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].

Hauptmerkmal des Podded Drives ist die Integration eines leistungsstarken Elektroantriebes in einer hydrodynamisch optimierten Gondel unter dem Schiff, der direkt den Propeller antreibt. Die volle Leistung kann in jeder Schwenkrichtung (0 – 360°) eingesetzt werden.

Der Podded Drive ist ein Propulsionssystem mit den Komponenten Propeller und Podgehäuse. Die Entwicklung und Optimierung von Podded Drives erfordert Kenntnisse über das Zusammenwirken von Propeller und Podgehäuse sowie über den Einfluss von Entwurfsparametern auf die Kennwerte des Systems.

Die Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam arbeitet seit 1995 auf dem Gebiet von Podded Drives [1], [2]. Es wurden u. a. Untersuchungen zur Anwendbarkeit von Podded Drives, Umströmungsberechnungen, Analysen und Berechnungen von verschiedenen Podded Drives sowie zahlreiche Modelluntersuchungen [3], [4], [8] durchgeführt. Entwicklungen für Podded Drives wurden in Zusammenarbeit mit diversen Herstellern [3], [9] durchgeführt.

Im Rahmen eines BMWi geförderten Vorhabens „Integrierter Schiffsentwurf für Schiffe mit Podded Propulsor Systemen“ wurden die Aspekte des Schiffsentwurfes für Schiffe mit Podded Drives untersucht. Im vom BMWi geförderten Vorhaben „High-Speed Pod“ wurden Konzepte für Podded Drives mit Einsatzgeschwindigkeiten bis 30 kn entwickelt und experimentell und rechnerisch untersucht [5], [6]. Die im Vorhaben entwickelten Ideen und gewonnenen Erkenntnisse waren die Basis für die Entwicklung von High Efficiency Pods mit HTS-Technologie [9].

Die Manövriereigenschaften von Einschraubern mit Podded Drives wurden im Rahmen eines vom BMBF geförderten Vorhabens untersucht [7]. Die Anordnung des Pods am Hinterschiff und die Nutzung von Flossen sowie der Einfluss der Propelleranordnung wurden experimentell und rechnerisch analysiert.

Standard Podded Drives mit Zug- und Druckpropellervarianten wurden entwickelt und experimentell untersucht [6], [8], [9]. Die Podgehäuse wurden insbesondere hinsichtlich des Gondeldurchmessers und des Übergangs von der Propellernabe zur Gondel variiert, um den Einfluss dieser Geometrieparameter auf die Kennwerte von Podded Drives (Freifahrt, Propulsion, Kavitation) ermitteln zu können.

Die Entwicklung und die Untersuchung von Podded Drives stellt an die Messtechnik und Versuchsmethoden hohe Ansprüche. Für Freifahrt-, Propulsions-, Kavitations- und Manövrierversuche sowie Geschwindigkeitsmessungen an Podded Drives wurden Messsysteme entwickelt, erprobt und erfolgreich eingesetzt. Zur Validierung der Auswert- und Prognoseverfahren für Messungen mit Podded Drives wurden CFD-Berechnungen durchgeführt.

Mit den zur Verfügung stehenden schwenkbaren Messsystemen für Podded Drives mit Zug-, Druck-, Twin- und Gegenlaufpropelleranordnung können u.a. die Schübe und Momente des Propellers in der Welle sowie die Quer- und Vertikalkräfte an einem Käfig gemessen werden.

Ruderpropeller (Thruster) sind Antriebe für Schiffe und Plattformen, bei denen die Manövrierfähigkeit ein wichtiges Einsatzkriterium ist. Ruderpropeller sind in der Regel um 360° schwenkbar, so dass der Systemschub in jede Richtung wirken kann. Der Propeller arbeitet vor oder hinter dem Thrustergehäuse (Gondel und Schaft) und es treten starke Wechselwirkungen zwischen Propeller und Gehäuse auf. Die experimentelle und numerische Untersuchung der Ruderpropeller ist wegen dieser Wechselwirkungen und durch besondere Betriebszustände (Pfahlzug, Manövrieren, Off-Design) anspruchsvoller als bei konventionellen Propellern. Bei der Analyse von Ruderpropellern werden überwiegend Freifahrt-, Propulsions- und Kavitationsversuche durchgeführt. Spezielle Antriebs- und Messsysteme sind für die Untersuchung von Ruderpropellern entwickelt worden. Die SVA verfügt für Versuche in der Schlepprinne und im Kavitationstunnel über Antriebs- und Messsysteme für Ruderpropeller mit Zug- oder Druckpropeller, Twinpropeller und Gegenlaufpropeller. Die Systeme ermöglichen die Messung der Schübe und Momente der Propeller sowie die Bestimmung des Gehäuswiderstandes. Die Systemkräfte und Momente der Thruster werden mit 3- oder 6-Komponentenwaagen gemessen.

Versuche und Berechnungen für Thruster werden insbesondere für die Antriebshersteller (Ermittlung der Kennwerte des Thrusters, Optimierung und Weiterentwicklung) und für Werften und Reeder (Propulsion) durchgeführt. Zur Umrechnung der Modellversuchsergebnisse auf die Großausführung hat die SVA eigene Verfahren zur Reynoldszahlkorrektur für Thuster entwickelt. Dazu wurden u.a. im FuE-Vorhaben „Korrelation Z-Antrieb mit Düsenpropeller“ [2], [4] systematische CFD-Berechnungen durchgeführt.

In den letzten Jahren wurden zunehmend Aspekte der DP-Fähigkeit von Ruderpropellern analysiert. Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Thruster für dynamische Positionierung“ [5], [6] wurden dazu umfangreiche Untersuchungen zum Einfluss von Gondel- und Düsenneigung auf die Kennwerte der Thruster, der Wechselwirkung des Thrusters mit der Plattform und der Wechselwirkung von Thrustern untereinander durchgeführt.

Für die Untersuchung der DP-Fähigkeit von Plattformen wurden spezielle Antriebs- und Messsysteme entwickelt, die eine Variation der Gondelneigung der Gehäuse sowie eine unbegrenzte Schwenkbarkeit der Thruster gewährleisten.

Twinpropeller

Twinpropeller arbeiten mit einem Zug- und einem Druckpropeller mit gleichem Drehsinn. Der Entwurf des hinteren Propellers stellt erhöhte Anforderungen an die Berechnungsverfahren. Die Twinpropeller müssen so zueinander angeordnet werden, dass die Wirbelschleppe des vorderen Zugpropellers zwischen den Flügeln des hinteren Druckpropellers durchläuft. Durch die Kontraktion des Propellerstrahls des Zugpropellers gelangt zusätzlich seitliches Wasser zum Druckpropeller.

Werden Twinpropeller am Thruster (Schottel Twin Propeller (STP)) oder Podded Drive (Siemens Schottel Propulsor (SSP)) eingesetzt, muss das Gehäuse hydrodynamisch optimiert und mit Leitfinnen versehen werden. Der Drall im Propellerstrom des Zugpropellers wird auf diese Weise teilweise zurückgewonnen und die Zuströmung zum Druckpropeller gezielt beeinflusst.

Das Propellerberechnungsverfahren VORTEX der SVA wurde für den Entwurf und die Optimierung von Twinpropellern angepasst [1]. Die folgenden Bilder zeigen beispielhaft das hydrodynamische Modell und die berechnete Zuströmung zum Druckpropeller.

Gegenlaufpropeller (Contra-Rotating-Propeller)

Gegenlaufpropeller bestehen aus zwei gegenläufig drehenden Propellern. Durch den Gegenlaufpropeller können die Rotationsverluste vermieden werden, weil der hintere Propeller die Rotationsenergie der Strömung nutzen kann, die durch den vorderen Propeller induziert wird. Zusätzlich wird Belastung auf zwei Propeller verteilt.

Die SVA verfügt sowohl in der Schlepprinne wie im Kavitationstunnel über Messsysteme zur Untersuchung von Gegenlaufpropellersystemen. In den letzten Jahren wurden systematische Untersuchungen zum Einfluss des Abstandes der Gegenlaufpropeller und der Anordnung von Gondeln zwischen den Gegenlaufpropellern auf den Wirkungsgrad durchgeführt.

Im Auftrag von REINTJES wurde das Pod-Antriebssystems Fortjes^® entwickelt [5], [6]. Das Antriebssystem findet seinen Einsatz speziell bei bis zu 40 m langen Gleiter- und Halbgleiteryachten im Leistungsbereich bis 3000 kW. Für den Entwurf der Gegenlaufpropeller wurde und wird das Verfahren VORTEX der SVA genutzt. Gondel und Schaft wurden völlig neuartig konzipiert, um die Vorteile des Gegenlaufpropellers auch am Pod optimal nutzen zu können.