DE1531746C1

DE1531746C1 - Verfahren zur Verbesserung des Antriebswirkungsgrades einer Schiffsschraube und Schiffsschraube zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1531746C1
Application number: DE1531746A
Authority: DE
Inventors: Canevari Gerard P
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co; Esso Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1966-08-08
Filing date: 1967-08-07
Publication date: 1984-05-24
Also published as: US4318671A; IT1159059B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung des Antriebs Wirkungsgrades einer Schiffsschraube und auf eine Schiffsschraube zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei bekannten Schiffsschrauben, wie sie z. B. häufig bei großen Ozeandampfern verwendet werden, läßt sich ein Wirkungsgrad von etwa 70% erreichen. Von dem 30% igen Verlust des Wirkungsgrades ist etwa die eine Hälfte dem induzierten Widerstand zuzuschreiben (15%), während die andere Hälfte aufgrund des Viskositäts- bzw. Reibungswiderstandes (15%) verlorengeht.

Nach der Erfindung soll der durch den Reibungs- bzw. Viskositätswiderstand bedingte Verlust, den die Schraube im Wasser verursacht, wesentlich verringert werden, so daß ein beträchtlich verbesserter Gesamtwirkungsgrad der Schraube erzielbar ist.

In einem Strom eines Fluidums ist in einem laminaren Strömungsbereich gegenüber einem turbulenten Strömungsbereich ein relativ höherer Wirkungsgrad möglich, da ersterer einen geringeren Reibungswiderstand erzeugt als der turbulente Strömungsbereich. Der Übergang von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung wird durch Wirbel verursacht, die durch Schmutz, Oberflächenrauhigkeit u. dgl. ausgelöst werden. Diese Wirbel treten mit einer bestimmten Frequenz und Intensität auf und sind bei höheren Reynoldssehen Zahlen größer. Bekanntlich tritt mit zunehmender Reynoldszahl Turbulenz auf. Bei den üblichen Schiffsschrauben ist die Reynoldssche Zahl gewöhnlich groß genug, um eine Wirbelströmung um die Schraubenflächen herum zu erzeugen, so daß eine gewisse Energiemenge verlorengeht.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung des Antriebswirkungsgrades einer Schiffsschraube und eine. Schiffsschraube zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, welche bei gleicher Maschinenleistung, des Schiffes und sonst gleichen Bedingungen eine höhere Schiffsgeschwindigkeit zu erzielen gestatten oder welche bei gleicher Geschwindigkeit" mit einer geringeren Maschinenleistung bzw. einem geringeren auf die Antriebswelle der Schiffsschraube ausgeübten Drehmoment auskommen. Erfindungsgexnäß wird dies dadurch erreicht, daß ein den Viskositätswiderstand verringerndes viskoelastisches Polymer mit hohem Molekulargewicht entlang der Schraubenflügelanströmkante in die Grenzschicht an der Schraubenflügeloberfläche eingeleitet wird.

Gemäß der Erfindung wird somit ein geringer Zusatz eines viskoelastischen Polymers in den kritischen Bereich der Schraubenflügel eingeleitet, um das Aufkommen von Turbulenz an diesen Stellen zu unterbinden und dadurch eine laminare Strömung an den Schraubenflügeln aufrechtzuerhalten. Da auf diese Weise die Ausbildung einer Turbulenzströmung verhindert wird, stellt man an der Schraube einen erheblich geringeren Reibungs- bzw. Viskositätswiderstand und einen entsprechend verbesserten Wirkungsgrad fest. Die viskoelastische Beschaffenheit des Polymermoleküls gestattet dem Molekül, als eine Art »Feder« zu wirken. Die Fähigkeit des Polymermoleküls, die Ausbildung einer

Turbulenzströmung zu dämpfen, wird daher auf seine »Federwirkung« oder seine Elastizität zurückgeführt, die ihrerseits von seiner molekularen Struktur abhängt. Ein mit Vorteil angewendetes Polymer ist beispielsweise Polyoxyäthylen, welches unter der handelsüblichen Bezeichnung »POLYOX« vertrieben wird und mit Erfolg bereits eingesetzt worden ist. Andere ähnliche Substanzen, z. B. Polyacrylamid oder andere lineare Polymere mit hohem Molekulargewicht von mehr als 500 000, die eine relativ hohe »Federwirkung« oder eine genügend lange Relaxationszeit aufweisen, lassen sich jedoch mit gleich gutem Erfolg einsetzen. Aufgrund von Versuchen ist festgestellt worden, daß eine Einleitung von Polymer in einer Menge von 0,1 bis etwa 100 Teilen auf 1 Million Teile Wasser (10-⁷ bis 10-⁴) ausreichend ist, um in dem Bereich unmittelbar hinter den Polymerauslaßöffnungen das Entstehen einer Turbulenzströmung zu unterbinden und um eine laminare Strömung zu gewährleisten.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muß im Inneren jedes Schraubenflügels ein Kanal angeordnet werden. Derartige Kanäle sind an und für sich bekannt (siehe beispielsweise Geißler »Der Schraubenpropeller« Berlin Springer 1918, Seite 68 und Abb. 176, deutsche Patentschrift 8 46 361 und US-Patentschrift 20 58 361, US-Patentschrift 25 11156). Durch derartige Kanäle wurde bisher Druckwasser durchgeleitet und an gewissen Stellen der Schraubenflügel ausgestoßen — teils um auf der Saugseite der Schraubenflügel Kavitation zu vermeiden, teils um einen Hilfsantrieb bzw. alleinigen Antrieb der Schiffsschraube durch die Reaktionswirkung der ausgestoßenen Wasserstrahlen zu bewirken. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weisen die Kanäle im Bereich der Anströmkante entweder auf beiden Seiten eines Schraubenflügels oder nur auf der Druckseite, d. h. auf der rückwärtigen Fläche jedes Schraubenflügels, öffnungen auf, durch welche das viskoelastische Polymer an jenen Stellen in das Umgebungswasser eingeführt werden kann, an welchen Turbulenz normalerweise auftreten würde. Durch an sich bekannte, im Inneren des Schraubenflügels und der Schraubenwelle angeordnete Kanäle kann das Polymer kontinuierlich, und zwar entweder in verdünnter oder konzentrierter Form den in den Schraubenflügeln angeordneten öffnungen zugeführt werden. Bei Verwendung verdünnter Polymerlösungen wird eine relativ hohe Flüssigkeitsmenge aus einem im Inneren des Schiffes angeordneten Behälter in bekannter Weise durch die Schraubenwelle und die Schraubenflügel in das umgebende Meerwasser eingeführt, wobei durch geeignete Dosierung die gewünschte Polymerkonzentration von 10~⁷ bis 10~⁴ innerhalb der Grenzschicht der Schraubenflügel erhalten wird. Das Polymer kann jedoch genauso gut in hochkonzentrierter Form mit niedrigerer Einströmmenge in das Meerwasser eingeleitet werden, wobei die gleiche Konzentration in der Grenzschicht des Schraubenflügels erhalten werden kann. In beiden Fällen kann der erwünschte verbesserte Wirkungsgrad erzielt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine teilweise Seitenansicht eines typischen Hecks eines Hochseeschiffes mit einer gemäß der Lehre der Erfindung gebauten Schiffsschraube,

F i g. 2 einen gegenüber F i g. 1 vergrößerten Schnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1 in Pfeilrichtung gesehen, F i g. 3 einen vergrößerten Querschnitt durch die Anströmkante eines Schraubenflügels eines weiteren Ausführungsbeispiels.

In F i g. 1 ist ein typisches Heckteil eines Schiffskörpers 10 mit einem herkömmlichen Steuerruder 12 gezeigt. Eine Schraube 14 ist auf bekannte Weise auf einer Antriebswelle 16 befestigt. Wie man erkennt, besitzt die Schraube 14 eine Anzahl von Flügeln, von denen jeder einen Kanal 22 aufweist, der, wie man aus dem in F i g. 2 gezeigten Querschnitt erkennt, im Inneren entlang der Anströmkante jedes Flügels ausgebildet ist.

Der Kanal 22 jedes Flügels steht im Inneren der Schraube mit einer sich durch die Antriebswelle 16 erstreckenden Leitung 20 in Verbindung. Die Leitung 20 ist mit einem Behälter 18 für die Speisung mit viskoelastischem Polymer verbunden. Es versteht sich, daß der Behälter 18 bekannte Pump- und Zuteilvorrichtungen für die Zufuhr des Polymers zu den Schraubenflügeln in der im folgenden näher beschriebenen Weise besitzt.

Jeder Kanal 22, der sich entlang der Anströmkante der Schraubenflügel erstreckt, steht mit der Oberfläche der Anströmkante eines Flügels in Verbindung, so daß das in die Kanäle eingespeiste Polymer in die Grenzschicht an der rückwärtigen Fläche bzw. Druckseite jedes Flügels austreten kann. Wie man am besten aus F i g. 2 erkennt, steht eine schlitzförmige öffnung bzw. ein Auslaßschlitz 24 von der Flügeloberfläche aus im wesentlichen entlang der gesamten Anströmkante derselben mit dem Kanal 22 in Verbindung. Bei Betrieb unter normalen Fahrtbedingungen des Schiffes befördert die in der Zeichnung nicht dargestellte Zuteileinrichtung für das Polymer eine abgemessene relativ geringe Menge an viskoelastischem Polymer mit hohem Molekulargewicht, wie Polyoxyäthylen, aus dem Behälter 18 durch die Leitung 20, die Kanäle 22 und die Auslaßöffnungen 24 in die Grenzschichten 26 der Schubfläche jedes Schraubenflügels.

Die Grenzschicht 26 bleibt unter laminarer Strömung auf Grund der Tatsache, daß die Entstehung einer turbulenten Strömung durch den Zusatz des viskoelastisehen Polymers unterdrückt wird. Die Konzentration des Polymers im Meerwasser der Grenzschicht muß nur in der Größenordnung von 10~⁷ bis 10~⁴ liegen, um das Entstehen einer turbulenten Strömung zu unterbinden. Während eine hochkonzentrierte oder reine Polymerlösung in dem Behälter 18-gespeichert sein und in sehr kleinen Mengen durch die Leitung 20 zugemessen wer-. den könnte, um die gewünschte Konzentration des Polymers im Meerwasser in der Grenzschicht von 10~⁷ bis 10-⁴ zu erhalten, verdünnt man jedoch vorzugsweise die Polymerlösung mit Wasser oder einer geeigneten Siabilisierungslösung im Behälter 18 zu einer niedrigeren Konzentration, so daß ein größeres Volumen durch den Kanal 22 und die öffnungen 24 pro Zeiteinheit bei Einhaltung der gleichen erwünschten Endkonzentration in der Grenzschicht von 10~⁷ bis 10~⁴ geleitet werden kann.

Die Bedeutung des Zustandes der Flüssigkeitsströmung in der Grenzschicht 26 auf den Wirkungsgrad der Schiffsschraube ist gut verständlich. Die Grenzschicht ist eine Zone mit erheblicher Energiezerstreuung auf Grund der Scherwirkung zwischen den die Schiffsschraube umgebenden Flüssigkeitsmassen, und den starren Flügeln der Schiffsschraube. Die Erfindung reduziert durch Einleitung einer geringen Menge eines Polymers mit hohem Molekulargewicht in diesen kleinen Bereich begrenzter Dicke, in dem die Scherwirkung der Flüssigkeit zwischen der Schubfläche der Schiffsschraube und dem Meerwasser auftritt, Störungen in

ID Jl /4b

dieser Zone auf ein Minimum, die ihrerseits Turbulenzen in der Grenzschicht 26 auslösen können, wodurch das Entstehen von Wirbelströmen unterbunden und eine laminare Strömung aufrechterhalten wird. In einem solchen laminaren Strömungszustand wird somit eine wesentlich geringere Energiemenge durch Scherwirkung verbraucht, als dies bei gleicher Geschwindigkeit unter Turbulenzbedingungen der Fall ist.

F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei wird das Polymer in die Grenzschicht 26 auf beiden Seiten jedes Schraubenflügels 14 eingeleitet. In diesem Ausführungsbeispiel dienen zwei unterbrochene, schräg geneigte Auslaßschlitze 36, die mit dem Kanal 22' in Verbindung stehen, zum Einleiten des Polymers in die Grenzschichten 26 auf der Vorder- bzw. Ansaugfläche sowie auf der rückwärtigen bzw. Schubfläche der Schraube. Auf diese Weise kann ein optimaler Wirkungsgrad des Schraubenflügels erzielt werden. Die Anordnung gemäß F i g. 3 ist besonders zweckmäßig für die nachträgliche Anwendung der Erfindung an bereits bestehenden Schrauben von herkömmlichen Schiffen, bei denen gewöhnlich eine abgestumpfte Vorderkante 30 vorhanden ist oder aber leicht hergestellt werden kann. Daran wird eine Rohrleitung 34 mit einem geeigneten, beispielsweise dreieckigen Querschnitt angebracht, die durch Lötverbindungen 32 an der Anströmkante 30 befestigt ist. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 und 2 steht der Kanal 22' mit einem geeigneten Polymer-Vorratsbehälter 18 im Schiff in Verbindung.

Modellversuche haben gezeigt, daß die Anordnung gemäß Fig.3 eine wesentliche Verringerung des von der Welle 16 der Schiffsschraube aufzunehmenden Drehmoments bei gleichbleibender Fahrtgeschwindigkeit des Schiffes ergibt. Für einen 65 000 DTW-Tanker hat man errechnet, daß bei einer Polymerzufuhr von täglich etwa 13,6 kg eine Verringerung des Drehmoments der Welle von 6'/₂°/o erzielbar ist. Läßt man andererseits das Drehmoment der Welle konstant, so kann man durch die gleiche Polymerzufuhr von 13,6 kg pro Tag einen Gewinn von 0,2 Knoten bei normalen Fahrtbedingungen des Schiffes erzielen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung des Antriebswirkungsgrades einer Schiffsschraube, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Viskositätswiderstand verringerndes viskoelastisches Polymer mit hohem Molekulargewicht entlang der Schraubenflügelanströmkante in die Grenzschicht an der Schraubenflügeloberfläche eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Polymer durch in jedem Schraubenflügel vorgesehene Kanäle (22') und auf beiden Seiten jedes Schraubenflügels möglichst nahe der Anströmkante angeordnete öffnungen (36) gefördert wird, und daß die eingeleitete Polymermenge derart bemessen wird, daß sich innerhalb der Grenzschicht eine Polymerkonzentration von höchstens 10 - ⁵ ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Polymer durch in jedem Schraubenflügel vorgesehene Kanäle (22) nur auf der Druckseite jedes Schraubenflügels eingeleitet wird, und daß die geförderte Polymermenge derart bemessen wird, daß sich innerhalb der Grenzschicht eine Polymerkonzentration von höchstens 10-⁴ ergibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Polymer durch die Antriebswelle (16) in die Schraubenflügelkanäle (22, 22') gepumpt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das viskoelastische Polymer bereits vor seiner Förderung mit Wasser oder einer Stabilisierungslösung verdünnt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch. gekennzeichnet, daß als viskoelastisches Polymer ein langkettiges lineares Polymer mit einem Molekulargewicht von mindestens 500 000 verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als viskoelastisches Polymer Polyoxyäthylen verwendet wird.

8. Schiffsschraube zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiffsschraube (14) in an sich bekannter Weise mit innerhalb jedes Schraubenflügels angeordneten Kanälen (22,22') versehen ist, die mit im Bereich der Anströmkante jedes Schraubenflügels liegenden Mündungsöffnungen (24, 36) .versehen sind.

9. Schiffsschraube nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung des viskoelastischen Polymers zu den Kanälen (22,22') in bekannter Weise über eine innerhalb der Antriebswelle (16) angeordnete Leitung (20) und eine Pump- und Zuteileinrichtung aus einem Behälter (18) erfolgt.

10. Schiffsschraube nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der im Bereich der Anströmkante (30) jedes Schraubenflügels liegende Kanal (22') innerhalb einer im Querschnitt dreieckigen Leitung (34) angeordnet ist, die mittels einer Lötverbindung (32) an der abgestumpften Vorderkante (30) des betreffenden Schraubenflügels befestigt ist, und daß die einzelnen Mündungsöffnungen (36) schlitzartig ausgeführt sind.

11. Schiffsschraube nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmschlitze (36), die den Kanal (22') mit dem Außenraum verbinden, zur Begünstigung der Einleitung des Polymers entlang der Grenzschicht (26) von der Flügelspitze her schräg nach hinten verlaufen.