Propulsion

Eine Düse ist eine hydrodynamisch optimierte Ummantelung der Flügelspitzen des Propellers. Die Kombination von Propeller und Düse wird als Düsenpropeller bezeichnet.Es gibt zwei Typen von Düsen, die Beschleunigungs- und die Verzögerungsdüse. Die Verzögerungsdüse bewirkt eine Verringerung der Anströmgeschwindigkeit und einen Anstieg des Druckes in der Propellerebene. Verzögerungsdüsen werden deshalb zur Verringerung der Kavitationsgefährdung bei schnellen Schiffen verwendet.

Die Beschleunigungsdüse bewirkt eine Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit und damit eine Entlastung des Propellers. Düsenpropeller mit einer Beschleunigungsdüse werden für hochbelastete Propeller und Propeller mit beschränktem Durchmesser eingesetzt.

Die SVA Potsdam arbeitet seit ihrer Gründung 1953 an der Entwicklung und Optimierung von Düsenpropellern für Binnen- und Fischereischiffe sowie Schlepper und Thruster. Neben konventionellen Düsenpropellern (Wageningen, Schuschkin, OST) wurden insbesondere unkonventionelle und teilintegrierte Düsen sowie Verstellpropellerkonzepte intensiv untersucht.

Auf der Basis von Serienversuchen mit einer Kombination aus Propellern der Wageningen B-Serie und OST-Düsen wurden im Rahmen eines FuE-Vorhabens Polynomkoeffizienten für Düsenpropellersysteme mit OST-Düsen [10] erarbeitet. Das Profil der OST-Düse erhöht auch bei geringeren Schubbelastungen den Massenfluss durch die Propellerfläche und bewirkt eine Strahlaufweitung am Austritt der Düse. Die Kennwerte von Düsenpropellern mit OST-Düsen können mit den Polynomkoeffizienten berechnet und für die Propulsionsprognose verwendet werden.

Auf dem Gebiet der CFD-Berechnungen wurden Forschungsvorhaben zu Düsenpropellerberechnungen in enger Kooperation mit der ANSYS Germany GmbH bearbeitet. Aufbauend auf den entwickelten Methoden wurden im FuE-Vorhaben „Korrelation Z-Antrieb mit Düsenpropeller“ systematische numerische Berechnungen von Düsenpropellern zur Entwicklung eines Verfahrens zur Reynoldszahlkorrektur (Umrechnung von Modellversuchsergebnissen auf die Großausführung) realisiert.

Die Weiterentwicklung und Validierung der Pfahlzug- und Propulsionsprognose für Schlepper mit großen Antriebsleistungen war Gegenstand von FuE-Vorhaben und Industrieprojekten. In den FuE-Vorhaben „Erhöhung der Entwurfssicherheit von Düsenpropellersystemen unter Pfahlzugbedingungen“ und „Reynoldszahleinflüsse auf die Pfahlzugprognose“ [5], [6] wurden der Einfluss der Kavitation und des Maßstabes auf den Pfahlzug von Schleppern mit Düsenpropellern herausgearbeitet. Mit diesen Ergebnissen kann im Entwurfsstadium das Risiko eines Schubabfalls des Düsenpropellers ermittelt werden.

Im FuE-Vorhaben „Prognosesicherheit für den Leistungsbedarf von Schleppern mit Düsenpropellersystemen“ wurden Geosim-Versuche und Berechnungen für Schlepper im Propulsionspunkt durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in die Propulsionsprognoseverfahren für Schiffe mit Düsenpropellern eingeflossen.

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.

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.

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.

Querruderanlagen (QRA) verschiedenster Bauart dienen der Verbesserung der Manövrierfähigkeit. Die Ausführungen reichen von Flügelrad- und Ruderpropellern über einziehbare Schubanlagen bis zu fest in einem Kanal installierten Querstrahlrudern. Für den Entwurf von Querstrahlruderanlagen sind insbesondere Angaben zu den Parametern des Propellers und zur Wechselwirkung mit dem Kanal notwendig. Für Querstrahlruderanlagen mit Propeller wurden verschiedenen Näherungsverfahren hergeleitet. In der SVA wird die Methode von Bladt und Wagner [3] zur Auslegung von Querstrahlrudern angewendet. Untersuchungen mit Querruderanlagen können bis zu einer bestimmten Größe (Relation von Propellerdurchmesser zur Tunnellänge) ähnlich wie mit einem Düsenpropeller durchgeführt werden. Die folgende Abbildung zeigt eine Prinzipskizze des Versuchsaufbaus. Für Kavitationsversuche mit Propellern für Querstrahlruder wurde die Querkanalanlage 25A26 entwickelt [2].

 

Referenzen/Forschungsprojekte

[1] Vollheim, R.: Modellversuche zur Entwicklung eines Bugstrahlruders Schiffbauforschung 18 1/2/1979
[2] Schröder, G.: Eine Einrichtung für Modellversuche an Propellern für Querstrahlruder Schiffbauforschung 23 3, 1984
[3] Bladt, K.-J.: Beitrag zur Auslegung von Querschubanlagen mit Propeller für Schiffe, www.jbladt.de

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].

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.

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.

Im Freifahrtversuch werden die Kennwerte des Propellers in homogener Zuströmung gemessen. Freifahrtversuche werden überwiegend in der Schlepprinne durchgeführt. Dazu verfügt die SVA über Freifahrtkästen und Propellerdynamometer. Im Freifahrtkasten FK1 von Kempf & Remmers können Innenantriebsdynamometer mit unterschiedlichen Messbereichen verwendet werden, um mit der höchstmöglichen Genauigkeit zu messen. Zusätzlich kann der Freifahrtkasten zur Messung der Kräfte und Momente am Einzelflügel des Propellers eingesetzt werden. Dazu wurden Messnaben für Propeller mit drei, vier und fünf Flügeln entwickelt. Zur Untersuchung von Gegenlaufpropellern wird das Dynamometer R40 von Kempf & Remmers eingesetzt. Das Dynamometer wird in den Freifahrtkasten FK4 eingebaut und kann mit einem oder zwei Motoren angetrieben werden, um die Gegenlaufpropeller mit festen oder variablen Drehzahlverhältnissen untersuchen zu können.

Die meisten Freifahrtversuche werden mit den Dynamometern H29 und H39 von Kempf & Remmers durchgeführt. Die Dynamometer unterscheiden sich in Größe und Messbereich und werden passend zum Modellpropeller ausgewählt.

Die Kennwerte des Propellers können auch im Kavitationstunnel K15A ermittelt werden. Der Einfluss des begrenzten Messstreckenquerschnitts auf die Anströmgeschwindigkeit oder den Schub und das Drehmoment des Propellers wird bei der Versuchsauswertung beachtet. Die SVA verwendet das Verfahren von Glauert [1] zur Berechnung der Wandkorrektur. Der Kavitationstunnel K15A verfügt über die Dynamometer J25  und H36  von Kempf & Remmers. Das Dynamometer H36 kann unter Nutzung einer Messnabe für die Messung der Kräfte und Momente am Einzelflügel des Propellers eingesetzt werden.

Alle Dynamometer können mit Ein- und Dreikomponentenwaagen kombiniert werden. Damit ist die Messung der Freifahrtkennwerte von Düsenpropellern oder komplexen Propulsionssystemen möglich. Außerdem können jeweils zwei Dynamometer und auch Waagen gemeinsam genutzt werden, um z.B. Gegenlaufpropeller, Tandempropeller oder spezielle Propulsionssysteme testen zu können.

Die Wellenneigung der Dynamometer H29, H39 und H36 kann variiert werden. Die Dynamometer H39 und H36 können zusätzlich mit Technik zur Messung der Quer- und Vertikalkräfte des Propellers ausgerüstet werden.

Die ausführliche Beschreibung der Versuchsdurchführung und –auswertung ist in den Unterlagen zu den Messungen mit dem Potsdam Propeller Test Case (PPTC) [2] enthalten.

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.

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.

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.

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.

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:

 

PIV (Particle Image Velocimetry) ist ein Verfahren zur Messung von Geschwindigkeitsfeldern in Fluiden. Das Verfahren arbeitet rein optisch und ist daher ein berührungsloses Messverfahren; die zu untersuchende Strömung wird nicht beeinflusst. Die Messung des Geschwindigkeitsfeldes beruht auf der Bestimmung der Verschiebung von Partikeln (Blasen, Seeding-Partikel) in der Strömung um einen Weg ΔS innerhalb eines Zeitraumes Δt. Die Verschiebung ΔS wird durch zwei photographische Aufnahmen der Partikelbilder erfasst, die in einem sehr kurzen Zeitabstand Δt aufgenommen werden. Die Partikel im Fluid werden dabei durch sehr kurze Laserblitze beleuchtet. Aus der Verschiebung der Partikelbilder im Zeitraum Δt können mit stochastischen Verfahren die Geschwindigkeitsvektoren des Fluids am Ort der Partikel berechnet werden. Bei Verwendung von zwei Kameras kann mit stereoskopischen Aufnahmen sogar ein 3-dimensionales Strömungsfeld bestimmt werden, d.h. alle drei Geschwindigkeitskomponenten sind anschließend im Messbereich verfügbar.

Das Verfahren ist sehr vielseitig einsetzbar. An der SVA Potsdam wurden damit bisher u.a. folgende Messaufgaben bearbeitet:

• Strömungsfelder im Nachlauf von Schiffsmodellen mit und ohne arbeitendem Propeller
• Ruderumströmungen mit Spaltströmung
• Zerfall von Wirbeln an einem Tragflügelmodell
• Wirbelumströmung von Schlingerkielen
• Propellerstrahl eines Thrusters an einer Halbtaucherplattform
• Propellerstrahl im Kavitationstunnel
• Umströmung und Nachlauf eines U-Bootmodells mit Turm
• Profilumströmung im Kavitationstunnel

Mit PIV wird bei jeder Aufnahme das ganze Geschwindigkeitsfeld gemessen. Aus den Einzelaufnahmen kann die transiente Entwicklung der Strömung visualisiert werden, aber auch ein mittleres Geschwindigkeitsfeld durch Mittelung aller Aufnahmen bestimmt werden. Die gewünschte räumliche Auflösung bestimmt dabei die Größe des Sichtfeldes und die erreichbare Anzahl der Vektoren im Messbereich. Der größte an der SVA Potsdam bisher realisierte Messbereich hatte eine Ausdehnung von ca. 400×600 mm, in diesem Falle mit ca. 6000 Vektoren. Die SVA Potsdam setzt bereits seit 2006 ein stereoskopisches PIV-System der Firma TSI ein. Es ist modular aufgebaut, sodass alle symmetrischen, asymmetrischen und vollständig getrennten Anordnungen von Kameras und Lichtschnitt realisierbar sind. Damit ist z. B. eine Messung über die ganze Tiefe der Schlepprinne möglich.

Lesen Sie hier mehr zu den technischen Spezifikationen des 3D-PIV-Systems.