Propellerantrieb Theoretische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass mit stetigen Propulsionsmechanismen in einem kontinuierlichen Medium, Wasser, Luft, die bisher erreichte Ausnutzung der aufgewandten An triebsenergie nicht mehr wesentlich gesteigert werden kann, da bei den bekannten Propulsionsmechanismen eine Steigerung der Antriebsenergie eine ungleich grössere Steigerung der Verluste mit sich bringt, so dass eine Steigerung der Antriebsenergie letztlich in Verlusten aufgeht, ohne dass die Vortriebsenergie wesentlich gesteigert werden kann.
Energetische Betrachtungen bei Wellenvorgängen führen zu der Erkenntnis, dass fortlaufende Wellen nutzbare Energie transportieren. Dieser Energietrans port hängt damit zusammen, dass durch eine Welle Schwingungen von Ort zu Ort übertragen werden. Läuft eine Welle längs einer Saite, eines Stabes oder eines Blattes, so übernimmt sie vom erzeugenden Generator Leistung, die allmählich aufgebraucht wird, indem die von der Welle getroffenen Massenpunkte in Schwingung versetzt werden und ihnen kinetische und potentielle Energie erteilt wird. Diese Vor gänge sind in besonderer Weise geeignet, um kon zentrierte Maschinenenergie mit hohem Wirkungsgrad auf ein kontinuierliches Medium zu übertragen.
Die Übertragung von Maschinenleistung auf ein Medium mittels eines rotierenden Propellers mit star ren Blättern ist a priori nicht ideal, denn bei zuneh mender Umdrehungsgeschwindigkeit wird ein Leer- laufpunkt erreicht, bei dem sich saugende Hohlfäume bilden, die Nutzenergie verbrauchen. Der Schrauben propeller hat nur einen kleinen Geschwindigkeits bereich mit höchster Nutzwirkung. Dieser Bereich kann durch Ändern des Anstellwinkels der Propeller flügel zwar erweitert werden. Verstellpropeller kom men aber nur für grosse Antriebsmaschinen in Frage.
Rotierende Propeller haben überdies den Nachteil, dass sie einen Drall auf das Fahrzeug ausüben und bei Stillstand einen hohen Strömungswiderstand auf weisen.
Die Erfindung will diese Nachteile vermeiden. Sie betrifft ein Propellerantrieb, der dadurch gekenn zeichnet ist, dass der Propeller als Schwingpropeller ausgebildet ist, indem an einem starren Schaft ein biegeelastisches, ebenes Blatt fest eingespannt ist und der Schaft motorisch angetrieben translatorisch quer zur Blattebene schwingt. Die erzeugte Vortriebskraft liegt in der Blattebene, senkrecht zum Schaft und seiner Schwingungsrichtung.
Dabei kann das Blatt vertikal stehen und horizontal schwingen oder es kann horizontal stehen und vertikal schwingen. Vor- triebskraft und Strömungsgeschwindigkeit lassen sich durch Ändern der Amplitude und der Frequenz be liebig verändern und der Strömungswiderstand des stillstehenden Propellers ist viel kleiner als derjenige eines rotierenden Propellers. Der Schwingpropeller hat keinen Drall. Ausführungsbeispiele und Wirkungs weise des erfindungsgemässen Propellerantriebs wer den anhand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung, zeigt: Fig. <B>1</B> in perspektivischer Darstellung einen Schwingpropeller mit vertikalem Propellerblatt, Fig. 2 in schematischer Darstellung die Wirbel bildung an einem schwingenden Propellerblatt, Fig. <B>3</B> in schematischer Darstellung von einem schwingenden Propellerblatt sich ablösende Wirbel ketten, Fig. 4 in perspektivischer Darstellung einen Schwingpropeller mit horizontalem Propellerblatt. Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. <B>1</B> ist ein ebe nes rechteckiges, im Verhältnis zur Länge und Breite dünnes Blatt<B>11</B> aus biegeelastischem Material längs einer Seite in einem starren Schaft 12 fest einge spannt.
Blatt und Schaft stehen vertikal und der Schaft 12 ist an einem horizontalen, quer zur Blatt ebene beweglichen Schlitten<B>13</B> befestigt. Der Schlit ten<B>13</B> ist in zwei Gleitlagem 14 gelagert, die mit Schraubenbolzen<B>15</B> versehen sind, damit sie an einen Motor angeschraubt werden können. Im Schlit ten<B>13</B> ist quer zur Schieberichtung ein Schlitz<B>61</B> ausgenommen, in welchen ein Kurbelzapfen<B>17</B> einer von einem nicht dargestellten Motor angetriebenen Kurbel<B>18</B> greift.
Bei jeder Kurbelumdrehung macht der Schlitten<B>13</B> eine Hin- und Herbewegung, die durch den starren Schaft 12 auf das Blatt<B>11</B> über tragen wird, wodurch das Blatt<B>11</B> ebenfalls in Schwingung gerät und infolge der Biegeelastizität die zur Einspannseite parallele Endkante grössere Amplituden ausführt als die Einspannseite. Dadurch bilden sich am Blattende Wirbel, die sich bei jeder Schwingungsumkehrung vom Blatt lösen und ihm eine Vortriebskraft in der Richtung des Pfeiles<B>19</B> geben.
Die Wirbelbildung ist in Fig. 2 dargestellt, in welcher ein ebenes Blatt<B>11</B> in der Draufsicht gezeigt ist und aus einer Stellung 20 in der Pfeilrichtung <I>a</I> in die Stellung 21 oder in der Pfeilrichtung<B>b</B> in die Stellung 22 verschoben wird. Schwingt der Schaft von der Lage 20 in die Lage 21, so bleibt zunächst das Blattende hinter dem Schaft zurück, da sich das Blatt infolge seiner Massenträgheit und dem Widerstand des Mediums entgegen der Bewegungsrichtung durchbiegt. Die durch das Blatt auf das Medium ausgeübte Kraft wächst in Wirkungsrichtung in dem Masse, wie das Medium ihr nachgibt und das ganze Blatt kommt in Bewegung, wobei im Medium ein Wirbel um das Blattende, in diesem Fall ein Linkswirbel eingeleitet wird.
Das bewegte Blatt schleppt den Wirbel mit, bis der Schaft in der Lage 21 stillgehalten wird, wo das Blatt elastisch ausschwingt und den Wirbel tangential ab- schleudert. Dasselbe Phänomen tritt auf, wenn der Schaft aus der Lage 20 in die Lage 22 geschwungen wird, nur wird dabei ein Rechtswirbel erzeugt. Die Stellungen 21, 22 sind nicht Stillstandslagen des Schaftes, sondern Umkehrpunkte seiner Bewegung. Wenn sich ein Wirbel vom Blattende gelöst hat, setzt sofort ein neuer Wirbel in entgegengesetzter Drehrichtung an, der durch das Blatt auf die andere Seite geschoben und dort abgestossen wird. Dieser Vorgang ist in Fig. <B>3</B> dargestellt.
Der abgeschleuderte Wirbel hängt sich an den vorangehenden Winkel mit gleicher Drehrichtung, so dass sich zwei davon laufende Wirbelketten bilden.
Bei jeder vollen Kurbelumdrehung werden zwei sich entgegengesetzt drehende Wirbel abgestossen. Es entsteht so aus der Folge von unstetigen, abwech selnden Links- und Rechtsimpulsen eine Folge von rechts und links drehenden Wirbeln, die sich in kurzen Abständen voneinander auf zwei verschie denen Bahnen vom Propeller wegbewegen, ohne sich gegenseitig zu stören.
Grundsätzlich erfolgt also die mechanische Ar beitsübertragung zur Erzeugung des Vortriebs auf dem Weg von Wirbelsystemen, die durch die Schwin gungen des elastischen Blattes im Medium erzeugt werden,<B>d.</B> h. nach dem Prinzip der Wirbelschicht als Energieübertragungsfläche.
Das biegeelastische Blatt des Schwingpropellers kann auch waagrecht angeordnet werden, wie in Fig. 4 gezeigt ist, wobei das Blatt vertikal auf und ab schwingt. Die Wirkung ist dieselbe wie beim hin und her schwingenden Propeller. In dieser Anord nung kann der Schwingpropeller nicht nur als Pro- pulsionselement arbeiten, sondern gleichzeitig auch als Tragfläche dienen, wie solche in bekannter Weise verwendet werden, um Boote zwecks Verminderung des Wasserwiderstandes während der Fahrt über Was ser zu halten.
Wenn der Schwingpropeller als Rührer oder Mi scher verwendet werden soll, ist die Wirkungsweise ausserordentlich günstig, indem die verschiedenen Ge biete der Flüssigkeiten durch die Wirbel in enge Be ziehungen zueinander gebracht werden.
Für Fahrzeuge, z. B. Boote beruht die Erzeu gung des Vortriebs durch den Schwingpropeller auf dem Stossprinzip, indem eine Menge Wasser mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch den Propeller weggeschleudert wird, bekommt der Kör per des Apparates einen Impuls in der entgegen gesetzten Richtung.
Die Wirkung des Schwingpropellers kann durch Veränderung der Amplitude oder Frequenz oder beider Grössen gleichzeitig verändert werden. Die grösste Wirkung wird erreicht, wenn die Frequenz des Schaftantriebes gleich der Eigenfrequenz des Blat tes ist, weil dann das Blatt auf der Resonanzfrequenz schwingt. Dabei ist aber zu beachten, dass bei gleich bleibender Amplitude des Schaftes die Geschwindig keit der erzeugten Strömung ungefähr wie die vierte Potenz der Antriebsfrequenz wächst, und dass daher bei der Projektierung eines Schwingpropellers eher hohe Frequenzen als grosse Amplituden in Betracht gezogen werden müssen.
Bei sehr kleinen Dimensionierungen eines Schwingpropellers, z. B. für den Antrieb von Spiel zeugschiffen, kann der Schwingungsantrieb des Schaf tes durch einen elektromagnetischen Vibrator erzeugt werden. Die Frequenz kann dann leicht mehrere hundert Schwingungen in der Sekunde betragen. Die Möglichkeiten zur Änderung der Geschwindigkeit sind dann aber nur gering. Bei grösserer Dimensionierung, z. B. für den Antrieb von Schnellbooten, kann der Antrieb des Schaftes gemäss Fig. <B>1</B> erfolgen, wo bei die Fahrgeschwindigkeit durch Änderung der Frequenz,<B>d.</B> h. Änderung der Kurbeldrehgeschwin- digkeit reguliert werden kann.
Es können dann Fre quenzen in Betracht kommen, die von einem lang samen hin und her Bewegen des Propellerblattes bis etwa zwanzig bis dreissig oder mehr Schwin gungen pro Sekunde variieren können. Wo es darauf ankommt, den grössten Wirkungsgrad des Schwing propellers bei allen Geschwindigkeiten zu erreichen, wird es vorteilhaft sein, neben der veränderlichen Frequenz auch veränderliche Amplitude der Schaft schwingung vorzusehen, z. B. durch veränderliche Länge der Kurbel.
Bei Booten mit Aussenbordmotor kann die Len kung durch Schwenken des Motors um die Achse des Schaftes erfolgen. Bei Booten mit Innenbord- motor kann die Lenkung mittels eines bisher üblichen Steuerruders erfolgen. Zum Bremsen oder Rück wärtsfahren kann der Schwingpropeller<B>1800</B> um den vertikalen Schaft gedreht werden.
Propeller drive Theoretical and experimental studies show that with constant propulsion mechanisms in a continuous medium, water, air, the previously achieved utilization of the applied drive energy can no longer be increased significantly, since with the known propulsion mechanisms an increase in drive energy results in a disproportionately greater increase in losses brings with it, so that an increase in the drive energy ultimately results in losses without the propulsive energy can be significantly increased.
Energetic considerations of wave processes lead to the realization that continuous waves transport usable energy. This energy transport is related to the fact that vibrations are transmitted from place to place by a wave. If a wave runs along a string, a rod or a reed, it takes over power from the generating generator, which is gradually consumed by causing the mass points hit by the wave to vibrate and giving them kinetic and potential energy. These processes are particularly suitable for transferring concentrated machine energy to a continuous medium with high efficiency.
The transfer of machine power to a medium by means of a rotating propeller with rigid blades is not ideal a priori, because as the speed of rotation increases, an idle point is reached at which sucking cavities form and consume useful energy. The screw propeller only has a small speed range with the highest efficiency. This range can be expanded by changing the angle of attack of the propeller blades. However, controllable pitch propellers are only suitable for large drive engines.
Rotating propellers also have the disadvantage that they exert a twist on the vehicle and have a high flow resistance when it is stationary.
The invention aims to avoid these disadvantages. It relates to a propeller drive, which is characterized in that the propeller is designed as a vibrating propeller by a flexible, flat blade is firmly clamped on a rigid shaft and the shaft, driven by a motor, oscillates translationally transversely to the plane of the blade. The propulsive force generated lies in the plane of the sheet, perpendicular to the shaft and its direction of oscillation.
The leaf can stand vertically and swing horizontally or it can stand horizontally and swing vertically. Propulsion force and flow speed can be changed as desired by changing the amplitude and frequency, and the flow resistance of a stationary propeller is much smaller than that of a rotating propeller. The swing propeller has no twist. Embodiments and effects of the propeller drive according to the invention who explained in more detail with reference to the drawing.
In the drawing: FIG. 1 shows a perspective illustration of a vibrating propeller with a vertical propeller blade, FIG. 2 shows a schematic illustration of the vortex formation on a vibrating propeller blade, FIG. 3 in schematic representation of a vibrating propeller blade detaching vortex chains, Fig. 4 in a perspective view of a vibrating propeller with a horizontal propeller blade. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, a flat, rectangular blade 11 made of flexible material, thin in relation to its length and width, is firmly clamped along one side in a rigid shaft 12.
The blade and shaft are vertical and the shaft 12 is attached to a horizontal slide 13 that is movable transversely to the blade. The slide <B> 13 </B> is mounted in two slide bearings 14 which are provided with screw bolts <B> 15 </B> so that they can be screwed onto a motor. In the slide <B> 13 </B>, a slot <B> 61 </B> is cut transversely to the sliding direction, in which a crank pin <B> 17 </B> of a crank <B> driven by a motor (not shown) 18 </B> takes effect.
With every turn of the crank, the slide <B> 13 </B> makes a back and forth movement, which is transmitted to the sheet <B> 11 </B> by the rigid shaft 12, whereby the sheet <B> 11 </ B> also starts to vibrate and, due to the elasticity of bending, the end edge parallel to the clamping side has greater amplitudes than the clamping side. As a result, eddies are formed at the end of the blade, which detach from the blade with each oscillation reversal and give it a propulsive force in the direction of arrow <B> 19 </B>.
The vortex formation is shown in FIG. 2, in which a flat blade 11 is shown in plan view and from a position 20 in the direction of the arrow <I> a </I> into position 21 or in FIG Direction of arrow <B> b </B> is shifted into position 22. If the shaft swings from position 20 to position 21, the end of the sheet initially remains behind the shaft, since the sheet bends against the direction of movement due to its inertia and the resistance of the medium. The force exerted by the sheet on the medium increases in the direction of action as the medium yields to it and the whole sheet starts moving, with a vortex around the end of the sheet, in this case a left vortex, being initiated in the medium.
The moving blade drags the vortex with it until the shaft is held still in position 21, where the blade swings out elastically and throws off the vortex tangentially. The same phenomenon occurs when the shaft is swung from position 20 into position 22, only a right-hand vortex is generated. The positions 21, 22 are not stationary positions of the shaft, but reversal points of its movement. When a vortex has detached itself from the end of the blade, a new vortex immediately sets in in the opposite direction of rotation, which is pushed through the blade to the other side and pushed off there. This process is shown in FIG. 3.
The thrown off vortex is attached to the previous angle with the same direction of rotation, so that two vortex chains running from it are formed.
With every full turn of the crank, two oppositely rotating vortices are repelled. The result of the sequence of discontinuous, alternating left and right impulses is a sequence of right and left turning vortices, which move away from the propeller at short intervals on two different paths without interfering with each other.
In principle, the mechanical work transfer to generate the propulsion takes place on the path of vortex systems that are generated by the vibrations of the elastic sheet in the medium, d. H. according to the principle of the fluidized bed as an energy transfer surface.
The flexurally elastic blade of the vibrating propeller can also be arranged horizontally, as shown in FIG. 4, the blade swinging vertically up and down. The effect is the same as with the propeller swinging back and forth. In this arrangement, the vibrating propeller can not only work as a propagation element, but also serve as a wing at the same time, as is used in a known manner to keep boats above water to reduce water resistance while driving.
If the vibrating propeller is to be used as a stirrer or mixer, the mode of action is extremely favorable, as the various areas of the liquids are brought into close relationships with one another through the vortex.
For vehicles, e.g. B. Boats, the generation of propulsion by the vibrating propeller is based on the shock principle, by throwing a lot of water at a certain speed through the propeller, the body gets a pulse in the opposite direction by the apparatus.
The effect of the vibrating propeller can be changed by changing the amplitude or frequency or both quantities at the same time. The greatest effect is achieved when the frequency of the shaft drive is equal to the natural frequency of the blade, because the blade then vibrates at the resonance frequency. It should be noted, however, that if the amplitude of the shaft remains the same, the speed of the flow generated increases roughly as the fourth power of the drive frequency, and that therefore high frequencies rather than large amplitudes must be taken into account when planning a vibrating propeller.
With very small dimensions of a vibrating propeller, e.g. B. for driving toy ships, the vibration drive of the Schaf tes can be generated by an electromagnetic vibrator. The frequency can then easily be several hundred oscillations per second. However, the options for changing the speed are then only limited. With larger dimensions, e.g. B. for the drive of high-speed boats, the drive of the shaft can take place according to Fig. 1, where the speed of travel by changing the frequency, <B> d. </B> h. Change of the crank rotation speed can be regulated.
It can then fre quencies come into consideration, which can vary from a slow seed back and forth movement of the propeller blade to about twenty to thirty or more vibrations per second. Where it is important to achieve the greatest efficiency of the swing propeller at all speeds, it will be advantageous to provide variable amplitude of the shaft vibration in addition to the variable frequency, z. B. by changing the length of the crank.
On boats with an outboard motor, steering can be achieved by pivoting the motor around the axis of the shaft. In the case of boats with an inboard engine, steering can be carried out by means of a rudder that was previously used. The oscillating propeller <B> 1800 </B> can be rotated around the vertical shaft for braking or reversing.