DE2016775C3 - Schiffsantrieb mit einer über eine zentrale Antriebswelle angetriebenen Schiffsschraube in einer Manteldüse - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schiffsschraube mit einer über eine zentrale Antriebswelle angetriebenen Schiffsschraube, welche innerhalb einer Manteldüse frei drehbar gelagert ist.

Ein derartiger Schiffsantrieb, der auch unter dem Namen Schiffsschraube mit Kort-Manteldüse bekanntgeworden ist, beispielsweise durch die US-PS 10 65 089, weist im Vergleich mit einer keine derartige Manteldüse aufweisenden Schiffsschraube den Vorteil eines höheren Vortriebes auf. Dieser Vorteil wird vor allem erreicht durch eine Gleichrichtung des einströmenden Wassers, Reduzierung von Wirbelströmungen an den Außenenden der Schiffsschraubenflügel und durch eine Verhinderung einer Kontraktion des Schraubennachstroms.

Abgesehen von dem vorgenannten Vorteil der Erhöhung der Schubkraft besitzt die Kort-Manteldüse jedoch auch verschiedene Nachteile. So muß nämlich beispielsweise der Spalt zwischen den Enden der Schraubenflügel und der Innenwandung der Manteldüse relativ groß gehalten werden, damit sich Treibgut wie Holzstücke und andere Festkörper nicht im Spalt verfangen bzw. eine Beschädigung der Schraubenflügel herbeiführen. Die aus diesen Gründen erforderliche Erhöhung der Spaltgröße hat jedoch den Nachteil einer Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge.

Ausgehend hiervon liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schiffsantrieb mit einei Manteldüse und einer über eine zentrale Antriebswelle angetriebenen Schiffsschraube dahingehend zu verbessern, daß einerseits Beschädigungen der Schiffsschraube durch Festkörper u. dgl. vermieden und andererseits die Strömungsverluste auf ein Minimum reduziert werden Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die äußerer Enden sämtlicher Schraubenflügel in an sich bekannte! Weise mit einem in einer radialen Nut der Manteldüse laufenden Umfangsring fest verbunden sind und daß die über jeweils einen vorderen und einen hinterer Ringspalt mit der durch die Schiffsschraube hindurchge henden Wasserströmung verbundene Nut eine möglichst große Tiefe hat.

Das Merkmal, wonach die äußeren Enden sämtliche! Schraubenflügel mit einem in einer radialen Nut dei Manteldüse umlaufenden Umfangsring fest verbunder sind, ist durch die US-PS 33 61 107 an sich bekannt, bei der aber im Gegensatz zur Erfindung die Schiffsschraube nicht zentral, sondern am Umfang angelrieben wird und zwar durch eine Verzahnung am äußeren Umfang des Umfangsringes. Bei einem derartigen Antrieb durch eine Verzahnung am Umfang des Umfangsringes ergibi sich aber der Nachteil, daß die Notwendigkeit besteht den Umfangsring durch gesonderte Lager einerseits in axialer Richtung abzustützen und außerdem noch zusätzlich abzudichten, um ein Eindringen von Wasser soweit als möglich zu verhindern.

Oiese baulichen Maßnahmen werden jedoch erfindungsgemäß infolge des zentralen Antriebs der Schiffsschraube vermieden. Außerdem wird erfindungsgemäß der Vorteil erzielt, daß die Strömungsverluste sehr gering sind. Hierzu trägt vor allem die Tatsache bei daß die Bodenfläche der radialen Nut einen möglichst großen Abstand von der Außenfläche des Umfangsringes haben soll.

Gemäß einer bevoizuglcn Ausführungsform ist die Breite des Umfangsringes möglichst klein, wodurch sich der Vorteil einer weiteren Reduzierung von Strömungsverlusten ergibt. Die Angabe »möglichst klein« bezüglich der Breite des Umfangsringes ist hierbei dahingehend zu verstehen, daß der Umfangsring so klein gehalten werden soll, wie dies unter Beachtung der erforderlichen Festigkeit und der Strömungsparameter (Schaufelbreite der Schiffsschraube u. dgl.) möglich ist

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Innenwandung des Umfangsringes gegenüber der Innenwandung der Manteldüse um eine kleine Strecke radial nach außen versetzt. Durch diese Maßnahme werden diejenigen Reibungsverluste auf ein Minimum reduziert, die auf die Drehung des Umfangsringes zurückzuführen sind.

Bevorzugt reicht der Umfangsring mit seiner Hinterkante geringfügig nach hinten über die Nut hinaus. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die Gefahr des Eintritts von Festkörpern in die Nut weiter reduziert werden kann.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß von der in Strömungsrichtung vorderen äußeren Kante der Nut eine Nase in Strömungsrichtung nach hinten absteht und dabei mit der Stirnseite des Umfangsringes den Ringspalt bildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß das Eindringen von Festkörpern in den Spalt verhindert wird.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung soll die Breite der beiden Ringspalte einen Wert von

vorzugsweise 'Λοο des Einschnürungsradius der Manteldüse nicht überschreiten.

Im folgenden sind einige Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Teischnitt durch eine herkömmliche Schiffsschraube mit Kort-Manteldüse, welcher die Lagebeziehung zwischen der Manteldüse und dem Außenende eines Schraubenflügels zeigt,

F i g. 2 und 3 Schnittansichten einer Ausführungsform der Erfindung, wobei Fig.2 in lotrechtem Teilschnitt die Lafeebeziehung zwischen der Kort-Manteldüse und dem Außenende eines Schraubenflügels zeigt und Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 11-11 in Flg. 2 darstellt, ,₅

F i g. 4 bis 7 Teilschnitte durch andere Ausführungsformen der Erfindung,

F i g. 8a und 8b Teildarstellungen zur Erläuterung des Sekundärstroms eines zwischen der Manteldüse und dem an den Außenkanten der Schraubenflügel angebrachten Ringglied gebildeten Flüssigkeitswirbels,

F i g. 9 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichur.g des Turbulenzsirömungs-Widerstandskoeffizienten in A bhängigkeit von der Kurve der Reynold-Zahl nach Berechnung auf Grund der Wendtschen Formel und

Fig. 10 eine graphische Darstellung der nach W e η d t erhaltenen Versuchswerte.

Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind vier Schraubenflügel 1 an ihren Wurzeln einstückig mit einer Schrau^ennabe IO verbunden, die mittels einer Keiljeder 11 an einer Schiffsschrauben-Welle 9 befestigt ist. An den Außenkanten der Flügel 1 ist über den gesamten Schraubenumfang hinweg ein Ringglied 2 befestigt, dessen Vorderkante mil 3 und dessen Hinterkante mit 4 bezeichnet ist. Um den Umfang der Anordnung aus Schraubenflügeln 1 und Ringglied 2 herum ist eine unter der Bezeichnung Kort-Düse bekannte Manteldüse 5 angeordnet, die erfindungsgeinäß in ihrer Innenfläche mit einer den Außenkanten der Schraubenflügel 1 gegenüberliegenden Ringnut 6 versehen ist. Diese Ringnut 6 besitzt eine Breite b und eine Tiefe d hinter dem Konvergierungs-Endpunkt des durch die Manteldüse 5 festgelegten Strömungskanals bzw. hinter dem Punkt, von welchem aus sich der Strömungskanal nach vorn auswärts erweitert, d.h. vom vorderen Endabschnitt des Bereichs kleinsten Querschnitts der Manteldüse 5. Die Ringnut 6 legt zusammen mit der Außenfläche 2a des Ringglieds 2 eine Ringkammer fest und ist durch das Ringglied 2 praktisch vollständig abgedeckt bzw. verschlossen, während die Innenfläche 2b des Ringglieds 2 einen Teil der den Strömungskanal festlegenden Innenfläche der Manteldüse 5 bildet. Zwischen der Vorderkante der in der Manteldüse 5 ausgebildeten Ringnut 6 und der Vorderkante 3 des Ringglieds 2 sowie zwischen der Hinterkante der Manteldüse 5 und der Hinterkante 4 des Ringglieds 2 sind Spalte Ci bzw. Ci festgelegt, deren Abmessungen möglichst klein gehalten werden sollten und Vorzugsweise '/ioo des Einschnürungsradius der Manteldüse 5 nicht übersteigen dürfen, sofern hierbei eine ungehinderte Drehung der Schraubenflügel 1 gewährleistet is*. Von der vorderen Unterkante der Ringnut 6 kann eine Flosse bzw. Nase 5a rückwärts abstehen, die mit der Vorderkante 3 des Ringlieds 2 zusammenwirkt und das Eindringen von Festkörpern in den Spalt verhindert. Die Manteldüse 5 der beschriebenen Anordnung wird von einer an einem Rumpfabschnitt 8 belestigten Halterung 7 getragen.

Wenn bei des in den F i g. 2 und 3 dargestellten Anordnung die Schraubenflügel 1 durch Antreiben der Welle 9 in Drehung versetzt werden, wird der Schiffsrumpf durch den Vortrieb der Flügel 1 angetrieben, wobei Wasser auf die durch die Pfeile angedeutete Weise den durch die Manteldüse 5 festgelegten Strömuiigskana! durchströmt. Hierbei dreht sich das an den Außenkanten der Flügel ν befestigte Ringglied 2 zusammen mit den Flügeln, während es die Ringnut 6 der Manteldüse 5 verdeckt. Da die Innenfläche 2b des Ringglieds 2 einen Teil der Innenfläche der Manteldüse 5 bildet und somit einen glatten Strömungskanal für die letzteren durchströmende Flüssigkeit bildet, ist außerdem nicht zu befürchten, daß sich Festkörper im Spalt zwischen der Außenkante der Flügel und der Innenfläche der Manteldüse 5 verfangen. Zudem werden die Flügel 1 infolge ihrer Drehbewegung auf natürliche Weise unter der auf sie einwirkenden Belastung in Vonriebrichtung durchgebogen, so daß der Spalt Ci noch kleiner und das Eindringen von Festkörpern noch schwieriger wird. Selbst wenn ein kleiner Festkörper durch den Spalt Ci in die Ringkammer eindringen sollte, wird er schnell wieder über den Spalt Ci ausgeworfen, da dieser seine Größe beibehält und größer ist als der Spalt C2. Auf diese Weise ist das Ringglied 2 vor Beschädigung geschützt.

Infolge der beschriebenen Konstruktion und Wirkungsweise gewährleistet die dargestellte Schiffsschraubenanordnung die Wirkung einer ummantelten Schiffsschraube als solche und besitzt zudem den Vorteil, daß sie keinerlei Beschädigungen durch im Wasser treibende Festkörper unterworfen ist.

In F i g. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die sich einerseits dadurch von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform unterscheidet, daß die hintere Hälfte der Kort-Manteldüse 5 abnehmbar ist, so daß das an den Schraubenflügeln 1 angebrachte Ringglied 2 in die in der Manteldüse 5 ausgebildete Ringnut 6 einsetzbar ist, und andererseits dadurch, daß die Innenfläche 2b des Ringglieds 2 unter Festlegung des Strömungskanals praktisch bündig mit der Innenfläche der Manteldüse 5 abschließt.

Die in F i g. 5 dargestellte, noch weiter abgewandelte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der zuerst beschriebenen Ausführungsform dadurch, daß das Ringglied 2 praktisch flügel- bzw. tragflächenförmig profiliert und an seiner Innenfläche 2b stromlinienförmig mit einer Kontur versehen ist, welche sich derjenigen der strömungsgünstigen Innenfläche der Manteldüse 5 annähen und unter Festlegung des Strömungskanals bündig mit der Innenfläche der Manteldüse abschließt. Bei der zweiten und dritten Ausführungsform der Erfindung schließen die Innenfläche der Manteldüse 5 und die Innenfläche 2b des Ringglieds 2 jeweils praktisch bündig bzw. stufenlos miteinander ab und legen somit auf erwähnte Weise eine glatte Fläche des Strömungskanals fest. Ersichtlicherweise bieten mithin diese abgewandelten Ausführungsformen dieselben Wirkungen wie die zuerst beschriebene Ausführungsform, ohne jedoch den Vortrieb der Schiffsschraubenanordnung wesentlich zu vermindern.

Die Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig.6 unterscheidet sich von den drei vorher beschriebenen Konstruktionen dadurch, daß der Abstand d zwischen der Außenfläche 2a des Ringglieds 2 und der

Ib V/ö

Bodenfläche 6a der in der Manteldüse 5 vorgesehenen Ringnut 6 innerhalb des durch die strukturelle Festigkeit der Manteldüse 5 ermöglichten Bereichs so groß wie möglich ausgelegt ist, während die Ausführungsform gemäß Fig. 7 sich von den vorher beschriebenen Ausführungsformen dadurch unterscheidet, daß nicht nur der Abstand d wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 6 möglichst groß ausgebildet ist, sondern darüber hinaus auch die Breite b des Ringglieds 2 reduziert und der vordere Endabschnitt der Innenfläche 2b des Ringglieds 2 über eine Strecke S gegenüber der Innenfläche der Manteldüse 5 abgestuft ist.

Bei Betrachtung der Reibungsverluste infolge der Drehbewegung der Ringglieder bei den beiden zuletzt beschriebenen Ausführungsformen gemäß den F i g. 6 bzw. 7 kann der Reibungsverlust eines umlaufenden Zylinders betrachtet werden. Zur Bestimmung des Reibungsverlustes eines umlaufenden Zylinders wird eine dimensionslose Zahl d* = d/ro eingesetzt, bei welcher ddie Tiefe der Ringnut 6 und ro der Radius des Schraubenflügels gemäß Fig. 6 bedeutet. Es ist bekannt, daß Wendt für das Verhältnis Red* des Turbulenzstrom-Widerstandskoeffizienten / zur Reynoldsschen Zahl für d* = 0,470,0,176 bzw. 0,0691 die in Fig. 10 mit O, D und Δ bezeichneten Versuchswerte erhielt und daß auf der Grundlage dieser Versuchswerte das Verhältnis Red* innerhalb des Bereichs von 10⁴ < Re < 10⁵ durch die Formel

F = 0.073 [d*{ I + </*)] ⁴ Rc " '

,bestimmt ist. Die an Hand obiger Formel berechneten Werte für f und d* stehen derart In Beziehung miteinander, daß /gemäß Fig.9 mit zunehmenden Werten von d* abnimmt. Obwohl es aus der graphischen Darstellung gemäß F i g. 10 nicht deutlich ersichtlich ist, ob der Wert für /"im Bereich von 10⁵< /?e< 10⁶ in der Nähe der Normaldrehzahl der die Kort-Düse aufweisenden Schiffsschraube weiterhin kleiner wird oder gleich bleibt, ist der Reibungsverlust infolge eines in F i g. 8a angedeuteten symmetrischen Wirbelstroms, der sekundär durch die in der Flüssigkeit durch die Drehung des Ringglieds 2 erzeugte Fliehkraft und die Grenzschicht der lotrechten Wände der Ringkammer erzeugt wird, im Turbulenzströmung-Reibungskoeffizienten f enthalten und außerdem so klein, daß er in der Praxis keine Schwierigkeit bedeutet Es ist somit ersichtlich, daß es zur Herabsetzung des Reibungsverlusts infolge der Drehung des Ringglieds 2 vorteilhaft ist, den Wert für dbei den Ausführungsformen gemäß den F i g. 6 und 7 möglichst groß zu wählen. Bei Betrachtung der Flüssigkeitumströmung um das Ringglied 2 gemäß Fig.8b genügt der Druckkoeffizient /, der ein dimensionsloser Wert des Druckanstiegs ist, der Gleichung

= lpl^]- ο μ² = 0,5,

in welcher α die Umfangsgeschwindigkeit der Schraubenflügel bedeutet. Aus diesem Grund übersteigt in keinem Fall die Geschwindigkeit Cmb der umströmenden Flüssigkeit den Wert, der als Ergebnis angenommen wird, wenn der statische Druckanstieg der Schiffsschraube vollständig in dynamischen Druck umgewandelt wird, nämlich

(Cmb/u) S φ = 0,7.

In der Praxis strömt jedoch die gesamte, die Schiffsschraube durchströmende Flüssigkeit infolge der Verzweigung, des Ziisammenfließens, der Ablenkung und der plötzlichen Querschnittserweiterung des Strömungskanals in der Nahe der Spalte Ci und Ci mit einer verminderten Geschwindigkeit, wobei angenommen werden kann, daß Crnb/u<\fi ist. Trotzdem kann die Gefahr eines Eintritts von kleinen Festkörpern in die Ringkammer über den Spalt Ci an der Hinterkante des Ringglieds 2 nicht einwandfrei vernachlässigt bzw. verleugnet werden, da der genannte Umstrom tatsächlich vorhanden ist, mag er auch noch so klein sein. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß die Hinterkante 4 des Ringglieds 2 von der hinteren Unterkante der Ringnut 6 der Manteldüse 5 geringfügig nach hinten verlängert, während der Spalt Ci zwischen dieser Hinterkante und der Innenfläche der Manteldüse 5 gemäß F i g. 2, 5 und 7 aufrechterhalten wird, so daß der Umstrom auf ein Mindestmaß herabgesetzt und mithin die Gefahr für einen Eintritt von Festkörpern in die Ringkammer über den Spalt Ci ausgeschaltet werden kann, indem die Festkörper mit der Flüssigkeit stromab getragen werden. Demzufolge sollte die Hinterkante 4 vorzugsweise auf vorstehend beschriebene Weise ausgebildet sein.

Die Breite b des Ringglieds 2 sollte gemäß F i g. 6 und 7 möglichst klein gehalten werden, da sie einen unmittelbaren Einfluß auf die Reibungsverluste hat.
Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 7 ist die Innenfläche 2b des Ringglieds 2 um eine Strecke 5 gegenüber der Innenfläche der Manteldüse 5 radial nach außen versetzt. Auf diese Weise können Reibungsverluste infolge der Drehbewegung des Ringglieds weiter vermindert werden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung praktisch anwendbarer Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich ist, gewährleistet die Erfindung die Vorteile, daß die Nachteile und Mängel herkömmlicher Schiffsschrauben mit Kort-Manteldüse vollständig beseitigt

werden können und der Leistungsverlust infolge der

Drehbewegung des Ringglieds auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden kann. Die Erfindung ist daher von großem industriellen Nutzen.

Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mil

speziellen Ausführungsformen dargestellt und beschrieben ist, ist sie keineswegs auf diese Ausführungsformer beschränkt, da innerhalb des Rahmens der Erfindung selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwand lungen möglich sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

3738

Claims (6)

1. Patentansprüche: "

   L Schiffsantrieb mit einer über eine zentrale Antriebswelle angetriebenen Schiffsschraube, welehe innerhalb einer Manteldüse frei drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden sämtlicher Schraubenflügel (1) in an sich bekannter Weise mit einem in einer radialen Nut (6) der Manteldüse (5) laufenden Umfangsring (2) fest verbunden sind und daß die über jeweils einen vorderen und einen hinteren Ringspalt (G bzw. O) mit der durch die Schiffsschraube hindurchgehenden Wasserströmung verbundene Nut (6) eine möglichst große Tiefe (d)\\z\.
2. 2. Schiffsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) des Umfangsringes (2) möglichst klein ist.
3. 3. Schiffsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (2b) des Umfangsringes (2) gegenüber der Innenwandung der Manteldüse (5) um eine Strecke (S) radial nach außen versetzt ist.
4. 4. Schiffsantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsring (2) mit seiner Hinterkante (4) geringfügig nach hinten über die Nut (6) hinausreicht.
5. 5. Schiffsantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der beiden Ringspalte (O, Ci) einen Wert von vorzugsweise V100 des Einschnürungsradius der Manteldüse (5) nicht überschreitet.
6. 6. Schiffsantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von der in Strömungsrichtung vorderen äußeren Kante der Nut (6) eine Nase (5a) in Strömungsrichtung nach hinten absteht und dabei mit der Stirnseite des Umfangsringes (2) den Ringspalt (C:) bildet.