M. Steden, J. Hundemer, S.-B. Müller, M. Abdel-Maksoud
Eine Methode zur geometrischen Parametrisierung eines ummantelten Schiffsvortriebsorgans wird vorgestellt. Dieses Schiffsvortriebsorgan besteht aus den vier Komponenten Rotor, Nabe, Mantel und Stator. Es soll in einem Geschwindigkeitsbereich zwischen konventionellen Propellern und Wasserstrahlantrieben einsetzbar sein. Die Verwendung von Optimierungsalgorithmen in Verbindung mit Geometrieerzeugungs- und Nachrechenverfahren ermöglicht die Ermittlung von Geometrien ummantelter Propeller, die einen guten Wirkungsgrad bei zufriedenstellenden Kavitationseigenschaften liefern. Folgende Parameter können während der Optimierung automatisch variiert werden: – Antrieb: Durchmesser, Drehzahl – Mantel: Länge, Dickenverteilung, Wölbungsverlauf – Rotor und Stator: Sehnenlänge, Dickenverteilung, Wölbungsverlauf – Nabe: Länge, Durchmesser, Konturverlauf Die Berechnungen erfolgen mit Hilfe eines am IST entwickelten potentialtheoretischen Verfahrens. Zur Überprüfung der Rechenergebnisse der Potentialenströmung wurden numerische Berechnungen der viskosen Strömungen mit Hilfe des Verfahrens ANSYS-CFX durchgeführt. Der gesamte Optimierungsprozess sieht eine erste Optimierung unter Verwendung des potentialtheoretischen Verfahrens vor. Das potentialtheoretische Verfahren weist relativ kurze Rechenzeiten auf und liefert Ergebnisse, die für eine globale Optimierung ausreichend genau sind. Die anschließende Einbindung in ein Rechenverfahren für viskose Strömung dient der Optimierung der Mantel- und Nabengeometrie. Dabei werden die realen Geometrien des Rotors und Stators nicht nachgebildet, sondern lediglich ihre Wirkung auf die Strömung mit der Hilfe eines Propellermodells berücksichtigt. Das Propellermodell berechnet die in radiale und Umfangsrichtung veränderliche Schub- und Drehmomentenverteilung des Rotors und Stators in Abhängigkeit von der lokalen Zuströmung zu den Flügelprofilschnitten.
A method for the geometrical parameterisation of a ducted ship propulsor is presented. This ship propulsor consists of the four components: rotor, hub, duct and stator. It is supposed to be applicable in a velocity range between conventional propellers and water jets. The use of optimisation algorithms in combination with methods for automatic geometry generation and for flow simulation allows the determination of ducted propeller geometries, with high efficiency and satisfying cavitation characteristics. The following parameters can be varied automatically during the optimisation: – Propeller: Diameter, number of revolutions – Duct: Length, thickness distribution, mean line shape – Rotor and stator: Chord length, thickness distribution, mean line shape – Hub: Length, diameter, contour The computations take place by means of a potential-theory-based method, developed at the IST. For the verification of the potential flow results, numeric computations of the viscous flow were applied by means of the commercial code ANSYS CFX. The entire optimisation process includes a first optimisation using the potential-theory-based method. This method shows relatively short computing times and supplies results, which are sufficiently exact for a global optimisation. The subsequent integration of viscous flow code serves for the optimisation of the duct and hub geometry. In this process the real geometries of rotor and stator are not included, but merely their effect onto the flow is considered by means of a propeller model. The propeller model computes the thrust and torque distribution of the rotor and stator as a function of the local inflow to the blade profile sections, being variable in radial and circumferential direction.