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Schaufelrad, Propeller oder dergleichen Vorrichtung
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zur Erzeugung von axialer Wirkung
Beschreibung Die
Erfindung betrifft ein Schaufelrad, einen Propeller oder eine gleichartige Vorrichtung
zur Erzeugung von axialer Wirkung, insbesondere von Schubkraft in flüssigem oder
gasförmigem Medium, welche Vorrichtung aus einer oder mehreren, im wesentlichen
radial herausragenden und durch genanntes Medium voneinander getrennten Schaufeln
besteht, die eine bestimmte Steigung haben und so angebracht sind, daß sie in einem
Winkel von ca. 10... .300 mit der senkrechten Ebene in Richtung der Drehachse (a)
der Vorrichtung schräg nach hinten angestellt werden.
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Die Gestaltung und Bemessung von Schraubenpropellern und Schaufelrädern
hat sich im Laufe der Entwicklung während mehrerer Jahrzehnte so gefestigt, daß
diese Vorrichtungen allgemein soweit als "fertig" angesehen werden, daß nur noch
kleine Verbesserungen des Wirkungsgrades, z. B. in der Größe von Zehntelprozenten,
als möglich angesehen werden. Ausnahmen zur genannten gewohnten Propellerkonstruktion
bildeten die Patente des Arne Vartiainen Nr. Fi-33088, 34816 und 47304 sowie US-Nr.
3 014 534. Diese Patente enthielten einige neue Ideen, aber betreffende Propeller
und Schaufelräder haben sich wegen einiger prinzipieller Fehler wenigstens nicht
im Betrieb bei größeren Schiffsgeschwindigkeiten als besser als konventionelle Schaufelräder
erwiesen.
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Für das erfindungsgemäße Schaufelrad oder dergleichen ist die Kombination
charakteristisch, daß die Steigung in verschiedenen radialen Zylinderschnitten verschieden
ist, wobei sie sich von der Schaufelblattspitze zum Zentrum der Vorrichtung hin
im wesentlichen linear verkleinert, und daß sich das Seitenprofil der Schaufel senkrecht
auf die Drehachse gesehen von der Schaufelspitze ausgehend zur Wurzel hin außer
der Spitzenrundung wenigstens bis zur Hälfte der
Schaufel hyperbolisch
verbreitert Gemäß einer günstigen Ausführung sind die verschiedenen radialen Zylinderschnitte
der Schaufel eines Propellers oder Schaufelrades so angeordnet, daß die Schwerpunkte
der Schnitte des Spitzenteils der Schaufel in Drehrichtung vor den Schwerpunkten
der Schnitte des Wurzelteils liegen.
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Gemäß einer günstigen Anwendungsform sind die Sthaufeln an einem
Zentrum oder an einer Nabe befestigt, deren Durchmesser zweckmäßig 30 % des Propellerdurchmessers
beträgt oder um soviel kleiner ist, wie Festigkeitsgesichtspunkte und Welle es zulassen.
Außerdem sind die Schaufeln zweckmsißig über die ganze Zentrumslänge am Zentrum
befestigt.
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Weiterhin werden die Schraubenquerschnitte entlang eines mit der
Drehachse als Mittelpunkt gezeichneten Kreises gemäß einer günstigen Anwendungsform
aus einer zwischen zwei sich schneidenden Parabeln liegenden rückwärts gekrümmten
Fläche gebildet, deren Parabel-y-Achse dieselbe Richtung hat wie die Propellerwelle
und die x-Achse der Parabel senkrecht dazu steht und es ist günstig, daß Vorder-
und Hinterkante der Schaufel mit kleinem Radius abgerundet sind.
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Für die Funktion eines erfindungsgemäßen Propellers oder dergleichen
ist charakteristisch, daß dieser während der Drehung in Abhängigkeit vom Steigungswinkel
der Schaufeln sowie der in Seitenansicht sich hyperbolisch verbreiternden Schaufelform
zwei verschiedenartige Strömungen erzeugt, nämlich eine in Richtung der Drehachse
und eine über die Spitzen in Richtung des Zentrums verlaufende Strömung. Weiterhin
ist die letztere Strömungskomponente aufgrund der erfindungsgemäßen Schaufelform
bei linearer Beschleunigung am größten am Wurzelteil der Schaufel, wo das Verhältnis
von Schubkraft zum Drehwiderstand, bzw. der Wirkungsgrad größer ist als am
Spitzenteil
der Schaufel. Am Wurzelteil der Schaufel ist also bezogen auf die Schaufeloberfläche
eine größere resultierende Strömungsgeschwindigkeit als bei bisher bekannten Propellern.
Wenn die Schubkraft gleich dem Quadrat der resultierenden Geschwindigkeit ist, werden
mit dem erfindungsgemäßen Propeller im Verhältnis zum Drehwiderstand größere Schubkraftwerte
als bei bisher bekannten Propellern erzielt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Propeller kann die auf das Zentrum gerichtete
Strömung mit größeren Geschwindigkeiten auf den Wurzelteil der Schaufel deshalb
treffen, weil die Querschnitte des Schaufelspitzenteils in Drehrichtung vor dem
Wurzelteil liegen. Damit bleibt für größere Schiffsgeschwindigkeiten eine bessere
Propellerschubkraft erhalten als bei bisher bekannten entsprechenden Vorrichtungen.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf ein in den Figuren
der beigefügten Zeichnung dargestelltes günstiges Ausführungsbeispiel, auf dessen
Einzelheiten die Erfindung jedoch in keiner Weise beschränkt ist, ausführlich beschriebcn
, Fig. 1 zeigt einen Propeller auf die Welle und in Schiffsfahrtrichtung gesehen.
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Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 dargestellten Schnitt II-II.
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Fig. 3 zeigt eine auf die durch die Achse verlaufende Ebene abgewickelte
Schaufelprojektion. r ist der Abstand einer zu untersuchenden Stelle von der Achse.
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y ist die Schaufelbreite an genannter Stelle in genannter Projektion.
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Fig. 4 zeigt den aus Fig. 2 ersichtlichen Schnitt IV-IV.
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Fig. 5 zeigt eine Serie von Schaufelschnitten.
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Fig. 6 zeigt die Bildung eines Schaufelquerschnitts zwischen zwei
Parabeln.
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In den Figuren ist als Ausführungsbeispiel der E-rindung ein Schiffspropeller
dargestellt. Es ist jedoch schon an dieser Stelle hervorzuheben, daß die Erfindung
auch in anderen Betriebsstellen, wie z. B. in Schaufelrädern von Luftströmungsmaschinen,
angewendet werden kann.
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Gemäß den Figuren besteht der um die Achse a drehbar angeordnete
Schiffspropeller aus der Nabe n, an der über die ganze Wurzelbreite zwei Schaufeln
befestigt sind, deren Vorderkante mit e und Hinterkante mit t bezeichnet ist.
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Nach Fig. 3 verbreitert sich das Seitenprofil der Schaufeln senkrecht
auf die Drehachse a gesehen außer der Spitzenrundung und der Verjüngungsrundung
p des Wurzelteils der Schaufel im wesentlichen hyperbolisch wenigstens bis zur Hälfte
der Schaufel. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, sind die Schaufeln im Winkel o schräg
nach hinten angestellt.
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Diese Anstellung o ist an sich bekannt und die Größe des Winkels o
liegt zwischen 100 und 300. In Fig. 1 ist die durch die Mittelpunkte der verschiedenen
Zylinderschnitte der Schaufel gebildete Kurve mit k bezeichnet und damit liegen
die verschiedenen radialen Zylinderschnitte so, daß die Schnitte des Spitzenteils
der Schaufel in Drehrichtung m vor den Schnitten des Wurzelteils liegen.
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In Fig. 5 sind drei Zylinderschnitte einer Propellerschaufel, Schnitt
1, 2 und 3 zu sehen. Für diese Schnitte ist charakteristisch, daß die Steigung der
einzelnen Teile
in Richtung des Schaufelradius r verschieden ist,
wobei sie sich von der Schaufelblattspitze (Schnitt 1) zum Zentrum des Schaufelrades
hin (Schnitt 3) im wesentlichen linear verkleinert.
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Aus Fig. 6 ist die Bildung eines Schaufelquerschnitts zwischen zwei
Parabeln ersichtlich. Die Achsen der betreffenden Parabeln sind mit Bezugszeichen
pa gekennzeichnet.
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An der Vorderkante e und der Hinterkante t der Schaufel befinden sich
die aus Fig. 6 ersichtlichen durch die Herstellungstechnik bedingten Abrundungen.
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Zur Verdeutlichung der Funktion der erfindungsgemäßen Propellerkonstruktion
werden im folgenden einige Bemessungsprinzipien und in der Praxis erprobte Ausführungen
beschrieben.
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Zeichen der im folgenden angeführten Formeln: R = Größter Propellerradius,
kann genauso bestimmt werden wie bei herkömmlichen Schraubenpropellern r = Radius
des zu untersuchenden Schnittes p = Verhältnis der Steigung zum Propellerdurchmesser
(PITCH RATIO) AB = abgewickelte Oberfläche einer Schaufel, wird empirisch bestimmt
/4 = Verhältnis der effektiven Schiffsgeschwindigkeit zur theoretischen Propellergeschwindigkeit,
schwankt zwischen 0,5 und 0,9 abhängig vom Schiff Br = Schaufelbreite entlang dem
Bogen mit dem ]tadius r projiziert auf die senkrecht zur Achse stehende Ebene
Hr
= Schaufelbreite im Abstand von Radius r projiziert auf die durch die Achse verlaufende
Ebene = = Steigungswinkel P = Steigung (pitch) = geometrischer Vortrieb der Schaufel
oder eines Teiles während einer Umdrehung c = Schaufelbreite entlang der Steigungsebene
gemessen tA = größte Schaufeldicke an der Welle Nachdem der größte Radius R des
Propellers gewählt ist, wird die größte Steigung gewählt, die sich an der Schaufelspitze
befindet. Desgleichen wird der Faktor ß bestimmt, dessen Wert man aus Gewicht und
Form des Schiffs sowie aus Versuchsergebnissen erhält. Dann wird der Tangenswert
des Steigungswinkels an den einzelnen Stellen der Schaufel mit folgender Formel
bestimmt tg Xr = .-D - ~ (P(1-ß)(R-r % r r(t- 4 p) In diesem Beispiel verringert
sich die Steigung vom Wert P der Schaufelspitze auf den Wert N P an der Oberfläche
des Zentrumszapfens. Der Radius des Zentrumszapfens ist in diesem Beispiel so gewählt,
daß dort der tg 0 annähernd oder gleich 1 ist.
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Die Schaufelbreite wird an den einzelnen Stellen so bestimmt, daß
die Steigungsbedingung erfüllt wird und daß das Produkt H * r bei Annäherung ans
Zentrum wächst und daß die Schaufeloberfläche gleich der vorher bestimmten Fläche
AB wird.
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Gute Ergebnisse wurden in durchgeführten Ausführungsversuchen erzielt
bei zweckmäßig linear wachsenden Produkt
H . r, einmal auf das
Doppelte bei Annäherung der Hälfte der Schaufel und im anderen Fall bei gleichem
gegebenen Wert, wenn r gleich 30 % von R ist. Wenn die Breite Hr in der Schaufel
ihren maximalen Wert erreicht, läßt man das Produkt H * r wieder kleiner werden,
so daß sich die Schaufel gut auf das Zentrum setzen läßt.
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Da die Propeller von großen langsam fahrenden Schiffen groß sind,
werden deren Zentralzapfen im Verhältnis kleiner ausgeführt als bei schnellen Schiffen.
Dabei wird auch angestrebt, die Schaufelbreite im Bereich, in dem tg 0 > 1 ist,
schnell zu verjüngen. Ebenso läßt man die Steigung in Richtung Zentrum wiederum
vom Minimalwert 4 P zweckmäßig auf den Wert P steigen.
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Im Beispiel läßt sich das Produkt H zur r durch den Ausdruck p r
H e r = BR R . (2,5 - 1,5 r R darstellen und der Näherungswert der Schaufeloberfläche
ergibt sich aus der Gleichung:
Aus dem vorstehenden folgt, daß sich die Seitenprojektion der Schaufel auf der Ebene
der Achsrichtung zum Zentrum hin im wesentlichen hyperbolisch verbreitet. Hierin
unterscheidet sich der erfindungsgemäße Propeller sowohl von gewöhnlichen Schraubenpropellern,
als auch von der Form der genannten Propeller nach FI-Patent-Nr. 33088, 34816 und
47304, bei denen sich die entsprechende Projektion dreieckförmig oder in der Form
eines schmalen Dreiecks verbreitert. Aus
diesem Grund erzeugt die
erfindungsgemäße Form an der breiteren Stelle der Schaufel eine größere Strömungskomponente,
die von der Schaufelspitze auf das Zentrum gerichtet ist. Da bei allen Propellern
die anderen Geschwindigkeitskomponenten bei gleicher Drehgeschwindigkeit und gleichem
Vortrieb untereinander gleich sind, wird die schubkrafterzeugende resultierende
Geschwindigkeit am erfindungsgemäßen Propeller größer und zwar an dem Schaufelteil,
an dem sich die größte Fläche befindet und! die Steigung zweckmäßig verringert ist
und der Abstand vom Zentrum kleiner ist als bei den bekannten Propellern. Daraus
folgt, daß man ein größeres Verhältnis der Schubkraft zum Drehwiderstand als bisher
erhält.
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Die Schaufelquerschnitte eines erfindungsgemäßen Propellers werden
nach Fig. 5 und 6 bogenförmig zweckmäßig so ausgeführt, daß die- Innenfläche aus
einer Parabel gebildet wird, die durch folgende Formel dargestellt werden kann
Mit Faktor a wird die Konkavität der Innenfläche bestimmt und a ist im allgemeinen
kleiner oder gleich. Wird a kleiner, nimmt die Konkavität zu und die Schubkraft
wächst bei langsamen Geschwindigkeiten und die Endgeschwindigkeit nimmt ab. Hier
unterscheidet sich der erfindungsgemäße Propeller von entsprechenden bekannten Propellern
darin, daß die Flächen bei bekannten Vorrichtungen aus einer Geraden, einem Teil
eines Kreises oder aus einer Parabel, deren Achse senkrecht zur Steigungsebene des
Schaufelteils steht, gebildet werden.
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Die erfindungsgemäße Kombination verursacht, daß die Itichtvang des
Mediums an den einzelnen Stellen der Schaufel
gleichmäßig geändert
wird. Daraus folgt, daß die Schaufel mit ihrer ganzen Fläche aktiv an der Erzeugung
der Schubkraft beteiligt ist.
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Die Außenfläche der Schaufel wird aufgrund der gleichen Formel unter
Vorgabe eines zweckmäßig kleineren Wertes für a und unter Berücksichtigung der Minimaldicke
t der Schaufelkante hergestellt. a wird in jedem einzelnen Schnitt so gewählt, daß
die größte Schaufeldicke an der Achse zweckmäßig 0,9 R ist, von welchem Wert die
Dicke zur Schaufelspitze hin abnimmt, sofern die Festigkeitsgesichtspunkte dies
zulassen. Im Beispiel (Fig. 4) verjüngt sich die Schaufel linear auf den Wert 0,02
R.
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Die Schaufelquerschnitte werden so angeordnet, daß die Schaufel auf
bekannte Art eine Schrägung nach hinten (Winkel o Fig. 4) erhält. Bei den bekannten
Propellern (FI-Pat.
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Nr. 34816 und 47304 sowie auch 33088) ist für den Schaufelquerschnitt
charakteristisch, daß die Schaufeln der Vorderkante mit einem ebenen Teil beginnt,
woraus eine schnelle Abnahmc der Schubkraft bei zunehmender Schiffsgeschwindigkeit
folgt. Dies wurde durch Versuche festgestellt. Desgleichen erhöht sich bei den bekannten
Propellern genannter Patente der Drehwiderstand wegen der zu großen Konvexität des
Propellers sehr schnell. Beim erfindungsgemäßen Propeller ist die Schaufel dagegen
über den ganzen Querschnitt fortlaufend bogenförmig, wodurch die Strömung an allen
Teilen der Schaufel Schubkraft erzeugt und der Propellerschub wenigstens bis zu
der durch die Steigung gegebenen Schiffsgeschwindigkeit erhalten bleibt.
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Die Schaufelquerschnitte verschiedener Radien eines erfindungsgemäßen
Propellers werden so angeordnet, daß die Schaufelvorderkante e im wesentlichen eine
Gerade bildet und so, daß die Schnitte an der Schaufelspitze dem Wurzelteil vorlaufen
(Kurve k Fig. 1). Hierin unterscheidet sich der
erfindungsgemäße
Propeller wesentlich von den allgemein verwendeten Schraubenpropellern, bei denen
die Schnitte entweder auf derselben Geraden liegen oder der Spitzenteil dem Wurzelteil
nachläuft, wie es auch im FI-Patent Nr. 47304 verlangt ist. Beim erfindungsgemäßen
Propeller leiten die vorlaufenden Schaufelspitzen die in radialer Richtung auf das
Zentrum hin verlaufende Strömung ein, die somit bei größeren Drehgeschwindigkeiten
noch auf den Wurzelteil trifft, wodurch der Wirkungsgrad gegenüber den bisher bekannter
Propellern bei entsprechenden Geschwindigkeiten wächst. Im Propeller des Beispiels
befindet sich der Spitzenteil um den Steigungswinkel vor dem Wurzelteil.
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Mit dem erfindungsgemäßen Propeller wurden u. a. folgende Vergleichsversuche
durchgeführt: Anfangs wurden an einem Testboot vom Typ "Beaufort 8000", das ein
mittelschweres schnelles Boot mit V-Boden ist, verschiedene Schraubenpropeller verglichen,
von denen der beste eine Meßgeschwindigkeit von 25 Knoten erreichte. Danach wurden
zwei Propeller nach FI-Patent Nr. 47304 mit verstellbaren Schaufeln hergestellt,
von denen der eine einen Anstellwinkel von ca. 150 und der andere von ca. 200 hatte.
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Als größte Geschwindigkeit dieser Versuchspropeller wurden mit demselben
Heizgerät 15 Knoten gemessen.
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Anschließend wurde der beste erhältliche Schraubenpropeller an einem
Versuchsboot verglichen, wozu des leichteren Propellerwechsels wegen ein mittelschweres
schnelles Boot vom Typ "Comtesse" mit V-Boden gewählt wurde.
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Zu vergleichender Schraubenpropeller: Volvo-Penta Schraubenpropeller
14" Durchmesser und 15" Steigung, Typ highspeed, AB = 206 cm2. Von den erfindungsgemäßen
Propellern wurden zwei hergestellt, Nr. 1 und 2.
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Nr. 1: Durchmesser 14", mittlere Steigung 15", = 0,839, a = 0,3 an
der Wurzel und a = 0,839 an der Spitze, Schrägung 150, Spitzenteil 150 vor der Wurzel
und Produkt H r erhält Maximalwert 2 H . R 2 bei r = 0,5 R, A = 170 cm Nr. 2: Durchmesser
14", mittlere Steigung 15",» = 0,85, a = 0,85 am ganzen Schaufelteil, Schrägung
17,20, Spitzenteil 17,20 vor der Wurzel und Produkt H w r erhält Maximalwert 2 .
H . R bei r = 0,3 R, AB = 180 cm2.
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Ergebnisse der Geschwindigkeitsversuche
| Motor- Volvo 14 x 15 Nr, 1 Nr. 2 |
| drehzahl |
| Umdrehungen/ Geschwindig- 1 Geschwindig- : Geschwindig- |
| keit Knoten : keit Knoten : keit Knoten |
| 3500 5,0 7,5 7 |
| 4000 12,0 1 16,2 14,0 |
| 4500 18,0 21,0 19,5 |
| 4600 19,2 22,0 20,5 |
| 4700 19,5 - 21,0 |
| 4800 20,5 - 22,0 |
| 5000 21,8 23,0 |
| 5200 23,0 24,2 |
Die Motordrehzahl muß durch den Wert 2,15 dividiert werden, um die Propellerdrehzahl
zu erhalten.