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Ruderprobleme

Prof. Dipl.-Ing. H. Dieter Scharping

Ungenügende Segelleistungen sind nicht nur mit unausgeglichenen Luv- oder Leegierigkeiten, sondern oft mit fehlerhaften Ruderanlagen verbunden. Probleme gibt es auch bei Motorbooten.
Konfrontiert man einen professionellen Verkäufer oder Segler, der das eigene Schiff verkauft mit Schwächen oder Unvollkommenheiten, hört man die Antworten: "Das höre ich zum ersten Mal, bei uns war das nie der Fall." Dabei liegen die meisten Fehler klar auf der Hand, ob konstruktive oder bauliche. Bei einem Gang über die Messe oder durch das Winterlager springen die Ungereimtheiten mitunter direkt in's Auge Die physikalischen Gegebenheiten werden manchmal grob missachtet: Dicke Heckbalken, Propeller weit weg vom Ruder, aus dem Lot geratene oder verbogene oder zu kleine Ruderblätter usw. Einige Erfahrungen aus Gutachten und Praxis werden hier mitgeteilt.

Viele Probleme wurden durch die Einführung von Ruderanlagen mit Steuerrädern scheinbar eliminiert, die Mechanik - Zahnräder, Seile, Hydraulik - übernimmt die Kraftübertragung. Tatsächlich steht aber auch mit Steuerrädern das Blatt (fast) quer und erhöht den Widerstand mit der Folge einer geringeren Fahrt. Mit einer Pinnensteuerung wären viele Verstöße gegen die Physik auffälliger. Starkes Ruderlegen über 3 - 4° hinaus erzeugt ein Gegenmoment zum aerodynamischen System, es entsteht Widerstand.
Manchmal wird die Tatsache übersehen, dass das Ruder Teil des Lateralplans ist und ein zu kleines, quadratisches oder zu kurzes Ruderblatt vorgesehen. Als Folge stellt sich - besonders bei Krängung - ein unausgeglichenes Am - Wind - Segeln ein. Doch auch raumschots entstehen durch Krängungen und Seegang Störungen, die korrigiert werden müssen. Immer davon ausgehend, dass die Segel optimal eingestellt sind.
Erfahrungsgemäß ist die Kielflosse für die Luvgierigkeit ausschlaggebend, mit dem Ruderblatt wird lediglich ausgeglichen. Es hat sich herausgestellt, dass ein weiter achtern liegender Lateralschwerpunkt eher günstiger einzustufen ist [1].
In der Praxis haben sich drei Entwürfe des Verfassers mit extrem hinten liegenden Lateralplanschwerpunkten sehr gut bewährt: 13m-Schwenkkieler, 10m-Kieljacht 9,75m-Seekreuzer und ein 14m-Katamaran. Alle vier Boote laufen ohne Schwierigkeiten ausgeglichen bis zu 5-5,5 Bft. mit sehr geringer Luvgierigkeit, danach muss gerefft werden um den Zustand zu erhalten. Interessant ist, dass die später vorgenommene Berechnung der Geschwindigkeit mit VPP geringere Werte als die in der Praxis erzielten ergab. Das ist ein Hinweis, dass eine geringe Ruderanstellung geschwindigkeitsfördernd sein kann. Den Entwurf also nach allgemeinen Grundsätzen vornehmen und dann Nachrechnen mit den hydrodynamischen Größen: Widerstand, Querkraft und Momente.
Bereits Postel hat Denkansätze zur Strömungsdynamik und zur Erfassung der Wechselwirkungsgrößen veröffentlicht [2]. Eine Zusammenfassung und Prognose von Ruderleistungsdaten hat v. Ahlen in [3] erstellt. Soweit grundsätzliche Überlegungen.

Aus der Praxis mag als erstes Beispiel ein schon bei wenig Wind stark luvgieriger Seekreuzer (Kurzkieler mit üblichem Spatenruder und NACA-Profil) dienen. Er wurde "normalisiert" durch die Anordnung eines Skegs und eines um 20% vergrößerten Ruderblattes. Die Leeruderwinkel vor dem Umbau betrugen bis zu 18° bei 20° Krängung. Mit der neuen Anlage war das Am-Wind-Verhalten bei 3-4 Bft gut ausgeglichen bei 15° Krängung, und mit 5-6 Bft stellten sich bei 30" Krängung 10° Leeruder ein. Die Leistungsverbesserung war erheblich.
Werften legen oft zu wenig Wert auf anerkannte Profile oder Ausbildung der Hinterkanten von Rümpfen bzw. Ruderblättern. Bei einigen Jollen ist bei schneller Fahrt ein Flattern des Blattes zu spüren. Abhilfe erreicht man durch etwas dickere Hinterkanten, also nicht spitz auslaufen lassen. Auch bei Seekreuzern ist eine Verringerung des Widerstandes zu erzielen, wenn die Hinterkante leicht angedickt ist; die Grenze ist bei max. 10 mm erreicht.
Das Ruder ist bei Motorfahrt auf den Propellerstrahl angewiesen. Bei einem dicht hinter dem Kiel eingebauten Saildrive geht die Wirkung des Propellerstrahls durch die beträchtliche Entfernung zum Ruder zum größten Teil verloren, die Jacht kann nur mit großen widerstandserhöhenden Ausschlägen gesteuert werden. Aber auch zu dicht vor dem Ruder angeordnete Propeller können die Wirksamkeit stark vermindern, weil sich der Strahl nicht voll entfalten kann. Äußerst ungünstig sind zu dicke Hintersteven, weil der Wasserzufluss zum Propeller nicht ausreichend ist.
Bekannt sind die Schwierigkeiten der Steuerung von Langkielern unter Motor: Die Drehkreise sind größer als mit einem modernen Kurzkieler und die Rückwärtsfahrt um den Pfahl in die Box ist oft nur mit gutem Zureden möglich. Dafür sind Geradeausfahrten unter Segeln problemlos und auf Langfahrten eine Erholung.

Ob unter Segeln oder Motorfahrt: Ein dauernder Druck auf die Pinne ist nicht hinnehmbar! In einem weiteren Beispiel war das Ruderblatt von hinten gesehen um einseitig bis zu 45 mm gekrümmt und hatte zusätzlich ein ungleichmäßiges Profil. Alles zusammen wirkte sich auf die Steuerfähigkeit aus. Die Anströmung wirkt unsymmetrisch und ruft dadurch ungleichmäßig wirkende Kräfte auf das Blatt hervor. Die Ergebnisse sind messbare Momente. An der Pinne wurden je nach Geschwindigkeit mit einer Federwaage bis zu 12 kg Zugkraft gemessen. Das mögen kurzzeitig ertragbare Belastungen sein, auf Dauer jedoch nicht. Bei der Prüfung von z.B. Schlepphaken werden von den Aufsichtsbehörden bis zu 10 kg Armkraft bei neuen Anlagen zugelassen, die aber 15 kg nach längerem Gebrauch nicht überschreiten darf. Aber die Auslösung eines Schlepphakens dauert nur einen kurzen Moment, es ist keine Dauerbelastung. Für eine längere Motorfahrt ist eine Belastung von mehreren Kilogramm an einer normal langen Pinne nicht zulässig und darüber hinaus stark ermüdend, also letztlich sicherheitsgefährdend.

Ähnlich verhielt sich ein renovierter 40er-Schärenkreuzer (Abb. 1) mit starken Abweichungen vom Normalverhalten (Abdrift, starker Ruderdruck). Auffällig war auf jedem Bug ein Ausscheren nach BB, welches durch Ruderlegen ausgeglichen werden musste. Zur Erkundung wurde die Yacht ohne Mast bei Windstille und glattem Wasser auf ca. fünf Knoten geschleppt und nach Erreichen der Geschwindigkeit die Schleppleine bei mittschiffs festgezurrter Pinne ausgeklinkt. Nach ca. 20 m lief das Schiff wieder nach BB. Auch eine mehrmalige Wiederholung ergab kein anderes Ergebnis. Der Schärenkreuzer wurde untersucht, ob die Längsachsen von Rumpf und Kiel vielleicht nicht in einer Flucht verliefen, oder ob der Kiel nicht lotrecht montiert worden war. Kontrolliert wurden auch Profile, Maststellung und Ballastverteilung. Es passte alles genau. Auf der Werft wurde nun das Ruder ausgebaut und der Versuch wiederholt, und siehe da: Die Yacht lief ca. 60 - 80 m geradeaus.
Äußerlich war am Ruder nach Augenschein keine Unregelmäßigkeit festzustellen. Der Fehler lag an anderer Stelle. Er wurde sicht- und messbar beim Ausbau und bei der Zerlegung des Blattes. Der Ruderschaft war von achtern gesehen S-förmig verbogen, also auch hier ungleichmäßige, einseitige Anströmung. Mit einem neuen Ruder wurde wieder getestet mit Segel bei einer Windstärke (1 Bft) mit loser, mittschiffs gestellter Pinne. Die Yacht lief, obwohl das Ruder sehr leichtgängig ist, genau geradeaus. Hier war offensichtlich der S-Schlag die Ursache für den Linksdrall gewesen.


Abb. 1: 40m² - Schärenkreuzer aufgetakelt am Steg
Foto:A.Dreher/Rambeckwerft


Abb. 2: 40m² - Schärenkreuzer in freier Fahrt
Foto:A.Dreher/Rambeckwerft

Ungleichmäßiges Verhalten Am-Wind hat allerdings nicht immer mit fehlerhaften Ruderblättern zu tun. Oft sind es unsymmetrische Rümpfe, die die Strömungsvorgänge am System Rumpf, Flosse und Ruder erheblich verändern. Dies gilt besonders für GFK-Rümpfe. Nach der Herstellung in der Negativform lässt man vielfach das Laminat bei Raumtemperatur aushärten und wenn man dann ohne zu tempern ausformt, entsteht ein Problem. Diese Rümpfe verhalten sich - salopp ausgedrückt - wie nasse Waschlappen. Bei der anschließenden Lagerung in nicht sorgfältig ausgerichteten Gestellen oder auf Böcken härtet der Rumpf und verfestigt sich. Die Einbauten und das Deck werden nun montiert und mit dem Rumpf fest verbunden, und damit die Unsymmetrie festgelegt. Äußerlich festzustellen durch unterschiedliche Seitenhöhen, durch Schlagseiten, bei Knickspantern durch unterschiedlich hohe Knicke. Die Folge sind fehlerhafte Segel- oder Fahreigenschaften durch ungleichmäßige Strömungen am Bootsrumpf. Die zusammenhängenden Rumpf, Flosse und Ruder bilden ein komplexes hydrodynamisches System, das durch solche Abweichungen erheblich gestört wird Es kommt auch vor, dass die Stabilität zu beanstanden ist. Hierfür mag als Beispiel das Verhalten einer GFK-Motorjacht dienen. Diese lief bis 7 - 8 kn normal geradeaus, ab 8 - 9 kn stellten sich eine leichte Krängung und ein Längstrimm ein. Ab 11 kn krängte die Jacht stark nach SB und änderte ab ca. 15 kn den Kurs abrupt um 90° nach BB. Ruderlegen war zwecklos! Dieses Phänomen entstand mit und ohne Seegang, bei Glattwasser und unabhängig von der Windrichtung. Woran lag es? Die beiden Ruderblätter wurden richtig angeströmt. Die Konstruktion stammte von einem anerkannten Jachtkonstrukteur. Durch mehrere Probefahrten, Krängungsteste und Untersuchung der Jacht an Land stellte sich heraus, dass die Kimmknicks - vermutlich durch nach dem Entformen unsachgemäße Lagerung - verschieden hoch waren ( gemessen unterschiedlich bis 20cm Differenz), die Kimmwinkel unterschiedlich und der Gewichtsschwerpunkt durch das nachträgliche Aufsetzen einer Flybridge zu hoch gewandert war. Die "Dynamische Stabilität" war nicht mehr ausreichend, dies wurde auch schon bei einigen Megajachten bei hoher Geschwindigkeit festgestellt.
Bei einem Colin Archer wurde das schwierige Steuern bei Motorfahrt bemängelt. Die Untersuchung ergab, dass der Ausschnitt für den Propeller im Ruderblatt (Abb. 3) nachträglich vergrößert worden war. Dadurch entstand nicht nur eine geringere Fläche des Blattes, sondern unter Motorfahrt ging der Propellerstrahl bei gelegtem Ruder zum größten Teil am Blatt vorbei, blieb also ohne Wirkung. Die Folgerung ist, den Propellerausschnitt besser in den Rumpf zu verlegen, um eine gerade Anströmkante für den Strahl zu erhalten. Zwar ist die Unterbrechung des Heckbalkens festigkeitsmäßig und baulich schwieriger zu bewältigen, aber eine gute Steuerung hat aus Sicherheitsgründen Vorrang.


Abb. 3: Ruderausschnitt

Bei einem Serienbau traten starke Luvgierigkeiten ab 2-3 Bft auf. Der Kiel hatte eine ausgeprägte L-Form bei relativ geringem Tiefgang, das Balanceruder eine sehr schräge Anstellung. Nach einigen Berechnungen wurde die Lücke zwischen Rumpf und Kielbombe profiliert geschlossen und das Ruder bekam ein anerkanntes Profil und einen Skeg und wurde senkrecht gestellt. Danach segelte die Jacht ausgeglichen und deutlich schneller.

Ruderbrüche sind häufig. Meistens sind ungenügende Festigkeiten die Ursache: Schaft zu dünn, korrodierte Bolzen, unsachgemäße Montage der Lager.

Das bei der Fertigung verrutschte Gegenlager zum Ruderlager im Skeg eines Seekreuzers wurde jahrelang nicht bemerkt. Erst Wasser in der Achterkajüte rief eine Untersuchung hervor. Dabei stellte sich heraus, dass die Bolzen der Ruderlagerung nicht im Gegenlager, sondern im FVK befestigt waren. Die Löcher hatten sich vergrößert. Das äußere Ruderlager war dadurch ziemlich wackelig, der Schaft leicht verbogen, und der Eigner wunderte sich, dass die Steuerung schwergängig ablief. Der erhöhte Druck wurde durch die Mechanik der Steuerung aufgefangen. Mit Pinne hätte man das eher bemerkt.
Problematisch sind auch zu tief bis Unterkante Kiel reichende Ruderblätter. Auf einem Nebenfluss überfuhr ein Motorsegler das Seil einer Seilfähre. Prompt verhakte sich das Seil zwischen Kiel und Balanceruder. Das Seil lag nicht auf dem Flussgrund, weil die Fähre gerade anfuhr und der Bootsführer der Jacht noch schnell vorbei wollte. Der Schaft des Balanceruders verbog sich ca. 45°.
Der Eigner eines Spitzgatt-Motorbootes baute sein Schiff zum Motorsegler um. Das Ganze verlief wenig befriedigend. Das Boot wurde stark luvgierig trotz 22% Vorlage, sicherlich hätte man den Mast auch auf den Bug platzieren können, es hätte nichts geändert. Das Ruder stand dauernd quer! Bei wenig Wind war eine Wende ohne Motorhilfe nicht möglich. Ein profilierter Kiel und der Umbau des Plattenruders zum Ruder mit NACA-Profil und mehr Tiefgang brachte soviel Abhilfe, dass die Manövrierfähigkeit ausreichend wurde.
Tragisch endete die Probefahrt mit einem kleinen Autoboot nach dem Winterlager. Der Eigner fuhr aus der Box heraus in Richtung Brückenpfeiler. Bei einem kurz vor dem Hindernis bei Fullspeed eingeleitetes Ausweichmanöver nach BB fuhr das Boot nach SB und gegen den Pfeiler. Der Bootsführer starb im Krankenhaus. Die Untersuchung ergab, dass die Steuerseile zum Außenborder vertauscht worden waren. Fehlende Sorgfalt der Werft bei der Überholung und auch mangelhafte Seemannschaft sind gefährliche Fehlerquellen.

Quellen
[1] Scharping: "Konstruktion und Bau von Yachten", 3. Auflage 2009, Verlag Delius Klasing
[2] Postel: "Vorträge 1980 - 1989 Fachseminare Yachtentwurf", DBSV und Hamburg Messe
[3] Ahlen, v.: "Prognose der erforderlichen Ruderleistungsdaten von Segelyachten", Diplom-Arbeit Hochschule Bremen 1993