DE2231753A1 - Propeller, insbesondere fuer schiffe - Google Patents

Description

Willy Minnich« 2 Hamburg 76« Wandabeker Chaussee 104 a Propeller. insbesondere für Schiff·

Die Erfindung betrifft einen Propeller, Insbesondere für Schiffe, zum Erzeugen eines drallfreien bzw· drallarmen Massenstrahls mit großer Querschnittsfläche·

Der bei höheren Schiffsgeschwindigkeiten trotz günstigem Strahlwirkungsgrad niedrige Gesamtwirkungsgrad der Schiffsschraube hat als Ursache neben Sturvorgingen an den Flügeln die bei großen Fortschrittsgraden untragbar groß werdende Leistungseinbuße durch den Drall des Strahls.

Die bekannten Maßnahmen zur Drallbeseitigung· wie die Verwendung von Leitschaufeln oder die koaxiale Anordnung zweier gegenläufiger Schrauben, bringen zu große Fahrwi-

309883/0225

derstände und Verluste oder sie sind auch durch baulichen Aufwand und sonstige Schwierigkeiten auf Sonderanwendungen beschränkt wie a.B. Torpedos·

Die Erfindungsaufgabe versteht sich vornehelich in der Schaffung eines baulich einfachen, robusten Propellers mit optimal großer Schubfläche und geringein Eigenwiderstand, der bei großen Fahrgeschwindigkeiten und Fortschrittsgraden einen praktisch drallfreien Propellerstrahl wirtschaftlich erzeugt·

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß hinter einen als Propellerrad arbeitenden freiliegenden SchrägSchaufelkreiselrad mit allseitig offenen Schaufelkanälen ein stromlinienförmiger, rotationssymmetrischer Verdrängungskörper angeordnet ist, dessen Symmetrieachse koaxial »ur Drehachse des Propellerrades liegt, wobei das Verhältnis des größten Durchmessers des Verdrängung skör per s zum Propellerraddurchmesser größer als 0,60 ist· In dem drehenden Propellerrad entsteht dadurch unter maßgebender Beteiligung von Zentrifugalkräften eine diagonal zum Umfang hin gerichtete Strömung, die als vergleichsweise schmaler Strahl entlang der vorderen Abrundungen des Verdrängungskörpers geführt und im Bereich seines sich verjüngenden Abschlußteils unter Ansteigen des dynamischen Druckes verzögert wird· Diese Energieumsetzung senkt den Druck im Strahl

-3-309883/0225

im Gebiet der vorderen Abrundungen und verengt den Strahlquerschnitt in Strömungsrichtung auf diese Stelle hin· Die hiermit verbundene Meridianbeschleunigung der Schaufelströmung dreht die Richtung der absoluten Schaufelaustrittsgeschwindigkeit im Sinne einer Verkleinerung ihrer tangentialen Geschwindigkeit Bicomponent«, so daß ihre tangentialen Bewegungsenergien vernachlässigbar klein werden· Aus der Druckverteilung am Verdrängungskörper resultiert also eine ara Verdrängungskörper angreifende Schubkraft.

Der Verdrängungskörper kann eine vollständige Stromlinienform mit schlankem Abschlußteil und vorzugsweise gedrungenem Nasenteil haben oder zwiebelföradg sein· Vorteilhaft ist ein Verdrängungskörper, dessen Vorderteil aus de» drehenden Radkörper des Propellerrades und einem nicht drehenden Abschluüteil besteht.

Die Erfindung und deren vorteilhaft« Ausgestaltungen sind nach· stehend an Ausführungsbeispielen von Schiffspropellern unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert* Γη der Zeichnung

sseigen .

Fig. 1 den Propeller in Seitenansicht, Fig. 2 die Vorderansicht des Propellers nach Fig. 1, Fig. 3 den Propeller nach Fig. 1 und 2 im Längsschnitt,

vereinfacht geseichnet, mit dem Stromungsfeld des * freifahrenden und drehenden Propellers,

309883/0225

Flg. 4 den Propeller nach Fig. 1 und 2 in Längsschnitt,

vereinfacht gezeichnet, mit dem Strönungsfeld des

in Stand drehenden Propellers, Fig. 5 die Anordnung des Propellers nach Fig. 1 und 2 an

Schiffsheck in Seitenansicht, Fig. 6 einen Propeller nit Bremsvorrichtung IJt T4ngsschnitt Fig. 7 einen Propeller in Seitenansicht, der um eine Hochachse schwenkbar 1st.

In Fig. 1 und 2 ist auf der Welle 1 das freiliegende Propellerrad mit den kegelförmigen Radkörper 2 und den Schaufeln 3, in Beispiel vier Schaufeln, befestigt· Die Kanäle zwischen den Schaufeln 3 sind praktisch nach allen Seiten offen· Der unmittelbar hinter den Propellerrad 2, 3 liegende und mittels einer Halterung 11 gemäß FIg· 5 nit den Schiffsheck 12 starr verbundene rotationssymmetrische Abschlußteil 4 des Verdrängungskörpers 2, 4 ist nit seiner Symmetrieachse koaxial zur Drehachse des Propeilerrades 2, 3 angeordnet und bildet mit diesem zusannen den Verdrängungskörper 2, 4, so daß der drehende Radkörper 2 zugleich auch Bestandteil des Verdrängungskörpers 2, 4 1st. Der Verdrängungskörper 2, 4 1st annähernd stromlinienförmig, wobei die Kegelfläche des Radkörpers 2 tangential in die Abrundungen des feststehenden bzw. nicht drehenden Abschlußteils 4 verläuft. Oer nicht drehende Abschlußteil 4 des Verdrängungskörpers 2, 4 1st mit symmetrisch Ober seinen Umfang verteilten, allgemein axial ausgerichteten kleinen Leitflächen 5, im Beispiel vier Flächen, versehen. Öle Austritts-

309883/0225 ~⁵~

kanten 6 der nach vorn unter Aussparung eines beschaufelungsfreien Raumes um die Welle 1 weit ausladenden Schaufeln 3 liegen vor dem größten Normalschnitt A-B des Verdrängungskörpers 2, 4.

Die Schaufeln 3 sind zur Aufnahme großer Corioliskräfte ausgebildet und können entgegen der Drehrichtung oder in Drehrichtung gekrümmt oder geneigt sein oder radial enden· Der geometrische Anstellwinkel der drehachsennahen Schaufelteile ist vorzugsweise größer zu wählen als für die außen liegenden Teile.

Das in Pfeilrichtung 7 drehende Propellerrad 2, 3 erzeugt unter maßgebender verlustarmer Beteiligung von Zentrifugalkräften einen den Verdrängungskörper 2, 4 ohne Ablösungserscheinungen umströmenden Propellerstrahl·

Die bei fortschreitendem Propeller entstehende Staufeldströ— raung an der Stirnseite des Verdrängungskörpers 2, 4 wird von der Schaufelströmung überlagert·

In Kenntnis der beschriebenen Zusammenhänge kann erreicht werden, daß ein Prope11erstrahl des frei fahrenden Propellers gem. Fig. 3 mit den Stromlinien θ und 9 entsteht, welche die Zeichnungsebene schneiden und auf dies« Ebene projiziert sind. Hierin ist 2, 3 das Propellerrad und 4 der nicht drehende Abschlußteil des Verdrängungskörpers 2, 4.

-6-

309883/0225

Diβ die Schaufelenden berührenden Randstromlinien 3 bilden •ine das Propellerrad 2, 3 und den Verdrängungskörper 2, 4 mit geringem Abstand ^Ms^M einschließende Stromröhre. Innen- und außenseitig dieser Stromröhre stehen die Druckkräfte mit den Kräften der auf den gekrümmten Bahnen sich bewegenden Wasserteilchen im Gleichgewicht zueinander· Die die Röhre bildende zylindrische Strömungsfläche wirkt in dieser zeitlich stationären Strömung bekanntlich wie eine praktisch reibungsfreie feste Rohrwandung.

In diesem durch die Energieumsetzung in der Röhre sich stetig zuerst bis Schnitt A-B verengenden und dann bis Schnitt C-D stetig erweiternden Röhrenteil strömt die von dem Propellerrad 2, 3 erfaßte Wassermasse.

Die Wasserteilchen werden aus Gründen der Kontinuität auf die Höchstgeschwindigkeit an der engsten Röhrenstelle bei Schnitt A-B beschleunigt, und dann auf die den Propellerschub bestimmende Geschwindigkeit an der weitesten Röhrenstelle bei Schnitt C-D hinter dem Verdrängungskörper unter Anstieg des dynastischen Druckes verzögert.

Die über den Strahlquerschnitt geraittelte Meridianbeschleunigung der Wasserteilchen während deren Bewegung in Richtung auf das Druckminimum an der engsten Röhrenstelle hin ist abhängig von dem Verhältnis des größten Durchmessers des Ver-

-7-

309883/0225

drängungsfcörpers 2, 4 zum Propellerraddurchmesser. Besonders wirkungsvoll ist ein Verhältnis von 0,7 bis 0,8.

Die Wirkung des Verdrängungskörpers liegt in dem Umstand, daß die Meridianbeschleunigung der Viasserteilchen im Geschwin— digkeitsdreieck an der Schaufelaustrittskante die aus der Umfangsgeschwindigkeit und der relativen Austrittsgeschwindigkeit resultierende absolute Austrittsgeschwindigkeit in Richtung auf die Meridianebene gedreht wird.

Ein verbleibender Restdrall Im Propellerstrahl,der noch auftreten kann, wäre hinsichtlich seiner Drallenergie wegen der quadratischen Abhängigkeit der Bewegungsenergie von der Geschwindigkeit praktisch ohne Bedeutung· Oa jedoch die Strömung im Bereich ihrer ausbreitenden Stromllen β, 9 «in« radial« auf die Symmetrieachse des Verdrängungskörpers gerichtete Geschwindigkeltskomponente hat und das Produkt aus d«m momentanen radialen Abstand eines Wasserteilchens vm dieser Achs· undseiner momentanen Umfangsgeschwindigkeit konstant bleibt, wächst die Umfangsgeschwindigkeit wieder mn und beeinträchtigt damit die Energieuassetxung. Das aber wird verhindert durch kleine Leitflächen 5 des Verdrängungskörpers 2, 4»

Die Schaufelaustrittsströmung wird infolge ihrer geringen Strahlweite s und ihrer, bezogen auf die Raumeinheit, erheblich größeren Bewegungsenergie als die der umgebenden Strömung, um die Stirnabrundungen des Verdrängungskörpers 2,4 auch bei deren großer Krümmung ohne Ablösungsgefahr geführt und umge-

309883/0225 ~⁸~

lenkt. Diese große Bewegungsenergie ie Strahl unterstützt das Anliegen der verzögerten Strömung. Ebenfalls zugunsten der Ener gieumsetzung im Verzögerungsbereich wird #ie Homogenität der Schafelaustrittsströmung durch den gleichen Zuwachs an kinetischer Energie Tergrößert, den jedes Wasserteilchen während seiner Bewegung auf das Druckminimum hin erfährt.

Die Energieumsetzung ist ia Schnitt C-D kurz hinter den Verdrängungskörper abgeschlossen. Die Strahlquerschnittsfläche in diesem Schnitt, die in erster Näherung eine gleichförmige Geschwindigkeitsirerteilung aufweist, kann größer «ein als die Propellerradkrei sf1Sehe.

Aus der sehr kleinen Widerstandszahl angeströmter stromlinienförmiger, rotationssymmetrischer Körper geht ein hoher Wirkungsgrad der durch den Verdrängungskörper 2, 4 hervorgerufenen Energieumsetzung herror. 0er geringe Profilwiderstand des Verdrängungskörpers 2, 4 und die durch die Meridianbeschleunigung günstig beeinflußte Strömung in den frei liegenden Schaf elkanälen des Propellerrades begründen den kleinen Eigenwiderstand des erfindungsgemäßen Propellers.

Die Druckverteilung am Verdrängungskörper 2, 4 ergibt vorteilhaft eine die Schaufeln entlastende, an dem Verdrän-

-9-

309883/022$

gungskörper 2, 4 angreifende Schubkraft.

Fig. 4 zeigt das Strömungsfeld des in Stand arbeitenden Propellers· Hierin sind 2,3 das Propellerrad, 4 der nicht drehen» de Abschlußteil des Verdrängungskörpers 2, 4 und 10 die Stromlinien.

Das Wasser ströet in Form ähnlich einer Strömung in eine Senke dem Propeller zu und verläßt diesen als drallaraer, geschlossener Strahl, auch wenn das Verhältnis «wischen Austrittsgeschwindigkeit und Propellerunfangsgeschwindigkeit ungünstig ist.

Bei einem Drehrichtungswechsel des Propellerrades wird die Schubrichtung umgekehrt, wobei unter Inkäufnelmen eines größeren Leistungsaufwandes bei unveränderter Drehzahl eine starke Schubkraft entsteht.

Die dem jeweiligen Betriebszustand zugehörige optimale Schaufelanstellung ist durch drehbar an Radkörper 2 angebrachte und mit Hilfe bekannter Verstellmechanik einstellbare Schaufeln 3 zu erlangen!

Baulich vorteilhaft kann der als Abflußspitate auslaufende hintere Teil des Abschlußteils 4 des Verdrängungskörpers 2, 4 schwenkbar um die Hochachse angeordnet sein und einen Bestandteil des Schiffsruderblattes bilden. Die Ruderdreh-

-10-309883/0225

achse kann dabei zugleich die Drehachse dieses schwenkbaren Teils des Verdrängungekörpers 2, 4 sein.

Als Ruder können auch die Leitflächen 5 dienen, die dann entsprechend verstellbar angeordnet sind·

Der feststehende Teil 4 des Verdrängungskörpers 2, 4 kann zu» Zwecke einer schnellen Bremswirkung mit abspreizbaren Platten 14 versehen sein, die vorzugsweise am Ort der kleinsten Strahlweite über den Umfang gleichmäßig verteilt und versenkbar angeordnet sind· Die as.B. gem. Fig. 6 in Schlitzen 13 des Verdrängungskörpers 2, 4 radial verschiebbar angeordneten und mittels einer nicht gezeichneten bekannten Verstellmechanik ausfahrbaren kleinen Bremsplatten 14 lenken im ausgefahrenen Zustande den Propellerstrahl in radialer Richtung ab, so daß der Schub unterbrochen wird·

Der Propeller nach der Erfindung ist auch als schwenkbarer Steuerpropeller zu verwenden. Im Beispiel nach Fig. 7 ist der Propeller zum Verstellen seiner Schubrichtung um eine quer zur Propellerdrehachse liegende Achse 16 schwenkbar angeordnet. Als Hilfspropeller kann der Propeller in Steuerruder eingebaut werden.

Da im Gegensatz zu bekannten Formen von Steuerpropellerη der gesamte Propellerantrieb ohne Schwierigkeiten und ohne Einbuße

-11-309883/0225

an Propellerwirksamkeit in dem Verdrängungskörper des schwenk· baren Propellers eingebaut werden kann, ist dieser Steuerpropeller baulich und betrieblich günstiger und hat bei gegebener Propellerkreisfläche eine wesentlich größer· Ruderwirksamkeit als bekannte Ausführungen·

Der erfindungsgemäSe Propeller erzeugt bei kleinem Eigenwiderstand und optimal großer Schubfläche auch bei höheren Fahrgeschwindigkeiten und iortschrittsgraden wirtschaftlich einen nahezu drehungsfreien, geschlossenen Strahl. Hit gegebener Propellerradkreisfläche erzeugt dieser Propeller unter in Übrigen gleichen Verhältnissen einen größeren Schub als die freie Schraube· Der maximale sekundliche Massendürch— satz ist erheblich höher.

Der Propellerstrahl unterliegt keiner den Wirkungsgrad verschlechternden Strahlkontraktion hinter dem Propeller· Weitere Vorteile sind die größere Unempfindlichkeit gegenüber Abweichungen vom optimalen Betriebssustand und die Schonung von Flußsohle und Böschung .'durch Vermeidung des Dralls.

■t

Das Wesen der Erfindung wird nicht gelindert durch die Verwendung eines aus einem Stück bestehenden nicht drehenden Verdrängungskörpers mit einem zugeordneten Propellerrad, dessen Schaufeln sich unter Anpassung an das Nasenprofil des Verdrängungskörpers nach hinten erstrecken, oder durch einen als Ganzes drehenden mit Schaufeln versehenen Verdrängung »körper·

309883/022S

Der Propeller nach der Erfindung kann auch mit einem ihn kreisförmig umschließenden Hilfsflügel zum Zwecke der Strahl* beeinflussung versehen sein.

Der erfindungsgemäfle Propeller kann im übrigen auch auf anderen Anwendungsgebieten benutzt werden wie allgemeine Strömungsmaschinen für einen Hassenstrahl mit großer Querschnitt sf lache.

- Anspruch« -

309883/022S

Claims (9)

Ansprüche

1. Propeller, insbesondere für Schiffe, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömung»richtung hinter einem als Propellerrad arbeitenden freiliegenden Schrägschaufelkreisei— rad (2, 3) ein stromlinienförmiger, rotationssymmetrischer Verdrängungskörper (2, 4) angeordnet ist, dessen Symmetrieachse koaxial zur Propellerdrehachse liegt, wobei das Verhältnis des größten Durchmessers des Verdrängungskörper s (2, 4) zum Propellerraddurchmesser größer als 0,60 ist, so daß in dem Propellerrad (2, 3) eine diagonal zum Umfang hin gerichtete meridianbeschleunigte Hauptströmung entsteht, die als verhältnismäßig schmaler Strahl entlang der vorderen Abrundungen des Verdrängung sfcörpers (2,4) geführt und im Bereich seines sich verjüngenden Abschlußteils (4) unter Ansteigen des dynamischen Druckes verzögert wird·

2. Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Abschnitt (2) des Verdrängungskörper (2, 4) ein drehender Propellerradteil ist und der dahinterliegende und im Durchmesser abschnittsweise größere Teil (4) des Verdrängungskörpers (2, 4) fest steht.

309883/0225

-•2—

-fr-

3· Propeller nach einera oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gek:ennoetchnet_f daß die Außenfläche des drehenden Teils (2) tangential in die Außenfläche des feststehenden Teils (4) vom Verdrängungskörper (2, 4) Obergeht.

4. Propeller nach einer' ?%Jar nshreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere dre hende Teil C2) des Vssrc-räggungskörper« (2, 4) kegelförmig ist·

5. Propeller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g&&ermz£i.chnet, daß dar feststehende Teil C4) des Verdrängungskörper^ (2, 4) mit Leitflachen

(5) versahen ü«

6· Propeller nach Anspruch Sj dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen (5) verstellbar sind.

7· Propeller nach sinem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gc^isrikelehnet» daß der Verdrängungs körper C2, 4) sw.ieb<5lfi'riGl5 ist·

8· Propeller nach eines oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ^ü^Hiinx^Xdhnott daß ein als Abflußspitze auslaufender hinterer Teil des feststehenden Teiles (4/ schweakb«/: ,üi ul* iiochach«·*?- angeordnet ist·

3 0 8 β ti 3 / 0 2 2 5 3

9. Propeller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller ialt seinem Verdrängungskörper (2, 4) schwenkbar gelagert ist um eine quer zur JPropellerdrehachse liegende Achse.

10· Propeller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper (2,4) im Bereich seines grüßten Normal schnittes (A-B) mit kleinen ausfahrbaren Bremsklappen versehen ist

11· Propeller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (3) des Propellerrades (2, 3) über den Radkörper (2) hinaus nach vorn ausladen unter Aussparung eines heschauf«lungs- - freien Raumes an der Welle (1)«

12· Propeller nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der geometrische Anstellwinkel der Schaufeln (3) zur Strömungsrichtung' der drehachsennahen Schaufelteile in an sich bekannter Weise größer 1st als der der außen .liegenden·

13· Propeller nach einen oder mehreren der vorhergehenden ^; Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (3) verstellbar am Radkörper (2) angebracht sind·

* 309B83/0225 -

Leerseite