DE3216578C1

DE3216578C1 - Stroemungsleitflaeche am Heck von Einschraubenschiffen

Info

Publication number: DE3216578C1
Application number: DE19823216578
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof. Dr.-Ing. 5100 Aachen Schneekluth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-05-04
Filing date: 1982-05-04
Publication date: 1983-10-13
Also published as: SE8302038D0; JPS58194691A; FI74675B; FI831512A0; FI74675C; BE905069Q; GB8312024D0; GB2119732A; HK39087A; SE8302038L; FI831512L; JPH0366197B2; GB2119732B; SE455491B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsleitfläche am Heck von Einschraubenschiffen, die ringförmig ausgebildet und schiffsfest im Horizontalabstand bis zu einem Propellerdurchmesser vor dem Propeller angeordnet ist.

Eine Anordnung dieser Art ist aus der US-PS 43 09 172 bekannt, wobei eine Düse kurz vor einem Propeller koaxial oder etwas koaxial mit der Propellerachse angeordnet ist. Hierbei sind relativ große Abmessungen mit einem entsprechenden baulichen Aufwand erforderlich, die auch einen zusätzlichen Düsenreibungswiderstand besitzt. Bei der in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist die Achse der Düse nach hinten ansteigend ausgeführt. In der Fig. 2 bildet die Düse mit der Schiffsaußenhaut Halbschalen. In der DE-PS 8 58 213 sind Leitflächen oberhalb der Propellerachse angeordnet. Es handelt sich jedoch nicht um ringförmige Leitflächen. Weiterhin ist aus der GB-Zeitschrift Motor Ship 1982, April, S. 36, 37 ein um die Propellerwelle etwa sternförmig angeordnetes Leitflächensystem und eine Kombination dieses Leitflächensystems mit einem diese Leitfläche begrenzenden kortdüsenartigen Ring bekannt.

Die Asymmetrie dieses Systems bezieht sich auf die radialen oder etwas radialen Leitflächen wobei die Düse zentralsymmetrisch zur Welle angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird zwar durch die Leitflächen der Vordrall des Propellers berücksichtigt, aber nicht die durch die Schiffsform gegebene Potentialströmungsrichtung die meist nach hinten etwas aufläuft.

Bei Schiffsschraubenpropellern, die meist als Einzelpropeller am Heck angeordnet sind, ist ferner bekannt, daß die Propellerzuströmung entsprechend der Schiffsform nach hinten auflaufend ist und die Propellerströmung somit eine nach oben gerichtete Komponente besitzt, 'nfolge der nach hinten konvergierenden Schiffsform konvergiert dort auch die Strömung zur Mittschiffsebene hin. Weiterhin erzeugt der Propeller nicht nur im Abstrom einen Drall, sondern auch im Bereich davor. Dieses bedeutet für einen von hinten gesehen — rechts drehenden Propeller, daß im oberen Bereich auf der Backbordseite die Aufwärtskomponente der Anströmung noch weiter verstärkt wird. Auf der Backbordseite wirkt die nach oben gerichtete Anströmungskomponente dem Propeller entgegen.

Auf der Backbordseite bewirkt die mit der Propellerdrehung mitlaufende Strömungskomponente eine Entlastung des Propellers. Auf der Steuerbordseite bewirkt die gegenlaufende Strömungskomponente eine zusätzliche Belastung des Propellers. Der Druckmittelpunkt des Propellers liegt bei von hinten gesehen rechts drehenden Propellern auf der rechten Propellerseite.

Die Propelleranströmung ist auch in der Geschwindigkeit durch die dem Propeller zufließende Grenzschicht und durch Ablösungseffekte sehr ungleichförmig. Dieser Effekt ist besonders bei völligen Hinterschiffen in der oberen Propellerhälfte sehr ausgeprägt. Die mittlere Propelleranströmgeschwindigkeit ist bei Einschrauben-Handelsschiffen etwa 20% bis 40% kleiner als die Schiffsgeschwindigkeit. Dieser Nachstrom wirkt sich günstig auf den Leistungsbedarf aus. Ungünstig wirkt sich hingegen die sehr ungleiche Nachstromverteilung auf den Propellerwirkungsgrad aus. Bei üblichen Handelsschiffen kann die Anströmgeschwindigkeit über der Propellerfläche von 95% bis 30% der Schiffsgeschwindigkeit wechseln. Noch größere Differenzen sind bei völligen Tankern anzutreffen.

Zur Vergleichmäßigung der Propelleranströmgeschwindigkeit kann das Hinterschiff entsprechend gestaltet werden. Beispielsweise dienen die sogenannten Heckwülste in erster Linie dieser Aufgabe. Bekannt sind auch annähernd horizontale Strömungsleitflächen vor dem Propeller anzuordnen. Diese Leitflächen bewirken eine mehr axiale Anströmung des Propellers und auch einer Vergleichmäßigung der Anströmgeschwindigkeit. Legt man in diese schräg nach oben verlaufende Strömung eine Tragfläche mit einer Neigung zwischen der Strömungsrichtung und der Horizontalen, dann erfährt diese Tragfläche einen Auftrieb mit einer nach vorn gerichteten Kraftkomponente. Die Strömung hinter der Tragfläche bekommt durch die Tragfläche einen Impuls nach unten und verläuft dann' mehr horizontal. Diese Leitflächen verändern die Strömungsrichtung also in erwünschter Weise und zusätzlich wird die Propelleranströmgeschwindigkeit vergleichmäßigt. Eine solche Tragfläche kann für ein Schiff den Propulsionsgütegrad verbessern, d.h. es kann dadurch die zur Erzielung einer vorgegebenen Geschwindigkeit notwendige Antriebsleistung reduziert oder mit gleicher Antriebsleistung die Geschwindigkeit erhöht werden. Dabei sind folgende Effekte zu unterscheiden:

1. Die Erzeugung einer Vortriebskraft direkt an der Tragfläche. Der zusätzliche Zähigkeitswiderstand der Leitfläche ist gering und kann im Propeller teilweise zurückgewonnen werden.

2. Die Erhöhung des Propellerwirkungsgrades infolge mehr axialer Anströmungsrichtung.

3. Die Erhöhung des Propellerwirkungsgrades infolge einer Vergleichmäßigung der Anströmgeschwindigkeit über die Propellerdiskfläche.

4. Die Strömungsvergleichmäßigung reduziert die Vibrationserregung. Man kann nun diesen Effekt zu einer Reduktion der Vibration am Heck benutzen

oder aber zur Vergrößerung des Propellerdurchmessers verbunden mit einer Verkleinerung des oberen Propellerflügelspitzenabstands von der Gillung. Mit einer Durchmesservergrößerung kann je nach Drehzahl eine weitere Verbesserung des Propellerwirkungsgrades erzielt werden.

Diese Fakten sind weitgehend bekannt. Man hat diesen Gedankengang durch Leitflächen vor dem Propeller beiderseits des Stevens zu verwirklichen versucht. Da derartige Leitflächen einen zusätzlichen baulichen Aufwand bedeuten, sind sie bisher nur selten verwirklicht worden auch wenn dieser Aufwand geringer ist als derjenige, welcher für die eingesparte Antriebsleistung für Investitionen und Betrieb notwen- '⁵ dig gewesen wäre.

Der genannte Effekt ist aber auf beiden Seiten stark unterschiedlich, selbst wenn berücksichtigt wird, daß der Anstellwinkel der Leitflächen für beide Seiten getrennt optimiert wird. Auf der Steuerbordseite kommen beim rechtsdrehenden Propeller zwei Effekte zusammen, die dem Propeller meist eine weitgehend horizontale Zuströmung zuführen, nämlich die Verdrängungsströmung des Schiffskörpers mit einer nach oben gerichteten Strömungskomponente und der Vordrall des Propellers mit einer nach unten gerichteten Komponente. Diese Vertikalkomponenten, die auf der Steuerbordseite gegeneinander gerichtet sind, wirken auf der Backbordseite gleichsinnig, d. h. sie verstärken sich dort. Es ist deshalb zweckmäßig die Anordnung von Leitflächen auf eine Seite zu beschränken. Das ist normalerweise die Seite mit dem in Vorwärtsrichtung aufwärts schlagenden Propellerflügel, d. h. bei rechtsdrehendem Propeller die Backbordseite. Die Leitfläche kann dabei aus einem symmetrischen Profil oder einem unsymmetrischen Profil bestehen, bei dem die Saugseite oben liegt.

Bei starkem Seegang kann die Leitfläche unter Umständen zeitweise aus- und wieder eintauchen. Das Eintauchen ist dann von einem Slamming-Effekt begleitet, der die Konstruktion statisch hoch beansprucht. Zur Vermeidung von derartigen Wasserschlageffekten kann die Tragfläche etwas tiefer als hydrodynamisch optimal angeordnet werden.

Weiterhin ist es bekannt Kortdüsen mit einer ringförmigen Ummantelung des Propellers mit Tragflächenquerschnitt anzuordnen. Diese Kortdüsen erzeugen einen Vortrieb, der die Propellerwirkung unterstützt. Der Vortrieb kommt aber nur bei größeren Propellerbelastungen zustande, sonst überwiegt der Eigenwiderstand der Düse. Derartige Kortdüsen bewirken zugleich eine Vergleichmäßigung der Anströmung in bezug auf Richtung und Geschwindigkeitsverteilung. Werden kortdüsenartige Rohre vor dem Propeller konzentrisch angeordnet, dann erzielt man damit einen Teil der für ummantelte Propeller erreichbaren Vorteile. Bekannt sind vor dem Propeller konzentrisch angeordnete Kortdüsen mit einem Außendurchmesser, der kleiner als der Propellerdurchmesser ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbesserung eines vor einem Propeller angeordneten kortdüsenartigen Tragflächenringes zu schaffen und auf einfache Weise eine Erhöhung des Propulsionsgütegrades zu ermöglichen sowie eine Vergleichmäßigung der Propelleranströmgeschwindigkeit zu gewährleisten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Schwerpunkt einer von der Ringdüse umschlossenen Querschnittsfläche oberhalb der Propellerachse liegt.

Hierdurch wird eine einfache Anordnung geschaffen, mit den in der Aufgabe angestrebten Strömungseffekten, die eine großflächige Befestigung ermöglicht. Auch sind dabei Slamming-Effekte weniger zu befürchten und die auftretenden Wasserschlageffekte durch die vertikale Ausdehnung weniger konzentriert.

Um eine weitere Verbesserung des P'ropulsionsgüte-■ grades zu erzielen, wird vorgeschlagen, daß die Achse der Ringdüse leicht nach hinten auflaufend angeordnet ist. Hierbei wird ein zusätzlicher Vortriebseffekt, wie für tragflächenartige Leitflächen, erzielt. Der optimale Anstellwinkel der Achse ist meist kleiner als der Stromfadenwinkel ohne Düsenring gegen die Horizontale.

Da der optimale Anstellwinkel der Ringdüse auf beiden Schiffsseiten unterschiedlich ist, wird vorgeschlagen, daß die Ringdüse durch Halbschalen mit einer zwischengeschalteten Trennfläche gebildet wird und den Schiffsseiten jeweils eine Halbschale mit verschiedenen Achsrichtungen zugeordnet ist. Der Seitenwinkel der Halbschalenachsen kann zusätzlich zur Erzielung eines Steuermoments genutzt werden, um damit verschiedene Steuerwirkungen des Propellers zu kompensieren. In diesem Fall kann das Ruder zur Geradausfahrt mittschiffs gelegt werden.

Um die Propelleranströmgeschwindigkeit und Richtung noch besser zu vergleichmäßigen, wird vorgeschlagen, daß die Halbschalen mit der Schiffsaußenhaut jeweils einen geschlossenen Ring bilden. Hierdurch wird die Strömung auch seitlich zur Mitte beschleunigt.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung wird dadurch geschaffen, daß nur einseitig an einer Schiffsseite eine als geschlossener Ring ausgebildete Leitfläche angeordnet ist.

Im Gegensatz zu eigentlichen Kortdüsen, die den Propeller umschließen, kann man bei Vordüsen deren Durchmesser frei wählen und die Düsenstrahlquerschnittsfläche so positionieren und so groß gestalten, daß die Vergleichmäßigung der Propelleranströmung möglichst weit geht.

Der Nachstrom ist im oberen Propelleranströmungsbereich und in der Nähe der Mittelschiffsebene besonders stark. Auf diesem Bereich wird auch die Düsenwirkung konzentriert.

In diesem Bereich ist auch die Strömungsablösung infolge großen oder zu großen Anströmwinkels gegen die Schiffslängsachse am stärksten. Hier kann die Düse ein besseres Anliegen der Strömung am Schiffskörper bewirken. Auch ist hier meist der Strömungswinkel gegen die Horizontale besonders groß, d. h. hier ist mit Leitfläche am leichtesten eine Vortriebskomponente bei der Umlenkung der Strömung in eine mehr horizontale Richtung zu erzielen.

Beschränkt man die Größe und Anordnung der Vordüse auf diesen Bereich, dann wird sie auch einen erheblich geringeren Eigenwiderstand als übliche Vordüsen mit einem Innendurchmesser von Propellerdurchmesser haben und auch baulich einfacher darzustellen sein.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht eines Schiffheckteils, F i g. 2 einen Horizontalschnitt gemäß F i g. 1 etwa auf halber Höhe der Ringdüse aus zwei Halbschalen.

Der dargestellte Schiffsheckteil 4 ist mit einem Propeller 5 versehen, der über eine durch ein Stevenrohr 9 geführte Welle angetrieben wird. Dem

Propeller 5 ist ein Ruder 6 nachgeschaltet und eine Ringdüse vorgeschaltet, die aus Halbschalen 1, 2 besteht, die durch eine Trennfläche 3 getrennt werden können. Der Schwerpunkt der so umschlossenen Querschnittsfläche liegt dabei oberhalb der Propellerachse 7. Die Achsen 8 der Halbschalen 1,2 können dabei unterschiedliche Achsrichtungen einnehmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strömungsleitfläche am Heck, von Einschraubenschiffen, die ringförmig ausgebildet und schiffsfest im Horizontalabstand bis zu einem Propellerdurchmesser vor dem Propeller angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt einer von der Ringdüse (1, 2) umschlossenen Querschnittsfläche oberhalb der Propellerachse (7) liegt. ίο

2. Strömungsleitfläche nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (8) der Ringdüse (1, 2) leicht nach hinten auflaufend angeordnet ist.

3. Strömungsleitfläche nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüse durch |₅ Halbschalen (1, 2) mit einer zwischengeschalteten Trennfläche (3) gebildet wird und den Schiffsseiten jeweils eine Halbschale (1 bzw. 2) mit verschiedenen Achsrichtungen zugeordnet ist.

4. Strömungsleitfläche nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschale (1, 2) mit der Schiffsaußenhaut jeweils einen geschlossenen Ring bilden.

5. Strömungsleitfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur einseitig an einer Schiffsseite eine als geschlossener Ring ausgebildete Leitfläche angeordnet ist.