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Die Erfindung betrifft einen Propeller oder Repeller gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1; ein derartiger Propeller ist beispielsweise aus der
RU 2094304 C1 bekannt.
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Beim Betrieb von Propellern, insbesondere von Schiffspropellern (häufig auch als „Schiffsschrauben” bezeichnet), kann es ab einer bestimmten Drehzahl zu Kavitation am Propeller kommen. Im Fall eines Schiffspropellers entsteht auf der Schubseite (bzw. der Vorderseite) der Propellerblätter ein großer Überdruck, während auf der Rückseite der Propellerblätter ein Unterdruck entsteht, der dort zu einer Verdampfung von Wasser fuhrt.
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Bei superkavitierenden Propellern wird die Kavitation gezielt genutzt um ein Objekt mit sehr geringem Strömungswiderstand durch eine Flüssigkeit zu führen. Hierzu wird, wie beispielsweise in der
US 4,188,906 A beschrieben, bei höheren Drehzahlen der Rückseite der Blätter Luft zugeführt, um mit dem Propeller in den Zustand der Superkavitation zu gelangen.
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Ausgenommen hiervon wird Kavitation jedoch zumeist als ein unerwünschtes Problem angesehen, denn sie führt zur Bildung und Auflösung von Hohlräumen im Wasser und somit zu Druckschwankungen, die eine Erosion der Blätter zur Folge haben können. Außerdem werden durch die Kavitation Schallsignale erzeugt, die in verschiedenen Anwendungsfällen stören und zu betrieblichen Einschränkungen führen können. So können bei einem Einsatz des Schiffes als Forschungsschiff die Schallsignale Messungen im Wasser stören. Weiterhin können diese Geräusche Meerestiere stören, wodurch beispielsweise der Bewegungsradius von Kreuzfahrtschiffen oder Fähren eingeschränkt werden kann. Im Fall von Unterwasserschiffen können die Schallsignale zu einer erhöhten Detektierbarkeit des Unterwasserschiffes führen.
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Ähnliche Probleme können auch bei einem Repeller entstehen, der die in einem bewegten Fluid enthaltene Energie in mechanische Energie umwandelt und hierdurch eine Arbeitsmaschine, wie z. B. einen Generator oder eine Pumpe, antreibt.
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Auf der anderen Seite ist es bereits bekannt, die Kavitation durch gezielte Formgebung der Propellerblätter zu verringern. Allerdings ist es damit nicht möglich, die Kavitation vollständig auszuschalten.
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Aus der
RU 2094304 C1 ist es bekannt, die Blätter mit Kanälen zu versehen, die von deren Vorderseite zur Rückseite verlaufen und durch die Wasser von der Vorderseite zu der Rückseite der Blätter fließen kann. Mit Hilfe einer derartigen Wasserzufuhreinrichtung kann erreicht werden, dass der Druck auf der Rückseite erhöht und somit der Unterdruck auf der Rückseite gerade nicht mehr eine für die Kavitätsbildung kritische Höhe erreicht.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Propeller oder Repeller gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass er ohne wesentliche Erhöhung der Kavitation noch besser für die betriebliche Praxis geeignet ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass die Einrichtung zur Zufuhr einer Flüssigkeit zumindest ein Stellglied zur Verstellung der Zufuhr an Flüssigkeit zu der Rückseite der Blätter umfasst.
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Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass durch eine Druckerhöhung auf der Rückseite ein Teil des Schubs verloren geht, wodurch insbesondere das Beschleunigungs- bzw. Antriebsvermögen bei geringen Drehzahlen eingeschränkt wird. Andererseits ist bei geringen Drehzahlen aber auch die Kavitation relativ gering und es bedarf zur Vermeidung von Kavitation keiner so großen Druckerhöhung wie bei großen Drehzahlen.
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Mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Stellglied kann gezielt die Druckerhöhung auf der Rückseite beeinflusst werden. Bei kleineren Drehzahlen des Propellers oder Repellers kann dann gezielt gar keine oder eine geringere Druckerhöhung auf der Rückseite bewirkt werden als bei vergleichsweise größeren Drehzahlen. Bei geringen Drehzahlen des Propellers bzw. Repellers, bei denen keine Kavitationsgefahr besteht, kann dann aufgrund der geringeren Druckerhöhung im Wesentlichen die gesamte Schub- bzw. Antriebskraft genutzt werden. Dies ist gerade wichtig bei Schiffen, die in einem Gefahrenfall möglichst schnell ihren Standort verlassen können müssen. Bei vergleichsweise höheren Drehzahlen mit entsprechend größerer Kavitationsgefahr kann dagegen durch Zufuhr einer entsprechend größeren Menge an Flüssigkeit zu der Rückseite der Blätter eine größere Druckerhöhung erzielt und somit Kavitation zuverlässig vermieden werden.
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Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung umfasst die Einrichtung zur Zufuhr einer Flüssigkeit in den Blättern zur deren Rückseite verlaufende Kanäle. Hierdurch kann der Rückseite die Flüssigkeit besonders einfach über die Rückseite verteilt zugeführt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung verlaufen die Kanäle jeweils von der Vorderseite der Blätter zu der Rückseite der Blätter und jeder der Kanäle umfasst als Stellglied einen Verschluss zum zumindest teilweisen Verschließen des Kanals. Mit einem solchen Verschluss kann dann gezielt bei geringen Drehzahlen des Propellers bzw. Repellers der Kanal verschlossen und bei hohen Drehzahlen geöffnet werden.
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Alternativ können auch mehrere der Kanäle mit einem gemeinsamen Versorgungskanal verbunden sein und der Versorgungskanal kann als Stellglied einen Verschluss zum zumindest teilweisen Verschließen des Kanals umfassen. Bevorzugt ist der Versorgungskanal dann in einer Nabe des Propellers oder Repellers angeordnet. Er kann dann beispielsweise mit einer oder mehreren Öffnungen in der Nabe verbunden sein und hierüber mit der Flüssigkeit versorgt werden.
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Der Verschluss kann beispielsweise in Form einer Klappe oder Abdeckung außen an der Oberfläche des Blattes oder der Nabe angeordnet sein. Er kann aber auch in Form eines Schiebers oder Ventils ähnlich einem Schott im Inneren des Blattes oder der Nabe angeordnet sein bzw. darin integriert sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich um einen beweglichen Verschluss, d. h. der Verschluss ist von einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar, wobei der Verschluss den Kanal in der zweiten Position im Vergleich zu der ersten Position weniger verschließt oder überhaupt nicht verschließt.
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Der Verschluss ist hierzu bevorzugt in dem Blatt derart beweglich gelagert, dass eine Bewegung des Verschlusses von der ersten Position in die zweite Position bei einer betriebsmäßigen Rotation des Blattes durch eine an dem Verschluss wirkende Zentrifugalkraft und/oder eine an dem Verschluss wirkende Trägheitskraft erfolgt. Es wird dann keine externe Energie für die Bewegung des Verschlusses benötigt. Hierbei liegt die Überlegung zugrunde, dass die Kavitationsgefahr gerade bei höheren Drehzahlen am größten ist, bei denen auch die Zentrifugalkraft bzw. die Trägheitskraft am größten ist. Diese Kräfte können somit gezielt zur Öffnung des Verschlusses und somit des Kanals genutzt werden. Es handelt sich dann um ein „passives” System. d. h. für die Bewegung des Verschlusses in die zweite Position wird keine zusätzliche externe Energie benötigt.
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Dies ist für beide Drehrichtungen des Propellers bzw. Repellers konstruktiv einfach dadurch möglich, dass der Verschluss bezogen auf eine betriebsmäßige Rotationsachse des Blattes in einer Richtung radial nach außen beweglich in dem Blatt gelagert ist. Es wird dann nur von der Zentrifugalkraft für die Bewegung des Verschlusses in die zweite Position Gebrauch gemacht.
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Wenn der Verschluss mit einem Federelement gekoppelt ist, welches bei einer Bewegung des Verschlusses von der ersten Position in die zweite Position eine Kraft auf den Verschluss in Richtung zu der ersten Position ausübt, kann eine automatische Rückführung des Verschlusses in die erste Position erfolgen, sobald die auf den Verschluss einwirkende Zentrifugal- und/oder Trägheitskraft aufgrund abnehmender Drehzahlen kleiner wird als die auf den Verschluss einwirkende Federkraft. Auch die Bewegung des Verschlusses zurück in die erste Position ist somit rein passiv, d. h. es wird keine zusätzliche externe Energie benötigt.
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Alternativ kann zur Bewegung des Verschlusses von der ersten Position in die zweite Position ein Stellantrieb vorhanden sein. Bei dem Stellantrieb kann es sich beispielsweise um einen elektrischen oder hydraulischen Stellantrieb handeln.
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Hierdurch kann individuell und unabhängig von der Drehzahl des Propellers oder Repellers der Öffnungsgrad des Kanals eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung sind mehrere der Kanäle mit einem gemeinsamen Versorgungskanal verbunden und der Versorgungskanal ist wiederum mit einer Förderpumpe für die Flüssigkeit als Stellglied verbunden.
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Von Vorteil umfasst die Einrichtung zur Zufuhr einer Flüssigkeit zumindest einen Sensor zur Erfassung von Kavitationsgeräuschen des Propellers bzw. Repellers. Mit Hilfe eines derartigen Sensors kann die Zufuhr an Flüssigkeit zu der Rückseite der Blätter gezielt erst dann aktiviert werden, wenn die Geräusche einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten. Darüber hinaus kann die Wasserzufuhr zu der Rückseite der Blätter stets derart eingestellt werden, dass der an den Blättern entstehende Unterdruck gerade nicht mehr eine für Kavitätsbildung kritische Höhe erreicht. Hierdurch kann die für eine Vermeidung von Kavitation maximal noch zu zur Verfügung stehende Schub- bzw. Antriebskraft genutzt werden. Der zumindest eine Sensor kann beispielsweise an der Propeller- bzw. Repellernabe angeordnet sein.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine Draufsicht auf einen aus dem Stand der Technik bekannten Propeller,
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2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II durch ein Blatt des Propellers von 1,
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3 einen Ausschnitt aus einem Propellerblatt eines erfindungsgemäßen Propellers mit einem verschlossenen Kanal,
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4 den Ausschnitt von 3 mit einem geöffneten Kanal,
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5 einen erfindungsgemäßen Propeller oder Repeller,
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6 ein Blatt eines erfindungsgemäßen Propellers oder Repellers mit einem Stellantrieb für ein Verschließen eines Kanals,
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7 einen erfindungsgemäßen Propeller oder Repeller mit einem durch Öffnungen in einer Nabe versorgten Versorgungskanal,
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8 einen erfindungsgemäßen Propeller oder Repeller mit einem mit einer Förderpumpe verbundenen Versorgungskanal.
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Die 1 zeigt eine Draufsicht auf einen aus dem Stand der Technik bekannten Propeller 1, der eine Propellernabe 2 und mehrere daran befestigte Propellerblätter 3 umfasst. Die Propellerblätter 3 sind nur vereinfacht dargestellt und weisen in der Praxis eine wesentlich komplexere Form auf. Der Propeller 1 und die daran befestigten Blätter 3 drehen sich beim Betrieb des Propellers 1 um eine Drehachse 9.
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Der Propeller 1 dient beispielsweise zum Vortrieb eines Schiffes und wird dann häufig auch als eine „Schiffsschraube” bezeichnet.
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Wie auch in dem in 2 gezeigten Querschnitt entlang der Linie II-II durch ein Propellerblatt 3 gezeigt ist, weist jedes der Propellerblätter 3 eine Vorderseite 4, manchmal auch als „Schubseite” bezeichnet, und eine Rückseite 5, manchmal auch als „Sogseite” oder „Unterdruckseite” bezeichnet, auf. Der Propeller 1 weist eine Einrichtung 20 zur Zufuhr von Wasser zu der Rückseite 5 in Form mehrerer von der Vorderseite 4 zu der Rückseite 5 verlaufender Kanäle 6 auf, die parallel zur Drehachse 9 quer durch jedes der Blätter 3 verlaufen. Durch diese Kanäle 6 kann beim Betrieb des Propellers 1 Wasser von der Vorderseite 4 zu der Rückseite 5 fließen, wodurch der Druck an der Rückseite der Blätter erhöht (bzw. der Unterdruck verringert) und somit Kavitation an der Rückseite 5 verhindert werden kann.
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Bei einem in 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Propellers 1 sind bei einem Blatt 3 diese Kanäle 6 durch einen Verschluss 7 verschließbar. Der Verschluss dient somit als ein Stellglied zur Verstellung der Zufuhr von Wasser zu der Rückseite der Blätter. In der 3 ist hierzu ein Ausschnitt aus einem Propellerblatt 3 eines erfindungsgemäßen Propellers mit einem durch einen Verschluss 7 verschlossenen Kanal 6 gezeigt. Der Verschluss 7 ist in der Art eines Schottes ausgebildet, das in dem Blatt 3 angeordnet und in dieses integriert ist. Der Verschluss 7 ist von einer in 3 gezeigten ersten Position 11, in der er den Kanal 6 vollständig verschließt, in eine in 4 gezeigte zweite Position 12 bewegbar, in der der Kanal 6 unverschlossen ist. Der Verschluss 7 ist hierzu mittels einer Führung 8 beweglich in dem Blatt 3 gelagert. Die Lagerung ist dabei derart, dass eine Bewegung des Verschlusses 7 von der ersten Position 11 in die zweite Position 12 durch eine an dem Verschluss 7 wirkende Zentrifugalkraft und/oder eine an dem Verschluss wirkende Trägheitskraft aufgrund einer betrieblichen Drehung des Blattes 3 um eine Drehachse 9 (siehe 1 und 5) erfolgt.
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Bei geringen Drehzahlen und somit geringer Zentrifugalkraft und/oder Trägheitskraft verbleibt der Verschluss 7 in der in 3 gezeigten ersten Position 11 und verschließt den Kanal 6, während er sich bei zunehmend höheren Drehzahlen und somit höherer Zentrifugalkraft und/oder Trägheitskraft in die in 4 gezeigte zweite Position 12 außerhalb des Kanals 6 bewegt, in der der Kanal 6 unverschlossen ist.
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Da bei geringen Drehzahlen der Kanal 6 verschlossen ist, steht für diesen Drehzahlbereich die gesamte Schub- bzw. Antriebskraft zur Verfügung. Dies ist in Bezug auf die Kavitation auch gefahrlos möglich, da in diesem Bereich auch keine große Kavitationsgefahr besteht. Somit können Schub- bzw. Antriebskraftverluste in dem Bereich geringer Drehzahlen, in dem sie sich besonders deutlich bemerkbar machen und beispielsweise das Beschleunigungsvermögen eines Schiffes beeinträchtigen, ohne Kavitationsgefahr vermieden werden. Umgekehrt sind bei hohen Drehzahlen, bei denen die Kavitationsgefahr am größten ist, die Kanäle 6 geöffnet, wodurch dort mit nur relativ geringen Einschränkungen in der Schub- bzw. Antriebskraft eine Kavitation vermieden werden kann.
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Zum Halten des Verschlusses 7 bei geringen Drehzahlen in der ersten Position 11 bzw. zum Zurückführen des Verschlusses 7 bei sinkenden Drehzahlen von der zweiten Position 12 in die erste Position 11 ist der Verschluss 7 mit einem Federelement 10 gekoppelt. Dieses Federelement 10 übt bei einer Bewegung von der ersten Position 11 in die zweite Position 12 und in der zweiten Position 12 eine Kraft auf den Verschluss 7 in Richtung zu der ersten Position 11 aus. Das Federelement 10 ist dabei derart ausgelegt, dass es erst ab einer Drehzahl, ab der eine höhere Kavitationsgefahr besteht, eine Bewegung des Verschlusses 7 ermöglicht, d. h. erst ab diesem Zeitpunkt ist die an dem Verschluss 7 wirkende Federkraft dann geringer als die an dem Verschluss 7 wirkende Zentrifugalkraft und/der Trägheitskraft.
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Zur Nutzung der Zentrifugalkraft und/oder Trägheitskraft zur Bewegung des Verschlusses 7 ist der Verschluss 7 – wie in 5 gezeigt – in einer, bezogen auf die Drehachse 9 des Propellers 1 bzw. Blattes 3, Richtung radial bis tangential nach außen (d. h. weg von der Drehachse 9) beweglich durch die Führung 8 in dem Blatt 3 gelagert. Dieser Bereich ist in 5 durch den Winkel α gekennzeichnet.
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Sofern das Propellerblatt 3 jedoch in Propellern 1 mit unterschiedlicher Drehrichtung verwendet werden können soll, wird bevorzugt auf die Nutzung der Trägheitskraft verzichtet und die Bewegung des Verschlusses 7 wird allein durch die Zentrifugalkraft bewirkt. Der Verschluss 7 ist dann, bezogen auf die Drehachse 9 des Propellers 1 bzw. Blattes 3, ausschließlich in einer Richtung radial nach außen beweglich durch die Führung 8 in dem Blatt 3 gelagert.
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Wie in 6 gezeigt, kann der Verschluss 7 anstatt durch die Zentrifugalkraft und/oder Trägheitskraft auch durch einen Stellantrieb 21 von der ersten Position 11 in die zweite Position 12 bewegt werden. Bei dem Stellantrieb 21 kann es sich beispielsweise um einen elektrischen oder hydraulischen Stellantrieb handeln. In dem Ausführungsbeispiel von 6 ist der Verschluss 7 in Form einer bewegbaren Blende 22, die eine Öffnung 23 mit dem Durchmesser des Kanals 6 aufweist, ausgebildet. Die Blende 22 ist dann wiederum mit dem Stellantrieb 21 gekoppelt. Mit dem Stellantrieb 21 kann individuell und unabhängig von der Drehzahl des Propellers 1 oder Repellers der Öffnungsgrad des Kanals 6 eingestellt werden. Elektrische Energie für den Stellantrieb 21 kann beispielsweise induktiv in die Nabe 2 bzw. die Blätter 3 übertragen werden.
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In einem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Einrichtung 20 zur Zufuhr von Wasser zu den Rückseiten der Blätter 3 zu deren Rückseite 5 verlaufende Kanäle 6, die mit einem gemeinsamen Versorgungskanal 24 verbunden sind, der in der Nabe 2 des Propellers 1 oder Repellers angeordnet ist und über Öffnungen 25 in der Nabe 2 mit Wasser versorgbar ist, das den Propeller 1 oder Repeller im Betrieb umströmt. In dem Versorgungskanal 24 ist als Stellglied für die Wasserzufuhr ein Verschluss 26 zum zumindest teilweisen Verschließen des Kanals 24 angeordnet. Der Verschluss 26 ist beispielsweise in Form eine Ventils ausgebildet, das über einen elektrischen Stellantrieb 27 betätigbar ist. Die elektrische Energie für den Stellantrieb kann beispielsweise induktiv in die Nabe 2 übertragen werden.
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Bei einem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Versorgungskanal 24 mit einer Förderpumpe 28 verbunden, die als Stellglied zur Verstellung der Zufuhr von Wasser zu der Rückseite 5 der Blätter 3 dient. Die Einrichtung 20 zur Zufuhr von Wasser umfasst darüber hinaus einen Sensor 29 zur Erfassung von Kavitationsgeräuschen am Propeller 1, eine Antriebseinrichtung 30 für den Antrieb der Förderpumpe 28 und eine mit dem Sensor 29 und der Antriebseinrichtung 30 gekoppelte Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 31 für eine Steuerung- und/oder Regelung der Zufuhr an Wasser zu den Rückseiten der Blätter 3. Mit Hilfe des Sensors 29 kann gezielt eine Zufuhr von Wasser zu der Rückseite der Blätter 3 erst dann aktiviert werden, wenn die Geräusche einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten. Außerdem kann durch die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 31 die Wasserzufuhr derart eingestellt werden, dass der an den Blättern 3 entstehende Unterdruck gerade nicht mehr eine für Kavitätsbildung kritische Höhe erreicht. Somit kann die für eine Vermeidung von Kavitation maximal noch zur Verfügung stehende Schub- bzw. Antriebskraft genutzt werden. Der Sensor 29 kann beispielsweise an der Propeller- bzw. Repellernabe 2 angeordnet sein. Die Förderpumpe 28, die Antriebseinrichtung 30 und die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 31 können außerhalb der Nabe 2 und einer mit der Nabe 2 gekoppelten Welle 32, z. B. im Rumpf eines Schiffes, angeordnet sein. Die Förderpumpe 28 kann über dem Fachmann geläufige fluidische Koppelelemente mit dem Versorgungskanal 24 gekoppelt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- RU 2094304 C1 [0001, 0007]
- US 4188906 A [0003]
