"Verbesserung der Propulsions- und Manövriereigenschaften von Schiffen"
Zur Wechselwirkung von Schiffsnachstrom und Propeller
Dipl.-Ing. E. Spangenberg, ThyssenKrupp Marine Systems, HDW GmbH Dipl.-Ing. K. Rieck, Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH
Die Ziele beim Propellerentwurf sind vielfältig. Neben einem hohen Propulsionswirkungsgrad. bestehen insbesondere bei Passagierschiffen, Motoryachten und Marinefahrzeugen besondere Forderungen. Für letztere gelten üblicherweise umfassende akustische Forderungen, die nur mit einem verstärkten Aufwand an Voruntersuchungen zu erfüllen sind. Bisherige Vorgehensweisen beim Propellerentwurf sehen im Allgemeinen keine Implikationen von anderen theoretischen Ansätzen vor, außer dass die üblichen Methoden der hydrodynamischen Auslegung Berücksichtigung finden. Erst in den letzten Jahren gibt es verstärkte Anstrengungen, die Propulsion in vielerlei Hinsicht zu verbessern. Mit dem Aufkommen der numerischen Strömungsberechnung mit Hilfe von RANSE-Lösern ist es möglich geworden, die Zuströmung zum Propeller berechnen zu können, wenn auch die Berechnungen nicht zwangsläufig immer zu richtigen Ergebnissen führen müssen. Erst der Vergleich mit Messergebnissen in der Großausführung kann letztendlich die Richtigkeit von CFD-Ergebnissen und deren Relevanz für den zu untersuchenden Propellerentwurf liefern. Als geeigneter Zwischenschritt wird der Vergleich der Ergebnisse von Nachstrommessungen an Modellen mit CFD-Berechnungen bei unterschiedlichen Ansätzen angesehen. Modellmessungen stellten bisher eine konservative Abschätzung hinsichtlich des Einsatzes der Kavitation (Saugseite ist üblicherweise dominierend) in der Großausführung dar. Sind jedoch noch zusätzliche Forderungen neben der Kavitation zu erfüllen, dann ist davon auszugehen, dass bisherige Hypothesen in Bezug auf den Nachstrom als nicht ausreichend angesehen werden können und verbesserte Methoden zur Bestimmung der Nachstromverteilung im Modellmaßstab und in der Großausführung erforderlich sind. Die Auswirkungen von qualitativ unterschiedlichen Nachstromverteilungen auf den zu entwickelnden Propeller brauchen nicht hervorgehoben zu werden. Eine Geometrieoptimierung des Propellers ist fragwürdig, wenn die Eingangsgrößen zum Propellerentwurf noch unzulässig hoch mit Fehlern behaftet sind. Die Validierung von Modellmessungen mit CFD-Methoden ist bereits sehr weit fortgeschritten, bei unbekannten Formen und Nachstromverhältnissen erscheint das Risiko jedoch noch zu groß zu sein, als dass man völlig auf Modellversuche verzichten könnte. Die nachfolgend beschriebene Untersuchung beschränkt sich auf den Vergleich von Ergebnissen von Modellmessungen (Nachstrommessungen an verschiedenen Modellen und von verschiedenen Versuchseinrichtungen) mit Rechenergebnissen von RANSE-Verfahren. Bei den Berechnungen kommen unterschiedliche Turbulenzmodellierungen und Gitterauflösungen zur Anwendung. Danach werden die geometrischen Interdependenzen auf den Propellerentwurf aufgezeigt. Es wird ein Ausblick hinsichtlich einer Nachstromoptimierung gegeben, d.h. es werden bestehende Möglichkeiten aufgezeigt um den Nachstrom nachhaltig in der Weise zu beeinflussen, dass sich die Veränderungen auf den Propellerentwurf in seinen Zielgrößen vorteilig auswirken. Der Vergleich mit der Großausführung bleibt vorerst unberücksichtigt und wird eine Aufgabe für die Zukunft sein. Derzeit gibt es keine umfassenden Messungen, die geeignet wären, einen Vergleich zu Berechnungsergebnissen zuzulassen.