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Schiffsantriebspropeller
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Es ist bekannt (US-PS 2 058 361), auf der Sogseite eines Propellers
durch oeffnungen Luft austreten zu lassen, welche das Vakuum ausgleichen sollen.
Diese Anordnungen haben aber gegenüber einem normalen Propeller keine wesentliche
Erhöhung des Wirkungsgrades erbracht. Ferner ist die Herstellung aufwendig, und
sie sind für erhöhte Drehzahlen nicht geeignet.
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Der Gedanke der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die Druckseite
der Propellerflügel immer mit Wasser beaufschlagt wird, daß dagegen auf der Sogseite
naturgemäß durch den erforderlich größeren Anstellwinkel ein Vakuum erzeugt wird,
welches hinter dem sich drehenden Propellerflügel herläuft.
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Weil der Sog sich nicht in der Richtung des fahrenden Schiffes bewegt,
sondern quer dazu in der Richtung des sich drehenden Propellers, wird die meiste
Kraft, welche dort ange-
wendet wird, nicht zur Vorwärtsbewegung
des Schiffes benutzt, sondern zum Verquirlen des Wasserstromes vergeudet.
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Die hier vergeudete Kraft beträgt meist mehr als 1/3 der aufgebrachten
Leistung. Das heißt, kann die Verquirlung des Wassers hier verringert werden, würde
dies gleichzeitig eine entsprechende Erhöhung der Wirtschaftlichkeit bedeuten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad des Propellers
wesentlich zu erhöhen und einen mit Luft gemischten Wasserstrom zu erzeugen, der
keinen bzw. nur sehr geringen Verlust durch Verquirlung des Propellerstromes aufweist.
Weiterhin soll die Drehgeschwindigkeit wesentlich erhöht werden.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 gelöst.
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Die hinter dem Propellerflügel ausströmende Luft verhindert nicht
nur ein Vakuum und damit die Gefahr einer Kavitation, sondern es wird auch die Verquirlung
des Wassers im Propeller um ca. 50% verringert und somit die Leistung um ca. 20%
heraufgesetzt. Das Beharrungsvermögen des Wassers wird genutzt, damit die Druckseite
nicht schon eine zu starke Verquirlung einleitet, und es wird eine größere Propellergeschwindigkeit
als bisher erreicht. Eine Einschnürung des Wasserstromes hinter dem Propeller wird
vermieden.
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Weiterhin werden gemäß der Erfindung wesentlich schmälere Propeller
verwendet als dies beim herkömmlichen Propeller üblich ist.
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Bei einfachster Bauart wird die Luftzuführung zum Propeller dadurch
unterstützt oder erst erreicht, daß die Flügel durch den koaxialen Mantel oder Ring
hindurchreichen, an einer
inneren Propellerwelle oder -nabe befestigt
sind und mit diesen inneren Bereichen Luft für die Luftaustrittsöffnungen ansaugen.
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Eine strömungsgünstige Luftzuführung wird dadurch geschaffen, daß
die Luftaustrittsöffnungen mit einem Bereich des Öffnungsrandes an die Flügelrückseite
angrenzen Dabei kann für jeden Flügel nur eine Luftaustrittsöffnung im Mantel oder
Ring vorgesehen sein.
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Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß der Propeller Teil einer strömungsgünstigen
Antriebseinheit ist, die nahe dem Schiffsrumpf außen befestigt ist.
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Durch die beschriebene Antriebseinheit ist es möglich, ohne Unterstützung
eines Gebläses eine ausreichende Menge Luft in die verschiedenen öffnungen, welche
sich vor, im und hinter dem Propeller befinden können, einzubringen, um erstens
die Sogseite der Propellerflügel mit Luft zu versorgen und zweitens eine Einschnürung
des Propellerstromes hinter dem Propeller weitgehend zu vermeiden, damit ein zylinderförmiger
Druckaufbau im abströmenden Wasser erreicht wird.
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Durch die vorne angeordneten Propeller wird nicht nur eine Wassermulde
am Heck und ein Wasserberg am Bug verhindert, sondern sie erzeugen auch eine Wassermulde
am Bug, in die das Schiff hineinläuft. Es wird also eine Art Talfahrt erzeugt. Dabei
kann dafür gesorgt werden, daß das ausgestoßen Wasser unter das Hinterschiff gebracht
wird, so daß die Talfahrt noch verstärkt wird. Eine noch größere Verstärkung der
Talfahrt wird dadurch erzeugt, daß mit dem ausgestoßenen Wasser Luft vom Propeller
abgegeben
wird, die in der ausgestoßenen Wassersäule enthalten ist
und unter den Schiffsrumpf,insbesondere das Hinterschiff, gelangt, um dort einen
Auftrieb gleich einem Luftkissen zu erzeugen. Dies verbessert weiter die Lage des
Schiffes im Wasser.
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Die von den Schiffspropellern ausgestoßene Luft gelangt in Form von
Luftblaschen an die Rumpfaußenwandung, um dort eine Luftansammlung, insbesondere
einen Luftfilm zu erzeugen, der die Reibung zwischen dem Wasser und der Wandung
verringert.
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Die außermittig angeordneten Propeller sollten schräg zur Schiffsmitte
hin gerichtet sein, wodurch die mit Luft vermischten säulenförmigen Wassermengen
mit Sicherheit unter die Rumpfmitte gelangen und nicht frühzeitig seitlich entweichen
und damit auch unter den hinteren Bereich des Rumpfes fließen. Dies führt zu einer
optimalen Nutzung der unter den Schiffs rumpf gebrachten Luftmengen und damit zu
einem optimalen Auftrieb und geringster Reibung.
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Eine optimale Ausrichtung der außermittigen Propeller auch noch nach
Erstellung des Schiffes und insbesondere entsprechend unterschiedlicher Schiffsgeschwindigkeiten
wird dadurch erreicht, daß die außermittig angeordneten Propeller um eine etwa senkrechte
Achse drehverstellbar sind.
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Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß auf beiden Seiten des Schiffes
parallel zur Schiffslängsachse Wände in das Wasser reichen, die einen nach vorn,
hinten und unten offenen Kanal unterhalb des Schiffsrumpfes bilden, durch den das
von den Propellern verdrängte Wasser strömt. Hierdurch wird ein Ausweichen der Luft
bzw. des Luftkissens
und des Luftfilms zu den Seiten verhindert,
und ferner werden die unter dem Schiffsboden vorstehenden Propeller vor Grundberührung
geschützt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dann gegeben, wenn
der Propeller auf der Druckseite zentrale Luftaustrittsöffnungen aufweist. Hierdurch
kann eine sehr große Luftmenge in das abgedrückte Wasser eingegeben werden, wobei
der Propeller die Luft ansaugt. Durch das zentrale Einbringen der Luft bleibt die
Luft relativ lange in dem rohrförmigen Wasserstrahl als rohrförmiger Luftstrahl
erhalten und kann damit an eine günstige Stelle des Schiffsrumpfes, insbesondere
des Hinterschiffes gelangen, so daß dort gleich einem Luftkissen ein Auftrieb erzeugt
wird.
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Vorzugsweise wird dabei die mittlere Luftaustrittsöffnung am hinteren
Ende der Propellernabe oder -welle angeordnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Propeller mit vier Flügeln in Vorderansicht,
Fig. 2 den Propeller nach Fig. 1 in Seitenansicht, Fig. 3 den Schiffsbug mit der
Antriebseinheit in Seitenansicht, Fig. 4 den Propeller schräg von hinten, Fig. 5
die Abwicklung des Mantelringes, Fig. 6 den Propeller schräg von vorne,
Fig.
7 die Umlenkung des Wassers bei einem Propellerflügel ohne Luftzuführung, Fig. 8
den Fluß des Wassers bei einem Propellerflügel mit Luftzuführung, Fig. 9 die Verwirbelung
des Wassers bei einem Propeller ohne Luftzuführung, Fig. 10 den Fluß des Wassers
bei einem Propeller mit Luftzuführung, Fig. 11 einen waagerechten Schnitt durch
die Antriebseinheit, Fig. 12 eine Seitenansicht eines Schiffsrumpfes mit am Bug
befestigten Propellern, Fig. 13 eine Vorderansicht des Rumpfes nach Fig. 12, Fig.
14 eine Unteransicht des Rumpfes nach Fig. 12 und 13, Fig. 15 eine Seitenansicht
eines vorderen Teils eines Schiffsrumpfes mit drei Propellern, Fig. 16 eine Vorderansicht
des Rumpfes nach Fig. 15, Fig. 17 eine Unteransicht des Rumpfes nach Fig. 15 und
16, Fig. 18 eine Seitenansicht des Bugs eines Schiffes im Ausschnitt,
Fig.
19 eine schematische Darstellung der vom Propeller abgegebenen Wassersäule im Schnitt
nach IX-IX in Fig.18 in einem kleineren Maßstab, Fig. 20 eine Sicht auf die Saugseite
eines Propellers, Fig. 21 eine Seitenansicht des Propellers nach Fig.20, Fig. 22
einen Schnitt nach XII-XII in Fig. 20, Fig. 23 einen Schnitt nach XIII-XIII in Fig.
20, und Fig. 24 einen Ausschnitt aus Fig. 21, einen einzigen Flügel darstellend.
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Der Propeller hat im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 vier Flügel
1, die an einer Nabe 2 unter dem Anstellwinkel va befestigt und die durch einen
koaxialen Mantelring 3 ausgesteift sind. Der Mantelring 3 bildet zur Nabe 2 einen
ringförmigen Abstandsraum 3a. Die Flügel sind um den verdrallt und an den St-irnseiten
um den 4?~ angepfeilt. Die Flügel reichen durch den Mantelring 3 hindurch und sind
mit ihren inneren Enden an der Propellernabe 2 befestigt. Die Flügelbereiche la
zwischen Nabe 2 und Ring 3 saugen durch den Abstandsraum 3a Luft an, da der Abstandsraum
mit Luftzuführungskanälen verbunden ist. In dem Mantelring 3, an der Rückseite der
Flügel, sind dreieckförmige Luftaustrittsöffnungen 4 ausgeschnitten, von denen ein
Öffnungsrandbereich an die Flügelrückseite angrenzt. Die Flügel 1 können dabei durch
die Öffnungen 4 hindurchgesteckt sein.
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Die Nabe 2 hat eine kegelförmige Bohrung 5 zur Befestigung auf der
Antriebswelle 6. Die Antriebswelle 6 ist in den
Lagern 7 und 8
gelagert und wird über ein Kegelradgetriebe 9 von einer schräg verlaufenden Antriebswelle
25 angetrieben. Die Lager 7 und 8 sind in einem Verbindungskasten 10 angebracht,
der unterhalb des Schiffsbugs 11 befestigt ist. Der Propeller dreht in Pfeilrichtung
D und treibt das Schiff in Fahrtrichtung C vorwärts.
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Das Wasser 20 (dargestellt als Linien) wird durch die in Richtung
D umlaufenden Propellerflügel abgeschnitten und in Pfeilrichtung E durch die Propellervorderseite
21 beschleunigt. Auf der Propellerrückseite 22 entsteht ein starker Sog, weil das
Wasser nicht so schnell nachströmen kann, es entsteht ein Vakuum 23. Dieses Vakuum
23 führt zu einer Umlenkung des aus der Fahrtrichtung anströmenden Wassers, und
durch das Vakuum wird das beschleunigte Wasser ebenfalls aus der Fahrtrichtung schräg
umgelenkt, was durch die Rotation einer spiralförmigen Verdrallung entspricht. Die
Vakuumbildung wird dadurch verhindert, daß durch die Öffnungen 4 das Vakuum 23 durch
Luft 24 aufgefüllt wird, hierdurch wird kein Sog auf das Wasser ausgeführt, und
es bleibt bei einer geraden Anströmung des Propellers, ebenfalls erfährt das beschleunigte
Wasser keine Umlenkung. Hierdurch wird die volle Antriebsleistung zur Vorwärtsbewegung
ausgenutzt.
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Im Schiffsbug des Schiffsrumpfes 102 befinden sich Luftzuführungsröhren
12 und 13. Die Röhre 12 mündet in einer strömungsgünstigen, insbesondere torpedoförmigen,
unterhalb des Rumpfes vorne befestigten Antriebseinheit U mit einem vorderen, senkrechten,
den Querschnitt einer Linse aufweisenden Hohlkörper 14 als Träger, an dessen Ende
sich ein kegelförmiger Hohlkörper 15 mit waagerechter Achse anschließt. Die Luft
strömt aus dem Hohlkörper 14
über die Öffnung 16 in den Hohlkörper
15. über den Ringspalt 17 zwischen Hohlkörper 15 und Ring 3 kann eine bestimmte
Menge Luft austreten. Die meiste Luft wird über die Flügelbereiche 1a, die sich
zwischen der Nabe 2 und dem Nabenring 3 befinden, durch die dreieckförmigen Öffnungen
4 auf die Sogseite des Propellers geleitet, wo sie dann von dem Druckwasser mitgerissen
wird. An dem Mantelring 3 schließt eine zylindrische Umkleidung 6a an, die die Antriebswelle
6 und die Lager 7, 8 koaxial umgibt und einen etwas kleineren Durchmesser aufweist
als der Mantelring 3. Zwischen 3 und 6a besteht hierdurch ein Ringspalt 17a, durch
den Luft austritt, die außen an der Umkleidung 6a entlangströmt.
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Die Röhre 13 mündet in einem im wesentlichen rechteckigen Hohlkörper
18, der nach hinten und vorne offen ist und unten halbrundförmig geschlossen ist.
Durch die Saugwirkung des Wassers wird über die Öffnung 19 aus dem Hohlkörper 18
und der Röhre 13 Luft gesaugt, die sich dann mit dem Wasser mischt.
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In den Ausführungsbeispielen ab Fig. 12 sind am Bug 101 eines Rumpfes
102 zwei oder mehr Propeller 104 oder Antriebseinheiten an der Unterseite befestigt,
wobei der Rumpf in seiner Form nicht oder nur wenig von üblichen Schiffsrümpfen
abweicht und die Propellerachse in einer senkrechten Ebene einen Winkel & von
0 bis 200 mit der Waagerechten, vorzugsweise $ = ca. 100, bildet. In einer waagerechten
Ebene ist die Propellerachse bei einem mittigen Propeller in Längsrichtung des Schiffes
ausgerichtet, wogegen seitlich versetzte Propeller einen Winkel von ß = 2 bis 100,
vorzugsweise ca. 50, mit der senkrechten Schiffslängsebene E bilden. Zur Veränderung
des Winkels
können die seitlichen Propeller 104 an eine senkrechte
oder entsprechend 6 aus der senkrechten, schräggestellten Achse drehverstellbar
sein, um die Luft/Wassersäule optimal auszurichten. Während beim Ausführungsbeispiel
nach den Fig. 13 bis 14 nur zwei Propeller 104 angeordnet sind, die beide außerhalb
der Mitte liegen, sind nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 bis 17 drei Propeller
am Bug befestigt, von denen nur die zwei äußeren einen Winkel mit der senkrechten
Schiffslängsebene E bilden. Die äußeren Propeller 104 sorgen durch ihre Schrägstellung
dafür, daß die Luft/Wassersäulen zur Rumpfmitte gelangen, so daß die' Luft nicht
vorzeitig seitlich entweicht und dabei auch genügend Luft zum Heck 105 des Schiffes
gelangt.
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Dies kann auch darüber hinaus dadurch gefördert werden, daß der Schiffsrumpf
zwei zur Schiffs längsachse parallele seitliche Wände (Kufen) 106 besitzt, die unterhalb
des Schiffes einen Kanal 106a bilden, der vorne und hinten als auch nach unten hin
offen ist. In diesem Kanal sind die Propeller 104 angeordnet, wobei die Wände nach
unten hin tiefer vorstehen als die Propeller.
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Die Nabe 107 bzw. die rohrförmige Propellerwelle weist auf der Propellerdruckseite
D eine zentrale Luftaustrittsöffnung 108 auf, deren Durchmesser etwa 1/3 des Propellerdurchmessers
beträgt. Die aus dieser Öffnung 108 durch den Propellersog austretende Luft bildet
in der vom Propeller abgedrückten Wassersäule 109 eine mittlere Luftsäule 110 (Fig.
18), die noch weit hinter dem Propeller erhalten bleibt und Luft dem mittleren hinteren
Rumpfbereich zuführt. Der Propellernabe 107 wird die Luft über die Propellerantriebswelle
und ein Luftzuführungsrohr 111 zugebracht.
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Um dem im Querschnitt ringförmigen äußeren Bereich der vom
Propeller
abgedrückten Luft/Wassersäule Luft zuzuführen, sind die Propellerflügel 112 von
zwei Wandungen 112a aus Blech, insbesondere Stahlblech, gebildet, die bogenförmig
ausgeführt sind und die an der vorderen Anströmkante 113 im Querschnitt V-förmig
miteinander verbunden sind und an der gegenüberliegenden Hinterkante (Abströmkante)
114 auf der Saugseite S einen Spalt 115 bilden, der bis zur Peripherie des Flügels
und bis zur Hinterkante reicht, und aus dem Luft austritt. Der Spalt 115-öffnet
somit den Hohlraum 116 des Flügels 112, wobei der Hohlraum 116 über Öffnungen 117
in der Nabenseitenwand mit der Luftzuführung verbunden ist. Die Öffnungen 117 weisen
unterschiedliche Größen auf, entsprechend der zunehmenden Dicke des Flügelprofils
von der Flügelvorderkante 113 aus zur Hinterkante 114 hin.
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Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Schiffsantriebspropeller
mit Flügeln, zu deren Sog- bzw. Rückseite Luft geführt wird.
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Die Luftaustrittsöffnungen sind zwischen den Flügelfüßen nahe den
Flügelrückseiten in dem zylindrischen Mantel der Propellernabe oder eines zur Propellerachse
koaxialen Ringes angeordnet.
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Figur 2
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