Turbulenzen vom Kiel und Saildrive erzeugen Vibrationen im Antrieb

Die im Kapitel Propeller beschriebenen Vibrationen kommen von Turbulenzen, die aus der Umströmung von Kiel, Rumpf, Saildrive und Propeller herrühren. Diese wirken auf den Propeller (in Segelstellung) und den Saildrive und werden über diesen in den gesamten Antrieb und die Aggregatelagerung in den Rumpf eingeleitet.

Soviel kann man nach Überprüfung der korrekten Montage von Propeller, Saildrive und Manschette sicher festhalten.

Das hintere der drei Aggregatelager, das runde, wurde auf Verdacht ausgetauscht, so dass hier auch nicht von Verschleiß, Verhärtung oder anderem Ungemach ausgegangen werden kann. Ist also neu.

 

Es wackelt eben alles bei "Drehflügelpropeller in Segelstellung". Den Rat der Schiffsversuchsanstalt in Potsdam, die ich um Unterstützung gebeten hatte, doch zum Blockieren der Propellerwelle nicht in den Rückwärts-, sondern in den Vorwärtsgang zuschalten, konnte ich technisch nicht nachvollziehen und habe ich für die weiteren Betrachtungen bei der Lösungsfindung zurückgestellt.

 

Um den Turbulenzen auf die Spur zu kommen, hatte ich überlegt, im Winterlager einmal versuchsweise Luft in Fahrtrichtung am Kiel, Saildrive und Propeller vorbeizupusten und die Strömung mit Wollfäden oder Rauch sichtbar zu machen. Dazu habe ich den Winterlagerbock im Bereich des Kiels mit Folie abgegrenzt (shrink-wrap) und zwei Ventilatoren mit 300mm Durchmesser und einem Luftdurchsatz von je 2.850 m3/h (=47 m3/min) vor dem Kiel angebracht.

94m3/min Luft (2 x 47= 94) bei einem Kanalquerschnitt von etwa 2m x 2m = 4 m2 ergibt eine theoretische Luftgeschwindigkeit von 23,5 m/min oder umgerechnet 0,4 m/s wenn alles gleichmässig und parallel durchströmt wird.

 

Das wäre für den Vergleich zu langsam, da eine Bootsgeschwindigkeit von 5 Knoten, bei der die Vibration deutlich zu spüren ist, umgerechnet 2,6 m/s bedeutet. Dennoch war die Luftgeschwindigkeit in der Nähe des Rumpfs und Kiels so hoch, dass der Wollfaden Strömungen sichtbar machte, bzw. der Rauch aus der gebraucht gekauften Disco Nebelmaschine Stellen von Turbulenzen zeigt. Der Kanal wird eben in dieser provisorischen und improvisierten Anordnung überhaupt nicht gleichmäßig durchströmt und ist natürlich auch nicht dicht nach außen. Abdichten hätte einen Aufwand bedeutet, der nicht in die Verhältnismäßigkeit gepasst hätte. Auf der anderen Seite war der Luftzug auch nicht stark genug, um in 3m Entfernung vom Ventilator in jedem Fall klare Bilder des flatternden Wollfadens zu liefern. Da hätte mehr Leistung sein müssen.

Es hat auf jeden Fall Spaß gemacht den "Versuch" aufzubauen und durchzuführen und er etwas Aufmerksamkeit erregt und dadurch einige Menschen vom Fach zum Mitdenken angeregt, was mir bei der Lösungssuche doch geholfen hat.

Mit einer ansässigen Bootsbauwerft, gepaart mit Ratschlägen eines Yachtkonstrukteurs und den Ideen von Fa. Wrede haben wir den Weg gewählt, es einmal auszuprobieren, die Verwirbelungen hinter der Kielkante bis zum Saildrive getrennt auf jeder Seite des Kiels zu halten. Dazu haben wir eine Trennfläche in Form eines Bretts zwischen Kielhinterkante und Saildrive eingeklebt. Die modernen Kleber halten wirklich enorm fest. Nachdem der ausgehärtet war, hatte ich keine Bedenken mehr, dass diese Konstruktion sich einige Zeit im Wasser halten wird.

Natürlich wird es Turbulenzen an den Flächen des Kiels, Brett und Saildrive geben, so wie vorher auch. Jeder Tragflügel hat nur bis ca. zur Hälfte seiner Profillänge laminare Strömung anliegen. Dann löst sie sich in der Regel ab und wird turbulent. Das ist abhängig vom Profil und vom Anstellwinkel im Strom und von einigen anderen Faktoren.

Wichtig ist zu wissen, dass am Ende eines Kiels nicht mit laminarer Strömung zu rechnen ist. Bei unserem Problemfall ist die Verwirbelung allerdings so groß, dass die Impulse so stark auf den Propeller wirken und damit die unerwünschte Schwingung verursachen. Ggf. sind die strömungsgünstig geklappten Blattflächen des Propellers besonders empfänglich für senkrecht zur Stromrichtung erfolgende Turbulenzimpulse.

Skizze zu obigen Ansatz


Theorie       :(

Die Ableitung der obigen Theorie ist auch durch folgende Simulationen, die wir auf You Tube gefunden haben, entfacht worden:

Allerdings hat der Versuch mit Luft einen ganz gravierenden Fehler: Die Umströmung mit Luft ist überhaupt nicht mit der Umströmung im Wasser zu vergleichen. Schuld daran ist die Reynoldszahl!

 

Man kann die Reynoldszahl errechnen mit drei Faktoren:

der Strömungsgeschwindigkeit (v), hier unsere Fahrt durchs Wasser

mal der Länge des umströmten Körpers (l), hier die Länge des Kiels in Strömungsrichtung

geteilt durch die kinematisch Viskosität der Flüssigkeit (kV),  hier die von Luft oder Wasser.

 

                                                  Re  =  v * l  /  kV

 

Und hier kommt der größte Unterschied meines Versuchs zur Realität im Wasser her: Kinematische Viskosität ist ganz, ganz grob ein Maß, wie zähflüssig ein Medium ist. Beispiel: dickes, ganz kaltes Öl ist viel zähflüssiger als Wasser aus dem Wasserhahn. Bis das kalte, zähe Öl dorthin geflossen ist, wo das Wasser schon nach einer Sekunde ist, vergeht viel, viel mehr Zeit. Wie groß muss dann erst der Unterschied zwischen Luft und Wasser sein?

 

Ich hab einmal 2,6 m/s als Geschwindigkeit (5 Knoten) und die Länge der Kielwurzel unter dem Rumpf mit ca. 1,8 m eingesetzt. Die kinematischen Viskosität habe ich schlauen Internetseiten entnommen. Dann kommt als Reynoldszahl

bei Luft mit 10 Grad Celsius         Re =    329.415

bei Wasser mit 10 Grad Celsius   Re = 3.693.765

heraus.

Die Werte sind also mehr als 10-mal unterschiedlich und damit nicht vergleichbar.

Nur wenn zu vergleichende Strömungsverhältnisse ungefähr die gleiche Reynoldszahl haben, kann man Rückschlüsse von dem einen auf den anderen Versuch ziehen. Dumm gelaufen.

 

Die Reynoldszahl ist übrigens "dimensionslos", d.h. sie hat keine Einheit wie Meter oder Sekunden. Das ist so, weil die Einheiten der Zahlen, mit denen man die Reynoldszahl errechnet, sich einfach gegenseitig wegkürzen. Ganz schön praktisch. 

http://airfoiltools.com/calculator/reynoldsnumber?MReNumForm%5Bvel%5D=2.6&MReNumForm%5Bchord%5D=1.8&MReNumForm%5Bkvisc%5D=1.4207E-5&yt0=Calculate


Ganz praktisch heißt das aber auch, dass ich die schönen Videos vom roten Wollfaden nur als Vorher/Nachher Vergleich, nämlich mit und ohne Holzplatte nutzen kann. Eine Aussage über Turbulenzen kann ich nicht ableiten. Schade. Dennoch erscheint die Maßnahme mit der Holzplatte, zur Trennung der Verwirbelungen links und rechts vom Kiel erst einmal richtig und ich werde, nachdem ich das Ganze schön mit Antifouling gemalt habe, auch probeweise segeln. Im Frühling, oder wann immer Corona uns die Gelegenheit gibt, die Boote ins Wasser zusetzen.

Video vom "Windkanal"

Den Versuch mit der Disco Nebelmaschine habe ich umgehend abgebrochen, da ich zu befürchten hätte, dass die Kappelner Feuerwehr alsbald ausrückt, und mit C-Rohren auf mich zielt. Wahrscheinlich ist doch die Halle mit passenden Rauchsensoren versehen und auf die Feuermeldezentrale aufgeschaltet ist. Das Ding hätte die Halle bestimmt zu genebelt. Besser nicht.


Peters Meinung

29.01.2021

Welcher Segler weiß nicht, wer er ist? Peter Foerthmann, der Eigner der Firma WINDPILOT, die Wind-Selbststeueranlagen für Blauwassersegler herstellt und vertreibt. Seit 45 Jahren. Weltweit. Die Guten! Eine Institution.

Wenn er auch streitbar und völlig autark in Meinungen ist, so wie Blauwasserkapitäne es eben sein müssen, so zeichnet er sich doch nach meiner Meinung durch hohe Integrität und Transparenz aus. Neben seinen Selbststeueranlagen betreibt er auch einen Blog im Internet und verfasst Bücher zum Thema Lange Fahrt mit Segelyachten. Darüber habe ich irgendwann Kontakt zu ihm bekommen und kann ab und zu seinen Rat erhalten, wenn es um Themen wie Ausrüstung und Dinge für blaues Wasser geht.

Und by the way, mischte sich auch mein Windkanal kürzlich in einen Mailaustausch mit dem Windpilot.

Da Herr Foerthmann eine sehr klare und nicht so gute Meinung zu Saildrives auf ozeanquerenden Segelyachten hat, witterte er sogleich Wasser auf seine Mühlen und meldete seinen Besuch im Winterlager unter der Skokie an. Es passt gut zur jüngsten Veröffentlichung seines Buches "Bootsbau Gestern und Heute". So kam Prominenz in Halle 4.

Und es wurde auch nicht lang gefackelt, einen Tag später erschien sein Bericht über "Shaking Skokie" im Blog des WINDPILOT.

 

Zu den ungünstigen Strömungsverhältnissen an Kiel, Propeller und Saildrive waren wir uns schnell einig. Auch, dass wenn ein Drehflügelpropeller an einer Wellenanlage sitzt, solche Vibrationen durch feste Aufhängung der Wellenlager nicht zu Schwingung des Rumpf führen würden. Dass ein Motor, der auf eigenen vier Füssen in Silentblocks steht, ein eigenes Schwingsystem darstellt, passte in die gemeinsame Überlegung. Und auch, dass der Hebelarm des Saildrives, der mit ca. 57 cm Achsabstand ins Wasser ragt, Vibrationen eines Propellers verstärken würde, ist eine gemeinsame Feststellung.

 

Dennoch motoren nach meiner Schätzung 90% aller neu gebauten Segelyachten mit einem Saildrive und vermelden nur in Ausnahmen Schwierigkeiten mit dieser Konstruktion. Sicher kann sich auf dem Atlantik ein beklemmendes Gefühl einstellen, wenn sich zwischen seinem segelndem Wohnzimmer und dem vielen Wasser bis zum 3km entfernten Meeresgrund eine nur wenige millimeterdicke Gummimembran schützend dazwischen legt. Doch diese Membran hat sich mehrere tausendmal bewährt und hält, regelmäßigen Austausch alle 7 Jahre vorausgesetzt.  Vielmehr scheinen Unglücke in Zusammenhang mit der Membran bei den Versicherungen keinen Zuschlag an Prämie auszulösen. Anders im Falle des Verschleißteiles Rigg, für das beim Marktführer keine Versicherung mehr erfolgt, sollten nicht alle 15 Jahre die Drähte erneuert werden. Auch der Zahnriemen zur Ventilsteuerung eines Motors will prophylaktisch getauscht werden, um kapitale Motorschäden zu verhindern, just in case. Verschleißteile tauschen und regelmäßige Wartung sind Alltag auf einem Segelboot.

 

Konstruktiv mag die Wellenanlage ob ihres Drucklagers für den Schub in einem seegehenden Lystbåd die klassisch zu bevorzugende Lösung sein. Es werden aber nach der Corona-Pandemie sicher noch an vielen Stammtischen Argumente für und wider der einstigen Innovation Saildrive ausgetauscht werden. 

 

Jedenfalls war der Besuch klasse, angenehm, lösungsorientiert und wird auf jeden Fall helfen, das untersuchte Problem zu lösen. Nachzulesen bei  https://windpilot.com/blog/schiffe/saildrive/


Wer mir mit Ergänzungen oder Korrekturen helfen möchte, soll dies bitte unbedingt tun und sich über den Blog dieser Seite bei mir melden. Ich würde mich freuen.


Jetzt warten wir auf den Sommer, da es im Frühjahr noch nichts mit Segeln werden wird. Dann probiere ich das Provisorium aus und hoffe, dass es mir nicht um die Schraube fliegt. Wenn alles nichts nützt, bleibt der Tausch auf einen Faltpropeller.

We will see. 1.2.2021