DE1234567B - Verfahren und Anordnung zur Steigerung des Propulsionswirkungsgrades bei Seeschiffenmit Propellerantrieb - Google Patents

Description

DEUTSCHES WflfiKm PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 65f3-15

Nummer: 1 234 567

Aktenzeichen: A 50999 XI/65 f3

^ 234 367 Anmeldetag: 7.Dezember 1965

Auslegetag: 16. Februar 1967

Es ist bekannt, daß der Gesamtwirkungsgrad der Propulsion in drei Anteile zerlegt werden kann, und zwar in den Propellerwirkungsgrad des frei fahrenden Propellers η_ν, in den Schiffseinflußgrad fs, der sich aus Sog- und Mitstromziffer aufbaut, und in den Gütegrad der Anordnung ξ_α, so daß sich der Gesamtgütegrad der Propulsion darstellen läßt:

fo ^{= r}Iv ' £° '

Die Faktorengruppe η_ρ ■ ξ_α stellt im Vergleich mit dem Wirkungsgrad des frei fahrenden Propellers den Wirkungsgrad des Propellers in dem vom Schiff gestörten Geschwindigkeitsfeld, d.h. den Wirkungsgrad des Propellers hinter dem Schiff dar. Bei Einschraubenschiffen erreicht der Faktor ξ_α gewöhnlich Werte >1, bei Zweischraubenschiffen dagegen Werte <1, d.h. bei Einschraubern verbessern die charakteristischen Mitstromungleichmäßigkeiten den Propellerwirkungsgrad hinter dem Schiff gegenüber dem Propellerwirkungsgrad bei Freifahrt, während diese Mitstromungleichmäßigkeiten bei Zweischraubern den Propellerwirkungsgrad hinter dem Schiff gegenüber dem Propellerwirkungsgrad bei Freifahrt verschlechtern. Andererseits führen die Mitstromungleichmäßigkeiten, die sich bei Einschraubern wirkungsgradmäßig *S positiv auswirken, infolge ihrer Unkontrollierbarkeit zu Betriebsstörungen (Vibrationen, Kavitation usw.). Aber auch bei Mehrschraubenschiffen sind diese Folgen ähnlich.

Die Entstehung der Wirkungsgradverbesserung bzw. -Verschlechterung ist auf eine gewisse Schlagflügelwirkung am Propellerblatt zurückzuführen, die eine positive bzw. negative Auswirkung haben kann.

Um den Störfaktoren zu begegnen, wird im Schiffbau allgemein versucht, die entsprechenden Mitstromfelder möglichst gleichmäßig zu gestalten und somit Vibrationen und Propellererosionen zu vermeiden. Gleichzeitig bedeutet dies Bestreben, daß der Gütegrad der Anordnung dann — weil das Zustromfeld am Ort des Propellers nicht mehr wesentlich vom homogenen Zustrom beim Propeller-Freifahrtversuch abweicht — reduziert wird und etwa den Betrag von 1,0 erreicht.

Uber den Schiffseinflußgrad

wird der dadurch eintretende Verlust am Gesamtwirkungsgrad zwar mehr als ausgeglichen, da bei rotationssymmetrischem Zustrom zur Schraube die Sogziffer stark abfällt und die effektive Mitstromziffer Verfahren und Anordnung zur Steigerung des
Propulsionswirkungsgrades bei Seeschiffen mit
Propellerantrieb

Anmelder:

Aktien-Gesellschaft »Weser«,
Bremen 13, Werftstr. 160

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Leopold Nitzki,
Volker Nitzki, Bremen

stark ansteigt. Es wäre jedoch wünschenswert, den Gütegrad der Anordnung auch in diesem Fall wieder ansteigen zu lassen, ohne daß die Verhältnisse unkontrollierbar werden, so daß die ursprünglich durch Rotationssymmetrie verhinderten Betriebsstörungen wieder eintreten.

In der Literatur findet man aber auch bereits die Feststellung, daß es neben den die Schäden verursachenden strömungsbedingten und damit unbeherrschbaren echten Schubschwankungen auch sogenannte unechte Schubschwankungen gibt und daß diese unechten Schubschwankungen meistens keine Betriebsstörungen der geschilderten Art hervorrufen.

Der nachfolgend beschriebenen Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die genannten nicht strömungsbedingten (unechten) Schubschwankungen von der Maschinenanlage eines mit Kolbenververbrennungsmaschinen angetriebenen Schiffes infolge geringer Axialbewegungen der Wellenleitung angeregt und demzufolge am Propeller wirksam werden. Es ist weiter festgestellt worden, daß die unechten Schubschwankungen bei Turbinenantriebsanlagen infolge des Zusammenfallens der Propellerblatt-Biegeeigenfrequenz mit höheren harmonischen Schwingungen der echten Schubschwankungen erzeugt werden können. Erkannt wurde schließlich, daß schädliche Auswirkungen der unechten Schubschwankungen nur in verhältnismäßig sehr kleinen Bereichen der Bestimmungswerte (Amplitude, Phasenlage, Frequenz und Frequenzgang) dieser Schwingungen und bei bestimmten Verhältnissen dieser Bestimmungswerte untereinander zu erwarten sind.

Der Erfindung wurde aus diesen Erkenntnissen heraus die Aufgabe gestellt, solche unechten Schubschwankungen für eine Steigerung des Gütegrades der

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Anordnung und damit zur Verbesserung des Propulsionswirkungsgrades nutzbar zu machen. Die Erfindung geht davon aus, daß sich unechte Schubschwankungen in kontrollierbaren Bereichen gewollt und dosiert künstlich erzeugen lassen und daß dazu bekannte Regelelemente Verwendung finden können.

Zur Erreichung des gesteckten Zieles wird ein Verfahren vorgeschlagen. Dieses Verfahren kennzeichnet sich im grundsätzlichen durch die künstliche Erzeugung von sich auf die Schwanzwelle auswirkenden Axialschwingungen, die vom Propellerzustromgeschwindigkeitsfeld unabhängige, unechte Schubschwankungen bewirken, und daß diese Axialschwingühgen in ihrer Phasenlage, Amplitude, Frequenz und Frequenzgang auf die entsprechenden Werte der strömungsbedingten, echten Schubschwankungen abstimmbar und derart einregelbar sind, daß die unechten den echten Schubschwankungen entgegenwirken und den mittleren Axialschub steigern. Somit wird auch vermieden, daß der Absolutbetrag der echten Schubschwankungen erhöht wird.

Die durch Anwendung dieses Verfahrens mögliche Erhöhung des Gütegrades der Anordnung wird dadurch erklärt, daß der rotierende und axial schwingende Propeller nicht den Bedingungen des frei fahrenden Propellers in seinen Strömungsverhältnissen entspricht, woraus sich eine Verschiebung der Wirkungsgradkurve im Sinne

^pSchift ^{= r}I_p ' £a

mit ξ a > 1 ergibt. Mit Hilfe von bekannten Schubmeßgeräten (z. B. nach Patent 1 006 626) kann die Auswirkung der gewollt erzeugten Axialschwingungen auf den Schub stets unter Kontrolle gehalten werden. Hierbei ist allerdings zu unterscheiden zwischen Axialschwingungen, die bezüglich der Biegeeigenschwingungsfrequenz der Propellerblätter entweder a) unterkritisch oder b) kritisch oder c) überkritisch sind.

Für die Schwell-Biegefestigkeit der Propellerblätter können die Fälle a) und c) in ungefährlichen Grenzen gehalten werden. Die Erfindung sieht hierzu vor, daß die die unechten Schubschwankungen bewirkenden künstlichen Axialschwingungen in einem für Schiff und Propeller ungefährlichen, nicht resonanten Frequenz- und Amplitudenbereich erzeugt werden und eine Änderung der zugehörigen Schub- und Momentencharakteristik des Propellerfreifahrtdiagramms hervorrufen. Im Fall b) muß eine entsprechende Sicherheit der unteren Wurzelquerschnitte gegen Dauerbruch im Resonanzgebiet gewährleistet sein, d. h., die Sicherheit muß mindestens, wie üblich, den Faktor 2 erreichen. Man kann dies berücksichtigen, wenn nach einer weiteren Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Erregerfrequenz der künstlichen Axialschwingungen auf die Eigenschwingungsfrequenz der einzelnen Propellerflügel und die künstliche Erregerschwingungsamplitude bis zur Sicherheitsgrenze für die Dauerbiegeschwellfestigkeit der Propellerflügel einregelbar ist. Da die entsprechenden Amplituden und Kräfte auch im Resonanzgebiet erregungsabhängig sind, ist diese Möglichkeit über trägheitslose Messung des Schubes gegeben. Letzteres trifft auch für den Fall a) und b) zu. Es können auch die Ausgangswerte der Schubmeßanordnung als Eingangswerte für eine Regelung der Erregergröße und -frequenz sowie ihrer Phasenlage auf elektronischem Wege benutzt werden. Bei Anwendung

geeigneter bekannter Regelglieder kann man das erfindungsgemäße Verfahren schließlich auch noch dahin gehend anwenden, daß die künstlich erzeugten Axialschwingungen in Phasenlage, Amplitude, Frequenz und Frequenzgang auf die entsprechenden Werte der echten Schubschwankungen derart eingeregelt werden, daß die künstlich erzeugten Axialschwingungen die echten Schubschwankungen optimal tilgen.

ίο Für die künstliche Erzeugung der Axialschwingungen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten. Eine besonders geeignete Hervorrufung der unechten Schubschwankungen wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß die künstliche Erzeugung der Axialschwingungen durch eine an sich bekannte periodische Momentanverstellung der Flügel eines Verstellpropellers über den dadurch erzeugten Schubstoß bewirkt wird. Es erscheint oftmals vorteilhaft (geringe Fahrtstufen, z. B. beim An- und Ablegen), daß die Propellerquerschnitte in Nullanströmrichtung angeströmt werden, während der Propulsionswirkungsgrad durch die periodischen, künstlich erzeugten Axialschwingungen Werte größer Null annimmt.
Eine praktisch vorteilhafte Erzeugung der künstliehen Axialschwingungen kann auch dadurch bewirkt werden, daß die Schwanzwelle mit einem Axialschwingungserreger und einem Axialschwingungsmeßgerät verbunden ist, dessen Meßwerte Bezugsgrößen für Steuerimpulse des Axialschwingungserregers zur Regelung der Phasenlage, Amplitude, Frequenz und Frequenzgang der künstlich erzeugten Axialschwingungen darstellen.

Für die Steuerung des Erregers für die künstlichen Axialschwingungen eignen sich vor allem bekannte elektronische Schaltgeräte, wie sie bereits erwähnt wurden, deren heutiger Entwicklungsstand alle gewünschten Steuerungen ermöglicht, so daß z. B. die Meßwerte des Axialschubmeßgerätes mittels solcher elektronischen Schaltgeräte in unmittelbare Steuerimpulse für die Regelung des Axialschwingungserregers umgewandelt werden können.

Die Anwendung künstlicher Axialschwingungen zur Bewirkung der unechten Schubschwankungen in kontrollierten Bereichen ihrer Amplitude, Phasenlage, Frequenz und Frequenzgang setzt voraus, daß die Axialschwingungen von der Maschinenanlage ferngehalten werden. Es ist deshalb vorgesehen, zwischen dem Drucklager und der Maschinenanlage ein in Achsrichtung elastisches Glied anzuordnen.

Dieses elastische Glied muß zwar torsionssteif übertragen, jedoch axial weich ausgebildet sein.

Mit diesen beschriebenen erfindungsgemäßen Mitteln ist es möglich, unter Beibehaltung der sonstigen Vorteile des rotationssymmetrischen Zustromes (hoher SchifTseinflußgrad) auch nennenswerte Steigerungsbeträge des Gütegrades der Anordnung zu erreichen O l).

Den vorstehenden Erläuterungen ist ergänzend hinzuzufügen, daß man im Falle des nicht absolut rotationssymmetrischen Zustromes zur Schraube durch Frequenz, Amplitude und Phasenlage der unechten Schubschwankungen zu den echten Schubschwankungen letztere so mit ersteren superponieren kann, daß ein Minimum an Schubschwingungen durch diese Anordnung zweifellos erreicht werden kann. Es ist z. B. für geschlossene Schraubenbrunnen bekannt, daß das Schubmaximum bei rotierendem 4fiügeligen Propeller erreicht wird, wenn zwei Blätter

senkrecht und zwei Blätter waagerecht stehen. Da die Auswirkung einer geringen Axialbewegung des Propellers und der gesamten Wellenleitung nach hinten praktisch trägheitslos und momentan einen Schubstoß nach vorn liefert, ist es möglich, die Axialbewegung mit 45° Phasenlage z. B. zum Axialschubstoß der echten Schubschwankungen zu bewirken, und es wird der dort eintretende Schubabfall wiederum der echten Schubschwankung aufgehoben, während durch das Zurückschwingen des Systems in die Ausgangsstellung die Schubspitze der echten Schubschwankung entsprechend abgebaut wird. Hierdurch entsteht bei eingeregelter Anlage ein optimal schwankungsfreier Schub. Ist der Schub sowieso gleichmäßig, kann durch den Frequenzgang der Schubstoß-Anregungsschwingung, z. B. nach hinten steil ansteigend, nach vorn flach abfallend, der Gesamtschub, der mit der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Schiffes gekoppelt ist, in gewissen Grenzen erhöht werden, ohne daß das verlangsamte Nachvornschwingen des Propellerwellensystems Energie aufzehrt. Diese kann durch Aufbringung von Dämpfung für die Rückstellkräfte erfolgen.

Die vorteilhaften Auswirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich aber auch mit der nachfolgenden Theorie erklären, die gleichzeitig den Gütegrad der Anordnung ξ_α theoretisch einwandfrei beschreibt. Dieser Begriff ist von der Propellertheorie her bis heute in seiner physikalischen Wirkungsweise nicht eindeutig erklärt, man ist vielmehr immer noch auch in der gegenwärtigen Literatur bemüht, ihn auf Grund der instationären Strömungsvorgänge am Blatt des Propellers zu erklären, wobei letzteres als absolut starrer Körper angenommen wird. Wie Messungen und Berechnungen nachweisen, ist diese letztere Annahme nicht stichhaltig und birgt in sich auch keine Übereinstimmung mit der Grundlage der Propellertheorie, nämlich dem Impulssatz.

Der Lösungsgedanke, der auch über diese Grundlage eine Erklärung des Phänomens ξ_α ermöglicht, basiert auf letztlich durchgeführten Messungen und hat das in den F i g. 1 bis 4 der anliegenden Zeichnung gezeigte Schema zur Grundlage. Hierbei ist es gleichgültig, ob die elastische Verformung der Blätter durch nach hinten gerichtete Bewegung der Wellenleitung oder durch einen Schubstoß am Blatt infolge Mitstromkonzentration in der entsprechenden Stellung des Propellerblattes erfolgt. Die Rückfederung des von tx nach β verformten Blattes aus β nach γ (F i g. 1) stößt offensichtlich eine zusätzliche, der Pumpenwirkung des Blattes überlagerte gewisse Menge Wassers dessen Element dq sei, mit beschleunigter Geschwindigkeit δ w nach hinten.

Bei dem starren bzw. konstanten Schub erzeugenden Propeller seien die gleichen Größen im Verlauf des weiteren mit dQ bzw. A w bezeichnet.

Während einer Meßfahrt wurden z. B. etwa folgende Axialgeschwindigkeiten der Wellenleitung (schematisch) gemessen: χ sei der Verschiebungsweg < 1 mm, dann ist die gemessene erste Ableitung

des Weges nach der Zeit -^_r (F i g. 2).

Offensichtlich ist die Beschleunigung der Wellenbewegung

φ const. (F i g. 3).

d/²

Somit wäre ihre weitere Ableitung nach der Zeit möglich, d. h.

*£ » (Fi₈.4,.

Die zweite Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit wird aber als »Ruck« bezeichnet und bedeutet, wenn

^dx" i A

d/³

ist, daß eine zeitliche Änderung der Beschleunigung vorhanden ist. Analog der Betrachtung des Propellers als elastisch federndes Gebilde wird bei Federungsproblemen ebenfalls mit dem »Ruck« gerechnet.

Die Einführung dieses Begriffes in die Propulsion ist grundsätzlich neu. Die Rückführung des ξ_α auf diese physikalische Größe ist ebenfalls eine Neuheit, _ao sie steht aber nicht im Widerspruch zu dem Impulssatz, wie nachgewiesen wird (alle bisherigen Erklärungen dieses Phänomens waren nicht in diesem Fundamentalsatz unterzubringen). Obwohl der Propeller im Modellversuch als starr anzusehen ist, wird dort auch ein nennenswertes ξ_α gemessen. Dies ist jedoch kein Widerspruch, da das Drucklager im Modellversuch aus einer vorbelasteten Axialfeder besteht, die bei Auftreten von strömungsbedingten Axialwechselkräften entsprechend oszilliert und Wege χ zuläßt.

Der Impulssatz in seiner ursprünglichen Fassung lautet für den starren Propeller

S = J o -dQ -Aw (Fig. 5),

S = Schub (Kraft,
ρ = Dichte des Mediums,
dQ = ein Element der vom Propeller erfaßten Flüssigkeitsmenge,
Aw = voll ausgebildete Geschwindigkeitszunahme von dQ beim Durchgang durch den Propeller (Betrag hinter Propeller).

dq ist eine Funktion der Ruckfrequenz einschließlich Phasenlage, Frequenzgang und Amplitude, rückführbar durch mehrfache Integration auf die regelbare axiale Oszillation der Wellenleitung und die dadurch verursachte elastisch federnde Deformation der Propellerblätter, aus der die Komponente der Gesamtpropulsion, nämlich die Widerstandspropellerwirkung, entsteht, bezogen auf das Freifahrtdiagramm für ξ_α zu setzen.

Unter Bezugnahme auf F i g. 6 und in der Annähme

Jq · dq · öw ^ ρ ■ j μ · cos (ω / + φ)· dt

6ο ^fOlgt

Jρ ■ d q · δ w = ρ · μ · — · sin (ω t -f φ) + C,

also eine Zunahme von S des starren Propellers um ös, woraus ξ_α > 1 in Abhängigkeit von C folgt, z. B. für ein Einschraubenschiff.

Claims (8)

Wird angenommen, Jq ■ dq · δ w ^ ρ · j μ ■ sin (ω/ + φ) dt, /ρ · dq · Sw = — ρ · μ· — · COS (α> ί -j- ψ) jT C . In Abhängigkeit von C kann also, da cos und sin Kreisfunktionen sind, hier und auch im ersten Fall, auch eine Abnahme des Schubes S des starren Propellers folgen, d. h. ξα < 1 ζ. Β. für ein Zweischraubenschiff. Erst die Voraussetzung der Erzeugung periodisch wechselnder Δ W-Werte is Δ W = Δ W + dw mit Δ W = const δw φ const, also Δ^ > 0, ergibt die Wirkung des »Ruckes«, der die elastisch federnde Deformation der Propellerblätter ständig anstößt und damit die Schluckfähigkeit und Ergiebigkeit des in der Theorie als Quellsenke zu betrachtenden a5 Propellers gegenüber dem Propellerfreifahrtversuch verändert und ein ξα möglich macht und gleichzeitig theoretisch einwandfrei erklärt. Patentansprüche:

1. Verfahren und Anordnung zur Steigerung des Propulsionswirkungsgrades bei Seeschiffen mit Propellerantrieb, gekennzeichnet durch die künstliche Erzeugung von sich auf die Schwanzwelle auswirkenden Axialschwingungen, die vom Propeller-Zustromgeschwindigkeitsfeld unabhängige, unechte Schubschwankungen bewirken, und dadurch, daß diese Axialschwingungen in ihrer Phasenlage, Amplitude, Frequenz und Frequenzgang auf die entsprechenden Werte der strömungsbedingten, echten Schubschwankungen abstimmbar und derart einregelbar sind, daß die unechten den echten Schubschwankungen entgegenwirken und den mittleren Axialschub steigern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die unechten Schubschwankungen bewirkenden künstlichen Axialschwingungen in einem für Schiff und Propeller ungefährlichen,

nicht resonanten Frequenz- und Amplitudenbereich sowie in einem die Schub- und Momentencharakteristik des Propellerfreifahrtdiagramms ändernden Bereich erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerfrequenz der künstlichen Axialschwingungen auf die Eigenschwingungsfrequenz der einzelnen Propellerflügel und die künstliche Erregerschwingungsamplitude bis zur Sicherheitsgrenze für die Dauerbiegeschwellfestigkeit der Propellerflügel einregelbar ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die künstlich erzeugten Axialschwingungen in Phasenlage, Amplitude, Frequenz und Frequenzgang auf die entsprechenden Werte der echten Schubschwankungen derart eingeregelt werden, daß die künstlich erzeugten Axialschwingungen die echten Schubschwankungen optimal tilgen.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die künstliche Erzeugung der Axialschwingungen durch die an sich bekannte periodische Momentanverstellung der Flügel eines Verstellpropellers über den dadurch erzeugten Schubstoß bewirkt wird.

6. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwanzwelle mit einem Axialschwingungserreger und einem Axialschwingungsmeßgerät verbunden ist, dessen Meßwerte Bezugsgrößen für Steuerimpulse des Axialschwingungserregers zur Regelung der Phasenlage, Amplitude, Frequenz und Frequenzgang der künstlich erzeugten Axialschwingungen darstellen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Anordnung eines elektronisch arbeitenden Schaltgerätes, welches die Meßwerte der Axialschubmeßgeräte in Steuerimpulse für die Regelung des Axialschwingungserregers umwandelt.

8. Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein axial elastisches Glied zwischen Drucklager und Antriebsanlage angeordnet ist.

folgt hier

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 325 538.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

7(19 7 67 Bundesdruckerei Berlin