Untersuchung der Wirkungsgradverbesserungen von Propellern, erstens bei kleinem und zweitens bei großem Fortschrittsgrad durch Ummantelung mit Spaltdüsen

61 Pages·1963·1.894 MB·German

by  Prof. Dipl.-Ing. Wilhelm Sturtzel, Dipl.-Ing. Ulrich Adam (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1116
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Prof. Dipl.-Ing. Wilhelm Sturtzel
Dipl.-Ing. Ulrich Adam
Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e. V. Duisburg
Institut an der Technischen Hochschule Aachen
Untersuchung der Wirkungsgradverbesserungen
von Propellern, erstens bei kleinem
und zweitens bei großem Fortschrittsgrad
durch Ummante1ung mit Spaltdüsen
49. Mitteilung der VBn
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-06464-0 ISBN 978-3-663-07377-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07377-2
Verlags-Nr. 011116
© 1963 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Urspriinglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Koln und Opladen 1963
Inhalt
1. Entwicklungsstand der ummantelten Schrauben ....................... 7
1.1 Einfachdüse (Kort) ................................................ 7
1.2 Doppeldüse ...................................................... 7
2. Gegenstand der vorliegenden Untersuchung........................... 9
2.1 Aufbau und Wirkungsweise der Spaltdüse mit engem Sekundärteil. . . . . . . 9
2.2 Aufbau und Wirkungsweise der Spaltdüse mit erweitertem Sekundärteil. . 9
3. Vorbereitung der Versuche........................................... 10
3.1 Aufbau der Meßanordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 10
3.2 Konstruktion des Propellers ........................................ 11
3.3 Konstruktion der Düsen ........................................... 11
4. Durchführung der Versuche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13
4.1 Spaltdüse mit Sekundärteil A ....................................... 13
4.2 Spaltdüse mit Sekundärteil B ....................................... 13
4.3 Spaltdüse mit Sekundärteil C ....................................... 13
5. Auswertung der Versuchsergebnisse .................................. 14
5.1 Propellerfreifahrt .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.2 Strebenwiderstand ................................................ 14
5.3 Primärdüse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14
5.4 Spaltdüse mit Sekundärteil A 14
5.5 Spaltdüse mit Sekundärteil B 15
5.6 Spaltdüse mit Sekundärteil C 15
5.7 Vergleich der Düsensysteme ........................................ 15
6. Zusammenfassung................................................... 16
7. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17
5
1. Entwicklungsstand der ummantelten Schrauben
1.1 Einfachdüse (Kort)
Die steigende Verwendung der Kortdüse bei stark belasteten Schlepperschrauben
und neuerdings auch bei schwach belasteten Schrauben von Frachtschiffen zeigt
die hohe Bedeutung, die der Düse als propulsionsverbesserndes Glied der An
triebsanlage zukommt.
Umfassende theoretische [1], [2], [3], [4] und empirische [5], [6] Untersuchungen
führten zum derzeitigen Stand des Düsenpropelleraggregates.
Die Verbesserungen durch die Schraubenummantelung konnten durch zwei
Maßnahmen gesteigert werden.
1. Die Schraube wurde in ihrer Wirkungsweise mit der Achsialpropellerpumpe
verglichen und dadurch den besonderen Arbeitsbedingungen angepaßt.
2. Das Düsenprofil wurde durch geänderte Anstellung und Wölbungsverstär-
kung der Belastung insbesondere für höhere Fortschrittsgrade angepaßt.
Die Maßnahme 1, von Prof. DrcKMANN 1955 auf Grund eingehender theoreti
scher Untersuchungen gefordert [4], wurde durch die systematischen Arbeiten
der Versuchsanstalt Wageningen verwirklicht. Die Entwicklung dieser Kaplan
typschrauben ist noch nicht abgeschlossen. Exakte Werte für günstige Wölbung
der Profile - besonders der nabennahen Blattschnitte - können durch Unter
suchungen im Kavitationstank gewonnen werden.
Die Maßnahme 2 wurde ebenfalls von der niederländischen Versuchsanstalt in
Wageningen (vgl. [5]) mit Hilfe verschiedener Düsenserien untersucht. Das
übliche Düsenprofil NACA 4415 wurde durch das Profil NACA 5415 übertroffen.
Im Jahre 1959 ergänzte Wageningen mit einer neuen Profilserie [6] NACA 25015
die Düsenprofile.
Diese Untersuchung zeigt, daß durch die neue Düsenform, d. h. eine stärkere
Wölbung bei geringerer Profilanstellung und größerem Diffusorauslaufwinkel,
eine Steigerung des Wirkungsgrades ermöglicht wird.
1.2 Doppeldüse
Weitere Verbesserungen des Propeller-Düsen-Systems sind in Anlehnung an ein
Patent Grätsch (Nr. 1 011 315) von Prof. DrcKMANN für mäglichgehalten worden.
Es handelt sich bei dieser Anmeldung um eine sogenannte Mischdüse, die aus
einer bekannten Einfachdüse besteht und mit nach hinten seitlich anschließenden
Düsentaschen versehen ist.
7
Prof. DICKMANN beschrieb die zu erwartenden verbessernden Effekte Ende 1955
folgendermaßen:
1. »... Durch reine Überlagerung zweier Düsenfelder erhält man als Potential
strömung bereits einen wirksamen Effekt dadurch, daß die Mischdüse den
Propellerstrahl hinter dem Aggregat verbreitert, wodurch ein geringer Aus
trittsverlust des Propulsionsorganes entsteht. Nach diesem ersten Effekt hat
die Mischdüse etwa den Charakter eines Spaltflügels, welcher in diesem Falle
eine verhältnismäßig große diffusorartige Erweiterung der Propellerströmung
zuläßt.
2. Im inneren Bereich der Mischdüse findet bereits eine gewisse Vermischung
zwischen dem eigentlichen Schraub strahl und demjenigen Wasser statt,
welches zwischen Strahl und Mischdüse strömt. Hierdurch wird auch diesem
»Sekundärwasser« ein gewisser Energiebetrag zugesichert, der sich gleichfalls
in einer gewissen Strahlbildung äußert und der z. B. dazu führt, daß auch an
der Hinterkante der Mischdüse eine Wirbelschleppe entsteht. Es ist offenkundig,
daß man über diesen Vermischungsvorgang wenig· weiß. Da für die Misch
strecke nur der verhältnismäßig kurze Längenbereich innerhalb der Misch
düse in Frage kommt, bleibt die Vermischung sicher unvollständig ... «
» ... Für wünschenswert würde ich halten, daß man den praktischen Fall mit
den Seitentaschen als letzten Schritt ins Auge faßt und das Grundsätzliche des
Vorganges an einem kreis symmetrischen Beispiel studiert ... «
Eine Untersuchung [7] in der VBD mit konzentrisch angeordneten Vollring
düsen zeigte die Überlegenheit der Doppeldüse gegenüber der Einfachdüse. Es
wurde eine absolute Wirkungsgraderhöhung durch das Nachschalten des zweiten
Düsenringes um 1% festgestellt.
8
2. Gegenstand der vorliegenden Untersuchung
2.1 Aufbau und Wirkungsweise der Spaltdüse mit engem Sekundärteil
Zur Darstellung des ersten von DICKMANN genannten Effektes wird in einem
flach angestellten, stark gewölbten Profil ein ringförmiger Spalt eingearbeitet, so
daß ein kurzer, stark angestellter und gewölbter Primärdüsenteil und ein langer,
flach angestellter Sekundärdüsenteil entsteht. Der Propeller wird in die engste
Stelle des Primärdüsenteiles gelegt.
Die Wirkungsweise des beschriebenen Aggregates ist unschwer zu übersehen,
wenn zunächst der ringförmige Spalt ausgefüllt gedacht wird. Der Propeller
arbeitet dann unter den bekannten Bedingungen der reinen Propellerdüse, wobei
seine Schubaufnahme von der vom Düsenprofil induzierten Geschwindigkeits
verteilung bestimmt wird. Denkt man sich den Spalt dagegen geöffnet, entsteht
eine neue Zirkulationsverteilung entsprechend den zwei getrennten Düsenteilen.
Der Primärdüsenteil induziert dabei infolge seiner stärkeren Anstellung eine
erhöhte Zirkulationsströmung, die dem Propeller eine größere Schubaufnahme
gestattet. Die Strömung um das vorher geschlossene Düsenprofil hat sich durch
das Öffnen des Spaltes, den man sich durch ein Quellsenkenfeld ersetzt denken
kann, gegenüber der reinen Propellerdüse dadurch geändert, daß sie sich, ohne
abzureißen, diffusorartig erweitert.
2.2 Aufbau und Wirkungsweise der Spaltdüse mit erweitertem
Sekundärteil
Zur Darstellung des zweiten von DICKMANN genannten Effektes denken wir uns
den unter 2.1 beschriebenen Spalt dadurch erweitert, daß der hypothetische
Wirbelringdurchmesser des Sekundärteiles unter Beibehaltung des Längendurch
messerverhältnisses LjDhyPt• vergrößert wird. Die theoretischen Wirkungsgrad
verbesserungen sind von DERNEDDE [8] für vollständige Durchmischung von
Schraubenstrahl und Sekundärstrahl angegeben worden. Eine vollständige
Durchmischung kann nicht erwartet werden. Ebenso wird die Größe der Spah
breite die Wirksamkeit des ersten von DICKMANN genannten Effektes festlegen,
da die Wechselwirkung zwischen den beiden Düsenteilen von dem Abstand der
Zirkulationsfelder abhängig ist.
9
3. Vorbereitung der Versuche
3.1 Aufbau der Meßanordnung
Bevor die Versuche mit dem großen Freifahrtgerät der VBD durchgeführt werden
konnten, mußten an demselben konstruktive Änderungen vorgenommen werden,
die nur kurz skizziert seien.
Nach den Erfahrungen aus früheren Versuchen [7] stand zu erwarten, daß bei dem
großen Propellerdurchmesser (D = 0,24m) erhebliche Schwingungen in der Pro
pellerlagerung auftreten würden. Da außerdem die freitragende Länge der Welle
außerhalb des Kastens wegen der Gesamtdüsenlänge von 600 auf 800 mm ver
größert werden mußte, war eine Verstärkung des Stevenrohres und der Pro
pellerwelle notwendig.
Das Stevenrohr wurde durch einen Kegelsitz im Anschlußrohr des Freifahrt
kastens gehalten. Infolge einwandfreier Überleitung der Kräfte konnte mit einem
Abstand von ca. 0,75 mm zwischen Propelleraußenrand und Düsenwand ge
fahren werden. Die Ansicht auf Propeller und Düsen zeigt Abb. 1. Der Aufbau
der gesamten Versuchsanordnung ist in Abb. 2 zu sehen.
Der Freifahrtkasten ist unter einen stabilen Rahmen geschraubt worden. Er
trägt in Abb. 2 links den Elektromotor für den Innenantrieb.
Neben dem Motor erkennt man die Meßskala zum Ablesen der Drehmomente.
Von links nach rechts folgen die Meßstellen für den Schub. Sichtbar sind Meß
rolle und Gewichte für die Grobmessung, unsichtbar darunter die Skala für die
F einablesung.
Die Düsen werden von Stromlinien streben gehalten. Der Strebenfluß trägt eine
Steckachse mit Kugellagerung und wird über eine Biegefeder mit Meßschneide
gehalten (Abb. 11 und 12). Die Halterung der Meßschneide und die Lagerblöcke
sind auf einer gemeinsamen Grundplatte befestigt. Am Profilrahmen, in dem
diese Grundplatte eingehängt wird, kann durch Justierschrauben die gewünschte
Lage der Düse zum Propeller in allen Richtungen eingestellt werden.
An Vork ante Profilrahmen ist vor der Primärdüse auf Abb. 2 die Anordnung für
die Gewichtspilze sichtbar. Entsprechned dem jeweiligen Fortschrittsgrad werden
die Gewichte entweder auf der Schub- oder auf der Widerstands seite aufgegeben,
damit die Biegefeder ohne Nulldurchgang benutzt werden kann. Die Biegefeder
trägt aufgeklebte Meßstreifen. Bei einer Beanspruchung wird die Verstimmung
über eine Vollbrücke ausgeglichen und über Kompensatoren angezeigt. Der
Düsenschub resultiert dann aus dieser Ablesung, die um den Betrag der V or
gewichte vergrößert oder verkleinert wird. Mit dieser Anordnung konnten die
auftretenden Kräfte in der Biegefeder reduziert und nach jeder Meßfahrt die
Kompensatoren neu geeicht werden. Im Gegensatz zur Primärdüse sind bei der
10
Sekundärdüse die Halterung für die Meßschneide und die Lagerblöcke auf einer
verschiebbaren Messingplatte befestigt. Damit kann man ohne Mühe den Ab
stand zwischen Primär- und Sekundärdüse in achsialer Richtung ändern.
Zusammenstellung der Meßstellen:
1. Messung der Drehmomente
2. Messung des Propellerschubes
2.1 grob über aufgelegte Gewichte
2.2 fein über Waage mit Skala
3. Messung des Schubes an der Primärdüse
3.1 grob über Gewichte
3.2 fein über Biegefeder und Kompensator
4. Messung des Schubes an der Sekundärdüse
4.1 grob über Gewichte
4.2 fein über Biegefeder und Kompensator
5. Messung der Wagengeschwindigkeit
3.2 Konstruktion des Propellers
Entsprechend dem bisher vorzugsweise üblichen Anwendungsbereich wurde die
Modellschraube als Schlepperschraube entworfen. Für die Berechnung wurden
folgende Daten zugrunde gelegt:
Propellerdurchmesser D = 1,30 m
Propellerdrehzahl Ns = 370 U/min
Geschwindigkeit Vs = 10,8 km/h
Der auf einen Modellpropellerdurchmesser von 0,24 m führende Maßstab von
a. = 5,41 ergibt nach VBD-Untersuchungen [9] keinen nennenswerten Maß
stabs einfluß mehr.
Die einzelnen Blattschnitte wurden nach der Wirbeltheorie durchgerechnet. Der
Propeller ist auf Abb. 16 dargestellt.
Die Steigung nimmt nach den Flügelspitzen hin stärker zu als es bei Schrauben
für höhere Fortschrittsgrade üblich ist (vgl. hierzu [6]).
Die Eintauchtiefe bis Mitte Propellerwelle wurde mit 1.5 D - im Gegensatz zu
1.0 D bei [5] - festgelegt.
3.3 Konstruktion der Düsen
Die Primärdüse ist gemäß den Ergebnissen des NACA Rep. 427 [10] besonders
kurz ausgeführt (L/D = 0,35), während die Sekundärdüsen ein Längen
hypt.
durchmesserverhältnis von L/D = 0,5 haben.
hypt.
11
Die Konstruktionsdaten sind:
Sekundär- Sekundär- Sekundär-
Profil Primärdüse düseA düse B düse C
NACA 7415 NACA4406 NACA 3306 NACA3306
LjD"ypt. 0,35 0,5 0,5 0,5
Winkel zwischen Profil-
sehne und Horizontale IX 15° 5, -/0 6,1° 7,2°
Hinterer
Öffnungswinkel ß 3,6° 4,20 2,")0 0°
,~
Durchmesser an
Düsenhinter kante m 0,2434 0,253 0,272 0,314
Die aus den vier Düsenringen zusammenstellbaren Düsensysteme sind in der
Stellung 1 in Abb. 17-19 gezeichnet. Die Abb. 17 zeigt das System mit Sekundär
ring A, Abb. 18 das mit Sekundärring Bund Abb. 19 das mit Sekundärring C.
12