Verbesserung des Wirkungsgrades von Düsenpropellern durch zusätzlich angeordnete Mischdüsen PDF
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DK 629.122 FORSCH U NGSBE RICHTE DES WI RTSCHAFTS- UN D VE RKE H RSMI NISTE RI UMS NORDRHE I N-WESTFALE N Herausgegeben von Staatssekretar Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt Nr.561 Dipl.-Ing. Hermann Schmidt-Stiebitz Versuchsanstalt fur Binnenschiffbau Duisburg Leiter: Prof. Dipl.-Ing. W. Sturtzel Verbesserung des Wirkungsgrades von Dusenpropellern durch zusătzlich angeordnete Mischdusen Als Manuskript gedruckt Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1959 ISBN 978-3-663-03867-2 ISBN 978-3-663-05056-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-05056-8 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen G 1 i e d e run g 1 • Planung der Versuche . . • s. 7 2. Durchflihrung der Versuche s. 9 . . . . . . . . 3. Ergebnisse · · · · S. 10 a) Propellerfreifahrt S. 10 . . . b) Einfac'hdlise · · · · · S. 10 . . . . . c) Mischdlise · · · · · s . 13 . . d) MeBgerat · · S. 22 4· Zusammenfassung · .- . . . . . . . . . . . . . . . . . S. 22 · . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Literaturverzeichnis S. 23 Seite 3 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Einflihrung Zur Erhohung des Propellerschubes und Erzielung eines Wirkungsgradge winns im Bereich kleiner Fortschrittsgrade, in dem besonders Binnen schiffspropeller arbeiten, wird mit Erfolg der einfach ummantelte Dlisenpropeller mit minimal em Spalt zwischen Propeller und Diise (KORT) angewendet, dessen Optimalform theoretisch wie praktisch weitgehend geklart ist. Eine darliber hinausgehende Schub- und Wirkungsgradsteige rung in demselben Fahrbereich kann nach einem neuen Vorschlag (GROTSCH) von einem zusatzlichen, zweiten Ring erwartet werden, der den ersten Ring mit groBer Spaltoffnung, stromabwarts gestaffelt, konzentrisch teilweise oder ganz umfaBt. Durch diesen Spalt wird dem Propellerstrahl nicht durchwirbelte Stromung beigemischt und damit der Austrittsdiffu sor zwecks wirkungsvollerer Energieumsetzung verbreitert. Zweck der Untersuchung ist, im Modellversuch eine Bestatigung des theo retisch geschatzten, moglichen Leistungsgewinns von etwa 5 % zu finden, um dann flir den Binnenschiffbau ein verbessertes Propulsionsorgan zu entwickeln, mit dem die Binnenschiffahrt eine groBere Wirtschaftlich keit erreichen kon~te. Seite 5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 1. Planung der Versuche Propeller: D HID Fa/F z mm den Bedingungen der· Flligelprofil 158 1,09 0,52 3 Mischdlise angepaBt Zeichn. Abb.1 Lage Propellerebene zur Dlise in Anlehnung an die Wageninger Versuche: Mitte Propeller in Mitte vorderer Dlise. Mischdlise liD d/L f/L tX; Profil aufgebaut vorderer Ring 0,41 0,15 G,05 13,70 NACA 5415 AufmaBe M 1 abgewandelt hinterer Ring 0,491 0,068 0,012 8,70 Walchner AufmaBe M 1 Verhaltnis der Nasenpunkt-Durchmesser konstant Dh/Dv = 1,07 Stellung Nase hinterer Ring zu Nase vorderer Ring veranderlich, gemessen % parallel zur Sehne des vorderen Profils in der Lange des vorderen Profils 1) 55 % 2) 70 % 3) 85 % 4) 100 % 5) 120 % 0,4 0,46 0,52 0,59 0,68 FDlise/Fp rope An Strahltriebwerken mit heiBem Strahl hat eine am Austritt angebrachte Mischdlise seit langem schuberhohenden Erfolg gehabt. In Anlehnung an diese Erfahrung wurde ein von Herrn Dr. GROTSCH, 3t. Augustin - Bonn, gemachter Vorschlag, die Mischdlise bei dem Schiffsdlisenpropeller auch anzuwenden, von Herrn Prof. DICKMANN, Karlsruhe, theoretisch mit der Moglichkeit eines 5 %-igen Wirkungsgradgewinns abgeschatzt und damit flir aussichtsreich gehalten. Da die von Dr. GROTSCH vorgeschlagene Aus flihrung einer Mischdlise, die sich ~ur liber den seitlichen Umfangs teilen der Propellerdlise befindet, infolge Uberlagerung von gegenseiti gen B.eeinflussungswiderstanden beider Dlisen keine klaren Ergebnisse gezeitigt hatte, wurde in Ubereinstimmung mit der Auffassung von Herrn Seite 7 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Prof. DICKMANN im Rahmen des zunachst abzuwickelnden Forschungsprogramms nur eine konzentrisch angeordnete Mischdtise untersucht. Da konkrete Angaben zur Gestaltung der Mischduse nicht erhaltlich wa ren, muBte auf fruhere in der Wageninger Versuchsanstalt mit einfachem Ring gewonnene Ergebnisse [1J zurtickgegriffen werden. Es wurde die als gunstig ermittelte Wageninger-Dtise Nr. 7 fur den vorderen Ring gewahlt. Die dort vorhandene Ringtiefe von l/DP = 0,5 erschien im Hinblick r~p. auf die bei Kortdtisen gemachten Erfahrungen zu klein. Mit Rticksicht auf die Flachen- und TiefenvergroBerung durch den zweiten Ring der Mischdtise wurde die Tiefe des vorderen auf liD = 0,41 herabgesetzt, wahrend fur die Strahldurchmischungsstrecke langs des zweiten Ringes der 1,2-fache Betrag der vorderen Dtisenlange gewahlt wurde, so daB die einfache Addition beider Dusenlangen ein liD = 1 ergab. Den besonderen Verhaltnissen hinter der vorderen Dtise entsprechend wurde ein wider standsarmes Profil mit geringer Wolbung und Anstellung ftir den zweiten R 30 1--t--"tT--J '9 A b b i 1 dun g 1 Dtisen-Propeller Durchmesser 158 mm Flugelzahl 3 Mittlere Steigung 173 mm Fa/F 52,0 10 Seite 8 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Ring vorgesehen (Abb. 1), dessen gtinstigste Lage in Anstromrichtung im Versuch ermittelt werden sollte. Ftir die Durchmesserwahl konnte zur Kostenersparnis nur eine KompromiBlosung gefunden werden. Ein theore tisch gtinstiges, sehr groBes Durchmesserverhaltnis stande der Verwendung am Schiff im Wege, wenn sich herausstellen sollte, daB bei etwaiger Beschrankung auf nur seitliche taschenformige Anordnung der Mischdtise Nutzen und Verluste sich gegenseitig aufheben wtirden. Zur Anwendung am Modell war es wegen des beschrankten Tiefganges des MeBgerates nicht zu empfehlen. Im Hinblick auf die konvergierende Durchstromung des Schlitzes zwischen den beiden Ringen liefert das gewahlte Durchmesser verhaltnis von Dh/ = 1,01 nicht das richtige VergleichsmaB. Der Dv freie Durchtrittsquerschnitt der hintere~ Mischdtise - senkrecht zu den Stromfaden gemessen - verhalt sich zu dem Durchtrittsquerschnitt der Propellerdtise ftir die Stellung x/I = 0,55 wie F2/F = 0,4 und ftir prop. die Stellung xiI = 1,20 wie F2/F = 0,6. , prop. 2. Durchftihrung der Versuche Die Versuche wurden mit dem bekannten von Kempf und Remmers hergestell ten groBen MeBgerat ftir Propellerfreifahrt durchgeftibrt. Da die Kennt nis des Gesamtschubes von Propeller und Dtise gentigt, wurde zunachst die Dtise tiber 4 sternenformig angeordnete Arme mit einer tiber der Propeller welle sitzenden Htilse verbunden und der Dtisenschub auf die Welle tiber tragen, wahrend am hinteren Ende der Htilse durch einen festen Zapfen die Drehung des Dtisenaggregates verhindert wurde. Damit konnte ein minimales Spiel von 0,6 mm zwischen Dtise und Propeller eing,ehal ten werden, wie es dem bei den Wageninger Versuchen groBenverhaltnismaBig entsprach. Ftir die Verstellung der hinteren Dtise zur vorderen waren die 4 Verbindungsbleche in x-Richtung geteilt und lieBen sich leicht um loten. Die Dtisenprofile waren aus Bronze-Rohlingen in eigener Werk statt gedreht worden. Der Propeller war ftir eine Einfachdtise entworfen und in Leichtmetall ausgeftihrt worden. D'ie Messungen mit dieser Anord nung zeigten sehr groBe und vor allem nicht gleichmaBige Reibung der Htilsenlagerung. Es waren keine brauchbaren MeBergebnisse damit zu er zielen. Mit der Verwendung von Sinterlagern an den Htilsenenden, wie sie in den Schwanzwellen der Schiffsmodelle ohne Beanstandung benutzt wer den, trat keine nennenswerte Besserung ein. Es muBte eine andere Losung Seite 9 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen gefunden werden. Es blieb nur tibrig, die Dtise unabhangig vom Propeller aufzuhangen und den Dtisenschub getrennt zu messen. Wegen der etwa 60 cm langen freischwebenden Propellerwelle muBte dafur das vorhandene Spiel um 1 mm vergroBert werden. Der Dusenschub wurde von einem Biegestab aufgenommen, dessen Durchbiegung mittels DehnungsmeBstreifen elektrisch gemessen wurde. Die schlanke Einzelstrebe erwies sich fur die Masse der Dtise in Querrichtung als zu wenig steif, so daB es zu Beruhrungen von Propeller und Dtise. kam. Abhilfe schaffte erst eine V-formige Strebe 4); mit waagerechtem Querstab uber der Wasseroberflache (Abb. an dem der Biegestab angriff. Der Verschiebeweg der Duse unter Last war nun sehr gering geworden. Dagegen war an dem verhaltnismaBig groBen Ver schiebeweg des Propellers nichts geandert worden. Mit dieser neuen An ordnung wurden verschiedene Stellungen beider Dtisenringe zueinander und auch die einfache Dtise durchgemessen, und zwar in dem Bereich von 55 bis 120 % der vorderen Dtisenlange als Profilnasen-Abstand. 3. Ergebnisse a) Propellerfreifahrt Der Versuch mit dem Propeller allein (Abb. 2) ist mit dem geringfugig abgedrehten kleineren Durchmesser gefahren worden, wie er auch bei den folgenden Dtisenversuchen verwendet wurde. Da der Propeller fur Anwen dung in der Duse entworfen worden ist, kann der Freifahrtversuch - wie bei jedem Dusenpropeller - nicht absolut, sondern nur als Vergleich gewertet werden. Das Wirkungsgrad-Optimum liegt mit ~ = 67 % bei einem Fortschrittsgrad A = 0,86. Schub- und Momentenbeiwerte zeigen den normalen, fast geradlinigen Verlauf. b) Einfachdtise Der Standschubbeiwert C1 der Gesamtanordnung liegt um etwa 9 % (Abb. 3) tiber dem des freifahrenden Propellers, wahrend der Momentenbeiwert C 2 um 36 % niedriger liegt. Der Schubbeiwert C des Propellers allein in 1 der Dtise liegt um 43 % unter dem des freifahrenden. Bei wachsenden Fortschrittsgraden decken sich etwa die Schubkurven der Dtise und des freifahrenden Propellers. Die starke Herabsetzung des Momentenbeiwertes hat maximal bei A = 0,25 einen 9 %-igen Wirkungsgradgewinn zur Folge. Das Wirkungsgrad-Optimum der Einfachdtise wird, wie bekannt, weit vor Seite 10 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen \ \ .\ 0,7 \ 1\ Pro, flfer 32R ~ / \ F fifall IrfVfr~ uch ~? I / \. V \ ~ I 1\ ~ 0,5 \ \ ~ ~ / ~ !'I.. 0,4 V 1\ ~ bZ f\ '" 0,3 '\ \ / r\ 1\ ~ 0,2 '\ \ ~ 1\ ~ 0, 1 ~ ~ h- al Q2 a3 a4 a5 06 Q7 Q8 a,9 10 Fortschritfsgrad A A b b i 1 dun g 2 Propeller 32 R Freifahrtversuch Seite 11 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Einfachduse (nur VOrd£lr£lr Ririg \ f ? 2 Prop. Fr.;!. Cs \ TO-C M \ \ Q2 o,T 0,2 0,3 0,4 0,8 A A b b i 1 dun g Einfachdlise (nur vorderer Ring) Seite 12
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