Höchstspannung bei E-Motoren

[delcyros]

Zunächst, Super-Grafiken oben. Ich wüsste gerne, woher die kommen. Selbst berechnet?

Zu: >> Wie bzw. hätte man das (überhaupt?) deiner Meinung nach korrigieren können?

- Strömungsgünstigere Rumpf- und Turmform. Kreisförmiger statt 0-förmiger Rumpfquerschnitt, kleinerer Turm durch Ausbau der Flakbewaffnung.
- Verkleinerung der offenen Flutschlitze im Rumpf unter Inkaufnahme längerer Schnelltauchzeiten.
- Kreisförmiger statt 8-förmigen Druckkörperquerschnitt, der bei gleicher Tauchtiefe leichter gewesen wäre und es so ermöglicht hätte, den Gewichtsanteil der Batteriezellen entsprechend zu erhöhen.
- Mehr Kupfer im Inneren der Batteriezellen, was bei hoher Strombelastung eine größere Kapazität und stabilere Spannungslage ermöglicht.

Die Grafiken sind auf Basis der Primärdaten von mir selbst zuvor erstellt. Die Triangulation basiert auf der eher künstlichen Annahme perfekter Daten und gerader Kurse. Sie spiegeln daher die physischen Limits für die Bedingung (50% benutzte Kapazität bei einem 10 kts schnellen Konvoi) wieder, nicht etwa operative Daten.

Ich möchte ergänzen, dass eine weitere Möglichkeit abseits der Herabsetzung des hydrodynamischen Wiederstandsbeiwertes durch Formveränderung und -reduktion der Anhänge in einer geänderten Schraubenform liegt. Möglicherweise ist auch die Erzielung von höchster Unterwasserfahrt nicht so wichtig wie die dauerhafte Ausnutzung einer hohen Unterwasserfahrt (8-12kts) bei möglichst geringer Geräuschentwicklung.
Die Schrauben Typ XXI waren konstruktiv durch hydaulische (Föttinger-) Getriebe in der Umdrehungszahl herabgesetzt. Das ist zwar nicht unbedingt ideal für die Effizienz (mechanische Getriebe entwickeln größere Untersetzungen bei höherem Wirkungsgrad) aber ideal zur Reduktion von Geräuschen und Vibrationen im Schiff. Die Frage, ob eine größere, langsamer drehendere Schraube nicht noch besser wäre steht also ebenfalls im Raum.
Die Überlegung mit dem Kupfer in den Batterien finde ich höchst aufschlußreich. Gab es nicht ähnlich wie in Japan Überlegungen, eine höhere Energiedichte in den Batterien auf Kosten der Lebenszeit zu erzielen? Soweit ich das gelesen habe (vieleicht habe ich es auch falsch verstanden), waren die AFA Batterien beim XXI eine Negativerfahrung. Die Spannung brach bei höchster Stromabnahme ein, weswegen ein großer Teil der Energie in den Batterien in Wärme umgewandelt wurde und nicht der Erzielung großer Fahrtstufen zur Verfügung stand. Dies Erforderte eine zusätzliche Zwangskühlung der Zellen. Hier sollte zuallererst nach Optimierungen gesucht werden.
Wie kriegt man die Stromabnahme der Batterien auch bei Höchstspannung konstant ohne viel Verluste zum Motor?

lg,
delc

[Indy]

Hallo zusammen.

30 t Diesel über der Wasseroberfläche gestaut bedeuten, dass das Tauchzellenvolumen des Bootes um etwa 35 cbm erhöht werden müsste. Wo soll dieses Volumen untergebracht werden, wenn das Außenschiff unverändert bleiben soll? Immerhin reden wir von einem Rauminhalt, der den der zweitgrößten Tauchzelle 1 nicht unwesentlich übersteigt.

Mit freundlichen Grüßen
Schorsch

Ja, 30t oben drauf packen war wohl zu optimistisch.
Wie wärs mit 10-15t knapp oberhalb der Wasseroberfläche?
Die würden wohl noch zwischen Satteltank und Druckkörper passen.
Würde etwas mehr Tiefgang bedeuten.

Ab wann wird es mit der Reserveverdrängung kritisch?


@Delcyros
Nach Rössler ("U-Boottyp XXI) hatten die verwendeten Batterien eine Kapazität von:
4560 A bei 1,5 stündiger Entladung bis 1,65V = 6840 Ah
1834 A bei 5 stündiger Entladung bis 1,75V = 9170 Ah
565 A bei 20 stündiger Entladung bis 1,8V = 11300 Ah
Die Lebensdauer betrug 18-21 Monate.

"Gegen Kriegsende" wurde der Typ 70MAL 760 entwickelt, der bei Verwendung von mehr Platten in verringerter Dicke pro Zelle  bei einem Entladestrom von 6000 A eine Kapazität von 9600 Ah besaß.
Die Lebensdauer war auf 12 Monate veranschlagt.
Die daran anschließende 60MAL 760 sollte bei etwas geringerer Leistung 15 Monate halten.

Bzgl. der Schraubenvergrößerung:
Beim K-Amt(?) wurde 1943 für den Typ VII der Einbau von Verstellschrauben als Möglichkeit zur Leistungssteigerung in Erwägung gezogen (vergrößerung der Schraube war technisch nicht machbar - kein Platz).
Waren derartige Schrauben schon irgendwo anders im Einsatz?

[R.B.]

Up hier geht jetzt einiges durcheinander.

Zu den E-Maschinen: Notfalls verlängert man das Boot halt um einen Meter, durch Einfügen eines Zwischenstücks. Wurde schon so gemacht, um den späteren Einbau des S-Gerätes zu ermöglichen. Würde aber weiterhin nichts nutzen, da immernoch die Batterien zur Versorgung der stärkeren E-Maschinen fehlen.

Zum Tank: Das Verhältnis 50 % Innentank 50 % Außentank ist so erforderlich, damit das Boot nach einer Beschädigung der Außentanks auf jeden Fall zu seinem Stützpunkt zurückfahren kann. Um dies zu gewährleisten, wird man vernünftigerweise die Außentanks zuerst leer fahren. Jede Vergrößerung der Außentanks verringert zudem die Unterwassergeschwindigkeit, sie erhöht sie nicht.

Zu den Grafiken: Die dort verwendeten theoretischen Primärdaten haben vermutlich kleinere Fehler, da der Unterwasserwiderstand des Typs XXI wegen seiner zahlreichen offenen Flutschlitze in der Praxis höher war als erwartet. Scheinbar wurde auch die Batterie, wegen ihrer Wasserstoffabscheidung und der langen Ladezeit, in der Praxis nur bis 90 % aufgeladen. So lässt sich zumindest erklären, dass die theoretischen Werte bei den späteren praktischen Versuchen nicht ganz erreicht wurden.

Die Vulkan-Flüssigkeitskupplung gab es nur für die Dieselmotoren, nicht für die E-Maschinen. Diese hatten bereits um den Faktor 5 untersetzende mechanische Getriebe. Der Typ XXI hatte dementsprechend durchaus große langsam drehende Schrauben. Die Flüssigkeitskupplung (nicht die mechanische Untersetzung) der Dieselmotoren hatte nur 2% Schlupf.

>> Die Überlegung mit dem Kupfer in den Batterien finde ich höchst aufschlußreich. Gab es nicht ähnlich wie in Japan Überlegungen, eine höhere Energiedichte in den Batterien auf Kosten der Lebenszeit zu erzielen?

Ja. Kannst Du unter http://de.wikipedia.org/wiki/XXI -> Batterieanlage ganz unten nachlesen.

Zwangskühlung der Zellen wird bei hohen Entladeströmen im Bereich Ah-Kapazität verwendet. Die Entladeströme waren beim Typ XXI etwa halb so groß. Ich wüsste nicht, dass man damals bereits an die Möglichkeit oder Notwendigkeit einer Zwangskühlung gedacht hat.

Zu den Schrauben: Diese konnte man beim Typ VII glaube nicht mehr wesentlich vergrößeren, da zum Rumpf, zur Wasseroberfläche bei Überwasserfahrt, und zum Meeresboden beim auf Grund liegen jeweils ausreichend Freiraum bleiben muss.

>> Verstellschrauben: Waren derartige Schrauben schon irgendwo anders im Einsatz?
Praktisch nur vor Beginn des ersten Weltkrieges, als sich die Drehzahlen der E-Maschinen und Dieselmotoren noch nicht einfach regeln bzw. umkehren ließen.

[delcyros]

Zu den Grafiken: Die dort verwendeten theoretischen Primärdaten haben vermutlich kleinere Fehler, da der Unterwasserwiderstand des Typs XXI wegen seiner zahlreichen offenen Flutschlitze in der Praxis höher war als erwartet. Scheinbar wurde auch die Batterie, wegen ihrer Wasserstoffabscheidung und der langen Ladezeit, in der Praxis nur bis 90 % aufgeladen. So lässt sich zumindest erklären, dass die theoretischen Werte bei den späteren praktischen Versuchen nicht ganz erreicht wurden.

Die Vulkan-Flüssigkeitskupplung gab es nur für die Dieselmotoren, nicht für die E-Maschinen. Diese hatten bereits um den Faktor 5 untersetzende mechanische Getriebe. Der Typ XXI hatte dementsprechend durchaus große langsam drehende Schrauben. Die Flüssigkeitskupplung (nicht die mechanische Untersetzung) der Dieselmotoren hatte nur 2% Schlupf.

>> Die Überlegung mit dem Kupfer in den Batterien finde ich höchst aufschlußreich. Gab es nicht ähnlich wie in Japan Überlegungen, eine höhere Energiedichte in den Batterien auf Kosten der Lebenszeit zu erzielen?

Ja. Kannst Du unter http://de.wikipedia.org/wiki/XXI -> Batterieanlage ganz unten nachlesen.

Zwangskühlung der Zellen wird bei hohen Entladeströmen im Bereich Ah-Kapazität verwendet. Die Entladeströme waren beim Typ XXI etwa halb so groß. Ich wüsste nicht, dass man damals bereits an die Möglichkeit oder Notwendigkeit einer Zwangskühlung gedacht hat.

Der Fehler in der Annäherungsgrafik ist im Bereich der interessierenden Geschwindigkeiten (10kts und 6 kts) gering bis nicht existent. Ich berufe mich dabei auf die amerikanischen Tests mit U-3008 und U-2513, welche für 5kts und 10 kts Batterieentladungstests vorgenommen haben:

On trial runs the propulsion motors developed their rated power.  When using the main motors, submerged speed in excess of 16 knots were obtained.  It should be possible to maintain this speed during a one hour battery discharge.  Surface and submerged speeds up to 6 knots have been obtained when running on the creeping motors.  The cruising range based on one battery discharge is 365 miles at 5 knots or 110 miles at 10 knots.

-Report 2G-21-S40, 2 vom 22.6.1946

Diese Werte stehen in Übereinstimmung mit den Angaben in Op. Instr. XXI (5kt= 360nm; 10 kt=110nm, reproduziert in Nav Tech Report 303-45) und den Angaben im "Typ-Erprobungsplan für U-Boote - Typ XXI", welche den Amerikanern zum Vergleich ihrer eigenen ermittelten Werte vorlagen.
Eine Veränderung gegenüber den geplanten Reichweiten läßt sich aber im Bereich der hohen UW-Fahrtstufen -aus bereits benannten Gründen, dem Einbruch der Entladeströme der Batterie, u.a.-feststellen. Diese Fahrtstufen sind für die Frage der Konvoiannäherung aber uninteressant, da sie nicht für eine ausreichend lange Zeit gehalten werden können. 90% Grundkapazität entspricht völlig den Angaben die mir vorliegen. Auch das ist für die Frage der Konvoiannäherung in Grafik 2 irrelevant, da von einer Grundkapazität von nur 70% (statt 90 oder 100%) ausgegangen, und zusätzlich 20% Reservekapazität bei Erreichen einer Schußposition innerhalb von fünf Stunden nach Kontakt einkalkuliert wurden.

Die Vulkan-Flüssigkeitskupplung gab es nur für die Dieselmotoren, nicht für die E-Maschinen. Diese hatten bereits um den Faktor 5 untersetzende mechanische Getriebe. Der Typ XXI hatte dementsprechend durchaus große langsam drehende Schrauben. Die Flüssigkeitskupplung (nicht die mechanische Untersetzung) der Dieselmotoren hatte nur 2% Schlupf.

Danke. Da habe ich mich verguckt. Wobei ich nicht ganz verstehe, warum man eine mechanische Lösung bei nur 5:1 Untersetzung der hydraulischen vorzieht. Im U-Boot ist die Geräuschentwicklung von Wichtigkeit und da, sowie bei Vibrationen ist das hydraulische Getriebe deutlich ruhiger, während es immernoch einen großen Wirkungsgrad bei der erwünschten Untersetzung besitzt. Mechanische Getriebe haben einen etwas höheren Wirkungsgrad und erzielen diesen auch noch bei Untersetzungen von 20:1, während das hydraulische Getriebe bei 8:1 abfällt. Trotzdem ist das mechanische Getriebe erhablich lauter und produziert sehr charakteristische, daher diagnostische Geräusche. Was ich auch nicht aus dem Getriebeplänen erkenne, wie kuppelt man eigentlich den E-Motor aus bei Dieselbetrieb oder muß der Diesel den ganzen E-Motor immer mitdrehen?

Nach den Angaben von Indy, der sich auf Rößler beruft entspricht der 60MAL 760 einer Guppy-II Baterie mit 300 Zyklen Lebenserwartung, interessant.
Allerdings ist der enorme Einbruch in der Nennkapazität der Batteriezellen bei hohen Entnahmespannungen wichtig.
Die Nennkapazität der Batteriezelle betrug 5530 Ah bei der einstündigen Entladung und 11300 Ah bei 20 stündiger Entladung. Daraus würde ich entlehnen, dass die E-Motorenstärke des XXI bereits etwas überdimensioniert war. Statt der 2 x 1840 KW brach die Leistung auf 2 x 1550 KW bedingt durch die Reduktion der Batteriespannung bei hohen Entladeströmen ein. Ist es möglich, dass ein kleinerer E-Motor von nur 1600 KW Nennleistung bei etwas geringerer Stromentnahme für die UW-Ausdauer und UW-Höchstfahrt idealer wäre?
Mit 3100 KW konnte U-3507 noch 16,5 kt für 50min erreichen (~16,35 kt bei 60min). Kann ein 1550-1600 KW Nennmotor ohne Verlust der Spannung dann 16,5kt für 60min halten oder bedarf es dafür gänzlich neue Batterien?

[R.B.]

>> The cruising range based on one battery discharge is 365 miles at 5 knots or 110 miles at 10 knots.

Das liegt um 10 % (Schleichfahrtmotoren) bis 39 % (Hauptmotoren) über den deutschen Fahrbereichsmessungen mit U 3507 im endgültigen Zustand:

- 333 Seemeilen bei 5 Knoten (mit Schleichfahrtmotoren)
- 79 Seemeilen bei 10 Knoten (mit Hauptmotoren)

Der Energiebedarf pro zurückgelegter sm steigt bei doppelter Geschwindigkeit theoretisch um den Faktor 4:

Deutsche Angaben: 333 sm/4 = 83,25 sm, im Vergleich mit 79 sm plausibel.
US-Angaben: 365 sm/4 = 91,25 sm, im Vergleich zu 110 sm weniger plausibel.

Beim Antrieb mit Schleichfahrtmotoren könnten die absoluten Unterschiede damit zusammenhängen, dass die Deutschen mit einer bis 90 % aufgeladenen Batterie gemessen haben (Abschluss der zweiten Ladestufe), die Amerikaner dagegen mit einer zu 100% aufgeladenen Batterie gerechnet haben (Abschluss der dritten Ladestufe).

Beim Antrieb mit Haupt-E-Motoren haben die Amerikaner eventuell vereinfachend mit der Maximalkapazität der Batterie bei niedrigen Entladeströmen kalkuliert, die bei 243 A Entladestrom und 50-stündiger Entladezeit 12.150 Ah betrug. Vielleicht auch mit der Nennkapazität, bei 565 A Entladestrom und 20 Stunden Entladezeit 11.300 Ah.

Bei beispielsweise 1834 A Entladestrom und 5 Stunden Entladezeit brach die Kapazität jedoch bereits auf 9170 Ah ein, was in der US-Rechnung womöglich nicht berücksichtigt wurde. Zusammen mit 90 % Aufladung der Batterie würde sich nur noch folgende Reichweite ergeben:

110 sm * (9170 Ah)/(12.150 Ah) * 90 % = 74 sm bzw.
110 sm * (9170 Ah)/(11.300 Ah) * 90 % = 80 sm.

Der tatsächliche Entladestrom war bei 10 kn niedriger und somit die verfügbaren Ah höher. Ich glaube dennoch, dass die deutschen Messungen realistischer sind als die frühen deutschen oder die späteren amerikanischen Hochrechnungen. Die Reichweiten betrugen tatsächlich (nach Messungen auf U 3507 im endgültigen Zustand):

    Mit Schleich-E-Maschinen Unterwasserfahrt
        487 Seemeilen bei 3 Knoten
        333 Seemeilen bei 5 Knoten
        256 Seemeilen bei 6 Knoten

    mit Haupt-E-Maschinen, Unterwasserfahrt
        120 Seemeilen bei 8 Knoten
        79 Seemeilen bei 10 Knoten
        26 Seemeilen bei 15 Knoten

Obwohl es nicht angegeben ist scheint es plausibel, dass sich diese Messwerte auf 90% Batterieladezustand beziehen, da es bei der dritten Ladestufe Probleme mit der Wasserstofffreisetzung bzw. Batterieladezeit gab. Sie wurde nur von Zeit zu Zeit durchgeführt, um die Sulfatierung der Platten zu verhindern und den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen auf ein einheitliches 100%-Niveau zu bringen.

>> Wobei ich nicht ganz verstehe, warum man eine mechanische Lösung bei nur 5:1 Untersetzung der hydraulischen vorzieht.

Weil eine hydraulische 5:1 Untersetzung einen schlechteren Wirkungsgrad als eine mechanische 5:1 Untersetzung oder eine hydraulische 1:1 Kupplung hat.

>> Kuppelt man eigentlich den E-Motor aus bei Dieselbetrieb oder muß der Diesel den ganzen E-Motor immer mitdrehen?

Bei Dieselbetrieb wurden die E-Maschinen und Getriebe mit angehängten Pumpen ständig mitgedreht, da angenommen wurde, dass bei Dieselbetrieb stets Batterieladung mitlief. Auf eine Kupplung zur Trennung war bewusst verzichtet worden. Deshalb betrug der mechanische Wirkungsgrad der Diesel an den Antriebswellen nur 88 %.

>> Ist es möglich, dass ein kleinerer E-Motor von nur 1600 KW Nennleistung bei etwas geringerer Stromentnahme für die UW-Ausdauer und UW-Höchstfahrt idealer wäre?

Der Typ XXI hatte zwei E-Motoren, die bei Nennspannung 2 * 1840 kW = 3680 kW leisteten und praktisch, wegen des Einbruchs der Batteriespannung bei hohen Entladeströmen, 2 * (1650–1550 kW) = 3300 -3100 kW Antriebsleistung lieferten.

Der etwas unter Nennleistung liegende Motor war somit defakto schon vorhanden. Man hätte die E-Maschinen von vornherein etwas kleiner bauen können, damit jedoch nur ca. 2 Tonnen Gewichtseinsparung erreicht. Nicht viel bei 1600 Tonnen Bootsgewicht.

[delcyros]

Hab Dank R.B. für die viele Mühe damit.

Hinsichtlich der unterschiedlichen Daten sehe ich keine wirklich zwingenden Konflikte. U-3507 ist nur ein Referenzpunkt, der "Typ-Erprobungsplan für U-Boote - Typ XXI" enthielt mehrere.  Die Angaben im amerikanischen Bericht zu U-2513 sind belegt für die Geschwindigkeit von
16,0 Kt = 1,2 h (72 min, gemessen bei Meilenfahrt)
10,0 kt = 11h (Meilenteilfahrt (2 Stück) und Docktest)
5,0 kt = 73 h (Meilenfahrt, hochgerechnet aus zwei gemessenen Fahrten und Kapazität)

vgl. U-3507:

16,8 kt = 0.333h (20min)
16,5 kt = 0.833h (50min)
15,0 kt = 1.73h
10,0 kt = 7,9h
8,0 kt  = 15h

Aus der 99.96% dazu passenden Kurve (nach dem Hoerl Modell) dazu ergibt sich eine Ausdauer von 0,95h bei 16,0 kt für U-3507 (nach dem MMF Modell 0,96h bei etwas geringerer Signifikanz), oder 26% weniger bei derselben Geschwindigkeit als in der Meilenfart mit U-2513 (keine Hochrechnung!).

Die Angaben für U-2513 gehen zurück auf den SubLant Report zu U-2513 von Schevill und Vine mit dem Titel "Submerged performance Tests of Type XXI" Woods Hole, datierte auf den 17.3.1947 -Primärquelle

Wohlgemerkt, die Batterien von U-2513 hatten schon 15 Monate effektive Einsatzzeit bei den Tests im Herbst/Winter 1946, eine Erneuerung fand erst im Zeitraum März 1947-Sept. 1947 statt, d.h. die Batteriezellen näherten sich dem Ende ihrer geplanten Lebenszeit und entsprachen nicht mehr der ursprünglich installierten Nennleistung. Zur Verteidigung von U-3507 kann man anführen, dass das Boot zuvor zahlreiche höchstfahrten am 8.11.; 21.11. und 30.11.1944 unternahm, bei solchen extremen Fahrten kann es zur Reduktion der Nennkapazität kommen, exakt die gleiche Erfahrung machten die Amerikaner mit den Sargo- und Guppy Batteriezellen, welche nach Höchstentladungen ihre Nennleistungen nicht mehr halten konnten.
Ich bin ebenfalls ziemlich sicher -kann das aber für U-3507 nicht belegen- dass in U-3507 von 90% Kapazität ausgeangen wurde, während für U-2513 100% Kapazität bei den Tests verbürgt sind. Die resultierenden Unterschiede zu den von U-3507 gemessenen Werten stellen eine Varianz zu den Daten von U-2513 dar. Die US-Daten sind keine Hochrechnungen auf Papierbasis, sie stellen gemessene und vergleichende Werte dar ("cruise range based on battery discharge") und liegen substanziell über den Werten von U-3507, trotz alter Zellen. Für mich stellen beide gemessene Entitäten Quellen dar, die gleichsam Anspruch auf Tatsächlichkeit besitzen. Ein Hinweis auf erhöhte Varianz in den Batterieanlagen zu Kriegsende.

Der Energieverbrauch pro zurückgelegter sm steigt bei doppelter Geschwindigkeit theoretisch um den Faktor 4:

Ich fürchte, das ist zu vereinfachend. Der Energieverbrauch ist nicht konstant bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit sondern abhängig von der Geschwindigkeit. Die folgende Grafik zeigt den Anstieg als "Funktion hoch x" aus den Meilenfahrten der USS IOWA und USS NEW JERSEY. Das sind zwar korrekterweise keine U-Boote, aber der sich daraus ergebende Relation der Erhöhung des Energieverbrauches in Abhängigkeit von der Fahrt kann sich auch ein Uboot nicht entziehen.



Daraus ergibt sich, dass kein konstanter Faktor x bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit y verwendet werden darf, solange dieser nicht mit den Ergebnissen von Messfahrten korreliert wurde.

[R.B.]

>> Die Angaben für U-2513 gehen zurück auf den SubLant Report zu U-2513 von Schevill und Vine mit dem Titel "Submerged performance Tests of Type XXI" Woods Hole, datierte auf den 17.3.1947 -Primärquelle

Hallo,
wenn Du jene von mir vielgesuchte und meines Wissen nirgendwo veröffentlichte Primärquelle hast, bin ich brennend interessiert daran. Kannst Du eine Kopie verschicken? Meines Wissens müsste man, um da ran zu kommen, in die USA verreisen.

>>>> Der Energieverbrauch pro zurückgelegter sm steigt bei doppelter Geschwindigkeit theoretisch um den Faktor 4:
>>Ich fürchte, das ist zu vereinfachend. Der Energieverbrauch ist nicht konstant bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit sondern abhängig von der Geschwindigkeit. Die folgende Grafik zeigt den Anstieg als "Funktion hoch x" aus den Meilenfahrten der USS IOWA und USS NEW JERSEY. Das sind zwar korrekterweise keine U-Boote, aber der sich daraus ergebende Relation der Erhöhung des Energieverbrauches in Abhängigkeit von der Fahrt kann sich auch ein Uboot nicht entziehen.

Es stimmt schon, dass der Energiebedarf für Überwasserschiffe sehr schwer berechenbar ist, weil diese einen zusätzlichen Wellenwiderstand mit sich stark nichtlinear auswirkenden Einflussparametern haben. Bei tief getauchten U-Booten mit ausreichend Abstand zum Meeresboden (ungefähr je 150 Meter) sind die Verhältnisse aber deutlich einfacher, da der Wellenwiderstand wegfällt. Auch der Propellerwirkungsgrad ist, unabhängig von der Geschwindigkeit, praktisch konstant. Deshalb kann man hier meines Wissens durchaus diese relativ einfachen Formeln verwenden.

Man sieht das auch an den Leistungskurven des Tys XXI für Unter- bzw. Überwasserfahrt. Die für Überwasserfahrt verläuft zwischen 12 und 18 kn relativ unstetig, die für Unterwasserfahrt ist dagegen im gesamten Geschwindigkeitsbereich gut vorhersagbar, obwohl bei nur 20 Metern Tauchtiefe gemessen. Kontrollrechnung nach dem Diagramm in Rössler, U-Boot-Typ XXI, Ablesegenauigkeit an der Skala -+100 kW, +-1 kn.

Bei 8,5 kn etwa 460 kW Wellenleistung.
Bei 17,0 kn etwa 3350 kW Wellenleistung.

Theoretisches Leistungsverhältnis:
(17,0 kn)³ / (8,5 kn)³ = 8,00

Abgelesenes Leistungsverhältnis:
(3350 kW) / (460 kW) = 7,28

Ihm Rahmen der ohnehin zu erwartenden Ablesefehler passt das glaube ausreichend genau. Um statt des relativen Energiebedarfs pro Stunde den relativen Energiebedarf pro Seemeile zu bestimmen, muss man bei der Formel nur die Potenz um 1 reduzieren:

(17,0 kn)² / (8,5 kn)² = 4,00 bzw.
(10,0 kn)² / (5,0 kn)² = 4,00

Das die US-Werte besser und zwischen U-3507 und U-2513 unterschiedlich sind, könnte neben der unterschiedlich aufgeladenen Batterie und deren Abnutzungsgrad eine weitere Erklärung haben: Die Amerikaner hatten nach Fotos bei U-2513 spätestens am 5. Dezember 1947 die Flakgeschütze ausgebaut, bei U-3507 spätestens bis 30. August 1946 die gesamte Turmform (etwa 30 % Wasserwiderstand) deutlich widerstandsärmer umgebaut. Da der US-Bericht vom 17.3.1947 datiert, könnte er durch diese Umbauten bereits beeinflusst sein. Zudem gab es bei der Produktion in Deutschland unterschiedliche Varianten des Balkon-Horchgerätes (7 ... 15 % Wasserwiderstand?) wegen Horch-Problemen bei hohen Unterwassergeschwindigkeiten.

Fotos:
http://www.navsource.org/archives/08/08358.htm
http://www.navsource.org/archives/08/08359.htm

[delcyros]

Lieber R.B.

ich habe den Report leider (auch) nicht im Original vorliegen. Bin aber dran und habe einen Kontakt.
Derzeit kann ich daher nur auf den US evaluation report type XXI 2G-21
http://www.uboatarchive.net/DesignStudiesTypeXXI.htm und auf

Friedman, US submarines since 1945: An Illustrated design History, US Naval Institute (Princeton 1994) verweisen, der die Ergebnisse auf S. 23 nochmal zitiert und per Fußnote auf diesen Bericht verweist.
("On post war U.S. trials for example, U-2513 made 16 kts submerged for 1 hr 12 min.")

Die amerikanischen Tests fanden bei Key West, (wahrscheinlich...) auf der dort vermessenen U.S.N. trial mile statt. Salzgehalt und Tiefe des Tests stimmen nicht mit den deutschen Ostsee, Flachwassertests überein. Nach den Tests der OBERON-class und stehendem Befehl Nr. 24 vom März 1944 würde es mich nicht wundern, wenn in tieferen Wasser die Kavitation der Schrauben (regulär ab 122 U/min nahe der Oberfläche für XXI) verzögert wird, womit die Schrauben noch mit einem etwas höheren Wirkungsgrad bei größeren Geschwindigkeiten arbeiten. Aber das bleibt mangels belastbarer Daten vorerst als Überlegung nur auf der Ebene der Spekulation.

Das die US-Werte besser und zwischen U-3507 und U-2513 unterschiedlich sind, könnte neben der unterschiedlich aufgeladenen Batterie und deren Abnutzungsgrad eine weitere Erklärung haben: Die Amerikaner hatten nach Fotos bei U-2513 spätestens am 5. Dezember 1947 die Flakgeschütze ausgebaut, bei U-3507 U-3008 spätestens bis 30. August 1946 die gesamte Turmform (etwa 30 % Wasserwiderstand) deutlich widerstandsärmer umgebaut. Da der US-Bericht vom 17.3.1947 datiert, könnte er durch diese Umbauten bereits beeinflusst sein. Zudem gab es bei der Produktion in Deutschland unterschiedliche Varianten des Balkon-Horchgerätes (7 ... 15 % Wasserwiderstand?) wegen Horch-Problemen bei hohen Unterwassergeschwindigkeiten.

Der Bericht ist zwar erst am 17.3.1947 veröffentlicht, die darin enthalten UW-Meilenfahrten wurden aber bereits am 18. Februar 1946 durchgeführt (Fußnote 21, Friedman S. 247, siehe oben), deswegen können die späteren Umbauten des Turms mit der Abgabe der Flakbewaffnung oder dem Ausbau des GHG (U-3008, nicht U-2513) nicht als Erklärung der unterschiedlichen, beobachteten Leistung herangezogen werden. U-2513 ging erst später ins Dock zwecks Umbau. Am wahrscheinlichsten halte ich im Augenblick die Varianz der Kapazitäten für Ausdrücke von

• Hinweise auf Boot zu Boot Varianz bzw.
  
• komprometierter Batteriekapazität durch die bei U-3507 zuvor durchgeführte Hochbelastungsfahrten mit 20 Min- und 50 min-Entladungen, und
  
• unterschiedlicher Testbedingungen hinsichtlich des Salzgehaltes und der Wassertiefe
  In keinem Fall ist es aber zulässig, die von U-3507 ermittelten Werte auf andere XXI angesichts der so divergierenden Daten von U-2513 zu übertragen
  Mit neuen Batterien kann es nicht ausgeschlossen werden, dass U-2513 die 16 kts Fahrt auch längere Zeit halten könnte. Gemeinhin nutzt sich die Kapazität mit der Zeit ab. U-2513 fuhr Anfang 1946 immernoch mit denselben Zellen wie zur Zeit der Indienststellung Sept. 1944. Ferner muß bedacht werden, dass die Tauchzeit von U-2513 in diesen Tests mit 18 Sek. angegeben wurde:
  
  "U-2513 was a quick diver (18 sec)." -Friedman 1994, 23.
  
  (Vgl. U-3507 im endültigen Kompromisszustand: 25 Sek.),
  ein Hinweis darauf, dass U-2513 zum Zeitpunkt der Tests noch mit voll offenen Flutschlitzen fuhr, eine Bedingung, bei der U-3507 nicht einmal 16,0 Kts am 8. November 1944 erreichen konnte.
  Schließlich darf nicht unbeachtet bleiben dass, wenn Rössler´s Angaben tatsächlich mit +- 1 kt Genauigkeit sind, dann liegt die Varianz der Werte von U-3507 vollständig in der erklärbaren Beobachtungsunschärfe.
  

[R.B.]

Hallo,
im Grunde ist das garnicht soo wichtig, wie es Dir vermutlich scheint, da die erste Grafik auf dieser Seite:

-> http://warships1discussionboards.yuku.com/topic/20169/FAST-submarine-ASW-issues?page=7#.T-DjmZDGBlY

scheinbar unbewusst den unwahrscheinlichen Fall diskutiert, dass man die hohe Unterwassergeschwindigkeit und Reichweite zum Angriff überhaupt braucht. Das ist ein Irrtum. Eine Geschwindigkeit im Bereich 0 ... 10 Knoten, über 2 Stunden gefahren, ist in 75% aller Fälle ausreichend, wie unten stehende Grafik demonstriert (normale Konvoi-Geschwindigkeit im Höchstfall 10 kn). Die wenigen knapp außerhalb dieses Bereichs laufenden Schiffe lässt man einfach fahren, um die Batteriekapazität nicht übermäßig zu beanspruchen. Die hohe Unterwassergeschwindigkeit und Ausdauer benötigt man statt dessen vorwiegend, um der vorherigen oder späteren Ortung durch Zerstörer und Flugzeuge zu entkommen. Hier dürfte es in der Regel entweder auf Ausdauer oder Geschwindigkeit ankommen, jedoch nicht auf beides gleichzeitig.

[delcyros]

Da stimme ich 100% zu.
Im Operational Evaluation Reasearch Group Report No. 51 findet sich folgende Formel für den Zugriff auf einem Konvoi:

sin(a) = UW-Fahrt Uboot / Konvoi-Fahrt
d.h.
bei 10 kt UW Fahrt kann ein Konvoi auch aus 90 Grad Lage abgefangen werden (=10/10=1 =  Sin (90)=1) -die kritische Komponente bleibt die Zeit, und damit die Ausdauer bei 10 kt UW-Fahrt. Ich denke, dass auch U-3507 bei 100% Kapazität nahezu 9 Std. Ausdauer bei 10 kt hatte (U-2513 etwa 11 Std), aber das wohl nie mehr als 5 Std UW-Fahrt praktisch verwendbar sind. Real wird dieser Zeitraum durch die GHG Entfernung bestimmt und eingegrenzt, so dass mit 2 bis 3 Std realistisch gerechnet werden kann.

Freilich, bei 15-16 kt Fahrt steht die geringe Ausdauer (1-2 Std) im Weg. Praktisch ist aber die Entfernung bei welcher mit solch hohen Geschwindigkeiten noch passiv akustisch gemessen werden kann auch sehr gering.

[delcyros]

Der Typ XXI hatte zwei E-Motoren, die bei Nennspannung 2 * 1840 kW = 3680 kW leisteten und praktisch, wegen des Einbruchs der Batteriespannung bei hohen Entladeströmen, 2 * (1650–1550 kW) = 3300 -3100 kW Antriebsleistung lieferten.

Der etwas unter Nennleistung liegende Motor war somit defakto schon vorhanden. Man hätte die E-Maschinen von vornherein etwas kleiner bauen können, damit jedoch nur ca. 2 Tonnen Gewichtseinsparung erreicht. Nicht viel bei 1600 Tonnen Bootsgewicht.

Verstehe. Aber kann man denn den Einbruch der Batteriespannung nicht dadurch entgehen, dass man zu 240 Volt Arbeitsspannung zurückkehrt? Ich verstehe, dass mit 360 V Spannung die Erzeugung größerer Leistung aus kleineren E-Motoren gelingt, aber muß das unbedingt sein? Wenn man die Baugrößen der Motoren (in Grenzen) variieren kann, um eine Leistung x zu erzielen, dann erscheint für mich der Weg der geringeren Spannung (240 V statt 360V) attraktiver. Bitte korrigier mich, wenn ich etwas falsch verstehe.
Dabei würde ich lieber ein schwereres und größeres E-Motoraggregat mit 1800 KW Leistungsabgabe einbauen, statt ein kleineres, leichteres, welches aber nur zu 2/3 der Nennleistung mit genügend Batteriespannung versorgt werden kann. Dies bedueted eine substanzielle Erhöhung der Reichweite bei 10-12 kt (darauf kommts an, nicht auf die Frage, ob die Höchstfahrt bei 16 oder 18kt liegt...)

[Nobody]

Der Typ XXI hatte zwei E-Motoren, die bei Nennspannung 2 * 1840 kW = 3680 kW leisteten und praktisch, wegen des Einbruchs der Batteriespannung bei hohen Entladeströmen, 2 * (1650–1550 kW) = 3300 -3100 kW Antriebsleistung lieferten.

Der etwas unter Nennleistung liegende Motor war somit defakto schon vorhanden. Man hätte die E-Maschinen von vornherein etwas kleiner bauen können, damit jedoch nur ca. 2 Tonnen Gewichtseinsparung erreicht. Nicht viel bei 1600 Tonnen Bootsgewicht.

Verstehe. Aber kann man denn den Einbruch der Batteriespannung nicht dadurch entgehen, dass man zu 240 Volt Arbeitsspannung zurückkehrt? Ich verstehe, dass mit 360 V Spannung die Erzeugung größerer Leistung aus kleineren E-Motoren gelingt, aber muß das unbedingt sein? Wenn man die Baugrößen der Motoren (in Grenzen) variieren kann, um eine Leistung x zu erzielen, dann erscheint für mich der Weg der geringeren Spannung (240 V statt 360V) attraktiver. Bitte korrigier mich, wenn ich etwas falsch verstehe.
Dabei würde ich lieber ein schwereres und größeres E-Motoraggregat mit 1800 KW Leistungsabgabe einbauen, statt ein kleineres, leichteres, welches aber nur zu 2/3 der Nennleistung mit genügend Batteriespannung versorgt werden kann. Dies bedueted eine substanzielle Erhöhung der Reichweite bei 10-12 kt (darauf kommts an, nicht auf die Frage, ob die Höchstfahrt bei 16 oder 18kt liegt...)

Also das dürfte keine gute Idee sein. Verluste sind proportional um Quadrat des Stromes (Pv = R*I²) während die Leistung nur proportional zum Produkt von Spannung und Strom ist (P = U*I). Während sich an den Motoren selbst kaum etwas tun würde (Gewichtsmäßig) müsstest du aber für die Zuleitungen deutlich mehr Kupfer verbauen um den Spannungsabfall gleich hoch("gering") zu halten. Wenn du jetzt aber den gleichen Spannungsabfall auf die geringere Nennspannung hast könnten die Verluste trotz größerem Materialeinsatz sogar höher sein.

[Elektroheizer]

Jetzt muß ich mich mal einmischen, auch wenn ich von den U-Boot Batterien konkret keinen Plan hab. Aber hier scheinen mir grundsätzliche Eigenschaften von Bleiakkus in Zusammenhang mit dem Innenwiderstand etwas unterzugehen. Mal aufdröseln, hoffentlich komm ich mit den Zitatebenen nicht durcheinander:

Verstehe. Aber kann man denn den Einbruch der Batteriespannung nicht dadurch entgehen, dass man zu 240 Volt Arbeitsspannung zurückkehrt? Ich verstehe, dass mit 360 V Spannung die Erzeugung größerer Leistung aus kleineren E-Motoren gelingt, aber muß das unbedingt sein? Wenn man die Baugrößen der Motoren (in Grenzen) variieren kann, um eine Leistung x zu erzielen, dann erscheint für mich der Weg der geringeren Spannung (240 V statt 360V) attraktiver. Bitte korrigier mich, wenn ich etwas falsch verstehe.

Hier liegst Du gleich doppelt falsch. Richtig ist, daß man die gleiche Leistung mit höherer oder niedrigerer Spannung erreichen kann. Bei niedriger Spannung muß dazu dreisatzmäßig der Strom höher sein. Dann braucht man, wie korrekt angemerkt, dickere Kabel. Man braucht aber auch "dickere" Batterien, und zwar bedeutend dickere. Bleiakkus haben ein überaus nicht-lineares Verhalten. Mit steigendem Strom steigt deren Innenwiderstand überproportional an, es wird ein zunehmender Teil der entnommenen Energie in den Batterien selbst verbraten. Daher der weiter oben erwähnte starke Spannungsabfall. Außerdem sinkt bei längerer Entnahmedauer die entnehmbare Strommenge, das Produkt aus "Ampere x Stunden"  ist ebenfalls nicht konstant. Und die Haltbarkeit der Zellen nimmt ab.

Um nun einen höheren Strom ohne großen Spannungsabfall zu kriegen, muß man den Innenwiderstand der Batterien herabsetzen. Dazu gibt es 3 Möglichkeiten:
a) Gleicher Akkuaufbau mit größeren Zellen, nach dem Motto "viel hilft viel". Gibt nebenbei höhere Batteriekapazität, also mehr Reichweite. Nachteil: mehr Gewicht, höherer Raumbedarf.
b) Anderer Akkuaufbau mit größerer Oberfläche der Bleiplatten. In etwa "2 dünne Platten parallel statt 1 dicke". Nachteil: Verringerte Haltbarkeit
c) Völlig anderer Akkutyp mit Kupfereinsatz, wie wie irgendwo oben (bei amerikanischen Booten?) beschrieben wurde. In die gleiche Richtung als Beispiel gehen die Reinblei-Zinn-Batterien von Hawker, die heute im Motorradbereich verwendet werden. Grobgerundet liefern die den gleichen Startstrom bei halber Größe. Inwieweit sowas bei der Kriegsmarine in Entwicklung war, müssten andere beantworten.

Den gleichen negativen Effekt mit dem Spannungsabfall am Innenwiderstand hat man auch, wenn man einen vorhandenen Motor mit höherer Spannung betreibt. Die Zusammenhänge zwischen Spannung, Strom, Widerstand, Leistung, Georg Simon Ohm und Adam Riese setze ich als bekannt voraus.

[delcyros]

Habt Dank für die Korrekturen in meiner Vorstellung.