DE3043718C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erhöhung des Propulsionsgütegrades bei propellergetriebenen Schiffen durch Maßnahmen zur Erhöhung des Grenzschichtenanteils an der Propellerzuströmung mit Hilfe von Strömungsleitblechen, die im grenzschichtnahen Bereich an der Schiffsaußenhaut in Funktionszusammenhang mit dieser angeordnet sind.

Den innersten Bereich der Strömung um ein fahrendes Schiff bildet die Grenzschicht, die durch Reibung der Wasserteilchen an der Außenhaut und aneinander entsteht und als Schleppe hinter dem Schiff zurückbleibt. Ihr Aufbau verzehrt fortwährend Energie. Ein Teil der in der Grenzschicht steckenden Energie kann vom Propeller durch Umwandlung in Schubleistung zurückgewonnen werden, vorausgesetzt, das dem Propeller zuströmende Wasser enthält genügend Grenzschichtanteile. Beim Einschraubschiff ist das normalerweise der Fall; die Propeller von Zweischraubenschiffen arbeiten oft in Gebieten, die nicht oder kaum von Grenzschicht durchflossen werden. Die folgenden Ausführungen gelten prinzipiell für beide Arten von Propelleranordnungen, inbesondere jedoch für den Einschrauber.

Das Vorhandensein der Grenzschicht ist für den Propulsionsgütegrad grundsätzlich als positiv anzusehen. Wenn man den Grenzschichtanteil in der Propellerzuströmung erhöht, wird mehr von der in die Bildung der Grenzschicht gesteckten Energie durch den Propeller zurückgewonnen werden können und der Propulsionsgütegrad wird steigen.

Es geht also um die Erhöhung des Grenzschichtanteils in der Propellerzuströmung und den Nachweis, daß sich damit der Propulsionsgütegrad steigern läßt.

Dieser Nachweis läßt sich erhärten durch ein Rechenbeispiel, das allgemein zugängliche Unterlagen benutzt. Für ein bestimmtes Schiff soll der Propeller ausgelegt werden, und zwar so, daß bei einer Geschwindigkeit V = 19 kn ein Schub von T = 111,6 t aufgebracht wird. Die Sogziffer (Unterschied zwischen Widerstand und Schub) wird mit t = 0,14 angenommen, d. h. der Schub ist 14% höher als der Widerstand.

Durchmesser und Drehzahl des Propellers werden wie üblich als frei wählbar angenommen, um die optimale Konstellation ermitteln zu können. Des weiteren wird aber auch die Propelleranströmgeschwindigkeit variiert. Sie ist stets kleiner als die Schiffsgeschwindigkeit, was überwiegend auf die langsamer strömende Grenzschicht zurückzuführen ist.

Die Differenz zwischen Schiffs- und Propelleranströmgeschwindigkeit wird durch die Nachstromziffer w gekennzeichnet. Im Beispiel wird w zwischen 0,16 und 0,26 variiert, was bedeutet, daß die mittlere Propellerzuströmung 16 bis 26% langsamer ist als die Schiffsgeschwindigkeit.

Fig. 1 zeigt das Ergebnis der Berechnung, die mit Hilfe der Wageninger Propellerauswahldiagramme durchgeführt wurde. Der Leistungsbedarf ist über der Nachstromziffer aufgetragen. Parameter der vier Kurven ist die Drehzahl, abnehmend in Richtung der tieferliegenden Kurven. Bei jeder Drehzahl ergibt sich jeweils der angegebene etwa konstante Propellerdurchmesser D. Der Berechnung liegt eine konstante Sogziffer t = 0,14 zugrunde.

Zum einen zeigen die Kurven, daß der Leistungsbedarf bei abnehmender Drehzahl und gleichzeitig wachsendem Propellerdurchmesser sinkt. An dem Gefälle nach rechts ist zum anderen abzulesen, daß der Leistungsbedarf sinkt, wenn die Nachstromziffer steigt. So sinkt, wie Fig. 1 zeigt, bei konstanter Drehzahl n = 90, konstantem Propellerdurchmesser D = 7,0 und wachsender Nachstromziffer w zwischen w₁ = 0,20 und w₂ = 0,22 die Propellerleistung P_D von 18 000 PS auf 17 700 PS; vgl. Fig. 1. Dieses ist nur dann der Fall, wenn mehr Grenzschicht durch den Propellerkreis strömt. Der Nachweis für die Richtigkeit der Theorie ist somit erbracht.

Dem bekannt gewordenen Stand der Technik sind keine Entwicklungen zu entnehmen, die auf eine nachhaltige Erhöhung des Grenzschichtanteils in der Propellerzuströmung schließen lassen. Die US-PS 21 98 295 zeigt einen Schlingerkiel mit zahlreichen Bolzen mit Strömungsprofil und einen durchlaufenden dünnen Stab, der die Bolzen verbindet, im Mittelteil eines Schiffes. Der Schlingerkiel dient nicht dazu, grenzschichtnahe Anteile der Strömung der Propellerzuströmung zuzuführen.

Die GB-PS 5 19 329 beschreibt schlingerkielartige, vereinzelt und stückweise im Hinterschiff angeordnete, die Strömung beeinflussende Leitblechkonstruktionen, die nach oben weisen und den Strömungswiderstand erheblich beeinträchtigen. Die GB-5 19 329 zeigt keine Leitblechelemente, die vom Hauptspant bis in Propellernähe reichen, um grenzschichtnahes Wasser dem Propeller zuzuleiten.

Auch die DE-25 22 652 A1 beschreibt nur die gute Anströmung des Propellers im Hinterschiffbereich und keine Anordnung von Leitblechen mit senkrecht zur Rumpfoberfläche durchgehend geschlossenen Stegblechen, vom Hauptspant bis zum Hinterschiff reichend, um ein Abdriften von grenzschichtnahem Wasser durch Querströme zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bei einem Schiff anfallenden Grenzschichtanteil durch weitere Grenzschichtanteile zu erhöhen, um sie dem Propeller zuzuführen und damit eine merklich bessere Energieausnutzung zu erzielen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 oder 4 gelöst.

Der Grundgedanke ist, mit dem "Sammeln" der Grenzschicht schon "weit vorn" am Schiff zu beginnen. Damit unterscheidet sich die Erfindung grundsätzlich von allen bekannten Maßnahmen, die unmittelbar an oder vor dem Propeller ergriffen werden, um auf die Strömung einzuwirken. Dicht vor dem Propeller kann die Grenzschichtmenge nicht mehr vergrößert werden, lediglich läßt sich die Strömung in bestimmter Weise ausrichten. "Weit vorn" bedeutet hier zweckmäßig in der Gegend der Schiffsmitte (Hauptspant), spätestens dort, wo sich das Schiff nach hinten zu wieder zu verjüngen beginnt. Es ist nötig, dort bereits in die Strömung einzugreifen, weil dort die Grenzschicht zu divergieren und in Bereiche abzutreiben beginnt, wo sie für den Propeller nicht mehr nutzbar zu machen ist. Maßnahmen, die weiter hinten ansetzen, hätten allesamt einen hohen Widerstand, weil sie in irgendeiner Weise Hindernisse darstellen, die im Wege der Hauptströmung liegen.

Die neue Idee des Grenzschichteinfangens und -ableitens, wobei möglichst wenig Widerstand erzeugt werden soll, greift auf Hilfsmittel zurück, für die Begriffe noch fehlen und die deshalb mit geläufigen Begriffen umschrieben werden müssen. Das ändert nichts daran, daß die Maßnahmen neu sind und für den vorgesehenen Zweck erstmalig eingesetzt werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Leitbleche und der Abstandshalterung in Form von durchgehend geschlossenen Stegblechen zwischen dem Hauptspantbereich und dem Propellernahbereich erfolgt in technisch vorteilhafter Weise eine auf den Propellerbereich ausgerichtete Wasserführung im Grenzschichtbereich, wodurch ein Auseinanderdriften von Querströmen verhindert wird. Die mit kinetischer Energie angereicherte Grenzschichtströmung wird mittels der erfindungsgemäßen Anordnung in einem erhöhten Anteil der Propellerzuströmung zugeführt, was zu einem bedeutenden Zuwachs an technischem Fortschritt führt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Beispielen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Leistungsdiagramm für den Schiffsantrieb mittels eines Propellers,

Fig. 2 Leitbleche gemäß der Erfindung,

Fig. 3 Stegbleche gemäß der Erfindung.

Fig. 1 enthält alle für die Bewertung des Diagramms erforderlichen Angaben in der üblichen Kurzbezeichnung. Die Fig. 2 und 3 zeigen linksseitig einen Spantriß des Hinterschiffes mit dem Verlauf der Leitbleche a und der Stegbleche b, b′, b′′ und rechts die Querschnittsform eines Hinterschiffsspantes mit einem Leitblech a bzw. einem Stegblech b, b′, b′′. Mit c ist der Abstand der Leitbleche (a) von der Außenhaut bezeichnet, der nach hinten zu im Regelfall größer wird. Das Leitblech a beginnt nahe dem Hauptspant und endet ein Stück vor dem Propeller. Seine Aufgabe ist es, die Grenzschicht dicht an der Schiffsaußenhaut zu halten, so daß der Propeller sie erfassen kann.

Die Stegbleche b, b′, b′′ in Fig. 2 und 3 sind durchgehend geschlossen und verlaufen parallel zu den Stromlinien der Grenzschicht mit einer Krümmung in Richtung zum Propeller und stehen senkrecht auf der Außenhaut der Schiffsoberfläche. Aufgabe der Leitbleche a und der Stegbleche b, b′, b′′ ist es, die Grenzschicht zu bündeln, um sie dem Propeller zuzuführen und eine Querströmung durch Abdriften der Grenzschicht zwischen dem Hauptspant und dem Propellerbereich zu verhindern.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Erhöhung des Propulsionsgütegrades bei propellergetriebenen Schiffen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) Leitbleche (a) parallel zur Schiffsaußenhaut in Abstand (c) von dieser eine Längenerstreckung aus dem Bereich der Hauptspantgegend bis in Propellernähe angeordnet sind,
• b) die Stege Abstandhalter in Form von senkrecht auf der Schiffsaußenhaut stehenden Stegblechen (b) bilden, die in derselben Längenerstreckung wie die Leitbleche (a) eine durchgehend geschlossene Abstützung für die Leitbleche (a) bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (a) und die Stegbleche (b) miteinander eine im Querschnitt T-förmige räumliche Ausgestaltung in derselben Längenerstreckung wie die Leitbleche (a) aus dem Bereich der Hauptspantgegend bis in Propellernähe bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (c) der Leitbleche von der Schiffsaußenhaut von vorn nach hinten zu größer wird.

4. Vorrichtung zur Erhöhung des Propulsionsgütegrades bei propellergetriebenen Schiffen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) Stegbleche (b) an der an der Schiffsaußenhaut angeordnet sind,
• b) die sich aus dem Bereich der Hauptspantgegend bis in Propellernähe erstrecken,
• c) und deren Abstand zueinander sich vom Bereich der Hauptspantgegend in Richtung zum Propeller verringert,
• d) um so die Grenzschicht zu bündeln und dem Propeller zuzuleiten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbleche (b) senkrecht auf der Außenhaut angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbleche (b) entlang dem Verlauf von Stromlinien angeordnet sind.