DE4443750A1 - Schiffs/Luftschraube (Propeller) - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraube zum Antrieb eines Schiffs bzw. eines Flugzeugs. Im allgemeinen besteht die Querschnittform einer Luft/Schiffsschraube aus einer Kom­ bination aus Dickenform und einer Wölbung; die vorliegende Erfindung nutzt eine neue Dickenform, so daß sich die Ero­ sionsschäden, die durch die Erscheinung der Kavitation ver­ ursacht werden, reduzieren und der Wirkungsgrad erhöht wird.

Wenn ein Propeller in einem Fluid, wie Wasser oder Luft, ge­ dreht wird, werden die Strömungsgeschwindigkeiten an der Rückseite (Ansaugseite) und der Vorderseite (Druckseite) unterschiedlich. Diese unterschiedlichen Strömungsgeschwin­ digkeiten erzeugen einen Druckunterschied gemäß dem Lehrsatz von Bernoulli.

Wenn ein Propeller als Antriebsvorrichtung eingesetzt werden soll, muß der Druck auf die Vorderseite (Druckseite) größer sein als der Druck auf die Rückseite (Ansaugseite). Das heißt, daß die Strömungsgeschwindigkeit relativ zur Rückseite des Propellers größer sein muß als die Strömungsgeschwindig­ keit an der Vorderseite.

Insbesondere im Falles eines als Schiffsschraube eingesetzten Propellers wird der Propeller im Kielwasserbereich des Hecks betrieben, in dem das Geschwindigkeitsfeld nicht gleichförmig ist. Daher variiert während des Drehens des Propellers die Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe des Propellers erheb­ lich, und Erosionsschäden aufgrund des Kavitationsphänomens treten meistens auf der Rückseite der Ansaugseite der Schau­ fel auf. Der Grund hierfür ist, daß, wenn ein Propeller eine möglichst große Antriebskraft erzeugen soll, der Druck um die Propellerschaufeln auf der Ansaugseite und nicht auf der Druckseite so gering wie möglich sein muß. Aufgrund des niedrigen Drucks verdampft Wasser und bildet Hohlräume.

Wenn diese Hohlräume nach dem Gleiten über die ganze Schaufel zusammenbrechen, entsteht nur Lärm, es kommt jedoch nicht zu größeren Erosionsschäden an den Propellerschaufeln. Wenn jedoch die Hohlräume schon vor dem Gleiten über die ganze Schaufel zusammenbrechen, kommt es aufgrund der Stoßbelastung durch diesen Zusammenbruch zu Erosionsschäden.

Bei Schiffsschrauben ist es im allgemeinen sehr schwer bzw. unmöglich, das Kavitationsphänomen zu eliminieren. Wenn das Kavitationsphänomen zu stark wird, treten nicht nur Erosions­ schäden auf, sondern auch der Wirkungsgrad des Propellers wird vermindert.

Unter den zur Zeit eingesetzten Propellerschaufelformen gibt es die in den USA entwickelten Formen der Serie NACA, die in den Niederlanden entwickelten Formen der B-Serie und die in Japan entwickelte MAU-Serie. In keiner von ihnen kann jedoch die Schaufelquerschnittsform angepaßt werden, und daher kann auch die Druckverteilung um die Schaufel nicht eingestellt werden.

Dementsprechend läßt sich das Kavitationsphänomen nicht steuern, und wenn sich das Kavitationsphänomen als zu groß herausstellen sollte, wird die Konstruktion durch Umbau des Propellers modifiziert. Das hat nicht nur die Vergeudung von Zeit und Geld zu Folge, sondern verursacht auch Unannehmlich­ keiten.

Die vorliegende Erfindung soll die oben beschriebenen Nach­ teile der herkömmlichen Techniken überwinden.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Propeller bereitzustellen, dessen Schaufelquerschnittsform unter den gegebenen Umständen optimal konstruiert ist, so daß der Druck um die Schaufel geeignet verteilt wird und das Kavitationsphänomen steuerbar wird, wodurch ein hoch wirk­ samer Propeller geschaffen wird.

Die oben genannte Aufgabe und weitere Vorteile der vorliegen­ den Erfindung werden verständlicher durch die detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungs­ form und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:

Fig. 1 das Verhältnis zwischen der Form des Schaufelquer­ schnitts und der mathematischen Formel (Form-Formel) für die Form des Propellerquerschnitts darstellt;

Fig. 2 zeigt die Veränderung der Querschnittsform versus Form-Indizes für Vorder- und Hinterteil des Propeller­ schaufelquerschnitts;

Fig. 3 ist ein Vergleich der erfindungsgemäßen Querschnitts­ form mit den herkömmlichen Querschnittsformen der NACA 00 und NACA 66; und

Fig. 4 ist ein Vergleich der Querschnittsform der erfin­ dungsgemäßen Propellerschaufel mit der Form der NACA 66.

Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die bei liegenden Zeichnungen und die mathematischen Formeln beschrieben.

Bei einem Propeller zum Antrieb eines Schiffs und eines Flug­ zeugs können die maximale Dicke an der Position a, der Form­ index n des Vorderteils und der Formindex p des Hinterteils frei bestimmt werden. Daher können die Sehnenposition der maximalen Dicke und die Formen von Vorder- und Hinterteil je nach den gegebenen Umständen optimal eingestellt werden.

Bei der Konstruktion der optimalen Querschnittsform ist die Koordinate y in Richtung der Dicke des Querschnitts wie folgt:

wobei b = die halbe maximale Dicke
c = die Sehnenlänge
x = die Sehnenrichtung
y = die halbe Dicke der Austrittskante.

Erfindungsgemäß werden die Position a der maximalen Dicke sowie die Formindizes n und p des Vorder- und des Hinterteils so gewählt, wie in Fig. 1 dargestellt ist, daß die Position der maximalen Dicke sowie die Formen des Vorder- und des Hinterteils der Querschnittsform optimal eingestellt sind, wodurch die optimale Querschnittsform konstruiert wird.

Bei gleicher Position der maximalen Dicke wird die Variation der Tragflächenform versus die Formindizes von Vorder- und Hinterteil in Fig. 2 dargestellt. Fig. 3 zeigt hingegen einen Vergleich der erfindungsgemäßen Querschnittsform (die auf Grundlage der erfindungsgemäßen Form-Formel konstruiert wurde) mit den zur Zeit weltweit eingesetzten Formen der Serien NACA-0′10 und NACA-66.

Die Überlegenheit des erfindungsgemäß konstruierten Propel­ lers wurde in einem Modelltest und einer realen Anwendung nachgewiesen. Fig. 4 stellt die Ergebnisse des Modelltests dar, bei dem die Leistung der erfindungsgemäßen Form und die der herkömmlichen Serie NACA66-009 beim HSVA (Hamburger Modellschiff-Becken), dem Deutschen Schiffsforschungszentrum getestet wurden.

Erfindungsgemäß kann, wie oben beschrieben, unter den selben Bedingungen eine viel größere Hubkraft bzw. Antriebskraft er­ zielt werden. Die auf den erfindungsgemäßen mathematischen Formeln beruhende Propellerquerschnittsform wurde weltweit erstmals durch den Erfinder durch hohen Forschungseinsatz über viele Jahre entwickelt. Die erfindungsgemäße Form kann nicht nur bei der Konstruktion von Propellern sinnvoll ein­ gesetzt werden, sondern sie wertet auch die hiesige Techno­ logie auf diesem Gebiet auf.

Claims (1)

1. Ein Propeller zum Antrieb eines Schiffs und eines Flug­ zeugs, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Position a auf­ tretende maximale Dicke, ein Formindex n des Vorderteils und ein Formindex p des Hinterteils frei bestimmt werden können und daher die Position der maximalen Dicke sowie die Formen von Vorder- und Hinterteil unter gegebenen Umständen optimal eingestellt werden können, wobei die optimale Tragflächenform auf der Grundlage einer y-Koordinate konstruiert wird, die folgt definiert ist: