CH666868A5 - Schiffsschraube. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Schiffsschraube für schnelle Schiffe, mit einer auf eine geneigte Schiffsschraubenwelle anzubringen bestimmten Nabe (1) und an dieser befestigten Flügeln (2), von denen jeder auf der gesamten Länge nach der zur Drehrichtung der Schiffsschraubenwelle entgegengesetzten Seite geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (À.) der Wurzelquerschnitt-Eintrittskante jedes Flügels (2), welcher zwischen einer Tangente (4), die im Eintrittskantenpunkt in diesem Querschnitt gezogen ist, und einer Linie (5) vorhanden ist, die rechtwinklig zur geometrischen Achse (6) der Nabe (1) zu demselben Punkt gezogen ist, 30-45° beträgt, während die Neigungswinkel der Eintrittskante jedes Flügels (2) in den nachfolgenden Querschnitten stetig zunehmen.

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schiffsschraube gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Weit bekannt sind Schiffsschrauben für Verdrängungsschiffe mit Flügeln grosser Streckung mit zur Drehrichtung entgegengesetzter Seitenneigung (Pfeilung aufweisende Schiffsschrauben), angefangen von relativem Radius r > 0,5 an (Verhältnis des laufenden Radius zum Schiffsschraubenradius).

Diese Schiffsschrauben werden auf Schiffsschraubenwellen angebracht, die praktisch keine Neigung (tp = 0) aufweisen; der Flügelneigungswinkel X hat eine Grösse von X=5° -60 bei effektiven Querschnitten r = 0,5- 0,8 und weiter bis zum Flügelende, wo die Anströmgeschwindigkeiten an den Flügeln zum Auftreten von Kavitation und Erosion ausreichend gross sind; in der Zone der Wurzelquerschnitte und auf der Strecke r < 0,5 fehlt die Flügelneigung ganz oder ist geringfügig (X 5°).

Derartige Schiffsschrauben vereinigen in sich eine einfache Herstellungstechnologie und hohe Antierosionseigen-schaften bei Betriebsbedingungen von Verdrängungsschiffen, die relativ niedrige Fortbewegungsgeschwindigkeiten besitzen.

Mit der Schaffung und Vervollkommung von schnellen Gleitschiffen und von Tragflächenschiffen entstand das Problem der Gewährleistung von Propulsions- und Antiero-sionseigenschaften der Schiffsschrauben, die unter Kavitationsbedingungen und bei Strömungsungleichmässigkeiten funktionieren, die infolge der Neigung der Schiffsschraubenwelle auftreten.

Bei den Tragflächenschiffen ist die Leistungsübertragung von der Antriebsanlage zur Schiffsschraube über die geneigten Schiffsschraubenwellen das am meisten verbreitete Lei-stungsübertragungsschema. Die Funktionsspezifikation der Schiffsschrauben von Tragflächenschiffen, die auf den geneigten Schiffsschraubenwellen angebracht sind, besteht in der vorhandenen schrägen Anströmung auf die Schiffsschrauben und demnach in deren Funktion innerhalb eines ungleichmässigen Geschwindigkeitsfeldes mit hohen Geschwindigkeiten von über 30 Knoten. Bei der Funktion der Schiffsschrauben im ungleichmässigen Geschwindigkeitsfeld ändert sich der Anstellwinkel der Schiffsschraubenflügel während einer Umdrehung innerhalb weiter Grenzen und weicht von dem optimalen um einen erheblichen Betrag je nach dem Ablenkwinkel des Stroms und der Fortschrittsgeschwindigkeit des Schiffes ab. Diese Schwankungen der Anstellwinkel (a min= -1°, a max= +14°) in der Zone der Wurzelquerschnitte bewirken folgende negative Erscheinungen;

-Kavitation und Erosion in der Zone der Wurzelquerschnitte;

-Abnahme des Wirkungsgrads der Schiffsschrauben;

-Vibrationen der Schiffsschraube selber, die auf das Achterende des Schiffes übertragen werden.

Ursprünglich wurden für die Tragflächenschiffe bekannte breitflügelige Schiffsschrauben mit der Flügelzahl Z=3 verwendet, die einen relativ hohen Wirkungsgrad t|=0,6 gewährleisteten. Jedoch fanden diese Schiffsschrauben wegen der aufkommenden Erosionszerstörungen, die eine Folge der Kavitation sind, und der kurzen Betriebsdauer (200-400 Fahrzeitstunden) keine breite Anwendung.

Eine Hauptmassnahme bei der Bekämpfung von Kavitation und Erosion der Schiffsschrauben von schnellen Schiffen (Tragflächenschiffen, Luftkissenschiffen, Gleitschiffen) war die Herabsetzung der Flügelbelastung, was durch Erhöhung der Flügelzahl auf Z=5-6 erzielt wurde. Daher gehören gegenwärtig zum Grundtyp der Schiffsschrauben von Tragflächenschiffen bekannte breitflügelige Mehrflügelschiffsschrauben, die gleichzeitig die Probleme der Verbesserung von Antierosionseigenschaften und der Verringerung von Vibrationen lösen. Jedoch ist der Wirkungsgrad der Mehrflügelschiffsschrauben (Z=5-6) um 4-5% niedriger als der Wirkungsgrad der Dreiflügelschiffsschrauben.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schiffsschraube der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Flügel eine solche Form haben, dass die Kavitation und Erosion von Flügelwurzelquerschnitten weitgehend vermieden wird, ohne dass dabei der Wirkungsgrad kleiner wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die vorgeschlagene Schiffsschraube die im Kennzeichen des Patentanspruches umschriebenen Merlanale aufweist.

An der gemäss der vorliegenden Erfindung ausgeführten Schiffsschraube sind Kavitation und Erosion, insbesondere in den Wurzelquerschnitten, bei gleichzeitiger Beibehaltung des für die Schiffsschrauben mit geringer Flügelzahl charakteristischen Wirkungsgrades beträchtlich vermindert.

Nachstehend ist ein konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen beschrieben; in den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teiles einer Schiffsschraube, die eine Nabe besitzt und einen geradegestreckten Flügelumriss mit einem Flügelneigungswinkel nach der zum Drehsinn entgegengesetzten Seite aufweist, und

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II von Fig. 1.

Die Schiffsschraube ist auf einer Schiffsschraubenwelle (nicht gezeigt) mit einem Neigungswinkel (p = 12-16° angebracht. Die Schiffsschraube ist in den Figuren nicht vollständig abgebildet, weil vor allem die Ausbildung der Flügel der Schiffsschraube zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehört.

Die Schiffsschraube weist eine Nabe 1 (Fig. 1) und Flügel 2 auf, die im vorliegenden Beispiel einstückig mit der Nabe 1 ausgeführt sind. Jeder Flügel 2 besitzt in seinem Querschnitt das Profil eines konvex-konkaven Segments, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Schiffsschraube besitzt drei Flügel 2, deren Eintrittskanten nach der zur durch einen Pfeil A (Fig. 1) angedeuteten Drehrichtung entgegengesetzten Seite geneigt sind.

Der Neigungswinkel X der Eintrittskante eines jeden Flügels 2 in einem Wurzelquerschnitt 3, welcher von einer Tangente 4, die im Eintrittskantenpunkt in diesem Querschnitt gezogen ist, und einer Linie 5 gebildet ist, die rechtwinklig zur geometrischen Achse 6 der Nabe 1 zu demselben Punkt gezogen ist, beträgt 30-45°, während die Neigungswinkel der Eintrittskante jedes Flügels 2 in den nachfolgenden Querschnitten stetig zunehmen und relativ zu der zur Achse 6 der Nabe 1 senkrechten Linie durch einen folgenden Ausdruck vorgegeben sind:

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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X=Ar2+Br-C,

wobei

X= — bedeutet und D

X- die Länge einer Strecke, die rechtwinklig zur Verbindungslinie des Flügels 2 mit der Nabe 1 am geradegestreckten Umriss bis zur Eintrittskante des Flügels 2 an jedem Radius gezogen ist,

D- den Schiffsschraubendurchmesser=2R,

r- den relativen Querschnittsradius, r=

r R

r- den Radius des laufenden Querschnitts,

R- den Schiffsschraubenradius, und A, B, C- Zahlenfaktoren bedeuten, deren Grösse vom Neigungswinkel der Schiffsschraubenwelle, der Fahrtgeschwindigkeit und der Schiffsschraubenbetriebsart abhängig ist. So betragen für eine Schiffsgeschwindigkeit von V = 30-35 Knoten und einen Wellenneigungswinkel von (p= 16 die experimentell ermittelten Faktoren A=0,77; B=0,33;C=0,11.

Die Schiffsschraube arbeitet folgenderweise.

Die Neigung des Flügels 2 im Wurzelquerschnitt X=30—45 ' und die Neigung gemäss der optimalen Gesetzmässigkeit auf dem restlichen Teil des Flügels 2 in Kombination mit räumlichem Querschnittsprofil des Flügels 2 und drehender Bewegung im Strom mit einer starken Schrägung ((p > 12 ) bewirkt eine stetige Umverteilung des Drucks an der Eintrittskante des Flügels 2, die die Flüssigkeit zur Fortbewegung entlang der Erzeugenden der Vorderkante des Flügels 2 zwingt.

Die Erteilung der erwähnten Neigung den Schiffsschraubenflügeln 2 bringt folgenden Nutzeffekt: 5 - die Kavitation an den Flügeln entsteht bei höheren Anströmgeschwindigkeiten als bei herkömmlichen Schiffsschrauben;

- die Schwankungen von Unterdruck und Auftrieb, die mit Schwankungen der Anstellwinkel der Flügelelemente 10 während einer Schiffsschraubenumdrehung zusammenhängen, werden geringer.

Diese Umstände begünstigen die Funktion der Schiffsschraube in einem ungleichmässigen Geschwindigkeitsfeld sowohl hinsichtlich der Reduzierung und Beseitigung von 15 Kavitation und Erosion wie auch hinsichtlich einer Vibrationssenkung und der Gewährleistung eines hohen Wirkungsgrades.

Ein Versuchsmuster der erfindungsgemäss ausgeführten Schiffsschraube wurde hergestellt, installiert und in einem 20 Tragflächenschiff im Laufe von 70 Fahrzeitstunden erprobt. Es wurden keine Erosionszerstörungen festgestellt. Die Schiffsschraube der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Konstruktion bewies einen hohen Wirkungsgrad.

Die vorliegende Erfindung wird bei der Projektierung 25 und Herstellung von Schiffsschrauben insbesondere für Tragflächenschiffe angewendet, die mit geneigten Schiffsschraubenwellen (<p= 12-16°) arbeiten.

Möglich ist die Anwendung der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Schiffsschrauben auch für andere schnelle 30 Schiffe mit grosser Neigung der Schiffsschraubenwellen (tp ^ 12-16°).

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1 Blatt Zeichnungen