Verstellpropeller Ticonderoga-Class

[harold]

Die Diskussion   http://forum-marinearchiv.de/smf/index.php?topic=6718   ging darum, ob ein Kreuzer der Ticonderoga-Klasse wirklich -wie von der US Navy kolportiert- innerhalb von wenigen (zwei) Schiffslängen aus 25 kn aufstoppen kann, indem die Verstellpropeller neagitive Steigung einnehmen.-

Da dies alles ein wenig durcheinander kam, versuche ichs hier noch mal systematisch anzugehen, dazu werde ich einige Tage Zeichenarbeit verwenden und bitte euch, die Erklärung langsam und Schritt für Schritt entwickeln zu dürfen.
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Verstellpropelloren arbeiten generell so, dass die Blätter in einem beschränkten Bereich schwenkbar sind, um -wie bei der Gangschaltung eines Autos- für die jeweilige Geschwindigkeit die effizienteste Steigung zu ergeben (andernfalls müsste die Geschwindigkeit über die Umdrehungszahl der Maschine geregelt werden - was nicht immer ökonomisch ist).



Hier sehr deutlich sichtbar die runden Führungen der Blattverstellung. Was weiter auffällt, ist die Größe der Nabe im Vergleich zum Durchmesser der Schraube (ca 1 zu 3 ; oder Konusdurchmesser gleich Blattweite).
"Normale" Schiffschrauben haben im Vergleich zu ihrem Konus-Durchmesser (=1) wesentlich weitere Blätter (= 3 bis 4)...



... und damit auch wesentlich größere Unterschiede in der Radialgeschwindigkeit ihrer jeweiligen Blätter.
Das hat seinen Grund: die einzelnen Blätter bewegen sich an ihrer "Wurzel" wesentlich langsamer durchs Wasser als an ihrer "Spitze", unabhängig von der jeweilgen Umdrehungszahl.
Außen im Karussell bist du schneller unterwegs als achsennahe ... klar?
Bei "normalen" Schrauben kann der relative Abstand zwischen Blattfuß und -spitze nun ein Mehrfaches des Konus-Durchmessers betragen - allerdings sind diese Schrauben für bestimmte Umdrehungszahlen optimiert, und ihre jeweilige Steigung entspricht dieser Optimierung:



Die inneren Profile (A , B) haben wesentlich stärkere Steigung ("Anstellwinkel") und kürzere Wege ( = Radialgeschwindigkeit) als die äußeren (C , D). Die Pfeil-Länge entspricht der Anströmgeschwindigkeit (radiale plus Vorwärtsbewegung).
Die Breite der grauen Rechtecke entspricht der Radialgeschwindigkeit.

Aber eigentlich wolln wir doch die Ticos, und ihre ganz speziellen Schrauben unter die Lupe nehmen...



Wie gemacht für eine kleine Fotoauswertung!
Offenbar ist es der US Navy völlig wurscht, dass man ihren Kreuzern mal untern Rock schauen kann
(oder sie denken einfach nicht daran, dass jemand draus Schlussfolgerungen zieht. N Großteil der geometrischen Umsetzung von Algebra haben übrigens Araber entwickelt - vor etwa 1000 Jahren gabs schon "graphische" Computer; naja, führt vom Thema weg-).



Aus den perspektivischen Parallaxen, Schattenfall, Reflexionspunkten und Fluchtpunktlage lässt sich rekonstruieren:



Hier haben wir also die Geometrie für diverse Überlegungen, bei welchen Anstellwinkeln dieser Propeller die-und-die Ergebnisse liefert.
Vorgehen möchte ich im Weiteren mit rein vektoriellen Veranschaulichungen wie schon in
http://forum-marinearchiv.de/smf/index.php/topic,2136.0.html  ;
und natürlich sperr ich diesen thread nicht zu (wie angekündigt), sondern lass ihn offen.

Nächster Gang: frühestens samstags (morgen 2 x Arzt, und abends Sitzung mit meinen ehemaligen Ratten).

Ciao,
Harold

[harold]

Nach einigem Suchen kann ich noch immer nicht wirklich überzeugende Daten zu den Schrauben-Dimensionen finden ...
... also der geometrische Weg.
Ich gehe von einer Werftarbeitergröße Sohle-Helm 1,8 m aus; zwei Gestalten (blaue Rechtecke) und der aus den Fluchtlinien herausgezeichnete Horizont dienen als Referenzen (und zum Vergleich auch noch die Absperr-Reling, deren Pfosten demzufolge 1,15 m hoch sind)



Das gibt die Tabelle der herausgezeichneten Profile O (direkt an Nabe), A bis E, und X (extreme Peripherie) mit dem jeweiligen Datentripel
- Abstand v Zentrum (m)
- Blatt erstreckt sich über Projektion von (°)
- Drehpunktlage des Profils achtern von Projektion (°)

Der Schraubendurchmesser läge also bei 4,9 m und der der Nabe bei 1,52 m.

Diese Daten möchte ich zuerst mal mit der mir zur Verfügung stehenden Literatur abgleichen, bevor ich weitertue.
Vielleicht hat wer Angaben zu rpm und Dimensionen jenseits dieser Foto-Geometrie?

[harold]

Für 32.5 kn Maximalspeed einer "Ticonderoga" sollten (bei 40.000 wPs) etwa 270 rpm ausreichen - hier mal die ersten Geometrien dazu, ganz oben noch ein Anstellwinkel von 45° an der Blatt-Basis (entspricht mittlerer Steigung von 36%, war eher ein Herantasten...), darunter dann groß herausgezeichnet 48° an Basis (= 39%).




Ganz rechts (= außerhalb des Schraubendurchmessers) werden die Strömungslinien sehr hohl ... und das Resultat ist "weiche" Kavitation (Bläschen), d.h. Freisetzung des gebundenen Sauerstoffs im Wasser (für "harte" Kavitation bräuchten wir einen wesentlich höheren Druckabfall - um etwa eine 10-er-Potenz - darauf möchte ich später noch eingehen).

Hier ein schönes Beispiel für "weiche" Kavitation (und auch, wie sie vorm Ruder angestaut wird),



... die freigesetzten Gase (Mittelzopf der Nabe, und Verwirbelungen an den Blattspitzen) sind nicht etwa Wasserdampf, sondern der im Wasser gelöste Sauerstoff.-

Zurück zu der Ticonderoga-Schraube:
das anströmende Medium (blau dunkel) wird durch die Blattform jeweils umgelenkt und beschleunigt (blau hell).
Die vektorielle Diskrepanz setzt sich aus Vortrieb (=orange) und radialem Verlust (=rot) zusammen.



Unten im Diagramm als gelbe Fläche der jeweilige Vortrieb / Durchmesser ... dass die Kurve außerhalb negativ abfällt: Verluste durch radiale Versetzung der Wassermasse (in Diagramm als ROT eingezeichnet):



Dies ist nun der Verlust durch "Slip"; d.h. die 8 - 10 % Wasserdurchsatz, die "irgendwo fehlen".
Nur sind sie eben nicht axial (wie denn wohl auch?), sondern ein Nebeneffekt der radialen Beschleunigung des Mediums Wasser nach außen (und auch in geringerem Maß Druckverlust an der Nabe, deutlich nach der Blattführung).
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Die Effiizienz von "Anstellwinkel -volle!- zurück" am Beispiel der Tico's möchte ich dann im nächsten Beitrag zeigen; und auch, wie die Bernoulli-Gleichungen sich in all ihrer Bosheit an der Schraube auswirken könnten.

[harold]

Ich schalt mal n Gang zurück ... um "das mit dem Radialverlust" zu illustrieren, nachdem ich dazu per PN (oha! - hab ich so abschreckend gewirkt?) aufgefordert wurde:



Tangentiale, Radiale und Rotationsachse sind hier jeweils aufeinander normal, x-y-z- Koordinaten.

Anströmung zum Blatt wird abgelenkt => die Resultierende daraus zeigt nach vorne und nach außen (radial).
Diese Vortriebskomponente (hellorange) zerfällt in radialen Transport des Mediums Wasser nach außen (gelb) und in Vortrieb in Propeller-Achsen-Richtung (das muss jetzt nicht unbedingt Schiffs-Längsachse sein!), dunkelorange.

Für das unten rot herausgezeichnete Profil unseres Ticonderoga-Propellers bei Steigung 36% die Pfeile im selben Farbcode ...



... die angedeuteten Strömungslinien zeigen den Transport der Wassermasse radial von Profil zu Profil nach außen (darum auch die entsprechenden Anströmdiagramme) und schließlich außerhalb des Propeller-Radius - radikaler Druckabfall, Freisetzung des wassergebundenen Sauerstoffs ("weiche" Kavitation).

Ja, eigentlich sollten wir uns diesen Propeller bei Nullschub ansehen, bevor wir ihn "volle Zurück" rotieren lassen ... das verzögert zwar die Argumentation, hilft jedoch vielleicht beim Nachvollziehen?
Ich geh jetzt mal aufn großes Bier und n Chili bei meinem Perser - der beste Ort, um nachzudenken.
Harold

[Ralf]

Ich hatte zwar mal vor einer halben Ewigkeit einen Fysikleitungskurs, aber das ist doch schon etwas höher. Dennoch bin ich er Meinung, dass ich mit harold als Lehrer mehr verstanden hätte... Naja, lag vielleicht auch an den Hormonen...

Harold, super Beitrag! 

[Ulrich Rudofsky]

Harold: Donnerwetter!  Auch für einen vormaligen Immunopathologen unheimlich interessant....... aber ich kann das nur langsam kauen um es zu verdauen.
Grossartig! Müsstest du an die USN senden 

[harold]

Also, jenseits jedwelcher Physik-Kurse und dem mir böse Streiche spielenden Immunsystem ...


(Loch angeklopft runter auf Knochenhaut, seeehr langsam zuwachsenden Zustands nach fünf Wochen - sool'ch nu mit'm Saufen aufhörn-??)

...hier nun mal unsere Tico, wenn sie aus vollem Voraus-Anstellwinkel (oben) mit mehr als 25 kn einen auf Nullschub (unten) macht:



Anstellmäßig heiß das für unseren Propeller etwa dies:



... und als mehrdimensionales Flussdiagramm (Vorsicht: den Faktor "Zeit" hab ich hier zugunsten der "gleichzeitigen" Darstellung geopfert - je blauer, desto langsamer, und je roter, desto schneller das Profil im Wasser):



Bingo: Vortrieb gleich Rücktrieb - siehe die vektorielle Addition! Und das aus 25+ kn heraus...

... ja wenn da nicht diese lästigen weißen Linien wären.

Die zeigen nämlich nicht nur jeweils gleiche Geschwindigkeit an, sondern ihr Abstand voneinander zeigt auch Druckerhöhung (Abstand vermindert) und Druckabfall (Abstand erhöht).
Und wenn man diese Strömungslinien weiter nach außen (im Diagramm weiter nach unten) verfolgt, dann sieht man, dass durch diverse Druckabfälle sehr sehr böse Verwirbelungen entstehen - und diesmal ist das "harte" = Dampfkavitation - sehr hoher Druckabfall, Medium wird partiell gasförmig:



- im Klartext, außerhalb von Profil B wird die Schraubenwirkung beim Abstoppen (Blattlage "neutral") aus 25 kn buchstäblich zu Schaum, und innerhalb davon wirkt sie nach wie vor als Vortrieb... und sie vibriert bei etwa 6 - 8 Hz ...
...dazu noch, dat Schipp brems' nich...wie wir's gerne hätten.
Wolln wir aber so nicht.  ---  also kann uns der "Nullschub" im statischen Zustand völlig Wurscht sein, ...was wir brauchen ist ein Anstellwinkel, der im "Anbremsen" nicht kavitiert (nix Schaum macht) und im weiteren genügend Rücktrieb liefert, um einen Fullstop in zwei Schiffslängen zu gewährleisten.

Das gukken wir demnächst,
Harold

[Chrischnix]

Hallo Harold

Schönen Dank für den tollen Beitrag !

(Loch angeklopft runter auf Knochenhaut, seeehr langsam zuwachsenden Zustands nach fünf Wochen - sool'ch nu mit'm Saufen aufhörn-??)

Das heißt nicht saufen, sondern "Innerliches Einreiben"   
Das klingt doch gesund ! Also weitermachen !

Grüße:
Chrischnix

[harold]

Wie inzwischen allabendlich üblich,
Faden mit

wird weiter abgewickelt.
(und "innerlich eingerieben" hab ich heut auch schon -Danke für den euphemisierenden Ausdruck!- ... und mir dabei die Lektüre eines sehr ausführlichen Propeller-.pdf gegönnt - Danke nach Schlicktown!).

Nachdem der gestrige Anstell-Winkel nicht gerade das war, was wir wollten -(hab ja gesagt, sachte runterfahren damit...)- heute etwas weniger Drama, und auch (auf Wunsch... manchmal bin ich doch noch zu schnell) ein bisschen erklärt warum das so gezeichnet ist:



Wir sind weiterhin bei ca 25 kn und 270 rpm, gehen jedoch von 45° / ca 36% auf mittlere Steigung 20% oder ca 10.8° (Profil C) zurück, unten dazu die einzelnen Anströmverhältnisse (blaue Diagonale).



Nächster Schritt: im Wissen um die Strömungsverlagerung nach außen, hier die Folge von Blatt auf Blatt, mit "normalisierter" Anströmung, d.h. A und B sind gestreckt, C bleibt normal, D und E sind gestaucht:



Diese Geometrie wird jetzt mit gleichbleibender Anströmrichtung auf isobare Linien (weiß) hin untersucht - und darauf, was sich bei der Abströmung ändert, oder ob Verwirbelungen eintreten (sichtbar an wesentlichen Abstandsungleichheiten der Isobaren).
Von rechts nach links nimmt die Geschwindigkeit zu, das Diagramm ist also insoferne verzerrt:



In diesem Fall hier : alles bestens! Zwischen den einzelnen Blatten wird's zwar zu kleinen Verwirbelungen kommen - aber generell liegt hier der Abströmwinkel nur ganz unerheblich über der Anströmung ...
... das was wir wollten: nach wie vor auf 270 rpm (durch Unterlastung der Tu wird dies sogar steigen?), jedoch jeden Vorschub innerhalb der Verstellzeit von 25° inzwischen raus, ohne zu kavitieren.
Die Verstellzeit würde ich auf ca 5 sec schätzen ... bei 25 kn (= 12.87 m/sec) sind das etwa 65 m - in diesem Zeitraum hat sie bestenfalls 4% ihrer Geschwindigkeit verloren, und sie hat jetzt keinen aktiven Vortreib mehr, "die Schraube dreht grade noch mit", das ist alles.
Noch etwa 250 - 300m ... und dann soll sie stehen? Schaun mer sich das amol an , frei nach Karl Farkas... (morgen, bitte, denn die Zeichnerei bedarf auch so ihrer Stunden)-

Und nun noch zur "Entzerrung" des Diagramms:



...die Vektoren sind in Richtung und Länge auf 75% gestaucht, die mittlere Reihe der Profile ebenso, die Geschwindigkeit von rechts nach links ist dem proportional.
An der vektoriellen Analyse ändert dies nix, und es ist überschaubarer. Die Lage der Anströmung bleibt (natürlich entsprechend gekrümmt) erhalten.

Morgen versuchen wir dann, auf die Bremse zu steigen. Ausgekuppelt (i.S.v. neutraler Schub ohne viel Schaumschlägerei) haben wir ja schon mal... immerhin etwas.

Ciao,
Harold

[harold]

So sieht sie also im Wellenbild bei 25kn aus:


(USS Lake Champlain CG 57)

Schön sichtbar ihre durch den Sonardom rückversetzte Bugwelle; und achtern die Interferenz zwischen Schraubenstrom und Heckwelle! (auf der Höhe ihrer vorderen Aufbauten zeigt sie die Interferenz zwischen wirklicher und Sonardom- Bugwelle im ersten Minimum als bordwandbegleitende Gischt - hier zwar nicht relevant, na ja, aber doch einfach nett...)

Aus dieser Speed heraus ausgekuppelt (i.S.v. neutraler Schub ohne viel Schaumschlägerei) haben wir ja schon mal... immerhin etwas. ...

Nun das ist mehr als nur "etwas".  Die Schraube(n) dreht noch während ca 3 sec "aktiv" bei 24.5° mittlerem Anstellwinkel (bezogen auf Profil C) mit, bevor sie langsam (= 4 sec) auf 19.1° und dann (nach weiteren 7 sec) auf 12.4° geht.
Das bewirkt bis zu ihrem End-Anstell-Winkel nach insgesamt 18 sec einen Geschwindigkeitsverlust von 4.2 m/sec.

Ihre Rotationsgeschwindigkeit (270 rpm) bleibt dabei gleich. Brauchen wir ja auch anschließend noch, für Rücktrieb.

Die Anströmgeschwindigkeit an die einzelnen Blatte vermindert sich nur zögerlich, der Anströmwinkel fällt in diesem kurzen Zeitraum jedoch um ein Drittel (18 => 6.5°) - dh. die Reduktion der Steigung kann ab jetzt schneller stattfinden, weil die Isobaren nach wie vor nicht im Bereich der harten Kavitation sind:



Wir waren bei 14 sec ... von 14 - 23 sec drehen die Blatte auf mittleren Anstellwinkel 4.7° (und jetzt wird seeehr schütterig!).
Von sec.23 bis sec.37  ist die Verzögerung (neagtive Beschleunigung) doppelt so hoch wie anfangs (mit Spitzen von bis 0.45  gegenüber nur 0.19 bis 0.14).
(als Maß dafür die rote Linie ... je tiefer, desto "Bremserei").

Ein Pendel würde unter diesen Umständen um ca 5° nach vorne ausschlagen, und so ziemlich alles mit 1/20stel g nach vorne beschleunigen - außer dem Schiff selber, dessen Massenträgheit nur ein ganz leichtes Eintauchen am Bug bewirkte.

Ausschauen tut das so:


(USS Vincennes CG 49)

Vorne taucht sie noch a bissl auf und ab, die Speed ist raus (keine Bugwelle mehr, und sie wird von ihrer eigenen Heckwelle überholt); die Frequenzen/ Abstände der von hinten "überholenden" Heckwelle und die "Druckausgleichs-Bubbles" ihrer inzwischen erloschenen Bugwelle (die von vorne stagniert / sich seitlich ausbreitet) zeigen ihren Stillstand - jo und achtern ist nix mehr "Schraubenabstrom", sondern Ruhe.
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Tjo:
Schlussfolgerung 1: mit 2 Schiffslängen stoppen se nich auf, die Ticonderogas.
Sie brauchen doch glatt nur satte 60 m mehr ...
Schlussfolgerung 2: Propeller, ihre Wirkungsweise und noch so allerlei dazu ... dazu sollten wir uns mal zusammensetzen.
Das Gebiet ist viel zu interessant, um es "so-nebenbei" zu behandeln.

...das wars mal wieder,         Harold


(edit: Tippfehler 4.5 -wie unten bereits angemerkt- korrigiert!)

[Ralf]

Hallo harold, wieder zur harold-typsichen Unterrichtszeit ein feiner Beitrag aus dem Alpenlande... 

Ich musste allerdings ein paar mal lesen, um folgen zu können. Ich denke, meine Birne ist doch etwas eingerostet...  Aber ich denke, ich habe es kapiert, aber anderen erklären wäre schwierig...

Abermals freue ich mich, dass sich jemand aus hochakademischer Ebene dazu "herab lässt", uns unwissenden über "Harolds Kosmoss" (Wer ist schon Kronszucker) teilhaben zu lassen... Vielen Dank an das Konstruktionskontor Wien! Bravo!

[harold]

Danke Ralf,
und anderntags guck ich dann immer, ob ich Fehler eingebaut habe, hab ich!:
"Von sec.23 bis sec.37  ist die Verzögerung (neagtive Beschleunigung) doppelt so hoch wie anfangs (mit Spitzen von bis 4.5  gegenüber nur 0.19 bis 0.14)." - ersetze 4.5 durch 0.45 m/s², und dann ist die Welt wieder in Ordnung...
...soweit zur unterrichts-typischen Stunde (Zeichenarbeit 4 Stunden, und dann wird halt noch geschrieben dazu - aber eigentlich sollte die Zeichnung immer schon alles aussagen - und die Schreibe nur ein wenig erläutern...
Harold

(edit: hab die Vertipperei oben im Beitrag selber korrigiert)

[Tri]

Hallo,

Harold wieder ganz großes Erklärkino. Danke dafür. 





Grüße
Tri

[kalli]

@Harold,

Dein Beitrag ist wieder mal erste Sahne. Ich habe mich gerade ausführlich damit beschäftigt.
Zwischendurch gibt es zu einem Foto, das ein menschliches Fortbewegungsmittel zeigt, folgende Bildunterschrift:

(Loch angeklopft runter auf Knochenhaut, seeehr langsam zuwachsenden Zustands nach fünf Wochen - sool'ch nu mit'm Saufen aufhörn-??)

Nach dem Foto würde ich die Frage eindeutig mit JA beantworten.

[Ralf]

...singt:
"Hätten wir all das Geld vergraben,
was wir im Leben versoffen haben,
man wir hätten so´n Haufen,
man was könnten wir Saufen!"