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Vorrichtung zur Herabsetzung des Wasserwiderstandes bei Schiffen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herabsetzung des Wasserwiderstandes
bei Schiffen durch Untermischung des Fahrwassers mit Luft durch einen Rotationskörper,
aus dessen Hohlräumen die axial zugeführte Luft durch Öffnungen ausströmt.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, den Wasserwiderstand, der
dem Bugentgegengesetzt wird, zu verringern.
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Es ist bekannt, dem Wasser Luft beizumischen, um den Widerstand des
Wassers gegenüber dem fahrenden Schiff herabzusetzen. Bisher beschränkte man sich
in der Regel darauf, den Reibungswiderstand zu verringern, der eine Folge der Zähigkeit
des Wassers ist. Da das mit Luft untermischte Wasser komprimabel und von geringerer
Dichte ist, soll versucht werden, mit Hilfe von fein im Wasser vor dem Schiff verteilter
Luft den Formwiderstand des Schiffes, insbesondere den Staudruck = Oll - v2 (worin
4o die Dichte des Wassers bedeutet), herabzusetzen.
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Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht darin, daß dieser
Rotationskörper in Fahrtrichtung vor dem Schiffskörper angeordnet ist und die Form
eines Flügelrades mit profilierten Flügeln oder Speichen hat, dessen Flügel oder
Speichen in dem durch die Umströmung des Flügels oder der Speiche entstehenden Unterdruckgebiet
Luftaustrittsöffnungen aufweisen, denen in an sich bekannter Weise über Luftzuführungskanäle
oder einen Hohlraum im Flügel bzw. in den Speichenprofilen Luft zugeführt wird.
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Durch die beschriebene Anlage wird es möglich sein - insbesondere
mit Unterstützung durch Gebläse -, große Luftmengen dem Fahrwasser beizumengen,
weil die Luft in ein Unterdruckgebiet eingebracht wird, das unabhängig von Lage,
Geschwindigkeit, Wasserdruck und Tiefe des Schiffes erfindungsgemäß unentwegt erzeugt
wird.
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Vor dem Bug soll ein mit Luft untermischter Raum entstehen, welcher
annähernd der Schiffsbreite entspricht.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Öffnungen der Flügel
an Stellen größter Umfangsgeschwindigkeit liegen.
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Ein Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die Flügel in zwei Blätter
gespalten sind und deren Abstand voneinander sowie auch das Profil der Spaltöffnung
und des Flügelquerschnittes veränderlich sind.
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Das einströmende Wasser tritt in den Flügel von der Vorderkante in
den Hohlraum ein, der nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe ausgebaut ist. Hier
reißt der Wasserstrahl Luft mit und tritt dann, mit Luft untermischt, an der Hinterkante
des Flügels aus. Diese Art der Flügelräder kann auch an den anderen sogbildenden
Stellen der Flügel weitere Ansaugöffnungen für Luft haben. Die Einströmöffnung kann
drallerzeugende oder den Wasserstrahl aufsplitternde Profile besitzen, um möglichst
viel Luft mitzureißen. Die Spaltöffnungen können verschieden breit eingestellt werden,
um damit Einfluß auf die Menge des einströmenden Wassers zu gewinnen.
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Um eine Abstimmung auf den Strömungswiderstand und die jeweilige Fahrgeschwindigkeit
zu erreichen, ist es wesentlich, daß die Flügel frei einstellbar auf Achsen befestigt
sind, deren Mittellinien senkrecht zur Mittellinie der Schraubenwelle verlaufen.
Auch hier wird die Luft über eine Hohlwelle zugeführt. Die Flügelräder können auch,
als Ganzes auf einer Art Kugelgelenk laufend, sich automatisch und frei auf Strömungswiderstände
einstellend, montiert werden. Die Verbindung des Luftzuführungskanals der Welle
mit den Kanälen der Flügel kann durch fliehkraftöffnende Ventile erfolgen, deren
Federn so abgestimmt sind, daß die Ansaugfunktion gegenüber dem Wasserdruck gewährleistet
ist, sobald die genügende Umdrehungszahl erreicht ist.
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Die Flügelräder, die in Ruhe waren, würden ihre Saugfunktion nicht
in Betrieb setzen, wenn nicht durch die Fliehkraft das Wasser, das in die Hohlräume
der Anlage (oder Vorrichtung) im Ruhezustand eingedrungen ist, herausgeschleudert
wird. Zu diesem Zweck sind Bohrungen, die sich an den Enden der Flügel befinden,
vorhanden, aus denen das Wasser an der Stelle des größten Radius herausgeschleudert
wird.
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Mehrere der beschriebenen Flügelräder können symmetrisch zum Bug angebracht
werden und verschieden große Durchmesser haben.
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Die oben beschriebenen Flügelräder können in verschiedenen Anordnungen
und Kombinationen am Bug oder vor dem Schiffsbug angebracht werden. Es soll
eine
möglichst große Fläche durch diese Vorrichtung vor dem Schiff bestrichen werden,
um eine breite Zone der Luftuntermischung zu erzielen.
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Es ist daran gedacht, die Flügelräder auch als Antriebspropeller zu
benutzen oder sie auf der gleichen Welle eines vor dem Bug- arbeitenden Antriebspropellers
laufen zu lassen.
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Ferner besteht die Möglichkeit, daß zwei gegenläufig arbeitende Flügelräder
gleichzeitig als Doppelantriebspropeller funktionieren. Die Fläche dieser Flügelräder
muß größer gehalten werden als bei den üblichen Propellern, weil durch die Luftuntermischung
der Sog vor der Schraube geringer wird und dieser Ausfall durch erhöhte Schubleistung
ausgeglichen werden soll.
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Um die Möglichkeit der Reinigung, Reparatur und Außerbetriebsetzung
dieser Vorrichtungen zu haben, ist es weiterhin wesentlich, daß die vorbeschriebenen
Flügelräder vorn auf einer Schiene befestigt sind, die aus dem Wasser herausziehbar
oder herausschwenkbar mittels Seilzug oder Hebegestänge ausgebildet ist.
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Das Flügelrad läuft in der Regel vor der Schiene, um auch den Strömungswiderstand
der Schiene herabzusetzen. Der Antrieb kann durch Ketten, Wellen oder Motore innerhalb
der Schienen erfolgen. Die Luft wird über einen Hohlraum der Schiene zugeführt.
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Alle Anlagen der beschriebenen Art können auch in das Schiffsinnere
eindrehbar am Schiff montiert werden.
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Weitere Möglichkeiten bestehen darin, daß die Flügelräder vor Schleppkähnen
ähnlich einem Außenbordmotor an einem Boot oder dem Heck des Schleppers angebracht
arbeiten.
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Alle Anlagen können vorzugsweise mit Gebläsen kombiniert werden.
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Der Erfindungsgegenstand ist in Beschreibung und verschiedenen Ausführungsbeispielen
erläutert und anschaulich dargestellt. Es zeigt Fig. 1 ein Flügelrad in Vorder-
und Seitenansicht in Schemadarstellung, in A bis E das Prinzip und Variationen der
Formgebung der Wasserstrahlpumpe im Hohlflügel, Fig.2 ein Flügelrad in Vorderansicht
mit Hohlflügeln, Luftaustrittsöffnungen an sogbildenden Stellen und Löchern zum
Herausschleudern des Wassers sowie mit einem Profilquerschnitt, Fig. 3 einen Schnitt
I-I in Fig. 2, Fig.4 frei einstellbare Flügel mit Luftaustrittsöffnungen im Flügelmantel,
in A einen Schnitt 1-1, in E eine Draufsicht auf das Flügelprofil, Fig. 5 ein Flügelrad
mit frei einstellbaren Flügeln mit einem Schnitt D bei II-II, einem Schnitt
B bei III-III und einem Schnitt C bei IV-IV, Fig.6 ein Flügelspeichenrad
in perspektiver Ansicht, Fig. 7 einen Schnitt VI-VI bei Fig. 6 mit einem Profilquerschnitt
V-V einer Speiche, Fig. 8 die Anbringung eines Flügelrades bei Hochseeschiffen,
Fig.9 den Schiffsbug eines Hochseeschiffes mit Flügelrad und Schnittbild A bei 1-I,
Fig. 10 eine Bugansicht mit Flügelrädern, die an einem Gestänge montiert und über
Wasser gezogen werden können, Fig. 11 eine Seitenansicht nach Fig. 10 mit Schnittbild
A, nach welchem die Flügel, gelenkartig gelagert, sich der Strömung frei anpassen
können, Fig. 12 ein Schiff in Ansicht mit einem mittels Kran aus- und einschwenkbaren
Bug-Flügelrad, Fig. 13 eine Flügelradanordnung an einem Beiboot, wobei die Luftzuführung
durch einen Preßluftschlauch erfolgt, Fig. 14 eine Flügelradanordnung am Heck eines
Schleppers.
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In der Darstellung Fig.1 ist ein Flügelrad in Vorder- und Seitenansicht
mit Schema gezeigt, deren Flügel bei 1, wie in den Variationen A bis E gezeigt,
gespalten ist. In diesen Spalt tritt das Wasser ein und reißt im Bereich 2 die Luft
mit. Das mit Luft untermischte Wasser strömt in Pfeilrichtung 3 aus. Um das Prinzip
dieser Art von Flügelrädern zu zeigen, sind die Flügel hier fest mit der hohlen
Antriebswelle 4 verbunden. In dieser Darstellung ist ferner zu erkennen, daß eine
Verbindung des Luftraumes 2 mit dem Luftraum der Hohlwelle 4 gegeben ist.
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In den gezeigten Variationen von Flügelquerschnitten A bis
E ist z. B. bei der Abbildung A die%4ntrittsöffnung mit schraubenähnlichen
Zügen verseie4, um dem Wasserstrahl einen Drall zu geben, damit im Luftraum 2 möglichst
viel Luft mitgerissen wird.
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Bei Abbildung B ist eine ähnlich geformte Längsleiste im Eintrittsschlitz
des Flügels angebracht.
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Bei Abbildung C ist diese Leiste in den Luftraum 2 zurückgenommen,
um den Widerstand zu verringern. Bei Abbildung D ist eine Hohlleiste eingebaut,
die zunächst den Wasserstrahl aufsplittert und dann selbst hinter sich einen Sog
erzeugt, um auch an dieser Stelle Luft anzusaugen.
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Bei Abbildung E sind mehrere Wasserstrahlpumpensysteme ineinander
verschachtelt und so angeordnet, daß der Widerstand möglichst gering bleibt. An
Ende dieser Systeme gibt eine bereits vorbeschriebene Leiste dem Wasserstrahl einen
letzten; aufsplitternden Drall.
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Es sind natürlich noch andere Biegungen, Vorwölbungen und symmetrische
Auswölbungen möglich, um einen Drall des Wasserstrahles zu erzeugen, z. B. strahlenaufsplitternde
Vorsprünge und sägenartig aufgebogene Eintrittsleisten.
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Insgesamt muß beachtet werden, daß die Austrittsöffnungen für das
Luft-Wasser-Gemisch in den Flügeln größer als die Eintrittsöffnungen gehalten werden
müssen, damit es im Hohlraum des Flügels zu keiner Stauung kommt und damit die Saugfunktion
vergrößert wird.
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In Fig. 2 und 3 zeigen die Flügel, deren Hohlraum mit dem Luftmantel
4 der Welle kommuniziert, verschiedenartige Perforationen bei 5. Diese Perforationen
liegen an den Stellen der tragflügelähnlich geformten Flügel, an denen bei den Umdrehungen
des Flügelrades im Wasser ein Unterdruck entsteht, wodurch an dieser Stelle Luft
angesaugt wird. Aus den Löchern oder Schlitzen 5a wird durch die Fliehkraft bei
den Umdrehungen des Flügelrades das Wasser herausgeschleudert, welches im Ruhestand
in die Hohlräume 2 der Flügel, den Luftmantel 4 der Welle sowie in die zuführenden
Luftkanäle eingedrungen ist. Auch diese öffnungen sollen so geformt sein, daß bei
der Umdrehung des Flügelrades hier Luft angesaugt wird.
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Das Flügelrad nach Darstellung in Fig. 4 und 5 besitzt frei einstellbare
Flügel, welche sich selbsttätig auf den geringsten Wasserwiderstand einstellen und
einen gleichmäßig durchtretenden Wasserstrahl ermöglichen. Im Flügel sind, wie auch
in Fig.2. Perforationen 5 angeordnet. Ein Schnitt I-I bei Fig. 4 ist in der Abbildung
A gezeigt, während in Abbildung E die zweckmäßige Form eines Flügelprofils dargestellt
wird. Die Abbildungen B, C und D entsprechen
einem
jeweiligen Schnitt II, III und IV bei Fig.5. Wie in Fig. 11 dargestellt, kann auch
dieses Flügelrad mit einer Art Kugelgelenk ausgebildet sein, womit eine automatische
Anpassung an die Strömung bei Schiffsbewegungen erreicht werden soll. Der Antrieb
kann beispielsweise über ein Kreuzgelenk erfolgen.
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In Fig. 6 und 7 ist ein achtflügeliges Flügelrad mit frei einstellbaren
Flügeln dargestellt, welche außen durch einen Radkranz gehalten werden. Dieses Flügelrad
funktioniert wie bei Fig. 2 und 3 beschrieben; es sind jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel
die Querschnitte der Hohlflügel stromlinienförmig und wirken dabei auf jeder Seite
luftuntermischend. Die luftzuführenden Rohre sind wie Radspeichen angeordnet und
fest mit der Nabe, d. h. der Welle und dem Radkranz, verbunden. Die Flügelmäntel
sind um die Speichen gelegt und stellen sich an ihnen automatisch auf die gegebene
Strömung ein. In Abbildung F, einem Schnitt V-V bei Fig. 7 und dieser selbst ist
Vorbeschriebenes anschaulich dargestellt. Dieses leichte Flügelrad ist insbesondere
für kleinere Schiffe gedacht.
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In einem nicht dargestellten Anwendungsbeispiel tritt der Luftuntermischungseffekt
erst bei einer bestimmten Umdrehungszahl des Flügelrades auf, zuerst im Bereich
des größten Radius, weshalb die Luftkanäle des Flügels mit federbelasteten Ventilkugeln
versehen sein können. Eine solche Ventilkugel gibt z. B. die Öffnung zwischen dem
Luftraum einer Welle und einem Kanal frei, nachdem an dieser Stelle bereits durch
die Zentrifugalkraft das Wasser aus dem Kanal aasgeschleudert ist und die Zentrifugalkraft
der Ventilkugel die Federkraft überwindet, wodurch die Luft in den Kanal ausströmen
kann.
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Bei der Darstellung nach Fig.8 und 9 ist ein Flügelrad gemäß Fig.
2 am Unterwasserbugteil eines Hochseeschiffes angeordnet.
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Auch bei der Darstellung in Fig. 10 und 11 sind Flügelräder gemäß
Darstellung und Beschreibung nach Fig.2 und 3 in Anwendung gebracht. Die Flügelräder
sind in diesem Anwendungsbeispiel an einem aufhievbaren Gestänge, durch das die
Luft zugeführt wird, dargestellt. Diese Vorrichtung kann in Pfeilrichtung hochgehoben
oder gesenkt werden, wodurch die Flügelräder nach Bedarf in Aktion oder außer Aktion
gebracht werden können. Auch in diesem Anwendungsbeispiel können die Flügelräder
mit einer Art Kugelgelenk, wie in Fig. 11 gezeigt, ausgestattet sein, um eine automatische
Anpassung an die Strömung bei Schiffsbewegungen zu sichern.
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In Fig. 12 ist ein Schiff gezeigt, welches am Bug ein an einem Gestänge
angeordnetes, mittels Kran ausschwenkbares Flügelrad aufweist. Diesem Flügelrad
wird, wie vorbeschrieben, durch das Gestänge Luft zugeführt, wobei der Antrieb in
diesem Falle sich im Schiffsinnern befindet.
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In der Darstellung Fig. 12 ist, wie vorbeschrieben, das Schiff mit
einem ausschwenkbaren Flügelrad gemäß der Darstellung nach Fig. 2 ausgestattet.
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Ein anderes Anwendungsbeispiel ist in Fig. 13 und 14 gezeigt, wonach
ein Flügelrad gemäß Darstellung in Fig. 1 und 2 vor Schleppkähne, auf Schleppfahrzeugen
oder auf einem Beiboot, ähnlich einem Außenbordmotor, angebracht werden kann. Dabei
ist es möglich, über eine Schlepptrosse die günstige Entfernung des Schleppkahnes
zum Flügelrad zu regulieren. Das Flügelrad kann über einen Preßluftschlauch mit
einem Gebläse auf dem Schlepper in Verbindung gebracht werden. Diese Vorrichtung
läßt sich auch über mehrere Schleppkähne erweitern oder mit anderen Anlagen zum
Erzeugen einer mit Luft untermischten Zone des Wassers vor dem Bug der Schleppkähne
kombinieren.
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Zusammenfassend ist zu sagen, daß der Staudruck durch den Einbau derartiger
Anlagen vermindert wird.
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Die Wirtschaftlichkeit dieser erfindungsgemäßen Anlagen darf erwartet
werden.