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Einrichtung an Schaufelradantrieben für Schiffe.
Es ist eine bekannte Erscheinung, dass sich hinter dem belasteten Schaufelrad eines Radschiffes ein Wellenberg bildet. Höhe und Form dieses Wellenberges ist abhängig von der Belastung und Konstruktion des Rades sowie vom Slip, d. h. von der Umfangsgeschwindigkeit des Rades im Verhältnis zur Fortschrittsgeschwindigkeit des Schiffes. In dieser Welle bewegen sich dicht hinter dem Rade die Wassermassen sowohl nach hinten als auch nach oben. Die erwähnte Aufwärtsbewegung aber ist ein Verlust für den Vortrieb des Schiffes, weil sie keine Reaktion erzeugt.
Um die in dieser Welle hinter dem Rade enthaltenen sonst verlorenen Kräfte für den Vortrieb des Schiffes mit nutzbar zu machen, sind eine Reihe von Vorrichtungen in Vorschlag gebracht worden, die aber-soweit bekannt-noch zu keinem praktischen Erfolg geführt haben, weil die Lösung des Problems von vielen Einzelfaktoren abhängig ist, die sich gegenseitig zum Teil überlagern und beeinflussen.
Bei der in der Welle hinter dem Schaufelrad enthaltenen Energie kann man zweckmässig einen Unterschied machen zwischen kinetischer und potentieller Energie. Die kinetische Energie wird geliefert durch die Wassermassen, die sich in rascher, schräg nach hinten gerichteten Aufwärtsbewegung befinden, u. zw. im vorderen Teil, d. h. im aufsteigenden Ast der Welle hinter dem Rad. Bei der potentiellen Energie handelt es sich hingegen um die Kräfte, die frei werden, wenn die im aufsteigenden Ast der Welle über die Wasserfläche angehobenen Wassermassen wieder zurückfallen.
Da beide Kräfte beim Fahren des Radschleppers wirksam sind, besteht natürlich theoretisch auch die Möglichkeit, aus beiden Arten freie Kräfte zurückzugewinnen und diese eventuell dazu zu benutzen, die Antriebsleistung des Schiffes zu erhöhen. Dies geschieht nach den bisherigen strömungtechnischen Auffassungen dadurch, dass ein tragflächenartig profilierter Umlenkkörper parallel zur Radachse hinter dem Schaufelrad fest am Schiff angebracht wird.
Hauptzweck dieser Einrichtung ist es, die schräg nach oben oder schräg nach unten strömenden Wassermassen in eine nach hinten gerichtete Horizontalrichtung umzulenken und durch die Reaktion dem Schiff einen zusätzlichen Schub zu geben. Einrichtungen der ersteren Art, d. h. aus der potentiellen Energie der von oben nach unten bewegten Wassermassen Schubkräfte wiederzugewinnen, sind bereits bekannt. Die Einrichtung hat jedoch den Nachteil, dass mit Änderung der Belastung des Schaufelrades bzw. der Schiffsgeschwindigkeit sich die Länge der hinter dem Rad gebildeten Welle ständig ändert und daher auch die Lage des Umlenkkörpers ständig verschoben werden müsste, um bei allen Fahrzuständen wirklich Nutzen von der Profilanordnung zu haben.
Ausserdem ist die potentielle Energie im absteigenden Ast der Welle erheblich kleiner als die kinetische Energie im aufsteigenden Ast kurz hinter dem Schaufelrad, d. i. an der Stelle, wo der durch die Schaufeln erzeugte Druck gerade in Geschwindigkeitsenergie umgesetzt ist.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, bei welcher das Profil nicht im absteigenden Ast, sondern in dem stets an gleicher Stelle befindlichen, aufsteigenden Ast der Welle dicht hinter dem Schaufelrad angeordnet wird, u. zw. so, dass seine Druckseite nach unten gekehrt ist und von unten her mit einem geeigneten Anströmwinkel angeströmt wird. Auch diese Anordnung ist grundsätzlich bereits bekannt, aber bei der praktischen Durchführung dieses Gedankens-d. h. aus einer nach hinten und oben gerichteten Strömung Hubkraft und Vorschub zu erzielen, genau wie bei einem Segelflieger im Aufwind unter Beachtung der dafür geltenden Theorien-haben sich eine Reihe von Schwierigkeiten ergeben, die das Problem wesentlich vielgestaltiger machen als es auf Grund der genannten prinzipiellen Lösung zunächst zu erwarten ist.
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Zur Erläuterung der grundsätzlichen Wirkungsweise solcher Vorrichtungen wird auf die sehemaische Fig. 1 der Zeichnung Bezug genommen, die ein Schaufelrad mit dahinter liegendem, gemäss der Erfindung ausgestalteten Profilkörper. von der Seite gesehen zeigt. Das Schaufelrad mit dem Aussenkreis j ! dreht sich um die Welle 2 und ist bei Ruhelage bis zur Wasserlinie 3 des Schiffes eingetaucht. Der Durchmesser des Schaufelrades ist mit D bezeichnet. Hinter dem Schaufelrad ist durch die Linie 4 die Form des beim Schleppen gebildetenwellenberges angegeben, in dem der erfindungsgemäss gestaltete Profilkörper 5 angeordnet ist. Die Anströmkante des Profilkörpers befindet sich im Abstand B, gemessen in horizontaler Richtung, von dem Aussenkreis 1 des Schaufelrades.
Das Profil hat eine Tiefe T in Strömungsrichtung und eine konkave Krümmung, der Unterseite von der Tiefe K. Die für den Anstellwinkel massgebende Tangente 6, die-wie in der Profilwissenschaft üblich-die Unterseite des Profilkörpers in zwei Punkten berührt, schliesst mit der Schwimmwasserlinie 3 des Schiffes in Ruhelage den Winkel a ein, der in einem bestimmten Verhältnis zu dem Winkel b stehen muss, der von der Tangente 7 an die Oberfläche des aufsteigenden Astes des Wellenberges mit der Wasserlinie 3 des Schiffes in Ruhelage gebildet wird.
Die zur Wirkung kommenden Kräfte sind ihrer relativen Grösse und Richtung nach durch einen Kräfteplan dargestellt. Hierin bedeutet ve die Richtung, in welcher das strömende Wasser das Profil 5 mit einem Anstellwinkel c anströmt. Dabei tritt in Anströmrichtung ein Widerstand W des Profilkörpers auf. Senkrecht dazu wird eine zweite Kraft A gemessen, die den Auftrieb des Profilkörpers darstellt, in analoger Weise wie bei Profilmessungen von Tragflügeln im Windkanal üblich.
Die Kräfte W und A setzen sich zur resultierenden Kraft R zusammen, die infolge der Anströmrichtung und des grossen Verhältnisses zwischen A'und W nicht nur nach oben, sondern zugleich in Schiffsrichtung, d. h. nach vorn gestellt ist. Bei weiterer Zerlegung dieser Gesamtkraft R kann man unterscheiden zwischen einer reinen Vertikalkraft V, die eine Verminderung des Schiffstiefganges bringt, und einer Horizontalkraft H, die gleichbedeutend ist mit dem erstrebten Schubgewinn.
Aus dem Diagramm geht hervor, dass zur Erzielung eines wirksamen H zunächst ein grosser Winkel b bzw. eine steil ansteigende Welle erwünscht ist, ferner ein grosses Verhältnis A z, u W, d. h. ein möglichst kleiner Widerstand des Profilkörpers, verbunden mit grossem Auftrieb, und schliesslich eine grosse Strahlgeschwindigkeit ve, wodurch die absolute Grösse von A steigt.
Die ausschliessliche Anwendung der Tragflügeltheorie würde im vorliegenden Falle dazu führen, ein möglichst langes und schmales (d. h. wenig tiefes) Profil zur Anwendung zu bringen, dar es ja darauf ankommt, einen möglichst geringen Widerstand und einen möglichst grossen Auftrieb zu erzeugen. Auf dieser Gesetzmässigkeit haben sich auch alle früheren Versuche bewegt, die dahin zielen, aus der Strahlenenergie hinter dem Schaufelrad eine schubvermehrende Kraft zu erhalten.
Die Ergebnisse der Versuche mit Radschiffen, die zunächst aufgebaut waren auf den vorstehend erwähnten aerodynamischen Tragflügeltheorien mit Profilkörpern von einem Längen/Tiefen-Verhältnis von 5 : 1- wie es bei aerodynamischen Versuchen stets benutzt wird haben zwar gezeigt, dass bei einer Schleppgeschwindigkeit von zirka 8 km/h eine nennenswerte Verbesserung erzielt wurde, dass diese Verbesserung aber sowohl bei kleineren Schleppgeschwindigkeiten von 5 km/h und darunter und grösseren Schleppgeschwindigkeiten als 10 km/h verschwindet. Die Untersuchungen zeigten ferner, dass bei normalen im Flugzeugbau üblichen Profilen überhaupt keine Verbesserungen zu erzielen waren ; die erwähnten Verbesserungen konnten nur mit einem gekrümmten Profil erzielt werden.
Diese für die Praxis natürlich unzulänglichen Ergebnisse führten dazu, dass nach einer andern Grundlage für die Versuche geforscht werden musste, die sich aus folgenden Überlegungen ergab :
Bei einem Segelflieger, der sich in einem einheitlichen und praktisch unendlichen Medium (Luft) bewegt, ist die Strömungsrichtung und-stärke für die ganze Flügeltiefe und-breite annähernd konstant. Grössere Vorschubkräfte werden durch grössere Fluggeschwindigkeiten zum Teil ausgeglichen oder es ist nach Bedarf möglich, Vorschub in Hubkraft umzuwandeln und umgekehrt. In dem Wellenberg hinter einem Radschiff dagegen sind im Gegensatz zur Luftanströmung beim Segelflieger die Massenbewegungen des Wassers nach Grösse und Richtung fast überall verschieden. Die Wasserbewegung wird eingeleitet durch die Bewegung, die Grösse, die Eintauchung und die Konstruktion des Schaufelrades.
Unmittelbar nach der Bewegungseinleitung, d. h. innerhalb der Welle, steht Grösse und Richtung der Bewegung aber sofort auch unter dem Einfluss der Fallbeschleunigung durch Erdanziehung, die im einheitlichen Medium nicht vorkommt. Ausserdem handelt es sich um Strömungsvorgänge an der Grenze zwischen den beiden sehr verschieden schweren Medien Wasser und Luft.
Für die Wahl der Profile ist ausserdem zu berücksichtigen, dass bei Wasser gegen Luft mit einer sehr viel grösseren Zähigkeit (sehr viel grössere Reynoldsche Zahlen) zu rechnen ist und dass daher wesentlich dünnere Profile zur Anwendung kommen müssen. Im Gegensatz zum Segelflieger ist schliesslich noch die am Profil erzeugte Hubkraft für das Schiff von wenig oder keiner praktischen Bedeutung und die gewonnene Sehubenergie kann nur in sehr beschränktem Umfange für die Erhöhung der Geschwindigkeit ausgenutzt werden. Fortlaufendes Verstellen des Anströmwinkels wie bei Flugzeugen kommt beim Schiff nicht in Frage, da dies praktisc h undurchführbar ist.
Aus allen diesen Unterschieden zwischen den Anström-und Arbeitsbedingungen eines Segelfliegers in der Luft und eines Profilkörpers am Schiff ergeben sich eine Reihe von neuen Gesichts-
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punkten für Formgebung und Lage der Profile, die unbedingt geklärt und berücksichtigt werden mussten, um-in Anlehnung an die beim Segelflieger benutzte Tragflügeltheorie-nützlichen Vor- schub für Radschiffe aus der Welle hinter dem Rade entnehmen zu können.
Unter anderem sind folgende Punkte zu berücksichtigen :
1. Die Höhenlage des Profilkörpers,
2. der Abstand des Profilkörpers hinter dem äusseren Sehaufelradkreis,
3. der Anstellwinkel des Profilkörpers,
4. die Form des Profilkörpers,
5. die Tiefe des Profilkörpers in Strömungsrichtung.
Auf Grund dieser neuen Überlegungen vorgenommene Schleppversuche haben folgendes ergeben :
EMI3.1
Bezüglich des Abstandes des Profilkörpers hinter dem äusseren Schaufelradkreis konnte eine allgemein gültige Gesetzmässigkeit nicht festgelegt werden, jedoch ergab sich, dass für jedes einzelne Schiff und ein bestimmt gewähltes Profil ein günstigster Abstand durch Probieren gefunden werden konnte.
Auch bezüglich des Anstellwinkels des Profilkörpers wurde es als zweckmässig erkannt, eine Vorrichtung zu schaffen, die gestattet, für jedes einzelne Schiff und die für dieses Schiff geltenden Fahrzustände den günstigsten Anstellwinkel durch Erproben festzustellen.
Von ganz besonderer Bedeutung für den Erfolg wurde erkannt, dass-im Gegensatz zur Aus- gestaltung von modernen Tragflügeln von Flugzeugen, deren Druckseite nicht hohl sind und die im allgemeinen auch ein grosses Verhältnis von Dicke zur Tiefe haben-die Profilkörper besonders schlank und nicht unerheblich gekrümmt sein müssen. Die Krümmung findet ihre Begründung darin, dass die Richtung der Kraftlinien in der Welle gekrümmt ist unter dem zusammengesetzten Einfluss der
Beschleunigung durch das Rad und der Erdbeschleunigung. Es hat sich gezeigt, dass der Abstand des höchsten Punktes der Unterkante des gekrümmten Profilkörpers von der Tangente an die Unterseite grösser sein muss als ein Dreissigstel der Länge des Profiles.
Besondere Schwierigkeiten bereitete die Feststellung der Tiefe des Profilkörpers in Strömungrichtung. Wie bereits erwähnt, hatte ein normales Längen/Tiefen-Verhältnis von 5 : 1 nur für einen sehr beschränkten Fahrbereich in Verbindung mit einem gekrümmten Profilkörper Verbesserungen ergeben. Die Fortsetzung der Versuche zeigte dann, dass bei einem Längen/Tiefen-Verhältnis von 3 : 1 bei dem gleichen Schaufelrad sich der Verbesserungsbereich von 0 bis 10 km/h erstreckte, bei 12 km/h aber auch wieder verschwand.
Damit war die Richtung gegeben für die weiteren Versuche, die sich insbesondere auf die in der Praxis vorkommenden Geschwindigkeitsbereiche von 11 bis 16 km/h erstrecken mussten. Um auch diesen Bereich mit zu erfassen, wurde die Tiefe des Profilkörpers allmählich steigernd um 10% weiter vergrössert und es ergab sich, dass mit dieser an sich nur geringen Vergrösserung der Profiltiefe in Strömungsrichtung die Verbesserung sich über den ganzen hauptsächlich in Frage kommenden Geschwindigkeitsbereieh von 0 bis 16 km/h erstreckte. Ferner wurde festgestellt, dass bei Vergrösserung der Radbreite und damit auch der Länge des Profilkörpers die gleiche Profiltiefe wie für die kleineren Räder die gleichen prozentualen Verbesserungen ergab. Dabei wurde der Durchmesser des Rades nicht geändert.
Hieraus musste gefolgert werden, dass für die Wirkung des Profilkörpers daher nicht wie bei der normalen Tragflügeltheorie für Flugzeuge das Verhältnis Länge zu Tiefe massgebend ist, sondern ausschliesslich das Verhältnis zwischen Tiefe des Profilkörpers zum Raddurchmesser. Daraus ergab sich weiter, dass zu einem grösseren Raddurchmesser eine grössere Profiltiefe erforderlich ist, um die in der Welle enthaltene Energie für den Vorschub nutzbar zu machen.
Die auf Grund der neuen Erkenntnis durchgeführten erfolgreichen Versuche für den Geschwindigkeitsbereich von 0 bis 16 km/h wurden mit einem Rad von 4 m Durchmesser und einer Profiltiefe von 1-1 w durchgeführt. Damit ergibt sich das für die Erfindung kennzeichnende Merkmal, dass die Profiltiefe zum Raddurchmesser nicht geringer sein darf als 1 : 3.6, um irgendwelche vorschubver- bessernde Wirkung in den für die Praxis in Frage kommenden Fahrbereichen zu erzielen. In der Praxis wird man das Profil so tief wie möglich machen, jedoch die Tiefe soweit beschränken, dass die Hinterkante desselben noch im aufsteigenden Ast der Welle zu liegen kommt.
Da die Wellenlänge sich je nach den vorliegenden Konstruktionsverhältnissen für jedes Schiff anders ergibt, ist sie von Fall zu Fall vor Konstruktion zu ermitteln.
Um für die einzelnen Schiffe sowohl den Abstand als auch den Winkel des Profilkörpers gegen- über der Horizontalen zu verändern und so versuchsmässig das Maximum der möglichen Verbesserung ermitteln zu können, musste eine besondere Einrichtung geschaffen werden, die in den Fig. 2, 3 und 4 in einer Ausführungsform in schematischer Weise dargestellt ist.
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Die Fig. 2 zeigt die Vorrichtung im Längsschnitt durch den Profilkörper gegen die Schiffswand gesehen, die Fig. 3 zeigt die Vorrichtung von hinten und die Fig. 4 zeigt die Vorrichtung von oben gesehen.
Hierin ist 5 der Profilkörper, 8 sind die Endseheiben, die fest mit dem Profilkörper verschweisst sind, 9 und 10 eine Winkelverbindung des Profilkörpers mit der Schiffswand 11, 12 eine vertikale Halteplatte für das äussere Ende des Profilkörpers, die am äusseren Radkastenträger 13 befestigt ist.
In den Endscheiben 8 befindet sich am vorderen Ende ein einzelnes Bolzenloch 14 und am hinteren Ende sind z. B. fünf weitere Bolzenlöcher 15, die in einem Kreissegment um das Bolzenloch 14 angeordnet sind, vorgesehen. In dem Winkel 9 und in der Halteplatte 12 sind eine Reihe von horizontalen Löchern 16 vorgesehen, die es erlauben, den Profilkörper stufenweise nach vorn bzw. nach hinten zu versetzen, nachdem die Verbindungsbolzen zwischen den Endscheiben und den Halterungen 9 und 12 gelöst sind.
Bei der praktischen Verwendung dieser Vorrichtung wird zunächst nach Erfahrung ein Winkel des Profils gegenüber der Horizontalen gewählt und der Abstand B wird so lange verändert, bis ein Maximum von Schubgewinn erzielt ist. Alsdann wird abschliessend auch der beste Winkel gefunden, indem der Bolzen 14 festbleibt und nach Lösen des hinteren Bolzens das hintere Ende der Endscheibe nach Bedarf aufwärts oder abwärts gestellt wird. Es hat sich gezeigt, dass die so ermittelte beste Stellung des Profilkörpers für ein einzelnes Schiff die durchschnittlichen Bestwerte über den ganzen Fahrbereich ergibt. Selbstverständlich kann die Verstellvorrichtung auch noch in anderer Form ausgeführt werden.
Wesentlich ist, dass die Halterung an den Endscheiben des Profilkörpers erfolgt, die allein geeignet sind, die grossen auftretenden Kräfte schwingungsfrei auf das Schiff zu übertragen, und dass das vordere Ende horizontal versetzt werden kann, während das hintere Ende sowohl horizontal als auch in vertikaler Richtung beweglich ist.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung an Schaufelradantrieben für Schiffe mit einem allseitig umspülten Profilkörper, der mit der Profildruekseite nach unten gekehrt, mit einem Anstellwinkel gegen die Strömungsrichtung im aufsteigenden Ast des Wellenberges ungefähr in Höhe der Wasserlinie des Schiffes in Ruhelage hinter dem Schaufelrad am Schiffskörper angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Profilkörpers in Strömungsrichtung gemessen grösser ist als der Aussendurchmesser des Schaufelrades, geteilt durch 3-6.