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Sehaufelradpropeller für Wasser-oder Luftfahrzeuge.
Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf einen Schaufelradpropeller für Wasser-oder Luftfahrzeuge, dessen Schaufeln während der Umdrehung des Rades relativ zu diesem um ganz oder nahezu aehsparallele Schaufelachsen sehwingen und vom Medium, in dem sie arbeiten, stets vollständig und in vorwiegend achsnormaler Richtung beaufschlagt werden. Diese bekannten Propeller können zum Antrieb und zur Lenkung von Wasserfahrzeugen sowie als Vortriebs-, Auftriebs-und Lenkmittel von Luftfahrzeugen dienen.
Der von solchen Propellern erzeugte Schub und die Leistungsaufnahme hängen bei gegebenen Werten der Propellergrösse, Umfangsgeschwindigkeit und Fahrtgeschwindigkeit noch in gewissem Masse von dem besonderen Bewegungsgesetz, der Form und der relativen Grösse der Schaufeln, in überwiegendem Masse jedoch von der Grösse des Schwingungsaussehlages ab. Für die Betriebsverhältnisse solcher Propeller ist daher diese Schwingungsamplitude von ausschlaggebendem Einfluss ; durch Wahl eines kleineren oder grösseren Sehwingungswinkels hat man es beispielsweise in der Hand, eine gegebene Leistung von einem und demselben Propeller mit grösserer oder kleinerer Umfangsgeschwindigkeit verarbeiten zu lassen.
Es ist bekannt, diese Amplitude, welche die Bedeutung der Propellersteigung hat, zu verändern bzw. im Betrieb einzustellen, um den Propeller veränderlichen Betriebsbedingungen anzupassen. Eine solche Anpassung kann aber nach verschiedenen, einander teilweise widersprechenden Gesichtspunkten erfolgen, deren günstigste Vereinigung einen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet.
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"Strahlfläche") bedeutet.
Bei Schiffen mit stark veränderlichem Belastungsgrad, wie etwa Schleppern mit wechselndem Anhang, haben Propeller konstanter Steigung den Nachteil, dass mit zunehmendem Belastungsgrad die Drehzahl und damit auch die Leistung der Antriebsmaschine erheblich sinkt. Bei Propellern der eingangs erwähnten Art ist es bekannt, zur Vermeidung dieses Nachteiles den Ausschlagwinkel der Schaufeln mit zunehmendem Belastungsgrad zu verkleinern ; aber auch eine solche Anpassung kann noch je nach der dabei eingehaltenen Gesetzmässigkeit auf unterschiedliche Art und mit sehr verschiedenen Wirkungen erfolgen.
Der Winkelausschlag kann beispielsweise so eingestellt werden, dass der Propeller bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit ein vom Belastungsgrad unabhängiges konstantes Drehmoment aufnimmt, so dass die Antriebsmaschine stets mit gleicher Drehzahl und gleicher Leistung, nämlich der Volleistung, arbeitet. Dies würde der Forderung eines unveränderlichen Drehkraftbeiwertes entsprechen und es wäre dann der Ausschlagwinkel bei verschiedenem Belastungsgrad stets so einzustellen, dass die Umfangs-
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zwischen Ausschlagwinkel und Belastungsgrad, die dieser Forderung entspricht, ist in Fig. 1 durch die Kurve (z dargestellt.
Als Ausschlagwinkel x ist dabei gemäss Fig. 2 der Winkelunterschied zwischen den beiden Extremstellungen der Schaufel relativ zum Rad zu verstehen, welche während eines Umlaufes erreicht werden.
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der höchste hiebei jeweils mögliche Propellerwirlnmgsgrad genau eingehalten wird. Eine solche aus Wir- kungsgradversuehen zu entnehmende Beziehung ist durch die Kurve b in Fig. 1 dargestellt, die im allgemeinen eine mit steigendem Belastungsgrad gegenüber der Kurve a geringere Abnahme des Ausschlagwinkels und dadurch eine etwas sinkende Drehzahl bedingt.
Schliesslich kann die Anpassung aber auch so erfolgen, dass ein gegebener Antriebsmotor stets das mögliche Maximum an Schubkraft erzeugt. Dies entspricht einer Beziehung gemäss Kurve c, die durchwegs kleinere Ausschlagwinkel und demnach höhere Umfangsgeschwindigkeiten ergibt als die Kurve
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Endlich kann auch die Forderung gestellt werden, dass Propeller und Motor nicht nur bei Volllast, sondern auch bei allen Teilbelastungen mit einer und derselben konstanten, vom Belastungsgrad unabhängigen Drehzahl laufen. Die entsprechende Beziehung zwischen Ausschlagwinkel und Belastungsgrad wäre dann durch eine Kurvenschar vom Charakter der Kurve a dargestellt, wobei jeder Laststufe eine solche Kurve zugeordnet ist.
Nach weitere Bedingungen treten hinzu, wenn man sich nicht auf die Betrachtung eines einzelnen, für einen besonderen Fall konstruierten Propellers beschränkt, sondern allgemeine Konstruktions-und Betriebsdaten festzulegen sucht, auf Grund welcher eine einheitliche Bauart der Propeller zum Zwecke rationeller Herstellung entwickelt werden kann. Diese Frage berührt sich mit den vorerwähnten Verhältnissen an Schleppern mit wechselndem Anhang insofern, als nicht nur Propeller an verschiedenen Schiffstypen sehr unterschiedliche Werte des Belastungsgrades aufweisen, sondern auch zwei geometrisch ähnliche Propeller an zwei geometrisch ähnlichen Schiffen mit verschiedenem Belastungsgrad arbeiten, wenn die beiden Schiffe mit verschiedener"bezogener Geschwindigkeit" (Froude'seher Zahl) fahren.
Für eine einheitliche Konstruktion und Typisierung der Propeller wäre es deshalb von grossem Vorteil, wenn es gelänge, aus der mehrfachen Mannigfaltigkeit der möglichen Betriebsdaten, die überdies noch untereinander in theoretischen und praktischen Wechselbeziehungen stehen, einen allgemein gültigen Zusammenhang auszuwählen und daraus eine einfache und universelle Regel für die Bemessung der wichtigsten Konstruktionsdaten, vor allem auch des Ausschlagwinkels der Schaufeln, zu entwickeln.
Dieser Zusammenhang müsste aber sehr verschiedenartigen Bedingungen gleichzeitig genügen :
Für jeden einzelnen Propeller soll er einen Betrieb mit konstanter Drehzahl bei allen möglichen Werten des Belastungsgrades gemäss einer Kurve a ergeben. Der entsprechende Drehkraftbeiwert darf aber nieht allgemein konstant festgelegt werden, sondern sollte für jedes Schiff so gewählt werden, dass die entsprechende Kurve a im vorwiegenden Betriebsgebiet dieses Fahrzeuges möglichst mit der Kurve b des besten Wirkungsgrades zusammenfällt, für besonders hohe Belastungsgrade, beispielsweise den Anfahrvorgang des Schiffes, aber überdies auch einen Betrieb in der Nähe der Kurve c ermöglicht.
Des weiteren sollte die Bemessungsregel so beschaffen sein, dass sie einerseits die strömungstechnischen Verhältnisse unabhängig von der PrÏpellergrösse bestimmt, anderseits aber auch die Grundlage für die Konstruktion und Festigkeitsberechnung der einzelnen Propellertypen liefert. Letztere ist vor allem durch die meehanisehe Beanspruchung der Schaufel bedingt, die sich ihrerseits aus einer vorwiegend von der Leistung abhängigen hydraulischen Belastung und einer vorwiegend von der Umfangsgeschwindigkeit abhängigen Fliehkraftbeanspruchung zusammensetzt. Zur Schaffung einer einheitlichen Konstruktiongrundlage sollten daher Leistung und Umfangsgeschwindigkeit in einem einfachen, von der Propellergrösse unabhängigen Zusammenhang stehen.
Auch sollte dieser Zusammenhang als Grundlage geometrisch ähnlicher Typenreihen brauchbar sein ; er muss daher gleichzeitig den Modellähnlichkeitsgesetzen der Strömungslehre und jenen der Festigkeitslehre genügen.
Schliesslich wird die Aufgabe noch dadurch erschwert, dass sowohl die absolute als auch die gegenseitige Lage der Kurven a, b und e sieh mit der relativen Grösse der Schaufeln, d. i. mit dem "Flächen-
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die abgewickelte Arbeitsfläche aller Schaufeln oder angenähert der Flächeninhalt der grössten Umrisslinie einer Schaufel, multipliziert mit der Schaufelzahl, zu verstehen. Der günstigste Ausschlagwinkel der Schaufeln könnte daher nur dann in eine eindeutige Beziehung etwa zum Belastungsgrad Cs allein gebracht werden, wenn auch für das Flächenverhältnis eine eindeutige Abhängigkeit vom Belastungsgrad vorgeschrieben wird.
Dies ist aber nicht allgemein möglich, da bei der Wahl des Flächenverhältnisses oft besondere Bedingungen des einzelnen Anwendungsfalles, wie besondere Manovriererfordernisse, Kavitationsverhältnisse u. dgl. mitsprechen.
Die aus 1\Iodellversuehen erzielbaren Kurvenseharen bieten daher mit ihren empirischen Zusammenhängen an sich keine Lösungsmögliehkeit für die gestellte Aufgabe. Durch eingehende theoretische Untersuchungen der Strömungsverhältnisse solcher Sehaufelradpropeller ist es jedoch gelungen, grundsätzliche mathematische Beziehungen aufzustellen, welche die gegenseitigen Zusammenhänge aller wesentlichen Konstruktions-und Betriebsdaten enthalten. Diese formelmässigen Beziehungen ermöglichen es, die durch Nebenbedingungen gebundenen Betriebsgrössen zu eliminieren und auf mathematischem
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Wege eine allgemein günstigste Konstruktionsregel abzuleiten, die allen vorerwähnten Voraussetzungen entspricht.
Insbesondere überwindet die vorliegende Erfindung die genannten Schwierigkeiten durch die Erkenntnis, dass der im allgemeinsten Sinn optimale Ausschlagwinkel der Schaufeln durch eine sehr einfache Beziehung bestimmt werden kann, die nur die drei Grössen : Umfangsgeschwindigkeit, Leistung und Schaufelfläche verbindet und deren Gültigkeit unberührt davon bleibt, wie die in ihr nicht vorkommenden
Grössen gewählt werden. Diese Beziehung gilt nicht nur für alle Betriebsverhältnisse von Schiffspropellern, sondern auch für die Anwendungen solcher Schaufelräder als Vortriebs-und Antriebsmittel von Luft- fahrzeugen.
Nach der Erfindung ist der Aussehlagwinkel der Schaufeln in jedem der möglichen Anwendungs- fällen und unter allen Betriebsbedingungen eines und desselben Anwendungsfalles in Wasser so gross zu wählen, dass die Umfangsgeschwindigkeit proportional ist der Kubikwurzel aus der "Leistungsdichte",
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bedeutet u die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln am Orte ihrer Drehachsen in m/sec., N die gesamte vom Propeller aufgenommene Maschinenleistung in PS und Fa die Arbeitsfläche aller Schaufeln in dz
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oder aus Messungen an ausgeführten Propellern leicht entnommen werden.
Für normale Werte des Flächen- verhältnisses, die nicht erheblich durch besondere Kavitations-oder Manövrierbedingungen beeinflusst sind, kann aber dieser erfindungsgemässe Wert des Ausschlagwinkels auch unmittelbar aus dem"Fort-
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Die erfindungsgemässe Beziehung zwischen der Umfangsgesehwindigkeit u und der LeistungsN
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gebenden Grössen aus der Leistungsdiehte abzuleiten. Dies bietet auch den Vorteil, dass die Typisierung von einer aus dem Zusammenhang des Propellers losgelösten Einzelschaufel ausgehen kann.
Es sei beispielsweise eine Schiffspropellerschaufel von l ttt Länge und 0'25 m mittlerer Breite an-
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= 280 PS/m2und der erfindungsgemässe Wert der Umfangsgeschwindigkeit 13'lm/sec. Hieraus können des weiteren durch einfache Rechnungen folgende Festlegungen abgeleitet werden :
Der Durchmesser des Schaufelschaftes (der die gesamte Konstruktion der Schaufellagerung bedingt) ist mit 110 mm zu bemessen ; die Schaufel ist für Laufräder zwischen 2 und 3 m Durchmesser bei entsprechenden Drehzahlen zwischen 125 und 83 U/Min. verwendbar und für Fahrzeuge zulässig, die mit der angegebenen Leistung je Schaufel Geschwindigkeiten zwischen 9 und 16 Knoten erreichen (diese Geschwindigkeitsgrenzen sind einerseits durch die Kavitationsgefahr, anderseits durch den starken Wirkungsgradabfall bei zu kleinem Belastungsgrad gezogen) ; der Ausschlagwinkel der Schaufeln ist bei 10 Knoten mit 720, bei 15 Knoten mit 82 zu bemessen, u. s. m.
Solche für eine Typisierung grundlegende Ableitungen können in gleicher Weise für ganze Serien geometrisch ähnlicher Formen entwickelt werden ; sie sind aber nur möglich, wenn die erfindungsgemässen Beziehungen eingehalten werden, da andernfalls die zahlreichen Gruppen von Konstruktions-und Betriebsdaten eine nicht zu beherrschende Mannigfaltigkeit von Kombinationsmöglichkeiten bilden. Bei Auswahl anderer allgemeiner Beziehungen hingegen würden entweder die Ähnlichkeitsgesetze der Strömung und jene der Werkstoffbeanspruehung nicht übereinstimmen oder man würde in manchen Anwendungsfällen die günstigsten Konstruktions-und Betriebsverhältnisse weit verfehlen.
Sehaufelradpropeller, die nach der vorliegenden Erfindung bemessen bzw. betrieben werden, bieten daher den Vorteil, dass in jedem einzelnen Anwendungsfall eine günstigste Anpassung an die Betriebsbedingungen des Fahrzeuges und an die Eigenschaften des Antriebsmotors bei gleichzeitiger Einhaltung des jeweils besten Propellerwirkungsgrades von selbst gesichert ist und dass überdies solche Propeller
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