Kavitationstunnel

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.

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.
 

 

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

Düsenpropeller

Zum Antrieb des Propellers werden Dynamometer von Kempf & Remmers eingesetzt. Die Kräfte an der Düse werden mit Ein- und Mehrkomponentenwaagen von Kempf &  Remmers gemessen, die mit den Dynamometern gekoppelt werden.

Hauptparameter Dynamometer/Waagen für Düsenpropeller
		FK1/R35I	H29/R35X	H39/R35X	H39/R37	H36/R35X	J25/R37
Schub Tmax	[N]	*	400	1000	1000	2000	3000
Drehmoment Qmax	[Nm]	*	15	50	50	100	150
Düsenschub TDmax	[N]	200	500	500	800	500	800
* Verwendung von Innenantriebsdynamometern

 

Gegenlaufpropeller

Für Freifahrt- und Propulsionsversuche verfügt die SVA über das Gegenlaufdynamometer R40 von Kempf &  Remmers. Freifahrtversuche mit Gegenlaufpropellern können auch über die Kopplung der Dynamometer H29 und H39 in der Schlepprinne durchgeführt werden.

Der Kavitationstunnel K15A wurde unter dem Aspekt der Untersuchung von Gegenlaufpropellern mit den Dynamometern J25 und H36 von Kempf & Remmers ausgerüstet. Die Dynamometer können so in der Messtrecke angeordnet werden, dass Messungen mit Gegenlaufpropellern bei verschiedenen Abständen möglich sind.

Hauptparameter Dynamometer/Waagen für Gegenlaufpropeller
		FK4/R40/R35I	H29/H39/R35X	J25/H36/R35X
Schub Tmax1	[N]	150	400	3000
Schub Tmax2	[N]	150	1000	2000
Drehmoment Qmax1	[Nm]	6	15	150
Drehmoment Qmax2	[Nm]	6	50	100
Gehäusewiderstand TPodmax	[N]	200	500	500

 

Ruderpropeller (Thruster) und Podded Drives

Modellversuche mit schwenkbaren Ruderpropellern (Thruster) und Podded Drives sind ein Schwerpunkt der Arbeit der SVA. Zur Realisierung der Messaufgaben bei den Freifahrt-, Kavitations-, Propulsions- und Manövrierversuchen wurden verschiedene Antriebs- und Messsysteme in der SVA entwickelt. Die Systemkräfte der Thruster und Podded Drive werden mit 3- oder 6-Komponentenwaagen gemessen.

Hauptparameter Waagen für SVA-Thrusterdynamometer
			R37SR1/SR2	R37SR3/SR4	R37	R200
Kräfte	Fx1 = Fy1 = Fy2	[N]	200	500	800	1000
	Fz1 = Fz1 = Fz2	[N]	–	1000	500	2000
Drehtisch	Fx	[N]	100	100	manuell	5000
	Fy	[N]	100	100		3400
	Fz	[N]	600	600		5000
	Mx1 = My	[Nm]	–	–		500
	Mz	[Nm]	15	15		60

 

Der Antrieb der Propeller und die Messung der Kräfte und Momente am Propeller erfolgt mit SVA-Thrusterdynamometern. Thrusterdynamometer sind in der SVA für Versuche mit Thrustern oder Podded Drives mit Zug-, Druck-, Twin- und Gegenlaufpropellern verfügbar.

Hauptparameter SVA-Thrusterdynamometer für Einzelpropellersysteme
		Z65/1 – /4	Z200	Z600/4, Z600/6
Schub Tmax	[N]	50	200	600
Drehmoment Qmax	[Nm]	1	7	20
Getriebe		*	1.615:1	2:1
Gehäusewiderstand TPodmax	[N]	200	500	500
Gesamtdrehmoment QGmax	[Nm]	1	2.4	17
* Antrieb mit E-Motor im Gehäuse

 

Hauptparameter SVA-Thrusterdynamometer für Doppelpropellersysteme
		TP200/1…/2	TP400/1…/2	CRP400	CRP600
Schub Tmax	[N]	200	400	400	600
Drehmoment Qmax	[Nm]	7	20	20	20
Getriebe		1.1	2.1	2:1	2:1
Gesamtdrehmoment QGmax	[Nm]	6	17	17	17

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsthemen

[1] Gutsche, F.: Düsenpropeller in Theorie und Experiment, Jahrbuch der STG, Bd.53, 1959
[2] Schroeder, G.: Wirkungsgrad von Düsenpropellern mit unterschiedlicher Düsen- und Propellerform, Schiffbautechnik, 1967
[3] Heinke, H.-J.; Philipp, O.: Development of a skew blade shape for ducted controllable pitch propeller systems, Proceedings, PROPCAV’95, Newcastle, 1995
[4] Schulze, R.; Manke, H.: Propellersysteme mit Ostdüsen“, HANSA, 137, 2, 2000
[5] Schmidt, D.: Propulsionsuntersuchungen mit Einzelpropeller und Gegenlaufpropeller am Modell eines Containerschiffes, Schiffbauforschung 14 1/2/1975
[6] Heinke, H.-J.: Azimuthing propulsion – Experiences of SVA, 6. SVA – Forum „Azimuthing Propulsion – new challenges and chances“, Potsdam, 1998, Schiffbauforschung, 38. Jahrgang (1999) Heft Nr. 1
[7] Kaul, S.; Heinke, H.-J.; Abdel-Maksoud, M.: Hydrodynamische Optimierung von Podded Drives und aktuelle Anwendungen in der Großausführung, 54. Sitzung des FA „Schiffshydrodynamik“ der STG, Hamburg, September 2000
[8] Heinke, H.-J.: Investigations about the forces and moments at podded drives, First International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion, Newcastle, UK, April 2004
[9] Heinke, H.-J.: Hydrodynamische Untersuchungen für einen Podded Drive mit HTS-Synchronmaschine, Statustagung Schifffahrt und Meerestechnik, Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, 03. Dezember 2009, Rostock-Warnemünde

Die Spezifikation für den Propellerentwurf enthält im Allgemeinen Grenzwerte für die vom Propeller induzierten Druckschwankungen. Darüber hinaus werden bei speziellen Schiffen (Marine- und Forschungsschiffe sowie Yachten) akustische Grenzwerte vorgegeben. Kavitationserscheinungen am Propeller oder an Anhängen des Schiffes führen überwiegend zu einer deutlichen Anhebung der Amplituden der Schwingungen. Deshalb werden Druckschwankungs-, Vibrations- und Akustikmessungen zumeist in Verbindung mit Kavitationsversuchen durchgeführt. Im Kavitationstunnel werden Drucksensoren und Hydrofone im Hinterschiffsbereich über dem Propeller oder an interessierenden Positionen am Schiffskörper angeordnet.

Die vom Propeller induzierten Druckimpulse werden mit Absolutdrucksensoren gemessen. Üblicherweise wird ein Array von 11…16 Sensoren über dem Propeller angeordnet.

Hydrofone werden im Nahfeld des Modellpropellers in der Außenhaut des Modells angeordnet, wenn Aussagen zu höherfrequenten Pegeln an der Schiffsaußenhaut von Interesse sind. Zur Ermittlung der vom Propeller induzierten Schallpegelspektren werden Hydrofone an den Scheiben der Messstrecke in Hydrofonkästen oder in der Messstrecke angeordnet.

Zur Analyse und zum Vergleich von akustisch optimierten Propellern werden Direktmessung der Vibrationen am Propeller durchgeführt. In einer speziellen Ablaufkappe werden dazu ein Hochfrequenz-Körperschallsensor mit Vorverstärker und Sender installiert. Die Abtastrate beträgt 44.1 kHz.

Ereignisse, die sehr schnell ablaufen, müssen mit einer Kamera mit einer sehr hohen Aufnahmerate beobachtet werden. Dafür werden ein High Speed Kamerasystem der Firma Photron in Verbindung  mit Xenon Scheinwerfer (Kaltlicht) mit Leistungen von 1 bis 2 kW verwendet. Mit dieser Kamera kann bei einer maximalen Auflösung von 1024 x 1024 Pixeln eine Bildaufnahmerate von bis zu 2000 Bildern pro Sekunde erreicht werden. Je nach Problemstellung ist es bei geringerer Auflösung, möglich eine Bildaufnahmerate von bis zu 120.000 Bildern pro Sekunde zu erreichen. Dies wird durch die Verwendung eines CMOS Sensors ermöglicht.

Eine Beobachtung z.B. der Kavitation an sich drehenden Propellern ist damit möglich. Der Vorteil im Vergleich zur konventionellen Stroboskoptechnik liegt in der Möglichkeit einer Bewertung der Kavitationsdynamik anhand der Videoaufnahmen und damit auch deren Einfluss auf die Erosion. Dementsprechend ist auch der hauptsächliche Einsatzort des High Speed Kamerasystems der Kavitationstunnel.

Ein wesentlicher Aspekt in der Entwicklung von Manövrier- und Antriebssystemen für Schiffe und Rotoren für Turbinen ist die Prognose der Kavitationserscheinungen und der damit verbundenen Sekundäreffekte, wie Schwingungserregung, Schallabstrahlung und Erosionsgefährdung. Insbesondere die Dynamik und die räumliche Ausdehnung der Kavitation müssen dazu so genau wie möglich experimentell und rechnerisch erfasst werden.

In diesem Zusammenhang wurde innerhalb der „FuE-Förderung gemeinnütziger externer Industrie-Forschungseinrichtungen – Innovationskompetenz (INNO-KOM)“ das Messsystem Optical Cavitation Inspection System (OCIS) mit den Komponenten Kavitationskeimkonzentrationsmessgerät (KED-Photonics® Nuclei Sizer 300 basierend auf der HDNC Technik) und dem synchronisierten Multi-Kamera- und LED-Beleuchtungssystem (KED-Photonics® Cavitation Imager 2.1) in die Kavitationsforschung der SVA integriert (Reg. Nr. IZ 49IZ210009).

Mit OCIS werden Kavitationserscheinungen mit einer Vielzahl von Kameras synchron aufgenommen und die Kavitation anschließend dreidimensional rekonstruiert. In der Bildverarbeitung werden die Kavitationsausdehnung und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Kavitation bestimmt. Die Daten zur Keimverteilung im Wasser und die objektiven Statistiken zu auftretender Kavitation sind die Grundlage für Korrelationsanalysen, wie sie für die Auswertung von Kavitationsversuchen sowie für die Durchführung von komplexen Kavitationsberechnungen notwendig sind.

Das Messsystem konnte durch eine kontinuierliche Forschung und Entwicklung in den FuE-Verbundvorhaben KonKav und HiOcav, gefördert durch das BMWi, für die derzeitigen Problemgebiete der Kavitationsforschung, wie der Bestimmung des Keimspektrums des Wassers und der zeitlich und räumlich aufgelösten Kavitationsausdehnung, entwickelt werden. Die SVA hat in den Verbundprojekten mitgearbeitet, wichtige Grundlagen geliefert und Erfahrungen in der Anwendung und Nutzung der Technik gesammelt.