Als Kavitationserosion wird eine Materialzerstörung bezeichnet, die durch bestimmte Kavitationsarten ausgelöst wird und an den betroffenen Stellen für Schäden sorgen kann. Auf Grund der Kompliziertheit des Vorganges der Kavitationserosion sind die Kenntnisse zum Erosionsmechanismus noch nicht vollständig. Die Erosionsgefährdung von Propellern, Rudern oder Anhängenwird überwiegend experimentell ermittelt.In den Versuchen wird die erosive Wirkung der beobachteten Kavitation bewertet und durch Soft Surface Versuche und/oder akustische Messungen validiert. Die Grundlagen für die Erosionsversuche in der SVA wurden in verschiedenen FuE-Vorhaben erarbeitet. In Zusammenarbeit mit dem Institut ZWFI „Akademik A. N. Krylow“ in Leningrad wurde das Soft Surface Verfahren zu einer Methode zur Vorhersage der Erosionsintensität weiterentwickelt [1]. Dazu wurden mit einem Kavitationsblasenerzeuger Parameter von Propellermaterialien (Erosionsfestigkeit) und Erosionslacken ermittelt. Mit diesen Werten kann mittels Experimenten eine Aussage über die Erosionsgefährdung und die Erosionsintensität [2] getroffen werden.

In Kooperation mit der Technischen Universität Dresden wurden Materialien untersucht und theoretische Verfahren [3] erarbeitet, um das Verständnis zum Erosionsmechanismus zu erweitern.

Im Zeitraum 1999 bis 2001 wurde das FuE-Vorhaben „Untersuchung von Schicht-, Blasen- und Wolkenkavitation und der damit verbundenen Erosionsprobleme“ mit Förderung durch das BMBF durchgeführt [4]. Im FuE-Vorhaben wurde in Zusammenarbeit mit dem iFL Magdeburg ein neuer Erosionslack entwickelt und getestet.

Kavitation am Modellpropeller und Ergebnis des ErosionsversuchsEine weitere Möglichkeit zur Erosionsprognose liefert die Akustik, woran derzeit im Rahmen des FuE-Vorhabens KONKAV III intensiv geforscht wird [5]. Demnach erzeugt erosive Kavitation andere Frequenzspektren als nicht erosive Kavitation, anhand derer eine Erosionsgefährdung detektiert werden kann. Gemessen wird dabei der Körperschall direkt am Modellpropeller, da die Implosion der Kavitationsblasen auf dessen Oberfläche für die Erosion verantwortlich ist.Diese Art der Erosionsdetektion bietet auch für das reale Schiff, bei dem eine Kavitationsbeobachtung in den meisten Fällen nur schwer möglich ist, interessante Einsatzmöglichkeiten. Ohne großen Aufwand ist es nur über die Beurteilung des Frequenzspektrums möglich zu bestimmen, ob die auftretende Kavitation erosiv ist oder nicht.

Der Propeller ist neben der Hauptmaschine der Haupterreger für Schiffsschwingungen. Für die Entstehung der propellererregten Schwingungen sind zwei Wirkungsmechanismen zu unterscheiden:

• Durch die Arbeit des Propellers im inhomogenen Nachstromfeld entstehen am Propeller periodisch schwankende Kräfte und Momente, die über die Wellenlager in den Schiffskörper eingeleitet werden.
• Das mit dem Propeller umlaufende Druckfeld erzeugt am Schiffskörper pulsierende Druckkräfte. Durch die Arbeit des Propellers im inhomogenen Nachstromfeld entstehen zusätzliche periodische Druckschwankungen, die durch zeitweise am Propellerflügel auftretende Kavitation noch wesentlich verstärkt werden können.

Die Messung der vom Propeller an der Außenhaut des Schiffes induzierten Druckschwankungen erfolgt in der großen Messstrecke (2600 mm x 850 mm x 850 mm) des Kavitationstunnels K15A von Kempf & Remmers [1], [2], [3]. Ein typischer Versuchsaufbau für Einschraubenschiffe ist im Bild dargestellt. Der Propeller wird mit dem Dynamometer H36 angetrieben. Bis zu 16 Drucksensoren werden oberhalb des Propellers im Hinterschiff eines Dummymodells angeordnet. Die Länge der Dummymodelle, gekürzte Modelle mit maßstäblicher Hinterschiffskontur, beträgt zwischen 2.2 bis 2.7 m. Mit dem Dummymodell wird standardmäßig die dreidimensionale Zuströmung zum Propeller, prognostiziert für die Reynoldszahl des Schiffes, simuliert. Im Rahmen von FuE-Vorhaben oder zum Vergleich mit Messungen an Schiffsmodellen kann auch die Nachstromverteilung des Modells simuliert werden.

Die Analyse von systematischen Versuchsserien zur Bestimmung des Einflusses von Versuchsparametern und Vergleiche mit Großausführungsmessungen sind die Basis der Kavitationsversuche und Druckschwankungsmessungen in der SVA. Die Versuche werden bei hohen Drehzahlen des Modellpropellers (n > 25 s^-1) durchgeführt. Der Sauerstoffgehalt des Wassers als Maß für den Gasgehalt des Wassers wird bei einem Sättigungsgrad von α/α_S > 60 % eingeregelt, um den Einfluss des Keimgehaltes des Wassers und damit der Maßstabseffekte auf die Kavitation zu minimieren. Zusätzlich werden die Druckschwankungsmessungen nach vorgegebenen Versuchsabläufen durchgeführt, die u.a. eine Einlaufphase der Versuchsanlage von mindestens einer Stunde sowie eine Reihe von zusätzlichen Messungen mit Variation der Propellerbelastung und Kavitationszahl sowie Variation der Versuchsparameter beinhalten.

Die Prognose und Simulation der Zuströmung zum Propeller entsprechend den Bedingungen am Schiff ist ein Kernpunkt der FuE-Arbeiten zur Weiterentwicklung der Versuchsmethoden für Kavitationsversuche und Druckschwankungsmessungen [4], [5]. In Vorbereitung der Messungen werden deshalb CFD-Berechnungen zur Umströmung des Schiffes für die Reynoldszahlen des Modells und Schiffes durchgeführt. Die Geschwindigkeitsverteilung in der Propellerebene des Dummymodells wird vor den Kavitationsversuchen und Druckschwankungsmessungen mit dem LDV-System gemessen.

Kavitationsversuche werden im Kavitationstunnel K15A von Kempf & Remmers durchgeführt. Der Kavitationstunnel hat zwei Messstrecken mit den Querschnitten 600 mm x 600 mm und 850 mm x 850 mm und einer Länge von jeweils 2.60 m. In der kleinen Messstrecke 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 [2] – [6] erfolgen in der großen Messstrecke des Kavitationstunnels. Der typische Versuchsaufbau für ein Einschraubenschiff ist in der Prinzipskizze dargestellt. Der Propeller wird mit dem Dynamometer H36 von Kempf & Remmers angetrieben. Die Simulation des Nachstromfeldes, berechnet für die Reynoldszahl der Großausführung, erfolgt mit einem Dummymodell und zusätzlichen Sieben. Die Dummymodelle sind bis zu 2.60 m lang und im Hinterschiffsbereich dem Schiff geometrisch ähnlich. Die Versperrung des Messstreckenquerschnitts liegt im Bereich zwischen 10 bis 22 %. High-Speed-Aufnahmen von kavitierenden Propulsionssystemen finden Sie hier.

Hauptbestandteile des tiefgetauchten Waterjets (TWJ) sind Rotor, Stator und Düse. Die Kombination von Rotor und Stator gewährleistet einen annähernd drallfreien Strahl (minimale Drallverluste). Durch die Düsengeometrie kann die Geschwindigkeit und der Druck innerhalb des Linearjets beeinflusst werden (Verzögerungsdüse), um das Auftreten von Kavitation zu verringern. Der Linearjet wird unterhalb des Schiffbodens angeordnet. Grundlagenuntersuchungen im FuE-Vorhaben „Entwicklung Linear Jet für Yachten“ [1] zeigten, dass der tiefgetauchte Waterjet ein Propulsionssystem mit einem hohen Wirkungsgrad und guten Kavitationseigenschaften ist und insbesondere für schnelle Schiffe und Schiffe mit Tiefgangsbeschränkungen eingesetzt werden kann. In der SVA wurden im Zeitraum 2000 bis 2005 Studien und Projekte für Schiffe mit tiefgetauchten Waterjets in Zusammenarbeit mit der Industrie und Herstellern von Waterjets durchgeführt. Ende 2005 übernahm Voith Turbo Schneider Propulsion GmbH & Co. KG [4] (VOITH) die Entwicklung und Fertigung des Voith Linar Jets (VLJ). Im Verbund mit Voith wurden in der SVA die FuE-Vorhaben „Entwicklung und Optimierung eines tiefgetauchten Waterjets“ (2006 – 2007) und „Propulsion von Schiffen mit tiefgetauchten Waterjets“ (2008 – 2010) durchgeführt [2], [4]. Schwerpunkte der Vorhaben waren die Optimierung des tiefgetauchten Waterjets, die Ermittlung der Freifahrtkennwerte und Kavitationseigenschaften der TWJs, die hydrodynamische Integration der TWJs in den Schiffsentwurf, die Entwicklung der Versuchsmethodik und Prognoseverfahren für Schiffe mit TWJs und die Ermittlung der Propulsionseigenschaften von Schiffen mit TWJs. VOITH erhielt 2012 von der britischen Firma Turbine Transfer Ltd. den ersten Auftrag zur Lieferung von Voith Linear Jets für ein Windfarm Support Vessel (WSV). Die VLJs wurden 2013 durch VOITH entwickelt und gefertigt. In der SVA wurden systematische Versuche [3] und CFD-Berechnungen durchgeführt, um an Hand der Großausführungsmessungen mit dem WSV die Prognosemethoden zu überprüfen.

Vertikalachsenrotoren wie der Voith Schneider Propeller (VSP) sind ein spezielles Antriebsystem, das Schiffen eine sehr gute Manövrierfähigkeit mit sehr kurzen Steuerzeiten verleiht. Diese Antriebe werden deshalb oft an Doppelendfähren und Spezialschiffen installiert. In der SVA wurden viele Schiffe mit VSP untersucht, wie z.B. Schlepper, Doppelendfähren mit 2 und 4 VSP, Fahrgastschiffe und Offshoreversorger. Um einen tieferen Einblick in die Wirkungsweise von Voith Schneider Propellern zu bekommen, wurden in der SVA Potsdam verschiedene Forschungsprojekte bearbeitet [1], [2]. Dabei wurde unter anderem die Wechselwirkung von VSP und Schiffsrumpf an Doppelendfähren [3], [4] untersucht. Hierbei wurde eine spezielle SVA-Messwaage entwickelt, die es im Vergleich zu den gängigen ermöglicht, im Modellversuch auch den Schub zu messen und damit die Wechselwirkungsparameter im Propulsionsversuch zu ermitteln. Die Wechselwirkungsparameter können Aufschluss über Optimierungspotenziale geben.

Im Projekt „Offshore Support Vessel mit Voith Schneider Propellern“ wurden Grundlagenuntersuchungen zur Propulsion von OSV mit VSP durchgeführt [6]. Dabei lag der Schwerpunkt wieder auf der Interaktion zwischen VSP und Schiffsrumpf. Gleichzeitig wurden die derzeitigen Auswertemethoden überprüft.

Zu den Modellversuchen werden VSP-Modelle von der Firma Voith bereitgestellt. Für die normale Leistungs- und Geschwindigkeitsprognose ist die Schubmessung am VSP nicht unbedingt notwendig. Für Optimierungsfragen ist der zusätzliche Aufwand an Vorbereitungs- und Versuchszeit jedoch sinnvoll.

Ein Inline Thruster ist die Kombination eines elektrischen Ringmotors mit einem Rotor und Düse in einem leistungsfähigen Propulsionssystem ohne Welle und Getriebe. Vier Inline Thruster mit einem Rotordurchmesser von 170 mm wurden in der SVA für Modellversuche entwickelt. Die Modelle wurden in Freifahrt- und Kavitationsversuchen untersucht. Zusätzlich wurden Geschwindigkeitsmessungen, Umströmungsbeobachtungen und Freifahrtversuche bei unterschiedlichen Schwenkwinkeln und in Off-Design Zuständen für verschiedene Industrieanwendungen durchgeführt.

Die Kräfte und Momente an den unterschiedlichen Bauelementen des Inline Thrusters wurden im Modell- und Großausführungsmaßstab berechnet. Die Ergebnisse dieser Berechnungen waren die Grundlage für die Untersuchung der Reynoldszahleffekte und für die Optimierung der Rotor- und Düsengeometrie. Propulsions- und Manövrierversuche zeigten die Anwendbarkeit von Inline Thrustern als Hauptantriebssystem von Schiffen [1], [2].