Titel: | Die Bedeutung der Rädergetriebe für den Antrieb von Handelsschiffen. |
Autor: | Kraft |
Fundstelle: | Band 328, Jahrgang 1913, S. 788 |
Download: | XML |
Die Bedeutung der Rädergetriebe für den Antrieb
von Handelsschiffen.
Von Dipl.-Ing. Kraft in
Berlin.
(Fortsetzung von S. 773 d. Bd.)
KRAFT: Die Bedeutung der Rädergetriebe für den Antrieb von
Handelsschiffen
Die Aussichten, die an Hand der bisherigen Erfahrungen die Rädergetriebe gerade
auf den erwähnten Arbeitsgebieten eröffnen, sind überaus erfolgversprechend- Bisher
sind nicht weniger als neun verschiedene Handelsschiffsanlagen mit Parsons – Getrieben bekannt geworden. Ihre
Hauptkonstruktionsdaten sind in Tab. 1 zusammengestellt.
Neben den vorerwähnten Anlagen befinden sich verschiedene andere in Bau, darunter
solche bis zu einer Leistung von 12000 PS an einer Welle, ein klarer Beweis nicht
nur für das Zutrauen, das die Betriebssicherheit der Getriebe bisher genießt,
sondern auch für ihre weitreichenden Verwendungsaussichten.
Wie die Tabelle erkennen läßt, sind bisher zwei verschiedene Schiffstypen unter den
Anlagen mit Pfeilradgetrieben vertreten, der. normale Frachtdampfer und der schnelle
Revierdampfer. Wenn sich der erstere nur in einer kleinen Minderzahl von Anlagen
zeigt, so erklärt sich dies wohl daraus, daß gerade bei den Frachtdampferanlagen
kleinerer Leistung das wirtschaftliche Moment so wenig fühlbar als Empfehlung
in die Wagschale fällt. Die Gewichtsersparnis ist nicht groß, andererseits sind die
Anlagekosten gerade bei kleinen Anlagen etwas höher als die von
Kolbenmaschinenanlagen. Der höheren Wirtschaftlichkeit im Betriebe, die allerdings
nicht zu gering zu veranschlagen ist, steht ein gewisses Risiko bezüglich der
Betriebssicherheit der Neuanlage gegenüber, das sicher das Urteil des Reeders
maßgebend beeinflussen kann. Bleibt doch schließlich zu berücksichtigen, daß diese
Anlagen fast ausschließlich Einzelwellenanlagen sind, bei denen eine Unklarheit oder
eine Betriebstörung im Getriebe das ganze Schiff gefährden kann, leichter jedenfalls
als bei einer havarierten Kolbenmaschine. Natürlich wiegt diese Gefahr, Schiff und
Ladung zu verlieren, schwerer, als die erhöhte Betriebswirtschaftlichkeit. Aus
diesen betriebstechnischen Bedenken heraus hat man beispielsweise bei dem oben
angeführten Frachtdampfer „Cairnross“ von vornherein auf einen evtl. Ersatz
der Turbine mit ihrem
Tabelle 1.
Ausgeführte Handelsschiffe mit Parsons- Getrieben
Name
Schiffsartund Eigentümer
Baufirma
Wasser-erdrangungt
Geeschwin-igkentKn/Std.
Maschinen-eistungWPS
Zahl dePropellerwellen
Zahl d. Umdrehungeni. d. Min.
Uebersetzungs-verhältnis
Pro-peller
Turbine
HD.-Turbine
ND.-Turbine
Vespasian
Frachtdampfer der ParsonsMarine Steam Turb.
Co.
Short Bros., Sunderlandbzw. ParsonsMarine
Steam Turb. Co
4400
10
1000
1
70
1395 HD.930 ND.
19,9:1
13,3:1
NormanniaHantonia
Kanald. der London andSouth Western Railway
Co.
Fairfield Sb. Co.,Glasgow
1900
18
5000
2
300
1920 HD.1335 ND.
6,4:1
4,45:1
Cairnroß
Frachtdampfer derCairn Line of Steamships
Wm. Doxford & Co.,Sunderland
10100
10,5
1600
1
65
1700 HD.–
26,2:1
–
King Orry
Revierdampfer der Isleof Man Steam Packet
Co.
Cammell, Laird & Co.,Birkenhead
2600
20,5
8000
2
300
2210 HD.1615 ND.
7,35:1
5,4:1
Curzon Elgin Hardinge
Revierdampfer derSouth Indian Railway Co.
A. & J. Inglis, Glasgow
880
18
2200
2
500
3500 HD.–
7:1
–
Paris
London Brighton andSouth Coast Railway Co.
.
Denny Bros.,Dumbarton
–
24
12000
2
435
2610 HD.1740 ND.
6:1
4:1
Getriebe durch eine Kolbenmaschine Rücksicht genommen und hat Kesselanlage,
Wellenleitung, Drucklager und Propeller dementsprechend bemessen. Wäre die
Maschinenanlage lediglich mit Rücksicht auf die eingebaute Turbine mit
Uebersetzungsgetriebe entworfen worden, dann hätte sich sicher eine größere
Gewichtsersparnis, als tatsächlich zu verzeichnen war – diese betrug etwa 20 t –
erzielen lassen.
Welche weitreichenden Erfolge durch enge Anpassung der Maschinenanlage an
Schiffsgröße und Zweck desselben zu erzielen sind, das zeigt das Beispiel der
Kanaldampfer „Normannia“ und „Hantonia“. Die beiden Schiffe wurden mit
gleicher Tragfähigkeit und annähernd gleicher Geschwindigkeit wie die beiden
Kanaldampfer „Caesarea“ und „Sarnia“ gebaut, zwei ältere Schiffe der
gleichen Reederei, die direkten Turbinenantrieb erhielten. Die durch Verwendung des
Parsons – Getriebes gewährleistete Verbesserung der
Dampfökonomie war so groß, daß den genannten Schiffen gegenüber eine wesentliche
Verkleinerung der Kesselanlage bei den Neubauten möglich wurde. Die Heizfläche wurde
um etwa ⅕ kleiner, man konnte daher, anstatt zwei Doppelender zu verwenden wie bei
den älteren Schiffen, mit einem Doppelender und einem Einender auskommen. Die
Aufstellung der beiden Kessel hintereinander statt nebeneinander führte bei den
Neubauten trotz gleicher Tragfähigkeit zu schärferen Linien und damit zu wesentlich
günstigeren Widerstandsverhältnissen, und entsprechender Verringerung der
Maschinenleistung gegenüber den älteren Schiffen. Hinzu kam eine wesentliche
Verbesserung der Propellerverhältnisse durch die mögliche Verringerung der
Propellerdrehzahl und die Verteilung der Leistung auf zwei Wellen anstatt auf drei
wie bei den Turbinenschiffen mit direktem Antrieb. Die Propeller mit Turbinenantrieb
arbeiten bekanntlich meist mit Umfangsgeschwindigkeiten, bei denen die Gefahr
auftretender Kavitation sehr nahe liegt. Unter ungünstigen Wetterverhältnissen fällt
daher ihr Wirkungsgrad recht gründlich ab.
Die planmäßige Ausnutzung all der Faktoren, die zur Hebung der Wirtschaftlichkeit
geeignet waren, führte bei „Normannia“ und „Hantonia“ mit Hilfe des
Rädergetriebes zu einem vollen wirtschaftlichen Erfolge. Ihr Brennstoffverbrauch
verringerte sich gegenüber ihren beiden Vorgängern um rund 40 v. H. Etwa 20 v. H.
hiervon kann man auf die erhöhte Wirtschaftlichkeit der Turbinenanlage rechnen, der
Rest entfällt auf die besseren Propellerverhältnisse und die günstigen
Widerstandsverhältnisse. Ein Vorzug mehr betriebstechnischer Art kommt bei Anlagen
der vorerwähnten Art hinzu, der das Rädergetriebe besonders empfiehlt, er betrifft
die Manöverierverhältnisse. Unter den schnell wechselnden Betriebsverhältnissen beim
Ein- und Auslaufen, wie sie durch das Manöverieren in beengtem Fahrwasser gegeben
sind, arbeitet das Schiff mit größeren Propellern weitaus zuverlässiger als ein
Schiff mit kleineren Propellerdurchmessern. Anfahrstrecke und Stoppweg sind bei
ersterem wesentlich kürzer als bei letzterem; auch die entsprechenden Zeiten
verringern sich. Diesen Vorzug gewährleisten zwar Kolbenmaschinenanlagen auch,
dafür haben sie jedoch den Nachteil, daß die großen Propeller bei schlechtem Wetter
leicht austauchen und die Maschine durchgehen lassen. Die Verwendung der
Uebersetzungsgetriebe ermöglicht hier, die rechte Mitte innezuhalten.
Die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, welche die Verwendung der Rädergetriebe älteren
Antriebsarten gegenüber bringt, läßt sich natürlich nur von Fall zu Fall zahlenmäßig
festlegen. Art und Größe der Anlage ist dabei von einschneidender Bedeutung. Die
Höhe des im Getriebe erreichbaren Wirkungsgrades spielt weniger eine bestimmende
Rolle als die Höhe des Uebersetzungsverhältnisses, da dieses bei gegebener Leistung
die Höhe des Turbinenwirkungsgrades wesentlich bestimmt. Allgemein läßt sich bei
kleinen Anlagen, wo ein großes Uebersetzungsverhältnis, mit Rücksicht auf den
Turbinenwirkungsgrad geboten ist, schon ein spezifischer Dampfverbrauch in den
Grenzen zwischen 6,2 und 6,6 kg/WPS (einschließlich Hilfsmaschinen) gut erreichen.
Die Betriebsergebnisse des ersten Versuchsfahrzeuges mit Rädergetriebe, des
Frachtdampfers „Vespasian“, haben dies bestätigt, ebenso die Ergebnisse von
Vergleichsfahrten, die der vorgenannte Frachtdampfer „Calrnroß“ mit seinem
mit Kolbenmaschinen ausgerüsteten Schwesterschiff „Cairngowan“
durchführte.
Die entsprechenden Vergleichsdaten sind aus Tab. 2 auf S. 789 zu ersehen.
Die Vergleichsfahrten wurden in der Weise vorgenommen, daß die beiden Schiffe mit
gleichem Kurs eine längere, auf 36 Stunden bemessene Dauerfahrt unternahmen. Sie
blieben hierbei stets gegenseitig in Sichtweite. Während dieser Dauerfahrt wurde die
Propellerdrehzahl möglichst konstant gehalten. Da beide Schiffe völlig gleiche
Propeller besitzen, die Widerstandsverhältnisse außerdem möglichst ausgeglichen
waren, sind die Geschwindigkeiten praktisch als gleich anzusehen. Um in dieser
Hinsicht möglichst einwandfreie Ergebnisse zu erzielen, hatte man auch dem Zustande
der Außenhaut besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Beide Schiffe besaßen gleichen
Anstrich, den sie außerdem nahezu gleichzeitig erneuert hatten. Die bezüglichen
Ergebnisse können unter diesen Umständen also auf ziemliche Korrektheit Anspruch
machen, ebenso die eigentlichen Verbrauchsdaten, da die benutzte Kohlenart in beiden
Fällen die gleiche war. Vor Antritt der Fahrt war natürlich auch die
Kolbenmaschinenanlage sorgfältig überholt worden (Tab. 2).
Zu den nachstehend zusammengestellten Ergebnissen der Vergleichsfahrten sind über die
Ermittlung der Zahlenwerte einige Bemerkungen zu machen. Die angegebenen
Verbrauchsdaten gelten für den ganzen Maschinen- und Schiffsbetrieb. Für den Kohlen-
und Dampfverbrauch der Hilfsmaschinen und Apparate ist kein Abzug gemacht, weil Wert
darauf gelegt wurde, Daten zu erhalten, die den normalen Betriebsverhältnissen
möglichst entsprechen. Die bezüglichen Werte sind daher eher zu ungünstig als zu
günstig. Die indizierte Leistung der Kolbenmaschine wurde durch fortlaufend
abgenommene Indikatordiagramme, die von der Turbinenanlage an die Propellerwelle
abgegebene effektive Leistung mittels Torsionsmessung nach System Hopkinson-Thring bestimmt. Da
die Drucklager gleich belastet sind, so kann man unter den angegebenen Verhältnissen
die effektive Maschinenleistung bei beiden Schiffen als gleich annehmen. Das
Verhältnis der effektiven zur indizierten Leistung gibt also mit ziemlicher
Korrektheit den mechanischen Wirkungsgrad der Kolbenmaschinenanlage. Aus diesem
Grunde dürfen also die für den spezifischen Kohlen- bzw. Dampfverbrauch gegebenen
Werte, die neben der durch Messung bestimmten Leistung auch jeweilig auf die
äquivalente Leistung der Turbinenanlage bzw. der Kolbenmaschine bezogen sind,
durchgängig als richtig angesehen worden. Der Dampfverbrauch wurde in beiden Fällen
nur schätzungsweise ermittelt, und zwar bei „Cairngowan“ nach der
volumetrischen Leistung der Speisepumpe, bei „Cairnroß“ nach Eintrittsdruck
und Schaufelquerschnitt unter Benutzung Parsons scher
Versuchsdaten. Im letzteren Falle wurde für den Dampfverbrauch der Hilfsmaschinen
ein entsprechender Zuschlag gemacht.
Tabelle 2.
Ergebnisse einer 36stündigen Vergleichsfahrt.
Textabbildung Bd. 328, S. 789
Frachtdampfer Cairnroß (Turbine mit
Parsons-getriebe); Fracht-dampfer Caärngowan (Dreif.-Exp.- Kolben-
maschine); Mittlere Propellerdrehzahl i. d. Min; Dampfdruck vor
Manövrierventil; Eintrittsdruck an der HD.-Turbine; Vakuum; Indizierte Leistung
der Kolbenmaschine; Effektive Leistung der Turbinenanlage, gemessen an der
Propellerwelle; Gesamter Kohlenverbrauch f. d. Tag; Mittlerer Dampfverbrauch i.
d. Std.; Mehrverbrauch der Kolbenmaschine; Kohlen; Dampf; spezifischer
Kohlenverbrauch; bez. auf indizierte Leistung der Kolbenmaschine bzw. äquiv.;
Leistung der Turbine; bez. auf effektive Leistung der Turbine bzw. äquiv.
Leistung der Kolbenmaschine; spezifischer Dampfverbrauch; bez. auf indizierte
Leistung der Kolbenmaschine bzw. äquiv. Leistung der Turbine; bez. auf effektive
Leistung der Turbine bzw. äquiv. Leistung der Kolbenmaschine;
Kuhlwassertemperatur; Eintritt; Austritt; Temperatur im Luftpumpenausguß;
Temperatur des Speisewassers
Im allgemeinen ist die einer normalen Dreifach-Expansionskolbenmaschinenanlage (ohne
Ueberhitzung) gegenüber erzielbare Kohlenersparnis auf mindestens 15 v. H. bis
hinauf zu 20 v. H. zu veranschlagen. Bei einem Schiff wie „Cairnroß“ wird der
Jahreswert dieser Ersparnis auf mehr als 25000 M zu schätzen sein. Aehnlich günstige
Ergebnisse ließen sich bei einer Kolbenmaschinenanlage nur erzielen mit
Benutzung von Ueberhitzung oder Verwendung vierfacher Expansion, d.h. mit erhöhtem
Gewicht und erhöhten Kosten. Zur Kohlenersparnis kommt der Minderverbrauch an
Betriebsstoffen zur Unterhaltung und Wartung der Maschine hinzu. Beispielsweise
beträgt der Schmierölverbrauch von „Cairnroß“ nach Angabe des Reeders weniger
als ⅓ desjenigen von „Cairngowan“.
Bei den Kanaldampfern, bei denen mit Rücksicht auf die Propellerverhältnisse das
Uebersetzungsverhältnis wesentlich kleiner ist, die Leistung dafür aber größer, sind
entsprechend günstige wirtschaftliche Verbrauchswerte erzielt worden. Bei
„Normannia“ und „Hantonia“ war von der Baufirma Parsons ein Dampfverbrauch der Turbinen von 5,6
kg/WPS-Std. garantiert worden; dieser Wert wurde mit einen Verbrauch von 5,4 kg noch
um etwa 4 v. H. unterschritten. Gegenüber Kolbenmaschinenanlagen für Schiffe
gleicher Art beträgt die Kohlenersparnis im Durchschnitt etwa 25 v. H. gegenüber
Turbinenanlagen mit direktem Antrieb immer noch 15 bis 20 v. H. Während beim
Frachtdampfer jedoch die Gewichtsersparnis an Maschinen- und Kesselanlage für die
Gesamtwirtschaftlichkeit nur eine unerhebliche Rolle spielt insofern, als sie nur
der Vergrößerung der Ladefähigkeit zu gute kommt, fällt sie bei diesen leicht
gebauten Schiffen, wie bereits nachgewiesen, recht erheblich in die Wagschale.
Die Größe der durch den Einbau von Turbinen mit Rädergetrieben ermöglichten Gewichts-
und Platzersparnis läßt sich naturgemäß schwer abschätzen. Sie hängt bei gegebener
Leistung im wesentlichen von der Höhe der Turbinendrehzahl und der des
Uebersetzungsverhältnisses ab. Die höhere Umdrehzahl beeinflußt bekanntlich
Gewichts- und Platzbedarf der Turbine in abnehmendem Maße. Je größer die
Umfangsgeschwindigkeit der Turbine, um so kleiner die Stufenzahl, und zwar ist
Stufenzahl und damit Gewichts- und Platzbedarf derartiger Turbinen dem Quadrat der
Drehzahl etwa umgekehrt proportional zu setzen. Welche Gewichtsersparnisse durch
Verwendung von Zwischengetrieben bei den Turbinen zu erzielen sind, zeigen die
folgenden Zahlen, die gelegentlich der letzten Tagung der North East Coast
Institution of Engineers and Shipbuilders im Anschluß an einen Vortrag über die
erwähnten Vergleichsfahrten zwischen „Cairnroß“ und „Cairngowan“
gegeben wurden.
Als Beispiel wurde die Vierwellen-Parsons-Turbinenanlage
des Schnelldampfers „Mauretania“ gewählt. Die Leistung eines Maschinensatzes
beträgt hier rund 39000 WPS bei 190 Umdrehungen in der Minute. Die durch die
Verwendung von Turbinen mit Zwischengetrieben ermöglichte Gewichtsersparnis läßt
sich herleiten aus dem zulässigen Mindestdurchmesser der letzten Niederdruckstufe,
der mit Rücksicht auf den Austrittsverlust einen gewissen Wert nicht unterschreiten
darf. Die Grenze ist etwa gegeben mit dem Werte
d = 16,5 √Ne.
Hierin bezeichnet:
Ne die an die Welle
abgegebene Leistung (WPS), d den mittleren
Schaufelkreisdurchmesser (mm) Der zulässige Durchmesser würde sich damit von 4115
mm auf etwa 3250 mm verringern; dementsprechend könnte die bei der
Niederdruckturbine ermöglichte Gewichtsersparnis etwa bis zu 35 v. H. betragen. Bei
der Hochdruckturbine spricht die Rücksicht auf die Höhe des Austrittsverlustes
weniger mit. Hier ließe sich mit der Wahl einer höheren Drehzahl der mittlere
Durchmesser sogar um 27 v. H. verringern und dementsprechend eine Gewichtsersparnis
bis zu 43 v. H. erzielen. Die Drehzahl des Propellers könnte dabei die gleiche
bleiben wie vorher, so daß der bisherige offenbar recht gute Propellerwirkungsgrad
gewahrt bleibt. Der Turbinenwirkungsgrad würde natürlich mit der Erhöhung der
Drehzahl entsprechend besser werden und den verhältnismäßig niedrigen Dampfverbrauch
von 5,4 kg/WPS noch wesentlich zu verbessern gestatten.
Eine ähnliche klare Beziehung zwischen Drehzahl und Gewicht wie bei der Turbine ist
beim Getriebe nicht gegeben. Die Gewichtsverhältnisse sind hier wesentlich schwerer
zu übersehen, vor allem, weil bei großen Uebersetzungsverhältnissen die wachsenden
Abmessungen des Rades einen Gewichtsaufwand bedingen, welcher der Steigerung des
Uebersetzungsverhältnisses nicht proportional ist. Es läßt sich die
Gewichtsersparnis der ganzen Anlage also nur überschläglich nach vorhandenen
Ausführungen beurteilen. Man kann das Maschinengewicht des normalen Frachtdampfers
mit Rädergetriebe etwa 15 v. H. kleiner annehmen, als das einer entsprechenden
Kolbenmaschinenanlage mit Dreifach-Expansionsmaschine. Beim Revierdampfer mit
Rädergetriebe beträgt, wenn die Kesselanlage aus Wasserrohrkesseln besteht, die
Gewichtsersparnis gegenüber einer Kolbenmaschinenanlage mit Zylinderkesseln bis
zu etwa 40 v. H., gegenüber einer Turbinenanlage mit Zylinderkesseln bis zu 20 v. H.
Werden bei der Turbinenanlage mit Rädergetriebe an Stelle der Wasserrohrkessel
Zylinderkessel eingebaut, so sichert die hochtourige Anlage nur gegenüber der
Kolbenmaschinenanlage eine Gewichtsersparnis, die sich höchstens auf ~ 20 v. H.
beläuft; gegenüber der reinen Turbinenanlage mit Zylinderkesseln schneidet sie etwas
schlechter ab.
Einige Daten eines letzthin in Bau gegebenen größeren Fracht- und Passagierdampfers
von rund 14000 t und 17 Kn Geschwindigkeit geben eine passende Illustration zu den
vorstehenden Zahlen. Bei diesem Schiff betrug die durch Verwendung einer Parsons-Anlage mit Rädergetriebe erzielte
Gewichtsersparnis gegenüber einer Kolbenmaschinenanlage rund 15 v. H., die bei der
projektierten Anlage erreichte Verkürzung des Maschinenraumes etwas über 5 m.
Ein Punkt, der die Gesamt-Wirtschaftlichkeit von Handelsschiffsanlagen recht
wesentlich beeinflußt, ist die Höhe der Anlagekosten. Auch hierzu seien aus dem
vorliegenden Erfahrungsmaterial einige Vergleichsdaten gegeben. Es betragen die
Mehrkosten der Turbine mit Rädergetriebe gegenüber der Kolbenmaschine:
bei Leistungen
bis zu 1500 PS
etwa 5 v. H.
„ „
von 1500 bis 3000 PS
„ 3 „
„ „
über 5000 PS sind die Kosten beiderAnlagen gleich.
Die Werte zeigen, wie gering der Faktor der Anlagekosten gegenüber den Betriebskosten
und der daraus resultierenden Ersparnis zu veranschlagen ist.
(Schluß folgt.)