DE2231753C3 - Vortriebselement, insbesondere für Schiffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Vortriebselement insbesondere für Schiffe mit einem schraubenpropellerähnlichen Kreiselrad, dessen Schaufeln im Bereich ihrer Wurzeln schräg zu der Drehachse angestellt sind, und einem koaxial hinter diesem angeordneten, nicht drehenden strömungsgünstig geformten Verdrängungskörper, dessen Symmetrieachse koaxial zu der Kreiselraddrehachse liegt.

Es besteht allgemein in der Schiffstechnik die Tendenz, bei einem vorgegebenen Propellerdurchmesscr durch besondere Gestaltung zu Lasten einer erhöhten Antriebsleistung die Schiffsgeschwindigkeit zu erhöhen und den Schub zu steigern. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Höhe der Propellerdrehzahl eng begrenzt ist durch das Auftreten der gefährlichen unvollständigen Kavitation, die Störungen der Propellerwirkung hervorruft und zu einer Beschädigung des Propellers führen kann.

Bei einem bekannten Propeller (DT-PS 5 03 963 und FR-PS 9 69 115) soll die Antriebswirkung verbessert werden durch einen hinter dem Propeller im geringen Abstand angeordneten nicht drehenden, etwa birnenförmigen Verdrängungskörper, der sich zunächst verdickt und dahinter in einer Spitze ausläuft, um die Bildung eines Wirbelzopfes hinter der Schraube zu verhindern. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser dieses bekannten Verdrängungskörpers und dem Durchmesser des Propellers beträgt etwa 0,2 bzw. 0,3. Ein solcher Verdrängungskörper ist nicht in der Lage, eine meridianbeschleunigte, kegelige Strömung zwischen den Schaufeln eines als Diagonalrad ausgebildeten Propellers bzw. eines schraubenpropellerähnlichen Kreiselrades in axialer Richtung umzulenken und zu verzögern.

Bei einer anderen bekannten Schraube (GB-PS 2 331 von 1877) ist der Propeller in einer Röhre unter Freilassung eines kleinen Spaltes zwischen Flügelenden und Innenwand der Röhre eingebaut. Die Nabe des Propel'ers geht in einen feststehenden Verdrängungskörper über, dessen Durchmesserverhältnis zum Schraubendurchmesser etwa 0,3 beträgt. Abgesehen von den vorgenannten Mängeln treten bei einer solchen Ausführungsfofm völlig andere Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse im Strahl und damit andere Strömungsformen auf als bei einem Propeller, dessen Rad offen und frei liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Propeller insbesondere für Schiffe zu schaffen, der bei vorgegebenem Propellerdurchmesser und vergleichsweise kleinen Drehzahlen einen größeren Schub und zum anderen höhere Fahrgeschwindigkeiten erbringt als es mit Schraubenpropellern bisher erreichbar erschien. Gemäß der Erfindung ist als Lösung vorgesehen, daß die Schaufeln des als Schrägschaufelkreiselrad ausgebildeten Vortriebselementes über die vordere Fläche der Radnabe nach vorn unter Aussparung eines beschaufelungsfreien Raumes ausladen, wobei die gekrümmten Schaufeleintrittskanten länger sind als die Schaufelaustrittskanten, und daß die Außenfläche der Radnabe tangential in die Außenfläche des Verdrängungskörperabschlußteils übergeht und das Verhältnis des größten Durchmessers des Verdrängungskörpers zum Kreiselraddurchmesser größer als 0,6 ist. Bei einem derartigen erfindungsgemäßen Vortriebselement wird eine meridianbeschleunigte, kegelige Strömung zwischen den Schaufeln des Schrägschaufelkreiselrades in axiale Richtung durch den Verdrängungskörper umgelenkt und verzögert. Dabei wirkt sich das Durchmesserverhältnis des Verdrängungskörpers zum Kreiselrad wesentlich auf die Ausrichtung der Strömung innerhalb des Kreiselrades aus, und zwar ergibt sich eine optimale Schrägrichtung der Strömung bezogen auf die Symmetrieachse de; Verdrängungskörpers innerhalb des Kreiselrades unc damit ein besonderes Maß an Zentrifugalkräften. Dies« sind erwünscht, weil ein Drucksprung, der durct Zentrifugalkräfte hervorgerufen wird, sich im Prinzip verlustfrei erzeugen läßt im Gegensatz zu vorbekanntet Anordnungen. Die hervorgerufenen Zentrifugalkraft! verhindern außerdem einen Abfall der Zustromge schwindigkeit der Wasserteilchen in das drehachsenna hc Gebiet der Propellerkreisfläche.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in dem Umstand, daß der nach hinten herausgeführte Strahl regelmäßig eine größere Ouerschnittsflache aufweist als die Propellerkreisfläche, so daß also eine Kontraktion entweder nur von geringer Größe i>i oder sogar vollständig verhindert wird, denn die bei bekannten Propellern auftretende Kontraktion des Strahles hinter dem Propeller ist nicht erwünscht, weil sie zu einem Energieverlust führt.

Die erfindiiiigsgemäß erschaffenen Strömungsverhältnisse ergeben eine Druckverteilung am Verdrängungskörper, die eine die Schaufeln z.T. entlastende an dem Verdrängungskörper angreifende Schubkraft hervorbringt.

Als Vorteil des erfindungsgemäßen Propellers hat es sich weiterhin gezeigt, daß die schädliche Kavitation erst bei erheblich größerer Propellerbelastung auftritt im Vergleich zu Schraubenpropellern an sich bekannter Bauart Demzufolge lassen sich bei vorgegebener Propellerkreisfläche höhere Schubkräfte erzielen als bisher, so daß der Propeller nach der Erfindung besonders geeignet ist zum Erzeugen hoher Schubkräfte an schnellen Schiffen und Schiffen mit mittlerer Fahrgeschwindigkeit sowie insbesondere Schleppern. Schubbooten und flachgehenden Schiffen. Schließlich ist der erfindungsgemäße Propeller geeignet für Z-Antriebe und Außenborder, die für den Vortrieb von Schiffen verschiedener Formen und Größen dienen und unter verschiedenen Betriebsverhältnissen zum Einsatz kommen sollen. ^₀

Ausführungsbeispiele der Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen sind nachstehend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Vortriebselement in der Seitenansicht,

Fig.2 die Vorderansicht des Vortriebselemenies nach Fig. 1,

Fig.3 das Vortriebselement nach Fig. 1 und 2 im Längsschnitt, vereinfacht gezeichnet, mit dem Strömungsfeld des freifahrenden und drehenden Kreiselrades,

Fig.4 das Vortriebselement nach Fig. 1 und 2 im Längsschnitt, vereinfacht gezeichnet, mit dem Strömungsfeld des im Stand drehenden Kreiselrades,

F i g. 5 die Anordnung des Vortriebselerr.entes nach F i g. 1 und 2 am Schiffsheck in Seitenansicht,

F i g. 6 ein Vortriebselement mit Bremsvorrichtung in Seitenansicht,

Fig.7 ein Vortriebselement in Seitenansicht, das um eine Hochachse schwenkbar ist.

In Fi g. 1 und 2 ist auf der Welle 1 ein freifahrendes schraubenpropellerähnliches Kreiselrad mit der kegelförmigen Radnabe 2 und den Schaufeln 3, im Beispiel vier Schaufeln, befestigt. Die Kanäle zwischen den Schaufeln 3 sind praktisch nach allen Seiten offen. Der unmittelbar hinter dem Kreiselrad 2, 3 liegende und mittels einer Halterung 11 gemäß Fig.5 mit dem Schiffsheck 12 starr verbundene rotationssymmetrische Verdrängungskörperabschlußteil 4 des Verdrängungskörpers 2, 4 ist mit seiner Symmetrieachse koaxial zur Drehachse des Kreiselrades 2, 3 angeordnet und bildet mit diesem zusammen den Verdrängungskörper 2, 4, so daß die drehende Radnabe 2 zugleich auch Bestandteil des Verdrängungskörper 2, 4 ist. Der Verdrängungskörper 2,4 ist stromlinienförmig, wobei die Kegelfläche der Radnabe 2 tangential in die Abrundungen des feststehenden bzw. nicht drehenden Verdrängungskörnprabschlußteils 4 verläuft. Der nicht drehende Vordrängungskörperabschlußteil 4 des Verdrängungskörpers 2, 4 ist mit symmetrisch über seinen Umfang verteilten, axial ausgerichteten kleinen Leitflächen 5, im Beispiel mit vier Leitflächen versehen. Er kann außerdem mit in Schlitzen 13 ausfahrbaren Bremsklappen 14 versehen sein. Die Schaufelaustrittskanten 6a der unter Aussparung eines beschaufelungsfreien Raumes um die Welle 1 nach vorn mit ihren Schaufeleintrittskanlen 6b weit ausladenden Schaufeln 3 liegen vor dem größten Normalschnitt A-B des Verdrängungskörpers 2,4.

Die Schaufein 3 sind zur Aufnahme großer Corioliskrafte 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.

In Kenntnis der beschriebenen Zusammenhange kann erreicht werden, daß ein Strahl des Kreiselrades gemäß F i g. 3 mit den Stromlinien 8 und 9 entsteht, welche die Zeichnungsebene schneiden und in der Zeichnung auf diese Ebene projiziert sind.

Die die Schaufelenden berührenden Randstromlinicn 8 bilden eine das Kreiselrad 2,3 und den Verdrängungskörper 2, 4 mit geringem Abstand »S« 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 annähernd zylindrische Strömungsfläche wirkt in dieser zeitlich stationären Strömung wie eine praktisch reibungsfreie feste Rohrwandiing. 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 Kreiselrad 2,3 erfaßte Wassermasse.

Die Wasserteilchen werden 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 hinler dem Verdrängungskörper unter Anstieg des statischen Druckes verzögert.

Die über den Strahlquerschnitt gemiitclte 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 Verdrängungskörpers 2, 4 zum Propellerranddurchmesscr. Besonders wirkungsvoll ist ein Verhältnis von 0,7 bis 0,8.

Die Wirkung des Verdrängungskörpers liegt in dem Umstand, daß die Meridianbeschleunigung der Wasserteilchen im Geschwindigkeitsdreieck an der Schaufelaustrittskante die aus der Umfangsgeschwindigkeit und der relativen Austrittsgeschwindigkeit resultierende absolute Austrittsgeschwindigkeit in Richtung auf die Meridianebenc gedreht wird.

Die Schaufelaustrittsströmung wird infolge ihrer geringen Strahlweite S und ihrer erheblich größeren Bewegungsenergie als die der umgebenden Strömung, Ui.1 die Sürnabrundungen des Verdrängungskörpers 2,4 ohne Ablösungsgefahr geführt und umgelenkt. Diese große Bewegungsenergie im Strahl unterstützt das Anliegen der verzögerten Strömung.

F i g. 4 zeigt das Strömungsfeld dos im Stand arbeitenden Kreiselrades. Hierin sind 10 die Stromlinien.

Bei einem Drehrichtungswechsel des Propcllerrades wird die Schubrichtung umgekehrt, wobei unter

lnkiuifnchnicn eines größeren Leistungsaufwandes bei unveränderter Drehzahl eine große Schubkraft entsteht.

Die dem jeweiligen Betriebszustand zugehörige optimale Schaufelstcllung ist durch drehbar an der Radnabe 2 angebrachte und mit Hilfe bekannter Vcrstcllmcchanik einstellbare Schaufeln 3 zu erlangen.

Baulich vorteilhaft kann der in einer Abflußspitzc auslaufende hintere Teil des Verdrängungskörpcrabschlußtcils 4 des Verdrüngungskörpers 2,4 schwenkbar um die Hochachse angeordnet sein. Das Vortriebselement nach der Erfindung ist deshalb auch als schwenkbarer Steuerpropeller zu verwenden. Im Beispiel nach F-" i g. 7 ist das Vortriebselement zum Verstellen seiner Schubrichtung um eine quer zur Propcllerdrchachsc liegende Achse 16 schwenkbar angeordnet.

Da im Gegensatz zu bekannten Formen von Steuerpropeller!! der gesamte Propellerantrieb ohne Schwierigkeiten in dem Verdrängungskörper eingebaut werden kann, ist dieser Steuerpropeller baulich unc!

ίο betrieblich besonders günstig.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vortriebselement insbesondere für Schiffe mit einem schraubenpropellerähnlichen Kreiselrad, dessen Schaufeln im Bereich ihrer Wurzeln schräg zu der Drehachse angestellt sind, und einem koaxial hinter diesem angeordneten, nicht drehehnden strömungsgünstig geformten Verdrängungskörper, dessen Symmetrieachse koaxial zu der Kreiselraddrehachse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (3) des Kreiselrades (2,3) über die vordere Fläche der Radnabe (2) nach vorn unter Aussparung eines beschaufelungsfreien Raumes ausladen, wobei die gekrümmten Schaufeleintrittskanten (6i>) langer sind als die Schaufelaustrittskanten (6a), und daß die Außenfläche der Radnabe (2) tangential in die Außenfläche des Verdrängungskörperabschlußteils (4) übergeht und das Verhältnis des größten Durchmessers des Verdrängungskörperabschiußteils (4) zum Kreiselraddurchmesser größer als 0,6 ist.

2. Vortriebselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Radnabe (2) des Kreiselrades (2,3) in an sich bekannter Weise kegelförmig ist.

3. Vortriebselement nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörperabschlußteil (4) in an sich bekannter Weise rotationssymmetrisch ausgebildet ist.

4. Vortriebselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Schaufeln (3) zur Raddrehachse bei den drehachsennahen Schaufelteilen in an sich bekannter Weise größer ist als der Anstellwinkel der außenliegenden Schaufelteile.

5. Vortriebselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (3) in bekannter Weise in ihrer Steigung verstellbar an der Radnabe (2) angebracht sind.

6. Vortriebselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörperabschlußteil (4) in bekannter Weise mit Leitflächen (5) versehen ist.

7. Vortriebselement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreiselrad mit seinem Verdrängungskörperabschlußteil (4) schwenkbar gelagert ist um eine quer zu der Raddrehachse liegende Achse.