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Propeller - Teildüse Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung
der propeller-erregten Schmingungen von Schiffen und zur Verbesserung der Propulsion.
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Die nach Größe und Richtung ungleichmäßige Zuströmung zu einem in
üblicher Weise hinter dem Schiff angeordneten Schraubenpropeller verursacht Schwankungen
der Propellerkräfte und der Druckverteilung am Schiff, deren ungünstiger einfluß
auf die Propulsion und insbesondere auf das Schwingungsverhalten bekannt ist. Wegen
der bei modernen Schiffen zu beobachtenden Tendenz zu immer größeren Wellenleistungen
wird es zunehmend erforderlich, Vorbeugend alle Möglichkeiten auszunutzen, um die
genannten Ursachen der vom Propeller erregten Schwingungen möglichst klein zu machen0
Bekannte Maßnahmen in dieser Richtung sind eine Vergrößerung der Propeller-Freischlagmaße,
die Verwendung von U-förmigen Hinterschiffsspanten oder von Heckwulstformen und
die Verwendung von Seitenflossen vor oder über dem Propeller. Der beabsichtigte
Zweck derartiger Seitenflossen kann ein Abschirmen der Außenhautplatten über dem
Propeller gegen die bei jedem Flügeldurchgang auStretenden Druckschwankungen oder
eine Vergleichsmäßigung der Zuströmung zum Propeller sein.
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Beispielsweise ist bereits vorgeschlagen worden, tragflügelähnflche
Seitenflossen oder Profilringsegmente vor der Propellerebene anzuordnen, um durch
Beschleunigung des Wassers im Bereich der oberen Nachstromspitze eine Verbesserung
der Zuströmung zum Propeller zu bewirken (vergl. DDR-Patent Nr. 20265 von L.Nitzki
und W. Bock "Hinterschiffsform für Einschraubenschiffe").
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Dieser Zweck kann jedoch durch vor der Propellerebene aRgeordnete
Flossen nicht erreicht werden. Aus dem Impulssatz und der linearen Tragflügeltheorie
foiÓt im Gegenteil, daß auf Grund des Widerstandes und der Diffusorwirkung deraitiger
Flossen eine weitere Verzögerung der erfaßten Wassermassen eintreten muß.
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Es ist auch bereits bekannt, tunnel- oder kappenartige Seitenwulste
oder Flossen über dem Propeiler anzuordnen, um die Zuströmung zum Propeller zu verbessern
und die darüber liegenden Außenhautplatten gegen die vom Propeller erzeugten Druckschwankungen
abzuschirmen. Die tunnelähnlichen Ausführungen erstrecken sich vom Schiffskörper
relativ weit vor dem Propeller mit etwa konstanter oder entsprechend den Wasserlinien
abnehmender Breite und mit flachem oder um den Propellerkreis gewölbtem Auerschnitt
bis hinter die Propellerebene (vergl. das deutsche Patent der BRD fr. 878001 und
die Veröffentlichung in Shipbuilding and Shipping Record vom 6.3.70 eite 31). Im
Gegensatz hierzu haben die kai)penarti6ren Flossen eine Vorderkante in relativ geringem
Abstand von der Propellerebene (vergl. das deutsche Reichspatent DRP 114831 und
das polnische Patent Nr. 45353 bzw.
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das gleichlautende englische Patent Nr. 941444).
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Alle diese Vorschläge bzw. Ausführungen von über dem Propeller angeordneten
Flossen haben den entscheidenden Nachteil, daß die Zielstellung einer Beschleunigung
der Zuströmung zum Propeller gerade im Bereich größter Nachstromstärke hinter dem
Schraubensteven nicht wirksam erfüllt werden kann, weil die hierzu erforderliche
Zirkulationsströmung (um das querschnittsprofil in Strömungsrichtung) wegen der
fehlenden Umströmung der Oberseite nicht möglich ist. Einen weiteren Nachteil, der
wenn auch z.T. aus unterschiedlichen Gründen allen tunnel- oder kappenartigen Flossen
gemeinsam ist, stellt die Widerstans- bzw. Propulsionsverschlechteru4e; dar, die
durch schlechtere Abströmung oberhalb der Flossen, durch Wirbelbildung an den Kanten
oder durch erhöhte Ablösung der Strömung am Schiff vor der Flossenvorderkante verursacnt
wird.
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Eine ebenfalls bekannteMöglichkeit zur Verbesserung nicht nur des
Schwingungsverhaltens, sondern auch der Propulsion ist die Anwendung einer dem Nachstrom
angepaßten Propellerdüse (vergl. Shipbuilding and Shipping Record vom 8.11.1968,
S. 595). Die Verbesserung des Schwingungsverhaltens kann hierbei auf zweifache Weise
erfolgen, nämlich sowohl durch Abschirmung der darüber liegenden Schiffsplatten
als auch durch Vergleichmäßigung der Zuströmung zum Propeller. Um letzteres zu erreichen,
müssen Anstellwinkel und Wölbung der Querschnittsprofile des Düsenringes in Umfengrichtung
derart unterschiedlich gewahlt werden, daß die Innenströmung im Bereich der @achstromspitzen
entsprechend stärker beschleunigt wird als in den Gebieten geringerer Nachstromstärke.
Eine dera@tige Ausführung ist einer normalen rotationssymmetrischen @ropellerdüse
auch hinsichtlich der Propulsion überlegen, weil die hinsichtlich des Wirkungsgrades
optimale Stärke der Zirkulationsströmung um das Düsenprofil n@olge der höheren örtlichen
PropellerbelasQung im Bereich großen liachstromes ebenfalls am größten ist.
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Sntscheiaende Nachteile der nicht rotationssymmetrischen Propellerdüse
sind die kompliziertere Fertigungstechnologie und die dadurch bedingten höheren
Baukosten sowie erhöhte Schwierigkeiten, die für einen guten Wirkungsgrad erforderliche
kleine Spaltbreite zwischen Düsenring und Propeller zu realisieren.
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Weitere Nachteile, die auch für normale rotationssymmetrische Propellerdüsen
zutreffen,sind: - die Notwendigkeit, zur Befestigung der Düse einen unten geschlossenen
Schraubenbrunnen zu verwenden, der teurer ist als eine moderne Ausfahrung mit weggeschnittener
Stevenhacke, - ein teilweiser Verlust der durch die Düse erzielten Verbesserungen
des Schwingungsverhaltens und der Propulsion durch den ungünstigen Einfluß der unteren
Stevenhacke,
- ein teilweiser Verlust der bei optimaler Spaltbreite
zwischen Düse und Propeller erreichbaren Verbesserungen der Propulsion durch die
wegen der technologischen Schwierigkeiten erforderlichen Bautoleranzen, - eine Verschlechterung
der Wendigkeit des Schiffes und - eine erhebliche Erachwerung der Fropellermontage.
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Außerdem hat eine Vollringdüse bei den relativ schwach belasteten
Propellern normaler Fracht- und Fahrgastschiffe den Nachteil, daß eine im Bereich
großer Nachstromintensität wegen der hier wesentlich höheren örtlichen Propeller
belastungsgrade noch erreichbare Verbesserung durch einen Widerstand der Düse im
Bereich geringen Nachstromes weitgehend wieder zunichte gemacht wird.
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Es ist Zweck der Erfindung, die genannten Nachteile der bisher bekannten
Ausführungen von Seitenflossen und Propellerdüsen zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abschwächung
der vom Propeller erregten Schwingungen und zur Verbesserung der Propulsion für
normale Fracht- und Fahrgastschiffe zu schaffen, die bei etwa gleicher Wirksamkeit
billiger ist als eine dem Nachstrom angepaßte Propellerdüse.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Anwendung eines bogenförmigen
Tragflügels gelöst, der nur den Teil des Propellerkreises konzentrisch umschließt,
in dem die örtlichen Werte des Propellerbelastungsgrades infolge starker Nachstromintensität
weit über dem mittleren Propellerbelastungsgrad liegen. Die Form dieser Popeller-Teildüse
entspricht der Formgebung des entsprechenden Sektors einer dem Nachtstrom aRgepabten
Vollringdüse. Die Befestigung erfolgt durch zwei Profilstützena die außerhalb der
Nachstromspitze angeordnet sind, um die Dusenwirkung in diesem Bereich nicht zu
behindern.
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Hinsichtlich der Wirkung der Propeller-Teildüse auf das Schwingungsverhalten
bestehen keine wesentlichea Uaterschiede gegenüber der Vollringdüse. Die Abschirmung
der über dem Propeller befindlichen Schiffsplatten und die Vergleichmäßigung der
Propellerzuströmung erfolgen in gleicher Weise. Der Fortfall des Düsenringes im
Bereich geringer Nachstromintensität ist in dieser Hinsicht kein Nachteil, weil
dadurch auch die Notwendigkeit eines unten geschlossenen Schraubenbrunnens entfällt,
so das die untere Nachstromspitze durch Wegschneiden der Stevenhakke und gegebenenfalls
eine heckwulstförmige Linienführung vermieden werden kann. Das Wegfallen von etwa
zwei Dritteln des Düsenringes und der Stevenhacke läßt sogar wegen des Fortfalls
der hierauf wirkenden Kräfte eine weitere Verbesserung des.Schwingungsverhaltens
im Vergleich zur Vollringdüse erwarten.
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Aus demselben Grunde ist auch die stabilisierende 0;rkung der Propeller-Teildüse
geringer als bei der Vollringdüse, so daß deren Nachteile für die Wendigkeit des
Schiffes weitgehend vermieden werden.
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Die Propulsioa wird durch die erfindungsg.emäße Propeller-Teildüse
stärker verbessert, als es dem Beitrag des gleichen Sektors einer vollständigen,
dem Nachstrom angepaßten Propellerdüse entspricht, weil in der Praxis auf Grund
der geringeren technologischen Schwierigkeiten für die Fertigung und Montage eine
kleinere Spaltbreite zwischen Düseninnenwand und Propeller realisiert werden kann.
Das Weglassen eines großen Teils des Düsenringes bedeutet deshalb bei mittleren
Propellerbelästungsgraden kaum einen Nachteil und bei der relativ geringen Propellerbelastung
der meisten normalen Fracht- und Fahrgastschiffe im Gegenteil einen Vorteil gegenüber
der Voilringdüse.
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Zur Begründung dieser Feststellung sei an die Tatsache erinnert, daß
die über den Propellerkreis gemittelten Propellerbelastungsgrade derartiger Schiffe
etwa im Grenzbereich einer für die Propulsion lohnenden Anwendung von Propellerdüsen
liegen.
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Da die örtliche Propellerbelastung im Bereich hoher Nachstromintensität
um ein Vielfaches größer ist als der mittlere Propellerbelastungsgrad und im übrigen
Teil des Iropellerkreises entsprechend kleiner, kann der erfindungsgemäß weggelassene
Teil des Düsenringes kaum zur Verbesserung der Populsion beitragen bzw. er verringert
sogar den positiven Beitrag des höher belasteten Düsenringsektors. Im letzteren
Fall ist die Propeller-Teildüse der Vollringdüse hinsichtlich der Propulsionsverbesserung
überlegen. Hierbei ist noch nicht einmal berücksichtigt, daß wegen der möglichen
Anwendung eines offenen Schraubenbrunnens mit grobem axialem Freischlag und weit
weggeschnittener Stevenhacke eine günstigere Sogziffer erreicht werden kann als
bei einer Vollringdüse.
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Wegen dieser propulsionsmäßigen Vorteile und der offensichtlichen
Einsparungen an Baukosten liegt die untere Grenze einer hinsichtlich der Eropulslon
lohnenden Anwendung der Propeller-Teildüse bei einem niedri#geren Propellerbelastungsgrad
als es bei Vollringdüsen der Fall ist.
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Die durch Anwendung der Propeller-Teildüse an Stelle einer vollständigen
Propellerdüse erreichbaren Einsparungen an Baukosten entstehen nicht nur durch den
Fortfall eines großen Teiles des Düsenringes und der unteren Stevenhacke, sondern
auch durch die technologischen Vorteile hinsichtlich Fertigung und Anbau der Duge
und hinsichtlich der Propellermontage.
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Als nicht unwesentlicher Vorteil gegenüber der Voliringdüse soll schließlich
noch die Möglichkeit hervorgehoben werden, daß die iropeller-Teildüse ohne besondere
Schwierigkeiten auch nachträglich an fertige Schiffe angebaut werden kann. Es besteht
deshalb die Möglichkeit,bei Serienauttragen zunächst nur ein Schiff damit auszurusten,
um durch Vergleich mit den übrigen Schiffen der Serie zunächst die technische Zweckmäßigkeit
und den wirtschaftlichen Nutzen der r"ropeller-Teiidüse zu testen.
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Der Gegenstand der Erfindung wird zur besseren Anschauung in den beigefügten
Zeichnungen als Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen: Fig. 1: einen Längsschnitt
des Schiffshecks und der Propeller-Teildüse in der Mittschiffsebene ii - II nach
Fig. 2 Fig. 2: einen Querschnitt der Propeller-Teildüse in der Ebene I - I nach
Fig. S