Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Entgegenwirkung von im Naben
bereich von Propellern und/oder Propellerantrieben im umgebenden Fluid erzeugten
Strömungswirbeln. Dabei handelt es sich um ein rotationssysmmetrisches Über
gangsteil (Hub Vortex Vane) zwischen einem Propeller und dem in Strahlrichtung
angrenzenden Fluid (inkompressibles Medium) auf derselben Rotationsachse wie der
Propeller. In Abhängigkeit von der jeweiligen Ausführung des Propellerantriebes
(Wellenanlage, Motorgondel, Getriebegondel) und möglicher weiterer Anhänge (z. B.
Ruder oder Leiteinrichtungen) kann die Vorrichtung mitdrehend mit dem Propeller
oder feststehend ausgeführt werden. Anwendungsbereiche sind vorrangig im Schiff-
und Flugzeugbau möglich.
Propeller von Schiffs- und Luftschrauben bilden an den nabenseitigen Enden ebenso
wie an den äußeren Rändern der Propellerblätter energiereiche Randwirbel aus. Im
Unterschied zu den äußeren Randwirbeln der einzelnen Propellerblätter vereinigen
sich die inneren Randwirbel aller Propellerblätter zu einem Nabenwirbel im umge
benden Fluid in Strahlrichtung hinter dem Propeller, wobei der geometrische Ort des
Nabenwirbels wohldefiniert mit der Drehachse des Propellers zusammenfällt. Dabei
ist es für die Ausbildung des Nabenwirbels unerheblich, ob sich hinter dem eigentli
chen Propeller noch ein Strömungskörper befindet oder nicht. Hochbelastete Pro
peller mit verhältnismäßig großen Nabendurchmessern bilden meist stärkere Na
benwirbel aus als schwach belastete Propeller mit verhältnismäßig kleinen Naben
durchmessern. In den Patentschriften US 4 212 586 [2], 1978, EP 255 136 [3], 1987,
EP 758 606, 1996 [4] werden verschiedene Varianten zur Reduktion des Nabenwir
belanteils vorgestellt. In der Druckschrift [1]: "An investigation into effective boss cap
designs to eliminate propeller hub vortex cavitation" von Atlar, M.; Patience, G.
(Osterveld, M. W. C.; Tan, S. G. editors: Practical Design of Ships and Mobile
Units, 1998 Elsevier Science B. V.)
wird eine ausführliche Übersicht über den Stand der Technik gegeben. In [2] wird
eine Variante der Reduktion des Nabenwirbels untersucht, bei die Abgase eines
Verbrennungsmotors durch die Nabe geleitet werden, und so versucht wird, das sich
durch den Nabenwirbel ausbildende Unterdruckgebiet zu eleminieren. In [3] werden
in Interaktion mit jedem einzelnen Propellerblatt auf dem Nabenablauf zusätzliche
Flügel angebracht, die einen nabenwirbelreduzierenden Effekt haben sollen.
Für die Geräuschminderung an Marineschiffen, insbesondere bei U-Booten, wurde
bisher beim Propellerentwurf versucht durch besondere Steigungs- und Wölbungs
verteilungen der Propeller der Bildung dieser Randwirbel entgegenzuwirken. Dies
konnte aber nur mit deutlichen Wirkungsgradverlusten erreicht werden.
Während bei den auf [2] basierenden relativ häufig im Sportbootsektor angewandten
Methoden zur Reduktion der nachteiligen Einflüsse des Nabenwirbels lediglich die
Druckverhältnisse im Umgebungsbereich der Propellernabe beeinflußt wurden, kann
mit dieser Ausführungsform weder die eigentliche Wirbelstärke des Nabenwirbels
noch eine Drehmomentreduktion erfolgen. Ein weiterer entscheidender Nachteil ist
die starke zusätzliche Geräuschemission im Bereich des Propellers und das Auf
rechterhalten der Nabenwirbelkavitation. Außerdem ist die Umweltverträglichkeit in
Frage gestellt.
Bei den Nabenkappenflossen gemäß [3] befinden sich auf der Nabenablaufkappe
des Propellers genau so viele Zusatzflügel wie der Propeller Blätter hat und stehen in
direkter Wechselwirkung mit diesen. Sie sind (im Wesentlichen) außerhalb des spä
ter betrachteten Grenzradiusses angebracht (vgl. Fig. 1 bis Fig. 3 in [3]) und können
ihre optimale Wirkung nur für einen relativ kleinen Fortschrittsgradbereich (Bela
stungsbereich) entfalten, da sich in Abhängigkeit vom Fortschrittsgrad die Positionen
der inneren Randwirbel der einzelnen Propeller verändern. Trotz ihres wirbelreduzie
renden Effektes können insbesondere bei höheren Belastungen noch parasitäre Ka
vitationserscheinungen mit ihrem nachteiligen Effekt auf die Geräuschabstrahlung
auftreten.
In [4] sind die Leitflossen zur Reduktion des Nabenwirbels bereits innerhalb des
später erklärten Grenzradiusses nach Konzentration der Randwirbel zu einem ein
heitlichen Nabenwirbel angebracht und ergeben in ihrer meist größeren Anzahl als
die Propellerflügelzahl einen wirkungsgradsteigernden Effekt, können aber noch
nicht vollständig die parasitären Kavitationserscheinungen mit ihrem nachteiligen Ef
fekt auf die Geräuschabstrahlung unterdrücken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für eine deutliche Reduzie
rung der Energieverluste durch die Ausbildung des Nabenwirbels, für eine Geräu
schminderung durch fluktuierende Erscheinungen im Bereich des Nabenwirbels im
Propellerabstrom und insbesondere für die Geräuschminderung der durch den Na
benwirbel verursachten Kavitationserscheinungen (Nabenwirbelkavitation) zu entwic
keln.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Ansprüchen 2 und
3 enthalten.
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Entgegenwirkung von im Nabenbe
reich von Propellern und/oder Propellerantrieben im umgebenden Fluid erzeugten
Strömungswirbeln, die mindestens eine Schaufel aufweist, wobei die Wölbung der
Schaufel der Wölbung des Propellers entgegengerichtet ist.
Die Schaufel verläuft erfindungsgemäß von einem konusförmigen Übergangsteil über
ein zylindrisches Nabenteil zum wieder konusförmigen divergierendem Abschlußteil,
wobei der äußere Abschluss der Schaufel durch einen zylinderförmigen Mantel von
10 bis 50% der Länge der Schaufelfläche erfolgt.
Nach einem bevorzugten Merkmal sind mehrere Schaufeln in meridionaler Anord
nung regelmäßig auf den Umfang der Vorrichtung verteilt.
Nach einem besonders bevorzugten Merkmal beginnen die Schaufeln in ihrer radia
len Erstreckung in der Rotationsachse des Propellers und überschreiten einen
Grenzradius (RG) nicht, innerhalb welchem die Tangentialkomponente (VT) der Ge
schwindigkeit (VW) der Wirbelströmung größer ist als die durch die Propellerdrehung
verursachte Umfangsgeschwindigkeit (VU).
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch entsprechende Ausgestal
tung bzw. Formgebung der Vorrichtung, der Bildung von Wirbeln durch den Propeller
in der Nabenumgebung entgegengewirkt werden kann, indem die Druckverhältnisse
in dieser Umgebung durch die Ausgestaltung der Vorrichtung gezielt verändert wer
den.
Da der geometrische Ort des Nabenwirbels (innerer Randwirbel) im Gegensatz zum
Spitzenwirbel (äußerer Randwirbel) wohlbekannt (Drehachse des Propellers) und
unabhängig von der Propellerdrehzahl und Schiffsgeschwindigkeit ist, kann durch
sekundäre Maßnahmen nur der Ausbildung des Nabenwirbels entgegengewirkt wer
den.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung kann zumindest im Na
benbereich aus den Wirbeln Energie zurückgewonnen und die Kavitationsausbildung
weitestgehend verzögert werden, womit der Wirkungsgrad eines Schiffsantriebes
nennenswert verbessert werden und die Ortungsreichweite eines Marineschiffes er
heblich reduziert werden kann.
Die Vorteile der Erfindung beruhen auf der erfindungsgemäß erstmals realisierten
Kombination von einer deutlichen wirkungsgradsteigernden Wirkung und einer wei
testgehenden Vermeidung jeglicher Kavitationserscheinungen (mit ihrem nachteili
gen Effekt auf die Geräuschabstrahlung). In Versuchsreihen zeigten sich im Ver
gleich zu anderen Typen von Nabenkappenflossen für die erfindungsgemäße Vor
richtung der höchste Wirkungsgradgewinn. Ein zusätzlicher Gewinn ergibt sich auf
Seiten des Propellerentwurfes für kavitationsfreie Auslegungen, dass man keine wir
kungsgradsenkende Maßnahmen zur Vermeidung von Nabenwirbelkavitation mehr
ergreifen muß. D. h. bereits der entworfene Propeller hat selbst einen höheren Wir
kungsgrad der noch durch die Energierückgewinnung durch die HVV aus den Na
benwirbelverlusten vergrößert wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert
werden. In den Zeichnungen zeigen die
Fig. 1 Wirbelbildung hinter einem Propeller entlang der eines Hub Vortex Vane
(nachfolgend HVV genannt),
Fig. 2 eine Applikation 6 einer HVV als Ersatz für einen normalen Nabenablauf bei
dem die HVV mit dem Propeller mitrotiert,
Fig. 3 eine HVV 6 ist am Ruderblatt 7 eines Schiffes fixiert,
Fig. 4 die HVV ist am Ende einer Motorgondel/Pod/Getriebegehäuse 8 fest montiert,
Fig. 5 schematische Darstellung einer möglichen Ausführung eines Hub Vortex Va
ne,
Fig. 6 schematische Darstellung der "Abwind" komponente der Geschwindigkeits
verteilung in der Nähe der Propellerblätter für die Radienverhältnisse 0.1 als
Zylinderabwicklungen,
Fig. 7 schematische Darstellung der "Abwind" komponente der Geschwindigkeits
verteilung in der Nähe der Propellerblätter für die Radienverhältnisse 0.15 als
Zylinderabwicklungen,
Fig. 8 Darstellung der Abhängigkeit des Gütegrades der Propulsion von der
Reynoldszahl.
Gemäß einer fertigungstechnisch einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung enthält der Hub Vortex Vane mindestens eine Schaufel 12 die im Betrieb
für eine Reduktion der Nabenwirbelstärke und der damit verbundenen Nabenwirbel
kavitation sorgt. Eine HVV ist jederzeit nachrüstbar, dazu sind keine weiteren Bau
teile auszutauschen, vielmehr können alle übrigen Bauteile des Antriebssystems un
verändert beibehalten werden.
Vorzugsweise sind mehrere, auf den Umfang der HVV regelmäßig verteilte Schau
feln 12 vorgesehen, die annähernd in meridionaler Ausrichtung angeordnet sind. Die
Anzahl der Schaufeln ist unabhängig von der Propellerflügelzahl und der Außen
durchmesser der HVV ist auf ungefähr 0.16 des Propellerdurchmnessers (bei mitro
tierenden HVV) beschränkt. Die innere Begrenzung der Schaufeln wird durch einen
Rotationskörper der Gestalt gemäß der Bezugszeichen 9, 10, 11 und die äußere
Begrenzung durch einen Ring der Gestalt 13 gebildet. Die speziellen inneren und
äußeren Begrenzungen dienen einer weitgehenden Unterdrückung möglicher sekun
därer Kavitationserscheinungen am inneren und äußeren Ende der Schaufel(n).
Durch entgegengesetzte Ausrichtungen der starken Wölbung der Nabenschaufeln
und der Wölbung der Propellerflügel ist es möglich die hohen Tangentialgeschwin
digkeiten in Nabennähe so in Strahlrichtung umzulenken, dass ein zusätzlicher
Schub erzeugt wird. Das dabei durch die Umlenkung auftretende Drehmoment ist
dem den Propeller antreibenden Motormoment gleichgerichtet, was einer Leistungs
einsparung gleichkommt. Außerdem führt die vollständige Beseitigung des Naben
wirbels zu einer Reduzierung der Schallabstrahlung.
Die erfindungsgemäße HVV ist sowohl bei Schraubenpropellern, die als Druckpro
peller arbeiten, als auch bei Zugpropellern anwendbar.
Besonders geeignet ist die Anwendung an Propellern für höhere Schubbelastungs
grade, z. B. an Propellern, die einen hohen Schub auf vergleichsweise geringer Flä
che erzeugen und dabei zwangsweise eine verstärkte Nabenwirbelbildung verursa
chen. Hierbei ist das erreichbare Verbesserungspotential entsprechend groß.
Die Fig. 2 bis Fig. 4 zeigen unterschiedliche Applikationsmöglichkeiten der HVV auf.
Der gemäß Fig. 2 als Druckpropeller 1 mit Propellernabe 2 arbeitende Schrauben
propeller hat eine mitdrehende HVV 6, die in Strahlrichtung hinter dem Propeller 1
liegt. Der sich hinter dem Propeller 1 entlang der HVV 6 bildende Wirbel, besteht zu
nächst aus mehreren Wirbeln der verschiedenen Flügel, die sich dann sehr schnell
zu einem einzigen Wirbel zusammenformen, der seine Spur in einem eng begrenzten
Gebiet entlang der Drehachse des Propellers hinterlässt. Dieses Verhalten ist in der
Fig. 1 dargestellt. Die Drehrichtung dieses Wirbels fällt dabei mit der Drehrichtung
des Propellers zusammen und die Tangentialgeschwindigkeiten des Wirbels sind
innen am größten (im Wirbelauge potentialtheoretisch unendlich groß) und nehmen
nach außen ab.
Wegen der Zunahme der Tangentialgeschwindigkeiten (VT) des Fluids zum Wirbe
lauge (beim Nabenwirbel identisch mit Propellerdrehachse) hin nach einem rein po
tentialtheoretischen Gesetz
(ΓB Nabenwirbelstärke),
bzw. unter Berücksichtigung zähigkeitsbedingter Einflüsse (Oseen-Wirbel) nähe
rungsweise mit einem geeigneten Wert für das Wirbelalter t
treten innerhalb eines
Grenzradiusses
(~ 0.16 RP mit RP = 1/2 DP Propellerradius) Tangen
tialgeschwindigkeiten VT auf, die deutlich höher sind als die Umfangsgeschwindigkeit
VU eines mit der Propellerdrehzahl n rotierenden Punktes im Abstand r von der
Drehachse. Bis zu dem Grenzradius RG ist ein Energierückgewinnung bei einer
mitrotierenden HVV möglich. Für eine fest montierte HVV (vgl. Fig. 3 und Fig. 4) gibt
es diesen Grenzradius nicht.
Die Schaufeln 12 der HVV erstrecken sich aus diesem Grund von der Propellerach
se bis maximal dem Grenzradius RG, um die Wirkung der Schaufeln optimal zu nut
zen. Die Wölbung der Schaufelflächen ist der der Propellerflächen entgegengesetzt.
Auf die Weise werden die Wirbelströme in Strahlrichtung umgelenkt, wobei ein zu
sätzlicher Schub erzeugt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind acht,
auf den Umfang der HVV verteilte Schaufeln (Fig. 5) gezeigt, die sich von dem der
Propellernabe Pos. 2 in Fig. 1 zugekehrten Ende 9 bis zum Ende der HVV bei 11
aus Fig. 5 erstrecken.
Besonders vorteilhaft gegenüber bekannten Lösungen hinsichtlich der Vermeidung
von Nabenwirbeln ist der innere und äußere Abschluß der Schaufelflächen. Die inne
re Anbindung der Schaufelflächen erfolgt von einem konusförmigen Übergangsteil 9
vom druckseitigen Propellernabenende 2 über den zylindrischen Nabenteil 10 der
HVV zum wieder konusförmigen divergierendem Abschlußteil 11 der Nabe der HVV.
Der äußere Abschluß der Schaufelflächen der HVV erfolgt durch einen zylinderförmi
gen Mantel 13 von 10 bis 50% der Länge der Schaufelflächen.
Der hydrodynamische Nutzen der Aufteilung der Nabe der HVV auf die drei Ab
schnitte 9 bis 11 besteht in der Konzentration der einzelnen (nabenseitigen) Rand
wirbelanteile der Propellerflügel zu einem konzentrierten Nabenwirbel, der Umlen
kung der tangentialen Geschwindigkeitskomponenten im gesamten Bereich der
Schaufeln 12 und der "Zerfaserung" eines möglichen Restwirbelanteils im Bereich
des divergenten konischen Abschlußteils 11. Der Durchmesser des zylindrischen
Zwischenstückes 10 sollte mit dem Durchmesser des zähigkeitsbedingten Wirbel
kerns (Wirbelalter) zusammenfallen. Der hydrodynamische Nutzen der zylindrischen
Mantelfläche 13 um die Schaufeln besteht in einer Verhinderung möglicher parasitä
rer Kavitationserscheinungen am äußeren Ende der Schaufeln.
Zur Darstellung der Ableitung der Form der Schaufelflächen dienen die Fig. 6 und
7. Dargestellt ist die "Abwind"komponente 14 der Geschwindigkeitsverteilung in der
Nähe der Propellerblätter 1 die die wesentliche Ursache für das Zustandekommen
der Tangentialgeschwindigkeiten hinter dem Propeller ist. Durch die im Allgemeinen
vorhandene Zunahme des Steigungswinkel der Propellerblätter zur Drehachse zu
und durch die wirbelbedingte Zunahme der Tangentialgeschwindigkeiten, müssen
sich die Krümmungen der Schaufeln 12 in Abhängigkeit vom Radius verändern, so
dass die Strömungslinien möglichst in Strahlrichtung 15 umgelenkt werden. In den
Fig. 6 und Fig. 7 sind diese Verhältnisse für unterschiedliche Radienverhältnisse als
Zylinderabwicklungen für die Radienverhältnisse 0.10 und 0.15 dargestellt.
Anwendungsmöglichkeiten und Ausgestaltungsformen der HVV sind in Fig. 2 bis Fig.
4 gezeigt. Für Druckpropelleranordnungen in Verbindung mit normalen Wellenanla
gen oder an Getriebegondeln oder an Pods oder an sonstigen Motorgondeln ist die
mitdrehende Ausführungsform entsprechend Fig. 2 von Vorteil. Für Propelleranord
nungen auf die hinter dem Propeller Anhänge wie z. B. ein Ruderplatt folgen, ist eine
feststehende Ausführungsform wie in Fig. 3 skizziert, hydrodynamisch vorteilhaft. Für
Zugpropelleranordnungen an Getriebgondeln, Pods oder Motorgondeln ist eine fest
stehende Ausführungsform am Ende der Gondel entsprechend Fig. 4 vorteilhaft.
Die Anwendung von besonders ausgebildeten HVV ist insbesondere an Propellern
für höhere Schubbelastungsgrade wichtig. Derartige Propeller erzeugen einen hohen
Schub auf vergleichsweise geringer Fläche und damit zwangsweise verstärkte Na
benwirbel. Aufgrund des hohen Verlustes kann bei Anwendung einer erfindungsge
mäß ausgebildeten HVV eine hohe Verbesserung erreicht werden.
Für eine Druckpropelleranordnung gemäß der Fig. 2 wird in Fig. 8 der erreichbare
Nutzen mittels einer HVV ("HVV") an Hand von Messungen dargestellt. Im Vergleich
zu einem normalen häufig eingesetzten Nabenabschluß ("Normal") durch eine einfa
che konische Nabenkappe steigt der Wirkungsgradgewinn mit der Reynoldszahl
deutlich an. Die Nabenwirbelkavitation konnte durch Anwendung vollständig unter
drückt werden. Werden zur Unterdrückung der Nabenwirbelkavitation wie sonst üb
lich divergente Nabenabläufe ("Divergent") eingesetzt steigt bei Verwendung der
HVV der Wirkungsgradgewinn noch deutlich an.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1
Propeller, Schiffschraube, Luftschraube
2
Propellernabe
3
Antriebswelle des Propellers
4
Ablaufhaube
5
Nabenwirbel
6
Hub-Vortex-Vane (HVV)
7
Ruderblatt
8
Getriebegehäuse eines rundumsteuerbaren Antriebes, Motorgondel, Pod mit
Motor
9
Übergangsteil Propeller-HVV
10
Zylindrisches Nabenzwischenstück der HVV
11
Konisches Abschlußteil der Nabe der HVV
12
Schaufeln, Flossen der HVV
13
Zylindermantel der HVV
14
"Abwind" des Propellers an einem Flügel
15
Axiale Strahlrichtung