DE102004028504A1

DE102004028504A1 - Propeller

Info

Publication number: DE102004028504A1
Application number: DE200410028504
Authority: DE
Inventors: Peter Ninnemann; Otto Philipp
Original assignee: Individual
Current assignee: Mecklenburger Metallguss 17192 Waren De GmbH
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2024-06-12
Also published as: DE102004028504B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Schiffspropeller, bei dem die Kavitation in den Spitzenwirbeln unterdrückt und die dadurch verursachte Druckimpulserregung reduziert wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, indem auf der Saugseite der Propellerflügel eine Fläche in der Nähe der Austrittskante an der Flügelspitze mit Oberflächenrauigkeiten versehen wird, die ein Vielfaches der Rauigkeitshöhen der sie umgebenden Flügelfläche haben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Propeller für Wasserfahrzeuge, insbesondere Seeschiffe, bestehend aus mehreren auf einer Nabe angeordneten Flügeln, vorzugsweise Flügeln mit ausgeprägter Flügelrücklage.
Es ist bekannt, dass durch die hohe Leistungswandlung und das von der Schiffsform gebildete inhomogene Nachstromfeld große ungleichmäßige Belastungen an den Propellerflügeln auftreten. Diese führen dazu, dass hauptsächlich oberhalb der Propellernabe Drücke an der Flügelfläche entstehen, die kleiner als der Kavitationsdruck des Seewassers sind. Der Kavitationsdruck entspricht hierbei etwa dem Dampfdruck von Wasser. Solche Kavitationserscheinungen treten beispielsweise in Form von Schicht-, Wolken-, Blasen- und Spitzenwirbelkavitation auf. Eine besondere Form stellt hierbei die Kavitation im Spitzenwirbel des Propellerflügels dar. Spitzenwirbelkavitation tritt häufig als erste Kavitationsform in Erscheinung und wird durch vorhandene Schichtkavitation unmittelbar an der Flügelspitze verstärkt. Die Stabilität der Spitzenwirbelkavitation erstreckt sich stromabwärts, zumeist bis hinter das Schiffsruder.
Weiterhin ist bekannt, dass beim Betrieb des Propellers Druckschwankungen entstehen, die einerseits auf den Schiffskörper und das Ruder einwirken und andererseits als Schall an die Umgebung abgestrahlt werden. Diese Druckschwankungen haben ihre Ursachen in der endlichen Flügelanzahl des Propellers und den zugehörigen Kavitationserscheinungen. Der Anteil der Kavitation an den Druckschwankungen ist häufig dominierend. Die Analyse experimenteller Ergebnisse zu diesen Druckschwankungen lässt erkennen, dass zumeist die Frequenzen, die einem Vielfachen der Flügelfrequenz des Propellers entsprechen und hauptsächlich aus den instationären Kavitationen an den Flügeln resultieren. Die Druckamplituden des Vielfachen der Flügelfrequenz des Propellers können die Amplituden, die hauptsächlich aus der Flügelfrequenz resultieren, übertreffen. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die Druckamplituden bei diesen Frequenzen maßgeblich durch die Kavitation im Flügelspitzenbereich und im Spitzenwirbel verursacht werden.
Die Bedeutung der Wirkungen von Druckschwankungen sind je nach Verwendungszweck des Schiffes unterschiedlich gewichtet. Während bei Passagier-, aber auch Frachtschiffen die Wirkung dieser Druckschwankungen auf den Schiffskörper im Vordergrund steht, ist bei Marineschiffen die Schallabstrahlung vorrangig. Zu den nennenswertesten Auswirkungen von Druckschwankungen gehören die Erregung der Schiffsaußenhaut und somit möglicher Vibrationen im Schiffsinneren und die Schallemission in das Schiff und in die Umgebung des Schiffes.
Technische Maßnahmen zur Verringerung der Spitzenwirbelkavitation sind bekannt und sollen beispielhaft angeführt werden. In der japanischen Patentschrift JP 61193990 ist ein Propeller beschrieben, bei dem in den Flügeln ein Förderkanal, dessen Einlassöffnung in der Propellernabe beginnt, vorgesehen ist, durch den Seewasser an die Flügelspitze transportiert wird und durch eine Auslassöffnung nahe der Flügelspitze in den Spitzenwirbel ausströmt. Diese Zufuhr von Flüssigkeit soll den Druck an der Flügelspitze herabsetzen und die Auflösung des Spitzenwirbels beschleunigen. Eine weitere japanischen Patentschrift JP 59192693 beschreibt einen Propeller dessen Flügelspitzen aus einem porösen Material bestehen bei denen der Druckausgleich zwischen der Saug- und Druckseite des Flügels durch die Poren erfolgt und so auch der Kerndruck im Spitzenwirbel herabgesetzt werden kann. Die japanischen Patentschrift JP 59140195 zeigt eine Maßnahme zur Reduzierung der Stärke des Spitzenwirbels durch konvexe Ausformung der Druckseite der Flügelspitze und somit der Gestaltung eines negativen Flügelhanges.
Die genannten Lösungen sind mit wesentlichen Nachteilen behaftet. Die Herstellung eines Propellers nach der Patentschrift JP 61193990 erfordert einen hohen Fertigungsaufwand, verbunden mit erheblichen Fertigungskosten. Propeller entsprechend den Lösungen der Patentschriften JP 61193990 und JP 59192693 zeichnen sich durch eine verringerte mechanische Belastbarkeit der Flügel aus und weisen eine geringere Zuverlässigkeit während des Betriebes des Propellers im Seewasser auf.
Es ist bekannt, dass mit der Lösung aus der Patentschrift JP 59140195 ein geringfügiges Verzögern des Beginns der Kavitation im Spitzenwirbel erreicht werden kann, wobei es aber gleichzeitig zu einer bedeutenden Verringerung des Propellerwirkungsgrades kommt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kavitation in den Spitzenwirbeln von Propellerflügeln und die dadurch verursachte Druckimpulserregung bedeutend zu reduzieren oder ganz zu unterdrücken und die zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf der Saugseite mindestens eines Propellerflügels eine Fläche, die radial von einem Propellerradius nahe der Flügelspitze und dem Propellerradius sowie tangential von den Maxima der Profildicken und den Austrittskanten der betreffenden Blattschnitte begrenzt wird, Oberflächenrauigkeiten aufweist, die ein Vielfaches der Rauigkeiten der sie umgebenden Flügelfläche beträgt.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Reduzierung oder Unterdrückung der Spitzenwirbelkavitation die Druckamplituden mit dem Vielfachen der Flügelfrequenz des Propellers bedeutend verringert werden können. Durch die Reduzierung der Druckamplituden verringet sich die Schwingungserregung der Schiffsaußenhaut. Die gesundheitlichen Gefährdungen von Personen durch Vibrationen im Schiffsinneren und Geräuschbelästigung an Bord des Schiffes werden herabgesetzt. Schäden an der Schiffsstruktur und der Schiffsausrüstung infolge solcher Vibrationen können vermieden werden. Eine Schädigung des Ruders durch Spitzenwirbelkavitation bleibt aus. Durch eine geringere Schallemission in die Umgebung des Schiffes kann die Ortung von Marineschiffen erschwert werden.
Es ist weiterhin von Vorteil, dass die Erosion an den Austrittskanten der Propellerflügel infolge von Kavitation verhindert werden kann, da sich die Kavitationsschicht auf der Saugseite in einem größeren Abstand zur Flügel fläche befindet und sich die Belastungen implodierender Kavitationsblasen nicht auf den Flügel auswirken.
Die Realisierung der Erfindung ist mit geringen Fertigungsaufwand und -kosten möglich. Es entstehen dadurch keine Einschränkungen der mechanischen Belastbarkeit der Flügel.
Beispielbeschreibung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beschrieben, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
In der Zeichnung ist die Projektionsansicht der Saugseite eines rechtslaufenden Festpropellers skizziert. Der Propeller besteht aus vier, auf einer Nabe 1 angeordneten Flügeln 2. Auf den Flügeln 2 sind die Radienverhältnisse 3 und die Linien der maximalen Profildicken der Blattschnitte 4 eingezeichnet. Auf der Saugseite eines Flügels 2 ist innerhalb des technologischen Fertigungsprozesses eine geschlossene Fläche 5 mit sehr hohen Rauigkeiten erzeugt worden. Im Fertigungsprozess können die Rauigkeiten auf der genannten Fläche 5 beispielsweise durch trennende Verfahren entstehen oder durch Aufbringen eines Bindemittels mit inkorporierten Formkörpern gebildet werden. Die Fläche 5 beginnt radial bei einem Radienverhältnis 3 von 0,95 und erstreckt sich bis in die Nähe der Flügelspitze. Die tangentiale Ausbreitung der Fläche 5 beginnt nahe der Linie der maximalen Profildicken 4 und erstreckt sich bis in die Nähe der Austrittskante der Blattschnitte. Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auf einem zweiten Propellerflügel dargestellt. Es wird die zuvor beschriebene Fläche 5 für die Erzeugung der Rauigkeiten verwendet. In diesem Beispiel ist jedoch nicht die ganze Fläche mit Rauigkeiten versehen. Die Fläche 6 wird aus Streifen mit und ohne Rauigkeit gebildet. Dabei sind die Streifen so angeordnet, dass eine zielgerichtete Beeinflussung der Strömung beim Flügelumlauf möglich ist.

1: Nabe
2: Flügel
3: Markierung der Radienverhältnisse
4: Ort der maximalen Profildicken
5: geschlossene Fläche erhöhter Rauhigkeit
6: streifige Fläche erhöhter Rauhigkeit

Claims

Propeller für Wasserfahrzeuge, insbesondere Seeschiffe, bestehend aus mehreren auf einer Nabe angeordneten Flügeln, vorzugsweise Flügeln mit ausgeprägter Flügelrücklage, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Saugseite mindestens eines Propellerflügels eine Fläche, die radial von einem Propellerradius nahe der Flügelspitze und einem inneren Propellerradius sowie tangential von den Maxima der Profildicken und den Austrittskanten der betreffenden Blattschnitte begrenzt wird, Oberflächenrauigkeiten aufweist, die ein Vielfaches der Rauigkeiten der sie umgebenden Flügelfläche beträgt.
Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Ausdehnung der Fläche mit der Rauigkeit in Richtung Propellernabe durch das Radienverhältnis 0,9 begrenzt ist.
Propeller nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Fläche mit der Rauigkeit als Muster ausgeführt ist, die aus Streifen mit und ohne Rauigkeit gebildet sind.
Propeller nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Rauigkeit aus mindestens einem anderen Stoff als dem des Propellerwerkstoffes gebildet ist.