DE3041140A1

DE3041140A1 - Ein mit einem mit fluegelspitzen-sperrplatten versehenen schiffspropeller kombinierter leitkanal

Info

Publication number: DE3041140A1
Application number: DE19803041140
Authority: DE
Inventors: Antrag Auf Nichtnennung
Original assignee: Astilleros Espanoles SA
Current assignee: Astilleros Espanoles SA
Priority date: 1979-11-02
Filing date: 1980-10-31
Publication date: 1981-05-14
Also published as: DK464580A; IT1146117B; BR8007076A; CA1141240A; SE8007655L; IE802263L; AU6385580A; AU534883B2; CU21557A3; GB2063378B; EG14824A; PT72003B; NZ195418A; DD153787A5; IE50173B1; IN153167B; FI803369L; IT8050025A0; NO803273L; FR2468499A1

Description

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PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. A. WSDDE DIPL.-3NG. K. EMPL

Deuteche Bank OS/22 601 BLZ 7OO 7OO1O Bayer. Hypobank 1720028006 BLZ 7OO 2OO O7 Poetacheok Mohn. 473 02-803 BLZ 700100 8O

8OOO MÜNCHEN 8O Schumannetr. 2 - Tel. (ΌΘΟ} 47 15 47 Telegramme: Patentwedde - München

31. Oktober 1980
Akte: P 23 956

ASTIIIEROS ESPANOIES ^s-^a-Madrid (Spanien)

Ein mit einem mit Flügelspitzen-Sperrplatten versehenen Schiffspropeller kombinierter leitkanal

Einschlägiges technisches Gebiet

Der Antrieb von Schiffen mit Propellern, deren Flügel Sperrplatten an den Spitzen aufweisen, wird durch die Kombination eines leitkanals mit derartigen Propellern wirksamer gemacht.

Die Erfindung bezieht sich auf Propeller mit fest eingebauten Flügeln und auch auf Propeller mit verstellbaren Flügeln (regelbare Steigung). Die geometrischen, hier enthaltenen Definitionen für die Verstellpropeller betreffen die Stellung der Flügel entsprechend dem gezeichneten bzw. Normalzustand der Flügelsteigung.

Relevanter Stand der Technik

Um auf die Flügelspitzenabschnitte eines Schiffspropellers begrenzte Zirkulations- (oder Belastungs-) Werte zu übertragen, müssen die Propellerflügel eine ganz besondere Geometrie erhalten, verbunden mit einem ungewöhnlichen

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Verlauf der Steigung entlang dem Radius; aber dies reicht nicht aus, da es zusätzlich nötig ist, die Bildung von Wirbeln an den Flügelspitzen zu vermeiden. Zu diesem Zweck können folgende Techniken angewendet werden:

a) den Propeller innerhalb einer feststehenden Düse oder eines leitkanals mit koaxial mit dem Propeller angeordneten Kreisquerschnitten arbeiten zu lassen, wenn auch diese Technik die Bildung von Spitzenwirbeln nicht vollständig ausschließt infolge des unvermeidlichen Abstandes zwischen den Plügelspitzen und der Innenfläche des Leitkanals,

b) einen Leitkanal zu verbinden, wie in a) erwähnt, mit den Plügelspitzen des Propellers, dergestalt, daß der Leitkanal zusammen mit dem Propeller umläuft, obwohl bei dieser Technik der Wirkungsgrad des Propellers wegen des hohen viskosen Widerstandes des umlaufenden Leitkanals sehr wesentlich verringert wird,

c) anfügen von Sperr- oder Abdeckplatten an die Spitzenabschnitte der Propellerflügel, wobei diese Platten als Ausschnitte aus einem ideellen ummantelnden Leitkanal dargestellt sein können, wie der in a) oder b) genannte.

Erläuterungen zur Erfindung

Auch wenn den Propellerflügeln die ganz besondere Geometrie gegeben wird, die erforderlich ist, um tatsächlich wirksam eine begrenzte Zirkulation (oder Belastung) an den Spitzen-

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abschnitten zu erreichen, und wenn die Flügel mit querlaufenden Sperrplatten ausgerüstet werden, die sich von den Spitzen der Propellerflügel in der Weise erstrecken, daß theoretisch Werte einer begrenzten Zirkulation (oder Belastung) an den Spitzenabschnitten der Propellerflügel erreicht werden sollten, wird in der Praxis eine derartige Zirkulation (oder Belastung) tatsächlich nicht erreicht wegen des Phänomens der Strömungsablösung, die auftritt, wenn das Fluid mit den Sperrplatten, an den Flügelspitzen des Propellers beim Antreiben eines Schiffes durch den Propeller in Berührung kommt. Daher ist die Leistung dieses Propellertyps bisher immer unbefriedigend, da sein Wirkungsgrad niedriger als derjenige von konventionellen Propellern ist.

Der niedrige Antriebswirkungsgrad dieses Propellertyps wird aber erheblich verbessert, wenn der einfallende Fluidstrom mit den Sperrplatten unter stoßfreien Bedingungen in Berührung kommt bei jeder Schiffsgeschwindigkeit und Drehzahl des Propellers, so daß das oben genannte Phänomen der Strömungsablösung vermieden wird. Es ist ein Gegenstand der Erfindung, geeignete Mittel vorzusehen, um derartige stoßfreie Bedingungen in der derzeitigen Praxis zu schaffen.

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Kurze Beschreibung der Zeichnung Es zeigen:

Pig. 1 schematische Längsschnitte und Seitenansichten (abgewickelt und ausgestreckt) sowie radiale Ansichten (abgewickelt und ausgestreckt) von Propellerflügeln mit verschiedenartig geformten Sperr- oder Abdeckplatten, welche im wesentlichen in Querrichtung von den Flügelspitzen hervorspringeni wobei alle Kombinationen der Seiten- und Radialansichten möglich sind, einschließlich weiterer ähnlicher Typen.

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht und eine schematische Ansicht eines Propellere von hinten mit Sperr- oder Abdeckplatten an ihren Flügelspitzen; selbstverständlich können die Sperr- oder Abdeckplatten jede der in Fig. 1 gezeigten Formen von 3a bis 3p oder eine diesen ähnliche Form aufweisen oder Kombinationen von diesen.

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Kombination eines Leitkanals mit einem Propeller des in den Figuren 1 und 2 veranschaulichten Typs. Auch sind mehrere Leitkanäle von unterschiedlicher Form gezeigt, ebenso wie verschiedene Einzelheiten (Längsschnitte) der Hinterkante jedes Leitkanals und deren relative Lage zu den Sperr- oder Abdeckplatten des mit ihnen kombinierten Propellers, einschließlich anderer ähnlicher Leitkanal-Typen.

Fig. 4 den Unterwasserteil des Hecks eines Schiffes, das

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mit einem mit einem Leitkanal kombinierten Propeller ausgerüstet ist, wie in den Figuren 1 bis 3 veranschaulicht; hierbei ist die Halterung des Leitkanals nicht dargestellt, und die Lage des Leitkanals zum Heckspant kann jede Art von Änderung aufweisen; der Schiffskörper kann eine beliebige Form besitzen, auch mit einem Heekspant mit einem niedrigeren Kielansatz, mit "Simplex"-Steuerruder usw. Es sind mehrere Anordnungen des Heckspantprofils in bezug auf den Leitkanal angedeutet, und viele andere sind mögliche Obwohl nur ein Heekspant als Beispiel veranschaulicht ist, können auch alle anderen Typen mit derselben Kombination von Leitkanal und Propeller ausgerüstet werden.

Ausführliche Besehreibung

Um sicherzustellen, daß eine begrenzte Zirkulation (oder Belastung) in der Praxis an den Flügelspitzenabschnitten eines Schiffspropellers mit im wesentlichen quer zu den Flügelspitzen vorgesehenen Ansätzen (Sperr-, Abdeck- oder Spitzenplatten) erreicht wird, ist ein nicht rotierender Leitkanal vor (stromauf von) dem Propeller angeordnet. Das hintere Ende (stromab) oder die Hinterkante des Leitkanals weist einen Kreisquerschnitt auf, der speziell an den Propeller angepaßt ist. Es ist der Zweck des Leitkanals, das Fluid (das durch ihn hindurchläuft) unter stoßfreien Bedingungen und so weich wie möglich den Sperrplatten an den Spitzenabschnitten der Propellerflügel zuzuleiten. Die Form des hinteren Endes des Leitkanals ist so gestaltet, daß es

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eine wirksame Verlängerung der durch die Sperrplatten während der Rotation des Propellers erzeugten Fläche bildet.

Der leitkanal ist koaxial zum Propeller und abgesetzt von ihm angeordnet. Er befindet sich natürlich an der Rückoder Ansaugseite des Propellers, so daß er das Fluid, auf das der Propeller einwirkt, diesem direkt zuführt.

Da die Sperrplatten unterschiedlich gestaltet sind, wie es durch die Elemente 3a bis 3i und 3 j bis 3p (oder deren Kombination) in Fig. 1 veranschaulicht ist, erzeugen sie verschiedene geometrische Figuren bei der Drehung des Propellers. Die Sperrplatten sind so gestaltet, daß der Schnitt einer zur Achse des Propellers senkrechten Ebene mit der ideellen mittleren Fläche der Sperrplatten die Form von Kreisabschnitten besitzt.

Der leitkanal kann in seiner Form mehr oder weniger stromlinienförmig ausgebildet sein. Je stromlinienförmiger er ist, desto geringer sind die Nachteile, die sieh durch den Schleppwiderstand des Schiffes infolge der Einbeziehung des Leitkanals ergeben.

Die wirkliche Form des Leitkanals und seine genaue Verbindung mit dem Propeller sind Gegenstand von konstruktiven Varianten, wie aus Figur 3 ersichtlich, die einige verschieden geformte Leitkanäle 4a bis 4f und verschiedene

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Verbindungen zwischen solchen Leitkanälen und dem Propeller zeigt, dem sie zugeordnet sind (siehe 5a bis 5f). Die Form des leitkanals muß jedoch so sein, daß eine Strömungsablösung entlang seiner Innenfläche vermieden wird. Auch kann die Form des Leitkanals so sein, daß eine mehr oder weniger große Beschleunigung in dem ihn durchfließenden Wasser- oder Fluidstrom erzeugt wirdo Für jedes Schiff gibt es einen optimalen Wert der Wasseretrömungs-Beschleunigung, der die beste Kombination τοη Schiffskörper-Wirkungsgrad und Propeller-Wirkungsgrad ergibt, und die Form des Leitkanals kann so gestaltet werden, daß dieser optimale Wert der Beschleunigung erreicht wird.

Um schließlich den maximalen Wirkungsgrad aus der Kombination Leitkanal-Propeller zu erreichen, sollte die Form und die Stellung der Flügelspitzenplatten relativ zur Hinterkante des Leitkanals nicht nur axial, sondern auch in Querrichtung und radial derartig sein, daß die höchste Leitkanalbeschleunigung im Einklang mit einem niedrigen Flüssigkeitswiderstand der Sperrplatten erreicht wird, wobei immer die Forderung aufrecht erhalten werden muß nach Verhinderung der Bildung von Flügelspitzenstrudeln und nach den besten Bedingungen für stoßfreie Berührung des vom Leitkanal kommenden Pluidstroms mit den Sperrplatten.

Die im vorstehenden beschriebene Kombination von Leitkanal und Propeller kann auf jede Schiffsart mit jeder Art von

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Heckspanten angewendet werden· Ihre Anordnung und ihr Einsetzen in den Bereich des Heckspants kann in der verschiedensten Weise erfolgen_e Als Beispiel zeigt Pig. 4 eine typische Anordnung mit einer dieser leitkanalarten innerhalb eines sehr gebräuchlichen Heckspanttyps, wobei auch mehrere Anordnungsarten 7a bis 7c des Heckspantprofils zum leitkanal dargestellt sind.

Die Anzahl der Flügel an einem Schiffspropeller und die Anzahl der zum Antrieb eines Schiffes verwendeten Propeller ist unterschiedlieh; die Erfindung ist unabhängig von solchen Unterschieden, d.h., sie kann auf Propeller mit jeder Anzahl von Flügeln angewendet werden und auch auf jeden von mehreren Propellern, die ein Schiff antreiben.

In den figuren ist Element 1 (Figuren 2 bis 4·) eine Propellernabe, Element 2 (Figuren 1 bis 4) ein Propellerflügel, und die Elemente 3 und 3a bis 3i und 3 j bis 3p (Figuren 1 bis 4) Sperr- oder Abdeckplatten. Die Elemente 4 und 4a bis 4f (Figuren 3 und 4) sind leitkanäle, Elemente 5 und 5a bis 5f (Figuren 3 und 4) Hinterkanten von Leitkanälen. Element 6 (Fig. 4) ist ein Schiffsrumpf und Elemente 7a bis 7c (Fig. 4) sind Heckspantprofile.

Die Erfindung schließt ein den Anbau einer Konstruktion an einem Schiffsrumpf, um eine Flüssigkeit, die die Spitzenabschnitte der Propellerflügel berührt, zu veranlassen,

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eine derartige Berührung in ungefähr paralleler Richtung zur Ausrichtung der Sperrplatten durchzuführen, die sich von diesen Spitzenabschnitten her erstrecken. Die Erfindung umfaßt ferner die Verbesserung des Wirkungsgrades des Antriebes eines Propellers mit Flügeln, die so gestaltet sind, daß sie begrenzte Zirkulations- (oder Belastungs-) Werte an ihren Spitzenabschnitten und mit mit feststehenden Sperrplatten ausgerüstete Flügelspitzen aufweisen, durch .Führung eines Fluidstromes zu den und hinter die Sperrplatten in im wesentlichen stoßfreier Weise.

Gewerbliche Verwertung

Obwohl die Propellerflügel 2 die erforderliche spezielle Geometrie aufweisen, um eine begrenzte Zirkulation (oder Belastung) an ihren Spitzenabschnitten zu erreichen und obwohl diese Spitzenabschnitte mit Sperrplatten versehen sind, beispielsweise 3a bis 3i und 3j bis 3p (oder Kombinationen davon), um begrenzte Zirkulations- (oder Belastungs-) Werte an solchen Spitzenabschnitten zu ermöglichen, wird die gewünschte Zirkulation durch Schaffung dieser speziellen Geometrie und solcher Sperrplatten in der Praxis tatsächlich nicht erreicht. Um geeignete Bedingungen für eine derartige Zirkulation zu schaffen, muß eine stoßfreie Strömung zur Berührung mit den und hinter die Sperrplatten geleitet werden. So eine stoßfreie Strömung wird durch Einsetzen eines Leitkanals 4a bis 4f unmittelbar stromauf vor den Propellerflügeln erreicht. Der leitkanal

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muß in geeigneter Weise an die !Formgebung des Propellers und an die Rumpflinien angepaßt sein und auch in geeigneter Weise mit den Sperrplatten der Propellerflügelspitzen in einer Weise verbunden werden, wie es in Pig. 3 veranschaulicht ist, wobei diese Verbindung von äußerster Wichtigkeit für den Wirkungsgrad des Propellers ist. In der Tat ist diese Verbindung des Leitkanals mit dem Propeller wirklich eine der wesentlichsten Bestandteile der Erfindung.

Verstellpropeller

Wie im vorstehenden beschrieben, muß das vor dem Propeller angeordnete hintere Ende des leitkanals eine Art von Verlängerung der ideellen geometrischen Fläche sein, die von den Sperrplatten der Propellerflügel beim Umlaufen erzeugt wird (oder umgekehrt).

Im Falle eines Propellers mit verstellbarer FlügeIsteigung bezieht sich die obige Forderung auf die Stellung der Flügel entsprechend dem gezeichneten bzw. Normal-Zustand der Steigung, aber beim Wechsel der Flügelausrichtung werden die Sperrplatten aus der ideellen Fläche herausgebracht, die die Verlängerung des hinteren Endes des Leitkanals bildet.

In einem solchen Falle kann jede Sperrplatte noch ihre Aufgabe erfüllen, wenn sie weiterhin eine Rotationsfläche tan-

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giert, deren mathematische Achse dieselbe ist wie die Achse der Drehwelle des entsprechenden Propellerflügels.

Die oben genannte Bedingung ist nachstehend besser beschrieben anhand der Figuren 5 und 6.

Es zeigen:

Pig. 5 einen schematisch dargestellten Propeller mit verstellbaren Flügeln, und

Pig. 6 denselben Propeller zusammen mit einem mit ihm verbundenen Leitkanal. Auch sind einige mögliche Rotationsflächen gezeigt, welche alle dieselbe Achse wie die Welle für den Verstellflügel aufweisen.

Die nachstehenden Elemente sind mit folgenden Bezugszeichen versehen:

1.- Propellernabe

2.- Flügel

3·- Sperrplatten

4·- Leitkanal

5.- Flügeldrehwelle

6.- Mögliche Rotationsflächen

Die erforderliche Bedingung besteht darin, daß jede Sperrplatte 3 eine Rotationsfläche 6 tangiert, die in der Weise ausgewählt ist, daß die Fläche des Leitkanals 4 ebenfalls genau dieselbe Rotationsfläche 6 tangiert, wodurch es der

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aus dem Leitkanal kommenden Wasserströmung möglich ist, unter praktisch, stoßfreien Bedingungen mit der Sperrplatte in Berührung zu kommen_o

Schlußbemerkung

Die Erfindung und ihre Vorteile sind aus der vorstehenden Beschreibung leicht ersichtlich. In bezug auf das Verfahren und die Vorrichtung können verschiedene Änderungen durchgeführt werden, ohne daß die Idee und der Umfang der Erfindung verlassen wird oder seine materiellen Vorteile aufgegeben werden. Das Verfahren und die Vorrichtung,die hier beschrieben sind, sind nur bevorzugte Ausführungsbeispxele der Erfindung»

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Claims

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Akte; P 23 PATENTANSPRÜCHE

1. Die Kombination eines Schiffspropellers mit fest eingebauten oder verstellbaren Flügeln(die nachstehenden geometrischen Definitionen beziehen eich in diesem Fall auf den gezeichneten bzw. Normal-Zustand der klügelsteigung) mit einem ihm räumlich zugeordneten stationären Leitkanal, wobei der Propeller eine Achse, einen Durchmesser und eine Mehrzahl von Flügeln aufweist und jeder Flügel

a) eine erzeugende Basislinie,

b) eine am Spitzenabschnitt befestigte Platte und

c) eine Rück- oder Saugseite aufweist, und wobei der leitkanal

d) koaxial mit dem Propeller und versetzt von ihm an dessen Rück- oder Saugseite angeordnet ist, und

e) seine hintere oder stromabwärtige Seite die Verlängerung einer geometrischen Figur bildet, welche in der Vorstellung (durch einen Schnitt einer axialen Ebene durch die erzeugende Basislinie eines Flügels mit der feststehenden Platte) bei der Rotation dieser feststehenden Platte um die Achse erzeugt wird,

f) einen Innenradius aufweist an einer Stelle nahe der feststehenden Platte, welcher annähernd gleich demjenigen dieser geometrischen Figur an einer Stelle ist, welche dem Leitkanal am nächsten ist,

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g) die Möglichkeit vorsieht, einen Fluidstrom zur Rück- oder Saugseite des Propellers bei im wesentlichen stoßfreier Berührung mit jeder feststehenden Platte zu leiten, und

h) an seiner kleinsten Stelle eine Länge besitzt, welche wenigstens 5 Prozent des Propellerdurchmessers und höchstens das Doppelte des Propellerdurchmessers beträgt.

2. Die Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller an seinen Flügelspitzen-Abschnitten begrenzte Zirkulations- (oder Belastungs-) Werte aufnimmt.

3. Die Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede feststehende Platte ein vorderes Ende und der Leitkanal eine hintere oder stromabwärtige Seite aufweist, wobei das vordere Ende jeder feststehenden Platte um wenigstens 5 Millimeter von der hinteren Seite des Leitkanals versetzt ist.

ο Die Kombination nacn Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende so dicht wie möglich an der hinteren Seite oder sogar überlappt mit ihr angeordnet isto

ο Die Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Leitkanal stromlinienförmig gestaltet ist.

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6. Die Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der leitkanal einen Querschnitt aufweist, welcher sich in Größe oder in der Gestaltung entlang seiner Achse verändert.

ο Die Kombination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkanal eine konstante länge aufweist oder sich in seiner Länge entlang seinem Umfang verändert.

ο Die Konbination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Leitkanal am Rumpf eines Schiffes montiert und befestigt ist.

9. Die Kombination nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß sich der Leitkanal in der Länge entlang seinem Umfang verändert, wobei sich seine größte Abmessung, welche sich nach vorn in Form von Rippen erstrecken kann, an seiner höchsten Stelle entlang dem Rumpf und wobei sich seine kleinste Abmessung an seiner niedrigsten Stelle entlang dem Rumpf befindet.

10. Ein Schiff mit einem Rumpf und einem Propeller, wobei sich der Propeller gemäß Anspruch 1 in der Kombination mit einem Leitkanal befindet und der Leitkanal am Rumpf montiert und befestigt ist.

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11. Ein Schiff mit einem Rumpf und zwei oder noch weiteren Propellern, wobei sich jeder Propeller gemäß Anspruch 1 in der Kombination mit einem Leitkanal befindet.

12. Verfahren zur Erhöhung des Antriebs-Wirkungsgrades eines propellerangetriebenen Schiffes, dadurch gekennzeichnet , daß der Propeller Flügelspitzen mit feststehenden Sperrplatten aufweist und so konstruiert ist, daß er begrenzte Zirkulations- (oder Belastungs-) Werte an den Flügelspitzenabschnitten aufweist, und welches das Zuleiten eines im wesentlichen stoßfreien Fluidstromes zu den und hinter die Sperrplatten enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Leitkanal-Einrichtung, um den Fluidstrom zu einem Bereich zu leiten, welcher durch die Sperrplatten begrenzt ist.

14· Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine effektive Verlängerung der feststehenden . Sperrplatten durch einen nicht umlaufenden Leitkanal.

15. Verfahren nach Anspruch 12, und vorgesehen für Propeller mit Verstellflügeln (steuerbare Flügelsteigung), dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel-Sperrplatten ihre Aufgabe auch bei jeder Flügelstellung erfüllen können trotz der Tatsache, daß sie aus der ver-

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längerten Fläche des hinteren Teiles des Leitkanals heraustreten, wenn sich jeder Flügel um seine Welle dreht.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß jede Flügel-Sperrplatte eine Rotationsfläche, welche dieselbe Achse wie die Drehwelle des entsprechenden verstellbaren Flügels des Propellers besitzt, in der Weise tangiert, daß auch diese Eotationsflache die Ieitkanalflache tangiert, und daß dann als Folge davon die vom Leitkanal kommende Wasserströmung mit den Sperrplatten unter praktisch stoßfreien Bedingungen bei jeder Stellung der Flügel in Berührung kommt_o

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