DE10064527C2 - Propeller - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Propeller entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Er wird zur Erzeugung von axialer Schubkraft in flüssigem und/oder gasförmigem Medium eingesetzt.

Die Merkmale der Erfindung sind auch auf Schaufelräder und dergleichen Vorrichtungen zur Erzeugung von axialer Wirkung anwendbar.

Propeller und Propellerantriebe zur Erzeugung von axialer Schubkraft für den Einsatz in flüs­ sigem und/oder gasförmigem Medium sind in verschiedensten Ausführungen, sowohl in der Flügelzahl, im Profil als auch in der Steigung der Propellerflügel sowie in Dickenform, Wöl­ bung und unterschiedlichen Materialien bekannt.

Nach der OS-DE 29 34 348 A1 ist der Propeller derart konfiguriert, daß die Steigung eines oder mehrerer Flügel in verschiedenen, radialen Zylinderschnitten verschieden ist, wobei sie sich von der Blattspitze zum Zentrum des Propellers hin im wesentlichen linear verkleinert, und daß sich das Seitenprofil des Flügels, senkrecht auf die Drehachse gesehen, von der Flü­ gelspitze, ausgehend zur Wurzel hin, außer der Spitzenrundung wenigstens bis zur Hälfte des Flügels hyperbolisch verbreitert (Fig. 3).

Weiter ist bekannt, Flügelformen von Propellerausführungen durch mathematische Formeln zu beschreiben und darzustellen. Der Zweck dieser Darstellungen besteht darin, Dickenform und Wölbung sowie Steigung der Profile optimal zu gestalten, d. h. eine mögliche Erhöhung des Wirkungsgrades und die Verminderung der Kavitation sowie Erosion von Propelleran­ trieben zu gewährleisten (vergl. auch OS-DE 44 43 750 A1).

Alle bisher bekannten und vorgeschlagenen Propellertypen haben bei üblichen Belastungs­ graden und Ausführungen den Wirkungsgrad jedoch kaum auf einen höheren Wert als 0.7 verbessern können.

Die Aufgabe der im Patentanspruch angegebenen Erfindung besteht darin, einen Pro­ peller zu schaffen, dessen Druckseite mathematisch exakt erfaßbar ist und der durch Optimie­ rung seiner prinzipiellen Merkmale möglicherweise zu einem höheren Wirkungsgrad führt.

Diese Aufgabe wird durch einen Propeller mit den im Patentanspruch angegebenen Merkmal gelöst.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich möglicherweise aus der Verringerung der Erosion des Meeresbodens und der Verringerung von Turbulenzen, Vibrationen sowie Geräuschen. Des Weiteren hätte der möglicherweise höhere Wirkungsgrad zur Folge, daß für gleiche Schubkraft weniger Leistung und damit weniger Energieaufwand erforderlich ist, bzw. bei gleicher Leistung mehr Schubkraft entsteht.

Anhand von veranschaulichenden Bildern und einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein allgemeines Beispiel einer Funktionen- bzw. Figurenschar S gemäß dem Patent­ anspruch, deren die Druckseite DS eines Propellerblattes (ebenfalls gemäß Patentan­ spruch) Teil ist,

Fig. 2 die Druckseite DS eines Propellerblattes gemäß dem Ausführungsbeispiel mit Nabe und Ablaufkappe bei dreidimensionaler, perspektivischer Betrachtung, wobei (aus bildtechnischen Gründen) DS um 180° um die x-Achse rotieren gelassen wurde,

Fig. 3 Fig. 2 bei Betrachtung entlang der y-Achse (vom negativen in Richtung ihres posi­ tiven Bereiches),

Fig. 4 Fig. 2 bei Betrachtung entlang der x-Achse (vom positiven in Richtung ihres nega­ tiven Bereiches),

Fig. 5 Fig. 2 bei Betrachtung entlang der z-Achse (vom positiven in Richtung ihres nega­ tiven Bereiches).

Ausführungsbeispiel

Die Druckseite DS des hier zu beschreibenden Propellerblattes wird durch die Vereinigungs­ menge von sieben Flächenelementen F₁ . . . . F₇ gebildet:

DS:= F₁ ∪ F₂ ∪ F₃ ∪ F₄ ∪ F₅ ∪ F₆ ∪ F₇.

Dabei entstehen diese Flächen (F₁ . . . . F₇) als die Schnittmengen von sechs Körpern (K₁ . . . . K₆) mit jeweils einem der beiden Flächen SF₁ oder SF₂:

F₁ := K₁ ∩ SF₁
F₂ := K₂ ∩ SF₁
F₃ := K₃ ∩ SF₁
F₄ := K₃ ∩ SF₂
F₅ := K₄ ∩ SF₂
F₆ := K₅ ∩ SF₂
F₇ := K₆ ∩ SF₂

Die beiden Flächen SF₁ bzw. SF₂ und die sechs Körper (K₁ . . . . K₆) sind dabei wie folgt in ei­ nem karthesischen Koordinatensystem definiert:

SF1: z = 0.008y2 - (y/10)x2	x ∈ [0; 3] y ∈ [0; 2.5] z ∈ [-1.75; 2]
SF2: z = 0.08y2 - {5(y/2.5 - 9/10)2 + 19/20}0.25x2	x ∈ [0; 3] y ∈ [2.5; 5] z ∈ [-1.75; 2]
K1: x ≦ 0.4y + 2	x ∈ [0; 2.5] y ∈ [0; 1.25] z ∈ [-1.75; 2]
K2: x ≦ 0.25sin{π/2(y - 1.25)} + 2.5	x ∈ [0; 2.75] y ∈ [1.25; 2.25] z ∈ [-1.75; 2]
K3: x ≦ -(33/45)(y - 2.25)3 + 2.75	x ∈ [0; 2.75] y ∈ [2.25; 3] z ∈ [-1.75; 2]
K4: z ≧ -1.225y + 6.125	x ∈ [0; 2.45] y ∈ [3; 4] z ∈ [-1.75; 2]
K5: y ≦ 0.3375cos{(1.26984127)(π/2)(x - 0.4375)} + 4	x ∈ [0.4375; 1.225] y ∈ [4; 4.3375] z ∈ [-1.75; 2]
K6: y ≦ abs{sqrt[(0.11390625 - (0.11390625/0.19140625).(x - 0.4375)2]} + 4	x ∈ [0; 0.4375] y ∈ [4; 4.3375] z ∈ [-1.75; 2]

Die wie oben beschriebene Druckseite DS des Propellerblattes wird nun, um ein Blattvolumen zu bilden, um z. B. 0.15 Koordinateneinheiten in Richtung des positiven Bereiches der z- Achse (in 0,0,1-Richtung) verschoben, bzw. eine zweite Fläche DS' zusätzlich zu DS gebil­ det, die aus einer solchen Verschiebung hervorgeht. Das Propellerblatt wird nun von DS und DS' begrenzt und besitzt das sich zwischen diesen beiden Flächen befindende Volumen. Die durch diese zylindrische Volumenbildung entstandenen Kanten des Propellerblattes wer­ den dann durch geeignete Funktionen gerundet.

Schließlich werden noch eine Nabe N und eine Ablaufkappe AK, die wie folgt definiert sind, in das karthesische Koordinatensystem eingefügt, so daß diese damit einen Teil des Propeller­ blattes "schlucken" (siehe Fig. 2 bis 5):

N: 0.0256x² + y² + z² ≦ 0.64   x ∈[0; 2.5],

AK: (64/225)x² + y² + z² ≦ 0.64   x ∈[-1.5; 0].

In der Praxis werden die beschriebenen Körper am Computer berechnet und mittels 5-Achs- Frästechnik etc. aus einem geeigneten Material eine entsprechende Gußform bzw. die Körper direkt hergestellt. Der Propellerradius sollte so groß gewählt sein, daß das maximale Dreh­ moment des Antriebsmotors bei entsprechender, theoretischer Propellergeschwindigkeit voll genutzt wird. Hierfür gibt es natürlich noch keine Näherungsformeln.

Die für eine mögliche Anwendung in der Schiffstechnik beschriebene Propellerform weist noch erhebliche Mängel auf und dient hauptsächlich der Veranschaulichung der in den Pa­ tentansprüchen aufgeführten Merkmale. Das wird am stärksten an der hier gewählten Blatt­ wölbung (Dickenform) bzw. Volumenbildung deutlich, da hierzu lediglich die "Verschie­ bung" einer Fläche diente und keine NACA-ähnliche Form etc. gewählt wurde.

Jedoch läßt sich spekulieren, daß das Rückstoßprinzip gemäß dem Impulserhaltungssatz bei Optimierung eines Propellers, wie er im Ausführungsbeispiel dargestellt ist, mit größerer Effi­ zienz genutzt wird.

Betrachtet man nämlich die radialen Zylinderquerschnitte eines genannten Propellers bezüg­ lich der Drehachse, so läßt sich feststellen, daß die dadurch auftretenden Steigungen nicht nur unkonstant zueinander sowie innerhalb eines radialen Steigungsprofils sind, sondern, daß sie pro Blatt (pro Steigungsprofil) von einem bestimmten Wert an, in Drehrichtung für "Vor­ wärtsfahrt", näherungsweise parabelförmig (aber in Richtung des Scheitelpunktes einer para­ belähnlichen Figur) gegen unendlich gehen. Das bedeutet, daß der durch die Rotationsbewe­ gung des Propellers erzeugte Wasserschwall bzw. die Wassersäule der Fortbewegungsrich­ tung praktisch genau entgegengesetzt gerichtet sein könnte bzw. die imaginären, gerichteten Geschwindigkeitsvektoren der einzelnen Wasserteilchen nach Passieren des Propellers.

Claims (1)

1. Propeller zur Erzeugung von axialer Wirkung, insbesondere von Schubkraft in flüssigem und/oder gasförmigem Medium, welcher aus einem oder mehreren, näherungsweise radial herausragenden und durch genanntes Medium voneinander getrennten Blättern mit gleicher, und eventuell zudem variabler Drehachse besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite DS eines jeden solchen Blattes im wesentlichen aus einer Figur F be­ steht, die Teil einer von zwei imaginären, senkrecht aufeinander stehenden Ebenen E₁ und E₂ begrenzten und berührten Funktionen- bzw. Figurenschar S ist (siehe Fig. 1),
   wobei S zumindest innerhalb eines bestimmten Raumbereiches aus einer Schar von parabelähnlichen oder -identischen, zueinander und zu E₁ parallelen, räumlich in die sel­ be Richtung geöffneten und durch deren Symmetrieachsen jeweils halbierten Figuren P₁ besteht, deren Scheitelpunkte alle auf E₂ liegen und eine Figur P₂ bilden, die parabelähn­ lich oder -identisch, P₁ räumlich entgegengesetzt geöffnet, durch ihre Symmetrieachse halbiert und ihren Scheitelpunkt auf der Schnittgeraden G von E₁ und E₂ besitzend ist,
   wobei die Steigungsparameter von P₁ entweder beliebig aber fest gewählt sind oder in­ nerhalb der zu E₁ parallelliegenden und S schneidenden Ebenen, in Richtung E₁ von einer beliebig gewählten, solchen Ebene an, linear oder nicht-linear vom Betrag her abnehmen,
   wobei F als Teil von S so gewählt ist, daß sie G in einem Punkt und E₁ sowie E₂ jeweils in unendlich vielen Punkten, die jeweils eine Linie bestimmter Länge ergeben, berührt, und sich das Profil von F, bei Betrachtung entlang von G, in Richtung E₁ linear oder nicht-linear verbreitert oder nur zunächst linear oder nicht-linear verbreitert und dann wieder linear oder nicht-linear verjüngt oder konstant bleibt,
   wobei die Nabe bzw. die Befestigungsvorrichtung des Propellers einen Teil von DS "schlucken" kann, die Fläche von DS demnach um einige Prozent verringert wird,
   wobei P₁ und P₂ insbesondere jeweils aus einem der beiden durch ihre Symmetrieachse voneinander getrennten Figurenteile einer Cosinus-Funktion:
   F(x) = a.cos(x) mit x ∈[- π/2; + π/2],
   oder aus einem der vier durch ihre beiden Symmetrieachsen voneinander getrenn­ ten Figurenteile einer Ellipsenfunktion, oder aus einem der beiden durch ihre Symmetrie­ achse voneinander getrennten Figurenteile einer Parabel bestehen,
   wobei S insbesondere aus einem der vier Flächenteile einer durch ihre beiden Sym­ metrieebenen geviertelten Figur eines hyperbolischen Paraboloids HP mit der Formel:
   x²/α² - y²/β² + z = 0
   oder aus einer diesem ähnlichen Figur SF mit der Formel:
   (|sin((0.5πy)/w)|.x²)/α² - y²/β² + z = 0   für |y| ≦ |w| bzw.
   x²/α² - y²/β² + z = 0   für |y| < |w| mit w ≠ 0,
   besteht,
   wobei die Drehachse D von DS so gewählt ist, daß deren radiale Steigungen, die durch die Schnitte mit den Mantelflächen von verschiedenen, D als Rotations- bzw. Symmetrie­ achse besitzenden, DS schneidenden und unendlich langen Zylindern entstehen, bezüg­ lich D vom Vorzeichen her entweder alle positiv oder negativ sind,
   wobei D insbesondere der x-Achse entspricht, wenn S aus einem der vier bereits ge­ nannten Flächenteile von HP oder SF besteht (Fig. 2, 3, 4 und 5).