DE2700766A1

DE2700766A1 - Schiffsschraube

Info

Publication number: DE2700766A1
Application number: DE19772700766
Authority: DE
Inventors: Gonzalo Perez Dr Gomesz
Original assignee: Astilleros Espanoles SA
Current assignee: Astilleros Espanoles SA
Priority date: 1976-01-08
Filing date: 1977-01-10
Publication date: 1977-07-21
Also published as: BE850188A; NL7700108A; LU76544A1; DK5277A; AR211794A1; FR2337661A1; ES444150A1; PT66041A; PT66041B; NO770058L; SE7700107L; JPS5366696A

Description

Zusammenfassung der Offenbarung

Es sind ·-ine oder mehrere Sperrplatten, welche sich quer zu allen Schaufeln einur Schiffsschraube erstrecken, dergestalt angeordnet, daß ihre Innenfläche tangential zu dem Zylinder verläuft, der von der Schraubenkontur mit zur Schraubenwelle parallelen Erzeugenden ausgeht. Diese Sperrplatten sind an Schaufelurafangsabschnitten angeordnet, um Schaufelspitzenwirbel zu vermeiden. Als Alternative können diese Sperrplatten in der Weise angebracht sein, daß sie an einem inneren, zu dem vorstehend erwähnten konzentrischen Zylinder tangieren, um die radiale Pluidströmung zu verhindern und so erforderlichenfalls das Kavitationsverhalten der Schraube zu verbessern.

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Auskunft« .mi \ bineprecher olnd unverbindlich.

Die Erfindung bezieht sich auf Schiffsschrauben, insbesondere auf Maßnahmen zur Reduzierung von Schaufelspitzenwirbeln.

Zur Erklärung der Arbeitsprinzipien von Schiffsschrauben ist schon eine große Anzahl von Theorien entwickelt worden, aber die Wirbeltheorie ist am meisten bekannt geworden und ist diejenige, die jetzt als Grundlage für Schraubenkonstruktionen von den meisten Konstrukteuren angewendet wird.

Selbst bei den besten nach der Wirbeltheorie konstruierten Schiffsschrauben-Konstruktionen muß das Problem der Schaufelspit^enwirbel berücksichtigt werden, welche die Schraubenschubkraft und damit ihren Wirkungsgrad verringern und schwerwiegende Kavitations- und Vibrationsfolgen verursachen können. Diese Schäden und Nachteile veranlassen die Schraubenkonstrukteure, eine andeτβ radiale Aufteilung der effektiven Steigung als die optimale zu wählen und auf diese Weise den Antriebswirkungsgrad zu reduzieren.

Um Schaufelspitzenwirbel bei einer herkömmlichen, in idealem Pluid arbeitenden Schraube zu vermeiden, wäre ein unbegrenzter Schraubendurchmesser erforderlich, bei dem die Steigung auf Hull hin führt. Jedoch ist diese Lösung natürlich nicht durchführbar.

Um Schaui'clspitzenwirbel zu reduzieren, ist vorgeschlagen worden, die Schraubt» in einer koaxialen, düsenförmigen

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Rohrführung arbeiten zu lassen, aber dies bringt viele Probleme und Mißstände mit sich; ^s ist nicht mir die Befestigung solcher Führungen an einem Schiffskörper louer, sondern erhöhen solche Führungen auch den Strömungswiderstand und ergeben Kavitationsprobleme an der Führung selbst.

Primär bt cifft die Erfindung die Schaffung einer Schiffsschraube, welche so konstruiert ist, daß Schaufelspitzenwirbel im gewollten Verhältnis verringert werden, ohne daß die Steigung, die Krümmung der Schaufelspitzenabschnitte oder dieae beiden Parameter gleichzeitig reduziert werden müssen und bei der von der optimalen radialen Verteilung der effektiven Steigung der Schaufeln in Hinsicht auf den Gesamt-Antriebswirkungsgrad nicht abgewichen werden muß.

Im wesentlichen betrifft die Erfindung den Einbau einer oder mehrerer Sperrplatten von angemessener Form und Abmessung in eine Schraubenschaufel normaler Konstruktion, wobei derartige Platten quer zur Schaufelfläche angeordnet sind, entweder am Umfangsabschnitt der Spitze zur Vermeidung von Schaufelspitzenwirbeln oder an einem anderen Umfangüabsehnitt, was im wesentlichen zur Vermeidung von radialer Flüssigkeitsströmung der Schraube dient.

Die Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen besonders gekennzeichnet· Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind mit zusätzlichen Gegenständen und Vorteilen in der

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Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Pig. 1 einen schematischen yuerschnitt durch ein in seiner Länge (Spannweite) unbegrenztes Stromlinienprofil mit einem Fluidstrom von gleichförmiger Geschwindigkeit;

Pig. 2 einen schematischen Querschnitt durch ein in seiner Länge unbegrenztes Stromlinienprofil von unendlich kleiner Dicke;

Pig. 3 eine schematische Veranschaulichung eines Wirbelfeldes in einem idealen Fluid im Falle eines in seiner Länge begrenzten Stromlinienprofile nach der Helmholtz-Theorie;

Fig. 4 eine schematische Veranschaulichung der Verteilung einer Fluidzirkulation an einem in seiner Länge begrenzten Stromlinienprofil;

Fig. 5A und 5B einen schematischen Quer- bzw· Längsschnitt durch eine Schraube mit einem in der Mitte liegenden Umfangsabschnitt, welcher in erster Annäherung einem in seiner Länge unbegrenzten Stromlinienprofil äquivalent ist, während Fig. 5C einen schematischen horizontalen Schnitt durch eine Schraube :it dem zugehörigen Geschwindigkeitsdiagranm zeigt;

Fig. 6a und 6B einen schematischen Quer- bzw. Längsschnitt

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durch eine Schraube mit der erfindungsgemäßen, mit einer Schaufel verbundenen Sperrplatte;

Pig. 7A bis 7J durch bevorzugte Alternativen und Varianten der Erfindung gelegte schcuatische Längsschnitte entlang den Längsabschnitten der Schraube oder der Schraubenschaufel-Suimittpunkte mit angegliederten Sperrplatten gemäß der Erfindung, wobei diese Platten dergestalt angeordnet sind, daß Ihre Innenfläche an den Zylinder tangierend verläuft, welcher von der Schraubenkontur mit zur Schraubenwelle parallelen Erzeugenden ausgeht;

Fig. 8 einen schematischen Längsschnitt durch eine Schraube, welcher die Anwendungsmöglichkeit auf eine Schaufel mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Sperrplatten zeigt;

Pig. 9A bzw. 9B schematische Ansichten von Sperrplattenflächen-Konturen, welche auf zu den Zylindern tangential verlaufenden Ebenen abgewickelt sind, wobei diese Zylinder von den Schraubenkonturen mit zur Schraubenwelle parallelen Erzeugenden ausgehen;

Pig. 1OA und 1OB schematische Quer- bzw. Längsschnitte durch eine erfindungsgemäße Schraube, während die Figuren 1OC und 10D ähnliche Längsschnitte von verschiedenen Ausführungsformen zeigen; und

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Pig. 11 eine perspektivische Ansicht der in Pig. 1OA und 1OB gezeigten Schrauben.

Die theoretischen Grundlagen der Erfindung werden unter spezieller Bezugnahme auf die Piguren 1 bis 5 kurz erläutert.

Befindet sich ein in seiner Länge (Spannweite) unbegrenztes Stromlinienprofil 1, wie es in Pig. 1 veranschaulicht ist, in einem Pluidstrom 2 mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit "v", so wird eine Pluidzirkulation 3 um das Profil herum erzeugt. In dieser Zirkulation 3 entwickelt du.3 Pluid eine höhere Geschwindigkeit 4 gleich,^Mv+vⁿ an der Rückseite i. des Profils als an der wirksamen Pläche 6. Die Geschwindigkeit 4¹ (gleich "v-v") an der wirksamen Pläche 6 ist niedriger, und die auf die Flächen 5 und 6 einwirkenden Druckkräfte sind dementsprechend unausgeglichen. Es entsteht eine resultierende Kraft mit zwei Komponenten 7 und θ (in paralleler bzw. senkrechter Richtung zur Richtung des gleichförmigen Fluidstromes). Die erste dieser Kräfte, die Kraft 7 (Strömungswiderstand) sucht das Profil in der Ströüiungsrichtung 2 (bewegende Kraft) zu verschieben, und die zweite Kraft, die Kraft 8 (Auftrieb) sucht das Profil senkrecht zu dieser Strömungsrichtung 2 zu verschieben.

Theoretische Betrachtungen führen zu dem Schluß, daß der Auftrieb an jeder Stelle proportional zur Fluiddichte, zur Strömungsgeschwindigkeit, zur Pluidzirkulation an der betref-

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fenden Stelle und zur Differentialfläche ist, auf die er einwirkt.

Wenn das Stromlinienprofil 1' eine unendlich kleine Dicke besitzt, wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist, kann die erzeugte Geschwindigkeitsverteilung aus intuitiver Sicht als das Resultat der Überlagerung einer unbegrenzten Zahl von Wirbelbewegungen 4" mit jeweils derselben Intensität betrachtet werden. Im allgemeinen ist die Zahl der Wirbel pro linare Einheit 9 entlang der Linie 1· mit der mittleren Dikke des Stromlinienprofils nicht gleich.

Wenn die Länge (Spannweite) des Stromlinienprofils 1 unbegrenzt ist, ist die Zirkulation an jeder Stelle der Abszisse, gemessen von der Profilführungskante aus, an allen Querschnittsabschnitten dieselbe. Dies ist jedoch anders, wenn das Profil eine begrenzte Länge hat, da einige Wirbelbewegungen, deren Achse mehr oder weniger senkrecht zu den vorstehend angegebenen liegt, an den Profilflanken entstehen, da das Fluid von der Hochdruckfläche 6 zur Niederdruckfläche 5 zu strömen sucht.

Nach Helmholtz kann ein Wirbel in einem iu^alen Fluid nicht verschwinden. Dies ist der Grund, warum sich die Achsen der Wirbel der äußersten Abschnitte im Falle eines Stromlinienprofils ins Unendliche ausdehnen müssen. Fig. 3 zeigt die Frontwirbel 10 und die Schaufelspitzenwirbel 11 nach der Helmholtz-Theorie. Das Vorhandensein dieser Wirbel reduziert

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die gesamte Zirkulation am Profil und dadurch seine AuftrlÄBkraft.

Sie Art und Weise, in der die Zirkulation an einem längenbegrenzten Profil verteilt ist, ist schematisch in Fig. 4 angegeben. Bei diesem Beispiel entsprechen die Zirkulationen 10·, 10" und 10· " der Zirkulation 12 der Pig. 3 und die Zirkulationen 11* der Zirkulation 11 der Pig. 3· Als erste Annäherung nach der Wirbel-Theorie ist angenommen, daß das Verhalten eines SchraubenumfangsBlshnittes [mit dem Radius "r" (mit 12 in Pig. 5A bezeichnet) mit einer Schraubennabe 13 und einer nur einmal dargestellten Schaufel 14J mit dem Verhalten vergleichbar 1st, das von einem in seiner Länge unbegrenzten Stromlinienprofil 15 (Fig· 5C) in einem gleichförmigen Geschwindigkeitsfeld erreicht wird, dessen Richtung und Größe durch Addieren der axialen Schraubengeschwindigkeit 16 und der tangentialen Geschwindigkeit 17 des Schraubenabschnittes am Radius "r^M oder an der Stelle 12 definiert wird· Ba jeder radiale Abschnitt 12 eine Breite ^Mdr" aufweist, ist diese Annahme nicht genau, und die Einführung gewisser Leitkoeffizienten und Rechnungen ist wichtig.

Die meisten fortgeschrittenen Theorien betrachten den Auftrieb als von einer zweidimensionalen Verteilung von radialen und tangentialen Wirbelnherrührend, sowie vom Vorhandensein von tangential verlaufenden Wirbeln als Folge der Schaufelspitzenwirbel. Die Einwirkung der Schaufeldicke wird in

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den Berechnungen durch Überlagern an jedem Schraubenumfangsabschnitt eines Geschwindigkeitsfeldes berücksichtigt, das durch Verteilung von Wirbelsenken und -quellen verursacht wird. Aus Fig. 4 kann abgeleitet werden, daß die Existenz von Schaufelspitzenwirbeln 11' die Schraubendruckkraft und damit den Wirkungsgrad der Schraube verringert. Um diese Wirbel bei einer herkömmlichen, in einem idealen Fluid arbeitenden Schraube ohne Reduzierung der wirksamen Steigung an ihren Endabschnitten zu vermeiden, wäre ein unendlich großer Durchmesser erforderlich, bei dem sich die Steigung Null nähern würde. Natürlich ist diese Lösung nicht durchführbar, wenn eine Schraube in einer viskosen Strömung arbeitet.

Um Schaufelspitzenwirbel ohne Verringerung der wirksamen Steigung zu reduzieren, kann die Schraube innerhalb einer koaxialen,düsenartigen, rohrförmigen Führung betrieben werden. Döreninnere Längskontur kann konvergent, divergent, parallel oder kombiniert in bezug auf den Zulauf ausgeführt sein. Die Anbringung derartiger Führungen ist jedoch teuer; dazu wird der Strömungswiderstand erhöht und die Führung selbst ist starker Kavitation ausgesetzt.

Die Erfindung rechnet mit einer Addition in jeder Schaufel einer herkömmlichen Schraube mit einer Sperrplatte, die Schaufelspitzenwirbeln, wie sie bei 11· in Fig. 4 gezeigt sind, entgegenwirkt. Verschiedene Ausführungsformen der Er-

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findung sind in den Figuren 6 bis 11 veranschaulicht.

In Pig. ο ist die Angliederung (an eine herkömmliche Schraube mit Nabe 13 und Schauul 14) einer Sperrplatte 18 veranschaulicht, die an einer mit der Schraube oder dem Propeller koaxiale: zylindrischen Pläche angeordnet ist, um das Auftreten von Schaufelspitzenwirbeln zu verhindern, d.h. iiü.on entgegenzuwirken, wie es bei 11' in Pig. 4 gezeigt ist.

Die ganze Geometrie der Sperrplatte, des Elementes 18 und des übrigen Teils der Schraube muß experimentell optimal ausgelegt werden unter Berücksichtigung des Antriebs- und Kavitationsverhaltens; das Verhalten ist aber durch herkömmliche Berechnungen vorhersagbar.

Die Angliederung von Sperrplatten 18 an Schraubenschaufeln ergibt einige Reibungsverluste, die durch den höheren Wirkungsgrad kompensiert werden können,den die Schraube erreicht, wenn die wirksame Steigung so verteilt werden kann, daß sie radial in progressiver Weise zunimmt. Diese Verluste können auf ein Minimum durch Verringerung der Abwicklungsfläche der Platte 18 auf ein Kleinstmaß reduziert werden. Jede Schraube mit dem Element 18 weist eine Steigungsverringerung auf, um Änderungen in der Drehzahlanpassung zu vermeiden.

Da jedoch die Platten 18 auch mit einem Stromlinienprofil

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ausgebildet sein müssen, das zusätzliche Druckkraft schaffen kann, weisen sie also eine Prontkantenform auf, die derjenigen der Schaufel der Schraube ähnlich ist. Dae bedeutet, daß die (an die Schraubenschaufeln angegliederten) Platten 18 eine Ausbildung haben sollten, die für das Geschwindigkeitsfeld geeignet ist, in welchem die Schraube betrieben wird, und von der Heckausbildung des Schiffes abhängig ist, an dem die Schraube angebracht ist·

Die Einbeziehung von Sperrplatten 18 ist günstig, wenn die Vorteile durch den infolge der Vermeidung von Schaufelspitzenwirbeln erhöhten, von der Schraube gelieferten Antriebadruck den an der Schaufel durch die Hinzufügung der Sperrplatten erzeugten Hautwiderstand kompensiert. Als Alternative kann die Einbeziehung von Sperrplatten vorteilhaft sein, wenn es durch sie gelingt, die Kavitation an der Schraube und ihren Einfluß auf die auf das Heck einwirkenden Druckschwankungen zu verbessern.

Die Platten 18 können an den Schraubenschaufeln 14 durch Schweißen oder ein anderes gleichwertiges Verfahren befestigt werden; sie können gleichzeitig mit der Schraube gegossen werden oder nach irgendeinem bekannten technologischen Verfahren und aus jedem geeigneten Material gefertigt werden.

Als Alternative zeigen die Figuren 7A bis 7J verschiedene

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Stellungen von Sperrplatten 18a bis 1bJ zu den Schraubenschaufeln Hf an denen di^ Platten befestigt werden. Jede dieser Darstellungen zeigt eine solche Zusammenstellung im Schnitt der Schaufel-Platten-Einheit mit einer die Achse der Schraubenwelle enthaltenden Ebene. Sie Darstellungen sind Beispiele von bevorzugten Ausführungen der an die Schaufeln angefügten Platten. In jedem Fall ist die Platte (18a bis 18j) ähnlich Platte 18 in Fig. 6A₁ als zylindrische, mit der Schraubenwelle koaxiale Fläche ausgebildet. Aus Fig. 8, die eine andere AusfUhrungsform darstellt, ist ersichtlich, daß in jedem anderen Schraubenumfangsabschnitt entsprechend irgendeinem Radius "r" die Anbringung einer oder mehrerer Sperrplatten 19 an der Schaufel 14 wiederholt werden kann, wobei sie die gleiche Stellung zur Platte 18 an der Schaufelspitze haben können oder nicht. In ähnlicher Weise können die Platten 19 entweder auf einer oder auf beiden Seiten der Schaufel 14 angeordnet werden mit der Absicht zum Führen des über die Schraubenschaufel strömenden Fluids. Hierzu veranschaulicht Fig. 8 eine Schaufel mit zwei zwischenliegenden Platten 19 und einer Endplatte 18, die alle beiderseits der Schaufel angebracht sind. Die vorstehenden Überlegungen betreffs der Platten 18 sind auch auf die Elemente 19 anwendbar.

Die Figuren 9A bzw. 9B zeigen schematische Ansichten von Sperrplattenflächenkonturen, die auf einer zu den Zylindern tangential verlaufenden Ebene abgewickelt sind, wobei diese

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Zylinder von den Schraubenkonturen mit zur Schraubenwelle parallelen Erzeugenden ausgehen; die Ziffer 21 entspricht der Schraubenwelle und die Ziffer 22 der Abwicklung der Schaufelspitzenkontur. Die Plattenkontur 20 kann irgendeine allgemeine Formgebung besitzen, die vereinbar mit dem gesuchten Zweck ist, vorausgesetzt, daß sie aus der Sicht des Antriebes und der Kavitation zulässig ist; dies ist in derselben Weise auf die Platten 19 anwendbar. In Fig. 9B ist, nur kurzer und enger In den Konturen, eine Abwicklung 20* für eine andere Platte veranschaulicht, die an einer Schaufel 22* mit erheblich dickerem ovalem Querschnitt befestigt ist.

Die Figuren 10A, 1OB und 11 stellen Sperrplatten 18 mit Anwendung auf alle vier Schaufeln einer vierschaufeligen Schraube dar; Flg. 1OC und 1OD zeigen Varianten der Schaufeln.

Selbstverständlich sind die erfindungsgemäßen Sperrplatten keineswegs auf die Zahl der Schraubenschaufeln, auf die Anordnung solcher Schaufeln oder ihre Geometrie beschränkt; der Nutzen der Erfindung hängt nur von der Anpassung der Einheit auf den Fluidzufluß ab.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht ferner hervor, daß die erfindungsgemäßen Sperrplatten folgende Vorteile bieten:

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Mit den erfindungsgemäßen Platten versehene Schrauben geben besseres Verhalten als die herkömmlichen Schrauben, deren Steigung an ihren Spitzenumfangsabschnitten aus Kavitationsgründen reduziert ist.

Es können Schrauben mit kleinerem Durchmesser als bei den herkömmlichen Schrauben ohne Verlust an Antriebsleistung hergestellt werden.

Die Erfindung ermöglicht die Ausschaltung von Druckschwankungen am Überhang eines Schiffehecks, die von der an der Schraube erfolgten Kavitation herrührt, da die Entstehung ▼on Wirbeln zwischen der Kavitationszone und dem Schiffskörper verhindert wird^ wodurch die Vibrationsstärke des Schiffes reduziert wird.

Die Verwendung von Sperrplatten erübrigt es, die Schraubenschaufeln zu entlasten; dadurch kann das ausgedehnte Piaohenverhältnis^x verringert werden.

Da durch die Verwendung der Sperrplatten das Auftreten der Schaufelspitzenwirbel vermieden wird, können Berechnungen zur Konstruktion der Schraube vereinfacht werden; dadurch wird die Korrelation zwischen vorhergesagtem und wirklichem Verhalten der Schraube verbessert.

^x Siehe "Hydrodynamics in Ship Design", Verfasser H. Sanders, Band 1, Seite 453» veröffentlicht durch The Society of Naval Architects and Marine Engineers.

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Claims

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10. Januar 1977

Akte: P 23 ? !8

Patentansprüche

.J Schiffsschraube mit umlaufender Nabe und einer oder mehreren sich radial von der Nabe erstreckenden Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigsterie einer der Schaufeln wenigstens eine Platte befestigt ist, welcne sich quer zur Schaufel erstreckt, wobei diese Platte eine Erzeugende aufweist, deren Drehachse in der Nabenachse liegt, wobei die Platte eine eine Verminderung oder Beseitigung der Schaufelspitzenwirbel und eine Verbesserung des Wirkungsgrades und der Leistungsfähigkeit der Schraube bewirkende Platte ist.

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ORIGINAL INSPECTED

2.) Schiffsschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese Platte stromlinienförmig ausgebildet ist und eine Belastungsfront zur Fluid-*· strömung und eine zusätzliche Druckkraft auf die Schraube aufweist.

3.) Schiffsschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese Platte an einem Umfangsabschnitt der Schaufelspitze angeordnet ist.

4.) Schiffsachraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese Platte einwärts von der Schaufelspitze an einem Umfangsabschnitt der Schaufel angeordnet ist·

5.) Schiffsschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese Platte sich über eine Seite der Schaufel hinaus erstreckt.

6.) Schiffsschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese Platte sich über beide Seiten der Schaufel hinaus erstreckt.

7·) Schiffsschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet t daß bei einer vielschaufeligen Schraube wenigstens eine Platte an jeder Schaufel angeordnet ist·

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8.) Schiffsschraube naen Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß diese Flatten an den Umfange· abschnitten der Schaufelspitzen angeordnet sind.

Sj.) Schiffsschraube nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß diese Platten einwärts von den Schaufelspitzen an Umfangsabschnitten der Schaufeln angeordnet sind.

10.) Schiffsschraube nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß diese Platten sich über eine Seite der Schaufeln hinaus erstrecken, an welchen sie befestigt sind.

11.) Schiff !,schraube nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Platten sich über beide Seiten dur Schaufeln hinaus erstrecken, an welchen sie befestigt sind.

12.) Schiffsschraube nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß bei einer vielschaufeligen Schraube mehr als eine dieser Platten an jeder Schaufel angeordnet sind.

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