Der Potsdam Propeller Test Case (PPTC) ist ein Programm zur Validierung von Berechnungsverfahren für Propeller. Der PPTC-Propeller (SVA-Entwurf VP1304) weist ausgeprägte Spitzenwirbel-, Saug- und Druckseitenschichtkavitation sowie Wurzel- und Blasenkavitation auf und eignet sich deshalb gut zur Validierung von Berechnungsverfahren für Propellerkavitation.

Die Freifahrtkennwerte des Propellers wurden bei den Wellenneigung 0° und 12° ermittelt. In ausgewählten Betriebspunkten wurden die Kavitationserscheinungen am Propeller erfasst. Darüber hinaus wurden umfangreiche Geschwindigkeitsmessungen im Bereich der Flügelspitze sowie Druckschwankungsmessungen durchgeführt. Im Rahmen des Internationalen Symposiums on Marine Propulsors wurde 2011 und 2015 jeweils ein Workshop on Cavitation and Propeller Performance organisiert. In diesen Workshops wurden die Ergebnisse von Berechnungen mit unterschiedlichen Tools im Vergleich mit den Versuchsergebnissen vorgestellt, analysiert und diskutiert.

Für beide Workshops sind die Geometrien, Messungen, Auswertungen, Berichte und Vorträge auf der Internetseite der SVA Potsdam hinterlegt (smp’11 bzw. smp’15).

Die Proceedings der smp’11 und smp’15 enthalten ebenfalls die Vorträge zum 1. und 2. Workshop on Cavitation and Propeller Performance (www.marinepropulsors.com). Der PPTC wird auch durch die ITTC als Benchmark für Propellerberechnungen verwendet.

Über PPTC kommen Sie zu verschiedenen Daten, die wir für den Potsdam Propeller Test Case und verwandte Projekte veröffentlicht haben.

Unter dem Begriff „Energy Saving Device” (ESD) werden die Maßnahmen und Methoden zur Einsparung von Energie im Schiffsbetrieb im Vergleich zum „konventionellen” Schiff zusammengefasst. Energy Saving Devices beinhalten u.a. das Hinterschiff (Heckwulst, asymmetrischen Hinterschiff), den Propeller, Düsen, Leitflossen und das Ruder allein und in Kombination. An der Entwicklung von ESDs wurde bereits in den 70er Jahren gearbeitet. Schwerpunkte waren Untersuchungen über den Einfluss von Heckwülsten auf die Propulsion und die Schwingungserregung, der Entwurf und die Testung von kontrarotierenden und von überlappenden Propellern und die Entwicklung von Zustrom verbessernden Düsen [1], [2], [3]. Asymmetrische Hinterschiffe und Leitflossen wurden im Rahmen der Propulsionsoptimierung der Schiffe für die Erzeugung eines Vordralls in der Propellerzuströmung verwendet, um die Drallverluste des Propellers zu verringern. Die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich führte zur SVA Leitflosse. Modellversuche mit unterschiedlichen Schiffstypen und Großausführungsmessungen zeigten ein Potenzial von 2 bis 5 % Leistungseinsparung durch den Einsatz des SVA Leitflossensystems auf [4], [5], [6].

Verschiedene FuE-Vorhaben wurden bearbeitet, um den Entwurf von Propellern und Energy Saving Devices zu verbessern. Potenzialtheoretische Verfahren werden für den Entwurf und die Optimierung von Propellern genutzt. Viskose Berechnungsverfahren und Experimente werden zur Überprüfung des Entwurfes, die Prognose von Maßstabseinflüssen und für den Entwurf und die Optimierung von Propulsionssystemen, wie Düsenpropeller, Thruster und ESDs angewendet. Zur Überprüfung des Entwurfes von Propeller, Nabenkappenflossen und Ruder werden Geschwindigkeitsmessungen durchgeführt. Die von der SVA entwickelte HVV-Ablaufhaube (Hub Vortex Vane) führt zur Reduzierung des Nabenwirbels und verringert die Energieverluste des Propellers im Nabenbereich.

Systematische CFD Berechnungen wurden zur Analyse der Effektivität von Costa Propulsionsbirnen (Costa Bulb) an Rudern und zur Ableitung von Entwurfshinweisen durchgeführt [7]. Diese Arbeiten wurden im FuE-Verbundvorhaben BossCEff – „Steigerung des Propulsionswirkungsgrades und Verminderung der Nabenwirbelkavitation durch eine verbesserte Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen Propellerstrahl und Ablaufhaube“ weitergeführt [8], [9]. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern der Technischen Universität Hamburg-Harburg, Institut für Fluiddynamik und Schiffstheorie (FDS) und der Mecklenburger Metallguss GmbH (MMG) wurden spezielle Propellerablaufkappen für die Anwendung bei Rudern mit Propulsionsbirnen und Propellerablaufhauben mit Flossen entwickelt und untersucht.

Die Mecklenburger Metallguss GmbH entwickelte in dem Verbundvorhaben BossCEff eine neue energieeinsparende Flügelkappe, die MMG ESCAP®. Die Flügelhaube der MMG verbessert die Propulsionseigenschaften des Schiffes bei existierenden Propellern und bei Propeller Redesign Projekten. Die ESCAP® wird auch bei neu entworfenen Propellern erfolgreich angewendet.

Die folgenden maximalen Leistungseinsparungen konnten in den Untersuchungen der SVA [11], [12] für Schiffe mit Energy Saving Devices erreicht werden:

 

Die Hauptursache für anthropogene Geräuschemissionen im Meer ist gegenwärtig der Lärm von Schiffspropellern. Akustikuntersuchungen von propellerinduzierten Geräuschen werden in Form von Wasserschall-, Körperschall- und Druckschwankungsmessungen sowohl im Modellversuch als auch für die Großausführung durchgeführt [1].

Die Modellmessungen zur Ermittlung der Kavitationsgeräusche werden im Kavitationstunnel durchgeführt. Dabei kommen Hydrofone (am Dummymodell oder im strömungsentkoppelten Wasserkasten), Beschleunigungssensoren und Drucksensoren zum Einsatz, die einen möglichst großen Frequenzbereich abdecken. Die Messungen und die anschließende Skalierung der Schallpegel auf die Großausführung erfolgen nach der von der ITTC empfohlenen Richtlinie [2], [3].

In der Schlepprinne werden neben Druckschwankungsmessungen auch Wasserschallmessungen mit einer Hydrofonzeile, bestehend aus 16 Einzelhydrofonen, bei der Vorbeifahrt des Schiffsmodells durchgeführt [3]. Mit dieser akustischen Kamera ist eine Unterscheidung und Lokalisierung von Schallquellen möglich, so dass unter anderem die Geräuschentstehung am Bug eines Modellschiffes von den propellerinduzierten Geräuschen getrennt werden kann.

Darüber hinaus werden Bordmessungen für unterschiedliche Fragestellungen bezogen auf das reale Schiff angeboten. Neben Wasserschallmessungen im Fernfeld mit Hydrofonen vom Beiboot aus sind auch Druckschwankungs- und Beschleunigungsmessungen auf dem Schiff möglich.

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.