur Erstellung von Prototypen. Dabei können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen (z.b. selektives Lasersintern, 3D- Druck, Stereolithographie, Extrusions Verfahren, Schicht Laminier Verfahren). Die Vorteile dieser Verfahren sind eine schnelle Fertigung einzelner Bauteile, beliebige Bauteilgeometrien, einfache Datengenerierung aus CAD-Dateien [9] und somit eine erhebliche Kostenreduktion bei der Herstellung von Einzelteilen oder Kleinstserien. Gering belastete Teile, welche zum Beispiel den Nachstrom verbessern sollen, werden bereits standardmäßig mit Hilfe von Rapid Prototyping Verfahren hergestellt und erfolgreich eingesetzt. Vor allem das aufwändige Schleifen per Hand entfällt bei den verwendeten Propellern. Aufgrund dieser Kostenersparnis ist es mit diesem Verfahren möglich, mehr Modelle im Laufe der Entwicklungsphase von einem Propeller herzustellen. Zudem ist der Einsatz in der Lehre denkbar, weil Studenten ihren selbstentworfenem Propeller bei Freifahrtversuchen testen können. Die gefertigten Modelle werden nach der Fertigung im Kavitationstunnel auf Haltbarkeit getestet. An der TU Berlin stehen für diese Arbeit 3D-Druck, selektives Lasersintern und Extrusionsverfahren zur Verfügung. Bachelorarbeit 26

27 5.1 3D-Druck Dieses Verfahren eignet sich hauptsächlich zur Erstellung von Konzeptmodellen. Der größte Nachteil dieses Verfahrens ist die mangelnde Widerstandsfähigkeit des an der TU Berlin verwendeten Pulvers gegen Wasser. Die Modelle werden mit Hilfe eines Pulvers (in diesem Fall Gips) und eines Bindemittels (eine Art Kleber) aufgebaut. Dabei werden dünne Schichten des Pulvers mit Hilfe einer Walze über dem Modell verteilt und anschließend druckt der Druckkopf das Bindemittel entsprechend dem Teilquerschnitt auf die Schicht (s. Abbildung 14). Somit entsteht der Materialzusammenhalt entsprechend der gewünschten Geometrie. Vorteile dieses Verfahrens sind hohe Baugeschwindigkeiten, farbige Prototypen (durch Einfärbung des Binders) und geringe Kosten. Die Nachteile liegen vor allem bei der geringen Festigkeit, sowie der großen Restporösität [9]. Abbildung 14: Schematische Darstellung des 3D-Drucks [9] Bachelorarbeit 27

28 5.2 Selektives Lasersintern Beim selektiven Lasersintern wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial (Kunststoff oder Metall) durch punktuelle Erwärmung aufgeschmolzen oder gesintert. Auf diese Weise entsteht an diesen Stellen ein Materialzusammenhalt. Wie in Abbildung 15 zu sehen ist, wird das Pulver schichtweise mit Hilfe einer Walze aufgetragen und anschließend mit einem durch einen Spiegel gelenkten Laserstrahl aufgeschmolzen. Aufgrund des Pulvers sind keine zusätzlichen Stützstrukturen notwendig. Die Fertigungsgenauigkeit liegt in der Regel bei +/-0,1 mm und wird zum einen von der Korngröße des verwendeten Pulvers und zum anderem von der Streuung des Lasers beeinflusst. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, überschüssiges Pulver erneut zu verwenden [9]. Durch den hohen Zusammenhalt der einzelnen Teilchen eignet sich dieses Verfahren sehr gut zur Herstellung von Funktionsprototypen. Dieses Verfahren wird daher verwendet, um die zu testenden Propeller anzufertigen. Abbildung 15: Schematische Darstellung des selektiven Lasersinterns [9] Bachelorarbeit 28

29 5.3 Extrusionsverfahren Anders als bei den vorherigen Verfahren wird beim Extrusionsverfahren kein Pulver, sondern aufgerollter Kunststoffdraht als Ausgangsmaterial verwendet. Dieses wird in der Düse (Extrusion head) aufgeschmolzen und im flüssigen Zustand aufgetragen. Um bei diesem Verfahren Hohlräume und Hinterschnitte zu fertigen, wird zusätzlich ein Supportmaterial benötigt (siehe Abbildung 16). Dieses ist in der Regel wasserlöslich und wird nach dem Druckvorgang entfernt, um das gewollte Teil zu erhalten [9]. Der größte Nachteil dieses Verfahrens ist der beschränkte Zusammenhalt zwischen den einzelnen Schichten. Diese Verbindung ist in der Regel schwächer als der Materialzusammenhalt innerhalb einer Ebene. Daher können sich Schichten relativ leicht voneinander lösen und zum Versagen des Bauteils führen. Das trifft insbesondere auf komplexe Strukturen wie einen Propeller zu. Aus diesem Grund ist dieses Verfahren nicht geeignet, einen funktionstüchtigen Propeller zu fertigen. Abbildung 16: Schematische Darstellung des Extrusionsverfahrens [10] Bachelorarbeit 29

30 6 Propellermodell Abbildung 17: Flächenmodell des Referenzpropellers Der verwendete Propeller wurde für ein Kreuzfahrtschiff mit zwei Propellern entwickelt. Da diese gegenläufig sind, gibt es eine rechts- und eine linksdrehende Variante. Die getesteten Propeller wurden aus der rechtsdrehenden Variante abgeleitet. Für die Freifahrtsversuche genügt diese Variante, da die linksdrehende Version lediglich gegenläufig ist. Der Propeller soll in drei verschiedenen Größen (Propellerdurchmesser: 80 mm, 160 mm, 240 mm) gefertigt werden, um die Tauglichkeit für die verschiedenen Standardversuche im Schiffbau untersuchen zu können. Abbildung 18: Auskonstruiertes Modell des 240 mm Propellers Bachelorarbeit 30

31 6.1 CAD-Modell Die ursprüngliche Geometrie des Propellers liegt als Flächenmodell im STEP-Format vor (s. Abbildung 17). Diese Geometrie muss vor der Fertigung des Modells noch verändert werden, da sonst ein 3D- Druck nicht möglich ist. So muss der Nabendurchmesser vergrößert werden, um die Lücken zwischen den Flügelflächen und der äußeren Mantelfläche der Nabe zu schließen. Auf diese Weise lässt sich ein Volumenkörper aus dem Flächenmodell generieren, was zum selektiven Lasersintern zwingend notwendig ist. Zudem wird auf diese Weise die Festigkeit der Nabe erhöht, da der verwendete Kunststoff eine deutlich geringere Festigkeit als Metalle aufweist. Zudem wird die Nabe durch eine Passfedernut zusätzlich geschwächt. Ohne eine Aufweitung der Nabe wäre es nicht möglich, diese in das Modell zu integrieren. Dieses Problem tritt vor allem bei der 80mm Variante auf. Die Passfedernut ist durch die Antriebswelle des Dynamometers vorgegeben und lässt dich daher nicht verändern. Durch die Veränderung der Nabengeometrie wird der Wirkungsgrad verschlechtert, da die wirksame Flügelfläche verringert wird und sich das Nabendurchmesserverhältnis verschlechtert. Um die Spannungen an der Flügelwurzel zu verringern, werden die Flügel mit Verrundungen versehen. Damit soll ein Abbrechen der Flügel an dieser Stelle verhindert werden. Das so entstandene CAD-Modell (Abbildung 18) kann in die verschiedenen Größen skaliert werden. Für die beiden kleineren Ausführungen wird eine Antriebswelle mit 10mm Durchmesser verwendet, für die 240mm Variante eine Antriebswelle mit 25 mm Durchmesser. Die jeweiligen Passfedernuten entsprechen den Vorgaben der DIN Abbildung 19: Wanddickenberechnung (80 mm Propeller) Bachelorarbeit 31

32 Durch das sehr schlanke Flügelprofil entstehen besonders an den Flügelspitzen sehr kleine Wanddicken (s. Abbildung 19). Diese geringen Dicken sind noch fertigbar, allerdings ist die Steifigkeit an diesen Stellen (rot markiert) sehr gering. Daher ist dort mit einer großen Verformung oder Materialversagen unter Belastung zu rechnen. Durch Aufdickung der Flügel ist es aber möglich, die Spitzen deutlich zu verstärken. Das wird erreicht, indem eine der beiden Flügelflächen in x-richtung (entlang der Rotationsachse des Propellers) um einen bestimmten Betrag verschoben wird. In Abbildung 20 ist ein Propeller mit 80 mm Durchmesser abgebildet, dessen Flügel um 1 mm verstärkt wurden. Allerdings wird auf diese Weise das Profil der Flügel deutlich verändert, was sich stark auf die Umströmung auswirkt. Vor allem an den Kanten der Flügel wird durch Verdickung die Strömung gestört. Daher wird diese Möglichkeit zur Stabilisierung der Flügel nicht angewendet, und die Propeller werden mit ihrer ursprünglichen Flügelgeometrie gefertigt. Um ein sofortiges Versagen der beiden größeren Varianten weitestgehend ausschließen zu können, wird der nächstgrößere Propeller immer erst gefertigt, wenn der kleinere Propeller bei den Versuchen nicht zerstört wurde. Abbildung 20: Propeller mit verstärkten Flügeln Bachelorarbeit 32

33 6.2 Fertigung Abbildung 21: Verwendete Sintermaschine FORMIGA P100 Der Modellpropeller wurde durch selektives Sintern an der TU Berlin hergestellt. Bei der verwendeten Sintermaschine handelt es sich um eine FORMIGA P100 der Firma EOS (s. Abbildung 21). Als Material wurde PA 2200 auf der Basis von Polymanid 12 verwendet, dieses Material ist besonders für Funktionsprototypen geeignet. Aufgrund der gewählten Fertigungsmethode hat das Modell eine raue Oberfläche. Die Rauigkeit entspricht in etwa der Körnung von 200er Schleifpapier. Durch die dünnen Profile des Propellers ist ein Schleifen der Oberfläche nicht möglich. Auch auf das Auftragen einer glatten Oberfläche wurde verzichtet, da hierbei die Gefahr besteht, die Geometrie der Flügel zu verändern. Durch die raue Oberfläche ist von einer erhöhten Reibung auszugehen, wodurch der Widerstand des Propellers erhöht wird (größerer Drehmomentbeiwert). Auch die Ausbildung von Kavitation wird durch die raue Oberfläche verstärkt, da die kleinen Unebenheiten auf der Oberfläche wie Keime wirken. Aufgrund der Rauigkeit schlägt die Strömung zudem eher in eine turbulente Strömung um, wodurch die Strömung an den Flügeln sich später ablöst [11]. Das ist ein positiver Effekt, da Schiffspropeller ebenfalls in einem turbulenten Strömungsumfeld betrieben werden. Aus diesem Grund müssen die Versuche auch in turbulenter Strömung durchgeführt werden [4]. Vor der Montage an das Dynamometer wurden noch die Bohrungen der Propeller an die Antriebswelle angepasst. Hierzu war es notwendig, die Bohrungen um jeweils 0,02 mm aufzureiben, da sonst eine Montage des Propellers nicht möglich war. Bachelorarbeit 33

34 6.3 Stabilisierung des Propellers Abbildung 22: Versteifter Propeller (Durchmesser 160 mm) Aufgrund der kleinen wirksamen Flügelfläche des 80 mm Propellers ist die Flügelbelastung in diesem Fall so gering, dass keine zusätzliche Versteifung notwendig ist. Bei dem Propeller mit dem doppelten Durchmesser (160 mm) ist das anders. Dieser ist nach dem ersten Versuchsdurchlauf zusätzlich mit Karbonstreifen verstärkt, um die in Abschnitt Bachelorarbeit 34

35 Versuch 2 beschriebene Verformung zu verringern. Dafür werden pro Flügel zwei Streifen angebracht (s. Abbildung 22). Die kürzeren Streifen sollen das Verhalten der Flügelspitzen verbessern, indem sie die Flügelspitzen versteifen. Die langen Streifen unterstützen den gesamten Flügel, um die Kraft der Flügelspitzen bis in die Nabe weiterzuleiten und so ein Verbiegen der Flügel zu vermeiden. Die Streifen werden auf der Druckseite des Propellers angebracht, damit sie auf Zug belastet sind. Zudem sollen die Saugseiten der Profile nicht verändert werden, da diese den Großteil des Auftriebes bei Tragflächen erzeugen [1]. Zur Fertigung der Versteifung werden zuerst die entsprechenden Positionen der Streifen angezeichnet. Anschließend werden die Flächen mit Waschbenzin gereinigt und mit Epoxidharz bestrichen. Dann werden die zugeschnittenen Karbonfasern an die angezeichneten Stellen aufgebracht und festgedrückt. Zum Schluss wird noch eine Schicht Epoxidharz aufgetragen, um die Fasern mit Epoxidharz zu ummanteln. Um auch bis zum äußersten Rand der Flügel zu gelangen, werden die Streifen während des Laminierens so angebracht, dass die über den Rand hinaus ragen. Nach dem Aushärten des Harzes (ca. 24 Stunden), werden die überstehenden Stellen zuerst mit einen Messer abgeschnitten und anschließend mit 250er Sandpapier auf die gewünschte Form geschliffen (s. Abbildung 23). Dabei ist besonders darauf zu achten, nicht in den Kunststoff zu schleifen, da sonst die Form des Flügels zusätzlich ungewollt verändert würde. Abbildung 23: Propeller mit gekennzeichneten Flügeln und überstehenden Karbonstreifen nach der Reparatur Im Laufe der Versuche mit verstärktem Propeller stellte sich heraus, dass sich die Streifen unter Belastung ablösen. Um eine bessere Verbindung zwischen Kohlefaserstreifen und Propeller zu Bachelorarbeit 35

36 gewährleisten, wurden die Klebeflächen anschließend mit 200er Schleifpapier angeraut, wodurch das Ablösen unterbunden wurde. Bachelorarbeit 36

37 7 Versuche 7.1 Versuchsdurchführung Die Propeller werden aus oben genanntem Grund der Größe nach getestet, dabei wird mit dem kleinsten begonnen. Nachdem der zu testende Propeller montiert ist, wird das Dynamometer auf die Mitte der Messstrecke ausgerichtet. Anschließend werden die Sensoren des Dynamometers kalibriert, dabei nullen sich alle zu messenden Werte. Nun wird die Pumpe des Umlauftanks hochgefahren, so dass sich die Messstrecke mit Wasser füllt und die gewünschte Anströmungsgeschwindigkeit erreicht wird. Nachdem der Propeller vollständig im Wasser ist, kann auch die Highspeed-Kamera auf den Propeller ausgerichtet werden. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 11 dargestellt. Um den Propeller nicht unnötig hoch zu belasten, wird er schon während des Hochlaufens in Drehung versetzt. Dabei wird versucht, ihn möglichst im Nullschubbetrieb zu halten, da auf Grund von starker Wellenbildung im Tank der Propeller ohnehin stark wechselnder Strömung ausgesetzt ist. Nachdem die Strömung stationär ist und sich die gewünschte Anströmungsgeschwindigkeit eingestellt hat, wird begonnen, die eigentlichen Messpunkte abzufahren. Der Fortschrittsgrad (J) wird bei den Versuchen über die Drehzahl des Propellers eingestellt. Da nicht klar ist, wie viel Last die Propeller aushalten, wird die Drehzahl während der Versuchsreihen immer weiter gesteigert. Somit wird bei einem großen Fortschrittsgrad begonnen (kleine Belastung) und anschließend der Fortschrittsgrad immer weiter verringert (Anstieg der Belastung). Aufgrund des Dynamometers sind Propellerdrehzahlen nur bis einschließlich 3500 U/min möglich. 7.2 Auswertung der Versuche Zur Auswertung der Versuche werden die Messergebnisse in Tabellen protokolliert. Um die Anströmung der Nabe sowie das erforderliche Antriebsmoment des Dynamometers herauszurechnen, werden der Schub sowie das Drehmoment der Propellerversuche mit dem jeweiligen Blindnabentest verrechnet (s. Kapitel 3.1). Auf diese Weise erhöht sich der vom Propeller erzeugte Schub, und es verringert sich das benötigte Drehmoment. Somit erhöht sich nach dieser Korrektur immer der Wirkungsgrad des Propellermodells. Zur Auswertung werden die Anströmungsgeschwindigkeit, die Propellerdrehzahl, der erzeugte Schub sowie das benötigte Drehmoment verwendet. Querkräfte, welche zum Beispiel auf eine Unwucht hinweisen können, werden nicht in die Auswertung mit einbezogen. Bachelorarbeit 37