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Die Erfindung bezieht sich auf einen Propeller, insbesondere einen Aufbau zur Leistungssteigerung und Geräuschverringerung für einen Propeller.
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Propellerblätter sind durch eine hohe Drehgeschwindigkeit gekennzeichnet. Allgemein wird angenommen, je glatter die Oberflächen der Blätter sind, desto geringerer sind die Widerstände relativ zu Fluid. In Wirklichkeit ist es nicht so. Fließt Fluid 40 – hinsichtlich 1 und 2 – durch Punkt A auf der glatten Oberfläche eines Flügels 20 von einem Propeller 50, dann zögert die Fortbewegung des Fluides 40 aufgrund der Reibung durch die Oberfläche des Flügels 20, wodurch eine hydrodynamische Grenzschicht gleichzeitig entsteht, die die Verschiebung der Fluidstelle des Fluides 40 auf einen hinteren Punkt behindert. Der Widerstand, durch den die Verschiebung der Fluidstelle des Fluides 40 auf einen hinteren Punkt aufgehalten wird, wird hierbei als unerwünschter Druck, nämlich Widerstand von dem Fluid 40 bezeichnet. Erreicht die Fluidstelle des Fluides 40 Punkt B, wird die hydrodynamische Grenzschicht getrennt, derart, dass Turbulenz an Punkten C, D E entsteht. Dadurch wird die Fortbewegung des Flügels verlangsamt. Fließt das Fluid 40 durch die glatte Oberfläche des Flügels 51 des Propellers 50, dann ist die Nachlaufströmung 42 durch einen relativ kürzeren Abstand w1 gekennzeichnet, wodurch eine relativ größere Zugkraft durch die Nachlaufströmung erzeugt wird, die schließlich große Widerstände zur Folge hat.
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Auf diese Weise wird die Leistung des Propellers beeinträchtigt, wobei die Geräusche dabei erhöht werden. Damit ist die herkömmliche Konstruktion verbesserungsbedürftig.
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Definitionen:
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- ”Fluida”:
- Die im Folgenden erwähnten Fluida beziehen sich der Erfindung gemäß auf Luft und Wasser.
- ”Propeller”:
- Die im Folgenden erwähnten Propeller umfassen: Propeller eines Schiffes, Propeller eines Hubschraubers, Propeller eines Leitwerks und eines Fahrwerks eines Hubschraubers, Propeller eines Flugzeugs, Propeller eines Stahltriebwerks, Verdichter eines Stahltriebwerks, Turbine eines Stahltriebwerks etc. sowie Bauteile bzw. Aufbauen, welche durch Drehen zum Auftrieb dienen können, wie z. B. Flügel, Impeller und Turbinenrotor.
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Durch die Erfindung wird ein Aufbau zur Leistungssteigerung und Geräuschverringerung für einen Propeller geschaffen, bei dem eine Vielzahl von kleinen Aussparungen durch beschädigungsfreies Verfahren auf der Oberfläche eines Flügels ausgebildet ist. Dreht sich ein Propeller und fließt Fluid durch die kleinen Löcher, dann entsteht eine Vielzahl von kleinen Wirbeln auf der Oberfläche des Flügels, die eine ganz dünne turbulente Grenzschicht auf der Oberfläche des Flügels bilden. Auf diese Weise kann die Turbulenz des Fluides auf der Oberfläche des Flügels effektiv behindert werden, wobei das Fluid von der Oberfläche des Flügels entfernt wird. Dadurch ist eine Verringerung von Reibungswiderständen des Fluides relativ zu der Oberfläche des Flügels möglich. In diesem Fall kann das Fluid schnell durch die Oberfläche des Flügels fließen und die Leistung des Propellers kann somit gesteigert werden.
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Außerdem wird durch die Erfindung ein Aufbau zur Leistungssteigerung und Geräuschverringerung für einen Propeller geschaffen, bei dem die Turbulenz des Fluides durch die dünne turbulente Grenzschicht zum Stillstand gebracht werden kann, derart dass die Nachlaufströmung entlang der Oberfläche des Flügels verlängert wird. Mithilfe der verlängerten Nachlaufströmung kann die durch die Nachlaufströmung entstehende Zugkraft relativ zu dem Flügel verringert werden, wodurch eine weitere Leistungssteigerung von dem Propeller gewährleistet ist.
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Mithilfe der kleinen Wirbel, der turbulenten Grenzschicht und der verlängerten Nachlaufströmung sind die Leistungssteigerung sowie die Geräuschverringerung eines Propellers gewährleistet.
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Dank des beschädigungsfreien Verfahrens sind hierbei Änderungen bzw. Beschädigungen der Oberfläche eines Flügels auszuschließen, wodurch eine leichtere Montage gewährleistet ist. Außerdem können Beschädigungen der Struktur bzw. Materialermüdung des Flügels ebenfalls durch den erfindungsgemäßen Aufbau vermieden werden, wodurch eine sichere Verwendung, eine schnellere Bewegung sowie ein größerer Auftrieb möglich sind.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausgestaltungen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine schematische Darstellung der Fluidbewegung auf einer Oberfläche eines herkömmlichen Propellers;
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2 die Vorgehensweise zur Entfernung des Fluides von der Oberfläche des herkömmlichen Propellers;
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3 eine schematische Darstellung von erfindungsgemäßen Löchern;
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4 im Schnitt die Bildung einer erfindungsgemäßen turbulenten Grenzschicht;
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5 einen vergrößerten Ausschnitt aus 4;
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6 die Fluidbewegung im Vergleich zwischen dem herkömmlichen und der erfindungsgemäßen Propeller;
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7 die Vorgehensweise zur Entfernung des Fluides aus dem Propeller im Vergleich zwischen dem herkömmlichen und dem erfindungsgemäßen Aufbau; und
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8A bis 8D in schematischer Darstellung den erfindungsgemäßen Aufbau zum Einsatz in Propellern.
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Der erfindungsgemäße Propeller 10 bezieht sich nicht nur auf den in 3 dargestellten Propeller zum Einsatz in einem Schiff, sondern auch auf den in 8A und 8B dargestellten Propeller zum Einsatz in einem Hubschrauber 11 sowie in einem Leitwerk. Darüber hinaus sind die in 8C und 8D dargestellten Propeller zum Einsatz in einem Flugzeug 12 und in einem Stahltriebwerk 13 ebenfalls in der Erfindung eingeschlossen, worauf nicht noch einmal eingegangen wird.
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Bei vorher erwähnten Propellern 10 entstehen Reibungswiderstände beim Drehen des entsprechenden Propellers 10 zwischen Oberflächen dessen Flügel und Fluida (Luft bzw. Wasser). Von daher ist der Erfindung gemäß ein Aufbau zur Verringerung von Widerständen auf der Oberfläche des Flügels 20 des Propellers 10 entwickelt. In 3 bis 7 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aufbaus dargestellt, der im Folgenden detailliert erläutert wird.
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Dem Ausführungsbeispiel gemäß ist eine Vielzahl von kleinen Aussparungen 31 auf einem Teil der Oberfläche eines Flügels 20 eines Propellers 10 bzw. auf der ganzen Oberfläche des Flügels 20 ausgebildet. Fließt Fluid 40 durch die Vielzahl von kleinen Aussparungen 31, dann entsteht eine Vielzahl von kleinen Wirbeln 33 auf der Oberfläche des Flügels 20, die schließlich eine ganz dünne turbulente Grenzschicht 30 auf der Verkleidungsoberfläche bilden. Auf diese Weise wird die Turbulenz des Fluides auf der Oberfläche des Flügels 20 effektiv behindert. Außerdem wird hierbei das Fluid 40 aus der Oberfläche des Flügels 20 entfernt, wodurch der Reibungswiderstand des Fluides 40 relativ zu der Oberfläche des Flügels 20 verringert wird. In diesem Fall kann das Fluid 40 schnell durch die Oberfläche des Flügels 20 durchfließen, wobei eine Verringerung von Widerständen möglich ist. Unter Zuhilfenahme der vorher erwähnten turbulenten Grenzschicht 30 kann die Turbulenz so aufgehalten werden, dass die Nachlaufströmung 41 des Fluides 40 entlang der Oberfläche des Flügels 20 auf einen relativ längeren Abstand w2 verlängert wird. Durch die verlängerte Nachlaufströmung 41 kann die durch die Nachlaufströmung entstehende Zugkraft verringert werden. In diesem Sinne können Widerstände mithilfe der geringen Wirbel 33, der turbulenten Grenzschicht 30 und der verlängerten Nachlaufströmung 41 verringert werden, wodurch eine Leistungssteigerung sowie eine Geräuschverringerung des Propellers gewährleistet sind.
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Die auf der Oberfläche des Flügels 20 ausgebildeten kleinen Aussparungen 31 kann durch beschädigungsfreies Verfahren angeordnet werden, wodurch Änderungen bzw. Beschädigungen der Konstruktion ausgeschlossen werden können, um letztendlich die Sicherheit des Flügels zu gewährleisten. Von daher kann der erfindungsgemäße Aufbau zur Leistungssteigerung und Geräuschverringerung für einen Propeller in allen Propellern auf Märkten verwendet werden.
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Der Erfindung gemäß ist eine Vielzahl von kleinen Aussparungen 31 auf der Oberfläche des Flügels 20 ausgebildet, wobei die Oberfläche des Flügels 20 durch Beschichten, Bedrucken bzw. Aufkleben mit einer Dünnschicht 21 versehen ist, die ungefähr 0,001 mm bis 10 mm dick ist. Dem Ausführungsbeispiel gemäß ist die Dünnschicht 21 als Überzug durch Beschichtung bzw. Siebdruckverfahren auf der Oberfläche des Flügels 20 vorgesehen.
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Bezug nehmend auf 4 und 5 ist eine Vielzahl von kleinen geometrischen Aussparungen 31 wie z. B. länglichen, vieleckigen, kreisförmigen, ovalen oder anderen geometrischen Aussparungen auf der Dünnschicht 21 ausgebildet. Vorzugsweise sind die kleinen Aussparungen 31 als Wölbungen ausgeführt, deren Mitte tiefer liegt. Die Wölbungen sind in diesem Fall nach der Front des Fluides 40 ausgerichtet und bildet somit eine Bogenform 32. Auf diese Weise kann die Luftströmung 40 reibungslos in die kleinen Aussparungen 31 fließen und bilden somit eine Vielzahl von geringen Wirbeln 33 in den kleinen Aussparungen 31.
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Die kleinen Aussparungen 31 haben hierbei eine Tiefe von 0,001 mm bis 10 mm und eine Fläche von 0,001 mm2 bis 100 mm2. Je dichter die kleinen Aussparungen 31 angeordnet sind, desto effektiver können die Widerstände verringert werden. Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt, worauf sich die Erfindung nicht beschränken soll. Der Abstand zwischen zwei benachbarten kleinen Aussparungen 31 soll nicht größer als der größte Durchmesser bzw. die Breite der kleinen Aussparung 31 sein, damit die Vielzahl von kleinen Aussparungen 31 dicht auf der Dünnschicht 21 verteilt werden kann. Hierbei sind die kleinen Aussparungen 31 0,001 mm bis 10 mm tief und 0,001 mm2 bis 100 mm2 groß.
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Auf diese Weise können die durch die Vielzahl von kleinen Aussparungen 31 entstehenden geringen Wirbel 33 von Punkten zu Flächen erweitert werden, wodurch eine turbulente Grenzschicht 30 letztendlich gebildet ist. Die Tiefe, die Breite, die Abmessung sowie die Fläche der entsprechenden kleinen Aussparung 31 können nach der Bewegungsgeschwindigkeit des Flügels 20 sowie nach der Fläche des Flügels 20 bestimmt werden, um schließlich eine optimale turbulente Grenzschicht 30 zu bilden.
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Aus 5 ist ersichtlich, dass die Tiefe H der erfindungsgemäßen kleinen Aussparungen 31 nicht größer als die Dicke T der Dünnschicht 21 ist. Ist die Dünnschicht 21 beispielsweise 2 mm dick, dann sind die kleinen Aussparungen 31 zwischen 1,0 mm und 2,0 mm tief, vorzugsweise zwischen 1,5 mm und 1,8 mm, worauf sich die Erfindung nicht beschränken soll. Auf diese Weise kann der größte Teil der Unterschicht der Dünnschicht 21 mit der Oberfläche des Flügels 20 verbunden werden, wodurch eine Erhöhung von Adhäsion gewährleistet ist.
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Die Dünnschicht 21 ist durch Bedrucken bzw. Aufkleben auf der Oberfläche des Flügels 20 befestigt. Wird die Dünnschicht 21 durch Bedrucken auf der Oberfläche des Flügels 20 befestigt, dann wird die Vielzahl von kleinen Aussparungen 31 beim Bedrucken durch Siebdruckverfahren ausgebildet. Diese Ausführung ist einwandfrei. Die beschichteten Materialien sollen in diesem Fall hoher und niedriger Temperatur sowie Korrosion trotzen können.
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Wie vorher erläutert ist die Ausbildung von einer Vielzahl von kleinen Aussparungen 31 auf der Oberfläche des Flügels 20 bei Formen der Dünnschicht 21 realisiert. Alternativ können die kleinen Aussparungen 31 ebenfalls vorhin durch Gießen, durch Bearbeitung von Drehmaschine bzw. durch Entformen etc. auf der Oberfläche des Flügels 20 ausgebildet werden. Solche kleinen Aussparungen 31 sind lediglich auf der Oberfläche des Flügels 20 geformt. Von daher kann die Beschädigung der Struktur sowie der Härte des Flügels 20 in diesem Fall ausgeschlossen werden. Folglich bilden die kleinen Aussparungen 31 auf der Oberfläche des Flügels 20 eine Vielzahl von kleinen Wirbeln 33. Dadurch ist eine ganz dünne turbulente Grenzschicht 30 erzeugt, die die gleichen Merkmale und Wirkungen wie die vorher erwähnte turbulente Grenzschicht 30 aufweist.
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Zusammengefasst lassen sich folgende Vorteile mit dem erfindungsgemäßen Aufbau zur Verringerung von Widerständen bei Bewegung eines Objektes realisieren:
- i) Fließt das Fluid 40 durch die Vielzahl von kleinen Aussparungen 31, dann entsteht eine turbulente Grenzschicht 30 auf der Oberfläche des Flügels 20, wodurch die Luftströmung auf der Oberfläche ohne Turbulator ebenfalls behindert werden kann. In diesem Sinne zeichnet sich der erfindungsgemäße Aufbau durch ihre praktische Tauglichkeit und hohe Effizienz aus.
- ii) In 6 sind die Fluidbewegung eines erfindungsgemäßen Propellers (untere Figur) sowie die Fluidbewegung eines herkömmlichen Propellers (obere Figur) dargestellt, wobei ein Vergleich zugleich ausgeführt ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau werden nicht nur die Reibungswiderstände des Fluides 40 relativ zu der Oberfläche des Flügels 20 verringert, sondern eine Verlängerung der Nachlaufströmung 41 ist hierbei ebenfalls möglich. Im Vergleich zu Stand der Technik, bei dem die Nachlaufströmung 42 durch einen relativ kürzeren Abstand W1 gekennzeichnet ist, zeichnet sich die erfindungsgemäße Nachlaufströmung 41 durch einen relativ längeren Abstand W2 aus, wodurch die durch die Nachlaufströmung 41 entstehende Zugkraft relativ zu der Oberfläche des Flügels 20 verringert werden kann. Auf diese Weise kann nicht nur die Bewegung des Propellers beschleunigt werden, sondern der Energieverbrauch kann ebenfalls reduziert werden.
- iii) In 7 ist eine Vorgehensweise zur Entfernung des Fluides aus dem erfindungsgemäßen Flügel (untere Figur) mit einer in 2 dargestellten Vorgehensweise (obere Figur) verglichen. Nach dem Stand der Technik entsteht eine Trennstelle auf der hydrodynamischen Grenzschicht, wenn das Fluid von Punkt A zu Punkt B fließt. Bei Punkten C, D, E... nach dem Punkt B entstehen hingegen turbulente Strömungen. Der Erfindung gemäß entsteht ein Fließfeld am Punkt A, wenn das Fluid 40 durch die Oberfläche des Flügels 20 des Propellers 10 durchfließt. Kurz danach entsteht ein Fließfeld am Punkt B (untere Figur) auf der Grenzschicht der Oberfläche des Flügels 20 des Propellers 10. Dank der durch die kleinen Aussparungen 31 auf der Oberfläche des Flügels 20 gebildeten turbulenten Grenzschicht 30 entstehen hierbei keine turbulenten Strömungen an Punkten C, D, E.. nach dem Punkt B. Dadurch können Leistungssteigerung sowie Geräuschverringerung gewährleistet werden.
- iv) Der Erfindung gemäß ist die Vielzahl von kleinen Aussparungen durch beschädigungsfreies Verfahren ausgebildet, um schließlich eine turbulente Grenzschicht 30 zu bilden. Auf diese Weise sind sowohl eine erhöhte Sicherheit bei der Verwendung als auch eine praktische Tauglichkeit des erfindungsgemäßen Aufbaus gewährleistet, wobei eine ökonomische Anwendung sichergestellt ist.
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Die Erfindung betrifft somit einen Aufbau zur Leistungssteigerung und Geräuschverringerung für einen Propeller, bei dem ein Teil oder die ganze Oberfläche eines Flügels eines Propellers mit einer Vielzahl von kleinen Aussparungen versehen ist. Dreht sich der Propeller und fließt Fluid durch die kleinen Aussparungen, dann entsteht eine Vielzahl von kleinen Wirbeln auf der Oberfläche des Flügels, die eine ganz dünne turbulente Grenzschicht bilden. Auf diese Weise kann die Turbulenz des Fluides auf der Oberfläche des Flügels effektiv behindert werden, wobei das Fluid ebenfalls von der Oberfläche des Flügels entfernt werden kann. Dadurch ist eine Verringerung von Reibungswiderständen auf der Oberfläche des Flügels möglich. Weiterhin kann die Nachlaufströmung verlängert werden, wodurch die von der Nachlaufströmung verursachte Zugkraft ebenfalls verringert werden kann. Mithilfe der vorstehenden kleinen Wirbel, der turbulenten Grenzschicht und der verlängerten Nachlaufströmung sind die Leistungssteigerung sowie die Geräuschverringerung gewährleistet.
