Schiffbau (Fach) / Schiffsdynamik (Lektion)

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• Was ist ein Propeller? Ein Maschinenelement einer Antriebsmaschine mit Flügel, die meist um eine Welle radial angeordnet sind.
• Welche Arten von Propulsoren gibt es? freie Festpropeller frei verstellpropeller Düsenpropeller als Festpropeller Düsepropeller als Verstellpropeller Sonderformen: Voith-Schneider-Propeller Kirsten-Boeing-Propeller Ringpropeller Water-jet
• Welche Propulsionsanordnungen gibt es? freie Propeller mit Ruder im Propellerstrahl Düsenpropeller mit Hackenruder Propellergondel kontrarotierende Propeller Tandempropeller Ruderpropeller Linear-Jet
• Was ist die Aufgabe eines Propellers? Drehelsitung PD = 2πQn in Schubleitung Tpua umzuwandeln. Dabei kann der Propeller nur unter Wechselwirkung mit dem Schiff betrachtet werden.
• Wie wird die Wirkungsgradkette unterteilt? ηH Schiffseinfluss ηO Freifahrtswirkungsgrad ηR Gütegrad der Anordnung ηD =ηH * ηO * ηR
• Was ist der nominelle Nachstrom? Der Schiffsrumpf verzögert die Strömung in seinem Nachstrom und prägt Quergeschwindigkeiten auf. Die Geschwindigkeitsverteilung ohne Propellerwirkung ist definiert als nomineller Nachstrom.
• Woraus resultiert nomineller Nachstrom? Reibungseffekte (größter Anteil) Potentialeffekte (Druck) Einfluss aus Oberflächenwellen
• Was ist totaler Nachstrom? Und wie setzt er sich zusammen? Mit Propellerwirkung stellt sich eine veränderte Strömung ein. Eine Nachstromverteilung in dieser Propulsionssituation nennt man den totalen Nachstrom. Nominelles Nachstromfeld+propellerinduzierte Geschwindigkeiten+Interaktionsgeschwindigkeiten= totales Nachstromfeld
• Wie wird der Nachstrom unterschieden? Der Propeller arbeitet in der inhomogenen Anströmung und erfährt wechselnde Anströmverhältnisse: axialer Nachstrom tangentialer Nachstrom (Vorzeichenwechsel zwischen BB und STB aus Sicht des Propellerflügels; Unterschied zwischen der Anströmung führt zu einer Entlastung des propellerflügels in der Aufwärtsbewegung und einer Erhöhung der Belastung in der Abwärtsbewegung) radialer Nachstrom (hat in der regel den geringsten Einfluss auf die Propellerauslegung)
• Wo von ist die Nachstromverteilung abhängig? Was lässt sich aus ihr schließen? Von der Schiffsform (Völligkeit und Hinterschiffslinie). Unterschiede in den Nachstromfeldern geben Hinweise auf zu erwartende geänderte Wechselwirkungen zwischen Propeller und Schiff.
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• Welche Messverfahren der Nachstromfelder gibt es? Nachstromhake (Pitot-Sonden) PIV (Particle Image Velocimetry) LDV (Laser Doppler Velocimetry)
• Wie werden Nachstromcharakteristika in der Regel identifiziert? Durch axiale Geschwindigkeitskomponenten, oft in Form von Isotachen. (Den vom Rumpf verzögerten Bereich nennt man Nachstromdelle.)
• Was ist entscheidend für die Anstellwinkelschwankung am Propellerprofil? Die Schwankungsbreite zwischen Minimum (Nachstromdelle) und Maximum (ungestörte Strömung).
• Wo ist der hydrodynamische Anstellwinkel α ? Zwischen der resultierenden Anströmung v∞ und der Sehne. Durch Auftriebswirkung werden zusätzlich Geschwindigkeiten induziert, dadurch verändert sich die resultierende Geschwindigkeit vi und der Anstellwinkel αi wird verringert.
• Was bezeichnet die Nachstromziffer? Sie beinhaltet den Einfluss des Schiffes auf den Propeller und bezeichnet den Unterschied zwischen der Schiffsgeschwindigkeit und der äquivalenten Anstömgeschwindigkeit in Freifahrtbedingungen, bei der die Propellerwirkung identisch ist.
• Was bezeichnet die Sogziffer? Die Sogziffer beinhaltet den Einfluss des Propellers auf das Schiff. Im Hinterschiffsbereich befinden sich Gebierte höhren Drucks, die den Widerstand reduzieren. Durch die Propulsionswirkung wird das Wasser beschleunigt, der Druck reduziert und dadurch der Widerstand erhöht.
• Woraus ergibt sich er der Freifahrtswirkungsgrad ηo? Der Freiheitswirkungsgrad ergibt sich nach Abzug der betriebspunktabhängigen Verluste. Verluste: Reibungsverluste Rotationsverluste Axialverluste
• Was ist der Gütegrad der Anordnung ηr ? Er ist das verhältnis zwischen dem Drehmoment des Propellers in Friefahrtbedingungen und hinter dem Schiff. Er berücksichtigt: Ungleichförmigekeiten der radialen und tangentialen Geschwindigkeiten im Nachstromfeld Turbulenzen im viskosen Nachstrom Instationarität im Nachstrom
• Mit welchen Berechnungsmodellen/Theorien wird die Wirkungsweise des Propellers abgebildet? Impulsbetrachtung: Der Propeller entspricht der Beschelunigung des Wasser entgegen der Fahrtrichtung. Die Änderung des entspricht dem Schub.                                                     → Strahlentheorie Tragflügelbetrachtung: Der Propellerflügel wird als Tragflügel berechnet. Der Auftrieb am Profil entspricht dem Schub, der Profilwiederstand dem Drehmoment.                                → Traglinientheorie, Tragflächentheorie
• Was sind die Voraussetzungen für die Strahlentheorie? Der Propeller hat unendlich viele Flügel und keine Längsausdehnung. Der Drucksprung findet an einer infinitesimal dünnen Scheibe statt. Potentialströmung (keine Reibung) Der Zustrom ist unbegrenzt
• Was besagt die Strahlentheorie? Der Propeller bewirkt einen Drucksprung und damit eine Beschleunigung der Flüssigkeit. Infolge der Geschwindigkeitszunahme erfolgt eine Kontraktion des Strahls.
• Wie lautet das Fazit der Strahltheorie? Auch unter Annahme idealer Strömung weist der Propeller auf Grund seiner induzierten Geschwindigkeiten Verluste auf. Der erzielbare Wirkungsgrad ist abhängig vom Schubbelastungsgrad und steigt mit sinkender Schubbelastung. Die induzierten Geschwindigkeiten führen zu Schlupf (Differenz zwischen theoretisch zurückgelegtem Weg und tatächlich zurückgelegtem Weg). Der ideale Wirkungsgrad nach der Strahltheorie stellt eine physikalische Grenze dar. Der reale Wirkungsgrad des Propellers ist immer kleiner. Nicht für den praktischen Propellerentwurf zu gebrauchen, da außer dem Durchmesser keine Propellerdaten eingehen. Gut zu gebrauchen, um Wirkungsgrad abzuschätzen für bereits borhandes Propeller (Vergleichsschiffe) Gut zugebrauchen, um Wirkungsgradänderungen bei Belastungsänderungen abzuschätzen Gut zu gebrauchen, um die mittleren geschwindigkeiten im Propellerstrahl abzuschätzen
• Welche Modelle bietet die Tragflügeltheorie? Profiltheorie: - Auftrieb an einem Flügelelemen(2D)                                                                 - Verdrängungswirkung durch Profildicke Traglinientheorie: Auftriebsverluste bedingt durch die endliche Spannweite
• Was ist Auftrieb? Die Differenz aus der Beschleunigung der Strömung an der Saugseite und einer Verzögerung der Strömung auf der Druckseite.
• Wie wird auch bei kleinen Anstellwinkel Auftrieb erzeugt? Durch eine gewölbte Form des Profils.
• Was modelliert eine Überlagerung der globalen Geschwindigkeiten mit einem betragsgleichen, aber gegeneinander gerichteten Geschwindigkeitspaar? Die Differenz der Geschwindigkeiten zwischen Saug- und Druckseite. Das Geschwindigkeitspaar ist als Modellvorstellung der Wirbel.
• Was ist die "Stärke" des Wirbels? die Zirkulation
• Was sagt der Helmholtzsche Wirbelerhaltungssatz? Die Zirkulation muss längs eines Wirbelfadens erhalten bleiben. Wirbel können demnach nur im Unendlichen enden.
• Was muss berücksichtigt werden, wenn sich für jede Drehzahl und Flügelzahl ein endlicher optimaler Propellerdurchmesser ergibt? Reibungseffekte
• Wie wird das Kavitationsverhalten verbessert? Durch Verschiebung der Profile des Flügels in und entgegen der Durchschlagsrichtung
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• Was ist ein Skew? Die Verschiebung der Profile des Flügels in und gegen Durchschlagsrichtung. Er wird lokal für jeden Schnitt als Abstand der Eintrittskante zur Erzeugenden und globale als Winkel angegeben.
• Was ist chord? Was ergibt sich aus ihnen? die einzelne Profillänge. Aus ihnen ergibt sich die Flügelfläche. Setzt man sie Summe der Abwicklungen der Flügelflächen ins Verhältnis mit der Fläche der Propellerkreisfläche so erhält man das Seitenverhältnis (EAR)
• Warum weisen moderne Propeller immer einen nicht konstanten Steigungsverlauf auf? Zur Anpassung der radialen Propellerbelastung. Zusätzlich werden an der Spitze und in der Nähe der Nabe die Steigungswerte reduziert. Damit werden die Schnitte entlastet.
• Warum werden Flügel in Schiffslängsrichtung um den Hang geneigt? Aus gießtechnischen Gründen und um bei Bedarf den Abstand zwischen Rudervorkante nd Propeller zu erhöhen.
• Was zeigt die Propellerfreifahrt? Die Charakteristik eines Schraubenpropellers unter homogener Anströmung
• Was wird zuerst untersucht, wenn man den geeigneten Propeller auf Basis der Freifahrtcharakteristik sucht? Die effektive Anströmung uA.
• Welche Berechnungen sind im Rahmen des Entwurfs der Propulsions- und Manövrieranlagen notwendig? Freifahrtkennwerte Propulsionspunkte, Drehzahltreue Kavitation Flügelfestigkeit, Eigenfrequenzen Ruderkräfte Manövriersimulation
• Welche Berechnungsmethoden gibt es für den Schiffsentwurf? Profiltheorie Traglinientheorie Tragflächentheorie Paneelverfahren RANS-Verfahren LES-Verfahren Kopplung von Verfahren (Propellermodelle) (Aufwand steigend. EIne grundsätzliche Unterscheidung besteht in der Berücksichtigung/Vernachlässigung der Fluidreibung)
• Was wird mit der Profiltheorie ermittelt? Die Berechnung der zweidimensionalen Profilumströmung. Die Wirkung des Profils wird dabei unterteilt in die des Profiltropfens und die des Skeletts, um anschließend per Superposition die umströmung des gewölbten Profils zu berechnen.
• Auf welchen Annahmen basiert die Berechnung der Profiltheorie? Relative Dicke t/c ≤ 12% Realtive Wölbung f/c ≤ 12% kleiner Anstellwinkel (Theorie der kleinen Störungen)
• Wodurch werden die Berechnungen der Profiltheorie vereinfacht? Die modellhafte Wirbelbelegung wird nicht auf der Skelettlinie, sondern auf der Sehne berücksichtigt.
• Wofür wird das Traglinienverfahren verwendet? Wie wird vorgegangen? ZUr Berechnung der Wirkung eines Tragflügels mit endlicher Spannweite. Die Flügelgeometrie wird vereinfacht als ein gebundener Stabwirbel repräsentiert. In Sehnenrichtung erfolgt keine Diskretisierung der Profilwirkung. Die radiendiskreten globalen Profilkennwerte können dabei zum Beispiel durch die Profiltheorie berechnet werden.
• Was erfolgt bei dem Tragflächenverfahren? (erweitertes Traglinienverfahren) Eine Auflösung der örtlichen Profile in Sehnenrichtung. Eine gängige Ausführungsform ist das Wirbelgitterverfahren, dabei wird der Flügel mit einem Raster von lokalen Wirbeln belegt und es ergibt sich eine zweidimensionale Wirbelbelegung. Die Flügeldicke wird nicht berücksichtigt.
• Was ist die Tragflügeltheorie? Sie kombiniert Profiltheorie und Traglinientheorie um die Verhältnisse am Propeller abzubilden.
• Was sind die wesentlichen Wirkungsweisen von Propellerflügeln? Erzeugnung von Auftrieb an Radienschnitten Verdrängungswirkung durch endliche Dicke der Flügel →Profiltheorie Auftriebsverlust durch endliche Spannweite der Flügel Interaktion von Propellerflügeln untereinander und zu Nachlaufflächen → Traglinien-/Tragflächentheorie
• Was ist das Paneelverfahren? Ein 3D-Randelementverfahren. Die Körperkontur wird numerisch erfasst, die GEschwindigkeiten im Strömungsgebiet werden über das Strömungspotential berechnet. Es gilt die Laplace-Gleichung für rotationsfreie, inkompressible und reibungsfreie Strömung. Die Oberfläche wird durch ein Netz von Paneelen diskretisiert. Auch die Nachlaufflächen der Propellerflügel sind diskretisiert .
• Welche Modelle des Paneelverfahrens existieren und was bilden sie ab? Um die verhältnisse an endlichen Tragflügeln und Propellern, sowie zahlreiche andere physikalische Effekte abzubilden. Randwirbel Eintrittskantenwirbel Infinite-Wake Model Modellierung der Nabe Einfluss Wellen bzw. freie Wasseroberfläche Düsen-, Podpropeller Oberflächendurchstoßende Propeller usw.
• Was wird durch Verformungen der abströmenden Wirbelfläche möglich (Paneelverfahren)? instationäre Simulationen, wie: Schubschwankungen im Schiffsnachstrom Welleneinfluss Schräganströmung
• Was heißt RANS ? Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes Equation
• Was wird bei RANS-Verfahren angewendet? Eine Volumendiskretisierung des durchströmten Raumes. Durch Mittelung der vernachlässigbar kleinen Schwankungsgrößen erfolgt eine schnelle numerische Lösung.

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