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.

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.

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.