Wirkungsgrad des Voith-Schneider-Propellers gesteigert

Vertrag über Forschungskooperation zwischen Voith Turbo Marine und der Abteilung Numerik der Universität Ulm

Seit mehr als 75 Jahren produziert Voith, Heidenheim, den Voith-Schneider-Propeller (VSP), einen äußerst effizienten Schiffsantrieb, der vor allem bei Schiffen zum Einsatz kommt, die aufgrund ihrer Zweckbestimmung über hohe Manövrierfähigkeit verfügen müssen. Zwischen der Abteilung Numerik (Leiter Prof. Dr. Karsten Urban) der Universität Ulm und der Firma Voith Turbo Marine (bis 30.9.2003 Voith Schiffstechnik) besteht eine Kooperation, die ein halbes Jahr alt ist und jetzt auch eine vertragliche Grundlage erhalten hat. Sie dient der Steigerung des Wirkungsgrades am VSP.

1926 konstruierte der österreichische Ingenieur Ernst Schneider eine Antriebsmaschine, die dem Schiff auch in engen Gewässern (zum Beispiel Flüssen) genügend Wendigkeit verleiht. Gebaut und weiterentwickelt wurde sie von der Maschinenfabrik J. M. Voith. Bei diesem Voith-Schneider-Propeller genannten Aggregat sind Schraube und Ruder in einem rotierenden Laufrad vereinigt. Auf einem kreisrunden Laufradkörper, der senkrecht zum Schiffskörper steht und über eine Längswelle und Kegelräder in Rotation versetzt wird, sitzen 4 bis 6 senkrecht angebrachte Spatenflügel. Sie lassen sich durch Exzentersteuerung verstellen: jeder einzelne Flügel wird während einer Umdrehung des Propellers seitlich zur Drehrichtung um einen definierten Winkel ausgelenkt. Die einzelnen Winkelstellungen während einer Umdrehung beschreiben eine Flügelwinkelkurve. Sie ist ein wesentlicher Steuerungsparameter des VSP. Schiffe, die mit einem Voith-Schneider-Propeller ausgerüstet sind, können erstaunliche Manöver ausführen: sie können auf der Stelle wenden, aus voller Fahrt auf kleinstem Raum beidrehen und, wenn sie vorn und hinten je einen Voith-Schneider-Propeller haben, Querbewegungen ausführen (traversieren). Mit dieser Propelleranlage werden vor allem Schlepper, Schwimmkrane, Fährschiffe, Feuerlöschboote, Forschungs- und andere Arbeitsschiffe ausgerüstet.

Im Rahmen seiner in der Abteilung Numerik angefertigten Diplomarbeit zum Thema „Numerische Optimierung der hydromechanischen Parameter des Voith-Schneider-Propellers“ gelang es Sebastian Singer, mit seinen Berechnungen den Wirkungsgrad des VSP signifikant zu steigern. Das Ziel war die Bestimmung einer Flügelwinkelkurve, für die der Wirkungsgrad des VSP optimal ist. Erreicht wurde es mit numerischen Optimierungsverfahren, in deren Verlauf die durch den VSP erzeugte Strömung jeweils numerisch simuliert werden mußte. Die von Voith entwickelte leistungsfähige Software zur Berechnung der Strömungsverhältnisse am VSP konnte dabei erfolgreich integriert werden.

Die Ergebnisse werden jetzt von der Firma Voith Turbo Marine mit der neuen Propellergeneration unmittelbar in die Praxis umgesetzt. Die Wirkungsgradsteigerung beträgt 4 %. Das bedeutet auf dem Gebiet der Hydromechanik einen außergewöhnlichen Zuwachs. Aufgrund dieses Erfolges hat sich Voith entschlossen, ein auf drei Jahre angelegtes Forschungsprogramm in der Abteilung Numerik zu finanzieren. Dazu wurde am 1. Oktober ein Vertrag unterzeichnet. Von dem Programm wird im Ergebnis die Optimierung weiterer Parameter des VSP erwartet. Die noch anstehenden Optimierungsprobleme sind vieldimensional, komplex und nichtlinear, so daß die Entwicklung effizienter und verläßlicher numerischer Berechnungsverfahren sowie die numerische Simulation der Strömungsverhältnisse an VSP-Flügeln wesentliche Elemente des Projekts bilden.