EP0077931A2

EP0077931A2 - Schiffsantriebspropeller

Info

Publication number: EP0077931A2
Application number: EP82109033A
Authority: EP
Inventors: Leopold Jägers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-10-27
Filing date: 1982-09-30
Publication date: 1983-05-04
Also published as: JPS5881893A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schiffsantriebspropeller mit Flügeln, zu deren Sog- bzw. Rückseite Luft geführt wird. Die Luftaustrittsöffnungen sind zwischen den Flügelfüßen nahe den Flügelrückseiten in dem zylindrischen Mantel der Propellernabe oder eines zur Propellerachse koaxialen Ringes angeordnet.

Description

Es ist bekannt (US-PS 2 058 361), auf der Sogseite eines Propellers durch öffnungen Luft austreten zu lassen, welche das Vakuum ausgleichen sollen. Diese Anordnungen haben aber gegenüber einem normalen Propeller keine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades erbracht. Ferner ist die Herstellung aufwendig, und sie sind für erhöhte Drehzahlen nicht geeignet.
Der Gedanke der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die Druckseite der Propellerflügel immer mit Wasser beaufschlagt wird, daß dagegen auf der Sogseite naturgemäß durch den erforderlich größeren Anstellwinkel ein Vakuum erzeugt wird, welches hinter dem sich drehenden Propellerflügel herläuft.
Weil der Sog sich nicht in der Richtung des fahrenden Schiffes bewegt, sondern quer dazu in der Richtung des sich drehenden Propellers, wird die meiste Kraft, welche dort angewendet wird, nicht zur Vorwärtsbewegung des Schiffes benutzt, sondern zum Verquirlen des Wasserstromes vergeudet.
Die hier vergeudete Kraft beträgt meist mehr als 1/3 der aufgebrachten Leistung. Das heißt, kann die Verquirlung des Wassers hier verringert werden, würde dies gleichzeitig eine entsprechende Erhöhung der Wirtschaftlichkeit bedeuten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad des Propellers wesentlich zu erhöhen und einen mit Luft gemischten Wasserstrom zu erzeugen, der keinen bzw. nur sehr geringen Verlust durch Verquirlung des Propellerstromes aufweist. Weiterhin soll die Drehgeschwindigkeit wesentlich erhöht werden.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch den Anspruch 1 gelöst.
Die hinter dem Propellerflügel ausströmende Luft verhindert nicht nur ein Vakuum und damit die Gefahr einer Kavitation, sondern es wird auch die Verquirlung des Wassers im Propeller um ca. 50% verringert und somit die Leistung um ca. 20% heraufgesetzt. Das Beharrungsvermögen des Wassers wird genutzt, damit die Druckseite nicht schon eine zu starke Verquirlung einleitet, und es wird eine größere Propellergeschwindigkeit als bisher erreicht. Eine Einschnürung des Wasserstromes hinter dem Propeller wird vermieden. Weiterhin werden gemäß der Erfindung wesentlich schmälere Propeller verwendet als dies beim herkömmlichen Propeller üblich ist.
Bei einfachster Bauart wird die Luftzuführung zum Propeller dadurch unterstützt oder erst erreicht, daß die Flügel durch den koaxialen Mantel oder Ring hindurchreichen, an einer inneren Propellerwelle oder -nabe befestigt sind und mit diesen inneren Bereichen Luft für die Luftaustrittsöffnungen ansaugen.
Eine strömungsgünstige Luftzuführung wird dadurch geschaffen, daß die Luftaustrittsöffnungen mit einem Bereich des Öffnungsrandes an die Flügelrückseite angrenzen. Dabei kann für jeden Flügel nur eine Luftaustrittsöffnung im Mantel oder Ring vorgesehen sein.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß der Propeller Teil einer strömungsgünstigen Antriebseinheit ist, die nahe dem Schiffsrumpf außen befestigt ist.
Durch die beschriebene Antriebseinheit ist es möglich, ohne Unterstützung eines Gebläses eine ausreichende Menge Luft in die verschiedenen Öffnungen, welche sich vor, im und hinter dem Propeller befinden können, einzubringen, um erstens die Sogseite der Propellerflügel mit Luft zu versorgen und zweitens eine Einschnürung des Propellerstromes hinter dem Propeller weitgehend zu vermeiden, damit ein zylinderförmiger Druckaufbau im abströmenden Wasser erreicht wird.
Durch die vorne angeordneten Propeller wird nicht nur eine Wassermulde am Heck und ein Wasserberg am Bug verhindert, sondern sie erzeugen auch eine Wassermulde am Bug, in die das Schiff hineinläuft. Es wird also eine Art Talfahrt erzeugt. Dabei kann dafür gesorgt werden, daß das ausgestoßene Wasser unter das Hinterschiff gebracht wird, so daß die Talfahrt noch verstärkt wird. Eine noch größere Verstärkung der Talfahrt wird dadurch erzeugt, daß mit dem ausgestoßenen Wasser Luft vom Propeller abgegeben wird, die in der ausgestoßenen Wassersäule enthalten ist und unter den Schiffsrumpf,insbesondere das Hinterschiff, gelangt, um dort einen Auftrieb gleich einem Luftkissen zu erzeugen. Dies verbessert weiter die Lage des Schiffes im Wasser.
Die von den Schiffspropellern ausgestoßene Luft gelangt in Form von Luftbläschen an die Rumpfaußenwandung, um dort eine Luftansammlung, insbesondere einen Luftfilm zu erzeugen, der die Reibung zwischen dem Wasser und der Wandung verringert.
Die außermittig angeordneten Propeller sollten schräg zur Schiffsmitte hin gerichtet sein, wodurch die mit Luft vermischten säulenförmigen Wassermengen mit Sicherheit unter die Rumpfmitte gelangen und nicht frühzeitig seitlich entweichen und damit auch unter den hinteren Bereich des Rumpfes fließen. Dies führt zu einer optimalen Nutzung der unter den Schiffsrumpf gebrachten Luftmengen und damit zu einem optimalen Auftrieb und geringster Reibung.
Eine optimale Ausrichtung der außermittigen Propeller auch noch nach Erstellung des Schiffes und insbesondere entsprechend unterschiedlicher Schiffsgeschwindigkeiten wird dadurch erreicht, daß die außermittig angeordneten Propeller um eine etwa senkrechte Achse drehverstellbar sind.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß auf beiden Seiten des Schiffes parallel zur Schiffslängsachse Wände in das Wasser reichen, die einen nach vorn, hinten und unten offenen Kanal unterhalb des Schiffsrumpfes bilden, durch den das von den Propellern verdrängte Wasser strömt. Hierdurch wird ein Ausweichen der Luft bzw. des Luftkissens und des Luftfilms zu den Seiten verhindert, und ferner werden die unter dem Schiffsboden vorstehenden Propeller vor Grundberührung geschützt.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist dann gegeben, wenn der Propeller auf der Druckseite zentrale Luftaustrittsöffnungen aufweist. Hierdurch kann eine sehr große Luftmenge in das abgedrückte Wasser eingegeben werden, wobei der Propeller die Luft ansaugt. Durch das zentrale Einbringen der Luft bleibt die Luft relativ lange in dem rohrförmigen Wasserstrahl als rohrförmiger Luftstrahl erhalten und kann damit an eine günstige Stelle des Schiffsrumpfes, insbesondere des Hinterschiffes gelangen, so daß dort gleich einem Luftkissen ein Auftrieb erzeugt wird. Vorzugsweise wird dabei die mittlere Luftaustrittsöffnung am hinteren Ende der Propellernabe oder -welle angeordnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den .Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

Fig. 1 einen Propeller mit vier Flügeln in Vorderansicht,
Fig. 2 den Propeller nach Fig. 1 in Seitenansicht,
Fig. 3 den Schiffsbug mit der Antriebseinheit in Seitenansicht,
_Fig. 4 den Propeller schräg von hinten,
_Fig. 5 die Abwicklung des Mantelringes,
_Fig. 6 den Propeller schräg von vorne,
Fig. 7 die Umlenkung des Wassers bei einem Propellerflügel ohne Luftzuführung,
Fig. 8 den Fluß des Wassers bei einem Propellerflügel mit Luftzuführung,
Fig. 9 die Verwirbelung des Wassers bei einem Propeller ohne Luftzuführung,
Fig. 10 den Fluß des Wassers bei einem Propeller mit Luftzuführung,
Fig. 11 einen waagerechten Schnitt durch die Antriebseinheit,
Fig. 12 eine Seitenansicht eines Schiffsrumpfes mit am Bug befestigten Propellern,
Fig. 13 eine Vorderansicht des Rumpfes nach Fig. 12,
Fig. 14 eine Unteransicht des Rumpfes nach Fig.12 und 13, .
Fig. 15 eine Seitenansicht eines vorderen Teils eines Schiffsrumpfes mit drei Propellern,
Fig. 16 eine Vorderansicht des Rumpfes nach Fig. 15,
Fig. 17 eine Unteransicht des Rumpfes nach Fig. 15 und 16,
_Fig. 18 eine Seitenansicht des Bugs eines Schiffes im Ausschnitt,
Fig. 19 eine schematische Darstellung der vom Propeller abgegebenen Wassersäule im Schnitt nach IX-I_X in Fig.18 in einem kleineren Maßstab,
Fig. 20 eine Sicht auf die Saugseite eines Propellers,
Fig. 21 eine Seitenansicht des Propellers nach Fig.20,
Fig. 22 einen Schnitt nach XII-XII in Fig. 20,
Fig. 23 einen Schnitt nach XIII-XIII in Fig. 20, und
Fig. 24 einen Ausschnitt aus Fig. ₂1, einen einzigen Flügel darstellend.

Der Propeller hat im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 vier Flügel 1, die an einer Nabe 2 unter dem Anstellwinkel
α befestigt und die durch einen koaxialen Mantelring 3 ausgesteift sind. Der Mantelring 3 bildet zur Nabe 2 einen ringförmigen Abstandsraum 3a. Die Flügel sind um den
β verdrallt und an den Stirnseiten um den
γ angepfeilt. Die Flügel reichen durch den Mantelring 3 hindurch und sind mit ihren inneren Enden an der Propellernabe 2 befestigt. Die Flügelbereiche 1a zwischen Nabe 2 und Ring 3 saugen durch den Abstandsraum 3a Luft an, da der Abstandsraum mit Luftzuführungskanälen verbunden ist. In dem Mantelring 3, an der Rückseite der Flügel, sind dreieckförmige Luftaustrittsöffnungen 4 ausgeschnitten, von denen ein öffnungsrandbereich an die Flügelrückseite angrenzt. Die Flügel 1 können dabei durch die öffnungen 4 hindurchgesteckt sein.
Die Nabe 2 hat eine kegelförmige Bohrung 5 zur Befestigung auf der Antriebswelle 6. Die Antriebswelle 6 ist in den Lagern 7 und 8 gelagert und wird über ein Kegelradgetriebe 9 von einer schräg verlaufenden Antriebswelle 25 angetrieben. Die Lager 7 und 8 sind in einem Verbindungskasten 10 angebracht, der unterhalb des Schiffsbugs 11 befestigt ist. Der Propeller dreht in Pfeilrichtung D und treibt das Schiff in Fahrtrichtung C vorwärts.
Das Wasser 20 (dargestellt als Linien) wird durch die in Richtung D umlaufenden Propellerflügel abgeschnitten und in Pfeilrichtung E durch die Propellervorderseite 21 beschleunigt. Auf der Propellerrückseite 22 entsteht ein starker Sog, weil das Wasser nicht so schnell nachströmen kann, es entsteht ein Vakuum 23. Dieses Vakuum 23 führt zu einer Umlenkung des aus der Fahrtrichtung anströmenden Wassers, und durch das Vakuum wird das beschleunigte Wasser ebenfalls aus der Fahrtrichtung schräg umgelenkt, was durch die Rotation einer spiralförmigen Verdrallung entspricht. Die Vakuumbildung wird dadurch verhindert, daß durch die Öffnungen 4 das Vakuum 23 durch Luft 24 aufgefüllt wird, hierdurch wird kein Sog auf das Wasser ausgeführt, und es bleibt bei einer geraden Anströmung des Propellers, ebenfalls erfährt das beschleunigte Wasser keine Umlenkung. Hierdurch wird die volle Antriebsleistung zur Vorwärtsbewegung ausgenutzt.
Im Schiffsbug des Schiffsrumpfes 102 befinden sich Luftzuführungsröhren 12 und 13. Die Röhre--12 mündet in einer strömungsgünstigen, insbesondere torpedoförmigen, unterhalb des Rumpfes vorne befestigten Antriebseinheit U mit einem vorderen, senkrechten, den Querschnitt einer Linse aufweisenden Hohlkörper 14 als Träger, an dessen Ende sich ein kegelförmiger Hohlkörper 15 mit waagerechter Achse anschließt. Die Luft strömt aus dem Hohlkörper 14 über die öffnung 16 in den Hohlkörper 15. Über den Ringspalt 17 zwischen Hohlkörper 15 und Ring 3 kann eine bestimmte Menge Luft austreten. Die meiste Luft wird über die Flügelbereiche 1a, die sich zwischen der Nabe 2 und dem Nabenring 3 befinden, durch die dreieckförmigen öffnungen 4 auf die Sogseite des Propellers geleitet, wo sie dann von dem Druckwasser mitgerissen wird. An dem Mantelring 3 schließt eine zylindrische Umkleidung 6a an, die die Antriebswelle 6 und die Lager 7, 8 koaxial umgibt und einen etwas kleineren Durchmesser aufweist als der Mantelring 3. Zwischen 3 und 6a besteht hierdurch ein Ringspalt 17a, durch den Luft austritt, die außen an der Umkleidung 6a entlangströmt.
Die Röhre 13 mündet in einem im wesentlichen rechteckigen Hohlkörper 18, der nach hinten und vorne offen ist und unten halbrundförmig geschlossen ist. Durch die Saugwirkung des Wassers wird über die Öffnung 19 aus dem Hohlkörper 18 und der Röhre 13 Luft'gesaugt, die sich dann mit dem Wasser mischt.
In den Ausführungsbeispielen ab Fig. 12 sind am Bug 101 eines Rumpfes 102 zwei oder mehr Propeller 104 oder Antriebseinheiten an der Unterseite befestigt, wobei der Rumpf in seiner Form nicht oder nur wenig von üblichen Schiffsrümpfen abweicht und die Propellerachse in einer senkrechten Ebene einen Winkel α von O bis 20° mit der Waagerechten, vorzugsweise α = ca. 10°, bildet. In einer waagerechten Ebene ist die Propellerachse bei einem mittigen Propeller in Längsrichtung des Schiffes ausgerichtet, wogegen seitlich versetzte Propeller einen Winkel von β = 2 bis 10⁰, vorzugsweise ca. 5°, mit der senkrechten Schiffslängsebene E bilden. Zur Veränderung des Winkelsβ können die seitlichen Propeller 104 an eine senkrechte oder entsprechend CL aus der senkrechten, schräggestellten Achse drehverstellbar sein, um die Luft/Wassersäule optimal auszurichten. Während beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 13 bis 14 nur zwei Propeller 104 angeordnet sind, die beide außerhalb der Mitte liegen, sind nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 bis 17 drei Propeller am Bug befestigt, von denen nur die zwei äußeren einen Winkel mit der senkrechten Schiffslängsebene E bilden. Die äußeren Propeller 104 sorgen durch ihre Schrägstellung dafür, daß die Luft/Wassersäulen zur Rumpfmitte gelangen, so daß die Luft nicht vorzeitig seitlich entweicht und dabei auch genügend Luft zum Heck 105 des Schiffes gelangt. Dies kann auch darüber hinaus dadurch gefördert werden, daß der Schiffsrumpf zwei zur Schiffslängsachse parallele seitliche Wände (Kufen) 106 besitzt, die unterhalb des Schiffes einen Kanal 106a bilden, der vorne und hinten als auch nach unten hin offen ist. In diesem Kanal sind die Propeller 104 angeordnet, wobei die Wände nach unten hin tiefer vorstehen als die Propeller.
Die Nabe 107 bzw. die rohrförmige Propellerwelle weist auf der Propellerdruckseite D eine zentrale Luftaustrittsöffnung 108 auf, deren Durchmesser etwa 1/3 des Propellerdurchmessers beträgt. Die aus dieser Öffnung 108 durch den Propellersog austretende Luft bildet in der vom Propeller abgedrückten Wassersäule 109 eine mittlere Luftsäule 110 (Fig. 18), die noch weit hinter dem Propeller erhalten bleibt und Luft dem mittleren hinteren Rumpfbereich zuführt. Der Propellernabe 107 wird die Luft über die Propellerantriebswelle und ein Luftzuführungsrohr 111 zugebracht.
Um dem im Querschnitt ringförmigen äußeren Bereich der vom Propeller abgedrückten Luft/Wassersäule Luft zuzuführen, sind die Propellerflügel 112 von zwei Wandungen 112a aus Blech, insbesondere Stahlblech, gebildet, die bogenförmig ausgeführt sind und die an der vorderen Anströmkante 113 im Querschnitt V-förmig miteinander verbunden sind und an der gegenüberliegenden Hinterkante (Abströmkante) 114 auf der Saugseite S einen Spalt 115 bilden, der bis zur Peripherie des Flügels und bis zur Hinterkante reicht, und aus dem Luft austritt. Der Spalt 115 öffnet somit den Hohlraum 116 des Flügels 112, wobei der Hohlraum 116 über Öffnungen 117 in der Nabenseitenwand mit der Luftzuführung verbunden ist. Die Öffnungen 117 weisen unterschiedliche Größen auf, entsprechend der zunehmenden Dicke des Flügelprofils von der Flügelvorderkante 113 aus zur Hinterkante 114 hin.

Claims

1. Schiffsantriebspropeller mit Flügeln, zu deren Sog- bzw. Rückseite Luft geführt wird, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Luftaustrittsöffnungen (4, 117) zwischen den Flügelfüßen nahe den Flügelrückseiten in dem zylindrischen Mantel der Propellernabe (107) oder eines zur Propellerachse koaxialen Ringes (3) angeordnet sind.

2. Schiffsantriebspropeller nach Anspruch 1 oder 2, da- durch gekennzeichnet , daß die Flügel (1) durch den koaxialen Mantel oder Ring (3) hindurchreichen, an einer inneren Propellerwelle oder -nabe (2) befestigt sind und mit diesen inneren Bereichen (1a) Luft für die Luftaustrittsöffnungen (4) ansaugen.

3. Schiffsantriebspropeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Luftaustrittsöffnungen (4) mit einem Bereich des Öffnungsrandes an die Flügelrückseite angrenzen.

4. Schiffsantriebspropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß durch den von dem koaxialen Ring (3) umgebenen Ringraum (3a) Luft zu den Luftaustrittsöffnungen geführt wird.

5. _Schiffsantriebspropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß für jeden Flügel (1) nur eine Luftaustrittsöffnung (4) im Mantel oder Ring vorgesehen ist.

6. Schiffsantriebspropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Propeller Teil einer strömungsgünstigen Antriebseinheit (U) ist, die nahe dem Schiffsrumpf (102) außen befestigt ist.

7. Schiffsantriebspropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß nahe der Naben- oder Ringmantelfläche in Fahrtrichtung vor den Flügeln (1) Luftaustrittsöffnungen oder eine koaxiale ringförmige Luftaustrittsöffnung (17) vorgesehen ist, durch die ein Luftmantel über die Mantelfläche erzeugbar ist.

8. Schiffsantriebspropeller nach Anspruch 6 oder 7, da- durch gekennzeichnet , daß nahe der Naben- oder Ringmantelfläche (3) in Fahrtrichtung hinter den Flügeln (1) eine Luftaustrittsöffnung (17a) vorgesehen ist, durch die ein Luftmantel über der Mantelfläche der Antriebseinheit erzeugbar ist.

9. Schiffsantriebspropeller nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß in Fahrtrichtung am hinteren Ende der Antriebseinheit eine oder mehrere Luftaustrittsöffnungen (19) zentral vorgesehen sind.

10. Schiffsantriebspropeller nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Antriebseinheit tragenden Streben oder Befestigungsarme (14, 18) hohl sind und die Luft für die Luftaustrittsöffnungen zuführen.

11. Schiffsantriebspropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich- net, daß die Propellerwelle (6) über ein Kegelradgetriebe (9) vom Antriebsmotor angetrieben ist und die Antriebswelle (25) zur Propellerwelle geneigt verläuft.

12. Schiffsantriebspropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeich- net, daß mindestens eine Antriebseinheit (U) im vorderen Schiffsbereich unter dem Rumpf angeordnet ist.

13. Schiffsantriebspropeller nach Anspruch 12, da- durch gekennzeichnet , daß aus dem oder den Propellern (104) Luft austritt, die durch die Propeller unter den Schiffsrumpf (102) gedrückt wird.

14. Schiffsantriebspropeller nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die außermittig angeordneten Propeller (104) schräg zur Schiffsmitte hin gerichtet sind.

15. Schiffsantriebspropeller nach Anspruch 14, da- durch gekennzeichnet , daß die außermittig angeordneten Propeller (104) um eine etwa senkrechte Achse drehverstellbar sind..

16. Schiffsantriebspropeller nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeich- net, daß auf beiden Seiten des Schiffs parallel zur Schiffslängsachse Wände (106) in das Wasser reichen, die einen nach vorn, hinten und unten offenen Kanal (106a) unterhalb des Schiffsrumpfes bilden, durch den das von den Propellern (104) verdrängte Wasser strömt.

17. Schiffsantriebspropeller nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeich- net, daß der Propeller (104) auf der Druckseite (D) zentrale Luftaustrittsöffnungen (108) aufweist.

18. Schiffsantriebspropeller nach Anspruch 17, da- durch gekennzeichnet , daß die zentrale Luftaustrittsöffnung (108) am hinteren Ende der Propellernabe oder -welle (107) angeordnet ist.