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Die Erfindung betrifft eine Propellernabe, wobei die Propellernabe einen inneren Radius aufweist, wobei der innere Radius der Radius der inneren Mantelfläche zur Aufnahme der Welle ist, wobei die Propellernabe einen äußeren Radius aufweist, wobei der äußere Radius der Maximalradius der gesamten Propellernabe ist, wobei der innere Bereich, welcher zur Anbindung an die Welle ausgebildet ist, massiv ausgeführt ist, wobei der äußere Bereich, welcher die äußere Mantelfläche der Propellernabe bildet, massiv ausgeführt ist, wobei der Bereich zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich porös ausgebildet ist.
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Eine Propellernabe wird auf eine Welle aufgesetzt und durch diese angetrieben. Hierbei kann die Verbindung zwischen Propellernabe und Welle beispielsweise und insbesondere eine formschlüssige Verbindung, eine reibschlüssige Verbindung, eine kraftschlüssige Verbindung, eine vorgespannte formschlüssige Verbindung oder eine stoffschlüssige Verbindung sein. An die Propellernabe werden die einzelnen Blätter des Propellers angebracht. Somit treibt die Welle den gesamten Propeller an und bewirkt einen Schub, welcher das Wasserfahrzeug antreibt. Durch die Drehrichtung kann der Schub üblicherweise sowohl vorwärts als auch rückwärts gerichtet sein.
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Üblicherweise wird eine Propellernabe massiv hergestellt, beispielsweise und insbesondere aus Bronze. Somit ist die Propellernabe, auch wenn es ein vergleichsweise kleines Bauteil ist, verhältnismäßig schwer.
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Am Propeller treten zwei Hauptgruppen von Interaktionen auf. Die erste Gruppe sind konstante Interaktionen, insbesondere Kräfte und Momente, welche durch die Wellenanlage übertragen werden. Dieser werden auch Lagerkräfte genannt. Die zweite Gruppe sind fluktuierende Interaktionen. Dieser werden insbesondere über das Wasser übertragen. Ursachen sind hierfür insbesondere hydrodynamische Kräfte. Es treten beispielsweise Druckimpulse und Druckdifferenzen auf und auch die Kavitationsdynamik hat einen Einfluss.
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Aus der
DE 41 25 436 C1 ist ein Propeller mit einer Nabe und daran lösbar befestigten Flügeln bekannt.
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Aus der
JP H03- 3 632 A ist ein axialer Strahlpropeller bekannt.
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Aus der
US 2018 / 0 105 242 A1 ist ein Verfahren zur Optimierung der Strömungscharakteristik eines Propellers bekannt.
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Aus der
US 3 133 596 A ist ein Rotationskörper und ein Herstellungsverfahren für den Rotationskörper bekannt.
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Aus der
JP S63- 162 399 A ist eine Vorrichtung zur Befestigung eines Propellers an einem Schiff bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Propellernabe bereitzustellen, welche die vergleichsweise großen auftretenden Kräfte aufzunehmen vermag und dennoch gegenüber herkömmlichen Propellernaben Gewicht einspart.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Propellernabe mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Die erfindungsgemäße Propellernabe weist einen inneren Radius auf, wobei der innere Radius der Radius der inneren Mantelfläche zur Aufnahme der Welle ist. Die Propellernabe weist weiter einen äußeren Radius auf, wobei der äußere Radius der Maximalradius der gesamten Propellernabe ist. In erster Näherung ist eine Propellernabe ein Hohlzylinder, wobei insbesondere die innere Mantelfläche zur Aufnahme der Welle konisch verlaufen kann. Die innere Mantelfläche wird auch als Nabensitz bezeichnet. Für verschiedene Querschnitte der Propellernabe entlang der Rotationsachse des (idealisierten) Hohlzylinders können sich dadurch jeweils leicht unterschiedliche Radien ergeben.
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Als Propellernabe im Sinne der Erfindung wird die einstückig ausgeführte Verbindung zwischen Welle und Propellerblatt verstanden. Dabei kann die Propellernabe in einer ersten Ausführungsform Mittel zur Verbindung der Propellerblätter aufweisen. Beispielsweise können die Propellerblätter direkt mit der Propellernabe verschraubt werden, was im Falle von Propellerblättern aus Metall bevorzugt ist. Beispielsweise können die Propeller in einen Propellerfuß eingebracht und der Propellerfuß mit der Propellernabe verschraubt werden, was bei Propellerblättern insbesondere aus faserverstärkten Kunststoffen bevorzugt ist. Daher können beispielsweise auf der Propellernabe noch ein Propellerfuß oder eine Propellerfußabdeckung angeordnet werden. Hydrodynamisch und optisch wird hierdurch die Nabe größer. Dem entsprechend ist der Maximalradius der gesamten Propellernabe somit nur der Maximalradius der einstückig ausgeführten Propellernabe und nicht der Maximalradius aller auf der Propellernabe angeordneten Bauteile. In einer zweiten Ausführungsform ist der Propeller einstückig ausgeführt, Propellernabe und Propellerblätter sind somit ein zusammenhängendes Bauteil. Bei einstückig hergestellten Propellern, bei denen keine lösbare Verbindung zwischen Propellernabe und den Propellerblättern besteht, ist der Maximalradius derjenige Radius der bis zum wellenseitigen Ende der Blattwurzel reicht, welche das Propellerblatt an die rotationssymetrische Nabe anbindet.
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In der ersten Ausführungsform mit lösbar anbringbaren Propellerblättern weist die Propellernabe an der Außenseite wenigstens drei Basisflächen zur Aufnahme von Propellerblättern an der Propellernabe auf, wobei die drei Basisflächen Mittel zur lösbaren Befestigung der Propellerblätter aufweisen. Die Propellerblätter sind also nicht stoffschlüssig mit der Propellernabe verbunden, sondern über mindestens eine formschlüssige Verbindung, eine reibschlüssige Verbindung, eine kraftschlüssige Verbindung oder eine vorgespannte formschlüssige Verbindung an der Propellernabe verbunden. Die Basisflächen können als Ausnehmungen ausgeführt sein. Üblicherweise weist die Propellernabe mehr als drei Basisflächen auf, insbesondere sieben bis neun Basisflächen, Die Zahl der Basisflächen wird durch die Zahl der Blätter des Propellers bestimmt.
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Der innere Bereich, welcher zur Anbindung an die Welle ausgebildet ist, ist massiv ausgeführt. Ebenso ist der äußere Bereich, welcher die äußere Mantelfläche der Propellernabe bildet, massiv ausgeführt. Diese Bereiche haben die höchsten Kraftbelastungen aufzunehmen. Außerdem werden hier Verschraubungen angebracht, um beispielsweise die Propellerblätter an der Propellernabe zu befestigen. Gerade an diesen Verschraubungsstellen treten hohe Kraftbelastungen auf.
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Erfindungswesentlich ist der Bereich zwischen dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich porös ausgebildet. In einer Alternative der Erfindung ist die räumliche Struktur des porösen Bereiches mittels bionischer Verfahren ausgelegt. Beispielsweise kann der poröse Bereich eine innere Struktur entsprechen einer Kieselalge aufweisen. Porös im Sinne der Erfindung bedeutet, dass das Volumen des porösen Bereichs nicht massiv aus einem Material gefertigt ist, sondern Hohlräume und damit Phasenübergänge im porösen Bereich aufweist. Sind die Hohlräume gas- oder wassergefüllt, so ergibt sich, insbesondere bei einer aus Metall gefertigten Propellernabe, eine im Mittel geringere Dichte als ein vergleichbares Volumen des inneren und äußeren Bereichs. Neben den erwähnten bionischen Strukturen, ist in einer zweiten Alternative der Erfindung der poröse Bereich durch regelmäßige geometrische Strukturen, nämlich eine dreifachperiodischen Minimalflächen-Struktur, oder Metallschäume gebildet. Bevorzugt ist das Material, aus dem der porösen Bereich gebildet ist, gleich dem Material des inneren und des äußeren Bereichs. Die Herstellung der Propellernabe erfolgt bevorzugt mittels additiver Fertigungsverfahren.
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Die Integration eines porösen Bereiches im Inneren der Propellernabe ist erst durch die Verwendbarkeit additiver Fertigungsverfahren auch für derartig mechanisch belastete Bauteile ermöglicht worden. Insbesondere wird daher die erfindungsgemäße Propellernabe mittels additiver Fertigungstechniken (3D-Druck) hergestellt. Durch die Materialreduktion wird automatisch eine Gewichtsreduktion erreicht. Weiter wird dadurch natürlich auch das Trägheitsmoment reduziert. Es wird auch die Lagerreaktion in der Wellenanlage positiv beeinflusst.
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Die Propellernabe kann auch, insbesondere zusätzlich, auf weitere Eigenschaften bei der Auslegung optimiert werden, beispielsweise und insbesondere auf Propellerdynamik und Propellersignatur.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke der innere Bereich 0,2 bis 0,4 des inneren Radius. Die Dicke der äußere Bereich beträgt 0,1 bis 0,3 des äußeren Radius.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der äußere Bereich gleiche Dicken an der äußeren Mantelfläche der Propellernabe, den Seitenwänden der Ausnehmungen zur Aufnahme von Propellerblättern sowie an der Unterseite der Ausnehmungen zur Aufnahme von Propellerblättern auf.
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Erfindungsgemäß sind die Hohlräume der porösen inneren Struktur des porösen Bereiches miteinander verbunden. Erfindungsgemäß sind die Hohlräume der porösen inneren Struktur über wenigstens eine Öffnung in dem äußeren Bereich mit der Umgebung verbunden. Hierdurch ist ein Druckausgleich zur Umgebung möglich. Weiter bevorzugt sind die Hohlräume der porösen inneren Struktur über wenigstens zwei Öffnungen in dem äußeren Bereich mit der Umgebung verbunden. Hierdurch kann eine sichere Entlüftung gewährleistet werden. Weiter können durch die Öffnung durch den additiven Fertigungsprozess bedingte Verunreinigungen aus den Hohlräumen entfernt werden. Dieses ist besonders bevorzugt, wenn temporär für den Teileaufbau Stützstrukturen mitgedruckt werden, welche nach dem Abschluss des Drucks wieder entfernt werden müssen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Propellernabe wenigstens einen Ölführungskanal auf. Der Ölführungskanal weist einen Durchgang durch den inneren Bereich auf. Der Ölführungskanal verläuft durch den porösen Bereich, wobei der Ölführungskanal fluidtechnisch vom porösen Bereich getrennt ist. Aufgrund der additiven Fertigungsverfahren ist es vergleichsweise einfach möglich eine Fluidzuführung zur Zuführung von Öl in den Kanal zwischen Propellernabe und Welle in die Propellernabe zu integrieren. Herkömmlicher Weise wird das Öl an der inneren Mantelfläche über ring- und spiralförmige Nuten an der Trennfläche zwischen der Propellernabe und der Welle verteilt. Dadurch schwimmt die Nabe auf dem Ölfilm auf und kann auf die Welle aufgeschoben werden. Über ein additives Fertigungsverfahren können diese Ölführungsnuten an der innen Mantelfläche ebenfalls einen freien Verlauf haben und dadurch kann die Verteilung des Öls an der Trennfläche optimiert werden. Es ist beispielsweise ein wabenförmiges Nutraster denkbar, wodurch das Öl sehr gezielt und gleichmäßig verteilt werden könnte.
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Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Propellernabe anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- 1 Propellernabe
- 2 Propellernabe mit Propellerblättern und auf Welle
- 3 Propellernabe mit Öffnung
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Die Figuren sind stark schematisch und nicht maßstabsgerecht zu verstehen. Beispielsweise stehen die Ausnehmungen 40 in keinem Verhältnis zur Gesamtgröße der Propellernabe 10. Alle Figuren zeigen einen Querschnitt in einer Radialebene durch eine Propellernabe 10, wobei die Radialebene senkrecht zur Rotationsachse ist.
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In 1 ist die Propellernabe 10 dargestellt. Die Propellernabe 10 weist eine äußere Mantelfläche 100 und eine innere Mantelfläche 110 auf. Weiter weist die Propellernabe 10 Ausnehmungen 40 auf, in welche Propellerblätter 130 eingebracht werden können. Die Propellernabe 10 weist einen inneren Radius 20 auf, in diesen Hohlraum kann eine Welle 120 eingebracht werden. Weiter weist die Propellernabe 10 einen äußeren Radius 30 auf, welcher durch die äußere Mantelfläche 100 gegeben ist. Weiter weist die Propellernabe 10 einen inneren Bereich 50 und einen äußere Bereich 60 auf, welche beide massiv ausgeführt sind. Zwischen dem inneren Bereich 50 und dem äußeren Bereich 60 ist ein poröser Bereich 70 angeordnet. Der poröse Bereich 70 weist beispielsweise eine innere Struktur auf, welche bionisch konstruiert und an die innere Struktur einer Kieselalge angelehnt ist. Der äußere Bereich 60 weist eine konstante Dicke auf, sowohl gegenüber der äußere Mantelfläche 100 als auch gegenüber den Seitenflächen 80 der Ausnehmungen 40 sowie der Unterseite 90 der Ausnehmungen 40.
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2 zeigt die Propellernabe 10 mit Welle 120 und Propellerblättern 130.
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In 3 ist zusätzlich eine Öffnung 140 zu erkennen, durch welche der poröse Bereich 70 mit der Umgebung im Druckausgleich steht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Propellernabe
- 20
- innerer Radius
- 30
- äußerer Radius
- 40
- Ausnehmung
- 50
- innerer Bereich
- 60
- äußerer Bereich
- 70
- poröser Bereich
- 80
- Seitenwand der Ausnehmung
- 90
- Unterseite der Ausnehmung
- 100
- äußere Mantelfläche
- 110
- innere Mantelfläche
- 120
- Welle
- 130
- Propellerblatt
- 140
- Öffnung
