Kleine Studienarbeit. Qualitativer Vergleich zwischen Ein- und Zweischraubern am Beispiel von Gastankern

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1 Kleine Studienarbeit Qualitativer Vergleich zwischen Ein- und Zweischraubern am Beispiel von Gastankern Florian Kemper Matrikelnummer: Juli 2008 Betreuung: Prof.Dr.-Ing. S. Krüger In Zusammenarbeit mit Marine Service GmbH

2 Erklärung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst habe. Hamburg, den 8. Juli 2008 Florian Kemper 1

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4 TABELLENVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 2 Vorstellen der Vergleichsdaten 3 3 Vergleich der Antriebsleistungen Vorstellen der durchgerechneten Varianten Erläuterung des Prognoseverfahrens Widerstand Propulsionsgütegrade Schiseinussgrad Gütegrad der Anordnung Propulsorfreifahrtwirkungsgrad Power delivered Vergleich der Qualität des Nachstromfeldes Bedeutung des Nachstromfeldes Funktionsweise des Propellers Bewertungsverfahren Qualitätswerte und Vergleich mit anderen Schien Schub- und Drehmomentschwankungen Wirbel-Gitter-Verfahren Nachstromfeld Modellierung der Propeller Durchgeführte Kombinationen Zweischrauber mit 5-ügligem Propeller (twin5) Zweischrauber mit 4-ügligem Propeller (twin4) Einschrauber mit 5-ügligem Propeller (single5) Einschrauber mit 4-ügligem Propeller (single4) Übersicht über die Ergebnisse Zusammenfassung der Ergebnisse 28 Tabellenverzeichnis 1 Hauptdaten der vorhandenen Vergleichsschie Daten der Propeller der Vergleichsschie Hauptdaten der verschiedenen Varianten Vergleich der Schleppleistungen orian.kemper@tuhh.de 2

5 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 5 Vergleich des Schiseinussgrades Vergleich des Gütegrades der Anordnung Vergleich des Propulsorfreifahrtwirkungsgrades Schubbelastungsgrad und Fortschrittsgrad Gütegrade der Propulsion und Propellerdrehleistungen Bewertung der Güte der Nachstromfelder Übersicht über die Schwankungen des Schubes und des Drehmomentes Abbildungsverzeichnis 1 Propulsorfreifahrtwirkungsgrade von Zwei- und Einschrauber mit den zugehörigen Fortschrittsgraden Vergleich der Propellerdrehleistungen über dem Displacement 12 3 Nachstromfeld des Zweischraubers (links) und des Einschraubers (rechts); die Propellerdurchmesser sind schwarz eingezeichnet Anströmverhältnisse am Propellerügel Berechnetes Freifahrtdiagramm des originalen 5-Flüglers Gemessenes Freifahrtdiagramm des originalen 5-Flüglers Schub des originalen 5-Flüglers des Zweischraubers (twin5) Moment des originalen 5-Flüglers des Zweischraubers (twin5) Schub des 4-ügligen Propellers des Zweischraubers, mit bis auf die Flügelzahl unveränderter Geometrie Schub des 4-ügligen Propellers des Zweischraubers mit vergröÿerter Steigung gegenüber twin5 (twin4) Moment des 4-ügligen Propellers des Zweischraubers mit vergröÿerter Steigung (twin4) Schub des 5-ügligen Propellers des Einschraubers (single5) Moment des 5-ügligen Propellers des Einschraubers (single5) Schub des 4-ügligen Propellers des Einschraubers mit unveränderter Flügelgeometrie gegenüber single Schub des 4-ügligen Propellers des Einschraubers mit vergröÿerter Steigung (single4) Moment des 4-ügligen Propellers des Einschraubers mit vergröÿerter Steigung (single4) orian.kemper@tuhh.de 1

6 1 EINFÜHRUNG 1 Einführung Sowohl Containerschie als auch LNG-Tanker sind in den letzten Jahren in ihrer maximalen Gröÿe deutlich gestiegen. Die Emma Maersk", ein Containerschi der neuesten Generation, trägt beispielsweise bis TEU. Sie hat eine Länge von 398m und eine Breite von 56m. Vor einigen Jahren waren die gröÿten Containerschie noch weit entfernt von diesen Dimensionen. Bei LNG-Tankern galt bis vor kurzem noch ein Laderaumvolumen von m 3 und eine Länge von ca. 280m als obere Grenze. Derzeit benden sich auf koreanischen Werften jedoch Schie mit Laderaumvolumina von m 3 und m 3 im Bau. Die gröÿeren Schie, die sogenannte "Q- Max Serie", haben eine Länge von 332m. Diese neuen Gröÿendimensionen erfordern z.t. neue Antriebskonzepte. LNG-Tanker haben als besondere Entwurfsrandbedingung einen maximalen Tiefgang von ca. 12m, der durch die weltweit angefahrenen LNG-Terminals gegeben ist. Durch den maximalen Tiefgang ist auch der maximale Propellerdurchmesser festgelegt. Bei gleichbleibendem Propellerdurchmesser wird es jedoch schwierig, steigende Leistung zu übertragen. Durch das extreme Breiten-/Tiefgangsverhältnis (im Fall der "Q-Max Serie"B/T = 4, 48) bietet sich daher eine Zweischrauben-Antriebsanlage an. Die im Bau bendlichen Schie besitzen eine solche Antriebsanlage in Form von sogenannten "Twin- Skeg Rumpormen". Im Vergleich zu Zweischraubern mit achem Hinterschi und Wellenböcken bieten diese etwas mehr Verdrängung. Zudem fällt dadurch der Centerskeg weg. Eine wesentliche Rolle spielt hierbei auch die Redundanz. Gastanker, die mit Verbrennungsmotoren ausgerüstet sind, benötigen nach Vorschrift ohnehin eine doppelte Ausführung der Maschinenanlage, die unter Umständen auf zwei voneinander getrennte Maschinenräume verteilt sein muss. Daher hat die Zweischrauben-Konguration nur bedingt Einuss auf die Auslegung der Motorenanlage. Im Fall der Containerschie ist es so, dass sämtliche Komponenten wie Propeller, Motor oder Welle an der Grenze der Verfügbarkeit liegen. Die Emma- Maersk"besitzt eine 14-Zylinder Maschine mit 980mm Kolbendurchmesser. Sie leistet kW und es ist der gröÿte Motor, den es derzeit auf dem Markt gibt. Auch die Redundanz sollte hier eine Rolle spielen, wenn man bedenkt was für ökologische und nanzielle Folgen ein Ausfall der einfach ausgeführten Antriebsanlagen haben könnte. Aus diesen Gründen lohnt es sich auch bei Containerschien, Zweischraubenkongurationen in Betracht zu ziehen. orian.kemper@tuhh.de 2

7 3 VERGLEICH DER ANTRIEBSLEISTUNGEN Es hat sich schon angedeutet, dass Twin-Skeg Schie gute Eigenschaften bzgl. Widerstand und Propulsion besitzen. Hierzu soll im ersten Aufgabenteil ein Vergleich gezogen werden. Allerdings sind bei solchen Schien in der Vergangenheit vermehrt Schwingungsprobleme aufgetreten. Deshalb wird im zweiten Aufgabenteil die Qualität des Nachtromfeldes bewertet, und im dritten Aufgabenteil werden Ein- und Zweischraubenkonzepte hinsichtlich der propellererregten Schub- und Drehmomentschwankungen in der Wellenleitung untersucht. Zudem wird dies für unterschiedliche Flügelzahlen durchgeführt, da sich hier noch kein deutliches Optimum herrausgestellt hat. 2 Vorstellen der Vergleichsdaten Für die Berechnungen standen Daten von zwei Schien zur Verfügung: 1. Der Bericht einer Modellversuchsanstalt über einen Twin-Skeg LNG Tanker mit ca m 3 Ladevolumen. Enthalten waren darin Ergebnisse aus Widerstandsversuch, Propulsionsversuch, Propellerfreifahrtversuch, die zugehörigen Groÿausführungsprognosen und eine Nachstrommessung. Auÿerdem waren Teile der verwendeten Propellergeometrie gegeben (siehe Kapitel 5). 2. Teile des Berichtes derselben Versuchsanstalt wie in 1. über einen Einschrauber mit ca m 3 Laderaumvolumen. Enthalten waren darin Ergebnisse aus Widerstandsversuch, Propulsionsversuch, Propellerfreifahrtversuch sowie eine Nachstrommessung. Die Hauptdaten der beiden Schie sind in Tabelle 1 angegeben. Die Daten der zugehörigen Propeller sind in Tabelle 2 angegeben. Auällig bei diesen Abmessungen ist (wie schon in Kapitel 1 angedeutet), dass sich fast nur die Länge und Breite unterscheiden, während sich der Tiefgang nur unwesentlich ändert. 3 Vergleich der Antriebsleistungen 3.1 Vorstellen der durchgerechneten Varianten Basierend auf den vorhandenen Schien wurden einige Varianten durchgerechnet. Es wurde dabei geometrische Ähnlichkeit eingehalten. Die Varian- orian.kemper@tuhh.de 3

8 3 VERGLEICH DER ANTRIEBSLEISTUNGEN Schi Twinskeg Einschrauber Scale factor λ [-] 42,105 38,444 Length L pp [m] 332,00 278,00 Length L W L [m] 334,07 274,63 Draft T [m] 12,00 11,60 Beam B [m] 53,80 43,35 Wetted surface S Hull [m 2 ] Proj. area above water line A T [m 2 ] Displacement [m 3 ] Cargo volume [m 3 ] Tabelle 1: Hauptdaten der vorhandenen Vergleichsschie Schi Twinskeg Einschrauber Number of propellers 2 1 Number of blades 5 5 Rotation direction inwards right Diameter D [m] 7,700 8,650 Pitch ratio (P/D) 0,75R [-] 0,947 0,817 Chord length c 0,75R [m] 1,83 2,211 Maximum thickness t 0,75R [m] 0,087 0,108 Tabelle 2: Daten der Propeller der Vergleichsschie ten, mit den denierten Bezeichnungen in Klammern gesetzt, sind folgende: Groÿausführungsprognose Twin-Skeg original (twin266) Groÿausführungsprognose Einschrauber, skaliert auf gleiche Verdrängung wie twin266 (single266) Groÿausführungsprognose Twin-Skeg, skaliert auf gleiche Verdrängung wie der originale Einschrauber single155 (twin155) Groÿausführungsprognose Einschrauber original (single155) Auf diese Weise hat man zwei Schisgröÿen (bzgl. Verdrängung), bei denen jeweils für einen Schistyp Versuchsdaten vorliegen. Dadurch erhält man ein etwas erweitertes Bild, als wenn man nur ein Schi auf die Gröÿe des anderen Schies skalieren würde. Auÿerdem wird später noch ein Zusammenhang zwischen Leistung und Displacement erstellt. Hierfür wurde noch jeweils eine Variante gerechnet, deren orian.kemper@tuhh.de 4

9 3 VERGLEICH DER ANTRIEBSLEISTUNGEN Verdrängung m 3 beträgt. Zu dieser Gröÿe gibt es noch weitere Daten, die zum Vergleich herangezogen werden können. Diese beiden Schie werden jedoch nicht in allen Einzelheiten betrachtet, sondern nur im Gesamtzusammenhang bzgl. der Leistung: Groÿausführungsprognose Twin-Skeg mit m 3 (twin216) Groÿausführungsprognose Einschrauber mit m 3 (single216) Die wichtigsten Hauptdaten der unterschiedlichen Varianten lassen sich Tabelle 3 entnehmen. Wie man leicht erkennt, haben die Schie noch unterschiedliche Abmes- Schi twin266 single266 twin155 single155 Scale factor λ [-] 42,105 44,648 36,254 38,444 Length L pp [m] 332,00 322,86 285,86 278,00 Length L W L [m] 334, ,95 287,65 274,60 Draft T [m] 12 13,47 10,33 11,60 Beam B [m] 53,80 50,35 46,32 43,35 Displacement [m 3 ] Tabelle 3: Hauptdaten der verschiedenen Varianten sungen. Insbesondere haben sie unterschiedliche Längen/Breitenverhältnisse und Breiten/Tiefgangsverhältnisse. Das lässt sich aufgrund der Verfügbarkeit der Vergleichsdaten nicht umgehen. In der Gröÿe des Twin-Skeg Schiffes (twin266) mit m 3 Laderaumvolumen gibt es keine vergleichbaren Schie mit einem Einschraubenkonzept. Daher musste auf den deutlich kleineren Einschrauber zurückgegrien werden. Es wird jedoch so vorgegangen, dass die Proportionen der Schie beibehalten werden. Würde man diese ändern, um bei beiden Konzepten die gleichen Hauptabmessungen zu erhalten, würde die geometrische Ähnlichkeit nicht eingehalten werden, und es wäre nicht mehr gewährleistet, dass die Versuchsdaten, insbesondere der Restwiderstandsbeiwert, übernommen werden könnten. Die im folgenden durchgeführten Berechnungen gelten für eine Geschwindigkeit von v = 19, 5kn, da dies bei beiden Schien der Designgeschwindigkeit entspricht. Auch der Ladefall mit den gegebenen Tiefgängen entspricht dem Design-Ladefall. orian.kemper@tuhh.de 5

10 3 VERGLEICH DER ANTRIEBSLEISTUNGEN 3.2 Erläuterung des Prognoseverfahrens Um die benötigte Propellerdrehleistung vorherzusagen, benötigt man folgende Modellversuche [1]: Widerstandsversuch, bei dem bei verschiedenen Geschwindigkeiten der Schleppwiderstand gemessen wird Propulsionsversuch, bei dem das Schi durch den eigenen Propeller angetrieben wird, und Drehzahl, Drehmoment und Schub abhängig von der Geschwindigkeit gemessen wird Propulsorfreifahrtversuch, bei dem der Propeller in homogener Zuströmung arbeitet, und bei dem abhängig von der Anströmgeschwindigkeit Schub und Drehmoment gemessen wird (bei konstanter Drehzahl) Die Geschwindigkeit wird über die Froudesche Ähnlichkeit berechnet. D.h. das Wellenbild des Modells bei der Geschwindigkeit v m ist in etwa gleich dem Wellenbild des Schis bei der Geschwindigkeit v s. Es gilt: v s = v m λ (1) Der gemessene Widerstand wird durch benetzte Oberäche, Dichte und Geschwindigkeit dimensionslos gemacht. Man erhält den Widerstandsbeiwert des Modells. Er teilt sich auf in Reibungswiderstandsbeiwert und Restwiderstandsbeiwert. Es wird davon ausgegangen, dass der Restwiderstandsbeiwert übernommen werden kann (wegen der Froude Ähnlichkeit), und sich der Reibungswiderstandsbeiwert ändert. Der Reibungswiderstandsbeiwert errechnet sich nach der ITTC 1957 folgendermaÿen: c F 0 = 0, 075 (log Re 2) 2 (2) Dabei ist Re die Reynoldszahl des Schies. Der Reibungswiderstandsbeiwert wird jeweils für Modell und Schi berechnet. Nun wird für die Groÿausführung noch ein Windwiderstandsbeiwert, hervorgerufen durch den Fahrtwind, berechnet, der beim Modellversuch wegen der geringen Windhauptspantäche und der geringen Geschwindigkeit vernachlässigt wird. Durch Addition der einzelnen Anteile erhält man den Widerstandsbeiwert für das Schi. Aus diesem lässt sich nun die Schleppleistung P e ermitteln. Die Propulsionsfaktoren lassen sich mit Hilfe aller drei Versuche folgendermaÿen ermitteln: orian.kemper@tuhh.de 6

11 3 VERGLEICH DER ANTRIEBSLEISTUNGEN Die Sogzier t wird über den Vergleich zwischen Widerstand aus dem Widerstandsversuch und dem Schub aus dem Propulsionsversuch ermittelt, wobei noch ein beim Propulsionsversuch aufgebrachter Reibungsabzug berücksichtigt werden muss. Die Sogzier des Modells wird ohne Korrekturen für die Groÿausführung übernommen, da der Sog hauptsächlich auf Potentialeekten beruht. Der im Propulsionsversuch gemessene Schub wird durch Dichte, Drehzahl und Propellerdurchmesser dimensionslos gemacht und es ergibt sich daraus der sogenannte Schubbeiwert des Propellers. Es wird nun davon ausgegangen, dass der Propeller hinter dem Schi genau dann denselben Schubbeiwert besitzt wie der Propeller im Propulsorfreifahrtversuch, wenn die Anströmgeschwindigkeit gleich ist. Man nennt dies Schubidentität. Durch dieses Vorgehen erhält man den Fortschrittsgrad J, in dem die Anströmgeschwindigkeit enthalten ist. Er ist folgendermaÿen deniert: J = v a nd Hierbei ist v a die Anströmgeschwindigkeit, n die Drehzahl und D der Propellerdurchmesser. Mit dem bekannten Fortschrittgrad lässt sich die Nachstromzier w sowie der Gütegrad der Anordnung bestimmen. Der Gütegrad der Anordnung des Modells wird ohne Korrekturen für die Groÿausführung übernommen. Die Nachstromzier wird noch korrigiert. Die Korrektur ist erforderlich, da der Nachstrom hauptsächlich durch Reibungseekte entsteht. Die Reibung ist beim Modell jedoch stark überzeichnet. Es wird daher für das Schi eine neue Nachstromzier aus der des Modells berechnet, die etwas kleiner als beim Modell ausfällt. Es gehen dabei die Gröÿen Sogzier, Rauhigkeit der Auÿenhaut, Formfaktor, der von der Versuchsanstalt angegeben wird, sowie die Reibungswiderstandsbeiwerte von Modell und Schi ein. Nun muss noch der Propulsionspunkt ermittelt werden. Dieser liegt dort, wo die Gleichgewichtsbedingung Schub = W iderstand + Sog erfüllt ist [1]. Dies ist der Fall, wenn die schiseitige Belastungskurve die Kurve des propellerseitigen Schubbeiwertes schneidet. Die schiseitige Belastungskurve lautet folgendermaÿen: k T = J 2 R T (4) ρd 2 (1 t)v m2 (1 w) 2 Mit dem gefundenen Fortschrittsgrad erhält man aus dem Diagramm des Propellerfreifahrtversuchs den Schubbeiwert, den Momentenbeiwert sowie den Propulsorfreifahrtwirkungsgrad. Über das Drehmoment und die Drehzahl lässt sich jetzt die Propellerdrehleistung P D errechnen. orian.kemper@tuhh.de 7 (3)

12 3 VERGLEICH DER ANTRIEBSLEISTUNGEN 3.3 Widerstand Die Widerstände können in Tabelle 4 betrachtet werden. Es ist zu erkennen, dass die Widerstände von Ein- und Zweischrauber noch sehr ähnlich sind. Schi twin266 single266 twin155 single155 Widerstand R T s [kn] 2114, , , ,86 Leistung P e [MW] 21,21 21,33 16,84 16,95 Tabelle 4: Vergleich der Schleppleistungen 3.4 Propulsionsgütegrade Schiseinussgrad Schi twin266 single266 twin155 single155 Sogzier t [-] 0,190 0,219 0,192 0,227 Nachstromzier w [-] 0,272 0,318 0,273 0,325 Schiseinussgrad η H [-] 1,112 1,144 1,111 1,145 Tabelle 5: Vergleich des Schiseinussgrades Hier sieht man, dass sowohl Sogzier als auch Nachstromzier beim Einschrauber deutlich gröÿer sind als beim Zweischrauber. Man erhält dadurch einen Unterschied im Schiseinussgrad von etwa 3% zu Gunsten des Einschraubers Gütegrad der Anordnung Tabelle 6 zeigt die Gütegrade der Anordnung. Diese Werte unterscheiden Schi twin266 single266 twin155 single155 Gütegrad der Anordnung 0,995 1,003 0,994 1,006 η R [-] Tabelle 6: Vergleich des Gütegrades der Anordnung sich nicht sehr stark. Es gibt einen Unterschied von ca. 0,7% zu Gunsten des Einschraubers. Dies ist jedoch ein geringer Einuss. orian.kemper@tuhh.de 8

13 3 VERGLEICH DER ANTRIEBSLEISTUNGEN Propulsorfreifahrtwirkungsgrad Beim Propulsorfreifahrtwirkungsgrad zeigen sich groÿe Unterschiede. Er ist in Tabelle 7 zu sehen. Der Unterschied im Propulsorfreifahrtwirkungsgrad beträgt ca. 8%. Dies ist eine erhebliche Dierenz. Schi twin266 single266 twin155 single155 Propulsorfreifahrtwirkungsgrad 0,694 0,610 0,685 0,600 η O [-] Tabelle 7: Vergleich des Propulsorfreifahrtwirkungsgrades In diesem Wert zeigt sich der entscheidende Vorteil des Zweischraubers. Um dies zu verdeutlichen wird in Tabelle 8 (exemplarisch für twin266 und single155, da dies die originalen Schie sind) noch der Fortschrittsgrad sowie der Schubbelastungsgrad angeführt. Letzterer ist folgendermaÿen deniert: c T H = T v 2 a A 0 ρ/2 (5) Dabei ist T der Schub des Propellers, v a die Anströmgeschwindigkeit und A 0 die Kreisäche, die durch den Propellerdurchmesser beschrieben wird. Schi twin266 single155 Propellerdurchmesser D [m] 7,7 8,65 Anzahl der Propeller [-] 2 1 Propellerkreisäche A 0 [m 2 ] 93,13 58,77 Anströmgeschwindigkeit v a [m/s] 7,305 6,774 Schubbelastungsgrad c T H [ ] 1,025 1,581 Drehzahl n [1/s] 1,424 1,444 Fortschrittsgrad [-] 0,666 0,542 Tabelle 8: Schubbelastungsgrad und Fortschrittsgrad Man erkennt, dass der Einschrauber einen deutlich höheren Schubbelastungsgrad aufweist. Da die Anströmgeschwindigkeit im Vergleich zu den anderen Gröÿen sehr ähnlich ist, bedeutet es, dass mehr Schub auf der vorhandenen Propellerkreisäche übertragen werden muss. Dies geschieht dadurch, dass der Propeller bei einem geringeren Fortschrittsgrad arbeitet. Dies erzeugt durch den vergröÿerten Anstellwinkel mehr Schub und benötigt mehr Drehmoment. orian.kemper@tuhh.de 9

14 3 VERGLEICH DER ANTRIEBSLEISTUNGEN Bei einem niedrigeren Fortschrittsgrad sinkt jedoch auch der Propulsorfreifahrtwirkungsgrad, der sein Maximum bei einem höheren Fortschrittsgrad hat. Diesen Zusammenhang zeigt Abbildung 1. Es sind die beiden Propulsorfreifahrtwirkungsgrade über dem Fortschrittsgrad aufgetragen. Auÿerdem sind die Fortschrittsgrade von twin266 (0,666) und single155 (0,542) markiert. In diesem Bereich ist der Propulsorfreifahrtwirkungsgrad monoton steigend. Daraus folgt, dass er bei geringerem Fortschrittsgrad ebenfalls geringer wird. Daraus resultiert letztendlich der oben genannte Unterschied von etwa 8%. 0,8000 0,7000 0,6000 0,5000 0,4000 0,3000 0,2000 0,1000 0,0000 0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000 0,8000 0,9000 1,0000 Wirkungsgrad Einschrauber Fortschrittsgrad Einschrauber wirkungsgrad Zweischrauber Fortschrittsgrad Zweischrauber Abbildung 1: Propulsorfreifahrtwirkungsgrade von Zwei- und Einschrauber mit den zugehörigen Fortschrittsgraden 3.5 Power delivered Zusammenfassend werden in Tabelle 9 die Gütegrade der Propulsion und die resultierende Propellerdrehleistung gegeben. Diese werden auÿerdem in Abbildung 2 graphisch über der Verdrängung aufgetragen. Es sind die anfangs vorgestellten Schie twin266, single266, twin155, single155, twin216 und single216 gezeigt. Auÿerdem werden Werte aus einer Studie der "DEAWOO orian.kemper@tuhh.de 10

15 3 VERGLEICH DER ANTRIEBSLEISTUNGEN Shipbuilding and Marine Engineering Co., Ltd. eingefügt. Diese zeigen ebenfalls den Vergleich zwischen Ein- und Zweischraubern unterschiedlicher Gröÿe. Die Studie von DAEWOO zeigt zwar etwas andere Zahlen, sie geben jedoch die selbe Tendenz an. Es zeigt sich sowohl aus den Groÿprognosen der Modellversuche, als auch aus den anderen o.g. Daten, dass Zweischrauber hinsichtlich der Propulsion den Einschraubern überlegen sind. Die Dierenz beträgt dabei bis zu 3000kW. Wie schon vorher erwähnt, steckt der gröÿte Unterschied im Propulsorfreifahrtwirkungsgrad. Es ist sicher noch kritisch zu sehen, dass die miteinander verglichenen Schie unterschiedliche Hauptabmessungen haben. Jedoch ist der Unterschied in der Leistung recht deutlich. Auÿerdem ist man beispielsweise im Falle des vergröÿerten Einschraubers (single266) auf der sicheren Seite, da der Propellerdurchmesser ebenfalls hochskaliert wurde, und daher etwas zu groÿ ausfällt. Durch diese Tatsache wird die Leistung eher etwas zu gering kalkuliert. Im Allgemeinen entsprechen die Ergebnisse aber den Erwartungen und decken sich mit der Theorie. Schi twin266 single266 twin155 single155 Gütegrad der Propulsion η D 0,768 0,700 0,756 0,692 Propellerdrehleistung P D 27,627 30,478 22,278 24,503 [MW] Tabelle 9: Gütegrade der Propulsion und Propellerdrehleistungen orian.kemper@tuhh.de 11

16 4 VERGLEICH DER QUALITÄT DES NACHSTROMFELDES [MW] P_D über Displacement Daewoo twinskeg Daewoo singlescrew single155, single216 und single266 twin155, twin216 und twin [m³] twin155, twin216 und twin266 single155, single216 und single266 daewoo twinskeg daewoo singlescrew Abbildung 2: Vergleich der Propellerdrehleistungen über dem Displacement 4 Vergleich der Qualität des Nachstromfeldes 4.1 Bedeutung des Nachstromfeldes Beim Nachstrom wird generell unterschieden zwischen nominellem und eektivem Nachstrom [1]. Der eektive Nachstrom wird aus den Modellversuchen gewonnen. Er gibt den Unterschied zwischen dem Propellerverhalten hinter dem Schi und der Propellerfreifahrt an. Er wird ausgedrückt in der Nachstromzier w (siehe auch Kapitel 3). Der nominelle Nachstrom wird im Modellversuch bei fahrendem Schi ohne Propeller in der Propellerebene gemessen. Es wird die dreidimensionale Geschwindigkeit auf 24 oder 36 Winkeln und auf 4 bis 7 Radien (je nach Versuchsanstalt) erfasst. Im Folgenden ist der nominelle Nachstrom gemeint. Abbildung 3 zeigt die Nachstromfelder der vorhandenen Vergleichsschie. Die Graphik stellt die relative lokale Anströmgeschwindigkeit va v s in der Propellerebene relativ zur Schisgeschwindigkeit dar. Das Nachstromfeld bildet die Grundlage für den gesamten Propellerentwurf. Die Qualität des Nachstromfeldes hat einen wesentlichen Einuss auf die vom Propeller erregten Vibrationen. Sie entstehen sowohl durch Schwan- orian.kemper@tuhh.de 12

17 4 VERGLEICH DER QUALITÄT DES NACHSTROMFELDES Abbildung 3: Nachstromfeld des Zweischraubers (links) und des Einschraubers (rechts); die Propellerdurchmesser sind schwarz eingezeichnet kungen des Schubes und des Drehmomentes, als auch durch Druckimpulse an der Auÿenhaut. 4.2 Funktionsweise des Propellers Um zu verstehen, wie die Schwankungen zustande kommen, muss zunächst die Funktionsweise des Propellers betrachtet werden. Hierzu ist in Abbildung 4 der Schnitt eines Flügels eines Propellers gezeigt. Hierbei ist β der hydrodynamische Steigungswinkel. Für ihn gilt: tan(β) = va 2 π r n (6) Der Anstellwinkel des Pro ls gegen die Fahrtrichtung wird durch den Winkel δ beschrieben. Für ihn gilt: tan(δ) = P 2πr Die Di erenz dieser beiden Winkel ist der Winkel (7) α, unter dem das Pro l durch das umgebende Fluid angeströmt wird. Während der Winkel ist der Winkel β δ durch die Geometrie des Propellers vorgegeben wird, abhängig von der Anströmgeschwindigkeit Radius r und der Propellerkreisfrequenz orian.kemper@tuhh.de va, sowie vom ω. 13

18 4 VERGLEICH DER QUALITÄT DES NACHSTROMFELDES α P v v a 2 π r n β δ 2 π r Abbildung 4: Anströmverhältnisse am Propellerügel Es treten neben diesen Gröÿen auch noch tangentiale und propellerinduzierte Anteile auf. Diese werden in diesem Abschnitt zur Vereinfachung jedoch ausgelassen. In dem Verfahren, das in 4.3 erläutert wird, sind diese Anteile aber berücksichtigt. Der Auftrieb und der Widerstand des Flügels entsprechen beim gesamten Propeller dem Schub und dem Drehmoment. Dadurch wird deutlich, warum eine lokale Veränderung der Anströmgeschwindigkeit in der Propellerebene einen groÿen Einuss auf das Vibrationsverhalten des Schies hat. 4.3 Bewertungsverfahren Das verwendete Verfahren zur Bewertung der Qualität des Nachstroms [2] basiert auf den Veränderungen des hydrodynamischen Steigungswinkels. Hierbei werden sowohl Axial-, Radial als auch Tangentialkomponenten des Nachstroms berücksichtigt. Die Gesamtgüte des Nachstromfeldes 1 wird in einen Umfangsgütegrad und einen radialen Gütegrad unterteilt. Er lautet: Die einzelnen Komponenten ergeben sich wie folgt: η N = η R η U (8) orian.kemper@tuhh.de 14

19 4 VERGLEICH DER QUALITÄT DES NACHSTROMFELDES Radialer Gütegrad: η R = 1 Dβ m dβ m (9) Hierbei steht Dβ m für die Dierenz aus dem gröÿten und dem kleinsten auftretenden Wert der mittleren radialen Anstellwinkel. Der Wert dβ m steht für die mittlere Abweichung der radialen Anstellwinkel. Diese beide Werte müssen nun noch über alle Messradien integriert werden. Umfangsgütegrad: η U = 1 β ( dβ dϕ ) max (10) Beim Umfangsgütegrad werden die verwendeten Anstellwinkelschwankungen und -gradienten zusätzlich noch durch den dimensionslosen Propellerradius r gewichtet. R Hier beschreibt der Wert β Das Integral der maximalen Anstellwinkelunterschiede über die Radien. Der Wert ( dβ ) dϕ max beschreibt das Integral der maximalen Anstellwinkelgradienten über die Radien. Die vollständige Herleitung des Verfahrens lässt sich in [2] nachlesen. 4.4 Qualitätswerte und Vergleich mit anderen Schien Die in Kapitel 4.3 angegebenen dimensionslosen Gröÿen zur Bewertung der Qualität des Nachstromfeldes sind für die vorhandenen Nachstromfelder des Zweischraubers und des Einschraubers in Tabelle 10 gegeben. Hier ist zu sehen, dass der Einschrauber einen etwas besseren Wert hat als der Zweischrauber. In [2] sind einige Werte gegeben, mit denen man die beiden Werte absolut einordnen kann. Die untersuchten Zweischrauber sind jedoch bis auf zwei Ausnahmen nicht in Twin-Skeg-Ausführung, sondern besitzen Wellenböcke. Daher ist es zweckmäÿig, die Werte mit denen der Einschrauber zu vergleichen, wie es in [2] ebenfalls getan wurde. Die Grenze für gute bzw. schlechte Gütegrade wurde basierend auf vorherigen Ergebnissen der SVA Potsdam zu 0,62 gesetzt. Entsprechend liegt der Einschrauber knapp darüber, der Zweischrauber knapp darunter. Damit liegen sie jedoch in der vorhandenen Auswahl aus Container-Schien, Bulkern, Tankern und RoRo-Schien in der orian.kemper@tuhh.de 15

20 4 VERGLEICH DER QUALITÄT DES NACHSTROMFELDES Schi Zweischrauber Einschrauber Dβ m 0,231 0,208 dβ m 0,066 0,054 η R 0,877 0,894 β 0,579 0,575 ( dβ dϕ max 0,189 0,138 η U 0,669 0,718 η N 0,587 0,642 Tabelle 10: Bewertung der Güte der Nachstromfelder besseren Hälfte. Die beiden in [2] untersuchten Twin-Skeg-Varianten haben äuÿerst schlechte Werte von 0,205 und 0,375. Um aber eine qualiziertere Aussage über die absolute Güte des Nachstroms zu treen wäre es notwendig, weitere LNG-Tanker im Vergleich zu haben. Daher liegt hier der Hauptaugenmerk auf dem Vergleich der beiden Schie miteinander. Es wird in Kapitel 5 nocheinmal auf diese Ergebnisse eingegangen werden. orian.kemper@tuhh.de 16

21 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN 5 Schub- und Drehmomentschwankungen Wie in Kapitel 5 schon erwähnt, bekommt der Propeller ein ungleichförmiges Nachstromfeld, in dem er arbeiten muss. Die über den Umfang ungleichförmige Anströmgeschwindigkeit sowie die tangentiale Komponente im Zustrom bewirken ständige Schwankungen des Anstellwinkels. Auf den einzelnen Flügel bewirken diese eine Veränderung des Widerstands und des Auftriebs. Betrachtet man den ganzen Propeller entsprechen diese Veränderungen Schwankungen des Drehmoments und des Schubes. Um dies zu erfassen, wird eine Rechnung mit einem sog. Wirbel-Gitter- Verfahren (Vortex-Lattice Method) durchgeführt. Das Verfahren soll im Folgenden kurz erläutert werden. 5.1 Wirbel-Gitter-Verfahren Das Wirbel-Gitter-Verfahren beruht auf der Potentialtheorie [4]. In der Potentialtheorie wird der Strömungsbereich als inkompressibles, reibungs- und rotationsfreies Fluid angenommen. Zur Berechnung des Auftriebs eines Flügels werden Quellen, Senken sowie Wirbel auf dem Prol platziert. Hierbei simulieren die Quellen und Senken die Form des Prols, die Zirkulationen der Wirbel modellieren die auftriebserzeugenden Eekte. Für diese Singularitäten sind einfache analytische Lösungen bekannt, die anschlieÿend überlagert werden. Die Berechnung dieser Gröÿen erfolgt durch Aufstellen und Einhalten der Randbedingungen. Das Verfahren lässt sich hier anwenden, da der Auftrieb eines Flügelprols hauptsächlich durch Potentialeekte hervorgerufen wird. Da alle Geschwindigkeitskomponenten erfasst werden, lassen sich auch die instationären Berechnungen im Nachstromfeld durchführen. Das Verfahren ist implementiert in E4. Dies ist ein schibauliches Entwurfsprogramm, mit dem die Berechnungen durchgeführt werden. Genauere Beschreibungen des Verfahrens lassen sich in [4] oder [3] wiedernden. 5.2 Nachstromfeld Um die instationäre Rechnung durchzuführen wird das Nachstromfeld des jeweiligen Schies benötigt. Die vorhandenen Nachstromfelder wurden in einem Modellversuch gemessen. Es gibt vier Messradien, auf denen die dreidimensionalen Geschwindigkeiten in 15 -Schritten gemessen wurden. Diese Geschwindigkeiten liegen mit ihren jeweiligen einzelnen Komponenten tabellarisch und graphisch vor (siehe Abbildung 3). orian.kemper@tuhh.de 17

22 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN 5.3 Modellierung der Propeller Um das Verfahren anzuwenden, benötigt man das Modell des Propellers. Der Propeller wird folgendermaÿen modelliert: Es gibt über den gesamten Propellerradius 12 Radien, zu denen jeweils ein Prolschnitt deniert wird. Der Prolschnitt wird deniert durch die Art des Prols (z.b. NACA), die maximale Dicke, die Wölbungstiefe und die Sehnenlänge. Anhand dieser Parameter werden die Dicken-Koordinaten des Prols über die relative Länge erstellt. Die einzelnen Prolschnitte liegen auf der Erzeugenden (Generator Linie). Durch diese ergibt sich auÿerdem die Rücklage (Skew). Hinzu kommt noch die Verdrehung des Flügels, die über die Steigung der einzelnen Schnitte beschrieben wird. Natürlich muss auch die Flügelanzahl bekannt sein. Die Grundlage für den Propeller, der bei den Rechnungen verwendet wird, bilden die Daten desjenigen Propellers, der im Modellversuch des Zweischraubers verwendet wurde. Vorhanden waren hierbei die Gröÿen Propellerdurchmesser, Nabendurchmesser, Flächenverhältnis sowie Steigung, Sehnenlänge und maximale Dicke der einzelnen Schnitte. Die Art des Prols und die Wölbungstiefe sind nicht vorhanden. 5.4 Durchgeführte Kombinationen Die Berechnung der Schwankungen sollen für folgende Kombinationen durchgeführt und verglichen werden: Nachstromfeld des Zweischraubers mit 5-ügligem Propeller (twin5) Nachstromfeld des Zweischraubers mit 4-ügligem Propeller (twin4) Nachstromfeld des Einschraubers mit 5-ügligem Propeller (single5) Nachstromfeld des Einschraubers mit 4-ügligem Propeller (single4) Es wurden 4- bzw. 5-üglige Propeller gewählt, da dies derzeit die gängigen Flügelzahlen sind. Diese werden jeweils am Ein- und Zweischrauber untersucht. Die Rechenfälle bzw. die Namensgebung ist nicht mit den Fällen aus Kapitel 3 zu verwechseln. Hier wurden nur die beiden originalen Schie verwendet, mit jeweils zwei verschiedenen Propellern Zweischrauber mit 5-ügligem Propeller (twin5) Propellermodellierung Da kein Proltyp gegeben ist, wurde dieser zu einem NACA16a08 gewählt. Dieses Prol besteht aus einer NACA16-Tropfenform. orian.kemper@tuhh.de 18

23 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN Zusätzlich fällt die Wölbung der Skelettlinie ab x/c = 0, 8 linear bis auf null ab. Es ist bei Propellern ein sehr häug verwendetes Prol. Um die Wölbungstiefe zu ermitteln, wird eine Zeichnung des Flügels vergröÿert, aus der die Wölbung nun ausgemessen wird. Der Verlauf der Wölbung über den Radius wird anschlieÿend noch gestraakt, um keine Sprünge zu bekommen. Nun verwendet man das Programm Xfoil. Mit diesem Programm lassen sich die Koordinaten der Proloberäche erzeugen, wenn man die o.g. Parameter eingibt. Nun hat man die Prolschnitte für 12 Radien. All diese Daten werden in eine sogenannte p-datei eingegeben, die anschlieÿend in E4 eingelesen werden kann. Berechnung Für diesen Propeller wird nun das Freifahrtdiagramm berechnet. Aus dem Modellversuch liegt auÿerdem das gemessene Freifahrtdiagramm vor. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen den Vergleich dieser beiden. 0.8 KT, 10KQ, Eta KT, 10KQ, Eta Advance coefficient J[-] P043 : KT P043 : 10KQ P043 : eta Abbildung 5: Berechnetes Freifahrtdiagramm des originalen 5-Flüglers Betrachtet man die Abbildungen 5 und 6, so stellt man fest, dass sie gut übereinstimmen. Daher wird davon ausgegangen, dass das Rechenverfahren für die folgende Bewertung hinreichend genau ist. Nun lässt sich die instationäre Rechnung durchführen, bei der der Propeller im Nachstromfeld arbeitet. Die Abbildungen 7 und 8 zeigen den Verlauf des Schubes bzw. des Momentes über den Drehwinkel. Die rote Kurve gilt für orian.kemper@tuhh.de 19

24 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN 0,8000 0,7000 0,6000 0,5000 0,4000 0,3000 0,2000 0,1000 0,0000 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 K_Tm 10K_Qm eta_0 Abbildung 6: Gemessenes Freifahrtdiagramm des originalen 5-Flüglers einen einzigen Flügel, die schwarze stellt die Überlagerung aller Flügel dar Thrust vs. Angle Thrust [KN] Angle [Deg], 00=6o clock, 90=9o clock (view from aft) P036 : x-thrus P036 : x-thrus Abbildung 7: Schub des originalen 5-Flüglers des Zweischraubers (twin5) Auch hier lässt sich nochmal der Vergleich zu den vorhandenen Werten ziehen. Die Rechnung ergibt einen Schub von 1294kN und ein Moment von orian.kemper@tuhh.de 20

25 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN -200 Torque vs. Angle Torque [KNm] Angle [Deg], 00=6o clock, 90=9o clock (view from aft) P036 : x-torqu P036 : x-torqu Abbildung 8: Moment des originalen 5-Flüglers des Zweischraubers (twin5) 1438kNm. Aus der Groÿprognose des Modellversuchs liest man einen Schub von 1314kN und ein Moment von 1557kNm ab. Hier gilt es zu beachten, dass diese Werte nur für einen Propeller gelten. Bei den Berechnungen für den Zweischrauber müssen diese daher noch mit zwei multipliziert werden. Diese Werte zeigen auch wieder eine gute Übereinstimmung. Betrachtet man die Kurven genauer, erkennt man deutlich das Maximum im Verlauf des einzelnen Flügels bei 180. Dies entspricht der 12-Uhr Positon im Nachstromfeld. Durch die hier verminderte Geschwindigkeit im Nachstrom (siehe Abbildung 3) ergibt sich ein vergröÿerter Anstellwinkel, aus dem ein gröÿerer Schub sowie ein ein gröÿeres Moment resultiert. Die Überlagerung der einzelnen Kräfte und Momente ergibt nun eine Schwingung, die eine Erregung für das gesamte Schi darstellt. Die Amplitude beträgt ca. 50kN bzw. 50kNm Zweischrauber mit 4-ügligem Propeller (twin4) Propellermodellierung Die Basis für den 4-ügligen Propeller bietet twin5. Um einen sinnvollen Vergleich herstellen zu können, ist es notwendig, dass der Schub beider Propeller in etwa gleich ist. Hierzu könnte man beispielweise die Parameter Sehnenlänge, Steigung oder Wölbung verändern. Als erste Näherung wird hier die identische Flügelgeometrie verwendet, die Flügelzahl beträgt vier. orian.kemper@tuhh.de 21

26 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN Berechnung Den Verlauf des Schubes zeigt Abbildung 9. Es ergibt sich 1300 Thrust vs. Angle Thrust [KN] Angle [Deg], 00=6o clock, 90=9o clock (view from aft) P038 : x-thrus P038 : x-thrus Abbildung 9: Schub des 4-ügligen Propellers des Zweischraubers, mit bis auf die Flügelzahl unveränderter Geometrie ein Schub von 1193kN. Dies ist noch etwas weniger als der benötigte Schub von 1294kNm. Als erster Ansatz wird versucht, die Sehnenlänge der Prolschnitte zu verändern. Dies hat jedoch nur wenig Einuss auf den Schub, und man erreicht nicht die notwendige Gröÿe. Eine andere Möglichkeit ist es, die Wölbung der einzelnen Prolschnitte zu vergröÿern. Hierzu müsste man jedoch wieder mit dem Programm Xfoil alle Schnitte einzeln erzeugen, was insgesamt zu aufwändig ist, um es hier iterativ zu tun. Daher wird als nächstes versucht, die Steigung zu vergröÿern. Im nächsten Versuch wird die vorhandene Steigung von 7,29m auf 7,60m vergröÿert. Das Ergebnis zeigt Abbildung 10. Man erhält einen Schub von 1288kN und ein Moment von 1446kNm. Dies stellt eine hinreichende Übereinstimmung mit dem Schub des 5-Flüglers dar. Das entsprechende Moment zeigt Abbildung 11. Man erkennt hier eine Amplitude von etwa 56kN beim Schub und 53kNm beim Moment. Auällig ist hierbei die deutlich andere Form der Schwingung. Während bei dem 5-Flügler eine nahezu sinusförmige Schwingung vorliegt, erhält man orian.kemper@tuhh.de 22

27 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN 1400 Thrust vs. Angle Thrust [KN] Angle [Deg], 00=6o clock, 90=9o clock (view from aft) P040 : x-thrus P040 : x-thrus Abbildung 10: Schub des 4-ügligen Propellers des Zweischraubers mit vergröÿerter Steigung gegenüber twin5 (twin4) -200 Torque vs. Angle Torque [KNm] Angle [Deg], 00=6o clock, 90=9o clock (view from aft) P040 : x-torqu P040 : x-torqu Abbildung 11: Moment des 4-ügligen Propellers des Zweischraubers mit vergröÿerter Steigung (twin4) orian.kemper@tuhh.de 23

28 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN beim 4-Flügler noch eine Unterschwingung. Diese bildet eine zusätzliche Erregung mit der doppelten Blattfrequenz Einschrauber mit 5-ügligem Propeller (single5) Propellermodellierung Für den Einschrauber sind als Daten für den Propeller nur die Gröÿen Propellerdurchmesser, Nabendurchmesser, Steigung auf dem Radius 0,75R, Sehnenlänge auf dem Radius 0,75R und maximale Dicke auf dem Radius 0,75R bekannt. Die Werte für die übrigen Radien sowie eine Skizze sind nicht vorhanden. Daher wird folgendermaÿen vorgegangen: Als Basis dient wieder twin5. Es werden die Prolschnitte mit den zugehörigen Koordinaten verwendet. Es werden die Gröÿen Durchmesser, Steigung und Sehnenlänge von den Daten von twin5 auf die Daten von single5 skaliert. Siehe dazu auch Tabelle 2 Berechnung Den Verlauf des Schubes zeigt Abbildung Thrust vs. Angle Thrust [KN] Angle [Deg], 00=6o clock, 90=9o clock (view from aft) P004 : x-thrus P004 : x-thrus Abbildung 12: Schub des 5-ügligen Propellers des Einschraubers (single5) Der berechnete Schub beträgt 1967kN. Aus der Groÿausführungsprognose erhält man einen benötigten Schub von 2162 kn. Dies sind noch ca. 10% Abweichung. Dies liegt daran, dass nicht die vollständige Geometrie des Propellers vorliegt, und man daher viele der Gröÿen von dem anderen Propeller übernehmen muss. Dieser ist jedoch nicht optimiert für den vorliegenden orian.kemper@tuhh.de 24

29 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN Fall. Allerdings ist es für diese Anwendung hinreichend genau, da hier nur der Verlauf des Schubes, bzw. des Momentes betrachtet werden soll. Das zugehörige Moment beträgt 2069kNm. Es ist in Abbildung 13 zu sehen. Die Amplitude des Schubes beträgt 140kN und die des Momentes 150kNm Torque vs. Angle Torque [KNm] Angle [Deg], 00=6o clock, 90=9o clock (view from aft) P004 : x-torqu P004 : x-torqu Abbildung 13: Moment des 5-ügligen Propellers des Einschraubers (single5) Einschrauber mit 4-ügligem Propeller (single4) Propellermodellierung Das Modell des 4-ügligen Propellers des Einschraubers ergibt sich aus single5. Es wird die Geometrie des Flügels übernommen. Es wird lediglich ein Flügel weggelassen. Berechnung Der Schub von single4 ist in Abbildung 14 zu sehen. Man erhält einen Schub von 1869kN. Um in etwa den gleichen Schub zu erhalten wie single5 wird nun wieder die Steigung verändert. Die Steigung betrug vorher 7,07m. Die Steigung wird nun auf 7,2m vergröÿert. Den Schub zeigt Abbildung 15. orian.kemper@tuhh.de 25

30 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN 2000 Thrust vs. Angle Thrust [KN] Angle [Deg], 00=6o clock, 90=9o clock (view from aft) P005 : x-thrus P005 : x-thrus Abbildung 14: Schub des 4-ügligen Propellers des Einschraubers mit unveränderter Flügelgeometrie gegenüber single Thrust vs. Angle Thrust [KN] Angle [Deg], 00=6o clock, 90=9o clock (view from aft) P007 : x-thrus P007 : x-thrus Abbildung 15: Schub des 4-ügligen Propellers des Einschraubers mit vergröÿerter Steigung (single4) orian.kemper@tuhh.de 26

31 5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN Mit der veränderten Steigung beträgt der Schub nun 1952kN. Dies entspricht nahezu dem Schub von single5. Das Moment beträgt 2064kNm und die Amplitude 75kNm. Man erkennt in dem Verlauf des Schubes über dem Winkel, dass die Amplitude der Schwingung kleiner ist als beim 5-Flügler (single5). Sie beträgt ca 70kN Torque vs. Angle Torque [KNm] Angle [Deg], 00=6o clock, 90=9o clock (view from aft) P007 : x-torqu P007 : x-torqu Abbildung 16: Moment des 4-ügligen Propellers des Einschraubers mit vergröÿerter Steigung (single4) 5.5 Übersicht über die Ergebnisse Die Tabelle 11 gibt einen Überblick über die errechneten Werte. Die Werte beim Zweischrauber wurden jeweils mit zwei multipliziert, so dass sie für das gesamte Schi gelten. Die relative Amplitude gibt den Quotient aus Amplitude und Eektivwert in Prozent an. Betrachtet man die Kurven nur eines Flügels im Nachstrom so erkennt man, dass das Maximum beim Zweischrauber deutlich ausgeprägter ist. Beim Einschrauber hingegen ist kein deutliches Maximum zu erkennen. Auf den ersten Blick verwundert diese Tatsache ein wenig. Da in der 12-Uhr Position eine deutliche Nachstromdelle zu sehen ist, erwartet man auch ein Maximum im Schub- und Momentenverlauf des einzelnen Flügels. Betrachtet man jedoch den Propellerdurchmesser, der in Abbildung 3 schwarz eingezeichnet orian.kemper@tuhh.de 27

32 6 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE Schi Zweischrauber Einschrauber Propeller twin5 twin4 single5 single4 Flügelzahl [-] Schub [kn] Amplitude [kn] relative Amplitude [%] 3,9 4,3 7,1 3,6 Moment [knm] Amplitude [knm] relative Amplitude [%] 3,5 3,7 7,2 3,6 Tabelle 11: Übersicht über die Schwankungen des Schubes und des Drehmomentes ist, so sieht man, dass der Nachstrom innerhalb dieses Durchmessers sehr viel homogener ist. Die Nachstromdelle liegt dadurch nur teilweise innerhalb des Propellerdurchmessers, und zu groÿen Teilen auÿerhalb. Der Propellerdurchmesser wird auch bei der Nachstrombewertung in Kapitel 4 berücksichtigt, bei der der Einschrauber auch den besseren Wert erzielt. In der Überlagerung ergibt sich allerdings ein etwas verändertes Bild. Bei drei der vier Kombinationen ergibt sich eine relative Amplitude im Schub von ca. 3,5 bis 4%. Einzig beim Einschrauber mit 5-ügligem Propeller ergibt sich eine sehr ungünstige Überlagerung. Im Verlauf des Schubes und des Momentes des Einzelügels sind drei leichte Maxima zu erkennen. Diese fallen ziemlich genau zusammen, so dass eine relative Amplitude von 7,1% entsteht. Zusätzlich ist zu beachten, dass bei der Kombination Zweischrauber mit 4- ügligem Propeller eine zusätzliche Unterschwingung auftritt. Diese zeigt sich in Form von zwei weiteren Wendestellen während eines Flügeldurchgangs. Diese Tatsache muss bei Schwingungsrechnungen beachtet werden, da eine zusätzliche höhere Erregerfrequenz entsteht. 6 Zusammenfassung der Ergebnisse Nachdem die einzelnen Aspekte untersucht worden sind, zeigt sich insgesamt, dass der Zweischrauber in diesem Segment groÿe Vorteile bietet. Der wesentliche Punkt ist die Propulsion, bzw. die benötigte Antriebsleistung. Durch den höheren Propulsorfreifahrtwirkungsgrad bei einem niedrigeren Schubbelastungssgrad kann erheblich Leistung gespart werden. Wie auch schon in der Einführung erwähnt, wird die Redundanz durch ein Zweischraubenkonzept verbessert. Auf diesen Punkt wurde in dieser Arbeit orian.kemper@tuhh.de 28

33 LITERATUR nicht näher eingegangen. Es ist jedoch eine Tatsache, dass das Schi selbst bei Ausfall einer Antriebsanlage selbständig weiterfahren kann. Das beinhaltet im Gegensatz zum Einschrauber auch einen Ausfall der Wellenleitung. Diese Fahrzustände wurden von der Versuchsanstalt ebenfalls getestet. Die Probleme, die durch das Twin-Skeg-Konzept verursacht werden könnten, sind Schwingungen bzw. Vibrationen. Stärkere Schwankungen des Schubes und des Drehmomentes als beim Einschrauber konnten hier jedoch nicht festgestellt werden. Auch die Flügelzahl des Propellers (in diesem Fall vier oder fünf) ist nicht kritisch. Sie lässt sogar noch Spielraum zur Optimierung der Antriebsleistung. Hierzu müsste man die unterschiedlichen Propellervarianten noch auf ihre Wirkungsgrade hin untersuchen. Dies wurde hier jedoch nicht betrachtet. Allerdings ist es bekannt, dass Propeller mit geringeren Flügelzahlen höhere Wirkungsgrade erzielen können, da die propellerinduzierten Geschwindigkeiten die auftriebserzeugenden Eekte weniger beeinussen. Durch den geringeren Schubbelastungsgrad des Zweischraubers ergibt sich die notwendige Freiheit im Propellerentwurf, um die Antriebsleitung weiter zu verringern. Auÿerdem treten bei geringerem Schubbelastungsgrad weniger Kavitationsprobleme auf. Diese erzeugen Druckimpulse an der Auÿenhaut und können sogar den Propeller beschädigen. Dieser Aspekt wurde jedoch nicht näher vertieft. Literatur [1] Stefan Krüger, Grundlagen der Propulsion, Technische Universität Hamburg Harburg, 2004, Manuskript zur Vorlesung Widerstand und Propulsion [2] Marc Fahrbach, Bewertung der Güte von Nachstromfeldern, 2004 Diplomarbeit Technische Universität Hamburg Harburg [3] Dr. K. Y. Chao und Dr.-Ing. H. Streckwall, Berechnung der Propellerumströmung mit einer Vortex-Lattice Methode [4] Dipl.-Ing. Wilfried Abels, Zuverlässige Prognose propellererregter Druckschwankungen auf die Auÿenhaut mittels Korrelation direkter Berechnung, 2006 Technische Universität Hamburg Harburg 29