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Flügelrad-Schiffspropeller Die Erfindung betrifft Flübelrad#propeller
mit zur Propelllerachse annähernd oder genau parallelen, vollständig ins Wasiser
eingetauchten Flügeln, die um ihre Achsen während der Raddrehung eine Schwingung
ausführen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein Flügelradpropeller
dann den besten Wirkungsgraderreicht, wenn sich die gesamte Belastung nicht, nur
zu möglichst gleichen Teilen auf die jeweils vordere und, hintere Radhälfte verteilt,
sondern wenn. außerdem auch. alle Einzelflügel zur Vermeidung von Kavitation und
Wirküugs,gradeinbuße möglichst richtig belastet sind. Ein Fllügelradpropeller arbeitet
nun bekanntlich im freien Wasserstrom als, Verbundpropeller, d. h. die Flügel der
jeweils hinteren Radhälfte werden im wesentlichen von, einem Wasser beaufschlagt,
.das von den Schaufeln der vorderen Radhälfte schon einmal verarbeitet, und zwar
beschleunigt wundre. Diese ungleichmäßige Zustrorngeschwindigkeit zu den jeweils
vorderen und hinteren Flügeln bedingt eine ungleichmäßige Belastung der beiden Radhälften,
und
zwar eine stärkere Belastung der vorderen Hälfte gegenüber der
hinteren, wenn vordere und hintere Radhälfte hinsichtlich ihrer Form und des Bewegungsgesetzes
ihrer Schaufeln symmetrisch ausgebildet sind. Die Belastung ist nämlich proportional
dem Slip und dieser um so kleiner, je größer bei gleichbleibender Steigung die Zustromgesch-,vindigkeit
ist.
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Um diese ungleichmäßige Belastung von vorderer und hinterer Radhälfte
auszugleichen, ist bereits vorgeschlagen worden, dem Flügelprofil eine schärfere
Krümmung zu! geben, da eine solche Verkleinerung des Krümmungshalbmessers des Schaufelprofils
unter sonst ungeänderten Verhältnissen eine Verschiebung der Lastverteilung im Sinne
einer Entlastung der vorderen und einer B:e!lastung der hinteren Radhälfte verursacht.
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Ein anderer Vorschlag geht dahin, die Amplitude der Flügelschwingung
in der vorderen Radhälfte kleiner zu machen als in der hinteren Radhälfte, derart,
daß an. jeder Stelle des hinteren Halbkreises der Flügelwinkel um einen gewissen
Betrag größer ist, als an der in bezug auf den Querdurchmesser .genau gegenüberliegenden
Stelle.
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Der erste Vorschlag ist nicht zur Ausführung gekommen, weil gerade
für Propeller mit -kleinen Belastungsgraden die stärkste Krümmung der Flügel erforderlich
wird, bei denen: die Gefahr der Hählraumbildung an sich schon sehr groß ist und
durch die angegebene Maßn:ahmenocherheb:lichvergrößert würde.
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Der zweite Vorschlag dagegen wurde vielfach verwirklicht und hat eine
merkliche Wirkungsgradverbesserung gebracht.
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Inzwischen ist es gelungen, durch Versuche festzustellen, daß auch
der erwähnte Belastungsausgleich: zwischen vorderer und hinterer Radhälfte noch
keineswegs eine einigermaßen: gleichmäß ige Belas tung svertei lung über den ganzen
Schaufelkreis ergibt. Es hat sich vielmehr gezeigt, daß, bei einer Einteilung des
Propellerkreises durch einen Querdurchmesser und einen Längsdurchmesser in vier
Quadranten, der auf der Seite der Exzentrizität gelegene, von der Flüssigkeit zuerst
durchströmte Quadrant II, am stärksten an der Schuberzeugung beteiligt ist, während
der andere zuerst von der Strömung getroffene OOuadrant I erheblich: schwächer belastet
ist. Hierdurch ist außerdem eine zu schwache Belastung des linken hinteren Quadranten
III und eine zu starke Belastung des rechten hinteren Quadranten IV bedingt.
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In dieser Erkenntnis schlägt die Erfindung einen im Vergleich zu den
bekannten Lösungen wesentlich vollkommeren Belastungsausgleich durch eine solche
Ausbildung des Propellers vor, daß die Flügelwinkel gegenüber- den bei der strengen
Normalenschnittkinematik sich ergebenden Größen wenigstens in den hauptsächlich
wirksamenBereichen oder wenigstens im Durchschnitt der einzelnen Quadranten, im
Quadranten I größer und im Quadranten II kleiner sind. Unter den hauptsächlich wirksamen:
Bereichen der einzelnen Quadranten ist dabei in, der vorderen. Radhälfte im wesentlichen
der symmetrisch zum Längsdurchmesser des Propellers gelegene vordere Quadrant gemeint.
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Durch die Einstellung größerer Anstellwinkel der denersten Quadranten
durchlaufenden Flügel wird dieser Quadrant stärker belastet und entsprechend die
Flüssigkeit in i diesem Ouadrant.en stärker beschleunigt, so daß sie dem gegenüberliegenden
Quadranten IV mit größerer Geschwindigkeit zuströmt, was zwangsläufig wenigstens
zum Teil die gewünschte Entlastung dieses Quadranten mit sich bringt.
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Entsprechend kann durch Verkleinerung der Anstelliwinkel im O_uadranten
1I eine Entlastung dieses Quadranten und zwangsläufig eine Belastung des, gegenüberl!iegenden
Quadranten: erzielt werden.
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Zusätzlich zu oder statt einer Vergrößerung der Flügelwinkel im I.
und einer Verkleinerung der Flügelwinkel im 11. Quadranten kann eine Verkleinerung
der Flügelwinkel im IV. und eine Vergrößerung der Flügelwinkel im 11I. Quadranten,
vorgesehen: werden, wobei diese beiden Maßnahmen, vorteil'hafterweise gleichzeitig
angewendet, sich gegenseitig ergänzen.
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Die Durchführung von Versuchen mit im Sinne dieser Erfindung geänderten
Flügelwi.nkelkurven hat eine geradezu überraschende Wirkungs:gradveribe#serung gebracht.
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Eine Flügelwinkelkurve gemäß der Erfindung mit einem Belastungsausgleich
derart, daß die Flügel;w'inkel im I. und III. Quadranten vergrößert und im Il. und
IV. Quadranten verkleinert sind, stellst sich in einer besonderen: Form als eine
normale, d. h. als eine beispielsweise bei: der Normalenschnittkinematik sich ergebende
Flügelwinkelkurve dar, die: entgegen dem Umlaufsinn des Propellers. um einige Grad,
vorzugsweise d. bis 12 cl, parallel zu sich selbst verschoben ist. Eine solche
Flügel-,vinkelkurve läßt sich in einfacher Weise dadurch verwirklichen, daß ein.
Propeller mit bekannter unveränderter Kinematik, und zwar beispielsweise mit strenger
Normalenschnittkinematik, oder mit einer Kinematik mit Belastungsausgleich zwischen
vorderer und hinterer Radhälifte, derart verdreht in das, Schiff eingebaut wird,
daß bei Einstellung des Steuerpunktes des Propellers auf gerade Vorausfahrt der
Querdurchmesser, auf dem der Steuerpunkt für die Änderung
der Propellersteigung
verschoben wird, nicht senkrecht zur. Schiffslängsrichtung verläuft, sondern um
die obergenannten Winkelgrade, also vorzugsweise um q. bis 12i°' entgegen der Drehrichtung
des Propellers, verdreht ist. Entsprechend kommen .die etwa zur Veränderung der
Lage des Normalschnittpunktes verwendeten, um 9o1°` gegeneinander versetzten Servomotoren
im Vergleich zu der, bisherigen Ausführung für eine neue Lage, die ebenfalls um
den gleicher Winkel wie der Steuerpunkt entgegen der Drehrichtung dies Propelllers
verdreht ist.
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Eine weitere Verbesserung - läßt sich im Rahmen dien hier vorgeschlagenen.
Lösung mixt Propellerverdrehung daadurch erzielen, daß man schon bei der Konstruktion
des Propellers, und zwar beispielsweise bei der Festlegung seiner Zahnradübersetzung
dafür Sorge trägt, daß der Propeller mit etwasi kleinerer Drehzahl angetriebenwirdals
ein entsprechender Propeller, der in üblicher Weise unverdreht einbgebaut ist. Mit
der Stralilverdrehung oder besser gesagt Propellerverdrehung kann man nämlich infolge
der erreichten Wirkungsgradverbes:serung gegenüber dien nicht verdrehten Stellung,
bei gleicher aufgenommener Leistung eine höhere Geschwindigkeit erreichen, und zwar
bei kleinerer Propellerdrehzahl. Bei gleicher Drehzahl würde eine: größere Leistung
aufgenommen, was in den meisten Fällen eine unzulässige Überlastung der Antriebsmaschine
bedingen würde. Es wird daher. vorteilhafterweise, wie oben angegeben, schon bei,
der Konstruktion des Propellers auf diesen Gesichtspunkt Rücksicht genommen und
etwa die Übersetzung im Antrieb des Propellers so gewählt, daß dieser mit kleinerer
Drehzahl: wie üblich läuft.
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Diese Überlegungen zeigen auch, ,daß es grundsätzlich zwei verschiedene
D"inbge sind, ob man mit einem üblicher Propeller, dessen Steuerpunkt also bei seiner
Einstellung auf volle Fahrt voraus auf dem senkrecht zur Schiffslängsachse -liegenden
Querdurchmesser dese Propellers liegt, im Betrieb den Steuerpunkt verdreht, um etwa
einten Erfolg zu erzielen, wie er durch vorliegende Erfindung erreicht wird, oder
ob hierzu der. Propeller von vornherein richtig bemessen und außerdem verdreht in
das Sch,irff eingebaut ist. Im ersteren Fall müßte nämlich dann, wenn die Antriebsmaschinen
schon ohne Steuerpunktve.rdrehung mit -ihrer Höchstleistung arbeiten, die Drehzahn
bei- Steuerpunktverdrehung soweit absinken, bis das Gleichgewicht zwischen, Maschinen-
und Propellermoment wieder, hergestellt ist. Das bedeutet, daß bei Steuerpunktverdrehung
nicht mehr die volle Maschinenleistung zur Verfügung steht, ein Zustand, dien für
geraldie Vorausfahrt, nicht tragbar ist. Die an sich durch Steuerpunktverdrehung
erreichbare Wi.rkungsgra,dverbesserung würde hierbei durch den anbmelgebenen Nachteil
mindestens, größtenteils wieder aufgewogen.
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Selbstverständlich kann die Erfindung auch in geeigneter anderer Weise,
und zwar durch eine entsprechend ausgeführte Flügelantriebskinematik, verwirklicht
werden. Diese ist so auszugestalten, daß jeder Flügel die oben angegebenen Winkel
während der Raddrehung mit der Tarngerte an den; Flügelkreis, bildet. Die Flügeluntriebskinematik
kann dabei so ausgeführt wenden, daß der hydraulische Normalenschnittpunktjedes
Flügels mit dem Propellerquerdurchmesser während, jeder Drehung des Flügels um die
Propellerachse zweimal auf dem Querdurchmesser hin und her pendelt. Diese Pendelung
ist dabei durchaus unstetig und kann in der Weise erfolgen, daß der hydraulische
Normalenschnittpunkt jedes Flügels im OuadrantenI etwa in der Nähe dies. Flügelkreises
liegt, dann, für die Flügelstellungen im. Quadranten II allmählich bis, zu der im.
Rücklaufquadranten günstigsten Minimalentfernung vom Radmittelpunkt hereingeht,
um sich dann insbesondere im ersten Teil des Quadranten III wieder mehr dem Flügelkreis
zu nähern als in den entsprechenden Stellungen für den Quadranten II. Erst im Bereich
des Quardrantern IV hat sich dann der. Normalenschnittpunkt wieder merklich dem
Flügelradmittelpunkt zu. nähern, um dann im letzter Teil des Quadranten IV und vielleicht
noch im ersten Teil. des Quadranten I wieder biegen den Flügelkreis zu wandern.
Natürlich ist diese, hiermit angegebene Lösung nur ein Ausführungsbeispiel, das
im Einzelfalle eine beliebige Abänderung erfahren kann, sofern nur die Grundforderung
dieser, Erfindung erfüllt ist. Wesentlich ist dabei, daß die Anstellwinkel der Flügeln
an jeder Stelle des Schaufelkreises so groß gewählt werden, daß stets alle Flügel
richtig belastet sind, wobei nicht nur dem Umstand Rechnung zu tragen ist, daß die
hintere Radhälfte,im wesentlichen von Wasser beaufschlagt wird, das, in der vorderen
Radhälfte bereits beschleunigt wurde, sondern auch dem Umstand, diaß die Strömungsrichtung
des Wassers, im Propeller erheblich von einer parallelen Strömung abweicht und großenteils
stark gekrümmt ist.
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Auch den früherer Erkenntnissen, daß beispielsweise die den Propeller
umgebende Strömung wenigstens im Vorfaufquadranten im allgemeinen nicht am Schnittpunkte
des Querdurchmessers mit dem Flügelkreis tangiert, sondern vorzüglich im Drehsinn
des. Propellers erst. einige Winkelgrade nachher, kann bei der, angegebenen Wanderung
des Normalenschnittpunktes Rechnung getragen werden.
Es zeigt sich,
daß hierbei die Forderung nach einer Verkleinerung der Winkel im Quadranten IV und
einer Vergrößerung der Winkel im Quadranten: I leichter erfüllt werden kann. Auch
an der Übergangsstelle vom Quadranten II zum Quadranten III ergibt eine Verlagerung
der Tangentialstellung derart, daß diese schon vor dem Punkt r8o° eintritt, eine
Verbesserung der Verhältnisse.
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Während bei der Lösung durch Steuerpunktpendelung auf die Tangentiallage
der Schaufeln besonders Rücksicht zu nehmen ist, ergibt sich die geeignete Tangentialstellung
bei der Lösung durch Propellerdrehung von selbst.
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Das Maß des Belastungsausgleiches zwischen den einzelnen Quadranten,
also beispielsweise das Maß der Verdrehung des Propellers hängt von den verschiedensten
Umständen ab. Unter anderem ist dabei auf die Lage der Umkehrpunkte der Flügelwinkelkurve,
auf den Schubbelastungsgrad, auf -die Schiffsform und die Nachstromverhältnisse,
insbesondere auch auf den Verlauf der Strömung im Propeller selbst Rücksicht zu
nehmen.
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Bei der durch die Erfindung vorgeschlagenen Lösung, bei. der der Propeller
entgegen seinem Drehsinn verdreht in das Schiff eingebaut wird, können: Querkräfte
auftreten, die aber beispielsweise bei einem Zweipropellerantrieb mit entgegengesetzt
drehenden Propellern den Gleichgewichtszustand des Schiffes bei gerader Vorausfahrt
nicht beeinflussen, weil sich die entgegengesetzt gerichteten Querkräfte der Propeller
vollständig als innere Kräfte aufheben. Beim Antrieb mit nur einem Propeller oder
einer ungeraden Anzahl von Propellern bleibt jedoch eine solche Querkraft eines
Propellers frei wirksam und kann in bekannter Weise dadurch ausgeglichen werden,
daß ein Propeller gegenüber der Schiffslängsachse seitlich versetzt angeordnet wird.
Diese Anordnung bildet jedoch keinen Teil der Erfindung.
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An Hand der Abbildungen sei die Erfindung im folgenden noch einmal
eingehend erläutert.
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Abb. i zeigt den Flügelkreis i eines schnellläufigen Flügelradpropellers,
dessen Schaufeln 2 sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit um den Mittelpunkt 3 im
Sinne des Pfeiles q. drehen und dabei um ihre auf dem Flügelkreis liegenden Achsen
eine gesteuerte Schwingbewegung ausführen, derart, daß sich die auf der Schaufelprofilsehne
senkrecht stehenden Geraden, die Normalen 5, bei dem hier angenommenen Bewegungsgesetz
alle in einem auf dem Querdurchmesser DD und innerhalb des Flügelkreises
liegenden Punkt N schneiden.
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Die Winkel a, die die Flügelsehne jedes Flügels eines solchen Propellers
in den einzelnen Flügelstellungen mit der Tangente an den Flügelkreis bildet, über
dem Kreisumfang als Abszisse aufgetragen, ergeben den in Abb. 2 gezeigten Kurvenzug,
die Flügelwinkelkurve 6. Gestrichelt ist außerdem dieselbe Flügelwinkelkurve um
einige Grade nach links verschoben als Kurvenzug 7 eingezeichnet. Wie ohne weiteres.
ersichtlich, bringt diese Parallelverschiebung der Kurve im Quadranten I durchweg
eine Vergrößerung der Flügelwinkel, im Quadranten II im Durchschnitt eine Verkleinerung,
im Quadranten III wiederum eine Vergrößerung und im Quadranten IV eine Verkleinerung
der Flügelwinkel.
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Abb. 3 zeigt unter 8 eine Flügelwinkelkurve, wie sie sich bei dem
oben angegebenen älteren Vorschlag ergibt, wonach die Amplitude der Flügelschwingung
im hinteren Halbkreis größer ist als im vorderen. Derselbe Kurvenzug ist unter der
Bezeichnung 9 um einige Grade nach links verschoben dargestellt. Es zeigt sich,
daß auch bei solchen Propellern der Vorschlag der Erfindung, den Propeller um einige
Grade verdreht in das Schiff einzubauen, die gemäß der Erfindung erforderliche Winkeländerung
in den einzelnen Quadranten bringt, nämlich wenigstens im Durchschnitt eine Verkleinerung
der Winkel in den Quadranten II und IV und eine Vergrößerung der Flügelwinkel in
den Quadranten I und III.
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Abb, q. zeigt wie gemäß dem einen Vorschlag der Erfindung ein Propeller,
der beispielsweise miteinerKinematikausgerüstet ist, bei der sich die Normalen auf
den Flügeln bei Einstellung auf volle Fahrt voraus alle angenähert in einem Punkt
N1 schneiden, in einem Schiff einzubauen ist. Dabei ist angenommen; daß sich durch
die Verdrehung des Propellers eine freie Querkraft ergibt. io ist das Heck des Schiffes,
in das der Propeller i i mit um den Winkel cp verdrehtem Steuerdurchmesser
DD und um den Betrag 12 gegen die Längsachse 13 des Schiffes versetzt angeordnet
ist.
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In Abb. 5 ist nochmals ein Propeller durch seinen Flügelkreis 14 und
eine Anzahl von Flügelstellungen dargestellt, wobei gezeigt ist, wie durch Wanderung
des Normalenschnittpunktes N jedes Flügels während dessen Bewegung um den Radmittelpunkt
o in den Quadranten I und III verhältnismäßig große Winkel, und in den (Quadranten
II und IV im Vergleich zur üblichen Ausführung verhältnismäßig kleine Winkel eingestellt
werden können; dabei sind die Winkel in den einzelnen Stellungen der Quadranten
I und III erheblich größer als an den in bezug auf den Querdurchmesser gegenüberliegenden
Stellungen.
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Es versteht sich von selbst, daß die neue Lehre dieser Erfindung auch
in Kombination
mit an sich bekannten oder noch nicht veröffentlichten
älteren Vorschlägen Anwendung finden kann.