DD228508A1 - Leitringanordnung zwecks minderung von kavitationsgeraeuschen bei querstrahlruderanlagen mit verstellpropellern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leitringanordnung zwecks Minderung von Kavitationsgeraeuschen bei Querstrahlruderanlagen mit Verstellpropellern, die auf Schiffen und anderen Wasserfahrzeugen als Manoevrierhilfe eingesetzt werden. Das Ziel und die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, die Kavitation im Bereich der Propellerfluegelspitzen zu vermindern und damit den Geraeuschpegel zu senken. Die bekannten Massnahmen durch Einfuehren von Luft, Gasen oder anderen Medien vor den ansaugenden Propeller bringen, bezogen auf die Aufgabenstellung, nur teilweisen Erfolg und sind, wie auch die Anordnung von Daempfungskoerpern, zu bauaufwendig. Durch die beidseitige Anordnung von diffusorartigen Leitringen vor dem Verstellpropeller in beiden Stroemungsrichtungen in einem Radienverhaeltnis von 0,6 bis 0,9 koennen diese Kavitationsfluesse an den Propellerfluegelspitzen reduziert und damit ein wesentlich verbessertes Geraeuschverhalten der Querstrahlruderanlage erreicht werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leitringanordnung zum Zwecke der Minderung von Kavitationsgeräuschen bei Querstrahlruderanlagen mit Verstellpropellern, die auf Schiffen sowie anderen Schwimm- oder Tauchkörpern als Manöverierhilfe eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, eine Querstrahlruderanlage mit einem Verstellpropeller auszustatten, der in einem Querkanal angeordnet ist. Durch die Verstellbarkeit der Propellerflügel von einer Vorausstellung über eine Nullstellung auf eine Rückwärtsstellung wird bewirkt, daß der Querschub in beide Querkanalrichtungen abgegeben werden kann und daß die Größe des Querschubes von Null bis zum Maximum stufenlos eingestellt werden kann, ohne daß eine Änderung der Drehrichtung und der Drehzahl des Querstrahlrudermotors erforderlich ist.

Es ist weiterhin bekannt, daß bei dieser hinsichtlich der Steuerung der Querstrahlruderanlage zweckmäßigen Lösung der Forderung nach gleicher Wirksamkeit in beiden Arbeitsrichtungen durch flache unverwundene Propellerflügel entsprochen wird. Damit werden auch für jeden Arbeitspunkt entsprechend dem Verdrehwinkel der Propellerflügel auf allen Radien r konstante Steigungswinkel θ = Φ wirksam.

Bekanntlich führt die Zuströmung bei Axialmaschinen bzw. Propellern auf eine Schraubenfläche, die als ein charakteristisches Merkmal von der Nabe des Propellers ausgehend zur Propellerflügelspitze hin ständig abfallende hydrodynamische Steigungswinkel /3<=° aufweist. Der am jeweiligen Propellerflügelblattschnitt wirksam werdende Anstellwinkel α ergibt sich gem. Fig. 1 aus der Differenz von Steigungswinkel θ minus hydrodynamischen Steigungswinkel /3 <» und nimmt hier zur Flügelspitze hin über das erwünschte Maß hinaus zu. Dadurch wird der Propellerflügelspitzenbereich hydrodynamisch viel zu hoch belastet, wodurch bekanntlich Saugseitenkavitation hervorgerufen wird, aber auch die Spaltkavitation beim Druckausgleich zwischen Saug- und Druckseite des Propellerflügels an der Propellerflügelspitze verstärkt auftritt. Kavitation führt neben der Gefahr der Erosion von Bauteilen besonders zu störender Geräuschentwicklung. Zur Behebung dieser Mängel wurde in der Patentschrift DE 2515560 (siehe auch US-PS 460289) eine speziell ausgebildete Flügelform mit entgegen der Strömungsrichtung geneigter Propellerflügelspitze vorgeschlagen, dessen prognostizierte positive Wirkung jedoch bei einer experimentellen Überprüfung im Kavitationstank entsprechend der in der Praxis wirksamen Standschubbedingung nicht bestätigt werden konnte.

Die Lösungsmöglichkeit mit Hilfe eines großen Spaltes, wie sie in dieser Patentschrift als technischer Stand mit erläutert wurde, beinhaltet bereits entsprechend den Gesetzen der Hydrodynamik eine Entlastung des Propellerflügelspitzenbereiches. Der Nachteil dieser Lösung liegt in einer erheblichen Verschlechterung der Leistungskennziffern, was in der genannten Patentschrift dargestellt und kritisiert wurde.

In einer Reihe von Patentschriften: DE 2304825, DE 2644844, DE 2456497 (DD 116176), DE 2823781 wird in verschiedenen Varianten die Einführung von Luft, Gas oder Wasser aus dem Schiffskörper heraus in den Querkanal zur Geräuschdämpfung vorgeschlagen.

Der Nachteil dieser Verfahren liegt in einem nicht unerheblichen Aufwand an Pumpen und Rohrleitungen sowie in der Anordnung von im Unterwasserschiffskörper unerwünschten, mit sicheren Verschlüssen zu versehenden Öffnungen. Darüber hinaus ist es nicht sichergestellt, daß das Luft-Wasser-Gemisch in der notwendigen Homogenität über den geforderten Propellerbereich hin auftritt.

Eine andere technische Lösung durch Einbringung einer schalldämpfenden Schicht im Bereich des Querstrahlruderpropellers wurde in der Patentschrift DE 2803336 vorgeschlagen. Solche Sekundärmaßnahmen zur Geräuschbekämpfung sind gegenüber den der Bekämpfung der Geräuscherzeugung selbst immer im Nachteil. Es ist weiterhin bekannt, bei Axialpumpen (Pfleiderer, C: Die Kreiselpumpe für Flüssigkeiten und Gase, Springerverlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg 1961) und Wasserstrahlantrieben (Kruppa, C; Brand, H.; Östergaard, C: Wasserstrahlantriebe für Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge, Schiff und Hafen, Uetersen, 20(1968) 12, S. 871-873) in einer Strömungsrichtung wirkende feste Vor-und Nachleiträder einzusetzen mit dem Ziel, den Wirkungsgrad zu verbessern und die Strömung zu richten. Auch in der Patentschrift DE 2606448 wird ein im Propellerflügelspitzenbereich in einer Strömungsrichtung wirkendes Vorleitrad vorgeschlagen, welches von der Düseninnenwand ausgehend freitragend oder mit einem Ring abgestützt in den Düsenkanal hineinragt mit der Zielstellung, daß Einschwimmen von Gegenständen in den Propellerbereich zu verhindern und dabei den Wirkungsgrad und eine erwünschte Gleichförmigkeit der Strömung über den Umfang zu verbessern.

Keine dieser technischen Lösungen wurde mit der Zielstellung der Spitzenentlastung eingeführt bzw. vorgeschlagen. Der Nachteil dieser Lösungen für die vorliegende Zielstellung ist die völlig einseitig wirkende Anordnung, durch welche diese Lösungen für die Spitzenentlastung zweiseitig wirkender Querstrahlruderverstellpropeller unbrauchbar sind.

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Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, durch eine einfache Vorrichtung die Geräusch- und Kavitationsverminderung ohne wesentliche Beeinträchtigung der Leistungsparameter einer Querstrahlruderanlage mit Verstellpropeller im Querkanal zu bewirken.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannte hydrodynamische Überlastung des Propellerflügelspitzenbereiches bei Querstrahlruderanlagen mit Verstellpropeller im Querkanal mit unverwundenen Propellerflügeln abzubauen. Insbesondere soll das durch eine Verbesserung der Anströmverhältnisse im Propellerflügelspitzenbereich für beide Strömungsrichtungen im Querkanal erreicht werden.

Erfindungsgemäß werden die Mangel des technischen Standes dadurch beseitigt, daß im Propellerflügelspitzenbereich beidseitig der Verstellpropellerflügel im Querkanal diffusorartig Leitringe angeordnet werden, welche dementsprechend in Richtung zum Verstellpropellerflügel hin einen vergrößerten Durchmesser aufweisen. Dabei wird unter vereinfachter Zugrundelegung der Theorie des Stromfadens nach dem Kontinuitätssatz bewirkt, daß aus dem an der Zustromseite angeordneten Diffusor eine verzögerte Strömung austritt, welche auf den Propellerflügelbereich bis zu einem Radienverhältnis r/R = 0,7 bis 0,9 einwirkt. Im darüberliegenden Bereich wirkt eine entsprechend der Verengung des Strömungsquerschnittes erhöhte Strömungsgeschwindigkeit, so daß insbesondere auch der Propellerflügelspitzenbereich beeinflußt wird. Dadurch wird der Anstellwinkel α entsprechend der Darstellung im Geschwindigkeitsplan nach Fig. 2 auf die Größe α verringert, wodurch die im Propellerflügelspitzenbereich erforderliche Entlastung erfolgt.

Verbunden mit der Wirkung des Diffusors bildet sich an diesem ein Auftrieb aus, welcher einen zusätzlichen Querschub erzeugt. Damit wird im wesentlichen der zusätzliche Widerstand aufgehoben, der bei dem auf der Abströmseite als Düse wirkenden Diffusor auftritt. Bei Umkehr der Querschubrichtung durch Umsteuerung der Propellerflügel erfolgt auch eine Umkehrung der Strömungsrichtung. Damit wirkt der vorher im Abstrom liegende Diffusor nicht mehr als Düse, sondern als Diffusor und der früher auf der Innenseite liegende Diffusor als Düse.

Mit der vorgeschlagenen Lösung wird der Vorteil erreicht, daß sich in den Flügelspitzenbereichen verringerte oder keine Kavitationswirkungen einstellen, die im wesentlichen Verursacher der Geräuschentwicklung sind.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Lösung an einem Ausführungsbeispiel näher verdeutlicht werden. Es zeigen:

Fig. 1: ^den Geschwindigkeitsplan der Laufradstufe gemäß Stand der Technik, Fig.2: den Geschwindigkeitsplan der Laufradstufe unter Verwendung einer Leitringanordnung, Fig. 3: die Seitenansicht eines Querstrahlruders mit Verstellpropeller und Leitringen, Fig.4: die Seitenansicht nach Fig.3 von rechts gesehen.

Die konstruktive Ausgestaltung der Querstrahlruderanlage mit Verstellpropeller 1 ist in Fig.3 dargestellt. Wie zu erkennen ist, sind beidseitig vor und hinter dem Verstellpropeller 1 Leitringe 2 angeordnet, die in bezug auf die jeweilige Zuströmseite als Diffusor ausgebildet sind.

In der vorgestellten Anordnung wird das vom Querstrahlrudermotor 3 erzeugte Moment über ein in der Gondel 4 angeordnetes Winkelgetriebe auf den Verstellpropeller 1 übertragen.

Die das Winkelgetriebe und den Verstellpropeller 1 enthaltende Gondel 4 ist dabei durch den Antriebsflansch 5, durch den die Antriebswelle zum Winkelgetriebe geführt wird und 2 zusätzliche Stützstreben 6 mit der Wand des Querkanals 8 verbunden.

Die Diffusoren sind im AusführungsBeispiel mittels Stützstreben 7 mit dem Querkanal 8 verbunden.

Bei dieser dargestellten Ausführung wird durch die oben bereits beschriebene Diffusorwirkung im Bereich der Radienverhältnisse kleiner als 0,8 die axiale Zuströmgeschwindigkeit cm verringert, im Flügelspitzenbereich oberhalb r/R = 0,8 vergrößert, wodurch, wie in Fig. 2 bereits dargestellt, sich der Anstellwinkel α verringert und damit hier die erwünschte Entlastung der Blattschnitte bewirkt.

In der Folge ergibt sich eine Verringerung der Kavitation sowie daraus ableitend eine Reduzierung der Geräusche. Neben der vorstehend beschriebenen Lösung ist es weiterhin möglich, in die Abstützung beidseitig Laufradflügel mit einzuordnen, die zur Erzeugung eines Gleichdralls für die jeweilige Zuströmrichtung innerhalb der Querstrahlruderanlage genutzt werden können.

Diese Maßnahme trägt zu einer weiteren Verbesserung des Geräuschverhaltens bei.

Die vorstehend nach Fig.3 beschriebene Querstrahlruderanlage wird zum besseren Verständnis der Anordnung der Leitringe in Fig.4 nochmals in einer Seitenansicht 4 dargestellt. Eine nochmalige Beschreibung der konstruktiven Elemente erübrigt sich auf Grund der Darstellung nach Fig.3.

Benutzte Symbole:

c_m ungestörte absolute Strömungsgeschwindigkeit

cu induzierter Drall

w₀,woo relative Strömungsgeschwindigkeit

α Anstellwinkel

β co hydrodynamischer Steigungswinkel

θ- Steigungswinkel

r/R Radienverhältnis von Blattschnitt-zu Laufradradius

r Blattschnittradius

R Laufradradius

Indices:

'Auf die Strömung mit Vorleitring bezogen.

Claims (5)

1. Leitringanordnung zwecks Minderung von Kavitationsgeräuschen bei Querstrahlruderanlagen mit Verstellpropellern, gekennzeichnet dadurch, daß beidseitig des Verstellpropellers (1) Leitringe (2) im Querkanal (8) angeordnet sind, deren Durchmesser jeweils an der dem Verstellpropeller (1) zugewendeten Seite größer ist als an der dem Verstellpropeller (1) abgewandten Seite.

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Erfindungsansprüche:

2. Leitringanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß auf jeder Seite im Bereich des Radienverhältnisses r/R = 0,6 bis 0,9 jeweils 1 Leitring (2) angeordnet ist.

3. Leitringanordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Leitringe (2) ein Verhältnis von Leitringlänge zum mittleren Leitringdurchmesser von 0,15 bis 0,75 aufweisen.

4. Leitringanordnung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Leitringquerschnitt ein Tragflügelprofil aufweist, insbesondere in der Art von Düsenprofilen, wobei die Saugseite des Profils auf der Innenwand des Diffusors liegt.

5. Leitringanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß Leitringe (2) und Stützstreben (6) unter Verbindung mit der Wand des Querkanals (8) als Schutzgitter des Querstrahlruders ausgebildet sind und dementsprechend aus peripherial angeordneten Leitringstreben und radial angeordnetem Leitring oder Stützring besteht.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen