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Flügelraclpropeller Es ist bekannt und auch schön mehrfach ausgeführt,
die bei der Raddrehung um ihre Achse eine gesteuerte Schwingbewegung ausführenden
Flügel von Flügelradpropellern geneigt zur Propellerdrehachse anzuordnen, also derart,
daß die Flügelachsen einen Kegelmantel beschreiben. Für diese Anordnung sprechen
mehrere Gründe. Der Propulsionswirkungsgrad ist im allgemeinen um so besser, je
größer die von den Schaufeln erfaßte Wassermenge ist. Bezeichnet man mit m die in
einer Sekunde durch den Propeller strömende Wassermasse und mit v die Zunahme der
Wassergeschwindigkeit durch die Propellerarbeit, so ist der erzeugte Propellerschub
proportional dem Produkt m # v; dagegen ist die zum Antrieb des Propellers erforderliche
Leistung proportional der Größe
Man kann also denselben Schub mit kleinerer Antriebsleistung erzielen, wenn man
m vergrößert und dafür v verkleinert.
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Mit schräg nach außen gestellten Flügeln erfaßt man bei gleichen Abmessungen
des tragenden Rades und des Propellergehäuses eine größere Wassermasse oder, anders
ausgedrückt, man kann dieselbe Wassermasse bei schräg stehenden Flügeln mit einem
kleineren Radkörper und einem kleineren Propellergehäuse erfassen. Man spart dadurch
Konstruktionsgewichte; außerdem sind die Teile mit kleinerem Durchmesser fester
und weniger elastisch, also bruchsicherer und- steifer. Auch hinsichtlich des Kraftbedarfs
ergibt der kleinere Gehäusedurchmesser einen Vorteil, da er es erlaubt, die Spantbreite
des Schiffes dem kleineren Propellerdurchmesser entsprechend kleiner zu wählen,
was
sich besonders bei Zweipropellerschiffen günstig auswirkt.
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Ein weiterer Vorteil des Schrägflüglers ist in dem Umstand zu sehen.,
daß er sich der über die Flügellänge veränderlichen Zustromgeschwindigkeit, die
infolge der Reibung am Schiffsboden mit zunehmendem Abstand von diesem größer wird,
besser anpaßt. Auch mit Rücksicht darauf, daß die obersten Flügelquerschnitte aus
Festigkeitsgründen verhältnismäßig dick und .daher hydraulisch nicht so günstig
sind wie die unteren Flügelbereiche, ist es von Vorteil, daß die Flügel mit ihrem
oberen Teil mit kleinerer Geschwindigkeit umlaufen als die Flügelspitzen.
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Trotz dieser verschiedenen Vorzüge ist der Schrägflügler zugunsten
-des Parallelflüglers wieder verlassen worden. Seit einer Reihe von Jahren werden
nur noch Flügelradpropeller (Voith-Schneider-Propeller) mit zur Propellerdrehachse
genau parallelen Flügeln gebaut. Dies ist daraus zu erklären, daß mit der schrägen
Anordnung der Flügel auch einige nachteilige Folgen eintreten. So macht sich eine
konische Ausbildung -des Propellerbodens im äußeren Bereich, in dem die Flügel liegen,
notwendig. Außerdem muß hierbei das in einer achssenkrechten Ebene spielende Flügelantriebsgestänge
mit Kugelgelenken an die schrägen Flügelzapfen angelenkt werden. Weitere Nachteile
sind die dem Kosinus des Neigungswinkels entsprechend größere Flügellänge und der
Umstand, daß die von den Flügeln erzeugte Kraft nicht parallel zum Schiffsboden,
sondern etwas schräg dazu erzeugt wird, so daß die Resultierende der von allen Flügeln
erzeugten Kräfte, die zwar wieder parallel zum Schiffsboden verläuft, ebenfalls
im Verhältnis des Kosinus des Neigungswinkels kleiner ist als die Summe dieser Kräfte.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, durch besondere Ausbildung
der Flügellagerung einige der erwähnten Nachteile des Schrägflüglers zu vermeiden.
Sie besteht in dem Vorschlag, die zur Propellerdrehachse geneigten Flügel um eine
Achse drehbar zu lagern, die parallel zur Drehachse des Propellers liegt. Beispielsweise
kann hierzu der Flügel derart abgewinkelt oder abgesetzt werden, daß sich an den
schrägen, ins Wasser eintauchenden Flügelteil ein zur Propellerdrehachse paralleler
Drehzapfen anschließt. Es kann der Flügel aber auch in seiner ganzen Länge schräg
angeordnet werden und mittels verschieden langer Arme in zur Propellerdrehachse
parallelen Lagern gelagert werden. Hierfür können entweder am Propellergehäuse zur
Propellerdrehachse parallele Zäpfen angeordnet werden, um die die Flügelarme herumgreifen,
oder aber es werden die Drehzapfen mittels der verschieden langen Arme starr an
den Flügeln befestigt und in achsparallelen Lagern -des Propellergehäuses gelagert.
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Diese Ausführung ermöglicht die Ausbildung eines vollständig ebenen
Radbodens in gleicher Weise, wie dies beim Parallelflügler der Fall ist. Außerdem
vermeidet sie die kugelige Anlenkung des Antriebsgestänges an den Flügeln. Nach
einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird die Schrägstellung der Flügel so gewählt,
daß die Profilmittellinie der Flügel schon am Radboden eine gewisse Entfernung von
der Drehachse- des Flügels hat. Hierdurch wird erreicht, daß der tragende Radkörper
über die durch die an sich bekannte Schrägstellung der Flügel gewonnene Verkleinerung
hinaus weiter in seinem Durchmesser verkleinert werden kann, und zwar um so mehr,
je größer der Abstand zwischen Profilmittellinie und Drehachse des Flügels am Propellerboden
ist. Man spart hierdurch an Gewicht und erhält zudem noch einen steiferen Radkörper
bzw. Tragstern. Bei einer solchen Ausführung führt der Flügel in seiner ganzen Länge
im Takt der Schwingung des Flügeldrehzapfens bzw. der Drehangeln eine Schwenkung
um die Drehachse aus. Der Flügel ist daher zur Vermeidung von Unebenheiten am Propellerboden
mit einer kreisrunden, zur Flügeldrehachse konzentrischen und einen Teil des Propeller-.
bodens bildenden Scheibe zu verbinden. Zweckmäßigerweise wird diese Scheibe gleichzeitig
als Verbindungsarm zwischen Flügel und Drehzapfen ausgebildet bzw. umgekehrt dieser
Verbindungsarm zur Scheibe erweitert.
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Außer der erwähnten Verkleinerung des Durchmessers des tragenden Radkörpers
(Tragsterns) ermöglicht die erfindungsgemäße Flügellagerung aber auch noch eine
Verkleinerung des Propellergehäuses bzw. des Propellerbrunnens. Zunächst ist es
möglich, das Gehäuse konisch auszubilden, also so, daß es sich vom Propellerboden,
wo sein Durchmesser durch die Lage der Flügel bestimmt wird, nach oben zu verjüngt
um ein Maß, das durch die Versetzung .der Flügeldrehachsen gegenüber der Profilmittellinie
der Flügel am Radboden bestimmt wird. Außerdem wird das Gehäuse und dementsprechend
der Propellerbrunnen noch dadurch kleiner, daß bei einer Ausführung nach der Erfindung
mit einer Versetzung der Profilmittellinie am Radboden gegenüber der Flügeldrehachse
der Flügel selbst ganz nach außen gerückt ist und außerhalb des Flügels, abgesehen
von der Radpumpe, keine umlaufenden Konstruktionsteile, insbesondere keine Teile
des Flügellagers mehr liegen. Eine weitere Verkleinerung des Propellerbrunnens läßt
sich dadurch erreichen, daß die Flügelschäfte überhaupt nicht ummantelt werden,
so daß die Brunnenwandung ganz nahe an die Flügelschäfte in deren äußerster Lage
herangedrückt werden kann.
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Die Ausbildung des Propellers mit einem nach oben sich kegelig verjüngenden
Gehäuse wirkt sich besonders bei Schiffen mit Antrieb durch zwei nebeheinanderliegende
Propeller aus, sofern die Propeller in V-förmigen Spanten liegen, weil hier an und
für sich die oberen Teile der Propeller einander näher zu liegen kommen als die
unteren.
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D,ie Versetzung der Profilmittellinie der Flügel gegenüber ihren Drehachsen
hat aber eine ungleichförmige Umlaufgeschwindigkeit des Flügels zur Folge, und zwar
wird die rücklaufende Radhälfte, in der sich die Flügel im wesentlichen in der Richtung
der
Strömung bewegen, schneller und die vorlaufende Radhälfte langsamer durchlaufen.
Da der Flügelwirkungsgrad bekanntlich beim Voith-Schneider-Propeller in der rücklaufenden
Radhälfte besser ist als in der vorlaufenden Radhälfte, ergeben sich aus der genannten
ungleichförmigen Umlaufgeschwindigkeit in der besseren Radhälfte größere hydraulische
Kräfte, was eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades zur Folge hat.
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Im folgernden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung an .einigen
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Abb. i zeigt eine Flügelausführung mit einem unmittelbar am Radboden
an den schrägen Flügel sich anschließenden achsparallelen Drehzapfen und Abb. 2
eine Ausführung mit einer radialen Versetzung zwischen Flügel und Drehzapfen; Abb.
3 zeigt eine Ausführung eines geneigt und versetzt angeordneten Flügels mit verschieden
langen, um zwei am Radkörper feste, achsparallele Zapfen herumgreifenden Lagerarmen;
Abb. 4. stellt einen Vergleich zwischen einem Propeller mit achsparallelen Flügeln
und zylindrischem Gehäuse und einem Propeller mit schrägen Flügeln und einem gemäß
der Erfindung nach oben sich verjüngenden Gehäuse dar; desgleichen zeigt Abb.5 einen
Vergleich zwischen einem Zweipropellerschiff üblicher Ausführung und einem solchen
mit Propellern gemäß der Erfindung; in Abb.6 ist ein Flügelkreis mit einigen Flügelstellungen
zur Erläuterung des Bewegungsgesetzes solcher Propeller dargestellt.
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Bei der in Abb. i gezeigten Ausführung ist der Flügel abgewinkelt.
An den ins Wasser eintauchenden Flügelteil i mit der Profilmittellinie 2 schließt
sich der Flügelzapfen 3 mit der zur Propellerdrehachle parallelen Achse 4 an, an
dem das Flüge@lantriebsgestänge 5 mit zylindrischen Gelenken angeschlossen ist.
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Abb.2 zeigt eine Ausführung, bei welcher die schräg gestellten Flügel
i derart gegenüber dem Drehzapfen 3 versetzt sind, daß am Radboden zwischen der
Profilmittellinie 2 des Flügels und der Drehachse 4 ein Abstand 6 besteht. Der Verbindungsarm
7 zwischen dem ins Wasser tauchenden Flügelteil und dem Drehzapfen ist zu einer
zur Drehachse 4 konzentrischen Scheibe 8 erweitert.
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Bei der in Abb. 3 gezeigten Ausführung ist der Flügel auf seiner ganzen
Länge schräg gestellt. An dem über dem Radboden liegenden Flügelteil 9 sind zwei
Arme io und ii angeordnet, die um zwei mit dem Radkörper i2 fest verbundene Tragzapfen
13 herumgreifen und so den Flügel tragen. Mit dem unteren Arm io ist, wie bei der
Ausführung nach Abb. 2; wieder eine zur Flügeldrehachse konzentrische Scheibe 8
als Teil des Propellerbodens verbunden. Das Flügelantriebsgestänge 5, das dem Flügel
die periodische Schwenkung um die Drehachse 4 aufdrückt, ist am oberen Teil 9 des
Flügels angelenkt. Der Propellerbrunnen 14 ist der Flügelneigung entsprechend nach
oben konisch verjüngt. Er liegt, wie ersichtlich, unmittelbar neben dem Flügelschaft
9 und hat also im Vergleich zum mittleren Flügelkreisdurchmesser 'einen sehr kleinen
Durchmesser.
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In Abb. .4 ist oben ein Parallelflügler 20 und unten ein Schrägflügler
21 gezeigt. Der Flügelkreisdurchmesser 22 des Parallelflüglers ist gleich dem mittleren
Flügelkreisdurchmesser 23 des Schrägflüglers gewählt. Der Flügelkreis am
Radboden hat daher beim Schrägflügler einen kleineren Durchmesser als der des Parallelflüglers.
über die schon hieraus sich ergebende Verkleinerung des Propellerdurchmessers hinaus
ergibt sich aber bei einer Ausführung der Flügellagerung nach Abb. 2 oder 3 noch
eine weitere Verkleinerung des Propellerdurchmessers dadurch, daß ,das Propellergehäuse
näher an den Flügelkreis am Radboden herangesetzt werden kann.
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In Abb. 5 ist gezeigt, wie sich die konische Ausbildung des Propellergehäuses
und damit :des Propellerbrunnens bei einem Zweipropellerschiff mit V-Spanten auswirkt.
Der obere Teil der Abbildung mit zwei Parallelflüglern 2o zeigt, daß der Abstand
der beiden Propeller voneinander durch die oberen Bereiche des Propellergehäuses
bestimmt wird, die aber gerade bei einer Ausführung nach der Erfindung besonders
stark zurücktreten. Bei einer Ausführung der Flügellagerung gemäß der Erfindung
und bei der daraus sich ergebenden Form des Propellergehäuses 2,1 kann somit das
die Propeller tragende Hinterschiff schärfere Linien erhalten, was einen geringeren
Schiffswiderstand ergibt. Während bei großen Propellern mit achsparallelen Flügeln
häufig sogar eine ziemlich deutliche Ausbuchtung ,der Hinterschiffslinien erforderlich
ist, um genügend Raum für die großen Propeller zu schaffen, können solche Ausbuchtungen
bei Propellern mit schräg gestellten Flügeln und, der besonderen Lagerung der Flügel
entsprechend, kleineren Gehäusen wesentlich kleiner werden oder ganz entfallen.
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In Abb. 6 ist ein Flügelkreis 25 mit dem Halbmesser 26 eines in Richtung
des Pfeils 27 drehenden Propellers gemäß der Erfindung dargestellt und in 24 gleiche
Teile aufgeteilt. Auf dem Flügelkreis liegen die Fluchtpunkte der Flügeldrehachsen
und für eine Ausführung der Flügel nach Abb. i gleichzeitig die Schnittpunkte der
Flügelprofilmittellinien mit -dem Radboden. Durch diese Punkte sind vom Steuerpunkt
(Normalenschnittpunkt) 28 aus Strahlen gezogen, deren über den Flügelkreis hinausragendes
Stück 29 gleich lang ist. Diese Arme 29 entsprechen beispielsweise dem Maß der Versetzung
6 in Abb. 2 und 3 für den obersten Profilquerschnitt oder dem Maß 6' eines beliebigen
anderen Flügelquerschnitts in Abb. i bis 3. Die Arme 29 sind dabei in Abb. 6 der
Deutlichkeit halber übertrieben groß gezeichnet. Die Abbildung läßt erkennen, daß
bei gleichmäßiger Umfangsgeschwindigkeit des Propellers die verschiedenen gezeigten
Stellungen auf dem Flügelkreis in gleichen Zeitabständen aufeinanderfolgen. Da die
einzelnen Punkte der Arme 29, beispielsweise deren Endpunkte, verschiedene Abstände
voneinander haben, die gezeigten Stellungen aber ebenfalls in gleichen
Zeitintervallen
erreicht werden, ergibt sich für alle Flügelteile, die einen radialen Abstand von
der Flügeldrehachse haben, eine ungleichmäßige Umfangsgeschwindigkeit. Wie erwähnt,
ist die Umfangsgeschwindigkeit .der Flügel in der linken Radhälfte größer als in
der rechten. In der hinsichtlich des hydraulischen Wirkungsgrades besseren Radhälfte
werden daher wegen der größeren Geschwindigkeit größere hydraulische Kräfte mit
besserem Wirkungsgrad erzeugt. Da diese bessere Radhälfte infolge der größeren Geschwindigkeit
auch in kürzerer Zeitdurchlaufen wird, wirkt sich dieser Vorteil zwar nicht so stark
aus, als es zunächst den Anschein hat, doch bleibt im Zeitkraftintegral ein t=7berschuß
gegenüber dem Pmallelflügler.
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Abb.6 läßt auch erkennen, daß auch die schräg gestellten und versetzten
Flügel in allen ihren Querschnitten das Normalenschnittgesetz erfüllen.