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geführt ist.
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Beschreibung Die Erfindung betrifft einen verbesserten Schiffsantrieb,
der bei vorgegebener Antriebsleistung eine gesteigerte Schubkraft für das Schiff
oder bei vorgegebener Schubkraft eine Reduktion des Treibstoffverbrauches erbringt.
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Es ist bereits ein Schiffsantrieb bekannt geworden, bei dem hinter
dem auf der horizontalen Welle befestigten eigentlichen Propeller ein zweiter, frei
rotierender Propeller angeordnet ist, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser
des ersten Propellers. Die Innenteile der Flügel des zweiten Propellers werden von
den abströmenden Wassermassen des ersten Propellers angetrieben. Die Außenteile
der Flügel des zweiten Propellers erfassen eine zusätzliche Wassermasse und berchleunigen
diese nach rückwärts.
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Die gesamte Schubsteigerung durch Einsatz des zweiten Propellers
beträgt - je nach Betriebszustand des Schiffes - fünf bis zwölf Prozent des ursprünglichen
Schubes.
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Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist es, daß an den Flügelspitzen
des ersten Propellers erhebliche Umtrömungsverluste auftreten und daß die Grenzen
zwischen den Innen- und Außenzonen des zweiten Propellers nicht klar definiert sind,
wodurch der Gewinn an zusätzlichem Schub begrenzt wird.
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Um einen weiteren Gewinn an zusätzlicher Schubkraft durch die Vermeidung
vorstehend genannter Nachteile bzw. eine weitere Reduktion des Treibstoffverbrauches
zu erreichen, wird ein verbesserter Schiffsantrieb vorgeschlagen, der aus einem
außerhalb des Schiffsrumpfes an einer horizontalen Welle befestigten primären Propeller
mit starren oder schwenkbaren Flügeln besteht, der in seiner axialen Erstreckung
ganz oder teilweise von einem starren Düsenring umgeben i;t, und der erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet ist, daß hinter dem primären Propeller und hinter dem starren
Düsenring ein sekundäres Schubrad angeordnet ist, von dessen Nabe die außen von
einem Trennring umschlossenen Schaufeln einer Wasserturbine abstehen, und daß der
Trennring an seiner Außenfläche mehrere Flügel eines sekundären Propellers trägt.
Dabei erfolgt der Antrieb des primären Propellers bzw. seiner Welle entweder durch
eine im Schiffsrumpf angeordne-+e Kraftmaschine (Verbrennungsmotor, Dampfturbine,
Gasturbine, Elektromotor, Hydraulikmotor) oder durch einen außerhalb des Schiffsrumpfes
befindlichen Unterwasser-Elektromotor oder Unterwasser-Hydraulikmotor.
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Durch diese neue Ausbildung des Schiffsantriebes werden die Umströmungsverluste
an den Flügelenden des primären Propellers vermieden und das sekundäre Schubrad
wird durch den Trennring in eine innere Wasserturbine mit genau definierter Durchströmung
und in die außen befindlichen Flügel des sekundären Propellers - mit ebenfalls exakt
definierter Durchströmung - unterteilt. Dies vermindert die Strömungsverluste im
Schubrad und bringt eine weitere Steigerung der zusätzlichen Schubkraft bzw. eine
zusätzliche Reduktion des Treibstoffverbrauches. Auch kann sich zwischen den Flügelaustrittskanten
des primären Propellers und den Schaufeleintrittskanten der Wasserturbine ein Wasserbereich
mit geringem Überdruck (o,2'-o,5 m Wassersäule) aufbauen, der eine vergrößerte Antriebsleistung
für den sekundären Propeller ergibt, was bei des-
sen großem Durchmesser einen besonderen
Gewinn an zusätzlicher Schubkraft bringt.
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Eine verlustarme Strömung zwischen dem primären Propeller und der
nachgeschalteten Wasserturbine wird auch dadurch erreicht, daß der lichte Durchmesser
des Trennringes mit dem lichten Durchmesser des starren Düsenringes der Größe nach
übereinstimmt oder ungefährt übereinstimmt.
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Auch ist zur Verringerung von Wasserverlusten zwischen dem starren
Düsenring und dem rotierenden Trennring eine kreisförmige Drosselstrecke ausgebildet.
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Es kann durch die spezielle Ausbildung des Schubrades die Zahl der
Wasserturbinenschaufeln und die Zahl der Flügel des sekundären Propellers unabhängig
voneinander und den jeweiligen Anforderungen entsprechend gewählt werden. Meist
wird die Zahl der Wasserturbinenschaufeln größer als die Zahl der Flügel des sekundären
Propellers sein.
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Bei kleineren Antrieben können die Flügel des sekundären Propellers
mit dem Trennring als ein Stück gegossen sein. Bei größeren Antrieben können die
Flügel des sekundären Propellers mit dem Trennring auch lösbar verbunden sein.
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Die Zahl der Flügel des sekundären Propellers wird meist zwischen
zwei und sechs betragen.
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Die Flügel des sekundären Propellers zweigen - im axialen Riß - mit
ihren Eintrittskanten von der Außenfläche des Trennringes unter einem spitzen Winkel
a ab.
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Auch sind die Eintrittskanten der sekundären Flügel -in Drehrichtung
des Schubrades gesehen - nach rückwärts gekrümmt. Dadurch werden im Wasser schwimmende
Festkörper (z.B. Treibholz) vom sekundären Propeller nach außen abgedrängt.
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Das aus der Wasserturbine, dem Trennring und den Flügeln des sekundären
Propellers bestehende sekundäre Schubrad ist auf der Welle des primären Propellers
drehbar in der Weise gelagert, daß sein Axialschub auf die Welle übertragen wird.
Während der Fahrt des Schiffes stellt sich für das Schubrad eine "freie" Drehzahl
ein, die durch das Gleichgewicht zwischen antreibendem und widerstehendem Drehmoment
bestimmt ist. Diese Drehzahl des Schubrades liegt erheblich unter der Drehzahl des
primären Propellers, wodurch - in Verbindung mit dem größeren Durchmesser des sekundären
Propellers - eine erhebliche zusätzliche Schubkraft erzeugt werden kann.
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Wenn der primäre Propeller schwenkbare Flügel aufweist - was für
die Erreichung optimaler Antriebsverhältnisse bei unterschiedlichen Schiffsgeschwindigkeit
erforderlich ist - so ist der vordere Bereich der schwenkbaren Flügel vom starren
Düsenring und der hintere Bereich der schwenkbaren Flügel vom rotierenden Trennring
umschlossen. Dabei sind die Innenfläche des starren Düsenringes und die Innenfläche
des Trennringes im Bereich der schwenkbaren Flügel als Teile einer Kugelfläche gestaltet,
die die schwenkbaren Flügel mit kleinstmöglichem Spalt umschließen. Dadurch werden
Strömungsverluste am Verstellpropeller weitgehend vermieden.
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Um die Zuströmverhältnisse zum primären Propeller zu verbessern -
d.h. um die durch Siebe abgedeckte Zuströmquerschnitte zu vergrößern - ist außerhalb
des Schiffsrumpfes vor dem primären Propeller ein Wellenlager angeordnet, das sich
über - vorzugsweise drei - Streben auf den starren Düsenring bzw. auf dessen Träger
oder am Schiffsrumpf abstützt. Der starre Düsenring ist über mehrere Träger am Schiffsrumpf
befestigt.
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Durch diese Ausführung wird ein ruhiger Wellenlauf auch bei größerer
Auskragung des primären Propellers erreicht.
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Bei einer speziellen Ausführung des verbesserten Schiffsantriebes,
der keinen sekundären Propeller mit großem Durchmesser aufweist und daher besonders
für Flachwasserfahrzeuge geeignet ist, hat der auf der horizontalen Welle befestigte
Propeller schwenkbare Flügel und ist von einem starren Düsenring umgeben. Dieser
Düsenring besteht aus wenigstens zwei ringförmigen Teilen, deren Verbindungsfläche(n)
sich im Bereich der Propellerflügel befindet bzw. befinden.
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Diese Ausführung ermöglicht es, daß die Innenfläche des vorderen
Teiles des Düsenringes und die Innenfläche des hinteren Teiles des Düsenringes im
Bereich der schwenkbaren Flügel des Propellers als Teile einer Kugelfläche gestaltet
sind, die die schwenkbaren Flügel mit kleinstmöglichem Spalt umschließen. Dadurch
werden Umströmungsverluste an den Propel Im hinteren Teil des Düsenringes ist in
an sich bekannter Art ein Leitapparat für die Beeinflussung des aus dem Verstellpropeller
austretenden Flüssigkeitsstromes angeordnet, durch den die Umfangskomponenten des
strömenden Wassers in zusätzlichen Schub verwandelt werden.
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Die Schaufelprofile des Leitapparates weisen eintrittsseitige Krümmungsradien
R auf, die wenigstens 10% der jeweiligen axialen Profiltiefe T ausmachen.
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Durch diese Ausbildung der Schaufelprofile wird auch bei deren veränderlichen
Anströmung - wie sie bei unterschiedlichen Schiffsgeschwindigkeiten und unterschiedlichen
Antriebsleistungen auftritt - eine gute Wirkung des Leitapparates erreicht.
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Auch bei dieser speziellen Ausführung des Schiffsantriebes ist außerhalb
des Schiffsrumpfes vor dem Düsenring ein Wellenlager angeordnet, das sich über drei
Streben auf den vorderen Teil des Düsenringes bzw. auf dessen Träger oder auf den
Schiffsrumpf abstützt. Dadurch wird auch hier ein ausreichender Ansaugequerschnitt
bei gleichzeitig ruhigem Lauf der Welle erreicht.
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Die Verstellung der schwenkbaren Propellerflügel kann in vorteilhafter
Weise auf hydraulischem Wege erfolgen. Hierzu wird wenigstens eine Verbindungsleitung
für das Fluid auf der dem Schiffsrumpf abgewandten Seite koaxial zur Wellenachse
in die Nabe des Propellers eingeführt. Durch diese Lösung ist auch eine nachträgliche
Ausrüstung von Schiffen mit ummantelten Verstellpropellern mit geringem Aufwand
möglich.
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Um das Einsaugen von Treibholz in die Propeller zu verhindern, sind
bei allen Ausführungsvarianten des Vorschlages die Zuströmquerschnitte vor den starren
Düsenringen in an sich bekannter Weise durch Siebe abgedeckt.
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Erfolgt der Antrieb des (primären) Propellers bzw.
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dessen Welle durch einen außerhalb des Schiffsrumpfes befindlichen
Unterwasser-Elektromotor oder Unterwasser-Hydraulikmotor, so kann der Schiffsantrieb
in an sich bekannter Weise auch um eine vertikale Achse schwenkbar oder drehbar
ausgeführt sein, wodurch eine hohe Manövrierfähigkeit des Schiffes erreicht wird.
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Wird ein neues Schiff mit einem ummantelten primären Propeller und
diesem nachgeschalteten Schubrad ausgerüstet, so kann die Drehzahl des primären
Propellers erheblich höher gewählt werden als bei Anwendung einer konventionellen
Schiffsschraube. Dadurch ist es - zusätzlich zur Reduktion des Treibstoffverbrauches
- möglich, erheblich an Gewicht und Raumbedarf der
antreibenden Kraftmaschine zu
sparen.
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Durch den verbesserten Schiffsantrieb kann - bei vorgegebener Antriebsleistung
und abhängig von den jeweils herrschenden Betriebsbedingungen - eine Steigerung
der Schubkraft zwischen 10 und 20% bzw.
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- bei vorgegebener Schubkraft - eine entsprechende Reduktion des
Treibstoffverbrauches erwartet werden.
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In den Zeichnungen sind vier Ausführungsvarianten des Vorschlages
beispielhaft dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch die
erste Ausführungsform (nach der Linie A-B in Fig. 2), bei der ein ummantelter, primärer
Propeller mit starren Flügeln und nachgeschaltetem Schubrad am Schiffsheck angeordnet
und durch eine Kraftmaschine im Schiffsrumpf angetrieben ist.
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Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt durch die erste Ausführungsform
nach der Linie C-Din Fig. 1.
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Fig. 3 einen vertikalen Längsschnitt durch die zweite Ausführungsform,
bei der ein ummantelter primärer Propeller mit schwenkbaren Flügeln (Verstellpropeller)
und nachgeschaltetem Schubrad am Schiffsheck angeordnet ist.
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Fig. 4 einen vertikalen Längsschnitt durch eine dritte, um eine vertikale
Achse drehbare Ausführungsform, bei der ein ummantelter, primärer Verstellpropeller
mit nachgeschaltetem Schubrad von einem Unterwasser-Elektromotor bzw. einem Unterwasser-Hydraulikmotor
angetrieben ist.
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Fig. 5 einen vertikalen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform,
bei der ein primärer Verstellpropeller mit nachgeschaltetem Leitapparat von einem
aus zwei ringförmigen Teilen bestehenden Düsenring ummantelt und am Schiffsheck
angeordnet ist.
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Fig. 6 einen Zylinderschnitt durch die Schaufeln des Leitapparates
der vierten Ausführungsform nach der Linie E-Fin Fig. 5.
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Bei der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform
des Vorschlages ist aus dem Schiffsheck 1 die Welle 2 hinausgeführt, auf der der
primäre Propeller 3 mit starren Flügeln 3' aufgekeilt ist.
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Der primäre Propeller 3 ist von einem starren Düsenring 4 umgeben,
der sich über Träger 5 auf das Schiffsheck 1 abstützt. Zwischen den Positionen 3'
und 4 ist ein kleiner radialer Spalt vorhanden.
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Hinter dem primären Propeller 3 und hinter dem starren Düsenring
4 ist ein sekundäres Schubrad 6 angeord net, das auf der Welle 2 drehbar gelagert
ist und das seinen Schub auf die Welle 2 überträgt.
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Von der Nabe 6a des Schubrades 6 stehen radial die acht Schaufeln
6b der Wasserturbine 6b' ab, die außen von dem Trennring 6c umgeben sind. Der Trennring
6c trägt an seiner Außenfläche vier Flügel 6d des sekundären Propellers 6?.
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Der lichte Durchmesser D2 des Trennringes 6c stimmt mit dem lichten
Durchmesser D1 des starren Düsenringes 4 der Größe nach überein.
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Zwischen dem starren Düsenring 4 und dem rotierenden Trennring 6c
ist eine kreisförmige Drosselstrecke 7 ausgebildet.
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Die vier Flügel 6d des sekundären Propellers 6? sind außen an dem
Trennring 6c angegossen. Diese Flügel 6d zweigen - im axnormalen Riß Fig. 2 - mit
ihren Eintrittskanten 6d" von der Außenfläche des Trennringes 6c unter einem spitzen
Winkel a ab. Die Eintrittskanten 6dX der sekundären Flügel 6d sind - in Drehrichtung
des Schubrades 6 gesehen - nach rückwärts gekrümmt.
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Während der Fahrt des Schiffes wird die Wasserturbine 6b' vom Drall
des aus dem primären Propeller 3
austretenden Wasserstrahles angetrieben
und erzeugt über die Flügel 6d des sekundären Propellers 6d einen zusätzlichen Schub.
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Ein weiterer Antrieb der Wasserturbine 6b' ist durch einen wasserseitigen
Überdruck möglich, der sich zwischen dem primären Propeller 3 und den Schaufeln
6b der Wasserturbine 6b' ausbilden kann.
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Die "freie" Drehzahl des Schubrades 6 ist kleiner als die Drehzahl
des primären Propellers 3.
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Durch den großen Durchmesser des sekundären Propellers 6d wird eine
große zusätzliche Wassermenge erfaßt und nach rückwärts beschleunigt. Dies ergibt
einen erheblichen Zusatzschub.
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Außerhalb des Schiffshecks 1 ist vor dem primären Propeller 3 zur
Verbesserung der Laufruhe der Welle 2 ein Wellenlager 8 angeordnet, das sich über
drei Streben 9 auf den starren Düsenring 4 abstützt. (Das Lager 8 kann sich gegebenenfalls
auch auf das Schiffsheck 1 oder auf die Träger 5 des Düsenringes 4 abstützen).
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Die Zuströmquerschnitte des Wassers zwischen den Trägern 5 sind durch
Siebe 10 abgedeckt, um ein Eindringen von Treibholz in den primären Propeller 3
bzw.
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in die Wasserturbine 6b' zu verhindern.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform des Vorschlages
besitzt der primäre Propeller 3x schwenkbare Flügel 3", um die Wasserförderung der
Schiffsgeschwindigkeit optimal anpassen zu können.
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Die stirnseitigen Begrenzungsflächen der schwenkbaren Flügel 3" sind
dabei als Teile einer Kugelfläche ausgebildet.
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Der vordere Bereich der schwenkbaren Flügel 3" des primären Propellers
3x ist vom starren Düsenring 4 und der hintere Bereich der schwenkbaren Flügel 3"
vom rotierenden Trennring 6c umschlossen. Die Innenfläche des starren Düsenringes
4 und die Innenfläche des rotierenden Trennringes 6c sind im Bereich der schwenkbaren
Flügel 3" des primären Propellers 3x als Teile einer Kugelfläche (mit dem Durchmesser
DK) gestaltet, die die schwenkbaren Flügel 3" mit kleinstmöglichem Spalt umschließen
und so Umströmungsverluste vermeiden.
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Die Flügel 6d des sekundären Propellers 6? sind hier am Trennring
6clösbar befestigt (angeschraubt).
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Die übrigen Positionen der Ausführungsvariante 2 stimmen mit den
Positionen der Ausführungsvariante 1 weitgehend überein und tragen auch dieselben
Positionsnummern.
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Bei der in Fig.4 dargestellten dritten Ausführungsform wird der ummantelte
Verstellpropeller 3x mit nachgeschaltetem Schubrad 6 von einem Unterwasser-Elektromotor
11 (bzw. von einem Unterwasser-Hydraulikmotor 12) angetrieben.
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Der gesamte Schiffsantrieb ist - zur Steigerung der Manövrierbarkeit
des Schiffes - um die vertikale Achse 13 drehbar bzw. schwenkbar.
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Diese Ausführungsform mit Unterwassermotor ist -zufolge ihres günstigen
Treibstoffverbrauches - auch als Hauptantrieb für kleinere und mittelgroße Schiffe
emsetzbar.
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Bei der in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellten vierten Ausführungsform
handelt es sich um eine solche mit Verstellpropeller 3x und ohne Schubrad 6. Diese
Ausführungsvariante eignet sich besonders für den Antrieb von Flachwasserfahrzeugen.
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Der starre Düsenring 4x besteht aus dem ringförmigen vorderen Teil
4' und dem ringförmigen hinteren Teil 4", deren Verbindungsfläche 14 sich im Bereich
der schwenkbaren Propellerflügel 3" befinden.
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Es sind die Innenfläche des vorderen Teiles 4' und die
Innenfläche
des hinteren Teiles 4" des Düsenringes 4x im Bereich der schwenkbaren Flügel 3"
des Propellers 3x wieder als Teile einer Kugelfläche gestaltet, die die schwenkbaren
Flügel mit kleinstmöglichem Spalt umschließen.
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Im hinteren Teil 4" des Düsenringes 4x ist in an sich bekannter Art
ein Leitapparat 15 für die Beeinflussung des aus dem Verstellpropeller 3x austretenden
Wasserstroms angeordnet. (Dieser Leitapparat reduziert den Drall dieses Wasserstroms
und erzeugt dadurch eine zusätzliche Schubkraft).
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Wie in Fig. 6 in einem Zylinderschnitt ersichtlich, besitzen die
Schaufelprofile 15' des Leitapparates 15 eintrittsseitige Krümmungsradien R, die
wenigstens 10% der jeweiligen axialen Profiltiefe Tbetragen.
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Durch diese spezielle Ausbildung der Schaufelprofile 15' erreicht
der Leitapparat 15 auch bei verschiedenen Betriebszuständen eine hohe Wirksamkeit.
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Das Verschwenken der Propellerschaufeln 3" erfolgt vorteilhaft auf
hydraulischem Wege.
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Hierzu ist eine Verbindungsleitung 16 für das Fluid auf der dem Schiffsrumpf
1 abgewandten Seite koaxial zur Wellenachse in die Nabe 17 des Verstellpropellers
3x eingeführt.
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Die übrigen Positionen der Ausführungsform 4 stimmen mit den Positionen
der Ausführungsformen 1,2 und 3 dann überein, wenn die Positionsnummern dieselben
sind.
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