-
Hintergrund
der Erfindung
-
Allgemein
bestehen Wasserstrahl-Antriebssysteme für Wasserfahrzeuge aus rotierenden
und stationären
Reihen von Schaufeln. Die rotierenden Schaufelreihen werden als
Flügelräder bezeichnet. Der
Zweck der rotierenden Schaufelreihen ist die Erhöhung der Gesamtenergie des
durch das Antriebssystem hindurchtretenden Wassers, was zur Erzeugung
eines nutzbaren Schubs verwendet werden kann, um das Hauptfahrzeug
durch das Wasser anzutreiben. Die stationären Schaufelreihen werden als Diffusoren
oder Leitschaufeln bezeichnet. Sind die stationären Schaufelreihen stromabwärts einer
rotierenden Schaufelreihe angeordnet, so liegt ein Zweck der stationären Schaufelreihen
in der Verwertung von durch das Flügelrad erzeugter Rotationsströmungsenergie,
welche dazu verwendet werden kann, die Fähigkeit des Antriebssystems
zur Erzeugung eines nutzbaren Schubs zum Antreiben des Hauptfahrzeugs
durch das Wasser zu steigern. Ist die stationäre Schaufelreihe stromaufwärts einer
rotierenden Schaufelreihe angeordnet, so liegt eine ihrer Zweckbestimmungen
darin, Fluktuationen großen
Ausmaßes
der Größe und Richtung
der an einer rotierenden Schaufelreihe vorliegenden Strömungsgeschwindigkeit
zu mäßigen.
-
Fluktuationen
der Größe und Richtung
der Strömungsgeschwindigkeiten
können
schädliche Konsequenzen
auf die Leistung des Antriebssystems zur Folge haben. Insbesondere
können
sie das Auftreten fluktuierender Drücke an irgendeiner betroffenen
Schaufelreihe, einer rotierenden oder einer stationären, bewirken.
Diese Fluktuationen resultieren typischerweise in einer reduzierten
Leistungsfähigkeit des
Antriebssystems, in verstärkten
Schwingungen und verstärkten
Geräuschen.
Im Falle heftiger Fluktuationen können die resultierenden Oberflächendrücke auf
die Schaufelreihen auf Werte unterhalb des Dampfdrucks von Wasser
reduziert werden, wodurch das Wasser zum Kochen gebracht wird. Dieses
Phänomen
wird als Kavitation bezeichnet. Auf den Oberflächen der Schaufeln werden Blasen
von Wasserdampf erzeugt, welche in große Hohlräume zusammenwachsen können, die
an den Schaufeln anhaften bleiben oder von den Schaufelreihenoberflächen abgeworfen
werden können,
um sich stromabwärts
zu bewegen. Die Hohlräume
und Blasen sind in einer Vielzahl von Hinsichten schädlich für die Leistung des
Antriebssystems.
-
Ist
das Ausmaß der
Kavitation in dem Antriebssystem schwer genug, so tritt eine Blockierung des
Wasserstroms durch das System auf, was zu einer Kavitationsstörung oder
Schubstörung
führt,
bei der der nutzbare Schub des Systems katastrophal reduziert wird.
-
Wenn
die Hohlräume
oder Blasen von Wasserdampf in einen Bereich des Systems gelangen,
in welchem Drücke
in dem Strömungsfeld
oberhalb des Dampfdrucks von Wasser liegen, so tritt eine schnelle
Kondensation des Wasserdampfs auf, wenn die Blase in den flüssigen Zustand
zurückimplodiert.
Die Wirkung dieser Implosion ist gefährlich und resultiert in übermäßigen stoßartigen
Druckfluktuationen, welche kraftvoll genug sind, um die Struktur
der Antriebssystembauteile physikalisch zu beschädigen.
-
Implosionen
von Wasserdampfblasen werden zumindest Volumen- und Druckfluktuationen
verursachen, welche ausreichen, um Geräusche zu erzeugen. Darüber hinaus
führen
diese Fluktuationen zu Schwingungen sowohl der Antriebssystemstruktur als
auch der zugeordneten Hauptfahrzeugstruktur. Die Schwingungen können zu
Ermüdungsbrüchen der
Strukturen sowie auch zur Abstrahlung von zusätzlichen Geräuschen von
diesen sowohl innerhalb des Hauptfahrzeugs als auch in das Wasser
hinein führen.
-
Herkömmliche
bekannte Wasserstrahl-Antriebssysteme leiden im Allgemeinen unter
Kavitation. Typischerweise sind Wasserstrahl-Antriebssysteme derart
konstruiert, dass Fluktuationen der Größe und Richtung der Strömungsgeschwindigkeiten durch
keinerlei praktische Mittel ausreichend gemildert werden können, ohne
den Betriebsbereich des Hauptfahrzeugs ernsthaft einzuschränken. In
einigen Bereichen der Fahrzeugbetriebszustände ist die Kavitation heftig
genug, um zu physikalischer Beschädigung des Antriebssystems
oder zumindest zu einem beträchtlichen
Anstieg von Schwingungen und Geräuschen
zu führen.
-
In
der
US 3,972,646 ist
eine Schaufelstruktur gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 offenbart. Die Schaufeln der bekannten Schaufelstruktur
weisen an ihrer Vorderkante einen nach vorn abgeschrägten Bereich
auf und die gesamten Schaufeln sind relativ dick, um Kavitation
und damit einhergehende Geräusche
zu reduzieren. Es ist jedoch wünschenswert,
die Kavitation insbesondere nahe der Vorderkante einer Schaufel
weiter zu reduzieren.
-
Überblick über die
Erfindung
-
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flügelrad für eine Wasserstrahl-Antriebsvorrichtung
bereitzustellen, welche Kavitation insbesondere nahe der Vorderkante
einer Schaufel weiter reduziert. Eine weitere Aufgabe, welche von besonderem
Interesse für
ozeanographische Forschungsfahrzeuge, Freizeitfahrzeuge und Militärfahrzeuge
ist, ist die Erweiterung des Betriebsbereichs des Fahrzeugs, über welchen
keine kavitationsinduzierten Geräusche
und Schwingungen auftreten.
-
Die
vorstehenden Aufgaben werden gemäß der vorliegenden
Erfindung durch ein Flügelrad
für eine
Wasserstrahl-Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ein
solches Flügelrad
umfasst eine Mehrzahl von Schaufeln, wobei jede Schaufel signifikant
nach vorn, d.h., relativ zu einem an der Schaufel befestigten und
sich mit dieser drehenden Koordinatensystem gemessen, in einer Richtung
entgegengesetzt zu der des auftreffenden stromaufwärtigen Wasserstroms,
abgeschrägt
oder geschwungen ist. Auf diese Weise führt die Schaufelspitze die
weiter innen liegenden Abschnitte der Vorderkante in der Richtung
der Rotation an. Der nach vorn abgeschrägte Bereich erstreckt sich
von der äußeren Spitze
entlang von nicht weniger als 70% der Spannweite der Vorderkante
der Schaufel nach innen. Gemäß der Erfindung
werden sowohl die Maximaldicke der Schaufelquerschnitte als auch
die Radien der Vorderkante einer jeden Schaufel in einem dem nach
vom abgeschrägten
Bereich zugeordneten Abschnitt der Spannweite in einer Richtung
von der Wurzel zur Spitze zunehmend größer. Es ist auf diese Weise möglich, in
Bezug auf bekannte Flügelräder Kavitation,
insbesondere nahe der Vorderkante einer Schaufel, zu reduzieren.
Zusätzlich
kann so der Betriebsbereich des Fahrzeugs, über welchen kavitationsinduzierte
Geräusche
und Schwingungen nicht vorhanden sind, erweitert werden.
-
Die
vorliegende Erfindung kann auf ein Wasserstrahl-Antriebssystem angewendet
werden, welches zwei Schaufelreihen, eine rotierende und eine stationäre, aufweist.
Für irgendeine
gegebene Größe weist
ein solches System demzufolge einen größeren Widerstand gegen die
Entstehung von durch räumliche
und zeitliche Fluktuationen der Größe und Richtung der Strömungsgeschwindigkeit
hervorgerufener Kavitation auf als herkömmlich bekannte Wasserstrahl-Antriebssysteme.
-
Es
wird bevorzugt, dass der projizierte Abschrägungswinkel zwischen einer
Linie durch das Rotationszentrum und den Vorderkantenpunkt minimaler
Abschrägung
und einer Linie durch den Vorderkantenpunkt minimaler Abschrägung und
den Vorderkantenpunkt maximaler Abschrägung (an der Schaufelspitze)
größer als
35° und
vorzugsweise größer als
50° ist.
-
Die
Vorderkante der Schaufel nahe der Spitze ist aufgrund von Fluktuationen
des Auftreffens bezogen auf die stromaufwärtige Strömungsgeschwindigkeit typischerweise
die Stelle der frühesten
Entstehung von Kavitation. Der Effekt der maximalen Vorwärtsabschrägung an
der Spitze wirkt derart, dass dreidimensionale Strömungseffekte
eingebracht werden, welche zu einer Reduzierung von Spitzenwerten
der Schaufeloberflächendruck
Fluktuationen, die das Auftreten von Kavitation hervorrufen, führen. Die
Reduzierung der Fluktuationen der Spitzenwerte der Schaufeloberflächendrücke reduziert auch
die Schaufelbelastungsfluktuationen und die resultierenden Schwingungen,
wodurch die Verursachung von struktureller Beschädigung der Bauteile des Antriebssystems
aufgrund von Ermüdung
abnimmt.
-
Es
ist vorteilhaft, eine Vorwärtsabschrägung der
Schaufel an der Vorderkante bereitzustellen, ohne die Form der hinteren
Kante dementsprechend zu verändern.
Auf diese Weise werden die Sehnenlängen der Schaufel so vorgesehen,
dass sie zumindest in den äußeren 70%
der Schaufelspannweite größer werden,
was in einer Vergrößerung des
projizierten Schaufelflächenverhältnis resultiert.
Für eine bestimmte
Schaufelbelastung führt
eine Vergrößerung der
Schaufelfläche
zu einer Reduzierung der Größe des auf
einer Seite der Schaufel erzeugten Drucks. Die Gefahr von Kavitation
mit einhergehenden Fluktuationen wird dadurch reduziert. Insbesondere
beträgt
das projizierte Schaufelflächenverhältnis mehr
als 1,5, wobei das projizierte Schaufelflächenverhältnis definiert ist als die
Anzahl von Schaufeln multipliziert mit der in eine Ebene senkrecht
zur Rotationsachse projizierten Schaufelfläche und geteilt durch die Fläche des
in eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse projizierten Umrisses
aller Schaufeln. Das relativ große projizierte Schaufelflächenverhältnis resultiert
in niedrigeren Gesamtgrößen des Schaufeloberflächendrucks,
wenn Fluktuationen in Größe und Richtung
der Strömungsgeschwindigkeit nicht
vorliegen. Wenn solche Fluktuationen vorliegen, so wird die Tendenz,
dass Spitzenwerte der Fluktuationen des Schaufeloberflächendrucks
den Dampfdruck erreichen und somit Kavitation hervorrufen, dementsprechend
reduziert.
-
Es
wurde herausgefunden, dass die Kavitation hervorrufende Druckreduzierung
nahe der Vorderkante einer Schaufel, welche aus Fluktuationen des Auftreffens
mit Strömungsgeschwindigkeit
resultiert, durch einen vergrößerten Nasenradius
der Schaufelquerschnitte und durch eine Vorwärtsabschrägung oder einen Vorwärtsbogen
der Vorderkante in Richtung zur Schaufelspitze gemildert werden
kann. Der Vorteil des Nasenradius der Schaufelquerschnitte ist jedoch
durch die verstärkte
Druckreduzierung in der mittleren Strömung an den „Schultern" der Querschnitts-Nasen
begrenzt. Ferner bedeutet bei einer gegebenen geometrischen Stammform
für den Schaufelquerschnitt
ein vergrößerter Nasenradius eine
vergrößerte Schaufelquerschnittsdicke,
wodurch sich eine unakzeptable Blockierung und Kavitation in der
mittleren Strömung
zwischen den Schaufeln ergeben kann.
-
Durch
Reduzieren der Druckreaktion auf Geschwindigkeitsfluktuationsänderungen
des Auftreffens wird der kleiner als gewünscht ausgebildete, dem Konstrukteur
zur Verfügung
stehende Nasenradius durch die nach außen vorwärts abgeschrägte Schaufelvorderkante überkompensiert.
Für eine
gegebene Auftrefffluktuation, Umgebungsdruck und Geschwindigkeit
wurde herausgefunden, dass der kompensierende Vorderkantenabschrägungswinkel umgekehrt
proportional zur Quadratwurzel des Querschnittsnasenradius ist.
-
Eine
andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Umfangsrandbandstruktur,
welche die Ränder
der Flügelradschaufeln
umläuft
und an diesen befestigt ist und welche der Verhinderung von Kavitation
in einem Randzwischenraum dient und der Schaufel-Flügelrad-Anordnung eine
verbesserte strukturelle Integrität verleiht. Das Randband kann
teilweise oder vollständig
ausgebildet sein, d.h. es kann sich nur entlang eines Teils oder
sich entlang der gesamten axialen Erstreckungen der Schaufeln erstrecken.
-
Beschreibung der Zeichnungen
-
Für ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung sowie deren Vorteile kann auf die folgende
schriftliche Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen Bezug genommen
werden, welche im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu sehen sind.
-
1 ist
eine schematische piktographische Explosionsansicht einer Anordnung
eines Marine-Wasserstrahl-Antriebssystems, welche eine Ausführungsform
eines Flügelrads
enthält,
bei welcher an der Vorderkante einer jeden Schaufel eine Vorwärtsabschrägung gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen ist;
-
2 ist
eine seitliche Querschnittsansicht der Anordnung des Marine-Wasserstrahl-Antriebssystems
der 1, welche dieses im zusammengebauten Zustand zeigt
und eine Ansicht entlang der Linien 2–2 von 3 ist;
-
3 ist
eine Vorderansicht der Anordnung der 1 und 2;
-
4 ist
eine piktographische Ansicht des Flügelrads der Anordnung der 1 bis 3;
-
5 ist
eine Vorderansicht des Flügelrads von 4;
-
6 ist
eine Seitenansicht des Flügelrads der 4 und 5;
-
7 ist
eine Darstellung einer der Schaufeln des Flügelrads der 4 bis 6,
in welcher die Schaufelquerschnitte in eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse
des Flügelrads
projiziert sind;
-
8 ist
eine Darstellung, welche die Außenrandkontur
einer einzelnen, in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des
Flügelrads
projizierten Schaufel zeigt; und
-
9 ist
eine Darstellung, welche die kombinierten Konturen der Wurzeln und
Spitzen aller in eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Flügelrads
projizierten Schaufeln zeigt.
-
Beschreibung der Ausführungsformen
-
Ein
Wasserstrahl-Antriebssystem für
Wasserfahrzeuge 20, welches eine stationäre Schaufelreihe
und eine rotierende Schaufelreihe verwendet, ist allgemein und schematisch
in 1 bis 3 gezeigt. Die rotierende Schaufelreihe
oder das Flügelrad 22 wird
in Verbindung mit der stationären
Schaufelreihe oder dem Diffusor 24 dazu verwendet, auf den
Wasserstrom durch das Antriebssystem Energie einwirken zu lassen,
welche zur Erzeugung eines nutzbaren Schubs verwendet werden kann.
Die übrigen
Bauteile des gezeigten Wasserstrahl-Antriebssystems für Wasserfahrzeuge,
welche ein Flügelradgehäuse 26,
einen Diffusornabenkonus 28 sowie eine Ausgangsdüse 30 umfassen,
werden dazu verwendet, den Wasserstrom aufzunehmen und ihn durch
das Antriebssystem hindurch zu lenken.
-
Der
Wasserstrom tritt in das Flügelradgehäuse 26 ein
und wird auf das Flügelrad 22 einwirken
gelassen. Das Flügelrad 22 vergrößert die
Energie des Wasserstrahls durch das Antriebssystem, was zur Erzeugung
eines nutzbaren Schubs verwendet werden kann. Zusätzlich verleitet
das Flügelrad 22 dem Wasserstrom
Rotationsenergie, welche nicht zur Erzeugung eines nutzbaren Schubs
verwendet werden kann. Der Strom setzt sich durch das Antriebssystem fort
zum Diffusor 24, an welchem die von dem Flügelrad 22 verliehene
Rotationsenergie in solche Energie umgewandelt werden kann, die
wiederum zur Erzeugung nutzbaren Schubs genutzt werden kann. Der Konus 28 und
die Ausgangsdüse 30 wandeln
gemeinsam die Energie, welche dem Wasserstrom durch das Antriebssystem
aufgrund der Wirkung des Flügelrads
und des Diffusors verliehen wurde, in nutzbaren Schub um.
-
Das
Flügelrad 22 weist
eine Nabe 40 auf, welche im gewissen Maße in der Form einer Hälfte eines
Football-Balls ausgebildet und ein axiales Loch 42 aufweist,
das eine Antriebswelle (nicht gezeigt) aufnimmt, wobei das Flügelrad an
der Nabe befestigt ist. Sechs identische, in Umfangsrichtung in
gleichmäßigen Abständen voneinander
angeordnete Flügelradschaufeln 44 verlaufen
in einer Reihe um die Nabe 40 herum. Die Schaufelspitzen
sind in engem laufenden Abstand zur Innenfläche des Flügelradgehäuses 26 angeordnet.
Die Vorderkante eines jeden der sechs Schaufeln 44 des
Flügelrads 22 ist
in der nachfolgend beschriebenen Weise mit einer Vorwärtsabschrägung versehen.
-
Obwohl
die in den Zeichnungen gezeigte und hier beschriebene Ausführungsform
des Flügelrads 22 ein
Flügelrad
vom Schraubenradtyp ist, kann die vorliegende Erfindung auf viele
verschiedene Konstruktionen von Flügelrädern angewendet werden, einschließlich Typen
mit Vorlaufrad, axialen Typen und Kreiselpumpentypen, sowie auf
Flügelräder mit verschiedenen
Anzahlen von Schaufeln.
-
7 zeigt
eine einzelne Flügelradschaufel 44 in
graphischer Form. Die zwanzig Doppellinienkurven C1, C2 usw. sind
Projektionen von Schaufelquerschnitten in einer Ebene senkrecht
zur Achse A des Flügelrads 22,
wobei die Schaufelquerschnitte durch Schnitte der Schaufel durch
zwanzig im gleichen Abstand voneinander angeordnete, imaginäre doppelt
gekrümmte
Schnittflächen
gebildet sind, von denen jede durch Kreisen einer Strömungslinie
des Strömungswegs
des Wassers durch den Kanal zwischen der Außenfläche der Nabe 40 und
der Innenfläche
des Flügelradgehäuses 26 um
die Achse A erzeugt wird. Der Wurzel-Schaufelquerschnitt C1 und der
Spitzen-Schaufelquerschnitt C20 zeigen die Erstreckung der Schaufel
in der Richtung der Spannweite, während der Vorderkantenrand 52 und
der Hinterkantenrand 54 die Erstreckung der Schaufel in der
Richtung der Sehnenlänge
zeigen. Die Linie SLmin der minimalen projizierten
Abschrägung
ist durch die Rotationsachse A des Flügelrads und durch den Punkt
der minimalen projizierten Abschrägung SPmin gezogen.
-
Die
Linie SLmax maximaler projizierter Abschrägung ist
durch den Punkt minimaler projizierter Abschrägung SPmin sowie
den Spitzenpunkt 56 der Vorderkante gezogen. Der projizierte
Abschrägungswinkel α zwischen
der Linie SLmax maximaler projizierter Abschrägung und
der Linie SLmin minimaler projizierter Abschrägung ist
größer als
35° und
vorzugsweise größer als
50°. Vorwärtsabschrägung wird entlang
des Abschnitts der Vorderkante der Schaufel zwischen dem Spitzenpunkt 56 der
Vorderkante und dem Punkt SPmin minimaler
projizierter Abschrägung beibehalten,
wobei entlang dieses Abschnitts der Betrag der Abschrägung vom
Punkt 56 aus zunehmend kleiner wird. Der Punkt SPmin minimaler projizierter Abschrägung befindet
sich in einem Abstand von der Spitze, welcher nicht kleiner ist
als 70% der projizierten Spannweite der Schaufel.
-
8 zeigt
eine genau orthogonale Projektion des durch den Außenrand
einer einzelnen Flügelradschaufel 44 eingeschlossenen
Gebiets in eine senkrecht zur Rotationsachse A verlaufende Ebene. 9 zeigt
eine genaue orthogonale Projektion des durch den kombinierten Außenrand
aller sechs Schaufeln 44 des Schaufelrads 26 eingeschlossenen Gebiets
in eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse A. Das projizierte Schaufelflächenverhältnis, welches durch
Multiplizieren der Anzahl an Schaufeln des Schaufelrades mit der
projizierten Fläche
einer einzelnen Schaufel (8) sowie
Dividieren durch die von dem kombinierten Außenrand aller sechs Schaufeln
eingeschlossenen Fläche
(9) berechnet wird, ist größer als 1,5.