Technische Universitt Berlin

Fachgebiet Dynamik Maritimer Systeme

Propeller und Kavitation II

Thema : Berechnung eines optimierten Propellers mit OpenProp

Student: .., Matrikelnr: ..

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Die Forderungen, die der Propeller erfhlen muss, sind die folgende:

Die Motoren die solche Leistung liefern knnen, wie aus einer kurzen Nachforschung auf

den Internetseiten groen Hersteller (Wrtsil, MAN) hervorging, drehen sich von 65 bis 95

rpm.

So fr die parametrische Studie mit Hilfe des Programms OpenProp werden Propeller

mit diesem Spektrum von Drehzahl optimiert. Die Anzahl der Flgel, die bei praktischen Anwen-

dungen und solchen Leistungen verwendet wird, ist von 4 bis 7 Flgel und es hat mit der Wahr-

scheinlichkeit fr Resonanz mit anderen Bauteilen des Schiffes zu tun. Trotzdem sind heutzu-

tage bei groen Schiffen 5 oder 6 flgelige Propeller am hufigsten, so wenn es geht, solche

Propeller werden bevorzugt werden. Die Optimierung wurde fr die folgenden Variationen

durchgefhrt.

Schub T (N) 2.5 106

Propellerdurchmesser Dmax (m) 7.9

Nabendurchmesser dNabe (m) 1.4

Schiffsgeschwindigkeit vs (kn) 20

Schiffsgeschwindigkeit vs (m/s) 10.2889

Motor Leistung (shaft*prop0.68) (kW) (erste Annherung )

37827

Die Zweitaktmotoren von MAN

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Min Inkrement Max

Flgelanzahl 4 1 7

Drehgeschwindigkeit (rpm) 65 5 95

Propellerdurchmesser (m) 7 0.1 7.9

Die Ergebnisse kann man auf den folgenden Diagrammen schauen.

4

5

Prop_1 3D Ansicht

Man kann bemerken, dass die 5- und 6-flgeligen Propeller den hchsten Wirkungsgrad

haben. Auf jeden Fall je grer der Durchmesser, desto hher der Wirkungsgrad ist, wie man

erwarten wrde. Bei beiden Propeller sind die 95 rpm am besten.

Flgelanzahl Bester Wirkungsgrad () Drehzahl Propellerdurchmesser (m)

Prop_1 5 0.6955 95 7.9

Prop_2 6 0.6948 95 7.9

Berechnung der beiden Propeller

Prop_1

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Prop_1 2D Ansicht

Prop_1 Freifahrtdiagramm

7

Prop_2

Prop_2 2D Ansicht

Prop_2 3D Ansicht

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Die berechnenden Eigenschaften den beiden Propeller kann man in der folgenden Ta-

belle schauen.

Prop_1 Prop_2

J 0.82256 0.82256

KT 0.24978 0.24978

KQ 0.046877 0.046958

Wirkungsgrad 0.69758 0.69638

Drehmoment (Nm) 3706478 3712872

Schub (N) 2.5 106 2.5 106

Leistung (kW) 36873.4 36937.1

Wie man sehen kann, ist der beste von den beiden Propeller der Prop_1, weil er die

niedrigste Leistung bentigt und den hchsten Wirkungsgrad hat. Die Lsung ist auch machbar,

weil es ein passender Motor gibt, und zwar der Wrtsil RT-flex82C 9- Zylinder Motor. Weiter

unten kann man das Rating Field von diesem Motor sehen und auch das Arbeitspunkt von

Prop_1

Prop_2 Freifahrtdiagramm

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Erklren Sie den Begriff Kavitation

Unter dem Begriff der Kavitation ist die Bildung kleiner Gasblasen in einem Fluid und

deren Implosion zu verstehen. Das ist ein dynamischer Prozess und entsteht wenn der hydro-

statische Druck aufgrund hoher Strmungsgeschwindigkeiten unter einen kritischen Wert ab-

sinkt. Nach dem Gesetz von Bernoulli ist der statische Druck im Flssigkeiten umso geringer, je

hher die Geschwindigkeit wie weiter unten darstellt wird:

1

22 + = .

1

2

2 + = 0

= 2(0 )

, 0 = +

Wasser verdampft bei einem Normaldruck von 1013.25 mbar bei 100C. Bei einer Tem-

peratur von 20C verdampft Wasser bei Absolutdrcken kleiner 23.27 mbar. Beim Meerwasser

ist bei 20C der Verdampfungsdruck nach ITTC ein bisschen niedriger und zwar 22.914 mbar.

Der entstandene Wasserdampf und die Blasen werden mit der Strmung in Gebiete hheren

Drucks transportiert und zerfallen dort wieder schlagartig. Beim Kollaps einer Kavitationsblase

sendet diese eine Stowelle aus. Findet der Kollaps in der Nhe einer Grenzflche statt, bildet

sich ein sogenannter Jet, ein Wasserstrahl, der auf die angrenzende feste Flche gerichtet ist.

Dieser Kollaps-Mechanismus ist verantwortlich fr die Beschdigung von Oberflchen durch Ka-

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vitationserosion. Diese Erosion kann in Maen erwnscht sein, wie im Fall der Ultraschall-Reini-

gung oder aber auch gnzlich unerwnscht, wie bei Schiffspropellern. Kavitation kann hydrody-namisch durch Spannungen im Fluid entstehen, zum Beispiel an Dsen oder Propellern, hinter

Ventilen und, allgemein gesagt, bei Drucknderungen in der Flssigkeit.

Kavitation ist eng verwandt mit Sieden. Der wesentliche Unterschied besteht in der Me-

thodik der Phasenwechsel zu erzielen. Kavitation beeinflusst wesentlich den Wirkungsgrad des

Propellers und ebenfalls die Faktoren KT und KQ. Trotz der Tatsache, dass Kavitation grundstz-

lich unerwnscht ist, ist manchmal ein kleiner Anteil von Kavitation am Propeller akzeptabel.

Welche Gren am und um den Schiffspropeller beeinflussen die Kavitati-

onsgefahr? Wie flieen diese Gren in die Formeln zur Berechnung mit

ein?

Die Kavitationsgefahr hngt von vielen Faktoren und Gren ab. Die Wasserqualitt

spielt eine wichtige Rolle. Die Temperatur und der Salzgehalt ndern den Verdampfungsdruck

des Wassers. Die Anzahl von kleinen Gas- und Luftblasen als auch ungelste Luft beeinflussen

die Kavitationsgefahr, weil von diesem Blasen fngt die Verdampfung des Wassers an. Natrlich

andere Faktoren, die die Kavitationsgefahr beeinflussen, sind die Eigenschaften des Nachstrom-

feldes und zwar die Turbulenz, die Linearitt des Flusses, das Druckfeld, und das Geschwindig-

keitsfeld.

Eine sehr groen Rolle spielen auch die Gren die eng mit dem Propeller verbunden

sind, wie die Geometrie und der Drehzahl. Je hher der Drehzahl, desto hher die Stromge-

schwindigkeit an der Flgel des Propellers, und desto niedriger der Druck. Das heit, dass der

Kavitationszahl nimmt ab und Kavitation ist leichter sich zu entwickeln. Der Fortschrittsziffer

kann bestimmen ob Kavitation wahrscheinlich ist oder nicht wie das folgendes Diagramm zeigt

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Fr einen bestimmten Bereich von Fortschrittsziffer J ist es leichter Kavitation zu entste-

hen. Der Fortschrittsziffer ist:

=

Also wenn bestimmten Kombinationen von Geschwindigkeit, Drehzahl und Propeller

Durchmesser vermeidet werden, kann sich der Kavitationsgefahr wesentlich vermindern.

Bei Groen Drehzahlen ist auch mglich, Kavitation in Unterdruckgebieten an den Saug-

seiten der Propellerbltter sich zu entwickeln. Hohe Wlbung der Druckseite kann Kavitation

verursachen. Falsche Blattprofilform kann Kavitation und Erosion auf der Saugseite verursa-

chen. Der Blattanzahl beeinflusst auch die Kavitation. Erhhung der Blattanzahl kann auch die

Kavitation vermindern. Das heit, dass die Flchenverhltnis beeinflusst auch die Entwicklung

von Kavitation. Es gibt ein empirisch bestimmtes Mindestflchenverhltnis, bei der die zweite

Phase der Kavitation vermeiden wird und kann aus folgender Formel abgeschtzt werden.

0

=(1.5 + 0.35)

( + 0 )+

0.2

Hier steht Zp fr die Anzahl der Wellen am Schiff.

Bewerten Sie die Kavitationssicherheit der berechneten Propeller

Um die Kavitationssicherheit der berechneten Propeller zu bewerten, muss zuerst die

Kavitationszahl berechnet werden.

=0

12[

2 + ()2],

Die berechnenden Werte kann man weiter unten sehen

D (m) p0 (Pa) pv (Pa) (kg/m3) vA (m/s) n (s-1) J

3.95 151629.78 2291.4 1026 10.2889 1.583 0.82256

Die Kavitationszahl am Flgel ist:

12

Um zu bewerten ob Kavitation entstehen kann oder nicht, kann man das folgende Dia-

gramm nutzen

13

Wie man sehen kann, gibt es Kavitation auf dem Propeller fr den ganzen Flgel, das na-

trlich unerwnscht ist.

Man kann aber auch das Programm OpenProp benutzen um die Kavitationssicherheit zu

bewerten. Als Beispiel werden die Ergebnisse von Prop_1 dargestellt werden.

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Die grne und am meisten die blaue Gebiete sind Kavitationsfreie und je roter ein Ge-

biet ist, desto intensive die Kavitation ist. Man kann sofort sehen, dass auf die Saugseite sehr

intensive Kavitation auftritt. Der Propeller ist nicht optimal, was die Kavitationssicherheit be-

trifft. Wenn aber der Propeller eine hhere AE/A0 htte dann wre der Propeller und die Kavita-

tion:

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Wie man sehen kann, tritt noch Kavitation auf, aber die Situation ist viel besser. Dieser Propel-

ler bentigt aber ein bisschen hhere Leistung und zwar 39250 kW mit einem Wirkungsgrad

von 0.65535. So muss man sich entscheiden, was am wichtigsten fr sich und die jeweilige An-

wendung ist.

Beschreiben Sie die von OpenProp benutzte Propellertheorie

OpenProp basiert sich auf die Traglinientheorie. Im Rahmen der Traglinientheorie wird

jedes Propellerblatt al sein tragender gerader Wirbel betrachtet. Die Zirkulation des Wirbels (r)

verndert sich entlang der Radius der Propeller. Die nderung der Zirkulation zwischen zwei

Querschnitten bei r=ri und r=r2 wird durch Erzeugung der zur Traglinie senkrechten Wirbelinten-

sitt f begleitet, die eine Wirbelschicht oder eine Wirbelschleppe bildet. Die induzierten Ge-

schwindigkeiten werden mithilfe eines Wirbelgitters berechnet. Der Flgel selbst wird in disk-

trete Teile modelliert und jede Sektion wird als eine 2D Flgel, quasi von unendlicher Spanweite

betrachtet. Die Geschwindigkeiten sind die folgende

Und = ( + )2 + ( + + )2

Die Zirkulation fr jede 2D Querschnitt ist

=

= (+

)0

Nach dem Theorem von Joukowski knnen der Schub und das Moment ohne Berck-

sichtigung der Reibung folgendermaen berechnet werden:

=

, =

, = +

+ +

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Literatur

(Carlton 2006) CARLTON, John: Marine Propellers and Propulsion. Bd. Second

Edition. Elsevier Ltd., 2006

(Lewis 1988) L EWIS, E. (Hrsg.): Principles of Naval Architecture - Volume II: Re-

sistance, Propulsion and Vibration. SNAME, 1988

H.Schneekluth and V. Bertram: Ship Design for Efficiency and Economy

OpenProp v2.4 Theory Document, Brenden Epps

Propellertherorie, Nikolai Kornev, Universitt Rostock