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.

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

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.

Der Reibungswiderstand eines Schiffes ist ein wesentlicher Bestandteil des Gesamtwiderstandes. Dieser wird u.a. durch die Beschaffenheit der Außenhaut (z.B. Art der Beschichtung, Grad des Bewuchs) beeinflusst. Um den Leistungsbedarf zu minimieren und dadurch Kosten zu sparen und die Umwelt zu schonen, ist es daher sinnvoll den Reibungswiderstand durch spezielle Beschichtungen oder Oberflächenstrukturen so gering wie möglich zu halten. Entsprechende Untersuchungen können an dem Reibungsmessstand durchgeführt werden. Eine alleinige Rauhigkeitsanalyse der Oberfläche ist nicht ausreichend, um daraus deren exakten Reibungswiderstand abzuleiten. Experimentelle Untersuchungen lassen genauere Aussagen zu. Dafür werden in den Reibungsmessstand zwei Platten mit der zu untersuchenden Beschichtung so eingebaut, dass sie einen schmalen Rechteckkanal bilden, der von Wasser durchströmt wird. Über das gleichzeitige Messen der Wassergeschwindigkeit, des Druckverlustes vom Anfang bis zum Ende der Messstrecke sowie der Wassertemperatur kann auf die Wandschubspannung und schließlich auf den Reibungswiderstandsbeiwert der untersuchten Platten geschlossen werden. Die Ergebnisse sind auf das Schiff übertragbar. Um einen möglichst großen Geschwindigkeitsbereich abzudecken, können im Reibungsmessstand Geschwindigkeiten bis zu 20 m/s gefahren werden.

Diese Untersuchungen beschränken sich nicht nur auf die Schiffbaubranche, sondern sind auch in der Luftfahrt- und Automobilindustrie anwendbar. Die Ergebnisse aus dem Reibungsmessstand sind auch für die Anwendungen übertragbar und gewinnbringend umsetzbar, wo die Reibung eine Rolle spielt.

Der Potsdam Propeller Test Case (PPTC) ist ein Programm zur Validierung von Berechnungsverfahren für Propeller. Der PPTC-Propeller (SVA-Entwurf VP1304) weist ausgeprägte Spitzenwirbel-, Saug- und Druckseitenschichtkavitation sowie Wurzel- und Blasenkavitation auf und eignet sich deshalb gut zur Validierung von Berechnungsverfahren für Propellerkavitation.

Die Freifahrtkennwerte des Propellers wurden bei den Wellenneigung 0° und 12° ermittelt. In ausgewählten Betriebspunkten wurden die Kavitationserscheinungen am Propeller erfasst. Darüber hinaus wurden umfangreiche Geschwindigkeitsmessungen im Bereich der Flügelspitze sowie Druckschwankungsmessungen durchgeführt. Im Rahmen des Internationalen Symposiums on Marine Propulsors wurde 2011 und 2015 jeweils ein Workshop on Cavitation and Propeller Performance organisiert. In diesen Workshops wurden die Ergebnisse von Berechnungen mit unterschiedlichen Tools im Vergleich mit den Versuchsergebnissen vorgestellt, analysiert und diskutiert.

Für beide Workshops sind die Geometrien, Messungen, Auswertungen, Berichte und Vorträge auf der Internetseite der SVA Potsdam hinterlegt (smp’11 bzw. smp’15).

Die Proceedings der smp’11 und smp’15 enthalten ebenfalls die Vorträge zum 1. und 2. Workshop on Cavitation and Propeller Performance (www.marinepropulsors.com). Der PPTC wird auch durch die ITTC als Benchmark für Propellerberechnungen verwendet.

Über PPTC kommen Sie zu verschiedenen Daten, die wir für den Potsdam Propeller Test Case und verwandte Projekte veröffentlicht haben.