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siegmund-neels
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Wolfgang Kösling 1
SeemannschaftSeemannschaft
Wolfgang Kösling 2
Backbordseite
Steuerbordseite
Mast
Heck
Bug
Steuerstand
Wasserlinie
BegriffeBegriffe
Wolfgang Kösling 3
L.ü.a. Länge über alles größte Länge des festen Bootskörpers, waagerechter Abstand zwischen seinem hintersten und seinem vordersten Punkt
B.ü.a. Breite über alles größte Breite, gemessen über allen festen Anbauten
Tg Tiefgang Senkrechter Abstand der Konstruktionswasserlinie bis zur tiefsten Unterkante des Kiels
Sh Seitenhöhe Senkrechter Abstand zwischen Oberdeck und der tiefsten Unterkante des Kiels
Fb Freibord Senkrechter Abstand der Schwimmwasserlinie von der Oberkante Deck, gemessen an der Seite
V Volumen-verdrängung
Auch Verdrängung; Rauminhalt des unter Wasser befindlichen Bootskörpers ohne Anhänge, angegeben in m3
Begriffe:Begriffe:
Wolfgang Kösling 4
Begriffe:Begriffe:
D Deplacement Auch Masseverdrängung, Gesamtmasse des Bootes, einschließlich Anhänge entsprechend
der Masse der verdrängten Wassermenge, angegeben in t
Dv Volldeplacement Masse des seeklaren Bootes mit 100% Bunkerfüllung
RT Registertonne 1 RT = 2,8315 m3
BRZ Bruttoraumzahl Bruttorauminhalt des Bootes, ergibt sich aus dem Inhalt des Raumes unter dem Oberdeck und dem Inhalt der Aufbauten
NRZ Nettoraumzahl Rauminhalt aller nutzbringenden Räume für Ladung und Passagiere
Wolfgang Kösling 5
Bauarten von SchiffenBauarten von Schiffen
Wolfgang Kösling 6
Manöverkennwerte in der Führung von Booten und Schiffen
Als Manöverkennwerte werden in der Seefahrt bezeichnet:
die Geschwindigkeitsparameter eines Bootes
der Drehkreis eines Bootes
die Auslaufstrecke eines Bootes
die Stoppstrecke eines Bootes
Wolfgang Kösling 7
Die Gesamtheit der Manöverkennwerte sind Ausdruck des gesamten Verhalten eines Bootes in seinen drei Achsen. Die Achsen bezeichnen sich mit den Ausdrücken:
Gieren;
Stampfen;
Rollen.
Daneben tritt ein Längsversatz in Voraus oder Achterausrichtung und der Querversatz zu einer Schiffsseite nach Stb oder Bb auf. Auch kann der gesamte Schiffskörper abtauchen.
Wolfgang Kösling 8
x Achse ist die Kurs oder Gierachse y Achse ist die Rollachsez Achse ist die Stampfachse (Drehachse)
x
y
z
Wolfgang Kösling 9
x‘ y’
z‘
x’ 0°Rollwinkel
y’ 0°Gierwinkel
z’ 0°Stampfwinkel
Wolfgang Kösling 10
Systematik des Bewegungsverhaltens eines SchiffesSystematik des Bewegungsverhaltens eines Schiffesbei der Fahrt und beim Manövrierenbei der Fahrt und beim Manövrieren
Fahrtverhaltenbei konstanter Fahrt und beim
Manövrieren mit der Vortriebseinrichtung
Steuerverhaltenbeim Kurshalten und beim
Manövrieren mit der Steuereinrichtung
konstante Fahrt
Fahrt-änderung
Fahrtrichtungsänderung(Drehen und Stützen)
Kurs-halten
Fahrtbestimmung (Meilenfahrt)
freier Auslauf(Auslaufstrecke)
Aufstoppen(Stoppstecke)
Drehkreis Rückführ-manöver
Spiraltest oderPull-out-Manöver
Wolfgang Kösling 11
Definition der Schwimmfähigkeit (nach Archimedes)Definition der Schwimmfähigkeit (nach Archimedes)
Diese Gleichgewichtsbedingung gilt für schwebende und schwimmende Körper !
WL
FB
FG
fG
B
G: Gewichtsschwerpunkt
B: Verdrängungsschwerpunkt, FormschwerpunktFG = FB
Wolfgang Kösling 12
FAuftrieb
Auftriebsverteilung längs des Bootes
Schwerkraftverteilung längs des Bootes
FSchwerkraft FSchwerkraft
Statische BeanspruchungStatische Beanspruchung
Wolfgang Kösling 13
Dynamische BeanspruchungDynamische Beanspruchung
Wolfgang Kösling 14
Boot quer in den WellenBoot quer in den WellenDurch die unterschiedliche Eintauchtiefe der Schiffsseiten kommt es zur ungleichmäßigen Auftriebsverteilung im Querschnitt des Bootes; dadurch wird der gesamte Spantrahmen beansprucht. Durch die Schlingerbewegung wirkt gleichzeitig die Masseträgheit der Ladung und Ausrüstung und belastet die Bauelemente des Bootes.
Wolfgang Kösling 15
Boot schräg in den WellenBoot schräg in den Wellen
Hierbei tritt zu den bisherigen Beanspruchungen zusätzlich Torsion auf. Das Boot hat dabei das Bestreben, sich quer zu den Wellen zu legen. Diese statischen und dynamischen Beanspruchungen bestehen häufig gleichzeitig und belasten den Bootskörper stark. Um ständig die erforderliche Festigkeit zu gewährleisten, ist eine gute Wartung und Instandhaltung des Bootskörpers erforderlich.
Wolfgang Kösling 16
GeschwindigkeitGeschwindigkeit
Die Bewegungsgröße einer Ortveränderung innerhalb einer bestimmten Zeit wird als
Geschwindigkeit bezeichnet. In der Seefahrt wurde als Maß für die Schiffsgeschwindigkeit die
Seemeile pro Stunde (Knoten) eingeführt. Die Messung der Schiffsgeschwindigkeit erfolgt in
Bezug auf die als ruhend anzusehende Wasseroberfläche bzw. in Bezug auf den
Meeresgrund.
Wolfgang Kösling 17
Die Einflüsse, die auf die Geschwindigkeit eines Schiffes bzw. Bootes einwirken, sind:
Strömung und Windeinfluss,
Seegang,
Flachwassergebiete,
Bewuchs des Schiffskörpers.
Wolfgang Kösling 18
Physikalisch ist das Geschwindigkeitspotential eines Bootes unmittelbar mit der Länge des Bootes, genauer gesagt mit dessen Länge in der Wasserlinie verknüpft. Für jeden Verdrängungsrumpf –also für jeden Rumpf eines nicht gleitfähigen Bootes– gibt es eine bestimmte Grenze, die eine natürliche Geschwindigkeitsbarriere bildet. Ausdruck der Berechnung dafür bildet die bootstypische Froude-Zahl.
RumpfgeschwindigkeitRumpfgeschwindigkeit
Wolfgang Kösling 19
Fn............Froude-Zahl
v..............maximale Schiffsgeschwindigkeit
LWL..........Länge der Wasserlinie des Schiffes
g..............Erdbeschleunigung
Die dimensionslose Froude-Zahl setzt somit die Geschwindigkeit ins Verhältnis zur Länge der Wasserlinie.
gL
vFn
WL
Sie wird berechnet nach der mathematischen Funktion:
Wolfgang Kösling 20
KrängungsverhaltenKrängungsverhalten
Als Krängung wird das vorübergehende seitliche Neigen eines Bootes um die Längsschiffsachse (y-Achse) bezeichnet. Von außen auf das Boot einwirkende Kräfte sind hier die Ursache. Diese Kräfte können sein:
Seegang;
Winddruck;
Rudermanöver;
seitlicher Trossenzug durch Schlepper.
Wolfgang Kösling 21
Im Gegensatz zur Schlagseite ist die Krängung eine vorübergehende bzw. sich
ständig verändernde Erscheinung. Krängungsversuche dienen der
experimentellen Bestimmung der Lage des Masseschwerpunktes G durch absichtlich
erzeugte Krängung. Dabei werden die aufgebrachten Belastungen, ihre Lage, die
Neigungswinkel des Bootes und der Tiefgang gemessen. Die Lage des
Masseschwerpunktes bestimmt dabei das Krängungsmoment.
Wolfgang Kösling 22
Dem Krängungsmoment entgegen wirkt das aufrichtende Moment aus der Formstabilität und der Masseverlagerung der
Besatzung. Wird die statische oder dynamische Stabilität ungenügend, so wird das Boot umschlagen (kentern). Dieses
wird hervorgerufen durch innere bzw. äußere Kräfte (Übergehen der Ladung, freie Oberflächen von Flüssigkeiten
in Tanks, Winddruck).
Gewichts- oder Masseschwerpunkt G
Formschwerpunkt B
Angriffspunkt der Ruderkraft R
Wolfgang Kösling 23
DrehkreisDrehkreis
Der Drehkreis ist der Weg, den ein Boot bzw. Schiff bei einer festen, größeren Ruderlage beschreibt. Meistens
wird die Bestimmung der Backbord- und Steuerborddrehkreisparameter mit hart Ruderlage und Ruder 15° oder 20° bei VV (voller Fahrt) bestimmt. Da
bei einigen Schiffs- bzw. Bootstypen die größte Ruderlage wegen der entstehenden großen
Kränkungswinkel und der damit verbundenen Kentergefahr bei voller Fahrt nicht immer hart
Ruderlage sein kann, muss bei diesen Schiffen bzw. Booten die Grenzruderlage bestimmt werden, die bei voller Fahrt noch möglich ist. Dies gilt besonders für
schlank gebaute Schiffs- und Bootskörper.
Wolfgang Kösling 24
1. Phase
2. Phase
3. Phase
Vorausweg
Querversatz
konstanter Durchmesser
DrehkreisphasenDrehkreisphasen
Wolfgang Kösling 25
1. Phase: Vom Ruderkommando bis zum Beginn der Drehung.
Hier erfolgt die Kränkung nach der Seite der Ruderlage, die geringe seitliche Abweichung (Derivation) und ein leichter Geschwindigkeitsverlust.
2. Phase: Vor Beginn der Drehung bis zum Erreichen einer nahezu konstanten Kursänderungsgeschwindigkeit (Drehrate) mit Umkehrung der Kränkung.
Der Derivationswinkel liegt zwischen 5° und 30° je nach Boots- bzw. Schiffstyp. Der Geschwindigkeitsverlust kann bis zu 95 % (bei Supertankern) betragen. Bei Normalschiffen liegt er ca. bei 60%.
3. Phase: Nahezu konstante Derivationswinkel, Geschwindigkeit und Drehrate
DrehkreisphasenDrehkreisphasen
Wolfgang Kösling 26
Derivation (Ableitung)Derivation (Ableitung)
Als Derivation wird das seitliche Abweichen des Schiffes von seiner Kurslinie bezeichnet. Infolge seines ihm innewohnenden Beharrungsvermögens zeigt das Schiff als Ganzes das Betreben, sich in der einmal eingenommenen Richtung weiterzubewegen; es „rutscht“ demnach von seiner Kurslinie ab. Der Derivationswinkel ergibt sich zwischen der Schiffsvorausrichtung (Kiellinie) und der Tangente am Drehkreis im Drehpunkt des Bootes. Bei Schiffen, die im Verhältnis Länge / Breite = 7 / 1 gebaut sind, beträgt der Derivationswinkel ca. 10°.
Wolfgang Kösling 27
Drehpunkt
Kiellinie
Drehkreis Tangente an den Drehkreis
DerivationDerivation
Wolfgang Kösling 28
DerivationDerivation
Der Derivationswinkel ist abhängig :
der Form des Schiffskörpers;der Form des Schiffskörpers;
vom Ruderlagewinkel;vom Ruderlagewinkel;
von der Geschwindigkeit;von der Geschwindigkeit;
von der Dauer der Kursänderung.von der Dauer der Kursänderung.
Wolfgang Kösling 29
StoppstreckeStoppstrecke
Als Stoppstrecke wird die vom Schiff aus Vorausfahrt nach Legen des Maschinentelegraphen bzw. des Maschinenfahrhebels auf halbe Fahrt zurück bis zum Stillstand des Schiffes zurück gelegte Strecke bezeichnet. Die Stoppstrecken werden für verschiedene Vorausfahrtstufen durch Messfahrten ermittelt und in einer Manövertabelle oder einem Manöverdiagramm als Stoppstreckendiagramm festgehalten. Soll die Stoppstrecke bei einer beliebigen Geschwindigkeit annährend bestimmt werden, gilt:
S0....Stoppstrecke bei der Geschwindigkeit v0
Sv1..Stoppstrecke bei der Geschwindigkeit v1
Sv2..Stoppstrecke bei der Geschwindigkeit v2
Die kürzeste Stoppstrecke wird durch das Notmanöver (Maschine voll zurück) erreicht.
Wolfgang Kösling 30
AuslaufstreckeAuslaufstrecke
Als Auslaufstrecke wird die vom Schiff aus Vorausfahrt nach Legen des Maschinentelegraphen bzw. des Maschinenfahrhebels auf stopp bis zum Stillstand des Schiffes zurück gelegte Strecke bezeichnet. Die Stopp- und Auslaufstrecken werden für verschiedene Vorausfahrtstufen durch Messfahrten ermittelt und in einer Manövertabelle oder einem Manöverdiagramm als Stoppstreckendiagramm festgehalten.
Wolfgang Kösling 31
Die Schwimmfähigkeit Die Schwimmfähigkeit Auf das ohne Bewegung im ruhigem Wasser schwimmende Boot wirken die Schwerkraft und die Auftriebskraft.
Die Schwerkraft entsteht:
durch das Deplacement (Gesamtmasse) des Bootes und
der Erdbeschleunigung.
Die Auftriebskraft entsteht durch den Druck des Wassers auf den Bootskörper. Sie ergibt sich:
aus der Dichte des Wassers;
durch das den Bootskörper verdrängte Wasservolumen und
der Erdbeschleunigung.
Wolfgang Kösling 32
Die Schwimmfähigkeit Die Schwimmfähigkeit
Die Berechnung des Verdrängungsvolumen
(Konstruktionsverdrängung) aus:
Völligkeitsgrad der Verdrängung,
der Länge und Breite der Konstruktionswasserlinie
und
dem mittleren Tiefgang.
Bei einem schwimmenden Boot gilt unter statischen
Bedingen, dass die Schwerkraft gleich der
Auftriebskraft ist. Somit hat ein Boot genau so viel
Masse, wie es auch Wasservolumen verdrängt.
Wolfgang Kösling 33
Wenn die Schwerkraft größer der Auftriebskraft ist, taucht das Boot tiefer ein, wenn die Schwerkraft kleiner der Auftriebskraft ist, taucht das Boot weiter aus, bis wieder Kräftegleichgewicht herrscht. Kann auch im vollgetauchtem Zustand keine Gleichheit der Kräfte erreicht werden, sinkt das Boot. Zur Gewährleistung guter Seeeigenschaften ist eine bestimmte Reserveschwimmfähigkeit erforderlich. Ihre Größe ergibt sich aus dem Volumen des wasserdichten Überwasserteiles eines Bootes.
Gesamtgewicht (FG)(Schwerkraft)
Gewichtschwerpunkt (G)
Formschwerpunkt (F)(Auftriebsschwerpunkt)
Auftriebskraft (FF)
Wasserlinie
Wolfgang Kösling 34
Ströme am fahrendem SchiffStröme am fahrendem Schiff
BugstauHecksee
FahrtstromMitstrom Schrauben-
ergänzungsstrom
Schraubenstrom
Wolfgang Kösling 35
Ströme am fahrendem SchiffStröme am fahrendem Schiff
FahrstromAm Bug weichen die Wassermassen dem Schiffskörper aus, streichen relativ glatt an den Seitenwänden entlang und treffen achtern auf das gelegte Ruder, wo sie ein Steuermoment hervorrufenSchraubenstrom:Die sich drehende Schraube beschleunigt das sie umgebende Wasser und stößt es bei Vorausfahrt nach achtern weg. Hier trifft es auf das gelegte Ruder und übt ein Steuermoment aus. Der Schraubenstrom hat besonders beim Anfahren (Anspringen des Propellers) eine große Wirkung auf das Ruder. Das Steuermoment wirkt nur bei Vorausfahrt auf das RuderErgänzungsstrom:Von allen Seiten fließt das Wasser zur Schraube nach, um den durch den Schraubenstrom entstandenen Wassermangel auszugleichen. Ein Steuermoment bewirkt dieser Strom nicht.
Wolfgang Kösling 36
Mitstrom (Kielwassersog):Durch erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Schraubenstroms sinkt in diesem Bereich der statische Druck und es kommt zu einer Grabenbildung. Darüber hinaus entstehen Turbolenzen im Grenzbereich zwischen Schraubenstrom und dem umgebenen Wasser. Außerdem ist im Heckbereich beiderseits des Schraubenstroms die Strömungsgeschwindigkeit geringer als der Fahrtstrom (relativer Nachstrom). Die Gesamtheit des in Fahrtrichtung nachfließenden Wassers bildet den Mitstrom, der jedoch kein Steuermoment erzeugen kann. Bei der Fortbewegung eines Bootes ohne Propeller bewirkt allein der Fahrtstrom den Kielwassersog Bugstau:Er entsteht bei Vorausfahrt des Bootes durch die Verdrängungskomponente des Bootes. Je größer die Bootsgeschwindigkeit, desto größer ist auch der Bugstau
Wolfgang Kösling 37
Ruder und RuderwirkungRuder und Ruderwirkung
Mit der Ruderanlage kann das Boot in die gewünschte Fahrtrichtung gebracht werden. Die Anlage muss so beschaffen sein, dass ein Boot auch bei schwerstem Wetter und Seegang gut steuerfähig ist.
Die wichtigsten Forderungen, Kursstabilität Kursstabilität und empfindliches Reagieren auf RuderausschlägeReagieren auf Ruderausschläge, stehen im Widerspruch zueinander.
Wolfgang Kösling 38
Ruderanlage
schiffbaulicher Teil:RuderblattRuderkokerRuderhackeBegrenzungenEisschutzStrömungskanäle und Düsen
maschinenbaulicher Teil:RuderschaftQuadrantLagerungmechanische ÜbertragungBremse, Feststellermechanische Antriebehydraulische Antriebemechanische Meldeanlagen
elektromechanischerTeil:elektrische Antriebeelektrohydraulische AntriebeAntriebe der Aktivanlagenelektrische Meldeanlagen
Nach dem Arbeitsbereich gliedern sich die Ruderanlagen wie folgt:
Wolfgang Kösling 39
Ruderschaft
Rudermaschine
Ruderblatt
RuderanlageRuderanlage
Ruderkoker
Wolfgang Kösling 40
Plattenruder
HalbschweberuderSchweberuder
Balanceruder
RuderartenRuderarten
Wolfgang Kösling 41
RuderartenRuderarten
Oerts-Ruder
Simplex-Balance-Ruder
Kordüsenruder
Wolfgang Kösling 42
Einfache Plattenruder werden heute nur noch in der Sportbootschifffahrt verwendet. Profilruder sind Verdrängungsruder der verschiedensten Ausführungsformen, die den Zweck haben die durch das Ruder entstehenden Verwirbelungen des Wassers auf ein Mindestmaß zu beschränken.
ProfilruderProfilruder
Wolfgang Kösling 43
RudeRuderr
Wirkung:Passive Ruderaktive Ruder
Form:PlattenruderProfilruderSimplex- ruderOerzruderKordüsen- ruder
Lagerung:Schwebe- ruderHalb- schwebe- ruder
Anzahl der Ruderflächen:Einflächen- ruderDoppelruderMehrfach- ruder
RuderartenRuderarten
Wolfgang Kösling 44
Ruder mit festem KopfteilRuder mit festem Kopfteil
Bei diesem Typ ist die Ruderwirkung besonders gut. Dadurch erhält das Schiff
bereits bei geringen Geschwindigkeiten eine gute Manövriereigenschaft. Jedoch werden höhere Ruderantriebsleistungen
benötigt.
RuderartenRuderarten
Wolfgang Kösling 45
Da die Ruderkraft von der Größe der Ruderflächen und von Da die Ruderkraft von der Größe der Ruderflächen und von der Anströmgeschwindigkeit abhängt, ergeben sich für die der Anströmgeschwindigkeit abhängt, ergeben sich für die überschlägliche Dimensionierung der Ruderfläche folgende überschlägliche Dimensionierung der Ruderfläche folgende
Faustregeln:Faustregeln:
Schnelle Fahrzeuge mit hoher Anströmgeschwindigkeit erhalten kleine Ruderflächen. Langsame Fahrzeuge mit niedriger Anströmgeschwindigkeit erhalten große Ruderflächen.
Fahrzeuge mit großem Tiefgang haben kurze, aber hohe Ruderflächen. Der Angriffspunkt der Ruderkraft liegt nahe der Drehachse. Dadurch ist wenig Kraft zum Bewegen des Ruders erforderlich.
Fahrzeuge mit geringem Tiefgang haben lange, aber niedrige Ruderflächen. Der Angriffspunkt der Ruderkraft liegt weit von der Drehachse entfernt. Es ist ein großer Kraftaufwand zum Bewegen des Ruders erforderlich.
Wolfgang Kösling 46
Passive Ruderarten
Als passive Ruder bezeichnet man alle Ruderarten, die nur durch Anströmen wirksam werden. Sie wirken also nicht bei stillstehendem Schiff bzw. bei stillstehendem Propeller. Im Laufe der Entwicklung sind verschiedene
Rudertypen entstanden. Bei allen strebt man eine maximale Wirksamkeit bei minimalen
Ruderantriebsleistung an. Das Plattenruder, bestehend aus einer einfachen Platte wurde durch das
Verdrängungsruder (Profilruder) weitgehend abgelöst. Zur Verringerung der Antriebsleistung wurde das
Balanceruder entwickelt.
Wolfgang Kösling 47
Aktive Ruderarten
Als aktive Ruder bezeichnet man alle Ruderarten, die selbst einen Vortrieb erzeugen können. Sie wirken auch
bei stillstehendem Schiff bzw. bei stillstehendem Propeller.
Bekannt ist das Querstahlruder am Heck bzw. am Bug eines Schiffes. Dadurch wird erheblich die
Manövrierfähigkeit verbessert.
Wolfgang Kösling 48
Bugquerstahlruder
AktivruderRuderartenRuderarten
Wolfgang Kösling 49
RuderwirkungRuderwirkung
Um die Fahrtrichtung eines Boots zu ändern, gibt es drei Möglichkeiten:
1. Eine angeströmte Ruderfläche wird um eine Vertikalachse gedreht. Dadurch, dass die Fläche schräg zur Strömungsrichtung steht, wird eine Bewegung in Querrichtung hervorgerufen.
2. Ein Wasserstrahl wird in einem Winkel zur Fahrtrichtung des Bootes abgestrahlt. Dadurch wird die gewünschte Bewegung in Querrichtung hervorgerufen.
3. Einige Ruderarten arbeiten als Kombination der beiden vorgenannten.
Wolfgang Kösling 50
Die Ruderwirkung ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Durch die Besatzung nicht beeinflussbare Faktoren sind:
Anzahl, Form und Größe der Ruderblätter
Form des Unterwasserschiffes
Propelleranordnung
Längen-Breitenverhältnisse des Bootes
Wassertiefe
Wolfgang Kösling 51
Durch die Besatzung beeinflussbare Faktoren sind:
Trimmzustand des Bootes
Anzahl der in Betrieb gesetzten Propeller
Schlagseite des Bootes
Geschwindigkeit des Bootes
Ruderlagenwinkel
der auftretende Propellerstrahl bei
Vorausfahrt
Wolfgang Kösling 52
Das Steuermoment am RuderDas Steuermoment am Ruder
Liegt das Ruder mittschiffs, so kann das Wasser an beiden Seiten ungehindert vorbeistreichen: das Ruderblatt setzt dem Fahrt- und Schraubenstrom keinen Widerstand entgegen. Es entsteht kein Steuermoment.
Wird nun das Ruder aus seiner Mittschiffslage herausgebracht, so staut sich auf der dem Schrauben- und Fahrtstrom zugewandten Seite das Wasser und übt einen Druck auf die Ruderfläche aus. Es entsteht ein Steuermoment.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Ruders entsteht ein Unterdruck (Rudersog)
Da das Ruderblatt fest mit dem Heck des Schiffes verbunden ist, wird das Heck jeweils in die entgegengesetzte Richtung der gegebenen Ruderlage gedrückt.
Wolfgang Kösling 53
Sogseite(Unterdruck)
Druckseite(Überdruck)
Kräfte am RuderKräfte am Ruder
Wolfgang Kösling 54
Ruderkräfte im
Strömungs-feld
Wolfgang Kösling 55
A
R W
Ruderwirkung bei Fahrt voraus undStb gelegtes Ruder
Drehpunktdes Bootes
Wolfgang Kösling 56
Die beiden Kräfte: Druck und Sog, die mit der Ruderfläche, dem Ruderwinkel und dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit
wachsen, wirken in die gleiche Richtung. Sie werden deshalb zu einer Kraft zusammengefasst, die als Ruderkraft (R) bezeichnet
wird. Diese Kraft steht immer senkrecht zur Ebene des Ruderblattes. Die Vektoren der Ruderkraft (R) sind die Widerstandskraft (W) und die Ausscherkraft (A). Die
Widerstandskraft (W) ist die fahrthemmende Komponente. Sie wirkt entgegengesetzt der Fahrtrichtung und wächst mit zunehmender Ruderlage. Die Ausscherkraft (A) ist die
eigentliche Steuerkomponente und wirkt seitwärts, quer zur Fahrtrichtung gerichtet. Sie wächst bis zu einer Ruderlage von 45° und fällt bei Ruderlagen über zunehmend 45° wieder ab. Bei einer theoretischen Ruderlage von 90° wirkt die Ausscherkraft somit nicht mehr, es wirkt dann nur noch die Widerstandskraft
(Bremswirkung).
Wolfgang Kösling 57
0° 15°30°45° 60°75°90°A
WA+W
Das folgende Diagramm veranschaulicht diese gegenseitige Beziehung dieser Kräfte
Wolfgang Kösling 58
A
R W
A
R W
A
RW
Stb 10° Stb 35° Stb 80°
Darstellung der Ruderkräfte bei unterschiedliche Darstellung der Ruderkräfte bei unterschiedliche RuderlageRuderlage
Wolfgang Kösling 59
DrehpunktDrehpunkt
Bei einem treibendem Schiff liegt der Drehpunkt im Schwerpunkt.
Bei Fahrt voraus liegt der Drehpunkt zwischen dem ersten und zweitem Drittel.
Bei Fahrt zurück wandert der Drehpunkt mit zunehmender Fahrt achteraus nach achtern in Richtung Mittelpunkt, jedoch nicht weiter.
AR
W
Wolfgang Kösling 60
Der SchiffspropellerDer Schiffspropeller
die ersten PropellerkonstruktionenLinks oben: Ressel (1829),Rechts oben: Smith (1838)
Propelleranordnung auf einem Einschraubenschiff
Wolfgang Kösling 61
Der SchiffspropellerDer Schiffspropeller
Aufbau eines Schiffspropellers
Wolfgang Kösling 62
SchiffspropellerSchiffspropeller
Der Propeller als Hauptantrieb wird üblicherweise am Heck des Schiffes angeordnet, nur bei Eisbrechern oder
speziellen Fährschiffen gibt es zusätzliche Bugpropeller. Daneben kommen Bug- oder Heckstrahlpropeller zum
Einsatz, welche das Manövrieren durch Erzeugung von Querstrom wirkungsvoll verbessern.
Zu unterscheiden sind rechtsdrehende und linksdrehende Propeller von drei und mehr Flügel.
Die Drehrichtung wird erkannt, wenn man von hinten auf den
Propeller schaut und der Propeller für Vorausfahrt dreht.Rechtsdrehender
Propeller
Wolfgang Kösling 63
SchiffspropellerSchiffspropeller
Verschiedene Propellertypen unterscheiden sich in:
Festpropeller (gleichbleibende Drehrichtung, mit der Maschine umsteuerbar von voraus auf zurück);
Verstellpropeller (Verstellen des Ausstellwinkel der Flügel);
Gegen-Contra-Propeller (Leitblech hinter dem Propeller bewirkt Umlenkung des Schraubenstroms in axiale Richtung);
Düsenpropeller (Korddüse umgibt Propeller);
Lenkpropeller (Propeller ist zum Steuern horizontal schwenkbar);
Voith-Schneider Propeller (Exentersteuerung senkrechter Flügel auf kreisförmigen Laufradkörper unter dem Schiff).
Wolfgang Kösling 64
Wolfgang Kösling 65
Festpropeller im Propellerbrunnen
eines Bootes
Festpropeller mit Halbbalance-
Halbschweberuder
Verstellpropeller in drehbarer Ruderdüse mit zusätzlicher Ruderfläche
Arten von SchiffspropellernArten von Schiffspropellern
Wolfgang Kösling 66
Voith-Schneider-Antrieb
Wolfgang Kösling 67
Voith-Schneider-Antrieb Detailanschicht
Wolfgang Kösling 68
SchiffspropellerSchiffspropeller
D
R S
Propeller-durchmesser (D)
Propeller-pfeilung (R)
Propeller-steigung (S)
Wolfgang Kösling 69
PropellersteigungPropellersteigung
Wolfgang Kösling 70
SchiffspropellerSchiffspropeller
Durchmesser, Steigung und Flächenverhältnis bestimmen das Leistungsverhalten des Propellers.
Dieses Verhalten muss zusammenwirken mit der
Motorleistung und die Motordrehzahl,
Getriebeuntersetzung,
Rumpfform und
Verdrängung
eines Schiffes.
Wolfgang Kösling 71
SchiffspropellerSchiffspropeller
Propellerflügel arbeiten im Idealfall wie Tragflächen von Flugzeugen. Die Formgebung der Flügelfläche beeinflusst die Strömungs-geschwindigkeit des vorbeifließenden Wassers.
Wolfgang Kösling 72
Der tatsächliche Weg, den die Schraube im Wasser zurücklegt, ist kleiner, als sich der aus der Steigung der
Schraube ergebene theoretische Weg. Die Differenz (Slip) kann bis zu 30% betragen. Der Slip ist besonders
groß, wenn das Boot Fahrt über den Achtersteven macht und man mit der Maschine auf Fahrt voraus geht.
SlipSliptheoretischer
Weg
tatsächlicher Weg
Slip
Wolfgang Kösling 73
Dieser Unterschied wird als SlipSlip oder Schlupf bezeichnet und liegt zwischen 20 und 30 Prozent gegenüber 100 Prozent eines festen Mediums.
Die Größe des Slips ist abhängig:
von der Unterwasserform des Schiffes oder Bootes,
der Geschwindigkeit des Schiffes oder Bootes
und den Schraubenumdrehungen pro Minute.
Auch die herrschende Wetterlage (Seegang, Strömung) beeinflusst den Slip.
Steigung eines Bohrers
SlipSlip
Wolfgang Kösling 74
SchraubenwirkungSchraubenwirkung
Sog:Sog:
Der Propeller verändert während seiner Arbeit die Druckverteilung am Unterwasserschiff. Vor dem arbeitenden Propeller entsteht ein Gebiet abgesenkten Druckes, der als Sog bezeichnet wird. Um diesen Sog zu überwinden, muss der der Propeller zusätzlichen Schub aufbringen.
SquatSquat
Verringert sich bei Fahrt im Flachwasser die Bodenfreiheit, so kann der arbeitende Propeller nicht mehr genügend Wasser ansaugen. Die Schiffsgeschwindigkeit ist zu verringern, um ein Ausscheren bzw. Absacken des Hecks zu vermeiden.
Wolfgang Kösling 75
SchraubenwirkungSchraubenwirkung
Durch Drehung des Propellers entstehen neben der Schubkraft Querkräfte. Diese Querkräfte werden unterteilt in:
eine Vertikalkraft, die nach oben gerichtet ist;
eine Horizontalkraft, die
bei rechtdrehenden Propeller nach Backbord,
bei linksdrehenden Propeller nach Steuerbord
gerichtet ist.
Wolfgang Kösling 76
SchraubenwirkungSchraubenwirkung
1.) Durch die Form des Unterwasserschiffes ergeben sich unterschiedliche Druckverhältnisse im Propellerbereich während der Arbeit des Propellers. Im oberen Bereich des Unterwasserhecks ist weniger Wasser verfügbar, als im unteren Bereich.
Der Propeller muss somit im unteren Propellerbereich mehr Arbeit aufbringen, um das Wasser, wie im oberen Bereich zu verdrängen! Dadurch erhöht sich der Nachstrom im oberen Bereich
Wolfgang Kösling 77
SchraubenwirkungSchraubenwirkung
2.) Die Horizontalkraft am Propeller ergibt sich aus der Ungleichheit der den Propeller umgebenen Nachstromverhältnisse. Der Nachstrom ist in der oberen Hälfte des Propellerkreises stärker als unten. Die Druckverhältnisse an den Propellerblättern sind dort deshalb stärker, als in der unteren Hälfte. Durch diese horizontale Kraft- und Druckverteilung ergibt sich bei rechtsdrehender Schraube die Richtung der Horizontalkraft nach Backbord.
Dieser Effekt ist eine direkte Wirkung der Schraube und wird als RadeffektRadeffekt bezeichnet!
Druckverhältnisse am Propeller
Heck scheert nach Stb aus
Nachstrom
Nachstrom
Wolfgang Kösling 78
SchraubenwirkungSchraubenwirkung
Mit der Folge, dass bei gleicher Ruderlage der Steuerborddrehkreis eines Schiffes mit einer rechtsdrehenden Schraube größer ist, als der Backborddrehkreis.
Auf geradem Bahnverlauf verursacht der Radeffekt bei rechtsdrehender Schraube ein Gierverhalten des Schiffes nach Backbord, der durch eine Ruderlage nach Steuerbord ausgeglichen werden kann. Die reale Rudermittschiffslage kann dann 1° bis 3° Stb betragen!
Wolfgang Kösling 79
SteuerwirkungSteuerwirkung
Die direkte Steuerwirkung
Unter der direkten Steuerwirkung wird jene kursbeeinflussende Unter der direkten Steuerwirkung wird jene kursbeeinflussende Wirkung verstanden, die allein auf den unmittelbaren Einfluss Wirkung verstanden, die allein auf den unmittelbaren Einfluss der Schraube zurück zuführen ist.der Schraube zurück zuführen ist.
Erste Wirkung der direkten Steuerwirkung ist der querschiffs gerichtete Seitenschub. Je tiefer die Schraube im Wasser liegt, desto geringer ist der Seitenschub.
Zweite Wirkung der direkten Steuerwirkung ist die Ruderwirkung eines Propellers, die aufgrund der Verdrehung der Schraubenblätter entsteht. Je größer die Schraubenflügel im Verhältnis zur Schiffsgröße sind, umso größer ist diese Ruderwirkung.
Wolfgang Kösling 80
SteuerwirkungSteuerwirkung
Die indirekte Steuerwirkung
Unter der indirekten Steuerwirkung wird jene kursbeeinflussende Unter der indirekten Steuerwirkung wird jene kursbeeinflussende Wirkung verstanden, die auf den Einfluss der Schraube auf das Wirkung verstanden, die auf den Einfluss der Schraube auf das Ruder zurück zuführen ist.Ruder zurück zuführen ist.
Erste Wirkung ist die Wirkung des Schraubenstroms auf das Ruder bei Fahrt voraus. Das Ruder stärker angeströmt, als bei Stillstand der Schraube. Die Ruderwirkung verbessert sich erheblich. Der nach achtern gerichtete Schraubenstrom drückt zusätzlich zum Fahrtstrom auf das übergelegte Ruder.
Zweite Wirkung ergibt sich wenn, die Schraube aus dem Stillstand auf „voraus“ anspringt.. Die Schraube schraubt sich noch nicht in das Wasser hinein. Der Slip beträgt nahezu 100%. Der Schraubenstrom auf das gelegte Ruder zeigt dabei seine größte Wirkung. Einschraubenschiffe können so 10 bis 20 Grad drehen, ehe sie Fahrt aufnehmen.
Wolfgang Kösling 81
SteuerwirkungSteuerwirkung
Die direkte und die indirekte Steuerwirkung tritt fast gleichzeitig auf
und lässt keine sichtliche Trennung beider Wirkungen zu.
Wolfgang Kösling 82
Zusammenwirken von Ruder und SchraubeZusammenwirken von Ruder und Schraube
Der Propeller erzeugt beim Drehen Schubkraft, genanntPropulsion (Vortrieb).
Nach Fahrtaufnahme des Schiffes auf voraus wird der Schraubenstrom axial verlaufen. Es entsteht eine direkte Steuerwirkung durch unterschiedliche Druckverhältnisse im Bereich des Propellerkreises und eine indirekte Wirkung des Schraubenstroms auf das Ruder.
Beim Anspringen einer rechtsdrehenden Schraube auf voraus wird das dem Propeller umgebene Wasser zuerst zentrifugal weggeschleudert und trifft das Heck im Unterwasserbereich an Backbord-Seite. Das Heck dreht nach Steuerbord.
Wolfgang Kösling 83
Zusammenwirken von Ruder und SchraubeZusammenwirken von Ruder und Schraube
Beim Anspringen einer rechtsdrehenden Schraube auf zurück wird das dem Propeller umgebene Wasser zentrifugal weggeschleudert und trifft das Heck im Unterwasserbereich an Steuerbord-Seite. Das Heck dreht nach Backbord.
Bei einem festgestellten Propeller (Schiff wird geschleppt) tritt Bremswirkung auf.
Bei Fahrt voraus eines Schiffes wirkt der Fahrstrom und der Schraubenstrom auf das Ruder. Beide Kräfte addieren sich.
Bei Fahrt zurück eines Schiffes wirkt nur der von achtern kommende Fahrstrom auf das Ruder. Der Schraubenstrom kann das Ruder nicht treffen, da er nach voraus abfließt. Die Ruderkraft zeigt bei geringer Fahrt über den Achtersteven nur geringe Wirkung.
Wolfgang Kösling 84
DrehzahlDrehzahl
Die Drehung des Festpropellers verursacht ein ungleichförmiges Strömungsbild des Wassers hinter dem Propeller. Der Propeller wird nicht nur durch Schub- und Drehmomente, sondern auch durch weitere die während eines Umlauf periodisch auftretenden schwankenden Kräfte und Momente belastet. Diese Kräfte und Momente werden über die Wellenanlage, dem Drucklager auf den Antriebsmotor übertragen. Diese auftretenden schwingungserregenden Kräfte übertragen sich auf das gesamte Schiff und können durch Änderung der Drehzahl beseitigt werden. Dieser Effekt des Propellers wird als „kritische Drehzahl“ bezeichnet. Bei modernen Propellern ist dieser Effekt weitgehend beseitigt.
Wolfgang Kösling 85
Hohlraumbildung in sehr schnell fließenden Flüssigkeiten.
Ursache:
Steigende Strömungsgeschwindigkeit
Absinken des statischen Drucks
Absinken der Siedetemperatur
Auswirkung:
Im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeiten bilden
sich die Dampfbläschen zurück (Implusion der
Dampfbläschen auf den Propeller, Geräuschbildung,
Materialabtrag).
KavitationKavitation
Wolfgang Kösling 86
Kavitation wird vermieden durch:
Großes Flächen-Verhältnis, d.h. relativ breite
Flügel
Geringe Schubbelastung des Propellers
Gleichmäßige Zuströmung zum Propeller,
um starke Anströmwinkelschwankungen zu
vermeiden.
Wolfgang Kösling 87
Kavitationsgefährdete Stellen sind:
Flügelspitzen
Vorderkantenbereich der Flügel
Hinterkantenbereich der Saugseite
Hohlkehle zwischen Nabe und Druckseite.
Wolfgang Kösling 88
SteuerfähigkeitSteuerfähigkeit
Vermögen des Schiffs, den Kurs zu halten und auf Ruderlagen mehr oder weiniger schnell anzusprechen.
Abhängig vom Trimm und auch von der
Masseverteilung im Schiff.
Beeinflusst durch:
Flachwasser,
Fahrwasserbegrenzungen,
Wind und Seegang.
Wolfgang Kösling 89
ZusammenfassungZusammenfassung
Schraubenpropeller schrauben sich in Richtung der Drehachse durch das Wasser.
Die Flügelform muss daher an die Schraubenbewegung angepasst werden.
Die Steigung des Propellers ist der bei einer Umdrehung in Achsenrichtung
zurückgelegte Weg.
Die Anströmung der Propellerflügel hängt von der Drehzahl des Propellers und
der Schiffsgeschwindigkeit ab.
Wolfgang Kösling 90
Damit alle Flügelteile optimal angeströmt werden, muss das Steigungs-Verhältnis
genau auf das Geschwindigkeits-Drehzahl-Verhältnis, den Fortschrittsgrad,
abgestimmt werden.Die Propellerkräfte ergeben sich aus den Unter- und Überdrücken an den Flügeln. Sie summieren sich zu Schub und Drehmoment. Gute Wirkungsgrade erfordern große, schmalflügelige Propeller mit optimalem Steigungsverhältnis.Kavitation am Propeller muss vermieden werden, da sie zu Erosionen, zu Wirkungsgradverlusten und zu Geräuschen führt.
Wolfgang Kösling 91
ManöverManöver
Auswirkung beim Manövrieren:Auswirkung beim Manövrieren:
Rechtsdrehende Schraube, Einschraubenschiff,Rechtsdrehende Schraube, Einschraubenschiff,
Phasen des Anlegens mit Steuerbordseite an die Pier, kein Wind
Fahrstufe: Kleine Fahrt Voraus
Ruderlage: Mittschiffs
Fahrstufe: Stop, Schiff macht Restfahrt
Ruderlage: Backbord, Schiff dreht leicht nach Bb
Fahrstufe: Halbe Fahrt zurück, bis Schiff steht, danach Stop
Ruderlage: Backbord
Bei Anspringen der Schraube auf zurück wird das Wasser gegen das Steuerbord-Unterwasserheck geschleudert. Wirkung Bug dreht nach Steuerbord und zieht auf die Pier.
Bugausschlag Heckausschlag
für Schiffe
Anlaufwinkel ca. 35° bis 45°
Wolfgang Kösling 92
Auswirkung beim Manövrieren:Auswirkung beim Manövrieren:
Rechtsdrehende Schraube, Einschraubenschiff,Rechtsdrehende Schraube, Einschraubenschiff,
Phasen des Anlegens mit Backbordseite an die Pier, kein Wind
Fahrstufe: Kleine Fahrt Voraus
Ruderlage: Mittschiffs
Fahrstufe: Stop, Schiff macht Restfahrt
Ruderlage: Steuerbord, Schiff dreht leicht nach Stb
Fahrstufe: Halbe Fahrt zurück, bis Schiff steht, danach Stop
Ruderlage: Steuerbord
BugausschlagHeckausschlag
für Schiffe
Anlaufwinkel ca. 35° bis 45°
ManöverManöver
Bei Anspringen der Schraube auf zurück wird das Wasser gegen das Steuerbord-Unterwasserheck geschleudert. Wirkung Bug dreht nach Steuerbord und zieht von der Pier weg!
Wolfgang Kösling 93
Auswirkung beim Manövrieren:Auswirkung beim Manövrieren:
Rechtsdrehende Schraube, Einschraubenschiff,Rechtsdrehende Schraube, Einschraubenschiff,
Merke:Merke:
Bei Steuerbordanleger ist der Bug nicht nahe der Pier zu bringen, da bei Anspringen der Schraube auf zurück, der Bug auf die Pier zu dreht.
Bei Backbordanleger ist der Bug nahe an die Pier zu bringen, da bei Anspringen der Schraube auf zurück der Bug von der Pier wegzieht.
für Schiffe ManöverManöver
Wolfgang Kösling 94
Auswirkung beim Manövrieren:Auswirkung beim Manövrieren:
Rechtsdrehende Schraube, Einschraubenboot,Rechtsdrehende Schraube, Einschraubenboot,
Phasen des Anlegens mit Backbordseite an die Pier, kein Wind
Fahrstufe: Halbe bis volle Fahrt zurück, bis Boot steht, danach Stop
Ruderlage: Hart Steuerbord
für Boote
Fahrstufe: Kleine Fahrt Voraus
Ruderlage: Mittschiffs
Fahrstufe: Stop, Boot macht Restfahrt
Ruderlage: Steuerbord, Boot muss leicht nach Stb drehen!
Durch Kombination der Steuerborddrehung mit dem Fahrtmanöver „zurück“ wird erreicht, dass sich das Boot an die Pier zieht!
ManöverManöver
Wolfgang Kösling 95
Anlegen bei Wind:Anlegen bei Wind:
Ablandiger Wind:
Bei ablandigem Wind ist das Boot dicht an die Pier zu bringen. Wenn nötig ist die Pier in einem fast rechten Winkel anzulaufen, um das Abtreiben zu verhindern
für Boote
Fahrstufe: Kleine Fahrt Voraus
Ruderlage: Mittschiffs
Fahrstufe: Stop, Boot macht Restfahrt
Bug muss kräftig nach Stb drehen!
aufstoppen und langsam Fahrt voraus. Ruder hart Stb und halbe Fahrt zurück bis Boot steht.
Merke:Merke:
Bei einer hohen Pier kann das Boot in einen Windschatten geraten!
ManöverManöver
Wolfgang Kösling 96
Anlegen bei Wind:Anlegen bei Wind:
Auflandiger Wind:
Bei auflandigem Wind ist das Boot weit ab und parallel an die Pier zu bringen. Der Wind wird das Boot auf die Pier zu treiben
für Boote
Fahrstufe: Kleine Fahrt Voraus
Ruderlage: Mittschiffs
Fahrstufe: Stop, Boot macht Restfahrt
Bug muss nach Stb drehen! Eventuell Hart Stb-Ruder legen
aufstoppen. Ruder mittschiffs und halbe Fahrt zurück bis Boot steht.
Merke:Merke:
Boot ca. 2 bis 3 Meter parallel zur Pier aufstoppen! Es wirkt der drückende Wind
ManöverManöver
Wolfgang Kösling 97
Rückwärts zwischen zwei Dalben an die Pier ohne WindRückwärts zwischen zwei Dalben an die Pier ohne Wind
für Boote
Fahrstufe: Kleine Fahrt Voraus
Ruderlage: Mittschiffs
Stop and Go. Boot macht Fahrt achteraus. Heck muss zwischen die Dalben kommen! Kursbeeinflussung durch Ruderlegen bei Fahrt zurück.
Bb-Ruder Heck dreht nach Bb
Stb-Ruder Heck dreht nach Stb
Gegebenfalls Aufrichten des Bootes mit voraus und entsprechender Ruderlage!
Ruder hart Steuerbord und halbe bis volle Fahrt zurück bis Boot fahrt achteraus macht
ManöverManöver
Wolfgang Kösling 98
Rückwärts zwischen zwei Dalben an die Pier mit SeitenwindRückwärts zwischen zwei Dalben an die Pier mit Seitenwind
für Boote
Fahrstufe: Kleine Fahrt Voraus
Ruderlage: MittschiffsRuder hart Steuerbord und halbe bis volle Fahrt zurück bis Boot fahrt achteraus macht
Boot in Windrichtung neben der Einfahrt stellen und vom Wind vor die Einfahrt drücken lassen. Kombination von zurück und voraus Manöver, um die Richtung zu halten!
ManöverManöver
Wolfgang Kösling 99
Mann über Bord ManöverMann über Bord Manöver für Schiffe
270° Turn Williamson- Turn
Scharnow- Turn
Wolfgang Kösling 100
Mann über Bord ManöverMann über Bord Manöver für Boote
Wind von Steuerbord
Wind von Backbord
45°
2 b
is 3
Bo
ots
län
gen
Wolfgang Kösling 101
Mann über Bord ManöverMann über Bord Manöver für Boote
Wind von vorn
Wind von achtern
Der Drehkreis kann sowohl über Bb als auch über Stb gefahren werden
Wolfgang Kösling 102
Mann über Bord ManöverMann über Bord Manöverfür Boote
Regeln für die Manöverdurchführung „Mann über Bord“Regeln für die Manöverdurchführung „Mann über Bord“
Halte nie mit dem Bug auf die im Wasser liegende Person zu!
Wähle ein Anlaufkurs quer zum Wind von mindesten zwei Bootslängen!
Das Heck ist mit kurzer Ruderlage bei dem Ruf „Mann über Bord“wegen der Schiffsschraube vom Unfallort wegzudrehen! Die Schraube ist auszukuppeln!
Achte auf die Tiefenverhältnisse am Unfallort und im Manöverbereich (enge Fahrwasser)!