Institut für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit

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1 Institut für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit Übung zur Vorlesung Spezielle Kapitel des Schiffsentwurf Manövrieren Prof. Dr.-Ing. Stefan Krüger Dipl.-Ing. Philip Augener Dipl.-Ing. Arne Falkenhorst

2 Übung Welches nautische Manöver ist der maßgebliche Grund für die Festlegung der Drehrichtung von dem Propeller eines Einschraubers? Welcher Effekt spielt hier die maßgebliche Rolle?. Welchen Drehsinn sollte ein Festpropeller (FPP) bei einem Einschrauber haben? Begründen Sie Ihre Antwort! 3. Welchen Drehsinn sollte ein Verstellpropeller (CPP) bei einem Einschrauber haben? Begründen Sie Ihre Antwort! 4. Welches nautische Manöver ist der maßgebliche Grund für die Festlegung der Drehrichtungen von den beiden Propellern eines RoRo-Zweischraubers? Welcher Effekt spielt hier die maßgebliche Rolle und wie kann dieser sinnvoll genutzt werden? 5. Welchen Drehsinn sollten die FPP bei einem Zweischrauber haben? Begründen Sie Ihre Antwort! 6. Welchen Drehsinn sollten die CPP bei einem Zweischrauber haben? Begründen Sie Ihre Antwort! 7. Stellen Sie die Bestimmungsgleichung für die Auslegung der Antriebsorgane eines RoRo-- Schraubers auf, wenn dieser sich bis zu einer bestimmten Windgeschwindigkeit in einem Hafenbecken auf der Position halten können soll! Betrachten Sie den Fall, dass die Windrichtung genau rechtwinklig zur Schiffslängsachse ist. 8. Was muss in den oben aufgestellten Gleichungen berücksichtigt werden, wenn das Schiff nicht nur seine Position halten können soll, sondern auch mit einer bestimmten Geschwindigkeit traversieren (Crabbing!) können soll? 9. Welche weiteren Kraft-Komponenten müssen berücksichtigt werden, wenn ein Schiff sich allein mit Hilfe der Antriebsorgane auf einer beliebigen Postion halten können soll (Dynamisches Positionieren)? 10. Wo sollte ein Ruder angeordnet werden, um möglichst effektiv zu sein? 11. Welchen Vorteil hat ein rechteckiges Ruder ggü. einem trapezförmigen Ruder? 1. Nennen Sie die Grundüberlegungen für den Ruderentwurf? 1/11

3 Aufgabe Crabbing Der Kapitän eines RoRo-Schiffes möchte von Ihnen wissen, bis zu welcher maximalen Windgeschwindigkeit er sein Schiff bei Querwind (90 von Backbord) auf der Stelle halten kann, ohne die Ruderanlage zur Hilfe nehmen zu müssen! Das Schiff ist mit einem Bugstrahler und einer Doppelpropelleranlage mit Verstellpropellern ausgerüstet. Skizzieren Sie das Schiff mit allen relevanten auf das Schiff wirkenden Kräften und bestimmen Sie die maximale Windgeschwindigkeit für die oben beschriebene Situation! Von dem Schiff sind Ihnen die folgenden Daten bekannt: L oa m 193 L pp m 18,4 B m 6 A Wind m² 4000 xg wind m f. AP 94 y Propeller m +/- 3,7 xg Bugstrahler m f. AP 173 Max. Schub je Propeller voraus kn 800 Max. Schub je Propeller zurück kn 600 Max. Schub Bugstahler kn 80 /11

4 Übung Welches nautische Manöver ist der maßgebliche Grund für die Festlegung der Drehrichtung von dem Propeller eines Einschraubers? Welcher Effekt spielt hier die maßgebliche Rolle? Das Ziel ist es, dass sich das Schiff bei einem Notstoppmanöver nach Steuerbord aus dem Fahrwasser herausdreht, um eine Kollision mit entgegenkommenden Schiffen zu vermeiden. Damit das Schiff bei rückwärtslaufender Maschine nach Steurbord dreht, muss das Heck nach Backbord gedreht werden. Das kann sehr gut durch den Hoovgard-Effekt errreicht werden. Der Hoovgard-Effekt beschreibt eine indirekt Steuerwirkung infolge des unsymmetrischen Propellersogs am Rumpf. Dieser ist bei rückwärtslaufendem Propeller sehr viel stärker ausgeprägt, da der Rumpf dann viel stärker und großflächiger direkt von dem eigenen Propeller angeströmt wird, als es bei Vorausfahrt der Fall ist. Abbildung 1: Notstoppmanöver eines Einschraubers. Welchen Drehsinn sollte ein Festpropeller (FPP) bei einem Einschrauber haben? Begründen Sie Ihre Antwort! Ein FPP sollte bei einem Einschrauber rechtsdrehend sein, um bei einem Notstopp aus dem Fahrwasser herauszudrehen. Der Hovgaard-Effekt: ein rechtsdrehender FPP dreht bei Rückwärtsfahrt linksherum und stahlt direkt auf den Rumpf. Durch die linkssinnige Drehung wird Wasser auf der STB-Seite auf den Rumpf gedrückt (Druck steigt) und auf der BB-Seite nach unten gedrückt, daher entsteht auf der BB-Seite am Rumpf ein Sog! Sog auf BB und Druck auf STB führen zu einer Querkraft, die eine Bewegung des Hecks nach Backbord zur Folge hat! zurück vorraus Sogfeld am Rumpf bei Schub zurück + + Druckfeld am Rumpf bei Schub zurück Abbildung : Drehsinn FPP eines Einschraubers 3/11

5 3. Welchen Drehsinn sollte ein Verstellpropeller (CPP) bei einem Einschrauber haben? Begründen Sie Ihre Antwort! Ein CPP sollte bei einem Einschrauber linksdrehend sein, um bei einem Notstopp aus dem Fahrwasser herauszudrehen. Ein linksdrehender CPP dreht auch bei Rückwärtsfahrt linksherum (CPP=> keine Umkehrung der Drehrichtung, sondern Rückwärtsfahrt über die Flügelstellung) Der Effekt ist dann der selbe wie beim FPP Einschrauber! vorraus zurück Sogfeld am Rumpf bei Schub zurück + + Druckfeld am Rumpf bei Schub zurück Abbildung 3: Drehsinn CPP eines Einschraubers 4. Welches nautische Manöver ist der maßgebliche Grund für die Festlegung der Drehrichtung von den beiden Propellern eines RoRo-Zweischraubers? Welcher Effekt spielt hier die maßgebliche Rolle und wie kann dieser sinnvoll genutzt werden? Da die Propeller bei einem -Schrauber immer entgegengesetzt drehen sollten, gibt es beim Notstopp nicht das Problem, dass es bei den Einschraubern gibt, da die Schiffe durch die symmetrische Anströmung des Rumpfes durch die beiden rückwärtsdrehenden Propeller nicht in eine Drehbewegung gehen. Das enscheidnende nautische Manöver ist hier das Halten der Position bei Querwind bzw. das Traversieren (Crabbing!) bei keiner oder nur geringen Vorausgeschwindigkeiten, also die Seitwärtsbewegung des Schiffes. Dies ist besonders bei Fähren sehr wichtig, da diese viele Hafenkontakte haben und es daher extrem wichtig ist, dass die Schiffe ohne Schlepperhilfe manövrieren können. Der entscheidende Effekt ist hier ebenfalls der Hoovgard-Effekt! Allerdings kann er hier noch stärker genutzt werden, da sich mehrere Effekte überlagern! Zum einen wird bei einem Zweischrauber zum Crabben der luvwärtige Propeller vorwärts drehen gelassen (dadurch entsteht ein Sogfeld am Rumpf) und der leewärtige Propeller dreht rückwärts (dadurch entsteht ein Druckfeld am Rumpf). Die entgegengesetzten Schübe der Propeller bilden primär ein Kräftepaar, dass als "direkte Schulterwikungöder ßchultermoment"bezeichnet wird. Dieses Moment dient dazu, das resultierende Moment der Querschübe der Querstrahler abzüglich z.b. dem Windmoment auszugleichen. Wie bereits beschrieben, wird der Vorwärtsschub durch ein Sogfeld am Rumpf und der Rückwärtsschub durch ein Druckfeld am Rumpf begleitet. Dies wird als indirekte Druck- und Sogwirkung bezeichnet. Aus dem Sog (luv) und dem Druck (lee) entsteht eine Querkraft nach luv! Dieser Effekt ist zunächst unabhängig vom Drehsinn der Propeller. 4/11

6 Sogfeld am Rumpf Wind F BB vorraus F StB zurück resultierende Querkraft Druckfeld am Rumpf Abbildung 4: Crabbing: indirekte Druck- & Sogwirkung Allerdings kann dieser Effekt durch den richtigen Drehsinn der Propeller noch verstärkt werden, da der Drehsinn über die sogenannte indirekte Querstromwikrung entscheidet. Diese beschreibt, dass gerade der rückwärtsschiebende Propeller im oberen Berreich einen starken Querstrom verursacht, der eine gleichgerichtete Querkraft zur Folge hat. Der Einfluss des Drehsinns der Propeller kann so stark sein, dass sich bei einem falschen Drehsinn der Propeller die oben beschriebenen Effekt aufheben und das Schiff nicht travesieren kann, was unbedingt vermieden werden muss! Ein weiterer Effekt der nicht vergessen werden darf ist die Ruderwirkung! Der vorwärtsschiebende Propeller erzeugt, auch wenn das Schiff keine Vorausgeschwindigkeit hat, eine Querkraft an dem zugehörigen Ruder, sofern dies im Propellerstrahl angeordnet ist. 5. Welchen Drehsinn sollten die Festpropeller (FPP) bei einem Zweischrauber haben? Begründen Sie Ihre Antwort! Über oben nach außen, weil beim Crabben der leewärtige Propeller so beim rückwärtsdrehen (also über oben nach innen) das Wasser gegen das Totholz schaufelt, wodurch hier ein großer Druck entsteht und somit eine extreme Querkraft nach Luv! Beispiel aus der Vorlesung: leewärtiger Propeller = STB, Wind von BB etc... Wind resultierende Querkraft BB Vorraus Beide vorraus StB Zurück Abbildung 5: Drehsinn FPP Zweischrauber: indirekte Querstromwirkung 6. Welchen Drehsinn sollten die Verstellpropeller (CPP) bei einem Zweischrauber haben? Begründen Sie Ihre Antwort! Über oben nach innen, gleicher Grund wie oben: der leewärtige Propeller soll bei Rückwärtsschub das Wasser gegen das Totholz schaufeln um dort den Druck zu erhöhen und somit eine Querkraft nach Luv zu generieren. 5/11

7 Wind resultierende Querkraft BB Vorraus Beide vorraus StB Zurück Abbildung 6: Drehsinn CPP Zweischrauber: indirekte Querstromwirkung 7. Stellen Sie die Bestimmungsgleichung für die Auslegung der Antriebsorgane eines RoRo--Schraubers auf, wenn dieser sich bis zu einer bestimmten Windgeschwindigkeit in einem Hafenbecken auf der Position halten können soll! Betrachten Sie den Fall, dass die Windrichtung genau rechtwinklig zur Schiffslängsachse ist. Y Wind F BByp F Strahler y p + x W ind + x Strahler X F StB Ruder wird nicht angeströmt, also keine Wirkung Ruder immer parallel ΣF x = 0 = F BB F ST B ( F xbb Ruder ) (1) ΣF y = 0 = F W ind + F Strahler (+ F ybb Ruder ) () ΣM rechtsdrehendumz = 0 = F P ropeller y P ropeller M W ind + M Strahler + M BB Ruder (3) Die Bestimmungsgleichungen für die Querstrahler- und Ruderkräfte sollten so gelöst werden, dass die Querstrahler so klein wie nötig ausgeführt werden können, um Kosten zu senken. Bei wenig Wind ist es of möglich, dass das Moment allein durch die Propeller und die Querkraft durch den/ die Strahler erzeugt werden. Bei viel Wind kann dann das Ruder hinter dem vorwärtsschiebenden Propeller hinzugenommen werden. Ein gutes Ruder erzeugt sehr große Querkräfte und kann dadurch sehr dabei helfen die zu installierende Strahlerleistung klein zu halten. Es sei noch angemerkt, dass bei normalen Schiffen 6/11

8 beide Ruder immer in der selben Position stehen. Allerdings wird beim Crabbing das Ruder hinter dem rückwärtsschiebenden Propeller nicht angeströmt, weshalb es hier auch keine weiter Rolle spielt. 8. Was muss in den oben aufgestellten Gleichungen berücksichtigt werden, wenn das Schiff nicht nur seine Position halten können soll, sondern auch mit einer bestimmten Geschwindigkeit traversieren (Crabbing!) können soll? Der Querwiderstand des Schiffes bei der entsprechenden Geschwindigkeit. Der Angriffspunkt ist der Schwerpunkt der Unterwasserlateralfläche und die Richtung des Querwiderstandes ist entgegen der Bewegungsrichtung! Y R Y Bewegung des Schiffes X ΣF y = 0 =... R Y (4) 9. Welche weiteren Kraft-Komponenten müssen berücksichtigt werden, wenn ein Schiff sich allein mit Hilfe der Antriebsorgane auf einer beliebigen Postion halten können soll? Je nachdem ob noch z.b. Strömung, Flachwassereffekte, Wechselwirkungen mit anderen Schiffen oder Bauwerken und/ oder Seegang hinzukommen, müssen die jeweiligen resultierenden Kraftkomponenten richtig in das Gleichungssystem aufgenommen werden. Dabei sind die Angriffspunkte der Kräfte, die Lateralflächen und die Angriffswinkel der äußeren Kräfte von entscheidender Bedeutung! Zusätzlich ist dabei zu beachten, dass sich z.b. die Lateralflächen in Abhängigkeit vom Krängungwinkel etc. ändern können. Als Beispiel sei hier der mit dem Winkel α zur Schiffslängsachse einfallende Wind in seine Komponenten in Schiffslängsrichtung und -querrichtung zerlegt! Y v W ind α v W ind, y v W ind, x X v W indx = v W ind cos(α) (5) Beispiel Windkraft: v W indy = v W ind sin(α) (6) 7/11

9 F W ind = c A ρluft v W ind A W ind (7) F W indx = c Ax ρluft v W indx A W indx (8) F W indy = c Ay ρluft v W indy A W indy (9) 10. Wo sollte ein Ruder angeordnet werden, um möglichst effektiv zu sein? Ruder sollten immer im Propellerstrahl angeordnet werden, damit sie auch bei geringer bzw. keiner Vorausgeschwindigkeit als Tragflügel funktionieren und Querkräfte produzieren können. Ein zweiter Punkt ist die Strahlumlenkung, wodurch eine geringe Erhöhung der Ruderwirkung erziehlt wird. 11. Welchen Vorteil hat ein rechteckiges Ruder ggü. einem trapezförmigen Ruder? Ein rechteckiges Ruder erzeugt mehr Ruderkraft als ein nach unten angepfeiltes Ruder und ist somit aus hydromechanischer Sicht immer zu bevorzugen. Am effektivsten sind rechteckige Vollschweberuder mit einer Twistierung entsprechend dem Propellerdrehsinn und einer Costa-Birne. Aus der Twistierung folgt, dass es für Zweischrauber wegen des gegenläufigen Drehsinns der Propeller, immer zwei gespiegelte Ruder geben sollte. Der Ruderschaft bzw. der Koker bei einem rechteckigen Ruder muss größeren Biegemomenten standhalten, als bei einem angepfeilten Ruder, was strukturell zu berücksichtigen ist. Außerdem bleibt bei einem angepfeilten Ruder aufgrund der Geometrie auch bei einer neutralen Ruderlage immer eine Restruderquerkraft entsprechend dem Propellerdrehsinn übrig. Qualitativ kann man sich folgendes überlegen: Im rechtsdrehenden Propellerstrahl entsteht am Ruder in der oberen Hälfte eine Querkraft nach Steuerbord und in der unteren nach Backbord. Bei rechteckigen, vom ganzen Strahl beaufschlagten Vollschweberudern heben sich die zwei Teilwirkungen annähernd auf. Dagegen überwiegt bei trapezförmigen, nur teilweise vom Strahl beaufschlagten Schwebe- oder Halbschweberudern die nach Steuerbord gerichtete Querkraft aus der oberen Hälfte und das Schiff per saldo backbordgierig macht. 1. Nennen Sie die Grundüberlegungen für den Ruderentwurf? Ein gutes Ruder muss die folgenden Dinge erfüllen: (a) Die Ruderfläche sollte möglichst klein gehalten werden, damit eine möglichst kleine (und damit günstige) Rudermaschine eingebaut werden kann. (Klasse) (b) Ein Ruder sollte gutes Kurshaltevermögen ermöglichen. Dies ist immer gut um Zusatzwiderstände zu vermeiden. Das gute Kurshaltevermögen wird durch große Querkräfte bei kleinen Anstellwinkeln ermöglicht, die aus einem großen Gradienten des Auftriebbeiwertes folgen. Dieser folgt aus einem großen Seitenverhältniss. (c) Großer Höchstauftrieb bei Drehkreisfahrt! Dieser hängt vom Grenzanstellwinkel (Stall- Winkel) ab. Beim Überschreiten des Grenzanstellwinkels reißt die Strömung am Ruder ab und somit geht Auftrieb und damit Ruderkraft verloren. Ein großer Grenzanstellwinkel kann durch dickere bzw. twistierte Profile erreicht werden (stoßfreier Eintritt). (Dicke Profile für Vollschweberuder eh nötig, um das Kokerrohr unterzubringen.) 8/11

10 (d) Anordnung der Ruder immer im Propellerstrahl, da eine schnellere Anströmung mehr Auftrieb ermöglicht. (e) Günstigen Abstand zwischen Ruder und Propeller ermitteln, um eine Ablösung and der Rudervorkante zu vermeiden. (f) Biege- und Torsionseigenfrequenzen nicht mit der Erregung durch den Propeller zusammenfallen. 9/11

11 Lösung Crabbing Der Kapitän eines RoRo-Schiffes möchte von Ihnen wissen, bis zu welcher maximalen Windgeschwindigkeit er sein Schiff bei Querwind (90 von Backbord) auf der Stelle halten kann, ohne die Ruderanlage zur Hilfe nehmen zu müssen! Das Schiff ist mit einem Bugstrahler und einer Doppelpropelleranlage mit Verstellpropellern ausgerüstet. Skizzieren Sie das Schiff mit allen relevanten auf das Schiff wirkenden Kräften und bestimmen Sie die maximale Windgeschwindigkeit für die oben beschriebene Situation! Von dem Schiff sind Ihnen die folgenden Daten bekannt: L oa m 193 L pp m 18,4 B m 6 A Wind m² 4000 xg wind m f. AP 94 y Propeller m +/- 3,7 xg Bugstrahler m f. AP 173 Max. Schub je Propeller voraus kn 800 Max. Schub je Propeller zurück kn 600 Max. Schub Bugstahler kn 80 Skizze: Draufsicht, BB-Prop Schub voraus, STB-Prop Schub zurück, F_Wind von BB, F_Strahler nach BB = 80 kn, Koordinatensystem 1. Kräfteggw. in x-richtung gleich null, da sonst Vorausgeschwindigkeit. Daraus folgt, dass F BB = F STB sein muss!. Kräfteggw. in y-richtung um die maximal Windkraft auszurechnen (Wenn die Windkraft größer als die Strahlerkraft wäre, dann würde das Schiff quer treiben!) Die Propeller induzierte Querkraft am Heck (Hoovegard) wird vernachlässigt, da sie der Windkraft entgegenwirkt (Propellerdrehsinn richtig!) und somit die Auslegung konservativ macht! ΣF y = 0 = T Strahler F Wind + (F QuerHoovegard ) F Wind_max = 80 kn = 80 kn = ΣF y = 0 = 80 kn F Wind 1, kg/m³ v² 4000m² 1 1, kg/m³ v² 4000m² 1 v max1 = 10,80 m/s 3. Momentengleichgewicht (positiv um die z-achse im rechtshändigen KOS), mit den Randbedingungen F BB =F STB, da sonst Vorausgeschwindigkeit. Zweite RB F y = F Wind = F Strahler kleiner gleich F Wind_max, damit kein Quertreiben! Summe der Momente gleich null, da das Schiff sich sonst dreht! Das Momentengleichgewicht muss um AP/CL aufgestellt werden, da 10/11

12 sonst das Moment, das durch die Propeller induzierte Querkraft (Hoovegard) erzeugt wird, mit in die Momentenbilanz einbezogen werden müsste. ΣM = 0 = (F BB yp) (F STB yp) (xg Wind F Wind ) + (xg Strahler T Strahler ) ΣM = 0 = (600kN 3,7m) (600kN 3,7) 94m F y + (173m F y ) F y = F y (173m 94 m) = 0kNm 0kNm 0kNm 0kNm 173m 94m = 56, kn = F Wind = F Strahler F Wind = ρ v² A Wind ca F Wind = 1, kg/m³ v² 4000m² N = 1, kg/m³ v² 4000m² 1 v max = 4,83 m/s (3 Bft) v max1 > v max => v max = v max = 4, 83 m/s 11/11