DE2432516A1

DE2432516A1 - Schiffsschraube mit zusammenklappbaren fluegeln, insbesondere fuer segelboote mit stationaerem hilfsmotor

Info

Publication number: DE2432516A1
Application number: DE2432516A
Authority: DE
Inventors: Nils Oluf Ehrenskjoeld; Torben Dipl Ing Munk
Original assignee: Gori Vaerk AS
Current assignee: Gori Vaerk AS
Priority date: 1973-07-11
Filing date: 1974-07-04
Publication date: 1975-02-06
Also published as: DK155118B; FI59762B; FI212574A; US3981613A; DK155118C; DE2432516B2; NL162027C; DK369674A; FR2236722A1; NL7409333A; SE396927B; NO138520C; CA1016818A; FI59762C; NO138520B; DE2432516C3; ES428133A1; IT1015800B; AU473720B2; CH573838A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Schiffsschraube, insbesondere für Boote, mit einer am Ende einer Welle befestigten Nabe mit einer oder mehreren axialen Nuten, sowie mit in den Nuten gelagerten Schraubenflügeln, die um zumindest annähernd rechtwinklig zur Längsachse der Schraubenwelle liegende Achsen schwenkbar sind. Schiffsschraüben dieser Art werden häufig an Segelbooten mit Hilfsmotor montiert, wo eine konventionelle Schraube mit festen Flügeln der Bewegung des Bootes durch das Wasser beträchtlichen Widerstand bietet, wenn das Boot segelt. Zur Herabsetzung dieses Widerstands hat man Schrauben entwickelt, deren Schraubenflügel an der Welle oder der Schraubennabe so. angelenkt sind, dass sie zwischen einer Normal- und Antriebstellung der Schraube, wo die Schraubenflügel von der Nabe radial nach aussen ragen, und-einer unwirksamen Flügelstellung frei ver-

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schwenkbar sind, in der die Flügel nacn hinten so zusammengeklappt, sind, dass sie sich praktisch in der Schraubenwellenrichtung erstrecken. Die Flügel werden vom Wasserdruck nach hinten geklappt, wenn das Boot mit gestopptem Motor Fahrt voraus macht. In dieser zusammengeklappten Stellung bieten die Schraubenflügel dem Wasser nur einen sehr geringen Widerstand. Wird der Motor gestartet, v/erden die Flügel von der Zentrifugalkraft in ihre wirksame Stellung nach aussen verschwenkt.

Bisher bekannte Schrauben mit zusammenklappbaren Flügeln sind so eingerichtet, dass beim Drehen der Schraube zum Antrieb des Boots .die Schraubenflügel bei ihrer Schwenkbewegung nach aussen in einer äusseren Endlage an einem Anschlag zur Anlage kommen. In dieser Endlage bilden ihre Achsen mit der Schraubenwelle einen Winkel von 90°. Bei ihrer Arbeit üben die Flügel auf das Wasser einen nach hinten gerichteten Schub aus, wodurch die Flügel selbst nach vorn gedrückt, dadurch herausgeschwenkt und an den Anschlag fest angedrückt v/erden. Die Schraubenflügel arbeiten in dieser Stellung in der gleichen Weise wie die Flügel einer konventionellen Schraube mit starren Flügeln, weshalb die zusammenklappbaren Flügel auch die gleiche Form haben wie die einer konventionellen Schraube, d.h. optimal arbeiten, wenn sie sich in einer Lage befinden, in der ihre Achsenmit der Schraubenwelle einen Winkel von 90° bilden.

Dreht sich die Schraube bei Fahrt zurück in entgegengesetzter Richtung, ist die Effektivität'der Schraube wesentlich vermindert, was der Reaktion vom Wasser zuzuschreiben ist, das dann bestrebt ist, die Schraubenflügel zusammenzuklappen. Dabei v/erden die Flügel lediglich von der Zentrifugalkraft zur Verschwenkung nach aussen in die wirksame Flügelstellung beaufschlagt. Dies hat in der Praxis zur Folge, dass die Flügel bei Fahrt zurück eine Stellung einnehmen, in der ihre Achsen mit der Verlängerung nach hinten der Schraubenwelle einen Winkel von 50-70° bilden. In dieser Stellung ist der effektive Schraubendurchmesser um 15-20% vermindert. Da der Effektverbrauch mit der 5· Potenz des Schraubendurchmessers proportional ist, kann die Schraube dabei nur weniger als 30% des bei Fahrt voraus aufnehmbaren Effekts aufnehmen. Aus diesem Grund sind die bisher bekannten Schrauben mit zusammenklappbaren Flügeln bei Fahrt zurück ineffektiv.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Schiffsschraube mit zu-

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ORIGINAL INSPECTED

scnmnenl'.lappbaren Fl¹Al₁JeIn f.ir L'oote, bei der der resultierende Effekt der Schraube bei Fahrt zurück und auch bei Fahrt voraus wesentlich grosser ist als bei den bisher bekannten Schrauben dieses Typs. Dies wird erfindungsgemiss dadurch erreicht, dass sich jede Nut in Richtung der Wolle voir. Schwenkzapfen des Schraubenflügels so weit nach beiden Seiten erstreckt, dass sich jeder Flügel in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Schraube und von der gleichzeitigen Beeinflussung des Flügels durch die Zentrifugalkraft und die axiale Beaufschlagung durch das umgebende Medium auf der einen oder der anderen Seite der zur Welle orthogonalen Flügelstellung einstellen kann. Die Schraubenflügel sind somit nicht nur von ihrer zusammengeklappten Stellung bis zur genannten 90°-Stellung, sondern über diese hinaus verschwenkbar, in der sie sich somit weder bei Fahrt zurück noch bei Fahrt voraus befinden. Sind die Schraubenflügel so gestaltet, dass sie ihren grössten Effekt haben, wenn sie aus der zusammengeklappten Stellung beispielsweise 110-130 verschwenkt sind, dann hat die Schraube bei Fahrt zurück annähernd den gleichen Effekt, wenn sich die Flügel in einer Stellung befinden,.in der sie aus der zusammengeklappten Stellung um 50-70° verschwenkt sind, vorausgesetzt dass die Form der Flügel dieser Funktion angepasst ist.

Die Erfindung betrifft ausserdem einen Flügel für eine Schiffsschraube der beschriebenen Art. Es ist v/ichtig, dass die Flügel einer solchen Schraube so schwer sind, dass sie durch die Zentrifugalkraft in ihre wirksamen Stellungen verschwenkt werden. Schraubenflügel für kleinere Fahrzeuge und Boote sind jedoch vorzugsweise aus einem Material mit geringem spezifischem Gewicht, beispielsweise Kunststoff hergestellt. Solche Schraubenflügel haben als Klappflügel nicht genügend Schwere. Eine Schraube mit zusammenklappbaren Flügeln aus schwererem Material, beispielsweise Bronze, ist wesentlich aufwendiger als eine normale Schraube mit festen Flügeln, und zwar nicht nur wegen der speziellen verschwenkbaren Anordnung der Flügel, sondern auch auf Grund der erforderlichen umfassenden Nachbearbeitung jedes Schraubenflügels. Diese Schwierigkeiten sind erfindungsgemäss dadurch überwindbar, dass der Schraubenflügel aus einem Material mit geringem spezifischem Gewicht, beispielsweise Kunststoff besteht, und dass im äusseren Teil des Flügels ein Iletallteil hohen spezifischen Gewichts so angeordnet ist, dass eine im Verhältnis zu der vom umgebenden Medium herrührenden, auf dc-n Flügel einwirkenden Axialkraft so grosse Zentrifugalkraft erzeugt v.'ird, dass sich der Flügel in der

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optimalen Lage einstellt. Kierdurch wird erreicht, dass Schraubenflügel aus Kunststoff oder einem beliebigen anderen leichten Material verwendbar sind.

Versuche haben ergeben, dass es zur Gewährleistung einer zufriedenstellenden Funktion nicht erforderlich ist, die gesamte Schraube aus Metall herzustellen, da es - was die Wirkung der Zentrifugalkraft betrifft - weniger wichtig ist, ob die den kleinsten Abstand von der Welle aufweisenden inneren Flügelteile schwer sind oder nicht. Wenn nur ein angemesse3ier äusserer Flügelteil aus schwerem Metall besteht, befindet sich der Schwerpunkt .der Flügel in genügend grossem Abstand von der Welle, um zu gewährleisten, dass die Flügel in ihre v/irksame Stellung nach aussen verschwenkt werden, sobald die durch den Motor erzwungene Drehbewegung der Welle beginnt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in Hinteransicht eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Schraube,

Fig. 2 a-d in Seitenansicht die Schraube mit Schraubenflügeln in verschiedenen Stellungen,

Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Ausschwenkmoments als Funktion des Schraubenflügelwinkels, d.h. des Winkels zwischen der Flügelachse und der Verlängerung nach hinten der Schraubenwellenachse,

Fig. 4 in grösserem Massstab die Schraube in Seitenansicht, und

Fig. 5 und 6 in Vorderansicht zwei verschiedene Ausführungsformen eines Schraubenflügels.

Fig. 1 und 2 zeigen eine an einer Treibwelle befestigte Schiffsschraube mit einer Nabe 2 und mit Schraubenflügeln 1, die in der. Nabe 2 so schwenkbar gelagert sind, dass jeder Flügel in einer durch die Längsachse der Welle verlaufenden Ebene frei verschwenkbar ist. Die Schraubenflügel sind wie an sich bekannt über in einander eingreifende Zahnsegmente so mit einander gekuppelt, dass sie zwangs-

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weise zusammen verf;chv.'or.kt woraen. Im "ibrigen sind die Flügel frei schwenkbar gelagert. Fig. 2 d zeigt die Schraubenflügel in ihrer zusammengeklappten Stellung, während Fig. 2 a-c die Flügel in verschiedenen Winkelstellungen darstellen.

Die Kurve A in Fig. 3 zeigt das die Schraubenflügel unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft herausschwenkende Moment als Funktion der Winkelstellung der Flügel. Bei O Winkelgraden ist die Zentri- . fugalkraft zwar klein, jedoch ausreichend gross, um ein beginnendes Herausschwenken der Flügel zu bewirken. Bei 90° erreicht die Zentrifugalkraft ihren höchsten Wert, während das nach aussen gerichtete Schwenkmoment klein oder gleich 0 ist, weil bei dieser Winkelstellung das Schwenkmoment in Richtung der Flügelachsen wirkt. Dreht sich die vom Motor getriebene Schraube in Wasser, v/irkt dieses mit einem hydrodynamischen Reaktionsdruck auf die Flügel ein. Bei Fahrt voraus wird dieser Druck zum Effekt der Zentrifugalkraft addiert₅ bis die Flügel die 90°-Stellung erreichen. In dieser Flügelstellung und allen anderen Flügelstellungen, in denen der Winkel zwischen den Flügelachsen und der Längsachse der Antriebwelle grosser ist als 90°, wirkt der hydrodynamische Reaktionsdruck gegen die Zentrifugalkraft. Die gestrichelte Kurve B in Fig. 3 zeigt in Relation zum Ausschwenkwinkel des Flügels das diesen beeinflussende, vom hydrodynamischen Druck verursachte Ausschwenkmoment bei Fahrt voraus. Sowohl der hydrodynamische Druck selbst als auch das Drehmoment erreichen ihren Höchstwert, wenn der Flügelwinkel 90° beträgt. Die Kurve C zeigt das resultierende Schwenkmoment nach aussen. Die Schraubenflügel befinden sich im Gleichgewicht an derjenigen Stelle in Fig. 3» wo die beiden Kurven A und B den gleichen Wert mit umgekehrtem Vorzeichen haben. An dieser Stelle kreuzt die Kurve C die O-Linie.

Bei Rückwärtsfahrt entspricht der hydrodynamische Druck der gestrichelten Kurve D, während die Kurve E die resultierende Kraft zeigt. Es ist zu erkennen, dass die beiden Gleichgewichtspunkte auf entgegengesetzten Seiten des 90°-Punktes liegen. Die Schraube kann daher vorzugsweise so konstruiert und gestaltet sein, dass ihr Durchmesser und ihre Steigung jeweils bei Rückwärtsfahrt und bei Fahrt voraus eine normale Funktion ergeben, wenn die Schraubenflügel annähernd 65° bzw. 125° von ihrer zusammengeklappten Stellung aus verschwenkt sind, wodurch bei Fahrt voraus wie auch bei Rückwärtsfahrt die höchste Effektivität gewährleistet ist. ·

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Ausserdem erzielt man den Vorteil, dass sich die Schraube selbst einem konstanten Drehmoment an der Schraubenwelle bei konstanter Umdrehungszahl entsprechend einstellt, und zwar unabhängig von der Fahrtgeschwindigkeit des Bootes. Nimmt die Fahrtgeschwindigkeit in Folge eines wachsenden Widerstandes ab, nimmt damit der hydrodynamische Druck gegen die Schraubenflügel zu, se dass diese in eine andere Winkelstellung verschwenkt werden, die demjenigen erhöhten Ausschwenkmoment entspricht, womit die Zentrifugalkraft die Flügel beaufschlagt. In dieser Stellung ist der Durchmesser der Schraube vermindert, womit auch der Druck gegen die Flügel und somit das an der Welle wirkende Torsionsmoment reduziert sind. Bei reduzierter Fahrt und konstanter Drehzahl wächst daher das an der Schraubenwelle wirkenden Torsionsmoment weniger stark als bei einer konventionellen Schraube, was von Bedeutung ist, wenn die Schraube von einem Verbrennungsmotor getrieben wird.

Die Erfindung ist nicht auf Treibschrauben für Boote und Schiffe begrenzt, da die erwähnten Vorteile während des Betriebs bei jedem beliebigen Schraubenelement erzielbar sind, ganz unabhängig von dem Medium, in welchem die Schraube arbeitet und unabhängig davon, ob die Schraube an einem stationären oder beweglichen Teil montiert ist, d.h. ob sie zum Bewegen eines Mediums oder zum Bewegen eines Körpers durch ein Medium dient.

Auch in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform hat die Schraube eine Nabe 2, in welcher zwei Schraubenflügel 4 schwenkbar gelagert sind, die zwischen der im Vollstrich dargestellten v/irksamen Stellung und der gestrichelte veranschaulichten unwirksamen Stellung verschwenkbar sind. Die inneren Teile der Schraubenflügel sind über Zahnsegmente 6 mit einander gekuppelt, um das gleichzeitige Verschwenken der beiden Flügel zu erzwingen.

Jeder Flügel ist an einer Achse 14 in einer Nut oder einem Schlitz 5 in der Schraubennabe 2 schwenkbar gelagert. Die Nuten erstrecken sich beiderseits der Achse 14 derart, dass jeder Flügel von der ge strichelt dargestellten Lage aus bis in eine Stellung nach aussen verschwenkbar ist, in welcher die Flügellängsachse mit der Verlängerung nach hinten der Schraubenwellenachse einen Winkel von mehr als 90° bildet.

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Dor grö/jsto Toil" ck:r l'Mügc."¹ k ist orfiadungsgemäss aus einem geeigneten Kunststoff hergestellt, während der äussere Teil 8 jedes Flügeln aus einem schworen Material, beispielsweise Br.onze, besteht und in beliebiger zv/eckrnässiger V/eise am Kunststoff teil verankert ist.

Fig. 5 zeigt äussere Flügelteile 8 mit einem schwalbenschwanzförmigen Fortsatz 10 zur Verankerung des äusseren Flügelteils 8 im Kunststoffteil, der um den Fortsatz herum gegossen ist und diesen umschliesst. Der äussere Flügelteil 8 ist ausserdem mit Hilfe eines Metallkerns 12 verankert, dessen inneres Endteil an einer auf der Schwenkachse 1Λ drehbar gelagerten Buchse 13 befestigt ist.

Fig. 6 zeigt einen Schraubenflügel mit einem schweren äusseren Teil 8, der in Kunststoff völlig eingeschlossen ist. Zur korrekten Zentrierung des schweren Schraubenflügelteils 8 in der Giessform vor dem Ausgiessen des Kunststoffkörpers sind am schweren Flügelteil 8 Abstandszapfen 16 vorgesehen.

Zumindest ein.gewisser Teil der Oberfläche des blockförmigem schweren äusseren Flügelteil 8 liegt zweckmässigerweise jedoch frei, da dadurch eine eventuell erforderliche Änderung des Gewichts des schweren Flugelteils bei der späteren Auswuchtung der Schraube erleichtert wird.

Die Erfindung ist keinesfalls auf die dargestellten Ausführungsformen begrenzt, da zusammenklappbare Schraubenflügel mit einem schweren äusseren Teil und einem Restteil aus leichtem Material in beliebiger zweckmässiger Weise ausgebildet sein können.

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Claims

Patentanspruch e

lJ Schiffsschraube, insbesondere für Boote, mit einer am Ende

iner Schraubenwelle befestigten Nabe mit einer oder mehreren axialen Nuten, sowie mit in den Nuten gelagerten Schraubenflügeln, die um zumindest annähernd rechtwinklig zur Längsachse der Schraubenwelle liegende Achsen verschwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich jede Nut in Richtung der SchraubenweHe vom Schwenkzapfen des Schraubenflügels so weit nach beiden Seiten erstreckt, dass sich jeder Flügel in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Schraube und von der gleichzeitigen Beeinflussung des Flügels durch die Zentrifugalkraft und die axiale Beaufschlagung durch das umgebende Medium auf der einen oder der anderen Seite der zur Welle orthogonalen Flügelstellung einstellen kann.
2. Flügel für eine Schiffsschraube nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, dass der Schraubenflügel aus einem Material mit geringem spezifischem Gewicht, beispielsweise Kunststoff besteht, und dass im äusseren Teil des Flügels ein Metallteil mit hohem spezifischem Gewicht so angeordnet ist, dass eine im Verhältnis zu der vom umgebenden Medium herrührenden, auf den Flügel einwirkenden Axialkraft so grosse Zentrifugalkraft erzeugt wird, dass sich der Flügel in der optimalen Lage einstellt.

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