DE2439411A1 - Verfahren zur durchfuehrung von kavitations-versuchen an schiffsschrauben - Google Patents

Description

Patentanwälte 2 4 3 9 A 1 1

DipL-Ing. A. WEDDE Lip!.-Ing. K. E M P L 16. Aug. 1974

Münchdn 80, Schumannstr. 2

Ύ&τη

ASTILLEROS ESPANOLES, S.A. MADRID, Padilla,. η°· 17 Spanien

Verfahren zur Durchführung von Kavitations-Versuchen an Schiffsschrauben

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung von Kavitations-Versuchen an Schiffsschrauben, wie beispielsweise für Schiffsantriebe-,für Pumpantriebe usw. Obgleich die Beschreibung dieses Verfahrens sich insbesondere auf das Anwendungsgebiet von Schiffsantrieben bezieht und zwar um festzustellen, dass sich an den genannten Schrauben während der Versuche die schwierigsten Probleme ergeben, sind diese Versuche auch jederzeit für andere Antriebe verwendbar.

Seiteem man mit der Durchführung der Kavitations-Versuphe bereits am Ende des vorigen Jahrhunderts begonnen hatte, und diese Versuche bis zum heutigen Tage fortgesetzt hat, sind bisher folgende Schritte gemacht worden:·

1. Kavitations-Versuche innerhalb einer gleichmassigen Strömung.

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2. Kavitations-Versuche innerhalb veränderlicher Strömungen. Die "Simulierung veränderlicher Strömungen· begann damit, dass man vor der Schiffsschraube Metallmaschen, umlaufende Körper usw. anbringt, die als Ziel haben, die axiale

, Geschwindigkeitsveränderung des Kielwassers zu reproduzieren.

3. Später hatten die Forschungszentren die Tendenz, die Simulierung der Strömung zu verbessern und vor allem begannen sie damit, in den Kavitationstunnels den Strömungen entsprechende strömungsförmige Körper einzuführen, deren Heckteile eine gewisse Ähnlichkeit mit der Form eines^ Schiffes besassen. Die Einführung dieser Heckteile, welche aber nicht absolut genau die Form eines Schiffes hatten, war notwendig, weil die bestehenden Anlagen zur damaligen Zeit noch nicht dazu gedacht waren, Kavitationsversuche mit veränderlichen Strömungen durchzuführen und ausserdem waren die Abmessungen nicht geeignet, ein einem Schiff vollständig entsprechendes Modell einzuführen.

Die Erfordernis, dass die Reynoldssche Zahl ausreichend hoch sein muss, verlangte, dass der Durchmesser der Antriebe, welche man ausprobierte, möglichst gross sein sollte, was einem möglichst geringen Sperrungseffekt, der durch die Wände des Tunnels hervorgerufen wird, entspricht.

Der Masstab, mit dem die Antriebsausführungsformen konstruiert werden, bringt mit sich, dass die Abmessungen der Kielausführungsformen, wenn dieselben einem Schiff sehr ähnlich sein sollen, nicht vereinbar mit den Abmessungen der Beobachtungskammern innerhalb der Kavitations-Tunnels sind.

4. Angesichts der im vorstehenden Abschnitt angegebenen Unterschiede wurden die neuen Kavitations-Tunnel, mit .

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geeigneten Dimensionen derart konstruiert, dass Modelle,■ welche in der Form vollständig der eines Schiffes entsprechen, im Inneren der Tunnel eingeführt werden können. Bei dieser Art von Tunnels werden die Reibungs- und Kraftkomponenten des Kielwassers nachgebildet, jedoch nicht so wie durch die Wellenformation verursacht, da diese im Vergleich zu den anderen beiden unwichtig ist. ■ Der Vergleich zwischen den Kävitationseigenschaften, die am Modell erscheinen, und denen, die man am Schiff beobachtete und bei denen man Messungen durchführte, hat ausreichend akzeptable Ergebnisse gezeigt.

5. Um zu erreichen, dass das Kielwasser der Form der Wellen entsprechend nachgebildet wird, bestand der nächste Schritt darin, Zirkulationskanäle zu konstruieren, in denen das zirkulierende Wasser eine freie Oberfläche aufweist,- so dass durch Wechselwirkung zwischen der Viasserströmung und dem Schiffsmodell die Wellenformation am Bug. und Heck des Modelles entsteht.

6. Schliesslich bestehen die modernsten Anlagen, die verwirklicht wurden, aus einem Ve'rsuchstank, in welchem das Modell hereingeschleppt wird, während die Schiffsschraube sich dreht. Dieser Tank besteht aus einem vollständig geschlossenen Raum, in dem, man ein Vakuum herstellen kann. - .

Bis jetzt sind die Installationen, welche man in der Welt zur Durchführung der Kavitations-Versuche gebaut; hat, dadurch charakterisiert, dass es zur Durchführung der Experimente oder Versuche notwendig ist, ein genaues Vakuum zu bilden. ■-"..-

Man gibt zu, dass die Bedingungen, bei denen die Kavitations-Erscheinungen am beobachteten Modell entstehen-, gewisse Ähnlichkeiten mit denen am Schiff aufzeigen, was aus folgendem hervorgeht: ·

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1. Übereinstimmung der Kavitations-Indizes: - was nach dem konventionellen Kavitations-Index ist:

CT ₌ P-

2
a

V₂ ? v,

- oder aber nach der 11 ITTC-Empfehlung:

(T-

Pv

1/2P n²D²

2. Gleichheit des nicht dimensionierten Koeffizienten des Vorschubes K™.

3. Dass eine gewisse Ähnlichkeit zwischen der Strömung, die auf die Schiffsschraube des Modelies einwirkt, und der Strömung, die der echte Antrieb erfährt, besteht.

Bis jetzt haben alle existierenden VersuchsZentren ununterbrochen die Praxis der Simulierung des Kavitations-Index eines echten Schiffes mittels Verkleinern des Zählers der Kavitations-Indexformel des Modelles verwendet und darum ist es unumgänglich, das Vakuum in der Anlage zu verwirklichen, denn die Geschwindigkeit V oder das Produkt nD des Modells wäre kleiner als des echten Schiffes.

Das Wesen des Verfahrens zur Durchführung der erfindungsgemässen Kavitations-Versuche ist gekennzeichnet durch ein Verfahren zum Gleichstellen des Kavitations-Index, beruhend auf der Erhöhung des Nenners des Kavitations-Index des Modelles und zwar solange, bis man erreicht, dass der genannte Index gleich dem des Schiffes wird, wobei ζμ berücksichtigen ist, dass der an dem Modell bestehende Druck den Kavitations-Index bestimmt.

509838/0 591 ' ~⁵~

Beim Bestreben, die entsprechenden Kavitatiöns-Indizes des Schiffes und des Modelles gleichzustellen, hat man traditionsgemäss gedacht, der Nenner des Kavitations-Index entsprechend dem Modell kleiner sein muß als der Nenner des Kavitations-Index des Schiffes; das einzig mögliche Verfahren, um dies zu erreichen, würde darin bestehen, auch den Zähler des Kavitatiöns-Index gemäss dem Modell zu verringern. ·

Das einzig mögliche Verfahren, um den Zähler des Kavitations-Index des Modelles zu verringern, müsste auf jeden Fall darin bestehen, das Vakuum in der Anordnung-herbeizuführen. Diese Eigenschaft ist es, welche die Kosten der Anlage am meisten belasten/ . ' - "

Man hat gesehen, dass je nach Fortschritt der Erfahrungen über die Kavitations-Erscheinungen man zu dem Urteil gekommen ist, dass es unbedingt-erforderlich ist, bei den Versuchen eine Strömung mit solchen Eigenschaften -zu reproduzieren, welche der entspricht, die ein echter "Antrieb erfährt. Darum ist es ratsam, dass*die Kavitations-Erscheinungen am Heckteil des Modelles reproduziert werden und es besteht kein Zweifel, dass die beste Lösung .darin bestehen würde, dass in den geschlossenen.Raum, in dem der Versuch durchgeführt wird, dieses Modell mittels eines Schleppers und eines Selbstantriebes hereingebracht wird.

Die Grosse der Modelle, welche man mit Schlepper und Selbstantrieb in den letzten Jahren auf diese Art;fortlaufend verwendet hat, hat zugenommen. Zur Verwirklichung von Extrapolierungen haben konkrete Fälle bei Öltankern nur selten Informationen geliefert und deswegen war es notwendig, die Maßstabsauswirkungen wegen Nichterfüllung des Gesetzes von Reynolds zu reduzieren, ■;· .

Die Kosten der Anlagen, welche zur Durchführung. der Kavitations-Versuche notwendig sind, werden auch sehr erhöht

.509838/0591 - 6 -

durch die voraussichtliche Grosse derselben und man muss in Betracht ziehen, dass es wünschenswert ist," dass diese Anlagen Modelle mit grösseren Abmessungen aufnehmen können.

Die Wirtschaftlichkeit dieser sehr teuren Anlagen kann diskutabel werden, wenn sie kommerziell analysiert wird. Es ist anzunehmen, dass die grösste Gefahr bezüglich der Wirtschaftlichkeit darin besteht, dass diese nur verwendbar sind, um bei ihnen entweder Kavitations-Versuche oder Strömungsmessungen und höchstens Druckschwankungen durchzuführen*

Andererseits ist die mit sehr fortschrittlicher Technologie entwickelte Lösung die von der NSMB für den Vakuumkanal entwickelte, denn diese bietet eine grosse Erweiterungsmöglichkeit, so dass kein Zweifel besteht, dass der Preis der Anlage das grösste Gegenargument sein muss, wenn man ernstlich beabsichtigt, die besagte Lösung in anderen Versuchszentren der Zukunft zu akzeptieren.

Angesichts dieser Sachlage kann es wirklich nicht unerlässlich sein, dass man die Kavitations-Versuche mit einem gewissen Grad von Vakuum durchführt.

Man hat festgestellt, dass das Vakuum den Zweck hat, bei den Versuchen die gleiche Kavitations-Zahl zu erreichen, die der wirkliche Antrieb besitzt.

Kavitations-Index des wirklichen Antriebes wird in folgender Formel zum Ausdruck gebracht:

CT - (Po - e)b _ (T + ο - E) 1026 + 10100

-7 -509838/0591

Der Kavitations-Index des Modelles wird für den Fall,dass man das Vakuum nicht verwendet, durch folgende Formel ausgedrückt:

CT = V K (T + ο - E) _ΐ 1026 + 10100

m ■

λ² λ

Dabei ist Λ der Masstab des Modelles.

Um zu erreichen, dass beide Kavitations-Indizes gleich sind, muss folgendes erfüllt sein:

n_{m m}\ n_b ¹A (T ι- ο -E) 1026 4- 10100 /^ (T + ο - E) 1026 + 10100 f_m

Es ist:

T: der Tiefgang des Schiffsheck,

E: die Höhe der Achsenlinie oberhalb der Grundlinie,

o: die Profilerhöhung der Welle über die Gleichgewichtsfläche des Meeres in der Vertikalen der Schiffsschraube,

Po-e: der Unterschied zwischen dem absoluten Druck und dem der DampfSättigung der Flüssigkeit,

Ϋ: der Wert der Dichte, . .

n: die Zahl der Umdrehungen pro Sekunde, . .

D: der Durchmesser des Antriebes." - -

Da der Wert K^ des Modelles bei den Versuchen gleiuh dem des Schiffes sein muss, sollte der Fortbewegung&grad der des Schiffes sein, weshalb folgende Formel gilt: '

(^va)«. = ^J* ⁿ™ ^Dm = ^jk ^η™ ^Dd Am D m m D m -τ— .

Diese Formel, eingesetzt in die Formel (1), ergibt:

5 09838/0591 - 8 -

(T + ο - E) 1026 + 10100 ^Vm b b ⁿb no. "n . ₀ .. _E) 1026 + 10100

wodurch man folgende Formel erhält:

~~7 (T + ο - E) 1026 + 10100 '

(T + ο - E) 1026 + 10100

(V_A) ist die mittlere Geschwindigkeit des Wassers, die auf das Antriebsmodell einwirkt, wenn dieses mit dem Wert entsprechend dem tatsächlichen Antrieb arbeitet.

Diese Geschwindigkeit ist sehr viel grosser als die bei einem entsprechenden Versuch mit Selbstantrieb, wobei das Gesetz von Froude erfüllt werden muss.

Daraus folgt: (V_A)_m = (V_A)_b ψ?± (3)

und ausserdem würde das wirksame Kielwasser des Modelles und des Schiffes gleich sein.

In dem Falle, dass λ zu unendlich tendiert (bei unendlich kleinen Modellen), so entsteht die Formel:'

, j

(V ) = (V ) \/^?-£ 10100 (4)

A'm A'b yj)_m (_{T +} ο „ ε) ₁₀26. + 10100

In dem Maße des Zunehmens der Grosse des Moidelles nimmt auch der Wert der Geschwindigkeit (V_A)_m zu und zwar bis zum Er-

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reichen des Wertes entsprechend der Formel (3), wenn das Modell so gross wäre wie das eigentliche Schiff.

Im Gegensatz wird, je kleiner die Grosse des Modelles, auch der Wert (V^) kleiner, ohne dass dieser Wert geringer wird als der Wert gemäss der Formel (4).

Gemäss den dargelegten Überlegungen gibt es keine Schwierigkeiten bezüglich der Kavitations-Versuphe, wenn.*=sie bei fehlendem Vakuum durchgeführt werden. ■ · . ,

Bei Erreichen der Gleichheit der Kavitations-Indizes auf Kosten der Erhöhung der Umdrehungszahl des Antriebes des Modelles ist es erforderlich, eine Antriebskraft herbeizuführen, welche die Schraubenbelastung erleichtert, bis diese entsprechend dem gewünschten Index Km arbeitet, während der Antrieb mit einer geeigneten Umdrehungszahl n_ffl umläuft, damit der Kavi- . ■ tations-Index des Schiffes erreicht wird.

Als Folge ist es möglich, die Kavitations-Erscheinung in konventionellen Versuchskanälen zu reproduzieren. Dazu ist es nötig, dass die Motoranordnung seiner Versuchswagen geeignet sind, die notwendige Geschwindigkeit (V.) zu erreichen, so dass gleichzeitig dem Modell die geeignete Antriebskraft geliefert wird.

Es ist vorauszusehen, dass in der nahen Zukunft sehr grosse Modelle konstruiert werden, welche nicht geeignet sind für V3rsuche in Versuchskanälen und zwar aufgrund der Abmessungen, da mit diesen Modellen Geschwindigkeitsversuche entsprechend denen der Schiffe durchgeführt werden sollen und diese Modelle frei schwimmend und selbstangetrieben sind, ähnlich wie die echten Schiffe. Das Nichtbestehen von Reibungsfolgen bei den Selbstantriebsversuchen führt dazu, dass die Ergebnisse dieser Versuche sich gemäss dem Veiv

■ - 10— 509838/0591

fahren von Taniguchi extrapolieren lassen. Mit diesen Modellen werden auch Manövrierversuche durchgeführt und es ist wünschenswert, dass man auch die Möglichkeit hat, gleichzeitig Kavitations- und Druckschwankungsversuche durchzuführen. Man hat gesehen, dass durch die Reproduktion der Kavitations-Erscheinung es erforderlich ist, dass das Modell sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit fortbewegt,' welche Antriebsgeschwindigkeit mit einer zusätzlichen Antriebskraft erreicht wird. Gleichzeitig muss der Antrieb mit einer solchen Umdrehungszahl umlaufen, dass es möglich ist, dass der Kavitations-Index des echten Antriebes erreicht wird. Die zusätzliche Antriebskraft muss so gross sein, dass der Antrieb gemäss dem Koeffizienten Km des echten Antriebes arbeitet. Der Antrieb könnte so durchgeführt werden, dass das Modell mittels einer festen Schiffswinde oder dergleichen, von einem Schlepper, oder von einem Luftantrieb, oder mittels anderer Schiffsantriebe, die in geeigneter Läge angebracht sind, angetrieben wird, damit keine Strömungsstörungen auf das Verhalten des zu untersuchenden Antriebes ausgeübt werden. Diese letzte Verfahrensweise erscheint als die meist Geeignetste,und zwar wegen der Unabhängigkeit von den Abmessungen des Modelies.

Gleich, um welche Antriebsanordnungen es sich handelt, sie müssen so mit ihrer Antriebskraft dimensioniert sein, dass damit erreicht werden kann, dass eine ähnliche Antriebskraft wie beim Schiff mit dem Koeffizienten Km entsprechend einem echten Antrieb wirksam ist. Auch muss die Ta+saohe gegeben sein, dass keine Störungen des Wassers am Bug des Modelies entstehen.

Deswegen wird dieses neue Verfahren also zu einer Vergrösserung des Nenners des Kaviations-Index des Modelies führen, damit genau feststeht, dass die Umdrehungen des Antrie-

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bes oder die Schleppgeschwindigkeit des Modelles (gemäss der Formel des Kavitations-Index, den man entsprechend der Empfehlung des 11 ITTC oder des konventionellen Wertes angenommen hat) geeignet sind, uin die bereits angegebenen Indizes zwischen Modell und echtem Schiff zu erreichen, ohne genau anzugeben, ob bei dem Verfahren die Versuchsdurchführung im Vakuum stattfand. Man kann somit die besagten Versuche auch in konventionellen, bestehenden oder neuen Anlagen sowohl im Meer als auch ' in einem See durchführen, abhängig von der Wahl des' Ortes zur Durchführung der Versuche, der Abmessungen und der Eigenschaften des Modelles und deswegen auch des Schiffes.

Gemäss dem neuen Verfahren können die Versuche an der Oberfläche oder bei entsprechender Viasserdichtheit mit dem Modell völlig unter Wasser durchgeführt werden. Die Versuche können wahlweise je 'nach Zweckmässigkeit erfolgen. Dementsprechend sind die nachfolgenden Vorgänge der Geschwindigkeitsnachbildung des Kielwassers abhängig von der Wellenbildung:

A. - In Unkenntnis des Einflusses des axialen Komponenten'

der Kielwassergeschwindigkeit,, abhängig von der Wellenform, muss man die Druckerhöhung wissen, die auf die Punkte der Schraube entsprechend der Erhöhung des

Hecktiefganges entsteht. . · ■

B. - Angenommen, dass die Wellenform Ursache dafür ist,

dass die Strömung des Wassers, die über die Schiffsschraubenflügel des Modelles auftrifft, gleich ist mit der im Kavitations-Tunnel erzeugten, kann die Schwimmebene entsprechend dem vorgesehenen Ladezustand mit einer Stahlplatte geeigneter Dicke und Abmessungen erreicht werden.

-.12 — 509838/0 591

C. - Bei Verv/endung einer der angegebenen Platte entsprechenden Schwimmebene muss die Wasserströmung über dem Schiffsschraubenflügel geeignet sein, das Freibord des Modelles auf ein Minimum zu verringern, indem dieses Freibord für die Durchführung des Versuches am vollständig unter Wasser befindlichen Modell wasserdicht ist.

Die schwierigsten Probleme bei der Betrachtung der an dem Antrieb entstehenden Kavitations-Erscheinung treten in konventionellen Versuchskanälen auf.

Entsprechend der relativ hohen Geschwindigkeit,mit der sich der Schlepper fortbewegen muss, durchläuft dieser die Kanallänge in einer relativ kurzen Zeit. Weil man über sehr wenig Zeit verfügt, um die entwickelte Kavitation beobachten zu können, wird angeommen, dass man von der direkten okularen Beobachtung der Erscheinung Abstand nehmen sollte und dafür eine Übertragung auf einen Fernsehkreis versuchen sollte, um auf diese Weise die Möglichkeit einer simultanen Aufnahme zu erhalten. Eine andere Möglichkeit könnte die Speicherung auf einem Schnellaufenden Film sein, dessen spätere Projektion die geeignetste Analyse verwirklichen lässt.

In beiden Fällen kann man die gleichzeitige Aufnahme des wirksamen Vorderteiles und des Hinterteiles des Antriebes

so
verwirklichen, um/irgendwelche Kaviationsarten, die sich am Versuchskörper zeigen, zu erfassen.

Sollte der Versuch anhand eines grossen Modelles durchgeführt werden, während dieser mit einem zusätzlichen Schiffsantrieb gesteuert wird und die zusätzliche Antriebskapazität von einem Luftantrieb oder von einem beliebigen anderen Antriebssystem der bereits vorstehend genannten Art

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geliefert wird, genügt es, eine Filmaufnahme der Kavitationserscheinung zu machen und zwar unter Verwendung einer sehr schnellen Kamera. Zusätzlich kann man beim Planen der Heckkonstruktion des Modelies die günstigsten Maße annehmen, damit eine direkte Beobachtung der Kavitationserscheinung möglich wird.

Bei der direkten Beobachtung der Erscheinung durch Speichern auf Film oder mittels Fernsehen ist es unerlässlich, über einen geeigneten Stroboskop zu verfügen.

Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung des neuen, vorerwähnten Verfahrens unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gegeben,, welche ein einfaches Beispiel darstellen, ohne dass dadurch eine Einschränkung entsteht. Es ist nur eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, wobei eine Veränderung verschiedener Details die grundsätzlichen Eigenschaften des Prinzipes nicht verändern. , .-

Die genannten Zeichnungen zeigen: Xv .

anhand der Figur 1 einen seitlich gesehenen Aufriss des

Versuchsmodelles gemäss dem Verfahren unter Vernachlässigung des axialen Komponenten der Geschwindigkeit des Kielwassers, abhängig von der Wellenform,

anhand der Figur 2 eine Draufsicht auf den oberen Teil

des Modelles gemäss Figur 1,

anhand der Figur 3 einen seitlichen Aufriss des Versuchs-

modelies gemäss dem vorliegenden Verfahren bei Auftreffen der Wellen und der. Annahme der Schwimmebene bei vorgesehener Belastung und Durchführung des Versuches an der Oberfläche;

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anhand der Figur 4 ist eine Draufsicht auf das Modell

gemäss der Figur 3 gezeigt,

anhand der Figur 5 ist ein seitlicher Aufriss des Versuchsmodelle s gemäss dem durchgeführten Verfahren bei Auftreffen der Wellenformation gezeigt, bei der die Schwimmebene der vorgesehenen Belastung entspricht und der Versuch mit einem wasserdichten Modell vollständig unter Wasser durchgeführt wird,

anhand der Figur 6 ist eine Draufsicht auf das Modell gemäss Figur 5 gezeigt.

Wie bereits vorher bei der Erläuterung der Grundsätze des Verfahrens erwähnt, ist es zur Erreichung der Kavitations-Zahl, welche dem echten Antrieb entspricht, notwendig, dass das Modell mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit fortbewegt wird, wenn man ein dem Gesetz vom Froude ähnlichen Gesetz folgt. Daraus ergibt sich, dass die Wellen, die das Modell erzeugt, wenn es mit der geeigneten Geschwindigkeit vorwärtsbewegt wird, damit der gewünschte Kavitations-Index erreicht wird, höher sind und der Wirklichkeit nicht entsprechen.

Angesichts dieser Probleme können folgende Massnahmen getroffen werden:

A.- Ter Einfluss des Axialkomponenten der Geschwindigkeit des Kielwassers wird abhängig von der Wellenform, die beim Versuch am Modell entstehen, vernachlässigt.

Dieser Zustand, der anhand der Figuren 1 und 2 dargestellt ist, bringt mit sich, dass das Modell - 1 - mit einem maximalen Freibord oder Schutzbereich - 2 - ausgerüstet sein muss, damit das Modell kein Wasser aufnehmen kann.

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Das genannte Modell - 1 - wird mit geeigneten Ankoppelstützen - 3 - in der Mitte zum Schleppen des Modelles ausgerüstet, während am Ende - 4 - Kabel der Beobachtungsgeräte für den Versuch, die das Modell tragen muss, vorgesehen sind.. Mittels der Linie - 5 - ist der Eintauchbereich des Modelles gekennzeichnet und die Linie - 6 gibt die Wellenform an. Der Bereich - 7 - entspricht dem Beobachtungsbereich des Versuches. . ■-

Ausserdem wird bei der Durchführung des Verfahrens 'der Versuch mittels Schleppen oder zusätzlichem Antrieb des Modelles durchgeführt, wobei dieses Modell unter Voraussetzung der gewünschten Ladung schwimmend ist und eine Geschwindigkeit aufweist, welche die Kavitations-Indizes gleichstellt, so dass die Druckerhöhung, die über den Punkten' der Schiffsschraubenflügel - 8 - entsteht, abhängig ist von der Vergrösserung des Tiefganges des Heckes - 9 -, durch welche die Wellenform erzeugt wird. J3ei Berechnung des Wertes des Parameters "o", (Erhöhung des Wellenprofiles - 6-über die glatte Oberfläche des Meeres in der Vertikalen der Schiffsscnraube - 8 -) angegeben mit - 10 - , wird aufgrund der Höhe des Wellenprofiles - 6 - die Ebene des Schiffsschraubenflügels - 8 - bestimmt. '

B. - Angenommen, dass die Wellenform jedoch abwechselnd Ursache dafür ist, dass die Wasserströmung, die auf den Schiffsschraubenflügel - 8 - des Modelles - ί - einwirkt, gleich ist mit der in seinem Kavitations-Tunnel ohne Widerstand/freien Oberfläche, so wird auf diese Art und Weise irgendein entgegenwirkender Einfluss verhindert, damit der Kielwasserkomponent abhängig von der Wellenform in einigen Fällen ausgeübt werden kann.

Diese Wirkung, dargestellt anhand der Figuren 3 und 4 unter Angabe der gleichen Bezugszahlen, wie in den Figuren 1 und 2,

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geben die gleichen Mittel an, wie in dem Konstruktionsmodell - 1 - mit einer grossen Stütze, damit der Versuch mit einem gleichen Tiefgang durchgeführt werden kann als bei dem Beladungszustand des Versuchsobjektes.

Die Schwimmebene entspricht der Beladungssituation, welche man mittels einer Stahlplatte - 11 - gewünschter Stärke erproben möchte und welche über die Längen- und Querabmessungen des Modelies - 1 - in geeigneter Weise hinwegreicht. Logischerweise muss . die Wellenlinie - 6 immer oberhalb der Platte - 11 - bleiben, obgleich dieses Erfordernis nicht absolut unentbehrlich ist.

Die Platte - 11 - stellt sicher, dass die Wasserströmung, welche auf die Schiffsschraube - 8 - einwirkt, gleich der des Modelies bei den Versuchen mit Selbstantrieb ist und der Zahl vonFroude des Schiffes entspricht und zwar vorbehaltlich der Eleminierung des Einflusses des Geschwin-

digkeitskomponenten des -Kielwassers abhängig von der Wellenform.

Bei Berechnung des Kavitations-Indizes des Modelies wird es erforderlich sein, das Eintauchen der Schiffsschraube - 8 ■ in Bezug auf die Wellenform - 6 -, welche sich bildet, zu berücksichtigen.

Vorzugsweise wird diese Wirkung angewendet, wenn man die Durchführung von Versuchen mit grossen Modellen im Meer oder in einem See fordert, wobei die Durchführung der Versuche logischerweise mittels Schleppen des Modelies mit geeigneten Mitteln, welche auch mit einer Geschwindigkeit, bei der die Kavitations-Indizes sich ausgleichen, schwimmend erfolgt.

C- Bei dem Versuch gemäss den Figuren 5 und 6 wird die Schwimmebene, wie in Abschnitt B mittels der Stahlplatte -

509838/0591 " ¹⁷ "

" . ■ 243941T

angegeben, verwirklicht und anstelle der Erhöhung des Freibordes des Modelies auf ein Maximum ist eine Reduzierung auf ein Minimum unentbehrlich, um später nach dem Einführen der Instrumente das Modell - 1 - mit wasserdichten, stromlinienförmigen Deckeln abzudecken, damit die durchzuführenden Versuche mit dem Modell vollständig unter Wasser vorgenommen werden können.

Die Stahlplatte - 11 - garantiert, dasß die Wasserströmung über dem Schiffsschraubenflügel - 8 - ausreichend sein wird.

Die Eintauchtiefe des Modelies - 1 - wird ausreichend sein müssen, um den Zähler der Kavitations-Index-Formel berechnen zu können.

Diese Art der Durchführung setzt vorzugsweise voraus, dass die Versuche in konventionellen Versuchskanälen durchgeführt werden, wobei die Durchführung dieser Versuche logischerweise mittels Schleppen des Modelies mit geeigneten Mitteln erfolgt und wobei das Modell vollständig unter Wasser ist und eine Geschwindigkeit vorliegt, mittels der die Kavitations-Indizes sich ausgleichen, wobei sich bei diesem Vorgang der Vorzug anbietet, dass die Fortbewegungskräfte, notwendig zum Schleppen des Modelles, sich beträchtlich reduzieren, da der Widerstandskomponent abhängig von der Form der Wellen eleminiert wird.

Mit Rücksicht auf die Reproduzierbarkeit der Versuche mit dein Geschwindigkeitskomponenten des Kielwassers, abhängig von der Wellenform gemäss den Vorgängen A, B oder C, kann das neue Verfahren nicht die Möglichkeiten der Kanäle mit Vakuum bieten, denn diese weisen nich"6 nur höhere Kosten sondern auch andere Eigenschaften auf, welche aber doch den der Kavitations-Tunnels entsprechen, die keine freie Oberfläche besitzen, ohne Berücksichtigung einer Sperrwirkung an den letztgenannten.

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Es sollte beachtet werden, dass für Schiffe, deren Geschwindigkeit geringer ist als die Zahl von Froude mit 0,3, der !Component, der nicht berücksichtigt wurde, einen praktisch unbedeutenden Einfluss hat.

Die Beobachtung der Versuche in den Vakuumkanälen bei dem neuen Verfahren hat den Nachteil, dass diese schwer und zeitlich begrenzt ist, wenn die Versuche nicht wiederholt werden, was andererseits keinerlei Schwierigkeiten bietet.

Bezüglich der Technologie, welche zur visuellen Darstellung des Versuches verwendet wird, kann bestätigt werden, dass das Verfahren in Sachen des neuen Vakuumkanales von NSMB vollständig anwendbar ist auf das hier empfohlene Verfahren.

Dennoch ist die wirtschaftlichste Methode zur visuellen Darstellung der Versuche gemäss dem neuen Verfahren das Filmen des Versuches mit Kameras mit hoher Geschwindigkeit, wobei die Analyse der Erscheinung durch Projektierung,des Filmes mit geeigneter Geschwindigkeit erfolgt. Diese Methode der Beobachtung bietet die Möglichkeit, die Projektierung rückwärts laufen zu lassen, was auch ein Hilfsmittel ist, die Projektion sorgfältig zu betrachten.

Im Falle der Durchführung von Versuchen mit Modellen beachtlicher Grosse in freien Gewässern hat man,ausser den anderen bereits erwähnten Möglichkeiten,die Möglichkeit der direkten Beobachtung.

Bei der Projektierung von neuen Versuchskanälen, die in Betracht kommen, um die entsprechenden Kavitations-Versuche gemäss diesem Verfahren durchzuführen, sollte die Länge nicht weniger als 450 m sein. In diesem Falle ist die Durchführungsgeschwindigkeit der Versuche 10 m/sec (tatsächlich kritisch), was einer Netto-Filmzeit von ca. 30 see. entspricht.

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- 243941'ί

Um die Möglichkeiten auszunutzen, die sich durch die ausserordentliche Länge der Kanäle ergeben, ist es zu empfehlen, zwei Versuchswägen vorzusehen, jeweils an den entgegengesetzten Enden des Kanales, wodurch auch eine Verdopplung der Möglichkeiten des Versuches entsteht. Um zu verhindern, dass die Wellen, erzeugt durch eines der Modelle-, welches mit einem der Wagen erprobt wird, Störungen infolge des Wassers dort hervorrufen, wo das andere Modell durchquert, könnte man seitlich Metallrollos anbringen, damit in der Mitte des Kanales, wo sich das Versuchsobjekt befindet, die Wasserschwingungen gedämpft werden.

Bezüglich der Zahl von Reynold für den Versuch übertrifft dieses neue Verfahren die Möglichkeiten, die der Vakuumtunnel bietet, da dieses neue Verfahren geplant ist, um bei den Versuchen die Zahl von Froude des Schiffes genau zu erreichen, wobei die Geschwindigkeit des Wagens 4,5 m/sec. nicht übersteigen darf.

Je grosser die Zahl von Reynolds bei den Versuchen (sofern bei dieser Geschwindigkeit keinerlei Wellen entstehen), je kleiner ist die Dicke der Stahlplatte, welche das Modell begrenzt und umsomehr gleicht die Strömung der eines wirklichen Schiffes. Aber andererseits überschreitet die Umlaufgeschwindigkeit innerhalb des Vakuumtunnels bei Einführung dreidimensionaler Modelle selten die Geschwindigkeit 4 m/sec., so dass die Zahl von Reynolds niedriger sein wird. Die Geschwindigkeit in den Umlauftunnels mit freier Oberfläche ist ebenfalls geringer*

In den Simulationstunnels können die Axialkomponenten Geschwindigkeiten von bis zu β m/sec. erreichen, aber die Folgen der dreidimensionalen Strömung sind in diesem Falle ungeeignet, irgend einen Vergleich zuzulassen.

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In Bezug auf die Zahl von Froude bietet der Versuch bei diesem Verfahren ähnliche Möglichkeiten wie bei den Kavitations-Tunnels ohne freie Oberfläche.

In Bezug auf die Sperrwirkung seitens der Rohrwände oder der Anlage bei diesem neuen Verfahren ist nur ein.Vergleich mit "dem Vakuumkanal möglich. Schon früher hat man dargelegt, dass das Vorhandensein dieses Effektes die Ursache dafür war, dass sogar im angenommenen Falle die Strömung des Modelles und des Schiffes gleich wären, wobei nicht gleichzeitig die Identität der Werte K_T und I für das Schiff und für das Modell erzeugt wird.

Hinsichtlich der Reproduktion von dreidimensionalen Strömungen sind die entstehenden Möglichkeiten dieses Verfahrens nur vergleichbar mit denen der Kavitations-Tunnels mit grossen Abmessungen, welche Modelle mit 8 m oder grosser aufnehmen können, und mit denen der Vakuumkanäle.

Mit Rücksicht auf die Vorbereitung des Wassers, wenn keine Notwendigkeit besteht, Vakuum für dieses neue.Verfahren herzustellen, reduziert sich bei der Entwicklung der Kavitation die Bedeutung des nicht in Wasser aufgelösten Luft- und Gasinhaltes.

Augenscheinlich ist der grosse Vorteil dieses Verfahrens hinsichtlich der Kosten und der Wirtschaftlichkeit der erforderlichen Einrichtungen zur Durchführung der Versuche unbestreitbar, wobei die Möglichkeit zur Anwendung bei den meisten gegenwärtig bestehenden Versuchskanälen besteht. Man braucht dabei nichts weiter zu tun, als die dazu nötigen Veränderungen an den Versuchswagen und Beobachtungsmitteln vorzunehmen.

Bei der gleichzeitigen Durchführung der Versuche für Kavi-

- 21 509838/0591

tation und für Druckschwankungen sind für die Anlagen längere Kanäle mit 450 m oder langer vorgeschlagen, welche zweifellos mehr Vorteile bieten als ein grosser Vakuumkanal. Deren technische Vorteile sind nur vergleichbar mit denen eines Vakuumkanales, welcher weniger Möglichkeiten zur Verwirklichung der konventionellen Versuche hätte.

Die dargelegten Vorteile des neuen Verfahrens zur Durchführung der Kavitationsversuche gegenüber anderen bekannten Verfahren sind beachtenswert und'bestehen im wesentlichen ^r aus der Möglichkeit, die Versuche ohne Verwendung des ' Vakuums zu verwirklichen und zwar unter der sich daraus ergebenden Verbilligung der Präzisionseinrichturigen und mit der Möglichkeit, die Versuche in konventionellen Versuchskanälen oder im freien Wasser durchzuführen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass dieses neue Verfahren in der Gleichstellung der Kavitations-Indizes ' . des Modelles und des echten Schiffes mittels der Erhöhung ' des Nenners der Kavitations-Indizes-Formel des· ftadelles besteht, unter Berücksichtigung des bestehenden Druckes an dem Punkt des Modelles, an dem der genannte Kavitations-Index erhalten wird, so dass die genannte Gleichstellung mittels der Erhöhung hergestellt werden kann, sei es mittels den Umdrehungen des Antriebes oder der Geschwindigkeit des Schleppens des Modelles, je nachdem, wie der Kavitations-Index angenommen war. Die Versuche mit dem Modell können · an der Oberfläche oder bei entsprechender Wasserdichte völlig unter Wasser durchgeführt werden, wobei irgendwelche Umstände sicherstellen, dass die Strömung des Wassers,die oberhalb der Schiff isschräubenflügel des Modelles einwirkt, ähnlich der ist, welche im Kavitations-Tunnelauftritt, wobei man sich verschiedener Verfahrensweisen bedient, je nachdem, wie der Versuch abläuft, und zwar unter Be- ' rücksichtigung des axialen Komponenten der Kielwasser-

■ - ι

'-■-■'.'■ - 22 509838/0591

geschwindigkeit, abhängig von der Wellenbildung, die gemäss dem Vorstehenden einen praktisch vernachlässigbaren Einfluss auf die Schiffe hat, deren Geschwindigkeit geringer ist als die Zahl von Froude mit 0,3.

Die Form, das Material und die Abmessungen können unterschiedlich sein, je nach Bedarf und dergleichen, vorausgesetzt, dass das Wesen des beschriebenen Verfahrens nicht verändert oder modifiziert wird.

Das Verfahren ist somit nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Neues Verfahren zur Durchführung von Kavitations-Versuchen an Schiffsschrauben, dadurch gekennzeichnet , dass dieses Verfahren auf der Erhöhung .des Nenners eines Kavitatiöns-Index eines Modelle.s beruht, um eine Gleichstellung unter den Kavitations-Indizes bei den Versuchen bei dem' Modell und bei einem richtigen Schiff zu erhalten, indem dieser Kavitations-Index an irgendeinem Punkt eines Antriebsflügels berechnet,wird, xim so eine Erhöhung des Nenners des Kavitations-Index mittels einer Erhöhung der Schleppgeschwindigkeitsversuche des Modells oder der Umdrehungen des Antriebes bei den Versuchen zu erreichen (laut des konventionellen oder des von der 11 ITTC empfohlenen Kavitationsindex) und zwar bis die erwähnte Gleichstellung der Indizes erreicht wird, wobei bei diesem Verfahren der Einfluss vernachlässigt lierden soll, welcher die axiale Geschwindigkeitskomponente des Kielwassers durch die Tätigkeit der Wellen bei den Versuchen haben kann, denr/für Schiffe, deren Geschwindigkeit geringer ist als eine Zahl von Froude von 0,3» ist besagter Komponent praktisch unbedeutend, wobei bei diesem Verfahren zur Beseitigung des Einflusses des genannten axialen Geschwindigkeitskomponenten des Kielwassers verschiedene Massnahmen getroffen werden, welche gleichzeitig sicherstellen, dass der auf die Schraube des Modelies einwirkende Wasserstrom ähnlich dem des Modelles während der Versuche mit Selbstantrieb ist, und zwar entsprechend der Zahl von Froude des Schiffes, wobei diese Tatsache durch die Erhöhung des Druckes auf die Punkte der Schiffsschraubenflügel erreicht wird, und zwar abhängig von der Erhöhung des Tiefganges des Heckes, bestimmt von der Wellenformation

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   oder mittels der Anordnung der Schwimmfläche des Modelies, welche mittels der Stahlplatte geeigneter Stärke und Abmessung die Ladesituation bestimmt, so dass diese Versuche innerhalb von herkömmlichen Versuchskanälen oder auch bei neu geplanten durchgeführt werden können, ohne dass ein Vakuum notwendig ist oder aber auch innerhalb von freien Gewässern mit einem eine für das Schwimmen an der Oberfläche geeignete Ladung aufweisenden Modell bzw. diese Versuche bei vorschriftsmässigem Wasserdichtsein auch vollständig unter Wasser durchgeführt werden, wobei im letztgenannten Falle, wenn der Zähler des angegebenen Kavitations-Index berechnst wird, das Eintauchen des Modelles berücksichtigt werden muss und bei der Durchführung der Geschwindigkeitsversuche, bei denen die Kavitations-Indizes des Modelies und des Schiffes gleichgestellt wurden, ist der adimensionale Koeffizient des Druckes Km des Modelies gleich dem eines richtigen Schiffes.
2. 2. Verfahren zur Durchführung der Kavitationsversuche an Schiffsschrauben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Versuch mit dem Modell an der Oberfläche des Wassers ohne Verwendung der die Ladesituation bestimmenden Schwimmfläche und zwar mit der Geschwindigkeit, bei der die Kavitations-Indizes des Modelles und des Schiffes gleichgestellt sind, durchgeführt wird, wobei das Modell eine maximale Bordfreiheit oder eine Schutzzone aufweisen muss, damit bei der gegebenen Geschwindigkeit,mit der der Versuch durchgeführt werden muss, kein Wasser eindringt und wobei der Einfluss des axialen Geschwindigkeitskomponenten des Kielwassers abhängig von der Wellenbildung beim Versuch ausser Betracht bleibt, dabei ist dann nur die Druckerhöhung zu berücksichtigen* welche an den Punkten der Schiffsschraube entsprechend Tiefgang

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   des Hecks verursacht durch die Wellenbildung entstehen und wobei dieser Vorgang von Einfluss ist auf die Berechnung der Erhöhung des Wellenprofils über die vom unbewegten Meer gebildeten Fläche in der Vertikalen der Schiffsschraubenflügel hinaus.
3. 3. Verfahren zur Durchführung der Versuche an Schiffsschrauben nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, dass.der Versuch mit .einem schwimmenden Modell an der Oberfläche unter Verwendung der den Belastungszustand mittels einer Stahlplatte oder einem ähnlichen Element geeigneter Stärke und Abmessung bestimmenden Schwimmfläche und mit einer Geschwindigkeit, bei welcher die Kavitatiohs-Indizes des · Modelles und des Schiffes gleichgestellt sind, vorzugsweise mit grösseren Modellen in freien Gewässern, durchgeführt werden, wobei das Modell einen grossen Träger aufweist und wobei angenommen wird, dass bei diesen Versuchen ein Wellengang auftritt und durch die Verwendung der genannten Stahlplatte der Schwimmflache sichergestellt ist, dass die Strömung des Wassers, welche auf die Schiffsschraube einwirkt, der Einwirkung entspricht, welche das Modell bei Selbstantriebsversuchen haben müsste und zwar entsprechend der Zahl von Froude des Schiffes, wobei gleichzeitig mittels, der genannten Stahlplatte der Einfluss des Kielwassergeschwindigkeitskomponenten entsprechend der Wellenform ausgeschaltet wird und wobei es erforderlich ist, bei der Berechnung des Kavitations-Indizes des Modelles das Eintauchen der Schiffsschraube bezüglich dem Profil der entstehenden Welle zu berücksichtigen.-'
4. 4. Verfahren zur Durchführung der Kavitations-Versuche an Schiffsschrauben nach Anspruch 1, dad u r ch

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   g e k ennze ic.hnet , dass die Versuche mit einem total untergetauchten,wasserdichten Modell und mit einem entsprechenden Beladungszustand und bei einer Geschwindigkeit, bei welcher sich die Kavitations-Indizes des Modelies und des Schiffes ausgleichen, Vorzugs- i weise in Kanälen herkömmlicher Art durchgeführt werden, wobei dann das Freibord des Modelles auf ein Minimum beschränkt wird und das .Modell mit einem strömungsförmigen Deckel wasserdicht gemacht wird und wobei die genannte, verwendete Stahlplatte der Schwimmfläche sicherstellt, dass die Wasserströmung auf die Schraubenflügel ausreichend ist, wobei das Eintauchen des Modelies, zur Berechnung des Nenners des Kavitations-Index zu berücksichtigen ist und wobei bei der Durchführung des Versuches mit dem total untergetauchten Modell die Widerstandskomponenten der Wellenform zu vermeiden sind. ·
5. 5. Verfahren zur Durchführung der Versuche an Schiffsschrauben nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Versuche in herkömmlichen, bereits bestehenden oder neu zu planenden Kanälen oder in freien Gewässern durchgeführt werden, insoferne bei Kanälen, in den bestehenden Versuchskanälen die Schleppwagen des Modelles zur Erzielung der. notwendigen Zugkraft zur Erreichung einer geeigneten Geschwindigkeit während des Versuches herbeiführen können und wobei zur Erzielung der höchsten Wirksamkeit zu diesem Zweck projektierte Kanäle mit einer grösseren Länge als 450 m vorgesehen sind und wobei für das Versuchsmodell auf jeden Fall einen geeigneten, eine gleichbleibende Zugspannung liefernden Antrieb vorgesehen sein muss und zwar arbeitet dieser Antrieb mittels Druck, Luft oder in anderer Weise entsprechend anderer Schiffsantriebe, die die Strömung, welche der

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   Antrieb, dessen Verhalten man untersucht, empfängt, nicht beeinflusst, wobei auf jeden Fall der KoeffizientK^ des Modelies dem des wirklichen Schiffes gleichgestellt werden soll, wobei das Wasser am Bug des Schiffes nicht beeinflusst werden darf. ■

   Verfahren zur Durchführung der Kavitations-Versuche an Schiffsschrauben nach einem .der A_nsprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch geken η ζ e i c h net , dass die während des Versuches erhaltenen Daten, wie beispielsweise Anzahl der Umdrehungen des Antriebes, Antriebsdruck, auf die Schraube übertragene Torsion, Geschwindigkeit des Modelles usw., nach dem Versuch zusammen mit der Untersuchung der am Modell entwickelten Kavitationsart mittels Fernsehen oder mittels kinomatographischer ^: Kameras mit hoher Geschwindigkeit, welche eine spätere Projektion mit geeigneter Geschwindigkeit zulassen, durchgeführt werden und wobei sogar in den Fällen direkter okularer Betrachtung der Versuche an den Modellen mit grossen Abmessungen in freiem Gewässer geeignete stroposkopische Ausrüstungen zu verwenden sind.

   Verfahren zur Durchführung von Kavitations-Versuchen an Schiffsschrauben nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das anhand der Beschreibung und Zeichnungen beschriebene Ausführungsbeispiel. ' -

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