DE3840958C2 - Propellerummantelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse für einen Propeller eines Wasserfahrzeugs, aus Segmenten gebildet.

Ummantelte oder in Düsen angeordnete Propeller bzw. Schiffsschrauben wurden an Schleppern, Fluß-Schubbooten und anderen Schiffen für niedrige Geschwindigkeiten zum Erhöhen des Propellerschubs seit mehr als 50 Jahren verwendet. Gemäß der anerkannten Düsentheorie werden Düsen als beschleunigende und verzögernde Düsen klassifi­ ziert. Existierende beschleunigende Düsen werden zum Erhöhen des Schubs bei niedrigen Geschwindigkeiten verwendet, während sie ein hoher Strömungswiderstand für größere Geschwindigkeiten ungeeignet macht. Verzögerungsdüsen werden verwendet, um die Propeller-Kavita­ tionen und das Propellergeräusch zu mindern, was wesentlich ist für militärische Anwendungsfälle, jedoch unter Inkaufnahme eines nied­ rigeren Wirkungsgrades. Die vorliegende Erfindung betrifft Be­ schleunigungsdüsen. Ein größerer Auftrieb, der durch den Mantelab­ schnitt erzeugt wird, erzeugt einen größeren Schub, und der Strö­ mungswiderstand des niedrigen Querschnitts macht diesen Schub auch bei höheren Betriebsgeschwindigkeiten anwendbar, die bisher für un­ möglich gehalten wurden.

In dem Schiffbautechnischen Handbuch, Band 1, VEB Verlag Technik Berlin, 1957, ist auf Seite 575 der Aufbau einer Kort-Düse beschrieben. Danach ist für den Aufbau der Düse ein Gerüst aus querschiffsangeordneten Düsenspanten und längsschiffsverlaufenden radialen Rippen vorgesehen, das außen und innen beplattet wird. Diese Spante und Rippen bestehen aus Blechen in Dicke der Düsen- und Schiffsaußen­ haut. Die Spante und Rippen werden miteinander verkämmt und dann miteinander verschweißt. Die Beplattung der Düse wird vollkommen geschweißt. Die Innenhaut wird als erste auf das Gerüst geschweißt, wobei die Schweißraupen im Inneren der Düse liegen, während die Außenhaut zuletzt mittels Schlitz­ schweißung aufgebracht wird. Um diese sicherer herstellen zu können, wird empfohlen, die Düsenspante und Rippen im Bereich, wo diese die Außenhaut berühren, mit einem Gurt zu versehen, der zuletzt von außen her mit der Außenhaut durch Schlitzschweißung verbunden wird.

Aus der US-PS 3,513,798 ist eine Kort-Düse für einen Schiffspropeller bekannt, die dazu dient, die Effektivität eines solchen Propellers bei Vorwärtsfahrt zu steigern.

Diese bekannte Kort-Düse wird durch ein Paar von halb­ kreisförmig gebogenen Düsensegmenten gebildet. Die beiden zusammengesetzten Segmenthälften definieren somit jeweils eine Hälfte der Düse.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen sauberen Aufbau einer Düse für einen Propeller eines Wasserfahrzeuges zu ermöglichen und deren bauliche Festig­ keit zu steigern.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.

Danach wird eine Düse im Querschnitt aus geradlinigen Strömungsprofilabschnitten hergestellt, die zur Bildung eines Polygons miteinander verbunden werden, das einem kreisförmigen Propellermantel nahekommt. Kleinere Düsen können auch durch andere Verfahren wie Gießen und dann spanendes Überarbeiten bis zur erforderlichen Form herge­ stellt werden.

In Heft 4/1974 von "Schiff und Hafen", werden auf den Seiten 335 bis 341 verschiedene mathematische Modelle für die Berechnung der Strömungs- und Kräfteverhältnisse bei einem aus einem Schiffspropeller und einer Propellerdüse bestehenden System mit experimentell ermittelten Ergebnis­ sen verglichen. Dabei wird für die Propellerdüse das Strömungsprofil NACA 3445 zugrundegelegt. Für eine Modell­ düse THW 1 wird die Anstellung der Düsenlängsachse gegen­ über der Propellerachse zu 9,1° offenbart. Durch Ausmessen abgebildeter Strömungsprofile für Düsen läßt sich die Wölbung des NACA 3445-Profils ermitteln. Sie beträgt mehr als ein 0,025-faches der Sehnenlänge des gleichen Strö­ mungsprofils. Die maximale Wölbung tritt bei dem gleichen Strömungsprofil in einem Bereich außerhalb von 35% der Sehnenlänge, gemessen von der Vorderkante, auf.

Weitere Bemessungsregeln für Propellerdüsen lassen sich dem vorstehend genannten Schiffbautechnischen Handbuch auf den Seiten 559 bis 569 entnehmen.

Schließlich ist in diesem Zusammenhang auf F.W. Riegels, "Aerodynamische Profile", R. Oldenburg München 1958, Seiten 13 bis 24, hinzuweisen, worin Windkanal-Meßergebnisse und weitere theoretische Grundlagen zu aerodynamischen Profilen offenbart sind.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung, die dazu dient, den Wirkungsgrad des Propellers, der in allen Arten und Größen von Wasserfahrzeugen arbeitet, bei allen Be­ triebsgeschwindigkeiten zu erhöhen, wird die Theorie des Tragflügelquerschnitts auf die Ausbildung des Düsenquer­ schnitts angewandt und für die turbulente Strömung opti­ miert, was einen höheren Auftriebskoeffizienten mit einem geringeren Widerstandskoeffizienten ergibt als bei den Dü­ sen, die bisher im Gebrauch waren. Beispielsweise hat eine Industrie-Standarddüse 19a einen Widerstandsbeiwert von 0,17, während die vorliegende Düsenanordnung einen Wider­ standsbeiwert aufweist, der im Bereich von 0.008 bis 0.012 liegt. Ein selbständiger Schutz wird für die Profilgebung nicht angestrebt.

Die Erfindung ermöglicht einen höheren Vortriebswirkungs­ grad für Wasserfahrzeuge, die bei höheren Geschwindigkeiten operieren und zwar dort, wo dies vor der Erfindung nicht möglich war.

In der Zeichnung ist:

Fig. 1 ein typischer Schnitt durch die Mitte einer Düse, welcher die Lage des Propellers anzeigt,

Fig. 2 ein Schrägbild einer polygonförmigen Düse,

Fig. 3 ein Schrägbild eines einzigen Abschnitts der polygonförmi­ gen Düse, die in Fig. 2 gezeigt ist,

Fig. 4 ein Schrägbild eines anderen Bauverfahrens für die in Fig. 2 gezeigte Düse,

Fig. 5 ein Schnitt durch die Düse, vorgenommen an der Stelle 18-18 in Fig. 6, und

Fig. 6 ein Schnitt durch die Düse, vorgenommen an der Stelle 17-17 in Fig. 5.

Zwei Vorzüge werden durch Benutzung der vorliegenden Erfindung er­ halten, welche miteinander in Zusammenhang stehen, und zwar die Zu­ nahme im Vortriebswirkungsgrad des Wasserfahrzeugs, was die Ge­ schwindigkeit des Fahrzeugs unter Einsatz der gleichen Leistung er­ höht oder dieselbe Geschwindigkeit bei geringerer Leistung und niedrigerem Brennstoffverbrauch aufrechterhält, und der sauberere Aufbau des Propellermantels gegenüber jedem Propellermantel, der bis heute verwendet wurde. Eine Erhöhung im Wirkungsgrad wird durch die Verwendung eines hochwirksamen Tragflächenabschnitts erreicht, der für einen minimalen Strömungswiderstand und einen maximalen Auftrieb konstruiert ist. Der hohe Wirkungsgrad des Propellerman­ tels wird dadurch erhalten, daß man den Propellermantel aus seit­ lich flachen Segmenten aufbaut, die lediglich dann eine Kreisform bilden, wenn eine große Anzahl zusammengefügt ist, wodurch eine kombinierte Krümmung vermieden wird und die Herstellung des hoch­ wirksamen Propellermantels möglich wird.

Der Propellermantel dieser Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt und weist einen einzigen Tragflächenabschnitt 7 auf, der in Längsrich­ tung sowohl an der Innenfläche 8 als auch an der Außenfläche 9 kontinuierlich gekrümmt ist und einen Strömungswiderstandsbeiwert von weniger als 0,013 und eine Wölbung des Abschnitts im Bereich von 0 bis 0,025 der Sehnenlänge aufweist. Ein konkaver Bereich der Wölbung ist an der Außenseite 9 des Mantelquerschnitts angeordnet, und die resultierende maximale Wölbung liegt im Bereich von 0,25 bis 0,35 der Sehnenlänge von der Vorderkante aus, mit einer Ab­ schnittsdicke im Bereich von 0,05 bis 0,24 der Sehnenlänge und ei­ ner maximal in Dicke, die im Bereich von 0,25 bis 0,35 der Sehnen­ länge von der Vorderkante aus liegt. Der Mantel weist eine Ab­ schnitt-Sehnenlänge von 0,3 bis 0,6 des Propellerdurchmessers auf, und der Winkel zwischen der Abschnitt-Sehne und der Propellerachse 4 liegt zwischen -6 bis +6°, wobei ein typischer Querschnitt der NASA-Querschnitt LS (1)-0421 Mod und der Querschnitt LS (1)-0417 Mod ist. Das Propellerblatt 10 ist nahe dem engsten Innendurchmes­ ser des Mantels angeordnet, wobei die Propellerblattspitzen so ge­ formt sind, daß sie mit der Innenfläche des Mantels übereinstimmen, um ein nur minimal es Spiel zwischen Propellerblattspitze und Mantel aufzuweisen. Wenn man im Vorwärtsbetrieb arbeitet, dann zeigt der Pfeil 11 die Richtung des Strömungsmittels, das in die Düse ein­ tritt, während der Pfeil 12 der Richtung die Propellerdrehung zeigt, während dieser im Vorwärtsbetrieb arbeitet.

Fig. 2 zeigt einen Propellermantel, der aus einer großen Anzahl von seitlich ebenen und in Längsrichtung gekrümmten Segmenten 3 aufge­ baut ist, die zusammengefügt sind.

Zwei repräsentative, erfindungsgemäße Mantelsegmentanordnungen sind in den Zeichnungen gezeigt, wobei die eine in Fig. 3 und die zweite in Fig. 4 gezeigt ist. Das Mantelsegment 3 der Fig. 3 zeigt eine Innenschale oder -fläche 13 zusammen mit einer Außenschale oder -fläche 14, die durch einen oder mehrere, querverlaufende, segmen­ tierte Ringrahmenteile und einen Längsrahmen 16 zusammengefügt sind, der den Hohlraum C zwischen den beiden Flächen durchspannt. Jedes Segment 3 ist einzeln durch Anschweißen einer jeden Innen­ schale 13 und Außenschale 14 an den Längsrahmen 16 auf der Innen­ seite des Segments gebildet. Querrahmen 15 sind an der Innenschale 13, der Außenschale 14 und dem Längsrahmen 16 angeschweißt, wobei man durchgehende Schweißnähte an beiden Seiten des Querrahmens benutzt. Die Innenschale 13 und die Außenschale 14 sind an ihren Vorderkanten L zusammengefügt, wobei man Stumpfschweißstellen ver­ wendet. Die Hinterkante T der Außenschale 14 ist umgebogen und mit der Innenschale 13 nahe der Hinterkante T verschweißt. Die einzel­ nen Mantelsegment-Innen- und -Außenflächen 13 und 14 sind an den angrenzenden Längsrahmen 16 und aneinander durch tief eindringende V-Nahten angeschweißt.

Fig. 4 zeigt ein anderes Verfahren zum Aufbau eines Segments 3′, das den Mantel der Fig. 2 bildet, wobei man ein oder mehrere durch­ gehende querverlaufende polygonförmige Ringrahmenteile 15′ und ei­ nen segmentierten Längsrahmen 16 verwendet. Der Zusammenbau des Propellermantels wird dadurch begonnen, daß man zuerst die Innen­ schale oder -oberfläche 13 und die Außenschale oder -oberfläche 14 an die Ringrahmen 15′ kontinuierlich an beiden Seiten anschweißt. Der segmentierte Längsrahmen 16 wird an einer Seide der Schalenble­ che eingeführt und von innen her mit den Schalenoberflächen und den Ringrahmen verschweißt. Die Innenschale 13 und Außenschale 14 sind an den Vorderkanten L zusammengefügt, unter Verwendung von Stumpf­ schweißungen, während die Hinterkante T der Außenschale 14 umgebo­ gen und mit der Innenschale 13 verschweißt ist. Ein anderer segmen­ tierter Längsrahmen 16 wird auf der entgegengesetzten Seite der Schalenflächen eingeführt. Ein anderes Paar der Schalenflächen 13 und 14 werden an diesem letztgenannten Längsrahmen angebracht und mit diesem sowie miteinander durch tief eindringende V-Schweißnah­ ten verschweißt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Mantel fertiggestellt ist.

Für Stahlschiffsdüsen sind die innenliegenden Schalenplatten bevor­ zugt aus rostfreiem Stahl hergestellt, um die Erosion infolge der Kavitation nahe den Propellerblattspitzen zu vermeiden.

Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch die Mitte des Segmentes, das in Fig. 3 und längs 18-18 gezeigt ist. Fig. 6 ist ein Schnitt längs 17-17.

Alle existierenden Propellermäntel sollen lediglich die Propeller­ leistung bei niedrigeren Drehzahlen verbessern und werden nur bei Schleppern und anderen Schiffen erfolgreich angewandt, die eine Zu­ nahme im Schub bei niedrigen Geschwindigkeiten erfordern, während diese Erfindung den Propellerschub bei niedrigen Geschwindigkeiten ebenso wie den Propeller-Wirkungsgrad bei höheren Geschwindigkeiten verbessert, was diese Erfindung für alle Arten von Schiffen geeig­ net macht.

Vorliegende Mantelkonstruktionen weisen nur eine Außenschale auf, die als abschließende Abdeckung verwendet wird und an dem Mantel­ aufbau mit Stichlochschweißung und Schlitzschweißung befestigt ist und nicht ein integrales Stück des Mantels ist und auch nicht zur baulichen Festigkeit des Mantels beiträgt, während die vorliegende Erfindung die Außen- und Innenschale zu einem Stück zusammenfaßt und zu einem einzigen Aufbau zusammenfügt.

Insgesamt betrifft die Erfindung einen Propellermantel oder eine Propellerdüse, der bzw. die aus einem Tragflächenabschnitt mit ho­ hem Verhältnis zwischen Auftrieb und Strömungswiderstand herge­ stellt ist und den Schub, die Geschwindigkeiten und den Wirkungs­ grad eines Propellers mit fester oder steuerbarer Steigung erhöht, der im Inneren des Mantels arbeitet. Der Mantelquerschnitt ist mit einer kontinuierlich gekrümmten Innen- und Außenfläche ausgebildet, um einen höchstmöglichen Auftrieb und einen geringstmöglichen Strö­ mungswiderstand zu erzeugen. Für größere Propeller, die auf Schif­ fen verwendet werden, und für geringere Fertigungskosten wird der Mantel unter Herstellung von Platten aus Stahl und rostfreiem Stahl oder anderem geeigneten Material hergestellt, die aus einer Anzahl gerader Tragflächenabschnitt gebaut sind, welche ein Polygon bil­ den, das einem Kreisring nahekommt. Der geringe Strömungswiderstand des Mantels ermöglicht es, sowohl Schub als auch Geschwindigkeit von Wasserfahrzeugen zu verbessern, selbst wenn sie bei höherer Ge­ schwindigkeit arbeiten, verglichen mit irgendeinem optimal ausge­ legten Propeller ohne Mantel.

Claims (7)

1. Düse für einen Propeller eines Wasserfahrzeuges

• a) mit Segmenten (3), die in Düsenumfangsrichtung fort­ schreitend zu einem ringförmigen Mantel angeordnet sind, der den Propeller (10) umgibt,
• b) wobei jedes Segment (3) eine dem Propeller (10) zugewandte Innenfläche (8; 13) und eine dem Propeller (10) abgewandte Außenfläche (9; 14) aufweist, und
• c) die beiden zwischeneinander einen Hohlraum begrenzen­ den Flächen (8; 13 bzw. 9; 14), die ein Strömungs­ profil (7) bilden, von einer Vorderkante (L) des Segmentes (3) ausgehend, kontinuierlich bis zu einer Hinterkante (T) des Segmentes (3) gekrümmt sind,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• d) die aneinanderstoßenden Segmente (3) sind einen segmentweise geraden Polygonzug bildend zu einem annähernd kreisförmigen Ringmantel angeordnet;
• e) innerhalb der Hohlräume der Segmente (3) ist in Querrichtung mindestens ein jeweils mit der Innen- und Außenfläche (13, 14) der Segmente (3) verbundener Ringrahmenteil (15) angeordnet, der die Segmente (3) seitlich zu dem ringförmigen Mantel verbindet; und
• f) jedes Segment (3) weist ein Längsrahmenteil (16) auf, das mit jeder Innenfläche (13) und jeder Außenfläche (14) und dem Ringrahmenteil (15) dieses Segmentes (3) verbunden ist.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringrahmenteil (15) separate Elemente (15) aufweist, die jeweils zwischen der Innenfläche (13) und der Außenfläche (14) eines jeden Segmentes (3) angeordnet sind.

3. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringrahmenteil (15) ein polygonförmiges Element (15′) aufweist mit einer Anzahl von Seiten, die gleich der Gesamtzahl der Anzahl von Segmenten (3) ist, die den Ringmantel bilden.

4. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Innenfläche (13) und die Außenfläche (14) jedes Segmentes (3) jeweils an ihren Vorderkanten (L) und an ihren Hinterkanten (T) miteinander verbunden sind.

5. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• a) die Sehnenlänge des Strömungsprofils (7) zwischen dem 0,3- und dem 0,6-fachen des Durchmessers des Propel­ lers (10) liegt;
• b) die Wölbung des Strömungsprofils (7) höchstens ein 0,025-faches der Sehnenlänge des Strömungsprofils (7) beträgt;
• c) die maximale Wölbung des Strömungsprofils (7) im Bereich zwischen 25% und 35% der Sehnenlänge des Strömungsprofils (7), von der Vorderkante (L) gemes­ sen, auftritt;
• d) die Dicke des Strömungsprofils (7) zwischen dem 0,05- und dem 0,24-fachen der Sehnenlänge des Strömungs­ profils (7) liegt;
• e) die maximale Dicke des Strömungsprofils (7) im Bereich zwischen 25% und 35% der Sehnenlänge des Strömungs­ profils (7), von der Vorderkante (L) gemessen, auf­ tritt; und
• f) die Außenfläche (9; 14) einen konkav gekrümmten Bereich (9′) aufweist.

6. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sehne des Strömungsprofils (7) um höchstens ±6° gegenüber der Propellerachse (4) geneigt ist.