Autor: pa

LDV (Laser-Doppler-Velocimetry)

Geschwindigkeitsfelder können annähernd punktförmig mit großer Genauigkeit und hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung mittels eines LDV Systems vermessen werden. Lasermessungen werden seit 1985 routinemäßig in der SVA durchgeführt. Zur Anwendung kommen Kompaktsonden mit integrierten Festkörperlaser (PowerSight Sonde der Firma TSI). Die Sonden sind transportabel und flexibel einsetzbar. Am Kavitationstunnel  wird überwiegend ein 2D LDV eingesetzt, in der Schlepprinne und für mobile Aufgaben vorrangig ein 1D System. Beide Kompaktsonden lassen sich zu einem 3D Messsystem kombinieren. Ist ein Tauchen der Sonde ins Wasser notwendig, kann über Lichtleitfasern eine wasserdichte 2D Sonde (83 mm Durchmesser) an das Lasermodul angekoppelt werden.
 

LDV_SVA_2_small LDV_SVA_1_small LDV_DST_small

 

Technische Daten
2D PowerSight Sonde mit 500 mW DPSS Laser (561 nm und 531 nm) und 3 Kanal Photomultiplier und Signalprozessor
1D PowerSight Sonde mit 200 mW DPSS Laser 553 nm mit 1 Kanal Photomultiplier und Signalprozessor
Einsatz als 3D LDV möglich
Strahlabstand 50 mm, Objektive 250, 350, 500, 600 mm, minimales Messvolumen Länge 0.7 mm, Durchmesser 62 µm
Rechnergesteuerte 3D Traversierung

2 Messstrecken (8 m/s, 13 m/s)

Kavitank_SchemaZeichnung
Freifahrt_K15A_SVA-Potsdam_2015_small

Hauptparameter der Waagen
Parameter R37 R35X
Komponente in x-Richtung (x) [N] 800 500
Komponenten in y-Richtung (y1, y2) [N] 800
Komponenten in z-Richtung (z1, z2, z3) [N] 500

Hauptparameter der Dynamometer
Parameter J25 H36 R45
Schub Propeller Tmax [N] 3000 2000 400
Drehmoment Propeller Qmax [Nm] 150 100 15
Drehzahl Propeller nmax [s-1] 60 50 50
Wellenneigung [°]     +15 bis -10

Die SVA Potsdam betreibt den Kavitationstunnel K15A von Kempf & Remmers. Es stehen zwei Messtrecken zur Verfügung. Die Länge zwischen den beiden vertikalen Teilen des Kavitationstunnels beträgt 12 m, die Höhe zwischen den horizontalen Teilen 7 m. Der Impeller des Kavitationstunnels wird durch einen 100 kW Gleichstrommotor angetrieben.Der Kavitationstunnel verfügt über die Dynamometer J25 und H36. Beide Dynamometer können allein oder zusammen betrieben werden, so dass Versuche mit Gegenlauf- und/oder Tandempropellern durchgeführt werden können. Zusätzlich stehen die wasser- und druckdichten Innenantriebsdynamometer vom Typ R45 für spezielle Versuche (z.B. überlappende Propeller) zur Verfügung.

Die Geschwindigkeit in der Messstrecke des Kavitationstunnels wird aus der Druckdifferenz vor und hinter der Düse bestimmt (Prinzip der Venturidüse). Der Druck in der Messstrecke sowie der atmosphärische Druck werden ebenfalls mit Drucksensoren bestimmt.

Für die Messung von Kräften an Profilen, Tragflügeln, Düsen und Rudern stehen die Waagen R37 und R35X zur Verfügung. Örtliche Geschwindigkeiten werden standardmäßig mit einem Laser (Powersight LDV (TSI)) gemessen. Für die Messung von Geschwindigkeitsfeldern kann auch ein PIV-Messsystem von TSI eingesetzt werden.

In der kleinen Messtrecke werden überwiegend Kavitationsversuche mit Propellern für schnelle Schiffe und Sonderversuche, wie Messungen an Profilen und Tragflügeln, Geschwindigkeitsmessungen mit LDV oder PIV, Erosionsversuche sowie Kalibrierungen von Geschwindigkeitsmesssystemen durchgeführt.

Die Untersuchung des Kavitationsverhaltens des Propellers im Nachstromfeld des Schiffes und die Messung der propellerinduzierten Druckschwankungen erfolgen in der großen Messstrecke des Kavitationstunnels. Die Simulation des Nachstromfeldes, berechnet für die Reynoldszahl der Großausführung, erfolgt in der SVA mit einem Dummymodell und zusätzlichen Sieben [1], [2], [3], [4]. Im Dummymodell ist das Dynamometer H36 integriert. Die Dummymodelle sind bis zu 2.60 m lang und im Hinterschiffsbereich dem Schiff geometrisch ähnlich. Oberhalb des Propellers werden im Dummymodell Drucksensoren angeordnet. Mit dem Dummymodell und Zusatzsieben wird in der SVA standardmäßig das mit CFD-Verfahren berechnete Nachstromfeld der Großausführung simuliert.

Für die Untersuchung des Kavitationsverhaltens von Thrustern und Podded Drives, sowie von Voith-Schneider-Propellern oder Ruderdüsen wurden spezielle Messsysteme entwickelt. Das gleiche gilt für Kraft-und Momentenmessungen am Einzelflügel von Verstellpropellern bei Kavitationsähnlichkeit.

Lesen Sie hier mehr über die verschiedenen Versuche und Objekte im Kavitationstunnel.

Technische Spezifikationen der Messstrecken
Parameter Messstrecke 1 Messstrecke 2
Messstreckenlänge 2600 mm 2600 mm
Messstreckenquerschnitt 600 mm x 600 mm 850 mm x 850 mm
Kontraktionsverhältnis der Düse 5.96 : 1 2.93 : 1
Maximale Geschwindigkeit in der Messstrecke 13 m/s 7.5 m/s
Variation des Messstreckendrucks -970 mbar bis 1200 mbar -950 mbar bis 1200 mbar

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Selke, W., Heinke, H.-J.: Propelleruntersuchungen im Kavitationstunnel der Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam, Jahrbuch der STG, 84. Band, 1990
[2]    Schmidt, D., Selke, W., Gerchev, G.: Comparative Joint Investigations in the Cavitation Tunnels of SVA and BSHC on the Prediction of Propeller-Induced Pressure Pulses, Schiffbauforschung 31 (1992) 1
[3]    Heinke, H.-J.: The Influence of Test Parameters and Wake Field Simulation on the Cavitation and the Propeller Induced Pressure Fluctuations, Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft, 97. Band, 2003
[4]    Kleinwächter, A., Hellwig-Rieck, K., Ebert, E., Kostbade, R., Heinke, H.-J., Damaschke, N. A.: PIV as a Novel Full-Scale Measurement Technique in Cavitation Research, Fourth International Symposium on Marine Propulsors, smp’15, Austin, Texas, USA, 2015

SUBPMM-Anlage

SUBPMM_Otter

SUBPMM_Zeichnung

Messungen mit Tauchkörpern werden an Originalen bzw. Kopien in Originalgröße und an maßstabsgetreuen Modellen durchgeführt. Das Spektrum der Versuchsobjekte erstreckt sich von Tauchfahrzeugen, wie ROVs, AUVs über U-Boote bis hin zu speziellen Untersuchungen an Meerestieren und Tauchern. Zur Bestimmung des Bewegungsverhaltens von Unterwasserfahrzeugen in vertikaler und horizontaler Ebene, für Widerstands- und Propulsionsversuche sowie Nachstrommessungen wird das SUBPMM-System (SUBmarine-Planar-Motion-Mechanismus) verwendet. Die Besonderheit der Anlage besteht darin, dass die Messstellen der Kräfte innerhalb des Modells angebracht sind und damit die Einflüsse der Schleppvorrichtung eliminiert werden. Die Anlage ist für Modellgrößen von 1 – 6 m und Tauchtiefen von 0.5 – 2.5 m einsetzbar. Für den Antrieb der Modelle stehen gekapselte Motor-Dynamometer-Module verschiedener Größe zur Auswahl.Für die Bestimmung des Bewegungsverhaltens von Unterwasserfahrzeugen kann mit der SUBPMM-Anlage der einfachen Schleppbewegung des Modells eine Bewegung in einer weiteren Ebene überlagert werden. Zudem kann der Anstellwinkel des Modells als auch der Steuerorgane variiert werden. Somit ist es möglich, die Koeffizienten für die Bewegungsgleichungen zu ermitteln.

Die SUBPMM-Anlage wird darüber hinaus für Widerstands- und Propulsionsversuche verwendet. Für Nachstrommessungen wird ein Rechen mit Drucksensoren eingesetzt, der automatisch verstellbar ist.

In den FuE-Vorhaben, „Maßstabseffekte bei der Bestimmung des Manövrierverhaltens von Unterwasserfahrzeugen durch Modellversuche“ [3], „Korrelation des Widerstandes getauchter Körper“ [1], „Interferenzerscheinungen bei Substrukturen von getauchten Körpern“ [2] und „Einfluss der Reynoldszahl auf die Sogziffer“ [4] erfolgten Geosim-Versuche und Berechnungen für Unterwasserfahrzeuge zum Bewegungsverhalten, Widerstand und Interferenzerscheinungen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in die Korrelation für die Großausführungsprognosen eingeflossen.

 

SUBPMM_CFD_Uboot SUBPMM_DIagramm SUBPMM_Nachstromrechen

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Grabert, R., Rieck, K.: Skalierung von Widerstandsversuchen mit U-Booten, VSM(2007)
[2] Nietzschmann, T.: Interferenzerscheinungen bei Substrukturen von getauchten Körpern”, FuE-Sachbericht (2012)
[3] Steinwand, M.: Maßstabseffekte bei der Bestimmung des Manövrierverhaltens von Unterwasserfahrzeugen durch Modellversuche, 2. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 29. Januar 2009
[4] Hellwig-Rieck, K.: Einfluss der Reynoldszahl auf die Sogziffer, 4. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 27. Januar 2011

Slammingversuchsanlage

Slamming_Anlage
Bei stärkerem Seegang, besonders in Verbindung mit hohen Schiffsgeschwindigkeiten, kann infolge von Tauch- und Stampfbewegungen meist der Vorschiffsbereich eines Schiffes aus dem Wasser austauchen. Beim Wiedereintauchen können bei Überschreitung einer kritischen relativen Vertikalgeschwindigkeit an der Rumpfoberfläche infolge von Stoßbelastungen enorme Drücke und Kräfte auftreten, die Beschädigungen am Schiff verursachen können.

Um diese Problematik experimentell zu untersuchen, wurde in der SVA eine hydraulische Slamminganlage entwickelt. Mit dieser Anlage können Schiffsmodelle mit einer Frequenz bis zu 2.0 Hz und einer Amplitude bis 10 cm zu Stampf-, Tauch- und gekoppelten Bewegungen angeregt werden. Es können Modelle mit einer Länge von 5.5 m und einer bewegten Masse von 500 kg untersucht werden. Durch die Messung von Druckschwankungen im kHz-Bereich an bis zu 30 Messpunkten können örtliche Spitzendrücke identifiziert werden.

 

Technische Daten
Max. Frequenz 2 Hz
Max. Amplitude 0.1 m
Max. Modelllänge 5.5 m
Max. Masse 500 kg
Max. # Messpunkte 30

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Fröhlich, M.: Einsatz eines Schwingungsoszillators auf hydraulischer Basis zur Untersuchung der Slammingbelastung von Schiffen, STG-Sprechtag „Schiffe im Seegang“, Hamburg, Oktober 1998

Flügelverstellnabe

Mit der Flügelverstellnabe ist die dynamische Verstellung der Steigung im Versuch, beispielsweise für Stoppmanöver, möglich. Die Flügelverstellnabe realisiert die Veränderung der Flügelsteigung mit einem Schrittmotor. Es sind 2 Endlagenschalter eingebaut, die den Motor bei ±30° Verstellwinkel abschalten. Die mittlere Steigung ist auf dem Nabenfuß markiert. Gemessen wird der Winkel über ein Potentiometer. Gelagert wird die Nabe in einem Kohlenstoffring. Die Steuerdaten und die Werte des Potis werden über einen Schleifringkörper übertragen.

Hauptparameter
Nabendurchmesser mm 60
Nabenlänge mm 57
Flügelzahl 4
Propellerdurchmesser mm 250

 

Flügelverstellnabe_1Flügelverstellnabe_2_small

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Steinwand, M.: Optimierung des Stoppmanövers mit Verstellpropellern und Hybridantrieben, 9. SVA-Forschungsforum, Potsdam, 28. Januar 2016

VSP-Waagen

VSP_Waage_1VSP_Antrieb_CAD_small

Zur Messung der Kräfte an VSP Antriebe wurden spezielle Messwaagen entwickelt, welche im Vergleich zu den konventionellen VSP-Waagen die Messung von Schubkraft, zwei Seitenkräften sowie dem Antriebsmoment ermöglichen. Die VSP-Waagen können im Schiffsmodell, in der Schlepprinne und im Kavitationstunnel eingesetzt werden.

Technische Daten
Messung von
Schubkraft
Seitenkräfte 2
Drive torque
Torque
Max. force component [N] 200
Max. drive torque [Nm] 8