Das wichtigste Entwurfskriterium für Schlepper ist der erreichbare Pfahlzug. Das Bestreben der Propellerhersteller, die Wellenleistung zu erhöhen führt zu einer erhöhten Energiedichte am Propulsionssystem und damit zu einem erhöhten Kavitationsrisiko. Dadurch wird der Entwurfsprozess komplexer, und der Propellerentwickler muss sowohl auf numerische Simulationen als auch auf Modellversuche zurückgreifen.
Schlepper mit Düsenpropellern
Ein wesentlicher Aspekt des Pfahlzugs von hoch belasteten Düsenpropellern ist das Kavitationsverhalten und die Gefahr eines damit verbundenen Schubabfalls. Systematische Versuche mit Düsenpropellern zeigten, dass der Schubabfall bei Düsenpropellern hauptsächlich durch eine Verringerung des Düsenschubs verursacht wird. Die Abbildung zeigt den Einfluss der Blattkontur auf die Kennwerte des Düsenpropellers bei Variation der Kavitationszahl bei hoher Propellerbelastung (niedrige Fortschrittsziffer).
Es konnte gezeigt werden, dass die Sehnenlänge an der Blattspitze entscheidend ist für das Kavitationsverhalten und damit auch für den Schubabfall. Die Analyse der Kavitation deutet darauf hin, dass der Schubabfall einsetzt wenn an der Blattspitze über eine ganze Umdrehung Kavitation auftritt. Die Bilder zeigen die Kavitation an der Blattspitze bei zwei Düsenpropellern bei einer Kavitationszahl beim Beginn des Düsenschubabfalls.
An der SVA Potsdam wurden weitreichende CFD-Untersuchungen durchgeführt, um die Gründe für den Einbruch des Düsenschubs bei relativ geringer Kavitation zu finden. Die Berechnungen ergaben ähnliche Resultate wie die experimentellen Beobachtungen. Außerdem erlauben numerische Untersuchungen weitere Einblicke in die Details der Strömung, wie in den folgenden Bildern zu sehen.
Der kavitierende Spitzenwirbel stört die Strömung im Diffusor der Düse. Daraus resultiert Strömungsablösung und Rückströmung. Außerdem kann man zeigen, dass der Düsenschub sich verringert, wenn die Fläche des Ausströmgebietes durch Strömungsablösung verkleinert wird, was außerdem zu einer Erhöhung des Propellerschubes und -drehmomentes führt. Die Ergebnisse der Kavitationsuntersuchungen mit verschiedenen Düsenpropellern fast das folgende Diagramm zusammen. Diagramme dieser Art erlauben bereits in einer frühen Entwurfsphase eine Vorhersage über die Gefahr eines Schubabfalls.
Voith Wassertrecker (VWT)
Voith Schneider Propeller (VSP) werden hauptsächlich bei Schiffen eingesetzt, die besonderen Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Manövrierbarkeit unterliegen. Einzigartig am Voith Schneider Propeller ist seine vertikale Rotationsachse. Der Schub wird durch unabhängig oszillierende Propellerblätter erzeugt. Voith Schneider Propeller arbeiten bei einer relativ niedrigen Drehzahl. Um VSPs insbesondere unter Pfahlzugbedingungen besser untersuchen zu können, wurde an der SVA Potsdam eine spezielle Messvorrichtung für VSP-Modelle entwickelt. Die VSP-Messwaage ermöglicht die Messung der Längs- und Querkräfte des VSP während Propulsions- und Kavitationsversuchen. Im Kavitationstunnel können sowohl einzelne Blätter als auch ganze VSP-Modelle experimentell mit Hochgeschwindigkeits-Kameras und Kraft- und Momentenmessungen untersucht werden. Kraft und Leistung eines Voith Wassertreckers können im großen Umlauf- und Kavitationstunnel UT2 der Technischen Universität Berlin gemessen werden, in den ein vollständiges Schiffsmodell eingebracht werden kann. Die Messstrecke des UT2 hat eine Länge von 11.0 m, eine Breite von 5.0 m und eine Tiefe von 3.0 m, wodurch Messungen unter Pfahlzugbedingungen möglich werden. Nebenstehend finden Sie ein Foto eines Voith Wassertrecker-Modells während der Installation im UT2.
