DE10160000B4

DE10160000B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Reduzieren von Materialschäden an Schiffsrudern

Info

Publication number: DE10160000B4
Application number: DE2001160000
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Kühmstedt; Gerd Dipl.-Ing. Milbradt
Original assignee: Kvaerner Warnow Werft GmbH
Current assignee: Wadan Yards Warnow 18119 Rostock De GmbH
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2021-12-08
Also published as: AU2002352229A1; DE10160000A1; WO2003047964A1

Abstract

Verfahren zum Reduzieren von Materialschäden an hohen Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzten Schiffsteilen, wobei ein durch die Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufener Unterdruck im Bereich des Schiffsruders durch Zuführen eines Gases wenigstens teilweise ausgeglichen wird, und wobei das Schiffsruder in Strömungsrichtung nach einem Propeller angeordnet ist und das Gas in Strömungsrichtung vor dem Schiffsruder zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Materialschäden an hohen Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzten Schiffsteilen wobei ein durch die Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufener Unterdruck im Bereich des Schiffsruders durch Zuführen eines Gases wenigstens teilweise ausgeglichen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Propeller, insbesondere hoch belastete Propeller großer Schiffe erzeugen in Strömungsrichtung hinter sich einen Propellerstrahl, in dem durch die Propellerwirkung induzierte Kavitationsblasen auftreten, die auf oder nahe der Ruderoberfläche zerfallen. Dadurch entstehen an der Ruderanlage insbesondere in den kavitationsgefährdeten Bereichen Materialschäden, die die Lebensdauer der Ruderanlage und die Funktionssicherheit erheblich beeinträchtigen.

An Flossen oder anderen Strömungsleiteinrichtungen wie Stabilisatoren von Schiffen können unter bestimmten Umständen auch vergleichbare zu Materialschäden führende Kavitationserscheinungen auftreten.

Aus der DE-AS 1 506 810 ist eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Stabilisierung eines Luft- oder Wasserfahrzeugs bekannt, bei der in einem rückwärtigen Teil des Ruders spezielle Ausnehmungen vorgesehen sind, in denen ein Unterdruck durch Zuleitung eines Steuermediums über Steuereinrichtungen ausgeglichen werden soll, damit das Auftreten einer für die Steuerung bzw. Stabilisierung unerwünschten Turbulenz verhindert wird. Da der Druckausgleich nicht im vorderen Bereich des Ruders vorgenommen wird, ist es mit dieser Vorrichtung nicht möglich und auch nicht beabsichtigt, Materialschäden an Rudern zu vermeiden, die durch einen Propellerstrahl oder Kavitationsblasen entstehen, die sich durch die Propellerwirkung bilden.

Aus der US 4 510 879 ist ein mit einem Kanal versehenes Ruderblatt bekannt, das Öffnungen in einem der Strömung zugewandten Bereich aufweist, in die das Wasser fließt und aufgrund eines im Ruder ausgebildeten Kanals über die Wasseroberfläche abfließt. Diese Maßnahme ist zur Verbesserung der Ruderblattwirkung und der Aufrechterhaltung einer laminaren Strömung vorgesehen. Es ist jedoch weder beabsichtigt noch möglich, mit dieser Vorrichtung Materialschäden am Ruder zu vermeiden oder zu verringern, das in Strömungsrichtung nach einem Propeller angeordnet ist.

Aus der DE-AS 1 556 511 ist eine Schiffsschraube bekannt, bei der in ihren Propellerflügeln Kanäle ausgebildet sind, um die Effizienz der Schiffsschraube auch bei kleinen Durchmessern zu erhöhen und hohe Schübe zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit dem bzw. mit der Materialschäden an Schiffsteilen, z.B. Ruderanlagen, vermieden oder zumindest verringert werden, die durch hohe Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufen werden, etwa durch in Strömungsrichtung vor ihnen angeordneten Propeller bzw. durch den Propellerstrahl.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Schiffsruder in Strömungsrichtung nach einem Propeller angeordnet ist und das Gas in Strömungsrichtung vor dem Schiffsruder zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich in Zusammenhang mit besonders gefährdeten Schiffsrudern einsetzbar, wobei die Materialschäden durch die Strahlwirkung von in Strömungsrichtung vor ihnen angeordneten Propellern hervorgerufen werden, und ein durch die Propellerwirkung erzeugter Unterdruck im Ruderbereich wenigstens teilweise ausgeglichen wird.

Aufgrund des zumindest teilweisen Ausgleichs des Unterdrucks insbesondere in kavitationsgefährdeten Bereichen des Schiffsteils, z.B. des Schiffsruders wird der Druck des Wassers in diesen Bereichen verringert bzw. der zur Bildung von Kavitation erforderliche Unterdruck an oder nahe der gefährdeten Oberfläche nicht erreicht. Dadurch wird erreicht, dass die z.B. durch den Propeller induzierten Kavitationsblasen zerfallen, bevor sie auf die gefährdete oder Ruderoberfläche oder in nahe Bereiche derselben gelangen, oder gar nicht erst entstehen. Durch den Druckausgleich und die damit verbundene Zuführung von Luft oder eines anderen Gases oder Gasgemisches bzw. deren Anreicherung im Wasser werden die Eigenschaften des Strömungsmediums dahingehend verändert, dass die materialschädigende Wirkung, die durch Kavitation verursacht werden, verhindert oder zumindest wesentlich reduziert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Unterdruckbereiche mit der Außenatmosphäre beispielsweise über eine Verbindungsleitung verbunden. Alternativ oder zusätzlich hierzu können die Unterdruckbereiche des Ruders vorteilhafterweise auch mit einer Druckquelle verbunden werden, so dass Luft oder ein anderes Gas unter einem Druck, der über dem Unterdruckbereich des Ruders liegt, positiv zugeführt wird. Vorteilhaft ist es dabei, durch entsprechende Druck- und/oder Volumenstromregelung den Druck im Unterdruckbereich des Ruders zu steuern und/oder zu regeln, beispielsweise zum Zwecke, dass ein einstellbarer Unterdruck nicht unterschritten wird.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gas oder ein Gasgemisch, beispielsweise Luft, dem Wasser im Bereich der gefährdeten Stellen beigemischt. Die Kompressibilität des Wassers wird durch Beimischung eines Gases oder eines Gasgemisches erhöht, was die schädigende Wirkung der Kavitation verringert.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch mit einer Vorrichtung zum Reduzieren von Materialschäden an hohen Strömungsgeschwindigkeit ausgesetzten Schiffsteilen gelöst, wobei die Vorrichtung eine Druckausgleichsein richtung zum wenigstens teilweisen Ausgleichen eines durch die Strömungsgeschwindigkeit erzeugten Unterdrucks im Bereich der gefährdeten Schiffsteile aufweist, und wobei die Druckausgleichseinrichtung wenigstens eine Verbindung zwischen dem einen Unterdruck aufweisenden Ruderbereich und einem Bereich mit demgegenüber höherem Druck umfasst, die Öffnungen in Strömungsrichtung vor dem Schiffsruder aufweist. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen den zuvor in Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteilen.

Die gefährdeten Schiffsteile sind vorzugsweise Schiffsruder, die in Strömungsrichtung hinter einem Propeller angeordnet sind, wobei eine Druckausgleichseinrichtung zum wenigstens teilweisen Ausgleichen eines durch die Propellerwirkung erzeugten Unterdrucks im Ruderbereich vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung umfasst wenigstens eine Verbindung zwischen dem einen Unterdruck aufweisenden Ruderbereich und einem Bereich mit demgegenüber höherem Druck. Die Verbindung kann beispielsweise ein Rohr oder ein Kanal oder auch Rohre oder Kanäle umfassen, die sich entsprechend verzweigen und an ausgewählte, kavitationsgefährdende Stellen des Ruders bzw. des Ruderbereichs geführt werden. Die Verbindungen weisen vorzugsweise wenigstens eine Öffnung in einer Ruderoberfläche auf, die im Unterdruckbereich des Ruders angeordnet ist. Die Öffnungen in der Ruderoberfläche sind dabei vorzugsweise an den Stellen des Ruders und/oder an den Ruderoberflächen vorgesehen, die aufgrund der Propellerwirkung besonders kavitationsgefährdet sind.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Öffnungen in Strömungsrichtung nahe den kavitationsgefährdeten Bereichen angeordnet, wobei es insbesondere vorteilhaft ist, die Öffnungen in einem Spalt zwischen einem Ruderträger und einem Ruderblatt des Ruders vorzusehen. Dadurch sind die dem Propellerstrahl besonders ausgesetzten Bereiche des Ruderblatts aufgrund des speziell an diesen Stellen auftretenden Druckausgleichs, an denen die Kavitationsgefahr besonders groß ist, geschützt.

Die Form, die Größe und/oder der Durchmesser der Öffnungen ist vorzugsweise so gestaltet, dass durch sie die Umströmung möglichst wenig beeinflußt ist. Dadurch können die durch die Druckausgleichseinrichtung möglicherweise hervorgerufenen Nachteile hinsichtlich des Umströmungsverlaufs vermieden oder reduziert werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung steht das dem Ruder abgewandte Ende der Verbindung mit der Außenatmosphäre in Verbindung. Die Verbindung bzw. der Kanal oder das Rohr für den Druckausgleich sind daher zur freien Oberfläche hin, d.h. über der Wasseroberfläche offen.

Gemäß einem zusätzlichen oder auch alternativen Ausführungsmerkmal der Erfindung ist das dem Ruder abgewandte Ende mit wenigstens einer Verbindung mit einer Druckquelle, beispielsweise einem Kompressor, verbunden, wodurch ein positiver, aufgezwungener Druckausgleich geschaffen wird oder der Unterdruck in belasteten Bereichen des Ruders oder Schiffskörpers definitiv begrenzt wird. Das Druckmedium ist vorzugsweise Luft, es kann jedoch auch ein insbesondere für die Auflösung oder Verhinderung von Kavitationsblasen besonders geeignetes Gas oder ein entsprechendes Gasgemisch sein.

Eine besonders vorteilhafte Form der Erfindung besteht darin, dass die Druckausgleichseinrichtung beispielsweise in der Verbindung zwischen dem einen Unterdruck aufweisenden Ruderbereich und einem dem gegenüber höheren Druckbereich ein einstellbares oder steuerbares Ventil aufweist. Vorzugsweise weist die Druckausgleichseinrichtung wenigstens eine Steuer- oder Regeleinrichtung für den Druck und/oder den Volumenstrom des Mediums auf, mit dem die kavitationsgefährdeten Ruderbereiche beaufschlagt werden.

Vorteilhaft ist darüber hinaus eine Ausführungsform, gemäß der die Druckausgleichseinrichtung zum Aufrechterhalten eines vorgebbaren Drucks im kavitationsgefährdeten Ruderbereich vorgesehen ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung erläutert.
In Fahrtrichtung hinter einem am Hinterschiff 1 befindlichen Propeller 2 befindet sich ein Ruder 3 mit einem Ruderhorn oder Ruderträger 4 und einem Ruderblatt 5.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Verbindungen 6 in Form von Rohren oder Kanälen im Ruderträger 4 ausgebildet, die sich in Verzweigungen 7 aufteilen. Die Verbindungen 6 und Verzweigungen 7 weisen jeweils Öffnungen 8 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in Richtung des Ruderblatts 5 gerichtet sind. Das dem Ruder 3 abgewandte Ende 9 ist zur Außenatmosphäre hin offen, d.h. die Verbindung oder das Rohr 6 mündet mit seinem vom Ruder 3 abgewandten Ende über der Wasseroberfläche 10 nach außen. In der Verbindung 6 befindet sich oberhalb des Ruders 3 ein schematisch dargestelltes, einstellbares Ventil 11.
Zum wenigstens teilweisen Ausgleich des Unterdrucks insbesondere in den kavitationsgefährdeten Bereichen des Ruderblatts 5 strömt Atmosphärenluft über die Verbindungsleitung 6 und die Öffnungen 8 in die dort auftretenden Unterdruckbereiche, die durch den Propellerstrahl erzeugt bzw. verstärkt werden und die ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen zu Kavitationsschädigungen dieser Ruderbereiche führen würden. Der Unterdruck wird aufgrund der einströmenden Luft zumindest teilweise ausgeglichen und die Eigenschaften des Wassers werden durch die Beimischung von Luft verändert, so dass Kavitationen vermieden oder zumindest daran gehindert werden, dass Kavitationsblasen im Bereich der Ruderblatt-Oberfläche auftreten bzw. zerfallen.
Das Ventil 11 dient dazu, den Unterdruck im Unterdruckbereich des Ruders 3 auf einen bestimmten Wert einzustellen bzw. den Unterdruck zu begrenzen.
Die Erfindung wurde zuvor anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Dem Fachmann sind jedoch Ausgestaltungen und Abwandlungen möglich, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Beispielsweise sind Ausführungsformen möglich, in denen die Verbindungsleitung 6 nicht im Schiffsaußenbereich über der Wasseroberfläche 10 mündet, sondern mit einer Druckquelle, beispielsweise einem Kompressor, verbunden ist, so dass Druckluft oder ein unter Druck stehendes Medium über die Druckleitung 6 und die Öffnungen 8 in den Unterdruckbereich des Ruders 3 geführt wird. Das positive Zuleiten eines unter Druck stehenden Mediums kann statt oder zusätzlich zum Zuleiten von Luft aus der Außenatmosphäre vorgenommen werden. Weiterhin ist es möglich, nicht nur ein Ventil 11 oder eine entsprechende Ventileinheit in der Rohrleitung 6 vorzusehen, sondern auch in den Aufzweigungen 7 oder den Zuleitungen zu weiteren Öffnungen 8, um je nach der Kavitationsgefährdung und den unterschiedlichen Unterdruckbereichen eine individuelle und definierte Zuleitung von Luft oder einem anderen Medium für einen Druckausgleich zu ermöglichen.

Claims

Verfahren zum Reduzieren von Materialschäden an hohen Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzten Schiffsteilen, wobei ein durch die Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufener Unterdruck im Bereich des Schiffsruders durch Zuführen eines Gases wenigstens teilweise ausgeglichen wird, und wobei das Schiffsruder in Strömungsrichtung nach einem Propeller angeordnet ist und das Gas in Strömungsrichtung vor dem Schiffsruder zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckbereiche mit der Außenatmosphäre verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckbereiche mit einer Druckquelle verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Unterdruckbereich gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas oder ein Gasgemisch dem Wasser beigemischt wird.
Vorrichtung zum Reduzieren von Materialschäden an hohen Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzten Schiffsrudern (3), wobei eine Druckausgleichseinrichtung (6, 7, 8, 9, 11) zum wenigstens teilweisen Ausgleichen eines durch die Strömungsgeschwindigkeit erzeugten Unterdrucks im Bereich eines Schiffsruders (3) vorgesehen ist, wobei die Druckausgleichseinrichtung (6, 7, 8, 9, 11) wenigstens eine Verbindung (6) zwischen dem einen Unterdruck aufweisenden Ruderbereich und einem Bereich mit demgegenüber höherem Druck umfasst, die Öffnungen (8) in Strömungsrichtung vor dem Schiffsruder (3) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung wenigstens eine Öffnung (8) aufweist, die im Unterdruckbereich des Ruders (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8) an den Stellen des Ruders (3) vorgesehen sind, die aufgrund der Propellerwirkung besonders kavitationsgefährdet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8) in Strömungsrichtung nahe den kavitationsgefährdeten Bereichen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (8) in einem Spalt zwischen einem Ruderträger (4) und einem Ruderblatt (5) des Ruders (3) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Form, die Größe und/oder der Durchmesser der Öffnungen (8) so gestaltet ist, dass durch sie die Strömung möglichst wenig beeinflußt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Ruder (3) abgewandte Ende (9) der Verbindung (6) mit der Außenatmosphäre in Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Ruder (3) abgewandte Ende der Verbindung (8) mit einer Druckquelle verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Druckquelle bereitgestellte Medium Luft, ein Gas oder ein Gasgemisch ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichseinrichtung (6, 7, 8, 9, 11) wenigstens ein einstellbares Ventil (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichseinrichtung (6, 7, 8, 9, 11) wenigstens eine Steuer- oder Regeleinrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichseinrichtung (6, 7, 8, 9, 11) zum Aufrechterhalten eines wählbaren Drucks im kavitationsgefährdeten Ruderbereich vorgesehen ist.