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Flügelradpropeller, insbesondere für Wasserfahrzeuge Die Erfindung
bezieht sich auf einen Flügelradpropeller, insbesondere für Wasserfahrzeuge, bei
dem die stets vollständig ins Wasser eingetauchten, mit ihren Achsen etwa parallel
zur Propellerachse angeordneten Flügel im Takt mit dem Propellerumlauf eine gesteuerte
Schwingbewegung ausführen. Sie bezweckt, die Schwingungen der Flügel so zu lenken,
daB diese sich in der Nähe der vertriebsfreien Lagen möglichst gut der Relativströmung
anschmiegen.
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Unter den »vertriebsfreien Lagen« der Flügel versteht man diejenigen
Stellungen, in denen die von den Flügeln auf das strömende Mittel ausgeübten Kräfte
keine entgegen der Fahrtrichtung gerichtete Resultante ergeben, also wo sie keine
Kraft erzeugen, welche zum Vortrieb des Fahrzeugs beitragen könnte. Entsprechend
der Natur solcher Flügelradpropeller ist dies in der Nähe der Schnittpunkte des
Querdurchmessers mit dem Flügelkreis der Fall, während die stärksten Vertriebskräfte
in der Nähe der Schnittpunkte des in der Fahrtrichtung liegenden Längsdurchmessers
mit dem Flügelkreis ausgeübt werden. Da die Flügel während ihres Umlaufes auf der
einen Seite des Flügelkreises der Strömungsrichtung sich entgegen (nach vorn) bewegen
und auf der andern Radkreishälfte sich im Sinn der Strömung (nach
hinten)
bewegen. so unterscheidet man entsprechend zwischen einer Vorlaufhälfte und einer
Rücklaufhälfte des Flügelkreises. Wegen der geringen Relativgeschwindigkeiten spielen
hierbei die Verhältnisse auf der Rücklaufhälfte des Flügelkreises eine untergeordnete
Ralle, so daß es praktisch genügt, die Vorlaufhälfte zu berücksichtigen.
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Die bisher bekanntgewordenen Flügelantriebsgestänge solcher Propeller
sind so ausgelegt, daß die Flügel in der Vorlaufhälfte ebenso wie in der Rücklaufhälfte
ihre Tangentialstellung zum Flügelkreis an den Endpunkten des Querdurchmessers einnehm2n.
Diese Ausführungen bauen auf der Annahme eines zum Längsdurchmesser parallelen Verlaufes
der Strömung auf. -Neue Untersuchungen der Strömungsverhältnisse bei derartigen
Propellern haben jedoch ergeben, daß die Stromfäden keineswegs parallel zur Fahrtrichtung
verlaufen, sondern abhängig von der Schiffsform, von der Einbaustelle des Propellers
und den N achstromverhältnissen einen wesentlich anderen Verlauf haben. Insbesondere
zeigt sich eine Einschnürung des Strombündels in der -Nähe des Querdurchmessers,
die dazu führt, daß die Berührungspunkte dar äußeren Stromfäden am Flügelkreis nicht
mit den Endpunkten des zur Fahrtrichtung senkrechten Querdurchmessers zusammenfallen,
sondern hierv an um einen gewissen Wirthel abweichen. Die Folge davon ist, daß sich
dann, wenn die Flügel, wie dies bisher ganz allgemein ausgeführt wurde, an den Endpunkten
des Querdurchmessers eine tangentiale Lage einnehmen, eine schlechte Anpassung der
Flügel an die Stromfäden und damit ein schlechter Wirkungsgrad für den Propeller
ergibt.
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Gemäß der Erfindung wird daher von der bekannten Kinematik bewußt
abgewichen und vorgeschlagen, das Flügelantriebsgestänge, also den Steuer- und Bewegungsmechanismus
für die schwingenden Flügel, derart auszulegen, daß die Flügel in der Vorlaufhälfte
des Flügelkreises ihre Tangentialstellung nicht am Endpunkt des Querdurchmessers,
sondern an derjenigen Stelle des Flügelkreises einnehmen, an der die Strömung am
Flügelkreis tangiert, und zwar kommt als Winkelbereich, innerhalb dessen sich die
Abweichung gemäß der Erfindung gegenüber den bisherigen Ausführungen bewegen soll,
je nach den Einbau- und Strömungsverhältnissen ein Zentriwinkelbereich von maimal
a5° beiderseits des Querdurchmessers in Frage.
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Da, wie bereits weiter oben erwähnt, diese Verhältnisse auf der Vorlaufhälfte
des Rad- I kreis-es Beachtung verdienen, während sie auf li der Rücklaufhälfte wegen
der dort herrschenden geringen Relativgeschwindigkeit vernachlässigt werden können,
so sollen erfindungsgemäß Regeln für die Flügellage mit Rücksicht auf das Strömungsbild
nur für die Vorlaufhälfte des Radkreises angegeben werden.
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Die Größe des angegebenen Winkels ist außer von der Kinematik des
Propellers noch von der Summe aller die Strömungsrichtung bestimmenden Faktoren,
besonders auch von der Schiffsform, die selbst die Bugausbildung noch umfaßt, abhängig.
Zur genauen Feste legung derjenigen Stelle, an der in jedem i Einzelfall die Flügel
in der Vorlaufströmung ihre Tangentiallage zum Flügelkreis einnehmen sollen, also
zur Festlegung der Konstruktionsbedingungen für den Flügelantriebsmechanismus, kann
etwa, solange nicht genügend Erfahrungswerte vorliegen, der Modellversuch dienen.
Ob die Flügel in der Vorlaufströmung ihre Tangentiallage vor oder hinter dem O_uerdurchmesser
einnehmen und in welcher Entfernung hiervon, hängt, wie erwähnt, von den Verhältnissen
iti jedem Einzelfall ab. Da die Verhältnisse bei Rückwärtsfahrt denen bei Vorwärtsfahrt
spiegelbildlich zum Längsdurchmesser gleich sind und nicht spiegelbildlich zum Querdurchmesser,
hat die Plus-Minus-Bezeichnung des erfindungsgemäßen Winkelbereiches von maimal
z5° keinen Bezug zur Fahrtrichtung, denn bei Rückwärtsfahrt wechseln die durch den
Längsdurchmesser gebildeten Propellerhälften ihren Charakter als Vorlauf- und Rücklaufhälfte.
Bei Rückwärtsfahrt ist also die andere Propellerhälfte die Vorlaufhälfte, und es
gilt dann hinsichtlich der Abweichung von der üblichen Tangentiallage das gleiche
mit Bezug auf den anderen Schnittpunkt des Querdurchmessers mit dem Flügelkreis.
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Mit Rücksicht auf andere Forderungen kann es erwünscht oder erforderlich
sein. die Tangentiallage der Flügel in der Vorlaufströmung nicht genau dort einzustellen,
wo die Strömung den Flügelkreis tangiert. Bei einer solchen Abweichung von der streng
richtigen Lage ist jedoch zu berücksichtigen, daß hierbei der Wirkungsgrad abfällt
und daß außerdem die Kavitationsgefahr zunehmen kann. Es ist jedoch bekannt, daß
ohne erheblichen Wirkungsgradabfall und ohne unzulässige Vergrößerung der Kavitationsgefahr
eine Abweichung um einige Grad zulässig ist. Eine noch größere Rolle für die noch
zulässige Abweichung spielt aber die Frage der Ouerkrafterzeugung; denn es hat sich
gezeigt, da.Iä schon geringe Abweichungen bis zu r Grad der Flügelstellungen von
der strömungstechnisch richtigen Lage unzulässig große Querkräfte ergeben, so daß
ein von einem Propeller oder einer ungeraden Anzahl von Propellern angetriebenes
Schiff aus der
gewollten Bahn abweicht, wenn nicht zusätzliche Seitensteuerungen
vorgenommen werden, während ein von einer geraden Anzahl von Propellern angetriebenes
Schiff mit einer durch die Querkraft verminderten Antriebskraft, also mit verminderter
Geschwindigkeit läuft. Schon bei den bisher bekannten Ausführungen von Flügelradpropellern
der hier in Frage stehenden Gattung war demnach mit Rücksicht auf die Querkraft
höchstens eine Abweichung bis zu r° zulässig. Diese Abweichung ist natürlich nicht
Gegenstand vorliegender Erfindung, weshalb auch durch diese solche Fälle nicht gedeckt
werden, bei welchen die Tangentialstellung der Flügel in der Vorlaufhälfte r° vor
oder hinter dem Schnittpunkt des Querdurchmessers mit dem Flügelkreis erreicht wird,
es wäre denn, da.ß nachweisbar die Strömung gerade an dieser Stelle tangential zum
Flügelkreis verläuft. Andererseits aber umfaßt die Erfindung eindeutig auch eine
solche Ausführung, bei welcher die Flügel in der Vorlaufhälfte ihre Tangentiallage,
z. B. 26°, vor dem Schnittpunkt des Ouerdurchmessers einnehmen, sofern die Strömung
bei 25° am Flügelkreis tangiert.
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Es empfiehlt sich, den Flügelmechanismus so auszubilden, daß die Verschiebung
der Tangentialstellung der Flügel bei allen Betriebszuständen des Propellers eintritt,
also nicht nur bei Einstellung des Steuerzentrums auf volle Fahrt voraus und auf
Rückwärtsfahrt, wie bereits erwähnt, sondern auch bei beliebigen Zwischenstellungen.
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In der zur Eläuterung der Erfindung dienenden Zeichnung ist der Flügelkreis
8 eines Flügelradp-ropellers dargestellt, dessen Drehsinn durch den Pfeil r z bezeichnet
ist. Die Strömung verläuft durch den Radmittelpunkt annähernd parallel entgegengesetzt
zur Fahrtrichtung 14. Die Stromfäden 13 verlaufen nicht parallel zur Fahrtrichtung
und zeigen bei dem Ausführungsbeispiel, das der Abbildung zugrunde liegt, insbesondere
auf' der Seite des Flügelkreises, auf der die Bewegung der Flügel der. Strömungsrichtung
entgegengesetzt ist, eine Einschnürung des Strombündels, die dazu führt, daß die
Berührungspunkte der Stromfäden mit dem Flügelkreis auf der hinteren Hälfte des
Kreises liegen.- Entsprechend der neuen Lehre vorliegender Erfindung nehmen die
Flügel gerade an dieser Stelle in der Vorlaufhälfte ihre Tangentialstellung ein.
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Diese Erscheinung steht also im Gegensatz zu der bisherigen Annahme,
wie sie für parallele Stromfäden zutreffen würde, daß die Stromfadenrichtung den
Flügelkreis an seinen beiden seitlichen Punkten berühren würde, also an den Endpunkten
des Querdurchmessers. Die Normalen auf den einzelnen Flügelstellungen sollen sich
für die vordere und hintere Radhälfte in einem Bereich auf dem Querdurchmesser :2
schneiden, der durch den Kreis 17 angedeutet ist. Im Gebiete der kleinsten Relativströmung,
d. h. etwa in der Mitte der Rücklaufhälfte des Flügelkreises, die für Seitenkräfte
und den Wirkungsgrad von verhältnismäßig geringer Bedeutung ist, möge der Berührungspunkt
des äußeren Stromfadens mit dem Flügelkreis bei 18 liegen, -während auf der gegenüberliegenden
Seite der äußere Stromfaden den Flügelkreis im Punkt 3 berührt.