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.

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.

Wesentliche Teile der Entwurfsprogramme wurden in der SVA entwickelt. Dies umfasst Präprozessoren zur Propellerdefinition und zur Geometriebearbeitung sowie Nachrechenverfahren für Propeller, ummantelte Propeller, Twin- und Gegenlaufpropeller. Weiterhin sind mathematisch basierte Optimierungsverfahren und Postprozessoren zur Einschätzung der Kavitationseigenschaften, Druckschwankungsprognosen und Festigkeitsrechnungen mittels FEM-Analysen sowie Schnittstellen für die 3D-Modellierung enthalten. All diese Programme bilden das Programmpaket VORTEX. Andere Propellerhersteller und Klassifikationsgesellschaften nutzen unter anderem diese Software für den Entwurf und die Zertifizierung. Durch den engen Kontakt mit diesen Propellerherstellern und Klassifikationsgesellschaften wird die permanente Weiterentwicklung dieser Entwurfswerkzeuge unterstützt.

Die SVA hatte unter anderem wesentlichen Anteil an der Entwicklung des Twinpropellerkonzeptes von SCHOTTEL und setzte Meilensteine bei der Entwicklung von geräuscharmen Propellern für Forschungs- und Marineschiffe und U-Boote. Für große Schlepper wurden Düsenpropeller mit über 200 t Schubkraft entworfen. Insbesondere bei der Entwicklung von Düsenpropellern mit hohen Standschubforderungen konnte auf die breiten Erfahrungen mit umfangreichen CFD-Berechnungen von Propulsionssystemen am Schiff zurückgegriffen werden.

Entwürfe von Propellern und Propulsionssystemen können in der SVA im Modellmaßstab umfassend getestet werden, worauf trotz fortgeschrittener Berechnungsmethoden i. A. noch nicht verzichtet werden kann. Nach Propulsions- bzw. Kavitationsversuchen kann der Propellerentwurf verbessert werden, um den höchsten Ansprüchen der Praxis gerecht zu werden.

Zur Bestimmung des Verhaltens von Schiff und Antriebssystem sowie die Abstimmung zum Fahrmotor werden durch die SVA Probefahrten begleitet und spezielle Bordmessungen (Leistungsmessungen, Vibrations-, Druckschwankungs- und Akustikmessungen, Kavitationsbeobachtungen, Manövriermessungen) durchgeführt.