DE2627201A1 - Propeller, insbesondere fuer mischer - Google Patents

Description

PATENTANWALT

DIPL-INQ. LEONHARD HAIN

8 MÜNCHEN

TAL 18

RUF: 0811/29 47 98 An die TELEC/R.-ADRESSE:

PATENTDiENST Bundespatentbehörden

8 München 2

16. Juni 1976 H/m

Aktenzeichen

Anmelder: Marcel Entat, 7bis, Boulevard Anatole-France, 92100 Boulogne-Billaneourt, Frankreich

Propeller, insbesondere für Mischer Die Erfindung betrifft einen Propellerf liigel.

Die industriellen Propeller mit einem oder mehreren Flügeln sind auf einer rotierenden Welle befestigt, um zwischen der Rotationsebene des Propellers und dem Medium, in das sie eintauchen, eine Relativbewegung zu erzeugen, wobei die Relativgeschwindigkeit der Stromlinien in bezug auf die Rotationsebene des Propellers auf der ganzen vom Propeller bestrichenen Fläche möglichst gleichlaufend zur Rotationsachse des letzteren bleibt.

Ein Propeller kann zum Vortrieb eines beweglichen Körpers in einem praktisch unbegrenzten Medium (Schiffs- oder Luftschraube) oder zum Zirkulieren eines Mediums in einem geschlossenen begrenzten Raum (Ventilator, Mischer usw. ...) Verwendung finden.

Bei den Propellerflügeln für Mischer, die nachfolgend anhand von Beispielen geprüft werden, wird im wesentlichen gesucht: 6Q_985370787

BANKj HYPO-BANK, 8 MÜNCHEN 2, THEATINERSTR. 11, KONTO NR. 3 437 370 POSTSCHECK-KONTO: MÜNCHEN 15 455

Α) einen Durchgang der mischbaren und nicht mischbaren Phasen im Behälter im Bereich des Propellers zu bewirken und sie darin zu zirkulieren, um die gewünschte Mischgüte zu erzielen,

B) an allen Punkten der in Zirkulation befindlichen Mischung die Geschwindigkeiten zu gewährleisten, die eine Orientierung und eine Größe haben, die eine Entmischung der erzielten Mischung verhindern.

Um übrigens zu vermeiden, daß das Medium nicht nur eine Rotationsbewegung des Behälters annimmt, ist rtiop<··»· in allgemeinen derart mit feststehenden nicht rotiereuüea Einrichtungen, wie Strombrechern, versehen, daß die Stromlinien, die an der Aufprallkante der Flügel auftreffen, eine deutlich zur Rotationsachse des Propellers gleichlaufende Geschwindigkeit haben.

Die mit allen Propellerarten durchgeführten Studien haben Veranlassung gegeben, einen Parameter aufzustellen, dessen Größen, die die klassische Berechnung eines Propellers vervollständigen, es erlauben, das Streuen der austretenden Strömung zu vermindern, insbesondere wenn letzterer in einem begrenzten Milieu arbeitet.

Um bisher einen Propellerflügel zu entwerfen, wurden fortlaufend verschiedene Zylinderschnitte des Flügels, die auf die Rotationsachse zentriert sind, mit den Radien R, , R_Q ........R , die zwischen dem Außenradius R und dem Innenradius R- des Flügels liegen und zwisehen sich den Wirkungsbereich des Propellers bestimmen, untersucht. Das zylindrische Profil für einen bestimmten Radius R bedeutet dabei einen Flügelschnitt durch einen Zylinder mit dem Radius R, der auf die Rotationsachse zentriert ist und daß man die "Abwicklung des

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zylindrischen Profiles" die Abwicklung dieses Schnittes (Fig. 1) nennt. Wenn die Dicke eines zylindrischen Profils in bezug auf seine Profilsehne schwach ist, kann das Profil einer Linie ohne Dicke (dünnes Profil) angeglichen werden (Fig. 2).

In den Figuren 1 und 2 bedeuten

die Tangentialgeschwindigkeit des Flügels für den Radius R (mit einer Wjnkelgeschwindigkeit&J),

die Länge der Profilsehne des zylindriselioo l'i'on

β den Steigungswinkel, d.h. den von der Profilsehne und einer zur Rotationsachse senkrechten Ebene begrenzten Winkel,

V die absolute Geschwindigkeit (angenommen gleichlau fend mit der Rotationsachse) des mittleren eintretenden Mediums,

W die ISLativgeschwindigkeit des mittleren Mediums in bezug auf den Aufprallpunkt des Flügels (Vv « y-oJl\ )_t

V die absolute Austrittsgeschwindigkeit des mittleren Mediums,

i den Einfallwinkel von W in bezug auf die Profil sehne & ,

den Winkel von W in bezug auf die Geschwindigkeit co R (daraus folgt:t^ "tyCß-i)=*^- ).

Nachdem eine allgemeine Form für das Profil gewählt worden ist, wird die Erstellung des Profiles für einen vorbestimmten Radius R nach der bekannten klassischen Methode

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verwirklicht, nach der durch fortlaufende Näherungslösungen berechnet werden kann: die Profilsehne /: , der Steigungswinkel β , der Einfallwinkel i (wobei dieser Winkel genügend nahe seinem optimalen Wert sein muß, für den das Verhältnis " minimal ist).

Für ein richtig bestimmtes Profil ist der Winkel i gegenüber β klein und bei einer ersten Näherungslösung liegt der theoretische Wert der axialen Komponente der Geschwindigkeit V =(üR tg (/3 - i) in der Nähe von colltgß . Die Steigung des Flügels ist 2^R tg/Sfür den Itotationsradius R.

Um zwischen ihnen die zylindrischen Profile, die den verschiedenen Radien des Flügels entsprechen, relativ zu bestimmen, werden manchmal die Relationen, die den Wert des Parameters β rait dem des entsprechenden Radius R verbinden, benutzt. Insbesondere bei den Propellern mit sogenannter "konstanter Steigung", wie den klassischen Schiffsschrauben, wird das Produkt R . tgß auf der ganzen Flügellänge konstant gehalten.

Nachdem die zylindrischen Profile für verschiedene Radien (z.B. R = R_ex, R = 0,75 K_ex> R = 0,5 R_ex, R = 0,3 H^) festgelegt worden sind, ergibt sich die Flügel-Oberfläche aus der Oberflächenabwicklung dieser verschiedenen Profile. Man kann unter einer Unzahl von Positionen bezüglich eines zylindrischen Profiles wählen, das einem bestimmten Radius in bezug auf diesen entspricht, der einem anderen Radius entspricht, indem man sie relativ zur Rotationsachse parallel verschieben oder um diese Achse drehen läßt. Die Wahl der relativen Positionen wird (im allgemeinen durch fortlaufende Versuche) in Abhängigkeit von anderen Kriterien, wie Konstruktionskriterien (bei-

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spielsweise Oberflächenabwicklung) ästhetische od.dgl. Kriterien, getroffen.

Die vorerwähnte klassische Berechnung berücksichtigt nicht, daß in Wirklichkeit der Stromlinienverlauf während des Durchstroms durch den Propeller vom theoretischen Verlauf, der den zylindrischen Profilen der Flügel entspricht, abweicht, insbesondere weil die Sogwirkimg des Flügels eine Tangentialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit bewirkt, die von der eintretenden Kante bis zur austretenden Kante des Flügels zunimmt. Wenn man den Wert dieser Tangentialkomponente der G^HfMwindigkeit in einem bestimmten Punkt der austrc f οη·^;««ι Flügelkante mit U und den Wert der Axialkomponente in diesem Punkt mit V bezeichnet, dann nimmt das Verhältnis ?t zu (alle anderen Dinge sind sonst gleich), wenn der Winkelet zunimmt, Pi abnimmt und wenn der Streuverlustkoeffizient des hydraulischen Kreislaufes zunimmt (wenn also die kinematische Viskosität im Mittel über eine bestimmte Schwelle ansteigt).

Bei einem Propeller mit kleiner Steigung, der sich in einem unbegrenzten nicht komprimierbaren Medium dreht, wird die Zentrifugalwirkung, die durch die Tangentialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit in jedem Punkt geschaffen wird, durch den inneren Abtrieb kompensiert und die abgegebene Strömung weicht sehr wenig ab. Das gleiche gilt nicht für einen Propeller, der sich in einem begrenzten Kaum dreht (beispielsweise einem Mischbehälter) , wobei eine Gesehwindigkeits-Zentrifugalkomponente entsteht. Daraus ergibt sich, daß die Stromlinien zur Rotationsachse nicht gleichlaufend bleiben und daß insbesondere die zentralen Strahlen aus dem Propeller an einem höheren Radius als die Nabe und mit einer gegenüber der Rotationsachse stark divergierenden Richtung

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austreten. Daraus entsteht wiederum eine Zone schlechter Wirksamkeit der Strömung am Austritt des Propellers in der Nähe der Rotationsachse.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Form eines Flügels zu schaffen, der die vorerwähnte Zentrifugalwirkung beseitigt oder zumindest verringert.

Bevor die verschiedenen Kenngrößen des Flügels genauer beschrieben werden, wird nachfolgend der Parameter, von dem vorher die Rede war, angegeben, und zwar anhand der beiliegenden Zeichnungen, in denen darstellen:

Fig, 1 eine Abwicklung eines zylindrischen Profiles mit dem Radius R eines dicken Flügels, in Zeichnungsebene ,

Fig. 2 eine ähnliche A_nsicht wie Fig. 1, jedoch als dünner Flügel,

Fig. 3 eine Ansicht zur Veranschaulichung der Orientierung und der Größe des Winkels T , der den .für den erfindungsgemäßen Flügel wesentlichen Parameter bildet,

Fig. 4 eine Ansicht des Winkels γ* eines bekannten Flügels,

Fig. 4a eine Ansicht des Flügelprofiles gemäß Fig. 4 mit verschiedenen Schnittebenen,

Fig. 5 eine Ansicht eines Flügels mit den gleichen zylindrischen Profilen wie in Fig. 4, deren Winkel rf jedoch gemäß der Erfindung festgelegt worden sind,

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Fig. 5a eine Ansicht des Flügelprofiles gemäß Fig. 5 mit verschiedenen Schnittebenen,

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen gemäß der Erfindung herstellbaren Flügel mit dem Winkelo^in verschiedenen Punkten,

Fig. 7 eine Ansicht des Flügelprofils gemäß Fig. 6 mit den verschiedenen Sehnittebenen,

Fig. 8 ein Diagramm der Leistungsaufnahme einer klassischen Schiffsschraube EL und eines Propol Ιοί β Ii₁, gemäß der Erfindung.

Der vorerwähnte Parameter, dessen vernünftige Wahl für jeden Punkt M des Flügels ein wesentliches Merkmal der Erfindung bildet, wird durch den nachfolgend beschriebenen Winkel y* dargestellt:

Dieser Winkel pf* ist für einen vorbestimmten Punkt M, der sich auf dem Flügel befindet,w enn er dünn ist, oder der sich auf einer mittleren Fläche des Flügels zwischen seiner Unter- und seiner Oberfläche befindet, wenn er dick ist, der Winkel, der einerseits von der durch den Punkt M zur Rotationsachse des Flügels gelegten Senkrechten und andererseits von der von M in Rotationsrichtun.5 F des Flügels ausgehenden Geraden N begrenzt ist, wobei der Punkt M in der Vertikalebene zur Rotationsachse und senkrecht zur Schnittlinie des Flügels durch diese Ebene liegt.

Wenn der Winkel γ in einem Punkt M einen Wert unter 90 aufweist, wird der Flügel in der Nähe dieses Punktes eine zentripetale Wirkung auf die Strömungsgeschwindigkeit ausüben, welche Wirkung die Zentrifugalaktionen in der Nähe dieses Punktes M zur Folge haben wird.

BAD

609853/0787 ~⁸"

Ist umgekehrt der Winkel %* größer als 90°, wird eine zusätzliche Zentrifugalaktion geschaffen.

Man kann annehmen, daß zur Erzielung der bestmöglichen Form einer Strömung die zentripetale Aktion zumindest die Zentrifugalaktion, die durch die beim Durchstrom durch den Flügel erzeugte Tangentialgeschwindigkeit geschaffen worden ist, ausgleichen muß.

Auf der ganzen Länge der Eintrittskante des Flügels ist der Winkel ^p", der den Ausgleich bringt & = 90°, wenn die Geschwindigkeit der Zuströmung ohne Tarifen ί. i ·■< ι i.mponente ist. (Wenn die Zuströmung aber schon ein rau gentialkomponente aufweist, dann ist Of»i kleiner als 90 ).

• a

Auf der Austrittskante des Flügels in einem Punkt M im Abstand R von der Rotationsachse ist die Größe des Winkels γ* , der den Ausgleich bringt, sehr genau

α σ-r-c- C crt ο

wobei (3 der Steigungswinkel des zylindrischen Profiles für den Rotationsradius R ist.

Wenn die mittlere Viskosität erhöht ist, muß der Wert vergrößert werden; beispielsweise für einen Flügel mit einem Außenradius von einem Meter, der sich in einem Medium mit einem Viskositätsindex von 1000 cPo bewegt, ergibt sich ungefähr

= core crttj C*

Wenn in einem Punkt der Austrittskante des Flügels die Größe des Winkels >*· , der kleiner als 90° ist, nicht kleiner als 2ß ^isti win! nur.ein teilweiser Ausgleioh der Zentrifugalkraft in diesem Punkt eintreten.

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Im Gegenteil, es entstellt kein Nachteil, wenn die Winkel^auf der Eintrittskante und auf der Austrittskante kleiner sind als die entsprechenden Werte ^ und 3^ . Es wird infolgedessen empfohlen, in der Praxis die Flügel gemäß der Erfindung mit Kenngrößenf kleiner als ^ und w zu bauen.

Vorteilhafterweise vermindert sich die Größe des Winkels 7* entlang eines gleichen zylindrischen Profiles von der Eintrittskante bis zur Austrittskante des Flügels fortlaufend.

Die Figuren 4, ha und 5> 5a zeigen einen οΐηΓπ« ■·■> : um die Form einer klassischen Schiffsschraube abzuändern und sie erfindungsgemäß zu verbessern, wobei die gleichen zylindrischen Profile erhalten bleiben.

Fig, h zeigt eine Ansicht von der Rotationsachse dieses klassischen Flügels aus, in der die verschiedenen Schnitte S, bezeichnet mit 1, 2, 3, At und 5, Geraden sind, die die Rotationsachse schneiden. In Fig. ^a, die eine Profilansicht des in Fig. h gezeigten Flügels darstellt, sind die verschiedenen Schnittebenen zu selinn.

Fig. 5 zeigt die Ansicht des erfindungsgemäß abgeänderten Flügels von der Rotationsachse aus, der mit den gleichen zylindrischen Profilen mit verschiedenen Radien dargestellt ist, nach einer einfachen Rotation der verschiedenen zylindrischen Profile um die Rotationsachse des Flügels, wobei das Profil B₃B₁ bei ^Β'2^ΒΊ» ^{das Pro}~ fil C₂C₁ bei C₃C₁, das Profil D₃D₁ bei D'₂ ^Dfi ^{und das} Profil E₃E₁ bei E'gE^ sich ergibt.

Es ist natürlich möglich, diese Rotationen der zylindrischen Profile mit einer Parallelverschiebung zur Rota-

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tionsachse zu verbinden, um einen Flügel zu erhalten, der zwar eine andere Gestalt und ein anderes Aussehen hat, jedoch der Erfindung entspricht.

Es ist für die Herstellung eines Flügels gemäß der Erfindung am vorteilhaftesten, wenn der Wert des Produktes der vorher bestimmten Parameter R und £ für alle Profile konstant gehalten wird.

Es liegt gleichfalls im Rahmen der Erfindung, dieses konstante Produkt mit der Größe des Winkels ψ* zu verln7iden.

Gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform des Propellerflügels gemäß der Erfindung, besteht dieser aus einem dünnen Blatt aus geeignetem Material, wobei das Blatt entsprechend einem Kegelabschnitt geformt wird.

Ein solcher Flügel ist in den Figuren 6 und 7 dargesteilt; darin zeigen:

die Achse χ - χ die Rotationsachse des Flügels, der Punkt O die Kegelspitze, die Geraden G. , G₂, G , G. und G^ die Erzeugenden dos

Kegels,

die Linien P., P₂, P- die Flügelschnitte durch die auf

die Rotationsachse χ - χ zentrierten Zylinder,

die Linien 1, 2, 3, ^ die Schnittlinien S des Flügel R durch

verschiedene zur Rotationsachse senkrechte Ebenen, wobei die Austritts-Normale N In jedem Punkt dieser Linien einen bestimmten Winkel^mit dem entsprechenden Kotationsradius R bildet.

Das zylindrische Profil entsprechend dem Außenradius I< wird nach der vorerwähnten klassischen Methode bestimmt,

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wobei die Flügellinie vorzugsweise annähernd kreisförmig mit einem Pfeil f/l ist, vorzugsweise zwischen 2 und 'rfo Inbegriffen. Dieses Profil bildet den Austrittsabschnitt der Kegelerzeugenden, deren Spitze wie folgt bestimmt wird:

Die Kegelspitze 0 ist in bezug auf die Rotationsachse x-x des Flügels einerseits und in bezug auf die Ebene Q, die vertikal zu dieser Achse und durch das Ende A (Seiteneintrittskante) des zylindrischen Profils mit Radius R verläuft, beispielsweise angeoidnet:

a) in der oben genannten Ebene Q oder aufwärts von fii--«:or Ebene in einem Abstand, der vorzugsweise ki':i.i < ■ ■;, 0,2 R ist, um die Wirksamkeit der Strömung aufwärts des Flügels nicht zu verringern,

b) in einem Abstand von der Rotationsachse x-x kleiner als 0,1 R und in dem beschränkten Bereich durch die Ebene, die durch diese Achse und vertikal zum Rotationsradius des Punktes A der gegenüberliegenden Seite von diesem Punkt A geht. Die Kegelspitze 0,

die in diesem Bereich liegt, führt automatisch zu einer guten Verteilung der Winkel^und gewährleistet zylindrische Profile mit gutem Wirkungsgrad bis zu einem Flügelradius, der so klein ist, wie es die Konstruktionsverhältnisse erlauben,

c) in dem beschränkten Bereich durch die Ebene, die durch die Rotationsachse und durch den Punkt A verläuft,

neben dem Flügel in bezug auf diese Ebene, um die Flügelform mit optimalem mechanischen Widerstand zu haben.

Die konische Projektion der Profilspitze 0 für R_ex eines auf der Rotationsachse des Radius 0,75 R „ zentrierten

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Zylinders, gibt beispielsweise einen Abschnitt des zylindrischen Profils für B = 0,75 R _v, den man neben der Austrittskante (und wenn nötig der Eintrittskante) gemäß der bekannten Methode ergänzen kann, indem man vorzugsweise die Faktoren R . tgß und R .£ weitgehend konstant hält. Man arbeitet also immer weiter, bis zu einem möglichst kleinen Radius, beispielsweise 0,3 R „ und selbst

ex

noch diesseits davon.

Die vorerwähnte, beispielhaft dargestellt Operationsfolge kann geändert werden, wobei das Resultat gleich bleibt.

Die Erzeugende G, die den besten Wirkungsgrad erbringt, ist eine Linie mit fortlaufender Krümmung; jedoch kann sie ersetzt werden durch eine anliegende gebrochene, technisch gleichwertige Linie, wobei die konische Form des Flügels zu einer pyramidenförmigen wird.

Die Erfindung, die für alle industriellen Propellerflü^el und insbesondere für Mischerflügel anwendbar ist, ermöglicht durch die Verbesserung der Strömung eine Vermincloniii'>; des Energiebedarfes zur Lösung eines gegebenen Probleme ebenso wie zur Senkung der Investitions- und Instandhaltungskosten, die sich mit dem Energiebedarf ändern. Die auf Mischer bezogenen Kennwerte und die Versuchsresultnte des Leistungsbedarfes in einem gleichen Behälter zur Aufrechterhaltung einer Suspension von Sand in Wasser unter Anwendung von zwei Propellern gleichen Durchmessers sind in Fig. 8 dargestellt:

Die Abszisse h bedeutet die Höhe des Schwerkraftzentrums

der Flügel über dein Boden des Behälters,

die Ordinate P ist proportional dem Leistungsbedarf jedes

Flügels,

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die Kurve EL entspricht einer bekannten Schiffsschraube

und
die Kurve H₂ einem Propeller, der gemäß der Erfindung mit

konischer Form hergestellt worden ist.

Für die beiden auf gleicher Höhe arbeitenden Propeller wies die Suspension in gleicher Höhe über dem Behälterboden den gleichen Ilomogenitätsgrad auf.

Es ist selbstverständlich, daß sich die Erfindung nicht nur auf das beschriebene und dargestellte Ausführuni;s~ beispiel beschränkt, sondern viele Abänderungen hu ϊ,,<: i^n der Erfindung möglich sind.

So fallen ebenso in den Rahmen der Erfindung die Versuche auf den der Rotationsachse eines Flügels nächstgelegenen Punkten sowie die Einhaltung der besonderen Verhältnisse beim Vorschreiben der Parameter und Faktoren, die in der Beschreibung erwähnt und nachfolgend beansprucht werden.

BAD CPÖG5MAL

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Propellerflügel, insbesondere für industrielle Mischer, von dem auf bekannte Weise zylindrische Fliigelprofile hergestellt werden, d.h. die Zylinderschnitte für verschiedene Radien von der Rotationsachse aus und die verschiedenen Parameter dieser zylindrischen Profile bestimmt werden, nämlich für einen gegebenen Rotationsradius (R), den Steigungswinkel (p ) der Profilsehne des zylindrischen Profiles in bezug auf die Vertikalebene zur Rotationsachse des Flügels sowie eine Länge (jL ) dieser Profilsehne, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt R . £, des Flügels einen konstanten Wert hat.
2. 2. Propellerflügel, dessen Herstellung in bekannter Weise nach verschiedenen zylindrischen Profilen des Flügels erfolgt, indem der Flügel durch die Zylinder der verschiedenen Rotationsradien geschnitten wird, die auf der Rotationsachse des Flügels liegen und gleichfalls die anderen im Anspruch 1 angegebenen Parameter bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung der üblichen bekannten Parameter stets ein neuer Parameter unterhalb einer genauen Grenze gehalten ist, in diesem Fall der Winkel ("^), der für einen vorbestimmten Punkfc (Μ) des Flügels (angeordnet auf diesem, wenn er dünn ist oder auf der MittelfMche zwischen der Oberseite und der Unterseite des Flügels, wenn er dick ist) der Winkel ist, der einerseits von der durch den Punkt (M) auf der Rotationsachse (x -x) des Flügels gelegten Senkrechten und andererseits von der von diesem Punkt (M) in Rotationsrichtung (F) des Flügels ausgehenden Geraden (N) begrenzt ist, wobei der Punkt (M) in der Vertikalebene zur Rotationsachse und senkrecht zur Schnittlinie des Flügels durch diese Ebene liegt.

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3. 3. Propellerflügel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem P_unkt seiner Eintrittskante der Winkel ( o«* ) kleiner als 90 ist und daß dieser Winkel (^) auf der Austrittskante an einem gegebenen Rotationsradius (R) eine Größe ( CpO aufweist, die kleiner ist als

   wobei (A) der Steigungswinkel der Profilsehne für das zylindrische Profil des Radius (R) ist.
4. 4. Propellerflügel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der Faktor R , tgß einen konstanten Wert hat,
5. 5. Propellerflügel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß der Faktor R .t einen konstanten Wert hat.
6. 6. Propellerflügel nach einem der Ansprüche 1 bis 5» da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Flügels abwickelbar ist.

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