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Schiffsschraube mit Leitvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft
die besonders wirtschaftliche Ausgestaltung eines Schiffsantriebes, der aus einer
umlaufenden Schraube sowie je einer vor und hinter dieser angeordneten feststehenden
Leitvorrichtung besteht.
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Bei den bisher bekannten Anordnungen, die eine vor der umlaufenden
Schraube angeordnete Leitvorrichtung enthalten, wurden die Leitflächen so ausgebildet,
daß die Flüssigkeit vor dem Eintritt in die Schraube eine Drehbewegung besitzt,
die die entgegengesetzte Richtung hat wie diejenige der Hauptschraube und der Größe
nach mit derjenigen übereinstimmt, die die Flüssigkeit ohne Vorhandensein der Leitvorrichtung
nach dem Austritt aus der Hauptschraube haben würde. Die vorteilhafte Wirkung einer
so ausgebilbildeten Leitvorrichtung ist bekannt. Die Flüssigkeit hat nach ihrem
Austritt aus der umlaufenden Schraube keine Drehbewegung, sondern ist rein achsial
gerichtet; außerdem wird der Zu$uß der Flüssigkeit zu der Schraube zwangläufig geregelt,
indem schädliche Wirbelungen und Ungleichmäßigkeiten der Strömung vermieden werden.
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Die vorstehend beschriebene bekannte Anordnung hat jedoch den Nachteil,
daß die Relativgeschwindigkeit zwischen Flüssigkeit und den Schaufeln der umlaufenden
Schraube verhältnismäßig hoch wird, so daß diejenigen Verluste, die von dieser Geschwindigkeit
abhängig sind, und zwar wie alle hydraulischen Verluste im quadratischen Verhältnis
dieser Geschwindigkeit, unverhältnismäßig groß ausfallen. Dies sei zunächst an Hand
der Abb. i und 2 näher erläutert.
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Abb. i stellt das Geschwindigkeitsdiagramm für eine normale umlaufende
Schiffsschraube dar, der die Flüssigkeit ohne Benutzung einer Leitvorrichtung im
Mittel achsial zuströmt. Die achsiale Eintrittsgeschwindigkeit ist in Abb. i nach
Größe und Richtung durch den Vektor v dargestellt. Durch Hinzufügung der Umfangsgeschwindigkeit
tt, die der Schraubenflügel an der betreffenden Stelle besitzt, erhält man in bekannter
Weise durch Zeichnung des Komponentendreiecks die Relativgeschwindigkeit w nach
Richtung und Größe; die Geschwindigkeitsrichtungen sind zu besserem Verständnis
in den Abbildungen durch Pfeile angedeutet. Man sieht, daß bereits bei rein achsialer
Zuströmung die Relativgeschwindigkeit zwischen Flüssigkeit und Schraubenflügel verhältnismäßig
groß ausfällt.
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In Abb. z sind dieselben Verhältnisse dargestellt unter der Voraussetzung,
daß eine Leitvorrichtung benutzt wird, die in bekannter Weise der Flüssigkeit vor
der Einströmung in die umlaufende Schraube eine Drehung entgegengesetzt ihrer Drehrichtung
erteilt. Die Einströmgeschwindigkeit der Flüssigkeit in die umlaufende Schraube
hat jetzt eine geneigte Lage und setzt sich aus der achsialen Komponente v und der
tangentialen Komponente (entgegengesetzt zur Drehungsrichtung der Schraube) cft
zusammen. Durch Zeichnung des Geschwindigkeitsdiagrammes unter Hinzufügung der Umfangsgeschwindigkeit
u zu der resultierenden Eintrittsgeschwindigkeit e erhält man auch in diesem Falle
;die Relativgeschwindigkeit der Flüssigkeit gegen den Schrauhenflügel w nach Richtung
und Größe, und man sieht ohne weiteres, daß die durch die Leitvorrichtung herbeigeführte
Tangentialkomponente cra nicht besonders groß zu sein braucht, um bereits eine bedeutende
Vergrößerung der Relativgeschwindigkeit w herbeizuführen. Wie bereits erwähnt, steigen
die von dieser Geschwindigkeit abhängenden Reibungs= und Wirbelverluste mit dem
Quadrat dieser Geschwindigkeit, so daß z. B. bei einer Vergrößerung der Geschwindigkeit
um io Prozent der betreffende Verlust bereits um 2o Prozent größer wird.
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Die vorliegende Erfindung geht nun davon aus, daß zwecks Verringerung
der genannten Verluste die tangentiale Komponente der Eintrittsgeschwindigkeit so
klein gewählt wird, wie es mit Rücksicht auf die anderweitigen Erfordernisse des
Antriebes in denn betreffenden Falle nur möglich ist, auf alle Fälle so klein, daß
die Drehbewegung des Schraubenstromes hinter der umlaufenden Schraube nicht aufgehoben
wird. Auf diese Weise wird eine Verringerung -der Relativgeschwindigkeit zwischen
der Flüssigkeit und den umlaufenden
Schraubenflügeln erreicht,
womit eine erhebliche Verminderung der von der Relativgeschwindigkeit abhängenden
Reibungs-und sonstigen Verluste verbunden ist.
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Dabei bleiben dijenigen allgemeinen Vorteile, die mit der- Anordnung
einer Leitvorrichtung vor der Schraube verbunden sind, in vollem Maße bestehen:
Die vor der Schraube angeordneten Leitflügel üben eine regelnde Wirkung auf die
zuströmende Flüssigkeit auch dann aus, wenn die durch sie erfolgende tangentiale
Ablenkung verhältnismäßig gering ist, indem sie nämlich auf alle Fälle bewirken,
daß die Flüssigkeit unmittelbar vor der umlaufenden Schraube über den ganzen Stromquerschnitt
eine gleichmäßige Geschwindigkeit und durch die Austrittswinkel der Leitschaufeln
eindeutig gerichtete Strömung besitzt.
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Durch die gleichzeitig hinter der Schraube angeordnete Leitvorrichtung
wird ferner bewirkt, daß das Wasser auf alle Fälle aus der gesamten Antriebsvorrichtung,
bestehend aus den beiden Leitvorrichtungen und der umlaufenden Schraube, rein achsial
ausströmt, wie groß die Drehbewegung der Flüssigkeit hinter der umlaufenden Schraube
auch sein Tröge.
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Durch die der vorliegenden Erfindung entsprechende Anordnung wird
also erreicht, daß die Relativgeschwindigkeit zwischen Flüssigkeit und umlaufender
Schraube herabgesetzt wird, und daß man gleichzeitig die Drehbewegung der Flüssigkeit
hinter der umlaufenden Schraube unter ständiger Beibehaltung des achsialen Austrittes
aus dem hinteren Leitapparat so günstig wählen kann, wie es die sonstigen Verhältnisse
im jeweilig vorliegenden Falle erwünscht sein lassen. Man kann also z. B. die Drehbewegung
des Strahles aufteilen, indem die Leitvorrichtung vor der Schraube der Flüssigkeit
die Hälfte der Drehbewegung entgegengesetzt dem Schraubendrehsinn erteilt, so daß
dann auch hinter der Schraube lediglich die halbe Drehbewegung im Schraubendrehsinn
bestehen bleibt; auf diese Weise werden die von der absoluten Größe der Drehbewegung
herrührenden Verluste auf ein Mindestmaß herabgesetzt. In anderen Fällen wieder,
wo die zuletzt genannten Verlustquellen zurücktreten, kann eine besonders große
Drehbewegung hinter der Schraube gewählt und damit zusammenhängend ein besonders
großer nützlicher Achsialschub der hinteren Leitvorrichtung erzielt werden.
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Die Verringerung der tangentialen Iiom:-ponenten der Einströmgeschwindigkeit
kann dabei so weit getrieben werden, daß diese bezüglich der in Abb. z als positiv-angenoinmenen
Richtung von eu negativ wird, d. h. also, daß die tangentiale Komponente der Einströmgeschwindigkeit
dieselbe Richtung hat wie die Umfangsgeschwindigkeit u.
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Abb. 3 zeigt das Geschwindigkeitsdiagramm für den Eintritt der Schraube
unter diesen Verhältnissen. Wie man sieht, wird auf diese Weise die Relativgeschwindigkeit
w wesentlich sogar unter diejenige Größe verringert, die sie bei rein achsialem
Eintritt in die umlaufende Schraube haben würde.
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In dein zuletzt erwähnten Fall würde ohne Anwendung der hinter der
Schraube angeiordneten Leitvorrichtung die Flüssigkeit aus der gesamten Antriebsvorrichtung
mit einer starken Drehbewegung austreten, womit große Verluste verbunden wären.
Durch Anordnung der zweiten Leitvorrichtung wird aber auch hier die Drehbewegung
in die achsiale Rich,-tung umgelenkt, und dadurch werden alle nicht unbedingt notwendigen
Verluste vermieden.
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Durch die Ausbildung der vor der umlauferden Schraube sitzenden Leitvorrichtung
in der Weise, daß die tangentiale Einströmkom.-ponente -die gleiche Richtung hat
wie die Um.-fangsgeschwindigkeit der Schraube, wird bei der Anwendung von zwei Leitvorrichtungen
der schon oben erwähnte weitere Vorteil erreicht, der die Wirtschaftlichkeit des
gesamten Antriebes noch weiter erhöht und darin besteht, daß der nützliche Achsialschub
der hinter der umlaufenden Schraube angeordneten Leitvorrichtung durch die starke
Drehbewegung der Flüssigkeit hinter der umlaufenden Schraube stärker vergrößert
wird als der entgegengesetzt der Fahrtrichtung wirkende Achsialschub der vor der
umlaufenden Schraube angeordneten Leitvorrichtung.
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Diese Wirkung sei durch folgende Ausführungen erläutert: Bei einer
Veränderung der Drehbewegung der Schraubenflüssigkeit durch eine mit dem Fahrzeug
fest verbundene Leitvorrichtung entsteht gleichzeitig ein Achsialschub,der von diesem
unmittelbar auf das Fahrzeug übertragen wird. Ist die Leitvorrichtung hinter der
umlaufenden Schraube angeordnet, so wirkt,der genannte Achsialschub in der Fahrtrichtung,
unterstützt also die Wirkung der umlaufenden Schraube. Ist dagegen die Leitvorrichtung
vor der Schraube angeordnet, so ist die Richtung des betreffenden Achsialschubs
entgegengesetzt der Fahrtrichtung, wodurch eine Vergrößerung des Fahrzeugwiderstandes
entsteht, die durch die verbesserte Wirkung der umlaufenden Schraube erst wiederaufgehoben
werden muß. Die Größe der erwähnten Achsialschübe hängt selbstverständlich ab von
der Größe der Änderung, die die betreffende Leitvorrichtung in der Drehbewegung
Ader Schraubenflüssigkeit herbeiführt.
Vorgenommene Modellversuche
sowie theoretische Berechnungen (s. z. B. die Einführungen des Iiontrapropellers,
»Werft -Reederei - Hafen« vom 22. November i g:22, theoretischer Teil) haben gezeigt,
:daß der Achsialschub einer Leitvorrichtung ungefähr proportional :dem Quadrat der
Änderung der Drehbewegung und gleichzeitig verhältnismäßig kleiner ist bei einer
vor der umlaufenden Schraube angeordneten Leitvorrichtung als bei einer hinter der
Schraube angeordneten.
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Unter den nach Abb.3 beschriebenen Verhältnissen ist nun die Drehbewegung,
die die hinter der umlaufenden Schraube angeordnete Leitvorrichtung hervorbringt,
besonders groß. Es wird also der in der Fahrtrichtung wirkende Schub dieser Leitvorrichtung,
der mit dem Quadrat der Bewegungsänderung ansteigt, ebenfalls eine bedeutende Größe
erhalten und weit über den entgegengesetzt gerichteten Schub der vor der umlaufenden
Schraube angeordneten Leitvorrichtung hinausgehen. Die sich :ergebende Wirkung der
Leitvorrichtung besteht also in diesem Falle in einem großen, in der Fahrtrichtung
wirkenden Achsialschub, der zu demjenigen der umlaufenden Schraube hinzukommt. Hierzu
tritt noch die oben erläuterte Verminderung aller derjenigen Verluste, die von der
Relativgeschwindigkeit zwischen Flüssigkeit und den Flügeln der umlaufenden Schraube
abhängig sind.
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Die vorstehend allgemein erörterten Verhältnisse seien noch durch
ein Zahlenbeispiel im einzelnen erläutert: Der Achsialschub der umlaufenden Schraube
werde mit ioo Prozent angenommen. Versuche und Rechnungen zeigen übereinstimmend,
daß durch eine hinter der Schraube angeordnete Leitvorrichtung ein zusätzlicher
Schub in der Fahrtrichtung von etwa 15 Prozent ohne Vergrößerung der Maschinenleistung
:erreicht werden kann, falls die Drehbewegung der Flüssigkeit hinter der umlaufenden
Schraube vollkommen aufgehoben wird. Unter derselben Voraussetzung beträgt :der
entgegengesetzt der Fahrtrichtung wirkende Schub der vor der umlaufenden Schraube
angeordneten Leitvorrichtung etwa 5 Prozent.
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Es werde jetzt im Anschluß an Abb. 3 eine vor der umlaufenden Schraube
sitzende Leitvorrichtung angenommen, die der Flüssigkeit eine Drehung von der gleichen
Richtung der Schraubendrehung erteilt; die Größe dieser Drehbewegung wird dabei
beispielsweise so angenommen, daß bei entgegengesetzter Richtung :derselben eine
vollkommene Aufhebung der Flüssigkeitsdrehung hinter der umlaufenden Schraube :eintreten
würde. Unter dieser Voraussetzung wird der :entgegengesetzt der Fahrtrichtung gerichtete
Achsialsehub der vor der umlaufenden Schraube sitzenden Leitvorrichtung ebenfalls
5 Prozent betragen.
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In :dem angenommenen Fall wird die Drehbewegung hinter der umlaufenden
Schraube die doppelte Größe haben im Vergleich zu derjenigen, welche bei achsialer
Zuströmung vorhanden wäre. Der Achsialschub derjenigen Leitvorrichtung, die zur
Aufhebung dieser starken Drehbewegung hinter der umlaufenden Schraube angeordnet
werden muß, wird daher nach dem Vorstehenden etwa 30 Prozent betragen, so daß die
sich ergebende; Wirkung :des Leitvorrichtungsystems in diesem Falle in einem nützlichen
Achsialschub von 3o minus 5 gleich 25 Prozent besteht, während lediglich eine Nutzwirkung
von 15 Prozent entsteht, wenn die Einströmung achsial erfolgt.
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Gleichzeitig ist bei dem zuletzt betrachteten Beispiel die Relativgeschwindigkeit
zwischen Flüssigkeit und Schraubenflügeln beträchtlich herabgesetzt, z. B. von ioo
Prozent auf 8o Prozent, so daß die damit zusammenhängenden Verluste von ioo Prozent
auf 65 Prozent verringert werden.
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Die genannten Zahlen über die Vergrößerung es nützlichen Schubs werden
durch dxe in Wirklichkeit verwickelter liegenden Verhältnisse :etwas geändert, ohne
daß jedoch die bedeutende Überlegenheit des neuen Antriebes gegenüber den bisher
bekannten Anordnungen dadurch berührt wird.