DE4417788C2 - Zykloidenpropeller - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zykloidenpropeller, insbesondere für Schiffe, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Propeller ist beschrieben in dem Voith-Sonderdruck ts 2894 sowie in dem weiteren Voith-Sonderdruck ts 2142. Eine weitere ausführliche Darstellung eines solchen Propellers findet sich in der Schweizerischen Bauzeitung Heft 25/26, Juni 1959, in einem Aufsatz mit dem Titel "Das Fährschiff Romanshorn" der Schweizerischen Bundesbahnen, von H. Loosli. Man kann insbesondere aus diesen Schriften entnehmen, daß es verschiedene Möglichkeiten gibt, um die zyklische Verstellung der Propellerflügel zu erreichen, z. B. durch eine sogenannte Winkellenker-Kinematik oder auch durch eine häufig heute angewendete Schubkurbel-Kinematik. Auf die entsprechenden Einzelheiten wird daher in den folgenden Ausführungen nicht im einzelnen eingegangen.

DE 36 06 549 A1 zeigt und beschreibt eine Steuerung der Propellerflügel, wobei die Bewegung der Flügel über eine Vielzahl von Zahnrädern gekoppelt wird. Die Zahnräder bewirken nicht nur die Steuerung der Teilflügel, sondern auch die Stellbewegung der Hauptflügel. Damit die gesamten Steuervorgänge verwirklicht werden können, sind zusätzlich noch Kurvenscheiben nötig, die über Hebel den Einstellvorgang der Hauptflügel durchführen. Dies ist konstruktiv sehr aufwendig.

Die hydrodynamische Charakteristik des Zykloidenpropellers wird von der Flügelprofilform und der Flügelbewegung während des Umlaufs bestimmt. Die Krümmungen des Profils erlauben unter bestimmten Arbeitsbedingungen hohe Wirkungsgrade; aber während des Umlaufs arbeitet das Profil in der vorderen und hinteren Radhälfte unter verschiedenen Arbeitsbedingungen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, das Flügelprofil mit einem besseren Wirkungsgrad auszustatten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein vom Flügelhauptteil getrennter Flügelschwanzteil wird vorzugsweise angewendet, um letzteren getrennt vom Flügelhauptteil zu verstellen und damit die Krümmung des Flügelprofils während des Umlaufs zu verändern. Somit ist eine weitere Optimierung der hydrodynamischen Eigenschaften bei bestimmten Betriebsverhältnissen möglich. Es sind höhere Auftriebskräfte am Flügelprofil möglich, ohne in Kauf nehmen zu müssen, daß in den auftriebslosen Bereichen des Profilumlaufs höhere Profilwiderstände wirksam werden. Es ist natürlich auch möglich, daß auch der Flügelkopfteil getrennt vom Hauptteil ausgebildet wird und mit diesem gelenkig verbunden ist, um auch ihn getrennt von letzterem zu verstellen.

Insbesondere wird vorgesehen, daß bei bauchseitiger Anströmung des Flügelprofils die Krümmung des Flügelprofils vergrößert wird.

Weiter günstig ist die Ausbildung des Verstellgestänges für den zusätzlichen Flügelteil (Flügelschwanz), das aus einer Verstellstange besteht, die im wesentlichen in der Nähe der Achse des Flügelschaftes an einer Betätigungsstange des zusätzlichen Flügelteils angelenkt ist und andererseits in einem Sektorbereich um die Flügelschaftachse am Läuferboden angelenkt ist, der dem vollen Umlaufwinkel, dividiert durch die Anzahl Z der Vollflügel, entspricht (wobei Z vorzugsweise = 5 ist), wobei die Radiale zwischen Rotor- Zentralachse und Flügelschaftachse gleich der Mittelachse dieses Sektorbereichs ist.

Man kann etwa vorsehen, daß das Längenverhältnis dieser Verstellstange zur Betätigungsstange des Teilflügels in einem Bereich zwischen 3 und 6 liegt.

Dabei liegt der Anlenkpunkt der Verstellstange des Teilflügels an der Unterseite der Bodenplatte des Propellerläufers.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung erläutert, wobei Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch den Propellerläufer, Fig. 2a bis Fig. 2c eine prinzipielle Darstellung der extremen Flügelstellungen und Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsformen des Verstellgestänges des (zusätzlichen) Teilflügels darstellen.

In Fig. 1 ist im wesentlichen der radial äußere Teil des Propellerläufers 1 dargestellt, welcher die einzelnen Flügel 3 aufnimmt. Der einzelne Flügel 3 ist dabei in Lagern 15 und 14 mittels seinem jeweiligen Flügelschaft 6 gehalten. Dabei hat das Lager 14 im oberen Bereich einen Bund, an dem sich der Verstellhebel 7 des Propellerschafts abstützt. Der Verstellhebel ist mittels mindestens einer Schraube fest an dem Propellerschaft 6 festgespannt und weist ferner eine Gabel 18 auf, in welcher mittels eines Bolzens die Kuppelstange 4 gelagert ist, die dazu dient, die Verstellbewegung des einzelnen Propellerflügels aufgrund der Flügelkinematik zu bewirken. Wie eingangs angedeutet, ist diese Flügelkinematik hier im einzelnen nicht erläutert, und es wird auf die eingangs erwähnten Literaturstellen verwiesen.

Der Propellerläufer weist eine Bodenplatte 2 und eine (obere) Deckplatte 10 mit Aussparungen auf, in welcher für jeden Flügelschaft 6 ein Deckelteil 16 vorgesehen ist, um jeweils das obere Flügellager 15 aufzunehmen. An der Bodenplatte des Propellerläufers sind jeweils für jeden Flügel Lagergehäuse 48 befestigt, die jeweils das untere Lager 14 sowie eine oder mehrere im allgemeinen als Lippendichtungen ausgeführte Dichtungen 32 aufnehmen, um das Innere des Propellerläufers gegen das umgebende Wasser abzudichten. Radial außen weist der Propellerläufer eine umlaufende, vertikale Wand 13 auf. Diese Wand 13 läuft mit ganz geringem Abstand zu einer zu ihr im wesentlichen parallelen Wand des Schiffsbodens um.

Der einzelne Flügel 3 besteht nun aus zwei parallelen Teilflügeln 8 und 9, von denen der Hauptteil 8 den Propellerschaft 6 aufweist, bzw. von diesem gehalten ist. Der Teilflügel 9 ist über ein Gelenk 5 mit dem Hauptteil 8 verbunden. Es ist hier ein Fortsatz 31 des Teilflügels 9 dargestellt, an dem die Betätigungsstange 11 desselben befestigt ist. Mit dieser ist über ein Drehgelenk 17 die am Boden 2 über das Drehlager 20 angelenkte Verstellstange 12 verbunden. Die geometrischen Verhältnisse gehen dazu aus den Fig. 2a bis 2c hervor. Damit die Betätigungsstange 11, das Gelenk 17 und die Verstellstange 12 frei beweglich sind, ist es unter Umständen nötig, - wie hier dargestellt - in diesem Bereich den Propellerschaft 6 etwas auszusparen. Man kann den freien Raum in dieser Hinsicht auch dadurch erreichen oder vergrößern, indem man den Flügelschaft 6 relativ weit vorn am Flügelprofil, d. h. am Hauptteil 8 des Flügels, anbringt. Man erkennt ja aus Fig. 2b und Fig. 2c, daß praktisch während des Umlaufs das Gelenk 17 über das Flügelprofil hinweglaufen muß.

In Fig. 2a ist der Propellerflügel in der Nullstellung dargestellt, in welcher von diesem kein Schub erzeugt wird. In dieser Position "a" ist der Flügel mit 3a, der Hauptteil mit 8a und der Schwanzteil mit 9a bezeichnet. Der den Flügelprofilen zugeordnete Pfeil in den Fig. 2a bis 2c kennzeichnet jeweils die Bewegungsrichtung des Flügels in Bezug auf den Propeller. Es ist ja bekannt, daß absolut gesehen die Bewegung des einzelnen Flügels einer Zykloide entspricht, woher auch die Bezeichnung des Propellers als Zykloidenpropeller stammt. In dieser Position ist die Flügelsehne 51 etwa tangential zum Umlaufkreis des Propellerläufers ausgerichtet.

In der Position "b" der Fig. 2b - siehe auch Schnittangabe "-" in Fig. 1 - ist der Flügel 3b in einer Position mit relativ großem Schub dargestellt. Er wird hierbei bauchseitig angeströmt, und der Teilflügel (Flügelschwanz) 9b befindet sich hier in einer Position, in der die Flügelkrümmung oder -wölbung stark vergrößert wird, um den Schub zu erhöhen. Gleichzeitig wird hier auch erreicht, daß die Strömung länger am Flügelprofil haften bleibt und sich somit der Wirkungsgrad desselben erhöht. Letzteres gilt natürlich für weite Bereiche des Flügelumlaufs, so daß sich insgesamt auch der Propellerwirkungsgrad erhöht.

In der Stellung "c" des Flügels 3c ist eine weitere extreme Stellung des Flügels dargestellt, in welcher er rückenseitig angeströmt wird und eine große Schubkraft erzeugt. Dies wird dadurch weiter erhöht, daß der Schwanzteil 9c entgegengesetzt wie in Fig. 2b geschwenkt ist.

Man erkennt aus den Fig. 2a bis 2c, daß eine große Variationsmöglichkeit der Kinematik bezüglich des Zusatzflügelteils 9 möglich ist. Durch eine bestimmte Lage des Anlenkpunktes 20 bzw. B und die Wahl der Längen A-C und der Verstellstange B-C kann die Anstellung des Schwanzendes des Profils, mithin die Krümmung desselben, während des Propellerumlaufs auf eine bestimmte gewünschte Weise verändert werden. Dabei ist es günstig, wenn die Betätigungsstange 11 in der Nullposition, also entsprechend der Position a nach Fig. 2a höchstens etwa 8° von der Profilsehne des Flügelprofils abweicht. Das Verhältnis der Länge (B-C)/(A-C) kann vorteilhaft zwischen 3 und 6 gewählt werden. Dies muß aber im Einzelfall den vorhandenen Verhältnissen und auch evtl. den hydrodynamischen und konstruktiven Bedingungen angepaßt werden.

Gemäß Fig. 3 ist eine andere Variante des hinteren Teilflügels (Schwanzteil) dargestellt. In den Fig. 3 und 4 weisen übrigens gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2, jedoch jeweils mit einem oder zwei Apostrophs versehen, auf. Das Betätigungsgestänge für den Teilflügel 9′ gemäß Fig. 3 besteht aus einer Gleitstange 41 und einer Schiebehülse 42, die die Stellstange 41 teilweise umfaßt. Der Anlenkpunkt 20′ befindet sich hier natürlich in einer völlig anderen Position wie der Punkt 20 der Fig. 2a. Er ist hier in einer Position etwa auf dem Umlaufkreis des Propellerflügels angedeutet, dies muß jedoch nicht in jedem Fall genau eingehalten werden.

Ähnliches gilt für die Ausführungsform nach Fig. 4, wo die Betätigungsstange 44 des hinteren Flügelteils 9′′ in einem Kreuzkopf 45 geführt ist. Kreuzkopf 45 und Gelenk 20′ (Fig. 3) sind ebenfalls an der Bodenplatte 2 des Propellerläufers 1 jeweils über den entsprechenden Gelenkbolzen befestigt.

Mit der in Fig. 2a bis 2c dargestellten Kinematik der Betätigungsstangen für den Flügelschwanz scheint eine recht günstige Anordnung vorzuliegen, die wohl dem Optimum sehr nahekommt, was Schubvergrößerung und Wirkungsgraderhöhung anbelangt.

Claims (5)

1. Zykloidenpropeller, mit einem an einem Stator gehaltenen und zentrierten Propellerläufer (1), der eine vertikale Drehachse und jeweils an einem Flügelschaft (6) gehaltene Propellerflügel (3) aufweist, die durch erste die Flügelkinematik erzeugende Steuerteile (4, 18) um jeweils die vertikal verlaufende Flügelschaftachse zyklisch je Umdrehung des Propellerläufers (1) verstellbar sind, wobei - um das Flügelprofil während eines Umlaufs des Propellerläufers (1) zu verändern - der einzelne Flügel (3) aus mehreren, zueinander im wesentlichen parallelen, gelenkig miteinander verbundenen Teilen (8, 9) besteht, von denen der Haupt- oder Mittelteil (8) jeweils mit dem Flügelschaft (6) sowie mit den ersten Steuerteilen (4, 18) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Propellerläufer (1) mit einer Bodenplatte (2) ausgebildet ist und der mindestens eine weitere Flügelteil (9) ein eigenes Verstellgestänge (11, 12, 17; 41, 42; 44, 45) aufweist, das an der Unterseite der Bodenplatte (2) des Propellerläufers (1) angelenkt ist.

2. Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Flügelprofilsehne (51, 52, 53) oder -mittellinie bei einer Position des Flügels (3) mit bauchseitiger Anströmung desselben vergrößerbar ist.

3. Propeller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellgestänge jedes Teilflügels (9) eine am Boden (2) des Propellerläufers (1) angelenkte Verstellstange (12) aufweist, die an ihrem anderen Ende an einer maximal 8° von der Profilsehne oder -mittellinie des Teilflügels (9) abweichenden Betätigungsstange (11) angelenkt ist.

4. Propeller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlenkpunkt (20, 20′, 20′′) der Verstellstange (12, 41, 44) an der Bodenplatte (2) des Propellerläufers (1) in einem Sektor um die Radiale (40) durch den Propellerschaft (6) von 360/Z angeordnet ist, wobei Z gleich der Vollflügelanzahl des Propellerläufers (1) ist.

5. Zykloidenpropeller nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine mit dem Teilflügel (9′, 9′′) verbundene, zur Richtung von dessen Profilsehne etwa parallel verlaufende Betätigungsstange (41, 44), die mit der Bodenplatte des Rotorläufers gelenkig verbunden ist und entweder über eine Schiebeführung (42) - mit einem Freiheitsgrad in Richtung der Betätigungsstange - mit dem Hauptflügelteil (8′) verbunden ist oder mittels eines Kreuzkopfes (45) an der Bodenplatte des Propellerrotors angelenkt ist, wobei der Anlenkpunkt an der Rotorplatte etwa auf dem Umlaufkreis - gegeben durch die Mittelachse des Flügelschafts (6) des Hauptflügelteils (8′, 8′′) - vor­ gesehen ist.