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Entwicklung eines Verfahrens zur Optimierung von Mehrkomponenten-Schiffspropulsoren für schnelle Schiffe

Steden, Max

Der Entwurf eines Mehrkomponenten-Schiffspropulsors für schnelle Schiffe bedeutet eine besondere Herausforderung, bietet aber auch besondere Möglichkeiten. Derartige Propulsoren stellen in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich ein alternatives Propulsionskonzept zu konventionellen Propellern dar. Der beschriebene Mehrkomponenten-Schiffspropulsor besteht aus einem Rotor samt Nabe, einem Stator und einer Ummantelung. Die komplexen Wechselwirkungen unter den einzelnen Komponenten erschweren den Entwurf des Propulsors. Das Entwurfsziel ist die Maximierung des Wirkungsgrades unter Vermeidung von Kavitationserscheinungen. In dem entwickelten Verfahren werden Methoden zur Simulation der Strömung effizient eingesetzt und miteinander gekoppelt. Ein Optimierungsalgorithmus liefert Vorgaben zur Erzeugung der Propulsorgeometrien, deren Umströmung automatisch simuliert und bewertet wird. Durch die Formulierung der Bewertungsfunktionen wird der Schwerpunkt des Entwurfs definiert. Das Ziel des Verfahrens ist die Ermittlung einer Geometrie, die einen optimalen Kompromiss zwischen den Bewertungskriterien darstellt. Das Verfahren wurde zur Erprobung angewendet. Nach einer Vielzahl von Auswertungen geometrischer Varianten werden Rückschlüsse auf die Wechselwirkungen unter den Komponenten gezogen und es wird eine optimierte Geometrie ausgewählt. Das Ergebnis ist ein Propulsor, der die geforderten Randbedingungen erfüllt, nahezu kavitationsfrei arbeitet und einen gesteigerten Wirkungsgrad gegenüber einem konventionellen Propeller aufweist. Zur Validierung des Verfahrens wurde ein optimierter Mehrkomponenten-Schiffspropulsor im Modellmaßstab gebaut und untersucht. Die Versuchsergebnisse weisen eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen auf. Anschließend wurde in einer weiteren Anwendung des Verfahrens gezeigt, dass das Verfahren die gezielte Veränderung bestimmter Eigenschaften ermöglicht.

The design of a multi-component propulsor for fast ships poses a special challenge; however, it also offers special possibilities. Such propulsors represent an alternative propulsion-concept to conventional screw-propellers within a certain velocity-range. The described multi-component propulsor contains a rotor with hub, stator and duct. The complex interaction, under the single components, complicates the design of this type of propulsor. The aim of the design is maximisation of efficiency under the constraint of avoiding propeller-cavitation. In the developed procedure methods for the flow-simulation are employed efficiently and coupled to one another. An optimisation algorithm delivers a set of parameters describing the propulsor’s geometry whose flow-properties are automatically simulated and evaluated. Emphasis of the design is defined by the formulation of the target functions. The aim of the procedure is the determination of a geometry which shows an optimal compromise between the evaluation criteria. The procedure was tested by its application. After a colossal number of evaluations of geometrical variations, conclusions on the interaction under the components are drawn and an optimised geometry is selected. The result is a propulsor which fulfils the required boundary conditions, runs nearly cavitation-free and shows an increased efficiency compared to a conventional screw-propeller. For the validation of the procedure an optimised multi-component propulsor was built in model scale and tested experimentally. The test results show good agreement with the simulation results. Afterwards it was shown in another application that the procedure allows for a specific change of certain propulsor-properties.

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Steden, Max: Entwicklung eines Verfahrens zur Optimierung von Mehrkomponenten-Schiffspropulsoren für schnelle Schiffe. 2010.

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