DK160005B - Skibsskrue med skrueblade, som er drejeligt monteret paa et nav - Google Patents

Description

DK 160005B

i

Opfindelsen angår en skibsskrue med variabel stigning af den i krav l's indledning angivne art.

5 Et problem, som opstår i forbindelse med et skruedrevet søgående fartøj, og især med små hurtige planende motorbåde er, at et skrueblad med fast stigning er meget ineffektivt over en del af fartøjets hastighedsområde. Hvis der benyttes en skrue med stor stigning, som arbejder ef-10 fektivt, når fartøjet bevæger sig med en hastighed ved eller nær dets maksimalhastighed, frembringes en kraftig kavitation, når fartøjet starter fra stilstand eller bevæger sig med en ringe hastighed. Derfor er brændstofforbruget i fartøjets motor større end nødvendigt ved lave 15 hastigheder, og fartøjets acceleration til høje hastigheder er desuden mindre, end den ville være, hvis skruen var i stand til at fungere effektivt over et større hastighedsområde. Problemet er faktisk så tydeligt, at kavi-tationen ved nogle meget hurtige racerbåde er så kraftig, 20 at der slet ikke frembringes aksialtryk, når båden er stationær, og det er nødvendigt at trække båden op til en vis minimumhastighed, før den kan fremdrives ved egen motor og skrue.

25 Dette problem kan overvindes helt ved anvendelsen af en skibsskrue med variabel stigning. De fleste eksisterende skruer med variabel stigning fungerer med hydraulik og er tunge, komplicerede og derfor dyre.

30 Det har i tysk patentskrift nr. 410 401 tidligere været foreslået at fremstille en skibsskrue, som består af to eller flere skrueblade, som er monteret således på et nav, at bladene frit kan dreje omkring en drejningsakse, som forløber bort fra navet med en radial komposant.

35 Hvert skrueblad er ved bagkanten forsynet med en trimklap, som er så skrå i forhold til skruebladets øvrige del, at den, når skruen er i funktion, udøver et drej- 2

DK 160005 B

ningsmoment på skruebladet, som drejer det omkring dets drejningsakse og holder det med en i det væsentlige konstant angrebsvinkel i forhold til vandstrømmen, som passerer hen over skruebladets overflader.

5

En skibskrue af den i beskrivelsen til tysk patent nr.

410 401 beskrevne art har imidlertid ikke, så vidt vides, været kommercielt tilgængelig, og det kan tænkes, at dette skyldes, at trimklapperne forøger vandets modstand på 10 skruebladene i en sådan udstrækning, at den fordel, som opnås ved bladenes frie drejning til opretholdelse af en i det væsentlige konstant angrebsvinkel, i høj grad ophæves .

15 Det har som i beskrivelsen til engelsk patent nr.

1 414 362 også været foreslået at fremstille en skibsskrue med skrueblade, som er således frit drejelige på et nav, at de kan dreje omkring radiale akser, som er forskudt bagud, set i forhold til den retning, hvormed 20 skruen bevæger sig aksialt gennem vandet, som følge af skruebladenes tryksider. Drejningsakserne er desuden i forud bestemte positioner i forhold til skruebladenes forkanter, og placeringen af drejeakserne på denne måde får resultanten fra de hydrodynamiske kræfter, som virker 25 på bladene, til at gøre deres stigning selvjusterende.

Selv om denne skrue i nogen udstrækning kan virke på den tilsigtede måde, har den antagelig aldrig været udnyttet i kommerciel målestok. Dette kan antagelig skyldes, at 30 skruebladene ikke er selv justerende på en stabil måde over et tilstrækkeligt stort hastighedsområde, og at skruebladene desuden ikke vil forblive stabile ved den optimale stigning, når fartøjet, hvorpå skruen er fastgjort, bevæger sig ved dets beregnede marchhastighed. Op-35 retholdelsen af en optimal stigning ved marchhastighed er et væsentlig krav til en hvilken som helst skrue med variabel stigning, fordi de øvrige fordele, som kan op- 3

DK 160005 B

nås, er til ingen nytte, hvis skruen ikke har tilstrækkelig stor effektivitet ved marchhastighed.

Virkningen af på skruebladene udøvede centrifugalkræfter 5 er nævnt i beskrivelsen til engelsk patent nr. 1 414 362, men det anføres, at denne virkning er af sekundær betydning.

Det er i beskrivelsen til engelsk patent nr. 1 414 362 10 endvidere anført, at skibsskruer med selvjusterende variabel stigning har været kendt i mange år, men at ingen pålidelig konstruktion er blevet fremstillet hidtil. Dette antages at være sandt og er i hvert fald tilfældet indtil tidspunktet for den foreliggende opfindelse.

15

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe en skrue af den indledningsvis angivne art, men i forbedret udførelse, således at skruens blade under drift med sikkerhed antager en stigning, som er tilpasset til skruens ro-20 tationshastighed og til det af skruen fremdrevne fartøjs hastighed gennem vandet, hvilken stigning både er stabil og i det væsentlige optimal over et stort hastighedsområde og især ved den beregnede marchhastighed for skruen.

25 Dette opnås ved hjælp af de i krav l's kendetegnende del angivne træk.

Opfindelsen er baseret på den opdagelse, at de på skruebladene virkende centrifugalkræfter blandt de øvrige kri-30 terier langt fra er sekundære, men er af største betydning og skal stå i et bestemt forhold til de hydrodyna-miske kræfter, som også virker på skruebladene. Hældningen af skruebladene i forhold til deres drejeakser og bladenes form, især placeringen af bladenes bagkantdele i 35 forhold til deres drejningsakser har desuden vist sig at være kritisk.

4 DK 160005 B

Eftersom skruen har variabel stigning, er stigningsforholdet defineret som stigningen af den skrueflade, hvortil bladene er dannet, delt med skruens diameter. Sideforholdet for skruebladet er defineret som bladets mak-5 simale radius målt fra skruens rotationsakse delt med bladets maksimale bredde og er således omvendt proportionalt med bladbreddeforholdet. Skruebladets trykside kan være hovedsageligt lige set i snit på skruens referencelinie, og skruebladets hældningsvinkel er i dette til-10 fælde konstant. Alternativt kan tryksiden være krum som vist i dette snit, og i dette tilfælde vil hældningsvinklen variere fra roden til spidsen af skruebladet. Middelhældningsvinklen er middelvinklen imellem skruens rotationsakse og skruebladets trykside i snit på skruens re-15 ferencelinie.

Selv om skruebladenes drejningsakser kan strække sig udefter i planer, som er nøjagtig radiale i forhold til skruens rotationsakse, kan de alternativt være skrå i 20 nogen udstrækning i forhold til radialplaner og udtrykket "forløbende radialt udad" er søgt fremstillet således, at det dækker begge disse arrangementer, forudsat akserne strækker sig bort fra skruens rotationsakse med store komposanter. Desuden kan drejningsakserne ligge i et 25 plan, som er vinkelret på skruens rotationsakse, og til de fleste formål foretrækkes dette. I nogle tilfælde kan drejningsakserne imidlertid bringes til at hælde enten fremad eller bagud i forhold til dette plan.

30 Med en skrue, som har alle de netop beskrevne egenskaber, vil skruebladene antage en stabil stigning, som er egnet til skruens rotations- og aksialhastigheden over et stort område for disse hastigheder. En sådan stabilitet har antagelig ikke tidligere været opnået.

Fortrinsvis er hvert skrueblads drejningsakse anbragt således, at et plan indeholdende drejningsaksen og skruens 35 K DK 16 η 0 Ο 5 Β ο rotationsakse, når skruebladet er drejet i en position med minimal stigning, deler skruebladsarealet i et forhold på i det væsentlige 3:1, idet hovedsageligt en fjerdedel af arealet er beliggende foran drejningsaksen 5 og hovedsageligt tre fjerdedel af arealet er beliggende bag drejningsaksen, set i skruens rotationsretning.

Hvert skrueblad kan drejes således, at det kun kan dreje omkring sin drejningsakse inden for forud bestemte græn-10 ser, som bestemmes af stop, for at opnå en variation i stigning imellem et minimum og et maksimum. Hvis skruen i dette tilfælde drives i bakretning, vil den altid antage sin maksimale stigning, og der vil ikke finde nogen selvjustering sted. Det foretrækkes derfor, at skruebladene 15 er således drejeligt monteret, at de frit kan dreje i alle retninger. Hvis skrueakslen med dette arrangement drejes i fremadgående retning, vil skruebladene dreje til frembringelse af en angrebsvinkel til opnåelse af et fremadgående akseltryk, og når skrueakslen drejes i mod-20 sat retning, vil skruebladene dreje næsten 180° omkring deres drejningsakser for at opnå samme angrebsvinkel i bakretning og hermed et aksialtryk i bakretning. Som følge af denne drejning af skruebladene på næsten 180° er skruebladenes drejningsakser stadig i afstand bag skrue-25 bladenes tryksider, eftersom skruebladene nu bevæger sig gennem vandet i en modsat aksialretning.

Hvert af skruebladene kan være drejeligt monteret på navet helt uafhængigt af de øvrige skrueblade, og dette er 30 den foretrukne anbringelse til de fleste formål. Skruebladene kan imidlertid alternativt være mekanisk forbundet i navet, således at de tvinges til at dreje i fællesskab omkring deres drejningsakser, og alle skruebladene antager samme øjeblikkelige stigning.

Skruebladene har fortrinsvis sædvanlig bæreplanstværsnit, og det på skruebladet virkende tryk forøges så med den 35

DK 160005 B

6 hydrodynamiske opdrift på bladet, når dette drejes. Den samlede vandmodstand på bladet forøges derfor, for så vidt vandmodstanden så består af vandets friktion på skruebladet sammen med en komposant fra de hydrodynamiske 5 kræfter, som virker på bæreplanstværsnittet.

En skrue ifølge opfindelsen har meget store fordele, som varierer i afhængighed af formålet med fartøjet, hvortil skruen er fastgjort. Ved både med små påhængsmotorer, som 10 f.eks. anvendes til at trække vandski, kan bådens acceleration forbedres væsentligt og hjælper i høj grad med at trække vandskiløberen hurtigt gennem den kritiske hastighed, ved hvilken hans ski begynder at plane. Desuden opretholdes skruens virkningsgrad ved en maksimalværdi over 15 hele bådens hastighedsområde som følge af skruens evne til at tilpasse stigningen til bådens hastighed, og dette er af største betydning i forbindelse med den aktuelle brændstofmangel, deplacementskrog og andre skrog, som skal benyttes over et ganske stort hastighedsområde. Det-20 te giver anledning til et meget stort fald i samlet brændstofforbrug, når båden drives med en hvilken som helst hastighed under den maksimale, som kan opnås med bådens motor. Ikke blot giver det nedsatte brændstofforbrug anledning til en væsentlig bedre økonomi, men der 25 opnås også en meget større aktionsradius for en båd med en given beholdning af brændstof. Dette kan være af væsentlig betydning, især til fiskerbåde.

Skruen ifølge opfindelsen kan også benyttes med fordel på 30 trawlere. Trawlere skal sejle til deres fiskepladser med en hastighed, som er så høj som mulig i forhold til kravet om en rimelig brændstoføkonomi, men under fiskeri skal de sejle meget langsommere og alligevel skal deres skruer frembringe tilstrækkelig aksialtryk til at trække 35 trawlet. En skrue med faste skrueblade kan være effektiv under begge disse omstændigheder, og det er derfor ikke usædvanlig, at trawlere er udstyret med skruer, hvis 7

DK 160005 B

skrueblade kan indstilles til den ene eller anden af to forskellige stigninger. Denne indstilling udføres imidlertid hydraulisk eller med en kompliceret mekanisk forbindelse, og sådanne skruer er derfor meget dyre. En 5 skrue ifølge opfindelsen har de samme ønskelige egenskaber som disse skruer med variabel stigning, men er meget billigere.

En skrue ifølge opfindelsen kan frembringe et aksialtryk 10 på en fremadgående båd, hvorpå der slås bak, langt hurtigere end en konventionel skrue med fast skrueblad. Derved kan båden standses langt hurtigere og med meget større sikkerhed. Årsagen til dette er, at retningen af vandstrømmen hen over overfladerne af skruebladene på en 15 skrue med faste blade er en sådan, at den af skruen frembragte kavitation faktisk er meget stor, når skruen først drejes i bakretning i modsætning til fremadgående bevægelse, og derfor er aksialtrykket i bagudgående retning minimalt. Med en skrue ifølge opfindelsen vil skruebla-20 dene straks antage deres korrekte angrebsvinkel i forhold til vandstrømmen, som passerer hen over deres overflader, selv om skrueakslen drejes med fuld hastighed i fremadgående retning og dernæst reverseres og drejes med fuld hastighed i en bagudgående retning. Derfor frembringes et 25 betydeligt aksialtryk i bagudgående retning med det samme.

En skrue ifølge opfindelsen har endelig langt større fordele, når den anvendes på stærkt skrånende skrueaksler.

30 Virkningsgraden af en skrue med faste skrueblade falder hurtigt med voksende hældning af skrueakslen, hvorpå skruen er fastgjort, fordi hældningen får indfaldsvinklen mod skruebladene til at variere under hver omdrejning, når skruen roterer. Skruebladene på en skrue ifølge op-, 35 findelsen svinger imidlertid omkring deres drejnings akser, når de er fastgjort på skrå skrueaksler, og skruebladenes stigning ændrer sig således cyclisk, når skruen

8 DK 160005 B

roterer. Dette giver anledning til en bemærkelsesværdig forøgelse af virkningsgraden. Denne fordel er af særlig betydning ved hydrofoilfartøjer, hvor meget kraftigt skrånende skrueaksler ikke kan undgås.

5

Opfindelsen skal i det følgende nærmere beskrives med henvisning til tegningen, som viser to udførelseseksempler på skibsskruer ifølge opfindelsen, og hvorpå: 10 fig. 1 er et perspektivisk billede af en udførelsesform ifølge opfindelsen med de enkelte dele trukket fra hinanden, fig. 2 er et aksialsnit gennem den første udførelsesform, 15 idet den viser et af skruebladene i plan, som er set i en retning, i hvilken skruebladet frembyder et maksimal areal, fig. 3 er et sidebillede af et af skruebladene i den 20 første udførelsesform set radialt indad mod skruens rotationsakse, dvs. indad langs linien 25 i fig. 3 og 4, fig. 4. er et snit set i retning af pilene på linien IV-IV i fig. 3, og 25 fig. 5 er et aksialt snit gennem en anden udførelsesform ifølge opfindelsen, idet den kun viser en del af et af skruebladene.

30 Den i fig. 1-4 viste første udførelsesform har skrue-fladeformede blade, idet skruens stigning er 200 mm. Skruens diameter er ligeledes 200 mm, således at stigningsforholdet for skruen er 1. Bladbredden er 124 mm og sideforholdet er derfor omtrent 0,8.

Den i fig. 1-4 viste skrue har et nav, som består af to dele la og lb. Delene la og lb passer sammen langs et 35

DK 160005B

9 midterplan, som er vinkelret på skruens rotationsakse, og er spændt sammen med tre skruer 2, som passerer frit igennem huller 3 i parten la og er skruet ind i gevindhuller 4 i parten lb. Delene la og lb har desuden et mid-5 terhul 5, hvori en skrueaksel passer.

Skruen har tre skrueblade 6, som er ens, og bladene er alle drejeligt monteret på navet 1 på samme måde. Derfor skal kun en af skruebladene og dets fastgørelse til navet 10 1 beskrives.

Skruebladet 6 er støbt sammenhængende med et cirkulært fremspring 7, som har en cylindrisk fordybning 8 på undersiden og i midten et forsænket hul 9, som er koaksi-15 alt med drejningsaksen, omkring hvilken skruebladet 6 frit kan dreje i forhold til navet 1.

Et radial- og trykkugleleje består af en drejelig lejering 10 med en udragende krave 11 og to faste lejeringe 20 12 og 13. En første ring af kugler 14 er indskudt mellem ringene 10 og 12, og en anden ring af kugler 15 er indskudt mellem ringene 10 og 13. Lejet bliver samlet og dernæst indført i en cylindrisk holder 16 i navet 1. Holderen 16 dannes, når navdelene la og lb bringes sam-25 men, og lejekonstruktionen kan, som det fremgår kun indføres, før navdelene la og lb er samlet og fastgjort til hinanden, og når navdelene er blevet sammenspændt, holdes lejekonstruktionen i position i navet af en indadvendende flange 17.

30

Fremspringet 7 på skruebladet passer så over holderen 16, som indeholder lejekonstruktionen, og over flangen 17, idet kanten af fremspringet 7 passer inden i en ringformet rille 18. Den samlede position er vist tydeligt i fig.

35 2.

10

DK 160005 B

For at holde skruebladet 6 med dets fremspring 7 i position, indføres først en tap 19 gennem en lille åbning 20 i fremspringet 7 og dernæst ind i en på linie dermed liggende åbning 21 i kraven 11. Dette forhindrer, at leje-5 ringen 10 drejer i forhold til navet 7, og dernæst indføres en skrue 22 gennem hullet 9 og skrues ind i et gevindhul 23 i kraven 11. Dette fastklemmer undersiden af fremspringet 7 stramt imod oversiden af kraven 11 som tydeligt vist i fig. 2, således at fremspringet 7 frit 10 kan dreje med lejeringen 10, som i sig selv frit kan dreje inden i holderen 16.

Som det tydeligt fremgår af fig. 2 optager ringen af kugler 14 radiale belastninger mod lejekonstruktionen og 15 desuden aksiale belastninger, som er rettet radialt ud langs skruebladets drejningsakse. Ringen af kugler 15 modvirker indadgående aksialtryk.

I dette eksempel ligger drejningsakserne for alle tre 20 skrueblade i et plan, som står vinkelret på skruens rotationsakse, dvs. aksen for hullet 5. Skruebladene bevæger sig gennem vandet i den med pil 24 på fig. 2 viste retning. Trykcentret for skruebladet er placeret bagud i forhold til bladets drejningsakse 25, dvs. nærmere blad-25 ets bagkant, men denne afstand varierer i afhængighed af indfaldsvinklen på bladet og af andre faktorer. Således indvirker resultanten P fra vandets hydrauliske tryk på skruebladet ved en variabel afstand p fra aksen 25 som vist i fig. 3. Som det ligeledes er vist i fig. 3 virker 30 resultanten D for vandmodstanden på skruebladet ved en afstand d fra drejningsaksen 25, og denne afstand varierer også i nogen udstrækning. Imidlertid virker de af det resulterende tryk og vandmodstanden frembragte drejningsmomenter i modsatte retninger.

Som vist i fig. 4 har skruebladet en hældningsvinkel 27 på 15°. I dette eksempel er skruebladets trykside ret- 35

u DK 160005 B

linet i det i fig. 4 viste snit, og hældningsvinklen er derfor konstant. Skruebladet kan imidlertid være radialt krummet, således at stigningsvinklen varierer radialt.

Det er middelhældningsvinklen, som så har betydning.

5

Drejningsaksen 25 deler som vist i fig. 2 skruebladet i et areal 28 foran drejningsaksen og et areal 29 bag ved drejningsaksen. Arealet 29 er i det væsentlige tre gange så stort som arealet 28.

10

Den bagud hældende form for skruebladene forårsager sammen med deres hældning i forhold til drejningsakserne og placeringen af drejningsakserne, at massefordelingen af skruebladene i forhold til drejningsakserne og til rota-15 tionsaksen for skruen er sådan, at centrifugalvirkninger-ne bevæger skruebladene, indtil deres tryksider ligger i det væsentlige på en fælles skruefladeoverflade med 200 mm stigning, når skruen drejes i et vakuum og med en så stor hastighed, at man kan se bort fra tyngdekræfterne.

20

Den anden udførelsesform, som er vist i fig. 5, ligner den første udførelsesform med den undtagelse, at skruebladene er forbundet i navet ved tandhjulsindgreb, således at bladene alle er tvunget til at dreje omkring 25 deres akser i indbyrdes fællesskab.

Til dette formål har navet 1 en holder 16' med noget større radial udstrækning end holderen 16 i den første udførelsesform. I stedet for lejeringen 10 i den første 30 udførelsesform er der desuden en lejering 10', som har større radial udstrækning end lejeringen 10 og er forsynet med skråtskårne tandhjulstænder 30. Navet 1 består af en første del la, som svarer til delen la i den første udførelsesform, og en del l'b, som ligner delen lb i den 35 første udførelsesform, med den undtagelse, at den er forsynet med en aksialt forløbende ringformet rille 31, som er koncentrisk med hullet 5 og skærer holderen 16'. Den

12 DK 160005 B

ringformede rille 31 indeholder et skråtskåret tandhjul 32, som er understøttet af et kugleleje 33 og har skråt-skårne tandhjulstænder 34, som er i indgreb med tænderne 30 i lejeringene 10' for alle tre skrueblade.

5 10 15 20 25 30 35

Claims (6)

1. Skibsskrue bestående af to eller flere skruefladeform-5 ede blade (6), som er drejeligt monteret på et nav (1) således, at de frit kan dreje omkring drejeakser (25), der forløbet radialt bort fra navet (1), og som er forskudt bagud for skruebladenes tryksider, set i forhold til retningen (24), i hvilken skruen, under funktion, be-10 væger sig aksialt gennem vandet, kendetegnet ved, at skruebladene (6) og deres drejeakser (25) har følgende træk: a) massefordelingen i hvert skrueblad (6) er således i 15 forhold til dets drejeakse (25), at massecentret for skruebladet er beliggende i afstand bag ved skruebladets drejeakse (25) set i forhold til skruebladets rotationsretning, og således, at centrifugalkræfter, hvis skruen roteres af en drevet skrueaksel, ved fravær af hydrodyna-20 miske kræfter (P, D) og ved omdrejninger, som gør gravitationskræfter negligerbare, får skruebladet til at antage en stigning, som i det væsentlige er lig med stigningen af skruefladen; 25 b) hvert skrueblad (6) hælder bagud i forhold til skrueplanet med en middelhældningsvinkel (27) på mindst 10° multipliceret med skruens stigningsforhold og delt med skruebladets sideforhold, hvilket stigningsforhold og sideforhold er defineret i beskrivelsen; og 30 c) hvert skrueblad (6) har en tilbagehældende form (fig. 2), idet bagspidsen af bladet er i afstand bag bladets drejeakse (25), set i forhold til rotationsretningen (24) for bladet, hvilken afstand er lig med mindst 60% af bla-35 dets maksimale bredde, og positionen af drejeaksen (25) i forhold til formen og hældningsvinklen (27) af bladet (6) er således, at hydrodynamisk opdrift (P) og vandmodstand DK 160005 B (D) virkende på bladet i funktion bevirker i kombination med centrifugalkræfterne, at bladet over et område af rotations- og aksiale hastigheder indtager en sådan position, at det har en indfaldsvinkel i forhold til vand-5 strømmen over bladet, som frembringer en i det væsentlige optimal trykkraft.

2. Skibsskrue ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hvert skrueblads drejningsakse (25) er således an- 10 bragt, at et plan indeholdende drejningsaksen (25) og rotationsaksen for skruen, deler bladarealet (28, 29) i et forhold på i det væsentlige 3:1, idet hovedsageligt en fjerdedel af arealet (28) er foran drejningsaksen (25) og hovedsageligt tre fjerdedele af arealet (29) er bag ved 15 drejningsaksen (25) set i skruens rotationsretning (24), når bladet er drejet i en position med minimal stigning.

3. Skibsskrue ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at skruebladenes (6) drejeakser (25) ligger i 20 et plan, som er vinkelret på skruens rotationsakse.

4. Skibsskrue ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at skruebladene (6) er frit roterbare i alle retninger omkring deres drejeakser (25). 25

5. Skibsskrue ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at skruebladene (6) er mekanisk forbundet inden i navet (1), således at de er tvunget til at dreje omkring deres drejeakser (25) i fælles- 30 skab, og alle skruebladene antager samme øjeblikkelige stigning.

6. Skibsskrue ifølge krav 5, kendetegnet ved, at skruebladene er mekanisk forbundet med tandhjulsfor- 35 bindeiser (30, 32) i navet (1).