Verbesserung der Kursstabilität von Booten und Fahrgastschiffen durch Mehrflächenruder oder Stabilisierungsflächen PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr.1989 Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt Dr.-Ing. Brich Schäle Schiff- und Maschinenbau-Ing. Axel Dittberner v., Versuchsanstalt für Binnenschiffbau e. Duisburg Direktor: Prof Dr.-Ing. Herbert Schneekluth Verbesserung der Kursstabilität von Booten und Fahrgastschiffen durch Mehrflächenruder oder Stabilisierungsflächen (103. Mitteilung der VBD) Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ISBN 978-3-663-06592-0 ISBN 978-3-663-07505-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-07505-9 Verlags-Nr.011989 © 1968 by Springer Fachmedien Wiesbaden Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen 1968. Inhalt Einleitung ............................................................. 5 1. Technische Erläuterungen ............................................. 5 2. Versuchsdurchführung ................................................ 7 3. Versuchsergebnisse ................................................... 8 4. Zusammenfassung .................................................... 9 5. Anhang ............................................................. 11 3 Einleitung Motorboote und Flußfahrgastschiffe neigen auf Grund ihrer Linien und Spantenformen sowie dem meist noch vor dem Hauptspant und Verdrängungsschwerpunkt liegenden Lateralschwerpunkt zu erheblicher »Kursunstetigkeit«. Sie tritt besonders dann un angenehm in Erscheinung, wenn das Schiff langsam fährt und dabei doch schnelle und zuverlässige Kursmanöver ausführen soll, oder wenn Lage, Größe und Profil des Ruders nur auf »Wirkung im Propellerstrahl« ausgelegt sind, dieser jedoch aus irgendwelchen Gründen fortbleibt und das Schiff trotzdem noch manövrierfähig sein muß. Ein solches kursunstetiges V erhalten stellt immer eine Gefahr dar und sollte durch ge eignete konstruktive Maßnahmen von vornherein unterbunden werden. Hier kann teil weise auf Erfahrungen der jetzigen Bundesmarine zurückgegriffen werden, die bei Schnellbooten und Zerstörern ähnliche Erscheinungen feststellte. Die dort verwendeten Stabilisierungsflächen (oder Stabilisatoren) haben zu gewissen Erfolgen geführt, sind aber ihres Verhältniswertes L: H (Länge zu Höhe) < 1 zufolge für Flachwasserschiffe nicht sonderlich geeignet. Da insbesondere bei Fahrgastschiffen während des Anlege vorganges und bei Niedrigwasser Grundberührungen vorkommen, müssen Stabili sierungsflächen so bemessen sein, daß sie ihre Funktion nicht nur hydrodynamisch er füllen, sondern auch mechanische Beanspruchungen vertragen, d. h. beim Flachwasser schiff sollteL: H> 1 sein. Ziel dieser experimentellen Untersuchung ist also, der be zeichneten Schiffs- oder Bootsgattung durch geeignete Ruder- oder Stabilisierungs flächen eine höhere bzw. sichere Kursstabilität zu verleihen, ohne ihre in der Regel gute Drehfähigkeit wesentlich zu mindern, sowie praktische Vorschläge für Größe und An ordnung solcher Zusatz anlagen am Beispiel des Forschungsschiffes »Fritz Horn« zu demonstrieren! 1. Technische Erläuterungen 1.1 Drehgeschwindigkeit und Kursstabilität Die kennzeichnenden Größen eines Schiffes mit gegebener Form, Verdrängung und Ruderausbildung für eine bestimmte Geschwindigkeit Vo sind: Ruderwinkel ~r [Grad] Geschwindigkeit v [m/s] Drehgeschwindigkeit w [0 Is] Kurswinkel Cf! [Grad] Nach Erreichen des Beharrungszustandes ist jedem Ruderwinkel eine feste Fahr- und Drehgeschwindigkeit zugeordnet, die ihrerseits eine ständige Kurswinkeländerung er zeugt. Trifft dies bei jedem Ruderwinkel auch für L1~r ----+ 0 zu, ist das Schiff kursstabil. Die Praxis zeigt jedoch, daß oftmals sogar bis zu den Ruderwinkelbereichen + - 5 ° ;;:;; ~r ;;:;; 5 ° keine Übereinstimmung zwischen Ruderwinkel und Drehgeschwin digkeit einschließlich der Vorzeichen zu erreichen ist. In solchen Fällen ist das Schiff kursunstabil. Dabei muß man den Fall ~r = 0, also auch Cf! = 0 mit besonderer Vorsicht behandeln, denn er besagt ja, daß das Schiff einen völlig geraden Kurs einhalten würde. 5 Dieser Zustand tritt jedoch nie ein, weil die Umströmung des Schiffskörpers nicht symmetrisch verläuft. Die Ursachen sind so verschiedener Natur, daß es weit über den Rahmen dieses Themas hinausgehen würde, sie hier zu beschreiben. Wichtig ist jedoch zu wissen, daß die Kursstabilität um so größer wird, je genauer das Schiff auch kleinsten Ruderwinkeländerungen° u m die Nullage herum folgt, also je° dem auch noch so kleinen Ruderwinkel c5r -+ sich eine Drehgeschwindigkeit W -+ zuordnen läßt. Die Feststellung des unstabilen Bereiches erfolgt durch Ausfahren der sogenannten Dieudonne-Spirale, die bei 00 ausgedehntem Fahrwasser in zwei Versuchen alle Werte geben kann. Aus Geradeausfahrt im Beharrungszustand wird das Ruder hart StB 40° gelegt. Nach Erreichen des Beharrungszustandes werden Wo und Vo gemessen. Dann wird das Ruder z. B. auf 35 ° StB gelegt und wiederum nach Erreichen des Beharrungszustandes Wo und Vo gemessen. Dieses Verfahren setzt man nun stufenweise von 5 ° zu 5 ° Ruderwinkel änderung fort, wobei im Bereich kleiner und negativer Ruderwinkel (Instabilitäts bereich) kleinere Stufen zu empfehlen sind, bis eine Änderung des Drehsinns auftritt. Anschließend wird der gleiche Versuch aus Geradeausfahrt mit c5r = 40° BB durch geführt. Steht für eine ganze Spirale kein Platz zur Verfügung, kann der Versuch auch stück weise gefahren werden, indem z. B. durch Ruderlegen 10° StB ein w ~ 0,5 eingeleitet und dann das Ruder auf 5° StB oder 0° oder 3° BB gelegt wird. Empfehlenswert ist die Messung des Gesamtverlaufes von wund v. Für den Endzustand lassen sich die Schiffseigenschaften durch die folgende Auftragung eindeutig in dimensionsloser Form kennzeichnen (s. a. Anlage): Lw - =f(c5r) v Für den Beharrungszustand w = Wo und v = Vo = ro • Wo ergibt sich aus obiger Glei chung 1.2 Auslegung der Stabilisierungsflächen Stabilisierungsflächen ähneln Schiffsrudern. Sie sollten schlanke Profilschnitte haben und am Schiff möglichst weit achterlich, jedoch außerhalb des Propellereinflußbereiches angebracht werden. Die NACA-Profile 631-012 eignen sich auf Grund ihrer günstigen Ca- und Cw-Werte besonders gut. Wie in der Einleitung bereits angegeben, muß das Verhältnis L : H bei Flachwasserschiffen aus Tiefgangs- und Festigkeitsgründen > 1 sein. Außerdem ist es zweckmäßig, bei paarweiser Verwendung die Symmetrieachsen leicht nach vorn divergieren zu lassen. Ein früherer Modellversuch erbrachte Winkel werte bis zu ca. ± 5 0. Für die auszuführenden Untersuchungen diente das Forschungsschiff »Fritz Horn«. Dieses Schiff besitzt zwar bei hoher Propellerdrehzahl eine gute, bei verminderter Drehzahl jedoch nur eine mäßige Kursstabilität. Seine Kursunstabilität liegt im Be reich von 750 Ujmin bei c5r = ±0,5° 600 Ujmin bei c5r = ±2,0° 300 Ujmin bei c5r = ±5,0° 6 Außerdem erreicht es nach eingeleiteter Drehung sehr hohe Drehgeschwindigkeiten, die die Querstabilität oftmals bis nahe an die vertretbare Grenze beanspruchen. Infolge dessen ist dieses Schiff ein sehr gutes Versuchsobjekt, um verschiedene Konstruktionen zur Verbesserung der Kursstibilität zu prüfen. Hinzu kommt, daß Ruderversuche an naturgroßen Objekten keine Maßstabsfehler mehr enthalten, die gerade bei Ruder untersuchungen im Modellmaßstab noch nicht erforscht sind. Die Anlagen 1 und 2 zeigen außer der vorhandenen Rudereinrichtung die Lage des Verdrängungs- und Lateralschwerpunktes sowie das vorhandene Spatenruder und die verschiedenen Arten der untersuchten Stabilisierungsflächen. Diese Stabilisierungsflächen gehörten baukastenartig zusammen und wurden paarweise auf BB und StB so angeordnet, wie Anlage 3 zeigt. Die Verschiedenartigkeit der Stabilisierungsflächen ließ sich mit insgesamt 4 Teilen erreichen: 1. Fläche A allein F = 2 X 0,13 m2 + 2. Fläche A B F = 2 X 0,33 m2 + + 3. Fläche A B C F = 2 X 0,51 m2 + 4. Fläche A D F = 2 X 0,23 m2 Um gleichzeitig auch noch die Wirkung der Stabilisierungsflächen als Ruder zu prüfen, wurden Bund C drehbar angeordnet und mit einer Anlenkvorrichtung zum mittleren Spatenruder versehen. Aus der Einflächenruderanlage entstand auf diese Weise also eine Dreiflächenruderanlage. Die Bedeutung des in Anlage 2 unten rechts gezeigten und in Anlage 4 konstruktiv dargestellten Spezialruders der Firma Becker, Hamburg, wird am Ende dieses Berichtes erläutert.) Die Abb. 1-4 zeigen recht anschaulich den Anbau der verschieden großen Stabili sierungsflächen und die Abb. 5 und 6 die Parallelogrammsteuerung vom Mittelruder aus. 2. Versuchsdurchführung + + Die Versuche begannen mit den aus den Teilen A B C zusammengesetzten großen Stabilisierungsflächen. Als Meßstrecke für die größeren Ruderwinkel diente ein seit langem für Großversuche besonders geeigneter Flußabschnitt der Ruhr, kurz oberhalb des Ruhrorter Stauwehres. Die Wassertiefe betrug 4,0-4,2 m. ° Die Versuche mit kleinen Ruderwinkeln fJr ---0> mußten auf dem Isselmeer ausgeführt werden, weil eine Wasserfläche von ca. 500 m Breite benötigt wurde. Dort fanden sich große Flächen Lnit verschiedener Tiefe, aber jeweils völlig ebener Sohle. Die Wasser tiefe auf der ausgewählten Strecke betrug 4,1 m. Sie paßte also genau zum Ruhrorter Flußab schnitt. Sämtliche Bauteile der Flächen-und Ruderanlenkung waren so befestigt, daß sie unter Wasser von einem Taucher montiert bzw. demontiert werden konnten. Das Schiff wurde also nur für den Anbau der Teile A und D sowie deren Abbau aufgeslipt. + + Nachdem die Versuche der Gruppe A B C in starrer Form - also als reine Stabili sierungsflächen - ausgeführt waren, folgten die Versuche mit Anstellung - ihrer Wir kung nach somit als »Dreiflächenruder«. 7 Nach Abschluß dieser Versuchsreihe wurden beide C-Flächen demontiert und nur die + + Wirkung von A B geprüft. Dann kam A allein und schließlich A D an die Reihe. Die Deutung der während der Versuchs fahrten gewonnenen Ergebnisse führten u. a. zu der Überlegung, die während des letzten Jahres bekanntgewordenen Erfolge mit Flos sen- oder »geteilten« Profilrudern hinsichtlich ihrer stabilisierenden Wirkung zumin dest in einem Fall zu prüfen. Da der Versuchsanstalt die Möglichkeit geboten wurde, kurzfristig ein passendes »Becker-Ruder« zu erwerben, konnte zum Abschluß noch die Untersuchung eines Flos senruders ausgeführt werden. Abb. 7 und 8 sowie die Anlagen 2 und 4 geben Auskunft über Gestalt und Kinematik. Hier erhält die achterliche Flosse (Profilende) stets die doppelte Anstellung wie das Hiuptruder. Da ein kurs stabiles Schiff in der Geradeausfahrt mit sehr kleinen Ruderwinkeln gesteuert werden kann, d. h. dazu nur sehr kleine Ruder-Querkräfte nötig sind, genügt eine relativ kleine Ruderfläche. Die Ruderfläche der sogenannten Flosse eines geteilten Profil ruders müßte also ausreichen, das Schiff auf geradem Kurs zu halten. Da andererseits in der Praxis Ruderwinkel um Null herum innerhalb des kursinstabilen Bereiches liegen, wird das Profilende eines Flossenruders, dessen Flosse bei kleinsten Winkeländerungen des Hauptruders schon relativ große Ausschläge erreicht, genügen, einen geraden Kurs zu fahren, das Hauptruder aber zum »Stabilisator« werden und so mit die Kursstabilität eines Schiffes erheblich verbessern. Mitdem Flossenruder wurden dann die gleichen Versuchsreihen durchfahren und damit die gesamten Kursstabilitätsversuche abgeschlossen. Um den Leistungsverlust durch den Profilwiderstand sämtlicher Stabilisierungs- und Ruderflächen zu bestimmen, wurde mit jeder Variante auch ein Propulsionsversuch aus geführt. 3. Versuchsergebnisse Wie in Abschnitt 1 bereits erläutert, wird die Kursstabilitätsprüfung nach dem V or schlag DIEUDONNES vorgenommen. Trägt man die Drehgeschwindigkeit über dem Ruderwinkel auf, läßt sich die Ruderwirkung von ± 40° --7 5 ° stets sehr gut strakend erkennen, zwischen ±5° dagegen (also um Null herum) auch die Unstetigkeit ablesen. In Anlage 5 sind die Grundwerte, d. h. das Kursverhalten des Bootes mit seinem Normal ruder nach Anlage 1 dargestellt. Der Unstetigkeitsbereich liegt zwischen w = ± 1,9°/s und IJr = 0,5°/s, also ein für die ses Schiff verhältnismäßig großer Bereich. Die Anlagen 6, 7 und 8 zeigen nun die Ergebnisse der untersuchten Varianten und las sen eindeutig erkennen, welche Minderung die Drehgeschwindigkeit erfährt, wie unter schiedlich die Wirkung zwischen fester Stabilisierungsfläche und angestellte »Ruder« Fläche - also dem Dreißächenruder ist und welche Stabilisierungsflächen voraussicht lich optimale Kursstabilität ergeben. + + Die großen Stabilisierungsflächen aus A B C erzeugen zwar eine sehr hohe Kurs stetigkeit (Unstetigkeiten waren einfach nicht meßbar), reduzieren aber bei 30° Ruder lage z. B. w um 41 %, wenn man das Normalruder (Anl. 5) für 100% setzt, während sich + + w bezeichnenderweise nicht erhöht, wenn A B C als Dreiflächenruder gefahren wird! 8 Eine ebenso gute Kursstabilität wird auch mit der reduzierten Stabilisierungsfläche + A B nachgewiesen. Hier fällt w nur um 27%, siehe Anlage 7. Als Dreiflächenruder geprüft, tritt auch hierbei keine Erhöhung der Drehgeschwindigkeit ein. (Diese Fest stellung dürfte für nicht unmittelbar im Propellerstrahl liegende Dreiflächenruder anlagen recht aufschlußreich sein!) Aus Anlage 8 geht hervor, daß A allein kaum stabilisierende Wirkung hat, mit D da gegen schon eine erhebliche Verbesserung bringt. Auch hier vermindert sich die Dreh geschwindigkeit gegenüber dem Normalzustand noch um 10%. In Anlage 9 ist das Ergebnis des Flossenruders dargestellt und mit der Kurve aus An lage 5 verglichen. Die Kurvencharakteristik ist zwischen ± 40 --+ 5 ° Ruderwinkel eine völlig andere, um Null herum zeigt sie wie vermutet jedoch die guten Stabilisierungs eigenschaften. Auch hier war meßtechnisch keine Instabilität festzustellen. Im Gegensatz zum Normalruder erzeugt das untersuchte Flossenruder schon bei klei nen Ruderwinkeln hohe Drehgeschwindigkeiten. Sie überschritten am Versuchsobjekt erstmals sogar die w-Werte des Normalruders bis zu 20% - also das bisher mit keinem anderen Ruder erreichte Maß. Daß der w-Wert zwischen 20° und 40° annähernd konstant bleibt, liegt an der Ruder winkel-Bewertung. Hier liegt nicht der Flossen-oder Basiswinkel, sondern derjenige des Hauptruders zugrunde. Bei großen Anstellwinkeln der Flosse (Profilende) reißt außer dem die Strömung am Knickpunkt ab. Dafür setzt ein hoher Profilwiderstand ein, der im Endeffekt die Fahrgeschwindigkeit hemmt - eine wesentliche Voraussetzung für das Aufdrehen bzw. Wenden von Schiffen in engen Gewässern. In Anlage 10 sind zu allen Varianten die w-Werte nominell verzeichnet, und Anlage 11 zeigt den Einfluß auf die Fahrgeschwindigkeit, wobei die Kurve für Fläche A mit dem Normalzustand des Schiffes identisch ist. 4. Zusammenfassung und Bewertung Das Forschungsschiff »Fritz Horn«, ausgerüstet mit einem sehr wirksamen Spatenruder, ist, wie alle Boote und Fahrgastschiffe, in Ruder-Nullage kursinstabil. Daher eignete es sich besonders gut, die in der Seeschiffahrt bekannten Maßnahmen zur Verbesserung der Kursstabilität auf ihre Anwendbarkeit bei Flachwasserschiffen zu prüfen. Von vorn herein wurden also diese Flachwasserbedingungen berücksichtigt und Stabilisierungs flächen nur im L : H-Verhältnis zwischen 1: 1 bis 2: 1 (L : H> 1) zugelassen, die ihrer seits profil- und festigkeitsmäßig so ausgelegt werden können, daß sie Grund- und Böschungs berührungen vertragen. Aus 5 untersuchten Varianten schält sich eindeutig die Variante der Flächengröße + A B als feste Stabilisierungsfläche heraus. Es ist die in Bild 2 (Foto) dargestellte. Ihr L : H liegt bei 1,9: 1. Ihre Fläche beträgt 2 X 0,33 = 0,66 m2, d. h. 4,65% des Lateralplanes. Im letzten Versuch zeigte es sich, daß auch geteilte Profilruder - als Einflächenanlagen ausgebildet - auf Grund ihrer Kinematik den Instabilitätsbereich auf ein nicht mehr meßbares Minimum einschränken können. Da im untersuchten Fall ab ± 30° Ruderwinkel an aufwärts keine Drehgeschwindigkeits zunahme mehr auftrat, im normalen Winkelbereich jedoch bessere Rudereigenschaften festgestellt wurden, empfiehlt es sich, auch mit solchen Rudern weitere Untersuchungen in systematischer Folge anzuschließen. 9 Alle Versuchsergebnisse zeigen, daß die Kursstabilität eines instabilen Schiffes mit ein fachen Mitteln erheblich zu verbessern ist und auch das von der Firma Becker, Hamburg, angebotene »Hochleistungsruder« als erstes untersuchtes Flossenruder (bzw. geteiltes Profil ruder) sehr gute diesbezügliche Eigenschaften besitzt. Dem Forschungsamt des Landes Nordrhein-Westfalen möchten wir unseren aufrich tigen Dank für die Bewilligung der Mittel zur Durchführung dieses interessanten For schungsauftrages aussprechen, dessen Ergebnisse weit günstiger ausgefallen sind, als wir vermutet hatten. 10
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