Das Schaufelrad im Modellversuch: Zwei Berichte der Schiffbautechnischen Versuchsanstalt Wien

109 Pages·1952·28.211 MB·German

by  Friedrich Gebers

Das Schaufelrad im Modellversuch
Zwei Berichte der
Schiffbautechnischen Versuchsanstalt Wien
Von
Dr. Ing. Friedrich Gebers
Mit einem Beitrag von
Prof. Dr. Ing. e. h. Dr. Ing. Fritz Horn
Mit 59 Abbildungen im Text und auf 50 Tafeln
Springer-Verlag Wien GmbH
1952
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten
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© 1952 Springer-Verlag Wien
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag in Vienna 1952
ISBN 978-3-211-80254-0 ISBN 978-3-7091-4462-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-4462-6
Geleitwort
Die Schiffbautechnische Versuchsanstalt in Wien, die im vergangenen Krieg zum groBten Teil
zerstort wurde, hatte sich in den clahrzehnten ihres Bestehens einen hohen wissenschaftlichen Ruf
erworben, indem sie osterreichischen und auslandischen Schiffahrtsunternehmungen und "\Verften
wertvolle Unterlagen fiir den Bau moderner Schiffstypen gab. Das Bundesministerium fiir Verkehr
und verstaatlichte Betriebe machte es sich zur Aufgabe, diesen Zweig der techni!>chen Forschung
wieder erstehen zu lassen und beschaffte die notwendigen Geldmittel fur den Neuaufbau der Anstalt,
die nunmehr ihre wissenschaftliohe Arbeit wieder aufnehmen kann.
Aus diesem Anlasse kommt der Herausgabe der vorliegenden Schrift, welche die Ergebnisse
von Versuchen tiber den Schaufelradantrieb bei Schiffen zusammenfaBt, besondere Bedeutung zu,
da es sich urn die letzte wissenschaftliche Arbeit der Anstalt vor ihrer Zerstorung handelt, deren
V eroffentlichung infolge der Kriegsereignisse unterbleiben muBte. Das Werk, welches eine Liicke
in der Fachliteratur schlieBt, will den Schiffbauingenieuren U nterlagen zur Berechnung des best
moglichen Schaufelradantriebes in die Hand geben.
Die Herausgabe dieser Schrift und das Wiedererstehen der Wiener Schiffbautechnischen Ver
suchsan;talt legt Zeugnis davon ab, daB Osterreich darangeht, seine alte Stellung im schiffbau
technischen V ersuchswesen wieder zu erringen. DaB dies in vollem MaBe gelinge, wiinsche ich der
Anstalt zum Beginn ihrer neuen Tatigkeit.
Wien, im Februar 1952.
Bundesminister fiir Verkehr und verstaatlichte Betriebe
Vorwort
Diese Arbeit ist in erster Linie fur den Praktiker bestimmt. Sie stellt das Schaufelrad auf den
Platz, der ihm gebiihrt, gibt in einem Anhang AufschluB tiber den fiir Seitenrader in Frage kommenden
Riickstrom und seine einzelnen Faktoren, ferner eine angenaherte Berechnung von solchen Radern
und einige Beispiele dafiir. Herr Prof. Dr. Ing. Fritz Horn hat dann am SchluB in einem Beitrag
eine solche Methode auf eine breitere Basis gestellt.
Der Druck der vorliegenden Arbeit war bereits einmal weit fortgeschritten, wurde jedoch durch
die Kriegsereignisse samt den heiden zugrunde liegenden Manuskripten vernichtet. Erhalten blieben
an anderer Stelle vorlaufige Berichte, die nunmehr zu einer Neubearbeitung_ herangezogen wurden,
allerdings ohne den Einblick in die betreffende Literatur, da die eigene vernichtet und fremde unter
den herrschenden Verhaltnissen hier nicht zu erlangen war. Dieses mag anderen Autoren gegeniiber
die Bitte urn Nachsicht begriinden.
Die V ersuche wurden spater fortgesetzt mit Radern mit festen geraden Schaufeln, und kann
hier nur erwahnt werden, daB der Wirkungsgrad derselben sich als hoher,· als erwartet, und auch
die Giiltigkeit des Ahnlichkeitsgesetzes dafiir sich erwiesen hat. Mehr dariiber zu sagen, ist nicht
moglich, weil auch dieses V ersuchsmaterial vernichtet wurde.
Fur die Neubearbeitung wurde moglichst der Wortlaut der ersten vorlaufigen Berichte bei
behalten, denen die Zeitfolge der Versuche zugrunde lag. Die Einheitlichkeit derselben muBte aller
dings deshalb und wegen der sonstigen regen Inanspruchnahme der Anstalt zu kurz kommen und
man wird auch erkennen, wo weitere V ersuche am Platze gewesen waren, die a us Zeitmangel unter
blieben. Auch muBte die Auswertung mancher V ersuche a us diesem Grunde lange auf sich warten
lassen. Die Arbeit ist somit etwas Unfertiges geblieben.
Nachdem nun in der Zwischenzeit mancherlei Schwierigkeiten iiberwunden werden konnten,
hat sich das Bundesministerium fiir Verkehr und verstaatlichte Betriebe, Amt fur Schiffahrt,
entschlossen, eine neue Drucklegung bewerkstelligen zu lassen, und sich damit den Dank aller
Interessenten und des V erfassers verdient.
Herrn Professor Dr. Ing. Fritz Horn gebiihrt herzlichster Dank fiir seinen Rat und seine Hilfe
und die Zurverfiigungstellung seines angeschlossenen wertvollen Beitrages zu den Folgerungen
a us den V ersuchsergebnissen.
Und schlieBlich mochte ich auch meinen Mitarbeitern in der Anstalt meinen Dank hier zum
Ausdruck bringen.
Steinbach am Attersee, November 1951.
Friedrich Gebers
lnhaltsverzeichnis
Erster Bericht
Seite
A. Das Personenschiffsrad;
Die V ersuchseinrichtung 2
Schaufelrad eines Personenschiffes 3
Schuh- und Drehmoment und ihr Vergleich mit der Grol3ausfiihrung und den
bisherigen Berechnungsmethoden. . . . . . 4
Standversuche bei verschiedenen Umdrehungen 7
Einfiu/3 verschiedener Eintauchungen 7
N och gro/3ere Eintauchung . 9
V erschiedene W assertiefen 10
Wirkung der Schiffswand . 10
Riickwartsschlag . . . . . 11
Standversuche bei Riickwartsschlag 11
Verringerung der Schaufelzahl auf die Halfte. 12
Einfiu/3 der W assertiefe bei verringerter Schaufelzahl . 12
Schaufeln halber Hohe, au/3en und innen angeordnet. 13
Freifahrendes Schaufelrad mit starkeren Schaufelblechen, leichterem Gang und
Radkasten bei verschiedener Drehzahl 14
Schaufelwiderstand 14
8chlu/3betrachtung 15
Zweiter Bericht
B. Das Schlepper-Rad .... 15
Die Radmodelle und die Versuchseinrichtung. 15
Verschiedene Umdrehrmgen dem Ahnlichkeitsgesetz entsprechend, tiefes Wasser 17
Bereich der Ubereinstimmrmg 19
Rippen auf den Radschaufeln 20
Wirkrmgsgrade . . . . . 20
Km- und Ks-Werte . . . 21
Beschrankte W assertiefe . 21
Verschiedene Tauchungen 23
Kann man das Schaufelrad noch verbessern ? 25
Wellendampfung . . . . . . . . . 27
Rad und Schiff; Rad und Schraube 28
Ergebnisse . . . . . . . . . . . . 28
Vergleich der Ergebnisse. . .... 31
Versuch einer Bestimmung des Vorstromes 32
Nur vier Schaufeln belassen 34
Schlu/3betrachtung 34
VIII Inhaltsverzeichnis
Seite
C. Anhang .. 35
Das Problem der Reibungs- oder Grenzschicht . 35
Die Umlaufbewegung und der Riickstrom durch die Verdrangung 38
Die R iickstromziffer . . 45
Ein Berechnungsbeispiel 46
Eine Faustregel . . . . 4 7
Eine Methode zur angenaherten Berechnung der Schaufelrader 49
Bestatigung der Berechnungsmethode durch Versuche mit dem Modell eines
Personenschiffsrades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Ein Berechnungsbeispiel aus der Praxis nach der Methode angenaherter Be-
rechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
D. Ein Naherungsverfahren fiir Schaufelraderberechnung, abgeleitet aus den
Gebersschen Versuchen. Von Professor Dr. Ing. e. h. Dr. Ing. Fritz Horn 52
Ableitung einer Interpolationsformel auf Grund der Versuchsergebnisse vori
Gebers fur_ ein Schlepperrad ........................................... 60
Bezeichnungen
1/a Mai3stab des Modelles
s Schuh in kg
M Drehmoment in mkg
N Umdrehungszahl in der Minute
n Umdrehungszahl in der Sekunde
v Geschwindigkeit in kmjstd
v Geschwindigkeit in mfsk
Eintrittsgeschwindigkeit in mfsk
Riickstromgeschwindigkeit in mjsk
u Umfangsgeschwindigkeit im Zapfenkreis = 2 n n Rz in mjsk
u
Umdrehungen
PSe effektive Maschinenleistung
WPS Wellenpferdestarken = 1,04 Schr.PS
Schr.PS Schraubenpferde, unmittelbar an die Schraube abgegeben
w Schiffswiderstand in kg
Wo Schiffswiderstand fiir Schiffe ohne Propeller in kg
z Trossenzug in kg
z Anzahl der Schaufeln
WT und t = Wassertiefe in m
ET Eintauchtiefe der aui3eren Schaufelkante in tiefster Stellung unter dem
Wasserspiegel im R uhezustand
T Mitte Welle iiber dem Wasserspiegel in Ruhe
B Lange bzw. Breite einer Schaufel
H Hohe einer Schaufel
Radius des Zapfenkreises
Durchmesser des Zapfenkreises
Abstand der aui3eren Schaufelkante von der Achsenmitte bei tiefster
Eintauchung
F Flache einer Schaufel in m2
Ft Flache des eintauchenden Schaufelkreisabschnittes in Ruhe in m2
u-v
s nomineller Slip = -~~· .3 ·
n
u
S- Z- W S- W
{} Sogziffer = ------0 oder ----0
W0 S
Riickstromziffer = Ve-~ oder Yorstromziffer v- Ve
v v
Fortschrittziffer
v
A Fortschrittsgrad ·--~· ~
nDzn
X Bezeichnungen
]d
Km ndornentenkonstante
Ks Schubkonstante
n• Dz4 (!
S Ve
1} Wirkungsgrad ----
2nnM
v
1}; idealer Wirkungsgrad _e
u
g Erdbeschleunigung rnjsk2
y spezifisches Gewicht des Wassers kgjrn3
y
(!
g
v kinernatischer Ziihigkeitswert rn2 jsk
vi
He Reynoldsche Zahl
v
Erster Bericht
A. Das Personenschiffsrad
Modellversuche mit Schaufelrad-Propellern haben ihre Begrundung genau so wie die mit
Schrauben-Propellern darin, daB Versuche mit GroBausfuhrungen zu teuer, umstandlicher, aber
auch unsicherer und unubersichtlicher in ihren VersuchsverhaitniRsen sind, und daher auch meist
weniger umfassend ausgefuhrt werden. Das bei weitem groBere Anwendungsgehiet des Schrauben
propellers brachte ohne weiteres auch die viel haufigeren und weitgehenderen Modellversuche mit
sich, die angestellt wurden, um seine Wirkungsweise kennen zu lernen und die Unterlagen fur seine
Berechnung zu schaffen. Dagegen ist das Schaufelrad bisher nur stiefmutterlich behandelt, und
Versuche mit Modellen liegen nur in sehr beschranktem Umfang und kleinen MaBstaben in der
Literatur vor. Die Versuche von Schaffran1 im MaBstab 1: 20 mit einem freifahrenden Radmodell
auf unendlicher Wassertiefe und nur einer Tauchung und einer Umdrehungszahl, ferner die der
Hamburger Anstalt", ebenfalls im MaBstab 1: 20, sind eigentlich die einzigen veroffentlichten.
Versuche mit groBeren MaBstiiben sind hier und da ausgefuhrt\ meist aber nicht veroffentlicht
worden.
Die bekanntgegebenen Wirkungsgrade, die im Maximum 50% erreichten gegeni:iber etwa 70%
beim Schrauben-Propeller, schienen nun nicht gerade ernmtigend, viel Muhe auf eine weitere Unter
suchung zu verwenden, aber andererseits spricht doch die Erfahrung dafur, daB fur gewisse Ver
hiiltujsse das Schaufelrad sich weiter durchgesetzt hat und durchsetzen wird. Auf Einzelheiten
einzugehen, ist bei dem Wissen der in Betracht kommenden Stellen nicht notig. Es braucht nur
darauf hingewiesen zu werden, daB auBer auf den tropischen Fliissen neuerdings auch auf der Donau
wieder ein Hinneigen zur Wahl des Schaufelrad-Antriebes sich bemerkbar macht.
Gerade diese letztere Tatsache beeinfluBte die Wiener Anstalt, sich mit einer Modellunter
suchung des Schaufelrades in groBerem Umfang und groBerem MaBstab als hisher, und auch seiner
Verbesserungsmoglichkeit zu beschaftigen. Besonders geeignet erschien diese Anstalt auch deshalb,
da sie einen verstellbaren Boden im Becken besitzt, welcher die Einstellung jeder Wassertiefe moglich
macht, zweitens, weil sie das groBte deutsche Becken mit dieser Moglichkeit ihr eigen nennt und
also den groBten MaBstab anwenden kann, ohne BeckeneirrfluB befiirchten zu miissen, und drittens,
weil sie in enger Verbindung mit den an der Donau gelegenen FluBschiffswerften und Reedereien
steht, die ein besonderes Interesse an diesen V ersuchen haben, und die auch bereit sind, die erforder
lichen Unterlagen zur Verfiigung zu stellen. Da Rich eine Anzahl von Werften und Schiffahrtsgesell
schaften bereit erklart hatte, zu den Kosten beizutragen, wurde im Jahre 1939 mit der Vorbereitung
der V ersuche, wie folgt, begonnen.
Als MaBstab fur etwaige Versuche ,Schiffsmodell mit Radmodellen" zusammen wurde im groBen
eine Wasserbreite von 100m noch als ohne storende Beeintrachtigung des Schiffswiderstandes
durch BreiteneinfluB fur die in Betracht kommenden Geschwindigkeiten angenommen. Dement
sprechend konnte bei den Wiener Versuchen der MaBstab 1: 10 zugrunde gelegt werden. Um zu
nachst aher einen Uberblick tiber die notwendigen Umrechnungsmethoden und die Wirkung des
Schaufelrades uberhaupt zu gewinnen, sollte mit Freifahrversuchen nur eines Rades begonnen
werden.
1 Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft 1918, S. 475 u. f., Schaffran: Modellversuche mit
Schaufelrad-Propellern.
2 Werft-Reederei-Hafen 1927, S. 556 u. f., Obering. R. Zilcher: Leistung und Wirtschaftlichkeit von
Flui3schleppern verschiedener Antriebsart.
3 Schiffbau, Schiffahrt und Hafenbau 1939, S. 119, Fr. Siiberkriib: Der Radschiffsantrieb- Vergleichs
versuche mit Schlepper: Rheinfahrt IX, Modellmal3stab 1: 13,5.
1
G e be r s, Schaufelrad