DE1756889C - Schiffsschraubenanordnung - Google Patents

Description

Als Antriebeorgan für Schiffe sind Schiflfsschrnu- rad eine weitere Wasiiermaese zur Schuberzeugung , ben in den verschiedensten Ausführungsformen be· erfaßt wird.

kann*. Für den Antrieb eines vorgegebenen Schiffes Der Realisierung dieser Idee steht jedoch entmittels einer Schiffsschraube gibt es eine optimale gegen, daß hohe Reibungsverluste an dem Gesamt« Lösung. Wenn die Drehzahl der Schiffsschraube vor· 3 organ, bestehend aus Propeller und Leitrad, ent· gegeben ist, so ergibt sich für did Schiffsschraube stehen, durch die in den meisten Füllen die Gewinne ein optimaler Durchmesser. In dem Fall, wenn der aufgezehrt werden. Der Energieanteil, der schließ» Durchmesser der Schiffsschraube vorgegeben ist, er· lieh in dem liußeren Ring, nfmlich dem Qebertcil, hlilt mim eine optimale Drehzahl. Um die Wirkung des Leitrades verarbeitet wird, wird in dem gesam· der Schiffsschraube zu erhöhen, ist es bekannt, vor 10 ton An'triebsorgtm dreimal umgesetzt, und jedes Mal oder hinter der Schiffsschraube Leiteinrichtungen entstehen Reibungsverluste: Zuerst wird dieser Rneranzuordncn oder die Schraube mitteis eines Mantel- gieteil in der Antriebsschraube von mechanischer in körpers zu umgeben oder zwei gegenlttufige oder kinetische Energie im Schrnubenstrahl zwischen zwei glcichdrchende Schrauben auf einer gemein* Schraube und Leitrad umgesetzt, dann in dem limesamen Welle anzuordnen. Letztere Schraubenanord- 13 ron Teil, dem Empfüngerteil, des Leitrades von kinenung ist unter der Bezeichnung Tandempropeller tischer In mechanische Energie zurlickverwandelt bekannt. und schließlich in dem äußeren Teil des Leitrades

Ferner ist es auch bekannt, feste Leiteinrichtungen von mechanischer Energie in Vortriebs- und kinezu verwenden, um den Wirkungsgrad der Schiffs- tische Energie umgesetzt.

schraube zu verbessern. Neben mehrflügeligen Leit- ao Demgegenüber ist es das Ziel der Erfindung, eine einrichtungen ist es bekannt, den Achtersteven oder Schraubenanordnung mit einem freifliegend gelagerdie Vorderkante des Ruders zu verwinden, um hier- ten, der Antriebsschraube nachgeschalteten Leitrad durch eine kleine Leitwirkung zu erzielen. Da die zu schaffen, die gegenüber den bekannten Ausfühhiermit erzielte Verbesserung des Wirkungsgrades rungsformen mit solchen Merkmalen ausgestattet ist, jedoch bei großen Schiffen gering ist, wird diese Aus- 35 daß eine optimale Auslegung von Schraube und Leitführimgsforni in der Praxis kaum verwirklicht. rad und damit eine erfolgreiche Realisierung eines

Darüber hinaus ist es bekannt, hinter der Schiffs- möglichst hohen Wirkungsgrades des Antriebes erst schraube eine um die gleiche Achse rotierende Tür- möglich wird. Es sind die folgenden, unbedingt erbine anzuordnen. Durch diese Tuibine, die dem forderlichen Merkmale, die die Erfindung kennzeich-Schruubenstruhl Energie entnimmt, wird eine zweite 30 nen:

mit der Tuibine fest verbundene Schraube angetrie- a) Die Flügel des Leitrades sind in dem von der

ben, deren Durchmesser größer bemessen ist als der gleichen, die Antriebsschraube durchfließenden Was-Durchmcsser der primären Schraube. Dieser Aus- sermenge durchströmten Bereich innerhalb der fühnnigsform liegt die Überlegung zugrunde, eine Strahleinschnürung der Antriebsschraube tuibinen-Drehzahlenuntersetzung außerhalb des Schiffes 35 schaufelaitig und In dem Bereich außerhalb der unterzubringen, ein hydromcchanisches Getriebe mit Strahleinschnürung der Antriebsschraubo propellerdem Antriebsorgan zu einem kombinierten Organ flügelaitig ausgebildet. Nur diese Profilierung entzu vereinigen und hierdurch trotz einer hohen Dreh- sprechend der Aibeitsweise der Flügel führt zu gezahl der Antriebswelle zu erreichen, daß die Fläche ringen Reibungsverlusten.

des gesamten Antriebsoigans groß ist und eine große 40 b) Die Anzahl der Flügel des Leitrades ist größer Wassermasse durch diese Flüche strömt. Etwa die als die Anzahl der Flügel der Antriebsschraube. Für gleichen Überlegungen liegen dem bekannten Vor- jede Strömungsmaschine, Turbine, Pumpe oder Proschlag zugrunde, eine axial durchströmte Kreisel- pcller, gibt es eine optimale Flügelzahl, die zu dem maschine für den Schiffsantrieb oder für Pumpen geringsten Gesamtverlust führt, üine hohe Flügelzahl mit einem hydromechanischen Getriebe zu koinbi- 45 führt ju niedrigen induzierten Verlusten, da die innieren. Die Hauptaufgabe dieser mehrstufigen Krei- duzierte Strömung in und hintei der Maschine dann selmasihine liegt in einer Untersetzung, d. h. in der gleichmäßiger verläuft, aber zu großen Reibungs-Zulassung einer hohen Drehzahl der primären Pro- Verlusten, und für eine niedrige Flügelzahl trifft das pellerpumpe. Hierzu ist eine komplizierte Bauart er- Entgegengesetzte zu. Wo die optimale Flügelzahl forderlich geworden, bei der Vei kiste an zu vielen 5° liegt, hängt von der Schnelläufigkeit der Maschine Einzelteilen entstehen, nämlich an den beiden Pum- ab. Für eine schnelläufige Maschine ist die optimale penlaufcrn, den beiden Turbinenläufern, den beiden FlUgelzahl niedrig, wie beispielsweise bei der Kaplanfesten im inneren Teil liegenden I.eitfliithen, dem Turbine; für eine langsam laufende Maschine ist die inneren Zylinder, dem äußeren Propellerlaufcr, den optimale Flügelzahl hoch, z. B. bei der Francis-Turbeiden äußeren festen Leitflächen und <in dem gro- 55 bine. Die Antiiebsschruube nach der erfindungsßen äußeren Zylinder, so daß eine Wirtschaftlichkeit gemäßen Schraubenanordnung läuft relativ schnell dieser bekannten Vorrichtung nicht gegeben ist. und muß daher eine relativ geringe Flügelzahl erhal-

Ferner ist eine Schraubenanordnung bekannt, die ten, während das Leitrad langsam läuft und daher aus einer Antriebsschraube und einem dahinter lic- eine huhc Flügelzahl erhalten muß.
genden, rotierenden Leitrad besteht, dessen Durch- 6° c) Das Leitrad weist eine Steigung auf, die 1,4 bis messer gleich oder größer bemessen ist als der 4mal so groß ist als die der zugeordneten Antriebs-Diirchmesser der Antriebsschraube, so daß das Leit- schraube, wodurch erreicht wird, daß die Drehzahl rad als Empfänger und Geber von Energie arbeitet. des Leitrades etwa 0,25mal bis OJmal der Drehzahl Dieser Anordnung liegt vermutlich die Idee zu- der Antriebsscheibe ist. Die Steigung und damit die gründe, eine sehnellaufend? Antriebsschraube zu ver- 65 Drehzahl des Leitrades kann frei gewählt werden, da wenden, deren Durchmesser wegen der hohen Dreh- das Leitrad nicht mechanisch angetrieben wird. Es zahl klein lein muß, und trotzdem einen hohen Wir- kann also unabhängig von der Antriebsmaschine die kuiiüsiziad zu erreichen, weil durch das größere Leit- Drehzahl des Leitrades optimal gewählt werden. Die

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Lage der optimalen Drehzahl einer Antriebsmaschine rad unter Angabe des Schraubenstrahlberolches in

hungt von Ihrer Belastung ab. FUr eine hochbelastete einer Seltenansicht,

Maschine liegt die optimale Drehzahl hoch, für eine Flg. 2 ein Schaubild, In dem der Schubgewinn in

nledrlgbelastete Maschine liegt sie niedrig, Bei der Abhängigkeit von der FlUgulzahl nach der Drehzahl

Vorliegenden Schraubenanordnung Ist die Antriebs- 9 und damit nnch der Steigung dos Leitrades aufgc-

% schraube viel höher belastet als dos Leitrad, und da- zeigt 1st, *

her Hegt die optimale Drehzahl des Leitrades nie- Flg.3 eine weitere AusfUhnmgsform eines Pm-

driger ab die Drehzahl der Antriebsschraube. Die pellers mit nachgeschüttetem Leitrad, das in vcrii-

|· Steigung des Leitrades muß daher größer sein als kaier Richtung verschiebbar ausgebildet Ut, in einer

■l· die der Antriebsschraube, um einen geringen Ge- to Seitenansicht und

samtverlust zu erreichen. F1 g. 4 einen Tandempropellcr mit nachgeschalte-

Natürlich sind für die verwendeten Begriffe Bc- tem Leitrad in einer Seltenansicht.

lastung, Schnell- oder Langsamlllufigkeit nicht ab- In don FIg, 1, 3 und 4 ist mit 10 ein Teil eines

solute Werte, sondern als dimensionslose Werte zu Schlffsrumpfcs und mit U ein Teil der Antriebswelle

verwenden, wie sie im Strömungsmaschinenbau seit »β bezeichnet, die mit einem Antrieb in Verbinde

langem bekannt sind. steht und die in an sich bekannter Weise durch deny

Wie maßgebend für eine erfolgreiche Realisierung Schiffssteven hindurchgefUhrt ist sowie an ihrem _v

!: der Idee die Merkmale b) und c) sind, zeigt Fig. 2, freien Ende eine Schiffsschraube 12 bekannter Bau-

; die das Ergebnis einer vollständigen Untersuchung art trügt. Dem Propeller 12 ist ein Leitrad 13 nach-

für einen Anwendungsfall wiedergibt. Fig. 2 zeigt, ao geschaltet. V

J daß bei Gleichheit der Drehzahlen und damit auch Das Leitrad 13 ist bei der Ausftihrungsform μ.¹-

der Steigungen von Schraube und Leitrad kein Ge- maß Fig. 1 auf der Antriebswelle 11 freifliegend ge S.

winn erzielt werden kann, daß vielmehr die Dreh- lagert; es nimmt an der Umdrehung der Welle U \

zahl des Leitrades wesentlich kleiner und damit die nicht teil. Die Flügel des Leitrades 13, das nur durch

Steigung größer sein muß als Drehzahl bzw. Steigung as die Energie des strömenden Wassers angetrieben

der Antriebsschraube. Ferner zeigt Fig. 2, daß selbst wird, eind im Bereich des Strahles der Schraube 12

für die optimale Drehzahl des Leitrades der Gewinn als Turbinenschaufel!! und außerhalb dieses Derei-

zu klein bleibt, wenn die FlUgel/ahl des Leitrades ches als Propellerflügel ausgebildet. Der tuibinen-

nur zwischen 3 und 5 bleibt, wie es für die Schraube schaufelartig ausgebildete Leitradabschnitt ist bei 14

üblich und optimal ist. Die Flügelzahl des Leitrades 30 und der propellerflügelartig ausgebildete Abschnitt

muß vielmehr zu 8 oder höher gewühlt werden. bei 15 angedeutet.

Der Durchmesser des Leitrades kann gleich dem Die Anzahl der Flügel des Leitrades 13 ist größer Durchmesser der Antriebsschraube sein, da das Leit- als die Anzahl der Flügel der Antriebsscheibe 12, rad in jedem Falle in dem eingeschnürten Schrau- die bei bekannten Propellerausführungsfonnen bei benstrahl liegt, so daß auch bei gleichem Durchmes- 35 3 bis 6 Flügeln liegt. Darüber hinaus ist die Steigung ser ein außerhalb des Schraubenstrahls liegender des Leitrades 1,4 bis 4mal so groß als die der zuRing bleibt. Günstiger ist es jedoch, einen größeren geordneten Antriebsschraube 12.
Durchmesser für das Leitrad zu wählen. Gemäß der Erfindung wird ein mit unterschied-Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist liehen Profilierungen 14, IS versehenes Leitrad 13, das Leitrad hinter den Schrauben eines an sich be- 40 das um die Schraubenachse rotiert und vor oder hinkannten Tandempropellers angeordnet. Diese An- ter der Schraube 12 angeordnet ist, verwendet. Das Ordnung kommt in Frage bei schnellen Schiffen, bei Leitrad 13 weist gegenüber der Schraube 12 eine denen die Kavitation an den Flügeln der primären niedere Umdrehungszahl auf; es dreht langsamer. Schraube nur dadurch genügend klein gehalten wer- Auf Grund dieser Anordnung wird eine hydroniechaden kann, daß an Stelle dieser Schraube ein Tan- 45 nische Untersetzung erhalten, bei der die dem dempropeller benutzt wird. Als Tandempropeller Schraubenstrahl in dem Turbinenteil entnommene wird hierbei die Anordnung von zwei etwa gleichen, Energie sofort in dem Propellerteil 14 des Leitrades mit gleicher Drehrichtung drehenden Schrauben 13 verarbeitet und zur Erzeugung eines zusätzlichen hintereinander auf einer Antriebswelle verstanden. Schubes benutzt wird. Dadurch, daß Turbine und Über den Abstand der beiden Propellerkreisebenen 50 sekundärer Propeller in einem Leitrad zu einem einvoneinander, über die Flügelzahlen der beiden Pro- zigen Organ vereinigt sind, werden die unvermeidpeller, die Steigungen und die Durchmesser ist dabei liehen Energieverluste sehr klein gehalten,
nichts ausgesagt. Das Merkmal des Tandempropel- Wenn für einen gegebenen Schraubenstrahl und lers, das für die beschriebene Aufgabe wichtig ist, einen gegebenen Leitraddurchmesser das Leitrad für ist, daß etwa die doppelte Flügelfläche untergebracht 55 verschiedene Drehzahlen dimensioniert wird, wird werden kann als bei einer einfachen Schraube, wo- ein nennenswerter Schubgewinn bei einer großen durch die Kavitation besser beherrscht werden kann. Flügelzahl und bei einer optimalen Drehzahl des Um bei begrenztem Tiefgang des Schiffes und Leitrades 13 erhalten. Der optimale Gewinn ist inniedrigem Schraubenbrunnen doch noch ein Leitrad folge dieser Merkmale um ein Mehrfaches größer als mit großem Durchmesser verwenden zu können, ^6o der durch die bekannten Leiteinrichtungen und bei kann dieses bis über die Höhe des Schiffsbodens ein- Schrauben getroffenen Anordnungen erzielbare Gjziehbar angeordnet sein, und zwar so, daß das Leit- winn (F i g. 2), ·

rad in normalem Betrieb unter der Kiellinie durch- Die wichtigste Eigenschaft eines kombinierten Anschlägt, bei kleiner Wassertiefe jedoch so weit einge- triebsorgans — Schraube und Leitrad — besteht zogen wird, daß eine Grundberührung vermieden wird. ⁶5 darin, daß für die Schraube eine hohe Drehzahl ge-In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand wählt werden kann, und trotzdem wird durch die beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt Verwendung eines Leitrades ein sehr guter Wir-F i ß. 1 einen Propeller mit nachgeschaltetem Leit- kungsgräd.erreiicht.

Der Durchmesser des Leitrades 13 wird entsprechend dem zur Verfügung stellenden Raum bemessen sein. Die Wahl seines Durchmessers ist unabhängig von der Drehzahl der Schraube, so daß auch für eine schnellaufende Schraube ein Leitrad mit großem Durchmesser verwendet werden kann. Ein Leitrad 13 kann mit einem besonders großen Durchmesser immer dann zur Verwendung gelangen, wenn das Leitrad 13 nicht auf der Antriebswelle 11 freifliegend gelagert, sondern auf einem Zapfen 16 angeordnet ist, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist."Der Zapfen 16 mit dem Leitrad 13 ist in vertikaler Richtung verschiebbar (Pfeil X) auf einem schiffcsten Teil angeordnet, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, das Leitrad bei flachem Wasser einzufahren.

Bei schnellen Schiffen, deren Schrauben kavitationsgefährdet sind, ist es vorteilhaft, wenn ein Tandempropeller 17, 18 verwendet wird (Fig. 4).

Mittels der eründungsgcmäßen Schraubenanordnung ist eine technisch und wirtschaftlich vorteilhafte Ausführungsform eines Schiffsantriebes mit in dem Leitrad vorgenommener zweifacher Energieumsetzung gefunden worden, bei der die Verluste so gering wie möglich gehalten werden, so daß ein beachtenswerter Schubgewinn erhalten wird. Eine überraschend optimale, mit den geringsten Verlusten arbeitende Auslegung einer Ausbildung, bei der Turbine und Propeller auf ein und denselben Flügeln des Leitrades untergebracht sind, indem die Flügel innerhalb der Strahleinschnürung der vorlaufenden Antriebsschraube turbinenartig und außerhalb derselben propellerflügelartig profiliert sind, ist hiernach erstmals offenbart worden in Verbindung mit den Maßnahmen, daß die Flügelanzahl größer ist als die der Antriebsschraube und daß eine optimale Steigung des Leitrades angegeben ist. Die Wahl der Steigung des Leitrades beeinflußt wesentlich die Drehzahl des L :iti ades. Nach F i g. 2 wird eine Flügelzahl des Leitrades größer als acht für erforderlich gehalten; die optimale Steigung des Leitrades beträgt das 1,4 bis 4fache der zugeordneten Antriebsschraube. Durch diese neue Schiffsschraubenanordnung wird der zur Erzeugung des Schubes notwendige Impuls einer größeren Wassermenge mitgeteilt, wobei außerdem erreicht wird, daß die Drallenergie, die in dieser Wassermasse abgeführt wird und verlorengeht, klein ist. Gegenüber den bekannten Ausführungsformen wird eine Wirkungsgradverbesse-

rung erreicht, die um ein Mehrfaches größer ist als die durch einen festen Leitapparat oder andere bekannte Schraubenanordnungen, in denen nur ein Teil der Drallenergie zurückgewonnen werden kann, erreichbare Verbesserung. Nur durch die optimale und unterschiedliche Profilierung der Flügel des Leitrades, seine große Flügelzahl und die größere Steigung gegenüber der mechanisch angetriebenen Schraube sowie die hiermit verbundene Umsetzung ao der Energie auf kürzestem Wege in dem Leitrad können die zusätzlichen Verluste so klein gehalten werden, daß ein nennenswerter Schubgewinn erzielt wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schiffsschraubenanordnung mit einem freifliegend gelagerten, der Antriebsschraube nachgeschalteten Leitrad, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) in an sich bekannter Weise sind die Flügel des Leitrades (13) in dem von der gleichen Antriebsschraiibe (12) durchfließenden Wassermenge durchströmten Bereich innerhalb der Strahlcinschnürung der Antriebssohraube(12) turbinenschaufelartig (14) und in dem Bereich außerhalb der Strahlcinschnürung der Antriebsschraube (12) propellerflügelartig (15) ausgebildet,

b) die Anzahl der Flügel des Leitrades (13) ist größer als die Anzahl der Flügel der Antriebsschraube (12),

c) das Leitrad (13) weist eine Steigung auf, die 1.4 bis 4mal so groß ist als die der zugeordneten Antriebsschraube (12).

2. Schiffsschraubenanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das Leitrad (13) einen größeren Durchmesser als die Antriebsschraube (12) aufweist.

3. Schiffsschraubenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrad (13) hinter einem Tandempropeller (17, 18) angeordnet ist.

4. Schiffsschraubenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrad (13) bis über die Höhe des Schiffsbodens einziehbar angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen