DD245850A1 - Zustromduese fuer propeller von einschraubenschiffen mit ringfoermiger tragflaeche - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine vor dem Propeller angeordnete, die Propellerwelle frei umfassende Zustromduese, die der Erhoehung des Propulsionsguetegrades hD und bzw. oder der Verminderung der vibrationserregenden Eigenschaften des Propellers von Einschraubenschiffen dient. Das Ziel der Erfindung ist die weitere Verbesserung dieser Wirkungen, indem der Bereich der Nachstromspitzen, bezogen auf den Propellerkreis, weitestgehend erfasst werden soll. Das Wesen der Erfindung sieht dazu die Anordnung einer Zustromduese als ringfoermiger Tragfluegel vor, dessen umschlossene Querschnittsflaeche nach der Art einer Ellipse ausgebildet ist, wobei die Groesse deren auf das Schiff bezogenen senkrechten Hauptachse kleiner als der Propellerdurchmesser, jedoch groesser als ihre waagerechte Achse ist. Mit dieser Zustromduese wird der Propulsionsguetegrad hD um 1 bis 4% gegenueber dem bisher bekannten Stand der Technik verbessert und insbesondere unterhalb der Propellerachse liegende Nachstromspitze gezielt abgebaut mit dem Effekt der Minderung propellererregender Vibrationen. Die vorgeschlagene Loesung ist im Wasserfahrzeugbau, insbesondere im Schiffbau, einsetzbar.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Zustromdüse für Propeller von Einschraubenschiffen mit ringförmiger Tragfläche, die kortdüsenartig ausgebildet und fest mit dem Schiffsheck verbunden und bis zu einem Propellerdurchmesser vor dem Propeller angeordnet ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß ein der propellerinduzierten Strömung ausgesetzter Düsenring, insbesondere in der Form einer Kortdüse, wie in der Patentschrift DR 617775 Vorgeschlagen, einen zusätzlichen propulsionsverbessernden Schub erzeugt. Das gilt bei ummantelten Propellern entsprechend der genannten Patentschrift nur für hochbelastete Propeller, wie sie bei schleppenden Schiffen vorliegen. Nachteil dieser Erfindung ist die praktische Beschränkung des Anwendungsbereiches auf hochbelastete Propeller.

Weiterhin wurde in der Patentschrift FR 894007 vorgeschlagen, einen düsenartig wirkenden, konzentrisch angeordneten Kegelmantel vor dem Propeller anzuordnen, dessen kleinster Innendurchmesser kleiner als der Propellerdurchmesse'r D ist. Nachteil dieser Erfindung ist es, daß der Kegelmantel nicht die Vorteile der Diffusorwirkung der Kortdüse ausnutzt und auch auf wirksame Bereiche hohen Nachstroms verzichtet, die besonders senkrecht über und unter der Propellerachse auftreten. In der Patentschrift DE 802218 wurde u.a. vorgeschlagen, vordem Propellersich gegenseitig überlappende Leitdüsen anzuordnen. Nachteil dieser Erfindung ist neben der Erfassung von Bereichen mit viel zu gering verzögerter Strömung, die geringe, also unwirksame Schubbelastungsgrade G_n, zur Folge haben, die große Oberfläche der vielen Leitdüsen mit einem hohen Eigenwiderstand, so daß positive Effekte der Leitdüse wieder abgebaut werden.

In der Patentschrift DE 2636261 C2 wird vorgeschlagen, am Heck des Schiffes, jedoch im Abstand zum Propeller, einen kortdüsenartigen Leitring anzuordnen, dessen Durchmesser größer als der Propellerdurchmesser D ist, dem gegebenenfalls weiter davorliegende Leitringschalen auch kleineren Durchmessers zugeordnet werden. In einer besonderen Ausführungsform zu dieser Erfindung wird.ein Leitring mit querliegender Ellipse dargestellt, der speziell bei relativ spitzen Rumpfböden die erfindungsgemäßen Vorteile erbringen soll. Bei dieser besonderen Anpassung an die Schiffskörperform geht jedoch die Wirksamkeit des Leitringes zurück und eine Verbesserung eines Wirkungseffektes, bezogen auf die Erfassung des Nachstromes des Schiffes wird nicht bewirkt. Ein weiterer Nachteil dieser Erfindung ist die Beschränkung des positiven Effektes auf sehr völlige Schiffe mit sehr stark ausgeprägtem Nachstrom über den gesamten Propellerkreis hinweg mit dementsprechend hinreichend hoher Propellerbelastung. Bei normalem Einschraubenfrachtschiff ist diese Anordnung wirkungslos, da hoher Nachstrom hier im wesentlichen nur im Bereich der senkrechten Ebene zur Propellerachse, also in der verlängerten Mittschiffslängsebene vorliegt und somit der Propeller bei für die Erzeugung eines Düsenschubes viel zu geringer Belastung arbeitet.

Die Vorschrift, den Leitring mit Abstand zum Propeller anzuordnen, erweist sich als weiterer Nachteil, da hier die düsenschuberzeugende Wirkung des Propellers als potentialtheoretische Strömungssenke, die mit steigendem Abstand vom Propeller sinkt, nicht beachtet wurde.

In den Patentschriften GB 2073689 A und GB 2063690 A werden hierzu Variationen in der Gestaltung der Düsenprofile dargelegt, sowie der Abstand zum Propeller hin festgelegt, für die jedoch bis auf den Abstand zum Propeller hin die gleichen Nachteile wie genannt zutreffen.

Einen Fortschritt für normale Einschraubenschiffe, deren Nachstromspitzen im Bereich der Mittschiffslängsebene, insbesondere oberhalb der Propellerachse, liegen, stellt die in der Patentschrift DE 3216578C1 vorgestellte Erfindung dar. Die Aufgabenstellung der Verbesserung eines vor einem Propeller angeordneten Tragflächenringes hinsichtlich der Verbesserung des Propulsionsgütegrades η₀ und der Vergleichmäßigung der Strömung zwecks Vibrationsminderung wurde durch die Anordnung eines aus zwei Halbschalen bestehenden kortdüsenartigen Ringes vor dem Propeller geschaffen, dessen Innendurchmesser kleiner als der halbe Propellerdurchmesser ist und der oberhalb der Propellerachse am Heck angeordnet ist, so daß der o.g. Nachstromspitzenbereich der oberen Propellerkreisfläche möglichst gut erfaßt wird. Obwohl bei der Anwendung dieser Erfindung in der Praxis sehenswerte Effekte erzielt wurden, zeigen sich in der ausschließlichen Anordnung des kortdüsenartigen Ringes bzw. der entsprechenden Halbschalen oberhalb der Propellerachse sowie in der Beschränkung der Kontur des kortdüsenartigen Ringes bzw. der Halbschalen auf Kreisbögen noch Nachteile durch den Verzicht auf die Erfassung weiterer vorhandener stark verzögerter Strömung im Wirkungsbereich der Propellerkreisfläche. Jegliche Wirkung des kortdüsenartigen Ringes in seiner Eigenschaft als Tragflächenring beruht auf der Ausbildung einer Zirkulation um diesen herum, für deren Auftreten eine möglichst große propellerinduzierte Anströmung erforderlich ist. Je höher die Propellerbelastung, um so größer die Zirkulation und daraus folgend der Düsenschub. Weiter gilt, daß, je höher der Nachstrom, um so größer die Propellerbelastung und damit der erwünschte Effekt.

Mit der vorgeschlagenen Anordnung wird, wie oben ausgeführt, im allgemeinen nur einen Teil des Gebietes hohen Nachstromes erfaßt, wie auch in Fig. 1 an den Isotachen eines Nachstromfeldes für eine Schiffsform der Serie 60/2/ mitC_B = 0,6 schematisch dargestellt. Darin sind das Heck mit den zu einem Tragflächenring zusammengefaßten Tragflächenhalbschalen gezeigt. Der davon nicht erfaßte potentielle Nachstrombereich unterhalb des Tragflächenringes ist schraffiert dargestellt, dieangegebenen Zahlen sind die den Isotachen zugeordneten Nachstromziffem ω, die stärkere Schraffur weist auf höheren Nachstrom hin. Der nicht erfaßte Bereich wird zur Erzeugung von Düsenschub nicht genutzt und führt nach wie vor zu Vibrationen. Noch ungünstigerzeigen sich die Verhältnisse bei Nachstromfeldern, die sich hinsichtlich des Schiffsgütegrades % als besonders günstig erwiesen haben. Ein solches Nachstromfeld, bezogen auf eine Schiffsform mit Cb = 0,7 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt unter Verwendung der in Fig. 1 benutzten Symbolik. Der 3ereich hohen Nachstromes, der von dem Tragflächenring nicht erfaßt wird, ist hier besonders groß. Die hier realisierbare Verbesserung des Propulsionsgütegrades wird bei weitem nicht genutzt und die untere Nachstromspitze hinsichtlich ihrer Wirkung als Ursache von Vibrationen nicht abgebaut.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, zur Erhöhung des Propulsionsgütegrades r|_D und bzw. oder zur Verbesserung der Vibrationseigenschaften des Propellers die Wirkung eines vor dem Propeller von Einschraubenschiffen im Nachstrom des Schiffes angeordneten Tragflächenringes zu erhöhen. Das gilt insbesondere für Einschraubenschiffe, die ein hinsichtlich des Schiffsgütegrades γ|η günstiges Nachstromfeld aufweisen, wie es in Fig. 2 schematisch dargestellt ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vor dem Propeller in dessen induzierter Zuströmung angeordnete Zustromdüse, insbesondere in der Form eines Tragflächenringes mit kortdüsenartigem Profil so zu gestalten und anzuordnen, daß der Nachstrom des Schiffes, bezogen auf den Wirkungsbereich der Propellerkreisfläche, insbesondere ober- und unterhalb der Propellerachse, größtmöglichst erfaßt und propulsionsgütegradverbessernd bzw. und/oder vibrationsmindern wirksam

Die Mängel des technischen Standes, die einmal in der Einschränkung einer effektiven Anwendung der vor dem Propeller angeordneten Düsenringe bzw. Tragflächenringe auf sehr völlige Schiffe liegen bzw. in der unzureichenden Ausnutzung von im Bereich der Mittschiffsebene ausgeprägten Nachstromspitzen, werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß eine Zustromdüse, die in bekannter Weise die Propellerwelle umfaßt und fest am Heck des Schiffes bis zu einem Propellerdurchmesser vor dem Propeller angeordnet ist, eine solche Querschnittsfläche umschließt, die die Form einer Ellipse einnimmt, wobei die Größe deren auf das Schiff bezogenen senkrechten Hauptachse kleiner als der Propellerdurchmesser, jedoch größer als ihre waagerechte Achse ist. Der Mittelpunkt der von der Zustromdüse umfaßten Querschnittsfläche ist im Bereich des Schwerpunktes des Nachstromfeldes der Propellerkreisfläche angeordnet, wobei dieser Bereich, bezogen auf die Schwerpunktachse im Maximum einen Radius von 0,25D des Propellerdurchmessers D umfaßt.

Obwohl eine Anordnung des Mittelpunktes der Zuströmdüse auf der Schwerpunktachse den größtmöglichsten Gewinn bezüglich des Propulsionsgütegrades erwarten läßt, ist es für bestimmte Schiffstypen angeraten, diesen Mittelpunkt in der genannten Weise außerhalb der Schwerpunktachse des Nachstromes anzuordnen, da damit die Möglichkeit gegeben ist, Bereiche geringeren Nachstromes in der Mittschiffsebene zur Verminderung der Vibration mit zu erfassen und somit die Bauteilbelastung, wie auch die Lebensbedingungen an Bord zu verbessern.

Durch die vorgeschlagene Ausführung der Zustromdüse und ihre Anordnung wird bewirkt, wie in Fig.3 und 4 analog zu den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, daß die Bereiche hohen Nachstromes, einschließlich unterhalb der Propellerwelle weitgehend erfaßt werden.

Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, daß die entscheidende Wirkung der Zustromdüse bzw. entsprechender am Heck angebrachter Halbschalen auf die in Folge der propellerinduzierten Zuströmung sich ausbildenden Zirkulation beruht.

Bekanntlich ist nach Dickmann-Weissinger/ 1 /die Lage des Propellers zu einem Kortdüsenring von untergeordneter Bedeutung.

Bei der nahe vor dem Propeller auszuführenden Anordnung der Zustromdüse gilt diese Aussage fast vollständig unter Vernachlässigung des Spalteinflusses bezogen auf den Propeller. Dementsprechend beruht die Wirkung der erfindungsgemäßen senkrecht angeordneten elliptischen Zustromdüse auf der Anordnung vor den Gebieten hohen Nachstromes des Propellerkreises.

Während ein echter kreisförmiger Tragflächenring entsprechend einer nach vor verschobenen Kortdüse mit d₂ größer D mit der sehr niedrigen Propellerbelastung C_Th = 1,2 eines normalen Frachtschiffes mit C_B = 0,6 bis 0,8 keinen zusätzlichen Schub

erzeugt, steigt diese Belastung mit der Verminderung der örtlichen Geschwindigkeit in Folge des hohen Nachstromes quadratisch in dem von der elliptischen Zustromdüse im Sinne einer Kortdüse erfaßten kleineren Bereich auf C_Th = 2,0 bis 5,0 je nach Nachstromfeld.

Beträgt für eine Anordnung gemäß Fig. 1 entsprechend dem technischen Stand die Erhöhung des Propulsionsgütegrades beispielhaft 6%, so wird diese bei einer erfindungsgemäßen Ausführung und Anordnung der Zustromdüse gemäß Fig.3 und 4 eine Erhöhung bereits auf 7 und mehr Prozent betragen. Die erfindungsgemäße Anordnung in einem Nachstromfeld gemäß Fig.4, also für ein hinsichtlich η_Η günstiges Nachstromfeld bringt eine Steigerung des Propulsionsgütegrades auf 9%. Die Zielstellung der Erfindung ist aber auch hinsichtlich der Eigenschaften des Propellers als Vibrationserreger durch die erfindungsgemäß erwirkte Vergleichmäßigung des Nachstromfeldes auch im Bereich unterhalb der Propellerachse erreicht in Folge der innerhalb der Zustromdüse erzielten Erhöhung der Propelleranströmgeschwindigkeit.

Es ist zweckmäßig, die Zustromdüse unter Berücksichtigung folgender, teilweise bekannter Gesichtspunkte am Heck des Schiffes anzuordnen:

— Die Längsachse der Zustromdüse ist nach der leicht ansteigenden Umströmung des Hecks auszurichten, also gering nach hinten ansteigend.

— Der Querschnitt der Zustromdüse ist wie bei einem Kortdüsenring zu profilieren, also entsprechend einer Profilanordnung, die Eintrittsdüse und Austrittsdiffusor aufweist.

— Die Hinterkante der Zustromdüse soll nicht dichter zum Propeller als auf der Propellerdurchschlagkurve liegen.

— Die Vorderkante der Zustromdüse soll nicht weiter als einen Propellerdurchmesser vor dem Propeller liegen.

— Die Innenkontur der Zustromdüse besteht aus Kurven der Kegelschnitte, aus Geraden als Polygon oder aus einer Kombination von Kurven der Kegelschnitte und Geraden.

Das erfindungsgemäße Merkmal, nach dem die senkrechte Hauptachse kleiner als der Propellerdurchmesser D ist, ergibt sich aus der Tatsache, daß die Schubbelastung oberhalb eines Propellerradius entsprechend 0,8R rasch abfällt und hier die örtliche Schubbelastung geringer wird. Unter Berücksichtigung dieser Bedingung ist die senkrechte Hauptachse der Zustromdüse entsprechend dem gegebenen aktuellen Nachstromfeld 0,4 bis 0,8fach des Propellerdurchmessers D auszuführen. Durch diese konstruktive Eingrenzung und Ausschaltung der Propellerrandzone aus dem Wirkungsbereich der Zustromdüse wird eine wirksame Verbesserung des Propulsionsgütegrades r\o erzielt.

Das Verhältnis der Hauptachse der erfindungsgemäßen Zustromdüse wird anhand des aktuellen Nachstromfeldes in dem Bereich 0,5 bis 0,9 gewählt, um die jeweils günstigste Wirkung zu erzielen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, daß die ellipsenförmige Kontur der Zustromdüse unsymmetrisch oder halbseitig ausgeführt wird, da damit eine optimale Anpassung an das aktuelle Nachstromfeld möglich wird, wie z. B. bei unsymmetrischen Heckformen.

Bei bestimmten Heckformen ist es auch erforderlich, die Zustromdüse, wie bekannt, in Halbschalen auszuführen oder auch von einem vollen Ring in Halbschalen übergehen zu lassen.·

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Es zeigen

Fig. 5: Die Anordnung der Zustromdüse mit ellipsenförmiger Innenkontur am Heckeines Einschraubenschiffes in der

Seitenansicht Fig. 6: Die Anordnung der Zustromdüse mit ellipsenförmiger Innenkontur am Heckeines Einschraubenschiffes von hinten

gesehen Fig.7: Die Anordnung der Zustromdüse an einem unsymmetrischen Heck

Die Wirkungsweise der Anordnung der Zustromdüse wird anhand des Beispiels nach Fig. 5 und 6 erläutert.

Die ingenieurmäßig am Heck 2 des Schiffes angebrachte Zustromdüse 4 ist dicht zum Propeller 3 hin angeordnet.

Dadurch wird die propellerinduzierte Strömung besonders wirksam. Die Kontur der Zustromdüse 4 ist ellipsenförmig gestaltet, wobei die senkrechte Hauptachse D_z größer als die waagerechte Achse d_z ist. Im vorliegenden Beispiel ist sie aus zwei Kreisringen zusammengesetzt, die mittels Geraden verbunden sind, wie das in Fig. 6 dargestellt wird. Durch diese besondere Formgebung der Zustromdüse wird nicht nur die oberhalb der Propellerachse liegende Nachstromspitze erfaßt, sondern auch die untere Nachstromspitze. Infolge des Nachstromes steigt der Schubbelastungsgrad in dem auf die Zustromdüse wirkenden Bereich auf solche Werte, die einen zusätzlichen Schub erzeugen, wie von Kortdüsen bekannt/ 1 / ist.

Innerhalb der Zustromdüse 4 erhält die Strömung eine zusätzliche Geschwindigkeit, wodurch eine Vergleichmäßigung der Propelleranströmung auch im unteren Propellerbereich erzielt und gleichzeitig die Vibrationserregung herabgesetzt wird. Die Längsachse der Zustromdüse 4 ist leicht nach vorn geneigt, um sich der ansteigenden Umströmung des Schiffskörpers · anzupassen. Der Durchmesser der senkrechten Achse der Zustromdüse 4Ist kleiner als der Propellerdurchmesser D ausgeführt, um Bereiche geringerer Propellerbelastung hinsichtlich der Wirkung auf den Schubbelastungsgrad auszuschalten.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig.7 ist die Zustromdüse 4 unter Anpassung an ein unsymmetrisches Heck dargestellt. Die Kontur der Zustromdüse 4 ist dabei aus Kurven der Kegelschnitte gebildet und gegenüber der senkrechten, parallel zur Mittschiffsebene liegenden größeren Hauptachse D₂ und der waagerechten Achse d₂ unsymmetrisch ausgeführt.

Damit wird erreicht, daß vom entsprechend der Asymmetrie des Hecks des Schiffes verschobene Nachstromfeld möglichst viel der stärker verzögerten Zuströmung erfaßt wird.

Claims (10)

1. Erfindungsanspruch:

   ' 1. Zustromdüse für Propeller von Einschraubenschiffen, die mit dem Heck des Schiffes fest verbunden und bis zu einem Propellerdurchmesser vor dem Propeller angeordnet ist und gleichzeitig die Propellerwelle frei umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Zustromdüse umschlossene Querschnittsfläche nach Art einer Ellipse ausgebildetist, wobei die Größe deren auf das Schiff bezogenen senkrechten Hauptachse (Dz) kleiner als der Propellerdurchmesser (D), jedoch größer als ihre waagerechte Querachse (d_z) ist.
2. 2. Zustromdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der von der Zustromdüse (4) umschlossenen Querschnittsfläche im Bereich des Schwerpunktes des Nachstromfeldes (Sn) der Propellerkreisfläche angeordnet ist.
3. 3. Zustromdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die senkrechte Hauptachse (D₂) das 0,4 bisO,8fache des Propellerdurchmesser (D) beträgt und die waagerechte Achse (d_z) das 0,5 bis 0,9fache der senkrechten Hauptachse (D_z) beträgt. " . ·
4. 4. Zustromdüse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt der Querschnittsfläche der Zustromdüse in einem Bereich bis 0,25 D des Propellerdurchmessers (D) gegenüber dem Schwerpunkt des Nachstromfeldes der Propellerkreisfläche angeordnet ist.
5. 5. Zustromdüse nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß deren Innenkontur aus den Kurvenzügen der Kegelschnitte, aus Geraden als Polygon oder aus einer Kombination von Kurvenzügen aus Kegelschnitten und Geraden besteht.
6. 6. Zustromdüse nach Pkt. 1, 3 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß deren Hinterkante nicht dichter zum Propeller als auf der Propellerdurchschlagskurve liegt und mit der Vorderkante nicht weiter als einen Propellerdurchmesser D vor der Propellerdurchschlagskurve.
7. 7. Zustromdüse nach Anspruch 1,3 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß deren Querschnitt in bekannter Weise kortdüsenartig profiliert ist und eine Eintrittsdüse aufweist.
8. 8. Zustromdüse nach Anspruch 1, 3 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß deren Längsachse leicht nach hinten ansteigt.
9. 9. Zustromdüse nach Anspruch 1,3 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß deren Innenkontur, bezogen auf die jeweilige Hauptachse (D₂, d_z) unsymmetrisch oder nur halbseitig ausgeführt ist.
10. 10." Zustromdüse nach Anspruch 1, 3, 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß die vom Heck geteilte ringförmige Tragfläche der Zustromdüse (4) aus zwei Halbschalen besteht bzw. von einem vollen Ring in zwei Halbschalenbereiche übergeht.

    Hierzu 5 Seiten Zeichnungen