Entwicklung eines polynombasierten Propellerentwurfsverfahrens mit Berücksichtigung der Kavitation
Maximilian Kösterke, Technische Universität Berlin
Da die gängigen Serienpropeller-Entwurfsverfahren auf geometrisch variierten Propellern aufbauen, bieten diese in der Regel keine Möglichkeit der direkten Berücksichtigung der Kavitationseigenschaften. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der Masterarbeit ein Entwurfsverfahren entwickelt, das den schnellen polynombasierten Ansatz eines Propellerserien-Entwurfs nutzt, dabei jedoch auf kavitationsoptimierten Propellern beruht. Dadurch, dass die Kavitationszahl in die Regression einfließt, wird es möglich, die Einhaltung der Kavitationsgrenzen direkt im Entwurf zu berücksichtigen.
Zunächst wurde ein initiales Propellerdesign erstellt und dieses für verschiedene Flügelzahlen und Flächenverhältnisse angepasst. Der radiale Steigungs- und Wölbungsverlauf wurde als freie Optimierungsvariable behandelt und für ein Raster von vordefinierten Betriebspunkten mithilfe des an der SVA Potsdam entwickelten Propelleroptimierungsverfahrens VORTEX optimiert. Daraus entstand eine Serie von aktuell mehr als 2000 Propellern, welche für ihren individuellen Betriebspunkt eine optimierte Steigungs- und Wölbungsverteilung aufweisen. Da neben der Kavitation auf dem Propellerflügel auch die Spitzenwirbelkavitation prognostiziert werden soll, wurde ein Verfahren zur Spitzenwirbelkavitationsprognose entwickelt. Dieses ermöglicht auf Grundlage der theoretischen Betrachtung des Oseen-Wirbels eine Abschätzung der Unterschreitung des Dampfdrucks im Wirbel. Angewendet auf den Propeller kann hiermit der Radius des kavitierenden Spitzenwirbels in Abhängigkeit der Zirkulation an der Flügelspitze des Propellers bestimmt werden. Dieser Ansatz wurde im Rahmen der Arbeit durch Modellversuche im Kavitationstank der SVA Potsdam validiert und hat sich als praktikabel erwiesen.
Im Anschluss wurde ein Interpolations- und Regressionsverfahren entwickelt und programmtechnisch erfasst, welches den Propellerentwurf auf Basis der zuvor optimierten Propeller ermöglicht. Bei Anwendung des Programms wird im ersten Schritt der Steigungs- und Wölbungsverlauf für jedes in der Serie erfasste Flächenverhältnis ermittelt. Dies geschieht durch eine abschnittsweise lineare Interpolation aus den für die umliegenden Betriebspunkte optimierten Propellern. Anschließend werden auf Basis dieser Propeller, die alle den geforderten Fortschrittsgrad und Schub einhalten, Polynome für die Kavitationszahl und das Drehmoment in Abhängigkeit des Flächenverhältnisses gebildet. Basierend auf diesen Polynomen wird ein Flächenverhältnis ermittelt, bei dem die geforderte Kavitationszahl eingehalten wird und das Drehmoment minimal ist. Für diesen Propeller wird zum Abschluss des Entwurfsprozesses eine Spitzenwirbelkavitationsprognose erstellt und eine Geometriedatei erzeugt. All diese Schritte werden von dem erstellten Propellerentwurfsprogramm ProDesT in wenigen Sekunden ausgeführt und vereinfachen damit den Propellerentwurf.
Vergleiche mit Propellern, die mit der Wageningen B Serie entworfen wurden, zeigen, dass mit diesem Verfahren der schnelle Propellerentwurf deutlich verbessert werden kann, da es die Schnelligkeit eines Serienentwurfs mit den Kavitationsanforderungen eines konventionellen Entwurfs vereint.
