DE3615619A1

DE3615619A1 - Leiteinrichtung zur beeinflussung der propellerzustroemung bei schiffen

Info

Publication number: DE3615619A1
Application number: DE19863615619
Authority: DE
Inventors: Hans-Eberhard Dr Ing Peters; Friedrich Dipl Ing Mewis
Original assignee: SCHIFFBAU VEB K
Current assignee: SCHIFFBAU VEB K
Priority date: 1985-06-24
Filing date: 1986-05-09
Publication date: 1987-01-02
Also published as: GB8613987D0; CN86103983A; GB2177365B; GB2177365A; ES8800647A1; PL145749B1; YU92786A; FR2583710A1; ES556537A0; CN1006622B

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiteinrichtung zur Beeinflussung der Propellerzuströmung bei Ein- und Mehrschraubenschiffen, wobei ein- oder beidseitig der Propellerachse vor dem Propeller mindestens eine Leitfläche angeordnet ist.

Zur Senkung der Energieverluste bei der Gestaltung des Propul sionskomplexes und zur Verminderung von Schwingungserregung und Kavitationsanfälligkeit bei Propellern bestehen zahlreiche Lösungsvorschläge. Sie beziehen sich besonders auf Bauteile zur Senkung der Drallverluste und zur Vergleichmäßigung der Zu strömung zum Propeller. Diese Lösungen haben den Nachteil, daß sie in der Regel nur Einzelmaßnahmen darstellen, die auf ein oder zwei spezielle Energieverluste zielen und Verbesserungen anderer, propulsionsbeeinflußter Eigenschaften nur als Nebeneffekt benennen. Sie werden damit der Komplexität der aktuellen Ziel stellungen nur ungenügend gerecht.

Zur Reduzierung der Drallverluste bei Schiffspropellern sind vielfältige Lösungen zur Vordrallerzeugung vor dem Propeller oder zur Nutzung der Drallenergie durch Leiteinrichtungen hinter dem Propeller bekannt. Bekannt ist ebenso die Anpassung von mehreren Leitflächen an das Zuströmfeld zum Propeller derart, daß Form und Anstellung der einzelnen Leitflächen über den Umfang stark veränderlich sind und im extremen Fall nur eine Leitfläche auf der aufwärtsschlagenden Seite des Propellers angeordnet wird.

Repräsentativ für eine Vordrallerzeugung mit Anpassung an das Zuströmfeld ist die Ausführung nach DE-GM 83 14 111, wobei die Länge der Leitfläche größer als das 1,1fache der Propeller flügellänge angegeben wird. Die langen Leitflächen bedingen jedoch energetische und funktionelle Nachteile. Am äußeren Rand einer Leitfläche fällt die Zirkulation der Leitfläche auf Null ab, und es bildet sich ein Wirbel, der von der Spitze der Leit fläche nach hinten verläuft. Bei Durchgang durch die Propeller kreisfläche verursacht dieser Wirbel am Propeller lokale inhomogene Zuströmbedingungen mit erhöhter Kavitationsgefahr und mit Schwankungen der Flügelkräfte. Die Ausführung langer Leitflächen, die über den Propellerkreis herausragen, kann den Propeller von den Spitzenwirbeln der Leitflächen freihalten. Das ist besonders wichtig bei größeren Belastungen der Leit flächen. Die Nachteile dieser Lösung bestehen jedoch darin, daß auch außerhalb des Propellerkreises noch Drallenergie eingebracht wird, die nicht zurückgewonnen werden kann, und daß die langen Leitflächen ungünstiger sind bezüglich Festigkeit, Schwingungs verhalten und Havarieanfälligkeit. Insbesondere ermöglicht diese Lösung nicht, den Zirkulationsabfall hochbelasteter Leitflächen an eine definierte Stelle der Fläche auch innerhalb der Propel lerkreisfläche zu legen und dabei gleichzeitig die Herausbildung starker Spitzenwirbel zu verhindern.

Bekannt ist weiterhin die Ausführung relativ kurzer, stark ge krümmter Leitflächen im Bereich der Strömungsgrenzschicht am Hinterschiff nach DE-AS 33 24 753. Diese Anordnung erfaßt nur Strömungsmedium im wandnahen Bereich des Schiffes und ermöglicht nicht, in den äußeren Bereichen der Propellerkreisfläche Vordrall zu erzeugen. Ihre Wirkung ist zudem auf bestimmte Schiffsformen beschränkt.

Zur Vergleichmäßigung der Strömung im Zuströmbereich des Propel lers, zur Verhinderung von Strömungsablösung im Hinterschiffs bereich und zur Entlastung des Propellers werden Düsen unterschiedlicher Größe und Anordnung in Bezug zum Propeller ange wendet, die jedoch keine wesentliche Erzeugung von Vordrall ermöglichen.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen besteht darin, daß sie nicht an unterschiedliche Belastungsfälle eines Schiffes anpaßbar sind.

Es ist Ziel der Erfindung, eine energetisch und funktionell günstige und anpaßbare Leiteinrichtung zur Beeinflussung der Propellerzuströmung bei Schiffen zu schaffen, die eine Ver minderung von Energieverlusten ermöglicht und gleichzeitig Schwingungsverhalten und Materialaufwand für das ganze Schiff günstig beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiteinrichtung zu schaffen, die das Zuströmfeld zum Propeller so beeinflußt, daß ein geeigneter Vordrall entsteht, die Vertikalkomponenten der Grenzschicht an der Schiffswand hinreichend einbezogen werden, die Druckimpulserregung durch den Propeller und die Schubexentri zität des Propellers vermindert, nachteilige Folgen der Leitein richtung für den Propeller durch Spitzenwirbel der Leitflächen vermieden, die Reibung an den Leitflächen selbst gering gehalten und Schwingungen der Leitflächen weitgehend eingeschränkt werden. Dabei sollen sowohl die Vertikalkomponente der Zuströmfelder als auch deren Axial- und Querkomponente beeinflußt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Leit einrichtung zur Beeinflussung der Propellerzuströmung bei Ein- und Mehrschraubenschiffen, die ein- oder beidseitig der Propel lerachse vor dem Propeller mindestens eine Leitfläche aufweist, welche eine profilierte, gewölbte und dem Strömungsfeld ange paßte Form besitzt, so gestaltet ist, daß auf der aufwärts schlagenden Seite des Propellers ein oder mehrere Hauptleit flächen mit einer um mindestens 5° gegenüber der Basislinie des Schiffes nach unten geneigten Austrittstangente der Skelettlinie des Profils und einer Leitflächenlänge von weniger als dem 1,1 fachen der Propellerflügellänge des Propellers angeordnet ist. Zweckmäßig ist es, daß der Austrittswinkel der Austrittstangente der Skelettlinie des Profils der Hauptleitfläche zumindest im mittleren Bereich der Leitflächenlänge größer als 5° ist.

Es ist weiterhin erfindungsgemäß, daß auf der abwärtsschlagenden Seite des Propellers eine zusätzliche Leitfläche mit zur Haupt leitfläche entgegengesetzter Profilwölbung angeordnet ist. Dabei besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, daß der Winkel der Austrittstangente der Skelettlinie des Pro fils dieser Leitfläche um mindestens 5° nach oben gerichtet ist und deren Leitflächenlänge kleiner als das 0,7fache der Länge der Hauptleitfläche ist.

Günstig ist es, daß die Leitflächen in Höhe der Propellerwelle vorgesehen werden. Sie können dabei waagerecht bzw. nach oben oder unten geneigt sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Leitflächen ganz oder teilweise verstellbar ausgeführt.

Diese Leitflächen dienen vorrangig der Beeinflussung der Vertikal komponente eines Zuströmfeldes.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist am äußeren Ende der Leitfläche eine profilierte Stützflosse angeordnet, so daß die Leitfläche zum oberhalb befindlichen Schiffskörper abgestützt ist. Die Stützflosse kann dabei senkrecht oder schräg nach oben ver laufen.

Es ist vorteilhaft, daß die Stützflosse bezüglich der Schiffs mittenebene schräg angestellt ist, wobei sich der Abstand der Stützflosse von der Schiffsmittenebene in Richtung auf den Propel ler zu verringert. Die Stützflossen können ganz oder teilweise verstellbar ausgeführt sein.

Bei Anordnung mehrerer Leitflächen ein- oder beidseitig der Schiffsmittenebene sind die äußeren Enden der Leitflächen einer Seite an der jeweiligen Stützflosse befestigt.

Ein erfindungsgemäßes Merkmal besteht weiter darin, daß die Haupt leitfläche an ihrem äußeren Rand einen Wirbelspoiler aufweist. Dieser kann auch innerhalb der Hauptleitfläche angeordnet sein. Der Wirbelspoiler kann dabei die Form einer Wirbelkeule, einer Endscheibe oder eines Spitzenflügels besitzen. Die Funktion des Wirbelspoilers kann auch durch die Stützflossen übernommen werden.

Wesentliche Vorteile der Erfindung ergeben sich daraus, daß die erforderliche Umlenkung der Strömung mit nur wenigen Leitflächen realisiert wird, die Leitflächen nicht wesentlich über den Propellerkreis herausragen und Bauteile oder Formgebung zur Verhinderung starker, konzentrierter Spitzenwirbel aufweisen können. In Abhängigkeit vom Zuströmfeld können ergänzende Leit flächen, die auch erheblich kürzer und ohne Wirbelspoiler ge staltet sein können, vorgesehen werden. Eine Verwindung der Leitflächen zur Anpassung an das Strömungsfeld ist vorteilhaft. Die Leitflächen erzeugen in wesentlichen Bereichen der Propel lerkreisfläche eine gleichgerichtete Umfangskomponente als Vordrall vor dem Propeller entgegengesetzt zu dessen Dreh richtung, wodurch der Propeller energetisch günstiger arbeitet und über den Umfang gleichmäßiger belastet wird, so daß Druckimpulserregung, Schubexzentrizität und Kavitationsanfällig keit gleichzeitig günstig beeinflußt werden. Die Wirbelspoiler ermöglichen es, den Zirkulationsabfall an definierter Stelle in bezug zum Propelleraußenradius festzulegen und den Aufroll vorgang der Wirbel der Leitfläche zu beeinflussen oder zu unterbinden und das Zusammenwirken von Propeller und Leitein richtung besser zu gestalten. Bei Zuströmfeldern mit größeren Unterschieden in der Axialkomponente oder mit anderen Inhomo genitäten ist es erforderlich, auch die anderen Komponenten im Strömungsfeld zu beeinflussen. Dazu sind Stützflossen geeig net, durch die im wesentlichen eine Beeinflussung der Strömung quer zur Schiffsmittenebene erfolgt. Das gilt besonders für den Bereich oberhalb der Propellerwelle. Vorteilhaft ist es dabei, die erforderlichen Stützflossen gleichzeitig zum Abstützen der Leitflächen für die Vordrallerzeugung zu nutzen.

Die Beeinflussung der Zuströmung kann durch ganze oder teil weise Verstellbarkeit der Leiteinrichtungen erweitert werden. Die vorgeschlagene Leiteinrichtung ermöglicht dann durch Änderung des Vordralls im Schiffsbetrieb in gewissen Grenzen eine Regelung bei unterschiedlichen Lastzuständen oder Wider standsänderung des Schiffskörpers, eine Korrektur von Auslegungs fehlern und eine Beeinflussung des Frequenzspektrums der instationären Propellerkräfte. Die vorgeschlagenen Wirbel spoiler bieten gleichzeitig Bauvolumen zur Lagerung von verstellbaren Klappen an den Leitflächen.

Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht es, die notwendigen Funktionen in wenigen kompakten Bauteilen zu realisieren und dadurch Reibungsverluste und Materialaufwand der Leiteinrichtung gering zu halten.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die Ansicht von oben auf eine Anordnung der Leit einrichtung bei einem Einschraubenschiff;

Fig. 2 die Ansicht von hinten gemäß Fig. 1;

Fig. 3 die Seitenansicht gemäß Fig. 1, ohne Wirbelspoiler;

Fig. 4 die Ansicht von oben und von der Seite für verschiedene Varianten mit Wirbelspoiler;

Fig. 5 die Ansicht von hinten für eine Anordnung mit zwei Leitflächen und zwei Stützflossen für ein Einschraubenschiff;

Fig. 6 die Ansicht von hinten für eine Anordnung mit drei Leitflächen und zwei Stützflossen für ein Einschraubenschiff;

Fig. 7 den Schnitt A-A nach Fig. 5 bzw. 6;

Fig. 8 die Seitenansicht auf die abwärtsschlagende Seite des Propellers.

Gemäß Fig. 1 und 2 sind am Hinterschiff 1 beidseitig der Propel lerachse 2 vor dem Propeller 3 Strömungsleiteinrichtungen vorge sehen. Diese besitzen eine profilierte und gewölbte Form und sind zur Basisebene des Schiffes angestellt. Die Drehrichtung 8 des Propellers 3 im Propellerkreis 9 wird durch einen Pfeil dar gestellt. Die auf der aufwärtsschlagenden Seite des Propellers 3 ange ordnete Leiteinrichtung wird als Hauptleitfläche 4 und die auf der abwärtsschlagenden Seite des Propellers 3 wird als Leitfläche 5 bezeichnet.

Länge, Umriß, Wölbung und Anstellung können für jede Leitein richtung in Abhängigkeit vom Zuströmfeld anders gestaltet sein. Jedoch soll die Leitflächenlänge LL der Hauptleitfläche 4 weniger als das 1,1fache der Propellerflügellänge LP des Propellers 3 betragen.

Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß die Austrittstangente 10 der Skelettlinie 11 der Hauptleitfläche 4 auf der aufwärtsschlagenden Seite des Propellers 3 mit der Basislinie 12 des Schiffes den Austrittswinkel 13 bildet, der mindestens 5° beträgt. Zumindest soll der Austrittswinkel 13 in dem mittleren Bereich der Leit flächenlänge LL größer als 5° sein.

Die auf der abwärtsschlagenden Seite des Propellers 3 angeordnete Leitfläche 5 weist eine zur Hauptleitfläche 4 entgegengesetzte Profilwölbung auf. Die Austrittstangente 20 der Skelettlinie 11 der Leitfläche 5 bildet mit der Basislinie 12 des Schiffes den Austrittswinkel 19, der mindestens 5° beträgt. Die Leitfläche 5 ist flächenmäßig kleiner ausgeführt als die Hauptleitfläche 4. Die Leitflächenlänge LL 2 der Leitfläche 5 sollte kleiner als das 0,7fache der Leitflächenlänge LL der Hauptleitfläche 4 sein. Ausführungen mit Wirbelspoilern 6 sind in Fig. 4 dargestellt. Dabei sind eine Wirbelkeule 6 a, eine ellipsenförmige Endscheibe 6 b sowie ein Spitzenflügel 6 c, der auch einseitig ausgeführt sein kann (siehe 6 d und 6 e), abgebildet. Wie die Variante 6 f zeigt, kann der Wirbelspoiler 6 auch innerhalb der Hauptleitfläche 4 als Leitscheibe 14 vorgesehen sein. Es können selbstverständlich auch andere, nicht dargestellte, Strömungskörper als Wirbelspoiler 6 verwendet werden.

Die Leiteinrichtungen können im Bereich der Austrittskante ver stellbare Klappen 7 zur Veränderung der Profilwölbung aufweisen oder selbst um ihre Längsachse verstellbar sein. In Fig. 1 ist solch eine Klappe 7 für die Hauptleitfläche 4 durchgehend für die ganze Länge der Hauptleitfläche 4 dargestellt. Diese Klappe 7 kann aber auch nur einen Teil der Leitflächenlänge LL umfassen, oder es können mehrere Klappen 7 nebeneinander angeordnet sein. Nach der Variante 6 f in Fig. 4 verläuft die Klappe 7 nur bis zur Leitscheibe 14.

Die Leiteinrichtungen, Hauptleitfläche 4 sowie Leitfläche 5, können auch als Spaltflügel ausgebildet sein.

Fig. 5 und 6 zeigen Anordnungen von Systemen mit Stützflossen mit Strömungsleitfunktion. An den äußeren Enden der Leitflächen 4; 18 sind je eine Stützflosse 15; 16 angeordnet. Jede Stützflosse 15; 16 besitzt ein strömungsgünstiges Profil und verläuft nach oben zum Schiffskörper des Hinterschiffes 1, wo sie befestigt ist. Die Stützflossen 15; 16 sind bezüglich der Schiffsmitten ebene schräg angestellt. Dabei verringert sich der Abstand der Stützflosse 15; 16 von der Schiffsmittenebene in Richtung auf den Propeller 3 zu. Das ist insbesondere aus Fig. 7, die einen Schnitt A-A durch die Stützflossen 15; 16 darstellt, ersichtlich. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 6) sind beidseitig der Schiffsmittenebene insgesamt drei Leitflächen 4; 17 und 18 angeordnet. Die äußeren Enden der Leitflächen 4; 17 sind mit der Stützflosse 15 und das äußere Ende der Leitfläche 18 mit der Stützflosse 16 verbunden.

Es ist möglich, daß die Hauptleitfläche 4, auch in Verbindung mit der Leitfläche 5, mit anderen propulsionsbeeinflussenden Bauteilen, wie z. B. Düsen, Teildüsen, asymmetrischen Hinterschiffsformen und dgl., kombiniert werden kann.

Die Wirkungsweise der Leiteinrichtung ist wie folgt: Die Haupt fläche 4 und die Leitfläche 5 erzeugen in wesentlichen Bereichen der Propellerfläche eine gleichgerichtete Umfangskomponente der Strömung als Vordrall vor dem Propeller 3, der mit diesen Bedingungen energetisch günstiger arbeitet und über den Umfang gleichmäßiger belastet wird, so daß Druckimpulserregung und Schubexzentrizität gleichzeitig günstig beeinflußt werden. Dabei bewirkt die Hauptleitfläche 4 die wesentliche Strömungs umlenkung zur Vordrallerzeugung und die Leitfläche 5 bezieht ergänzend Grenzschichtströmung in die Verbesserung des Zuström feldes ein.

Wesentlich ist die Gestaltung des äußeren Randes besonders bei denjenigen Leitflächen, die eine große Umlenkung der Strömung realisieren, z. B. bei der Hauptleitfläche 4.

Der vorgesehene Wirbelspoiler 6 hat die Aufgabe, die Konzentra tion von starken Spitzenwirbeln dadurch zu vermeiden, daß er den Aufrollvorgang der Spitzenwirbel unterbindet und eine flächenhafte Zirkulationsverteilung erzeugt.

Die an den äußeren Enden der Leitflächen 4; 17 und 18 und am Schiffskörper des Hinterschiffes 1 befestigten Stützflossen 15; 16 dienen sowohl einer weiteren Zustromverbesserung für den Propeller 3 als auch einer stabilisierenden Abstützung der Leitflächen 4; 17 und 18.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Hinterschiff
2 Propellerachse
3 Propeller
4 Hauptleitfläche
5 Leitfläche
6 Wirbelspoiler
6 a Wirbelkeule
6 b Endscheibe
6 c Spitzenflügel
6 d einseitig
6 e einseitig
6 f Leitscheibe
7 Klappe
8 Drehrichtung
9 Propellerkreis
10 Austrittstangente
11 Skelettlinie
12 Basislinie
13 Austrittswinkel
14 Leitscheibe
15 Stützflosse
16 Stützflosse
17 Leitfläche
18 Leitfläche
19 Austrittswinkel
20 Austrittstangente
LL Leitflächenlänge
LL 2 Leitflächenlänge
LP Propellerflügellänge

Claims

1. Leiteinrichtung zur Beeinflussung der Propellerzuströmung bei Ein- und Mehrschraubenschiffen, wobei ein- oder beid seitig der Propellerachse vor dem Propeller mindestens eine Leitfläche angeordnet ist, welche eine profilierte, gewölbte und dem Strömungsfeld angepaßte Form besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der aufwärts schlagenden Seite des Propellers (3) eine oder mehrere Hauptleitflächen (4) mit einer um mindestens 5° gegenüber der Basislinie (12) des Schiffes nach unten geneigten Aus trittstangente (10) der Skelettlinie des Profils und einer Leitflächenlänge (LL) von weniger als dem 1,1fachen der Propellerflügellänge (LP) des Propellers (3) angeordnet sind.

2. Leiteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß auf der abwärtsschlagenden Seite des Propellers (3) eine zusätzliche Leitfläche (5; 18) mit zur Hauptleitfläche (4) entgegengesetzter Profilwölbung angeordnet ist.

3. Leiteinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß auf der abwärtsschlagenden Seite des Propellers (3) eine Leitfläche (5) mit zur Hauptleit fläche (4) entgegengesetzter Profilwölbung angeordnet ist, deren Winkel (19) der Austrittstangente (20) der Skelett linie (11) des Profils der Leitfläche (5) um mindestens 5° nach oben gerichtet ist und deren Leitflächenlänge (LL 2) kleiner als das 0,7fache der Länge (LL) der Hauptleit fläche (4) ist.

4. Leiteinrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch ge kennzeichnet, daß am äußeren Ende der Leitfläche (4; 18) eine profilierte Stützflosse (15; 16) angeordnet ist, so daß die Leitfläche (4; 18) durch die Stützflosse (15; 16 ) zum oberhalb befindlichen Schiffskörper abgestützt ist.

5. Leiteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stützflossen (15; 16) senkrecht oder schräg nach oben verlaufen.

6. Leiteinrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Stützflossen (15; 16) bezüglich der Schiffsmittenebene schräg angestellt ist, wobei sich der Abstand der Stützflosse (15; 16) von der Schiffsmitten ebene in Richtung auf den Propeller zu verringert.

7. Leiteinrichtung nach Anspruch 4; 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der Leitflächen (4; 17 und 18) einer Seite an der jeweiligen Stützflosse (15; 16) befestigt sind.

8. Leiteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hauptleitfläche (4) an ihrem äußeren Rand einen Wirbelspoiler (6) aufweist.

9. Leiteinrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß der Wirbelspoiler ( 6) innerhalb der Hauptleitfläche (4) angeordnet ist.

10. Leiteinrichtung nach Anspruch 1, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelspoiler (6) die Form einer Wirbelkeule (6 a), einer Endscheibe (6 b) oder eines Spitzenflügels (6 c-6 e) besitzt.

11. Leiteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Austrittswinkel (13) der Austritts tangente (10) der Skelettlinie des Profils der Hauptleit fläche (4) zumindest im mittleren Bereich der Leitflächen länge (LL) größer als 5° ist.

12. Leiteinrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Leitflächen (4; 5; 17; 18) und Stützflossen (15; 16) ganz oder teilweise verstellbar ausgeführt sind.