Kavitationstunnel

Kavitank_SchemaZeichnung
Freifahrt_K15A_SVA-Potsdam_2015_small

Hauptparameter der Waagen
Parameter R37 R35X
Komponente in x-Richtung (x) [N] 800 500
Komponenten in y-Richtung (y1, y2) [N] 800
Komponenten in z-Richtung (z1, z2, z3) [N] 500

Hauptparameter der Dynamometer
Parameter J25 H36 R45
Schub Propeller Tmax [N] 3000 2000 400
Drehmoment Propeller Qmax [Nm] 150 100 15
Drehzahl Propeller nmax [s-1] 60 50 50
Wellenneigung [°]     +15 bis -10

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.

Technische Spezifikationen der Messstrecken
Parameter Messstrecke 1 Messstrecke 2
Messstreckenlänge 2600 mm 2600 mm
Messstreckenquerschnitt 600 mm x 600 mm 850 mm x 850 mm
Kontraktionsverhältnis der Düse 5.96 : 1 2.93 : 1
Maximale Geschwindigkeit in der Messstrecke 13 m/s 7.5 m/s
Variation des Messstreckendrucks -970 mbar bis 1200 mbar -950 mbar bis 1200 mbar

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Selke, W., Heinke, H.-J.: Propelleruntersuchungen im Kavitationstunnel der Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam, Jahrbuch der STG, 84. Band, 1990
[2]    Schmidt, D., Selke, W., Gerchev, G.: Comparative Joint Investigations in the Cavitation Tunnels of SVA and BSHC on the Prediction of Propeller-Induced Pressure Pulses, Schiffbauforschung 31 (1992) 1
[3]    Heinke, H.-J.: The Influence of Test Parameters and Wake Field Simulation on the Cavitation and the Propeller Induced Pressure Fluctuations, Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft, 97. Band, 2003
[4]    Kleinwächter, A., Hellwig-Rieck, K., Ebert, E., Kostbade, R., Heinke, H.-J., Damaschke, N. A.: PIV as a Novel Full-Scale Measurement Technique in Cavitation Research, Fourth International Symposium on Marine Propulsors, smp’15, Austin, Texas, USA, 2015

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.
 

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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

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Ruderdüsensystem im KT_small

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

Sensorik_Dummymodell_besser_small

Sensorik_Hydrofonkasten_small

Sensorik_Körperschallmessungen_small

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.

Technische Daten
Marke Photron
Sensor-Typ CMOS
Max. Auflösung 1024 x 1024 px, 2000 Bilder/s  
Max. Aufnahmerate 120.000 Bilder/s
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.

 

Themenbezogene Referenzen/Forschungsprojekte

[1]    Heinke, H.-J.: High-Speed Camera Observations of the Cavitation at VSP Blades, 2th Symposium on Voith Schneider Technology , Heidenheim, 6. June 2008

 

Reibungsmessstand

Lesen Sie hier mehr zum Reibungs-Messstand.

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