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Die
Erfindung betrifft einen Schiffspropeller, insbesondere für Segelyachten,
mit einem Nabenkörper
und mit diesem um ihre Längsachse
drehbar gelagerten Propellerblättern,
mit einer in dem Nabenkörper
gelagerten und relativ zu diesem verdrehbaren Nabe, die mit einer
Drehantriebsqelle verbunden ist, mit mindestens einem die Drehbewegung
der Nabe relativ zu dem Nabenkörper
auf einen Winkel < 360° begrenzenden
Anschlag und mit einem die Nabe mit den Propellerblättern koppelnden
Getriebe, insbesondere einem Kegelradgetriebe, wodurch (mindestens)
ein Grenz-Einstellwinkel der Propellerblätter festgelegt ist. Schiffspropeller
der genannten Art werden insbesondere bei Segelyachten eingesetzt.
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Schiffspropeller
für die
Hilfsantriebe von Segelyachten haben in verschiedener Hinsicht anderen Anforderungen
zu entsprechen als die Propeller für reine Motorschiffe. Insbesondere
soll der Widerstand, den der geschleppte Propeller durch Induzierung
einer Wirbelschleppe erzeugt, wenn die Yacht unter Segeln fährt, möglichst
gering zu sein. Hierzu sind die üblichen
in erster Linie für
die Hilfsantriebe von Segelyachten bzw. -schiffen gedachten und
ausgelegten Propeller als sogenannte Verstellpropeller ausgebildet.
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Bei
Verstellpropellern sind die einzelnen Propellerblätter um
ihre Längsachse
drehbar auf einem Nabenkörper
gelagert, wobei die Ausgestaltung des einzelnen Propellerblattes
und die Anordnung der Lagerung vorzugsweise so gestaltet wird, daß bei geschlepptem
Propeller, d.h. also bei unter Segel fahrendem Schiff, die an dem
einzelnen Propellerblatt angreifenden Strömungskräfte ein Rückstellmoment um die Längsachse
des Propellerblattes erzeugen, so daß dieses sich in Richtung der
Strömung
ausrichtet und damit lediglich einen minimalen Widerstand bietet.
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Die
relative Stellung des Profils des einzelnen Propellerblattes zum
Nabenkörper
wird bei herkömmlichen
Schiffspropellern mit verstellbaren Propellerblättern über ein mehr oder weniger kompliziertes
Getriebe beeinflußt,
das mit einer in der hohlen Antriebswelle verlaufenden Steuerwelle
verbunden ist.
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Insbesondere
bei Segelyachten, bei denen auf eine Optimierung des Propellers
in niedrigen Geschwindigkeitsbereichen kein Wert gelegt wird, haben
sich auch Verstellpropeller, d.h. also Schiffspropeller mit verstellbaren
Propellerblättern
durchgesetzt, bei denen abgesehen von der bereits erwähnten Segelstellung
der Propellerblätter
lediglich eine Stellung für
die Vorwärtsfahrt
und eine Stellung für die
Rückwärtsfahrt
vorgesehen ist.
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Durch
diese Maßnahmen
läßt sich
das aufwendige Getriebe zum kontinuierlichen Verstellen der Propellerblätter durch
ein wesentlich einfacheres Getriebe ersetzen, dem nur noch die Aufgabe
zufällt, die
Propellerblätter
in die – i.a.
unveränderliche – Vorwärtsstellung
bzw. Rückwärtsstellung
zu bringen. Das Getriebe eines solchen beschriebenen Schiffspropellers
für Segelyachten
besteht üblicherweise aus
je einem Kegelzahnrad an den dem Nabenkörper zugewandten Enden der
Propellerblätter
sowie einem rechtwinklig hierzu angeordneten, mit der Nabe und damit
mit der Antriebswelle verbundenen, mit den Kegelzahnrädern der
Propellerblätter
kämmenden
weiteren Kegelzahnrad.
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Wird – beispielsweise
in der Segelstellung der Propellerblätter – der Hilsmotor der Yacht angelassen
und die Antriebswelle mit einem Moment beaufschlagt, so dreht sich
das erwähnte,
mit der Antriebswelle verbundene Kegelzahnrad zunächst und verschwenkt
dabei über
die anderen, rechtwinklig angeordneten, mit je einem Propellerblatt
verbundenen Kegelzahnräder
das jeweilige Propellerblatt, bis die Relativbewegung zwischen der
Nabe und dem Nabenkörper
durch einen Anschlag begrenzt wird.
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Ein
Schiffspropeller der beschriebenen Art ist beispielsweise aus der
DE-3901672 C2 bekannt.
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Obwohl
man bei Segelyachten und den hierfür vorgesehenen Hilfsantrieben
inklusive der Schiffspropeller darauf verzichtet, in jedem Geschwindigkeitsbereich
den Steigungswinkel und damit den Anstellwinkel der Propellerblätter in
einer jeweils optimalen Weise fest vorzugeben, was – wie beschrieben – ein umfangreiches
Getriebe erforderlich machen würde,
so besteht doch der Wunsch, den Steigungswinkel zumindest in Hinsicht
auf die Nenngeschwindigkeit des Bootes bzw. auf die Nenndrehzahl des
antreibenden Motors hin zu optimieren.
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Wie
aus 1 der – später noch
im einzelnen zu erläuternden – Zeichnung
hervorgeht, ist der Anstellwinkel α, d.h. also der Winkel zwischen
der Richtung der Geschwindigkeit der anströmenden Strömung und der Längsachse
des Profiles von der Bootsgeschwindigkeit wf-
und der Umfangsgeschwindigkeit u des umlaufenden Propellerblattes und
damit von der Drehzahl der Antriebswelle abhängig. Im Gegensatz zu der in l dargestellten Profilform sind die für Verstellpropeller
für Segelyachten der
geschilderten Art verwendeten Profile üblicherweise symmetrisch aufgebaut,
um in der Segelstellung des Propellers keine Momente aufgrund der Umströmung zu
erzeugen.
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Die
um die Widerstandskraft FW verminderte, von
den einzelnen Propellerblättern
erzeugte Auftriebskraft FA läßt sich
in den Schub FS und in die Umfangskraft
FU zerlegen. Die Boots- bzw. Schiffsgeschwindigkeit wf ist in erster Linie von dem Schub FS, der Größe des Bootes
und dem Widerstandsbeiwert der Bootsform abhängig. Letzterer ist im allgemeinen nur
schätzungsweise
bekannt. Die Umfangskraft FU ist direkt
proportional zu dem vom antreibenden Motor aufzubringenden Drehmoment.
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Das
sich einstellende Gleichgewicht zwischen den einzelnen Kräften ist
von einigen Parametern abhängig,
die – wie
der Widerstandswert der Bootsform – lediglich schätzungsweise
zur Verfügung
stehen und eine präzise
Berechnung nicht zulassen. Weiterhin treten bei der Fertigung der
Schiffspropeller sowie des Motors, des Antriebsstranges etc. Toleranzen
auf, die ebenfalls dazu beitragen, das erwähnte Gleichgewicht zu verschieben.
Dies führt dazu,
daß nach
Anbau eines Schiffspropellers an eine Segelyacht o.ä. die Notwendigkeit
besteht, den Steigungswinkel φ der
Propellerblätter
zu korrigieren, da andernfalls die Segelyacht bzw. das betreffende Schiff
wegen unnötig
erzeugter Verluste aufgrund eines falschen Anstellwinkels α seine theoretisch
mögliche
Geschwindigkeit nicht erreicht, da der antreibende Schiffsmotor
sei Nennmoment nicht erreicht, oder aber der antreibende Motor zu
hoch dreht und damit einem erhöhten
Verschleiß ausgesetzt
ist.
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Dieses
Problem, den Steigungswinkel der Propellerblätter im Hinblick auf einen
einzelnen Betriebspunkt (Nenngeschwindigkeit bzw. Nenndrehzahl)
zu optimieren, wurde bereits in zufriedenstellender Weise nach der
DE-3901672 C2 dadurch gelöst,
daß von
außen
verstellbare Anschläge
innerhalb des Nabenkörpers
vorgesehen sind.
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Aus
der
DE 43 33 883 A1 ist
ein selbsteinstellender Propeller mit mehreren Propellerflügeln bekannt,
wobei jeder einzelne Propellerflügel über eine
Verstellfeder mit einer Propellerwelle verbunden ist.
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Aus
der Zeitschrift Schiff & Hafen
7/97, Seite 48 bis 52 ist ein selbsteinstellender Propeller bekannt,
dessen Propellerflügel
in Abhängigkeit
vom abgeforderten Drehmoment über
Biegefedern verstellbar sind.
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Aus
der
DE 2 226 59 ist eine
Luftschraube mit dem Luftdruck entsprechend sich selbsttätig einstellenden
Flügeln
bekannt, wobei eine Flügeldrehachse
in der Luftschraubennabe mit einer Spiralfeder verbunden ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Schiffspropeller dahingehend
zu verbessern, daß ein
möglichst
günstiger
bzw. optimaler Anstellwinkel der Propellerblätter nicht nur in einem einzigen
Betriebspunkt vorhanden ist, sondern sich (auch bei Verzicht auf
eine herkömmliche,
komplizierte Propellerblattverstellung mit Steuerwelle und Getriebe)
ein möglichst
optimaler Anstellwinkel der Propellerblätter über einen Betriebsbereich hinweg
erzielen läßt.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß bei einem
gattungsgemäßen Schiffspropeller
ein Mittel vorhanden ist, das innerhalb eines mit dem Grenz-Einstellwinkel
endenden Einstellwinkelbereichs eine Rückstellkraft auf die Propellerblätter ausübt, die
einer Verdrehung der Propellerblätter
in Richtung auf den Grenz-Einstellwinkel entgegengerichtet ist,
um eine selbsttätige,
von einem auf die Nabe wirkenden Antriebsdrehmoment abhängige Einstellung
der Propellerblätter
im Betrieb zu erreichen.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich das den Schiffspropeller
antreibende Antriebsdrehmoment (welches herkömmlicherweise zum Verstellen
der Propellerblätter
aus der Segelstellung in eine Nenn-Antriebsstellung (d.h. den jeweiligen Grenz-Einstellwinkel
bei einer bestimmten Drehrichtung), in der die Propellerblätter durch
Anschläge
gehalten werden, ausgenutzt wird) darüberhinaus zum Halten der Propellerblätter in
zwischen der Segelstellung und der Nenn-Antriebsstellung liegenden
Zwischenstellungen innerhalb eines bestimmten Einstellwinkelbereichs
ausnutzen läßt, wenn
nämlich
die Propellerblätter
mit einer Rückstellkraft
beaufschlagt werden, die so groß ist,
daß sie
der über
das Antriebsmoment übertragenen
Kraft entspricht. Dadurch wird eine selbsttätige, lastabhängige Verstellung
bzw. Einstellung der Propellerblätter
innerhalb des Einstellwinkelbereichs geschaffen, so daß ein immer
weiter zunehmendes Antriebsdrehmoment einen immer weiter abnehmenden
Einstellwinkel der Propellerblätter
zur Folge hat, bis zum Erreichen des (kleinsten) Grenz-Einstellwinkels,
der durch feste Anschläge
vorgegeben ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels,
wobei auf eine Zeichnung Bezug genommen ist, in der
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1 eine
bereits weiter oben erwähnte schematische
Darstellung der Geschwindigkeitsverhältnisse an einem Propellerblattquerschnitt
sowie eine ebenfalls schematische Darstellung der an einem Propellerblatt
angreifenden Kräfte
zeigt;
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2 einen
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Schiffspropeller
zeigt;
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3 einen
Querschnitt längs
der Linie III–III in 2 zeigt;
und
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4 einen
Querschnitt längs
der Linie IV–IV
in 2 zeigt.
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Der
erfindungsgemäße Schiffspropeller 1 besteht
aus einem Nabenkörper 2.
Dieser besteht aus zwei Teilen 3 und 4, die mittels
Schrauben 5 zusammengehalten werden. Der Nabenkörper 2 weist drei
rotationssymmetrisch angeordnete Abflachungen 6 auf, in
denen sich Bohrungen 7 befinden. In den Bohrungen 7 ist
je ein Propellerblatt 8 gelagert, so daß der vorliegende Schiffspropeller
dreiblättrig ausgeführt ist.
Jedes Propellerblatt 8 weist an seinem den Nabenkörper 3 zugewandten
Ende 9 ein Kegelzahnrad 10 auf.
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In
dem Nabenkörper 2 ist
eine Nabe 11 gelagert, die mit einer Antriebswelle 12 verbunden
ist. Die Antriebswelle 12 weist ein kegeliges Ende auf
und ist mit der eine entsprechende kegelige Bohrung aufweisenden
Nabe 11 mittels einer Paßfeder 13, einer Mutter 14 und
einer Scheibe 15 verbunden.
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Die
Nabe 11 weist einen als Kegelzahnrad ausgebildeten Abschnitt 16 auf.
Das Kegelzahnrad 16 kämmt
mit den Kegelzahnrädern 10 der
Propellerblätter 8.
Bei Drehen der Antriebswelle 12 drehen sich die mit dieser
fest verbundene Nabe 11, das in die Nabe integrierte Kegelzahnrad 16 und
damit auch die Kegelzahnräder 10.
Auf diese Weise wird die relative Stellung der Propellerblätter zum
Nabenkörper (Einstellwinkel)
und damit der Steigungswinkel φ yerändert.
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An
das in die Nabe 11 integrierte Kegelzahnrad 16 schließt sich
ein Bund 17 mit einem Ansatz 18 an. Der Ansatz 18 weist
zwei Anschlagskanten 19 und 20 auf. In dem Nabenkörperteil 4 sind
zwei mit den Anschlagskanten 19 und 20 korrespondierende Anschläge 21 und 22 vorgesehen,
die in Form von Gewindebolzen ausgeführt sind und in entsprechende
Gewindebohrungen 23 und 24 eingeschraubt sind (3).
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Wie
weiter aus 4 hervorgeht, die einen axial
versetzten Schnitt entsprechend 3 zeigt, sind
benachbart zu den Anschlägen 21 und 22 kombinierte
Feder- und Dämpfungselemente 30, 30' vorgesehen,
die im wesentlichen aus einer in einer gas- oder flüssigkeitsgefüllten zylindrischen
Führung 32, 32' geführten Kolbenstange 33, 33' mit daran fixierten
Kolben 34, 34' bestehen,
wobei die Kolbenstange gegenüber
dem zylindrischen Gehäuse
abgedichtet und der mit Dämpfungsbohrungen
durchsetzte Kolben mit einer Druckfeder 35, 35' nach außen (in 4 nach
oben) vorgespannt ist.
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Die
Feder- und Dämpfungselemente 30, 30' können beispielsweise
handelsübliche
Klein-Stoßdämpfer sein,
die lediglich in eine mit Gewinde versehene Bohrung 36, 36' eingeschraubt
werden. Feder- und Dämfungseigenschaften
können
dann im weitem Umfang vorgegeben werden oder, bei hierfür vorgesehen
Stoßdämpfern,
auch einstellbar sein.
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Der
erfindungsgemäße Schiffspropeller
arbeitet wie folgt. Dreht sich beispielsweise die Antriebswelle 12 links
herum, d.h. in Richtung des Pfeils 26, so wird sich zunächst die
Nabe 11 und damit der Ansatz 18 relativ zu dem
Nabenkörper 2 bzw.
dem Teil des 4 des Nabenkörpers verdrehen, wobei sich die
Propellerblätter
entsprechend verstellen, wobei die Anschlagskante 19 zunächst gegen
die Kolbenstange 33 des Feder- und Dämpfungselements 30 stößt und beginnt,
die Kolbenstange gegen die Dämpfungswirkung
und die Federkraft der Druckfeder 35 in das Feder- und
Dämpfungselement
hineinzuschieben, bis eine Stellung erreicht ist, in der die an
der Anschlagskante 19 wirksame Umfangskraft mit der entgegengerichteten
Federkraft der Druckfeder 35 im Gleichgewicht steht. Beim
Anlauf des Propellers oder bei Vollast kann auch der Zustand eintreten,
daß die
Anschlagskante 19 vorübergehend
oder dauernd gegen den Anschlag 21 (3) stößt, wobei dann
der Grenz- oder Nenn-Einstellwinkel der Propellerblätter erreicht
ist.
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Sobald
die Anschlagskante 19 eine mehr oder weniger stationäre Stellung
erreicht hat, sei es in Zusammenwirken mit einem Feder- und Dämpfungselement
allein oder in Zusammenwir ken mit einem feststehenden Anschlag,
liegt der Steigungswinkel der Propellerblätter (mehr oder weniger) fest,
eine weitere relative Drehung zwischen Nabe 11 und Nabenkörper 2 wird
verhindert und die Welle 12 dreht nunmehr den gesamten
Nabenkörper 2 und
damit die Propellerblätter 8.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
eines über
einen Bereich hinweg „nachgiebigen" Anschlags, der durch
die Feder- und Dämpfungselemente
realisiert wird, zusätzlich
zu einem festen (Grenz-)Anschlag, der durch die Anschläge 21, 22 realisiert
wird, ergibt sich im Betrieb des Schiffspropellers eine lastabhängige, d.h.
vom Antriebsdrehmoment abhängige,
selbsttätige
Verstellung bzw. Regelung des Einstellwinkels der Propellerblätter. Hierzu
sei als Beispiel der Anfahrvorgang eines Bootes betrachtet, welches
mit einem erfindungsgemäßen Schiffspropeller
ausgerüstet
ist. Beim Anlauf des Propellers und/oder geringer Fahrt des Bootes
bzw. bei Stillstand stellt sich bei einer bestimmten Drehzahl zunächst ein
relativ hohes Antriebsmoment ein, da noch (praktisch) keine Anströmung für den Propeller vorhanden
ist. Aufgrund des Zusammenwirkens der Nabe mit den Feder- und Dämpfungselementen
ergibt sich ein relativ kleiner Anstellwinkel der Propellerblätter, was
hinsichtlich des Wirkungsgrades vorteilhaft ist, da sich so eine
günstige
Umströmung
der Propellerblätter
einstellt.
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Mit
zunehmender Geschwindigkeit des Bootes ist der Propeller einer zunehmenden
Anströmung ausgesetzt,
die dazu führt,
daß das
Antriebsmoment (bei gleichbleibender Drehzahl) zurückgeht.
Gleichzeitig stellt sich zur Erzielung eines günstigen Wirkungsgrades des
Schiffspropellers unter strömungstechnischen
Gesichtspunkten die Forderung, den Anstellwinkel der Propellerblätter an
die zunehmende Anströmungsgeschwindigkeit
anzupassen, d.h. den Einstellwinkel der Propellerblätter zu
vergrößern. Dies
erfolgt in erfindungsgemäßer Weise
selbsttätig, da
sich aufgrund des zurückgehenden
Antriebsmoments das Gleichgewicht zwischen der an der Anschlagskante 19 bzw. 20 wirkenden
Umfangskraft mit der durch das entsprechende Feder- und Dämpfungselement 30 bzw. 30' aufgebrachten
Federkraft verschiebt, so daß die
Kolbenstange 33 bzw. 33'' so weit
aus dem Feder-und Dämpfungselement
herausgedrückt
wird, bis die Federkraft erneut mit der Umfangskraft im Gleichgewicht
steht, wobei sich der Einstellwinkel der Propellerblätter vergrößert hat.
Bei zweckmäßiger Anpassung
der Federcharakteristik der Druckfedern 35, 35' wird auf diese
Weise ein optimaler, der jeweiligen Anströmungsgeschwindigkeit entsprechender
Anstellwinkel der Propellerblätter über einen
weiten Geschwindigkeitsbereich des Bootes erzielt.
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Ergänzend sei
darauf verwiesen, daß die Achsen,
auf denen die Propellerblätter
angeordnet sind, bezüglich
der Auftriebsmittelpunkte der Propellerblätter außermittig angeordnet sein können, um ein
Rückstellmoment
zu erzeugen, welches mit der Federwirkung der Feder- und Dämpfungselemente kombiniert
werden kann. Dadurch kann z.B. die Zunahme des Antriebsdrehmoments
aufgrund des zunehmenden Einstellwinkels (bei gleichbleibender Drehzahl)
im vorstehenden Beispiel ausgeglichen werden. Der Kraft-Weg-Verlauf
der Federelemente muß im übrigen nicht
linear sein, sondern kann einer genau spezifizierten Kennlinie folgen,
um das komplizierte Zusammenspiel zwischen Drehzahl, Drehmoment,
Anströmungsgeschwindigkeit
und resultierenden optimalen Anstellwinkel wiederzugeben.
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Messungen
betreffend die erfindungsgemäße Nachführung anhand
eines handelsüblichen
dreiflügligen
Propellers zeigen im Vergleich mit Werten, die sich im ursprünglichen
Zustand des Propellers (ohne Feder- und Dämpfungselemente) ergeben, einen
markanten Wirkungsgradzuwachs, der im praktischen Betrieb eine entsprechende
Treibstoffeinsparung zur Folge hat. Darüberhinaus ist bei erfindungsgemäßen Propellern
aufgrund des optimierten Anstellwinkels eine verminderte Kavitationsneigung festzustellen,
die die Lebensdauer des Propellers erhöht.
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- 1
- Schiffspropeller
- 2
- Nabenkörper
- 3
- Teil
(von 2)
- 4
- Teil
(von 2)
- 5
- Schraube
- 6
- Abflachung
- 7
- Bohrung
- 8
- Propellerblatt
- 9
- Ende
(von 8)
- 10
- Kegelzahnrad
- 11
- Nabe
- 12
- Antriebswelle
- 13
- Paßfeder
- 14
- Mutter
- 15
- Scheibe
- 16
- Kegelzahnrad
(von 11)
- 17
- Bund
- 18
- Ansatz
- 19
- Anschlagskante
- 20
- Anschlagskante
- 21
- Anschlag,
Gewindebolzen
- 22
- Anschlag,
Gewindebolzen
- 23
- Gewindebohrung
(für 21), Öffnung
- 24
- Gewindebohrung
(für 22), Öffnung
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- 25
- Wellenstumpf
- 26
- Drehrichtung
(Pfeil)
- 27
- Innensechskant
(von 21), Vertiefung
- 28
- Innensechskant
(von 22), Vertiefung
- 30
- Feder-
und Dämpfungselement
- 30'
- „
- 32
- zylindrische
Führung
- 32'
- „
- 33
- Kolbenstange
- 33'
- „
- 34
- Kolben
- 34'
- „
- 35
- Druckfeder
- 35'
- „