EP0405137A1 - Schraube - Google Patents

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EP0405137A1
EP0405137A1 EP90109743A EP90109743A EP0405137A1 EP 0405137 A1 EP0405137 A1 EP 0405137A1 EP 90109743 A EP90109743 A EP 90109743A EP 90109743 A EP90109743 A EP 90109743A EP 0405137 A1 EP0405137 A1 EP 0405137A1
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EP
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wing
wings
blade
slat
slats
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EP90109743A
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Alfred Dudszus
Dirk Büchler
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BUECHLER, DIRK
Dudszus Alfred
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/28—Other means for improving propeller efficiency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H2001/145—Propellers comprising blades of two or more different types, e.g. different lengths

Definitions

  • the invention relates to a propeller with blades arranged in succession on the hub in groups or inclined to one another in two or more planes.
  • the propeller is suitable for use with all watercraft, but is particularly intended for single and multi-screw vessels in order to increase the propulsion grade and to reduce the propeller-induced pressure impulses through a simple, reliable and inexpensive construction and arrangement of ship propellers.
  • the aim of the invention is to provide a simple, inexpensive and reliable ship propeller which can be used generally for single and multi-screw ships and which further improves the degree of propulsion quality and reduces vibrations and cavitation phenomena.
  • the object of the invention is therefore to provide a propeller in which the vortex losses are reduced and the propeller-excited pressure pulses are reduced and with which a larger post-flow volume can generally be detected.
  • the object is achieved in that the hub of the propeller referred to as the "interference propeller" is provided with blades in at least two wing planes, based on the wing tips, which rotate in the same direction and at the same speed, and in that the wings of the wing plane facing the hull, the so-called slats are smaller in diameter than the wings of the subsequent wing levels, the so-called secondary wings, and that the number of slats corresponds to the number of secondary wings of each secondary wing level, so that each secondary wing has a secondary wing of each secondary wing level and that the axial distance x wing planes from one another and the peripheral follow-up angle ⁇ of the mutually belonging wings of the interference wing system consisting of leading and trailing wing (s) are determined as a function of the progress digit J, the axial distance x of the wing planes from one another in the different radii b is 0.3 ... 0.4 of the diameter of the slat and the mean peripheral follow
  • a reduction in the thrust load of the front wing plane is achieved and the energy of the vertebrae emanating from the respective front wing plane is at least partially recovered by the second and possibly subsequent post-wing plane.
  • the most favorable peripheral peripheral angles ⁇ and axial distance x for different profile and wing shapes or loads in the individual wing radii lie in the areas of the lowest axial and tangential speeds behind the respective slat.
  • the outer wing radii of the upstream area, which is larger than the slats, are less stressed by smaller gradients, so that the tip vortices of the post-wings and their tip vortex losses remain small.
  • the profiles as well as the axial and peripheral arrangement of the secondary vanes on the hub and in the area near the hub are arranged in the case of design variants in which the vanes are guided axially offset to the hub in such a way that they recover energy from the hub vortices originating from the primary vanes and the friction.
  • the wings of one or more wing levels can be adjusted or adjusted or the wing levels can be rotated relative to one another. It is advantageous to make the wings of the slat plane fixed and the wings of the slat plane (s) adjustable.
  • slats 1 On a hub, two blades are arranged one behind the other in two planes, related to the wing tips, which rotate in the same direction and at the same speed.
  • the wings of the wing surface first flowed, the so-called slats 1, are made smaller than that Wings of the following wing plane, or in other words, the tip circle diameter of the wings of the following wing plane, that of the so-called secondary wing 2, is up to 1.4 times larger than that of the slat 1.
  • Each slat 1 is thus assigned a slat 2.
  • the slope of the secondary wings 2, in particular that of the outer radii of the secondary wings 2, is less than the slope of the secondary wings 1.
  • the axial distance x of the two wing planes from one another is 0.1 to 0.4 of the diameter of the plane of the slats 1.
  • the peripheral follow-up angle of the mutually assigned wings of the interference wing system consisting of slat 1 and lag 2 is in the wing radii in the range between 60 degrees. up to 140 grd. located.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Propeller mit auf der Nabe in Gruppen hintereinander versetzt oder zueinander geneigt in zwei oder mehreren Ebenen angeordneten Flügeln. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Propeller zu schaffen, bei dem die Wirbelverluste gesenkt und die propellererregten Druckimpulse vermindert werden und mit dem generell ein größeres Nachstromvolumen erfaßt werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Nabe eines sogenannten Interferenzpropellers mit Flügeln in mindestens zwei Flügelebenen versehen ist, die gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl verdrehbar sind und, daß die Flügel der dem Schiffsrumpf zugewandten Flügelebene, die sogenannten Vorflügel, kleiner sind als die Flügel der nachfolgenden Flügelebenen und daß zu jedem Vorflügel ein Nachflügel jeder Nachflügelebene gehört und, daß der axiale Abstand x der Flügelebenen voneinander und der periphere Nachfolgewinkel der zueinander gehörenden Flügel des aus Vor- und Nachflügel/n bestehenden Interferenzflügelsystems in Abhängigkeit der Fortsschrittsziffer bestimmt werden, wobei der axiale Abstand x der Flügelebenen voneinander im Bereich von 0,1 - 0,4 des Durchmessers der Vorflügelebene liegt und der mittlere periphere Nachfolgewinkel φ zwischen Vor- und Nachflügel/n im Bereich zwischen 60 grd. bis 140 grd. vorgesehen wird.

Description

    Anwendungsgebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Propeller mit auf der Nabe in Gruppen hintereinander versetzt oder zueinander geneigt in zwei oder mehreren Ebenen angeordneten Flügeln. Der propeller ist für den Einsatz bei allen Wasserfahrzeugen geeignet, jedoch insbesondere bei Ein- und Mehrschraubenschiffen vorgesehen, um durch eine einfache, betriebssichere und kostengünstige Konstruktion und Anordnung von Schiffspropellern den Propulsionsgütergrad zu erhöhen und die propellererregten Druckimpulse zu mindern.
    • Charakteristik des bekannten Standes der Technik
  • Es sind verschiedene gleich- und gegenläufige Schiffspropellerkonstruktionen und -anordnungen mit unterschiedlichen Naben- und Flügeltypen bekannt, die entweder eine höhere Drehleistung aufnehmen oder die Energieverluste und die Kavitation vermindern bzw. Energie aus dem Drall, Abstrom oder abgehenden Wirbeln zurückgewinnen sollen.
    So dienten die "Gleichlauf-Tandempropeller" mit zwei axial in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten gleich großen Flügelebenen (DR-PS 135 489; DE-PS 1094 622) oder die Propeller mit drei axial in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Flügelebenen (DR-PS 237 161; GB-PA 2 204 643) oder die Propeller mit zwei zueinander geneigt angeordneten und gleich großen Flügelebenen (US-PS 4,306,839; US-PS 4,514,146) der höheren Leistungsaufnahme.
    Ihre weitere Verwendung entfiel jedoch durch höhere Leistungsumsetzungen moderner Schiffspropeller oder aber die in Aussicht gestellten Schubgewinne haben sich in der praxis nicht bestätigt.
    Der als "Gegenlauf-Tandempropeller" bzw. "Contra-Rotating-­Propeller" bekannte Typ, bei dem zwei etwa gleich große, hintereinander angeordnete Propeller in gegensinniger Richtung drehen, verbessert den Propulsionsgütegrad, jedoch sind die Mehraufwendungen für die betriebssichere übertragung der gegenläufigen Drehmomente durch eine Hohlwelle und Getriebe sowie für die Wellenlagerungen und Abdichtungen beträchtlich (GB-PS 1324 256; DE-PS 1094 622; DE-OS 2056 975 u.a.).
    Eine Verbesserung des Propulsionsgütegrades wird auch durch den "freidrehenden Nachpropeller", bekannt als "Grim'sches Leitrad", durch die Anordnung eines größeren, hinter dem angetriebenen Propeller frei im Abstrom gleichsinnig drehenden Leitrades erreicht (DE-PS 1756 889). Das Leitrad muß jedoch etwa die doppelte Anzahl sehr schlanker Flügel gegenüber dem Propeller erhalten, so daß die Betriebssicherheit vermindert und der Aufwand vergrößert wird.
    Weiter gibt es verschiedene Vorschläge und Lösungen, um die Verluste aus den Wirbeln zu vermindern, die infolge der differenzierten Zirkulationsverteilung um die Flügelprofile besonders an den Flügelspitzen abgehen. Das soll durch Leitflügel bzw. Endscheiben wie beim sog. "TVF-Tip Vortex Free Propeller" (DE-OS 3129 232; FR-PS 2337 661 B; DE-PS 89 9180 u.a.) erreicht werden. Diese in den letzten Jahren bekannt gewordene Lösung hat sich noch nicht allgemein durchsetzen können und die Effekte werden vorwiegend bei höher belasteten propellern wirksam.
    Die bekannten Lösungen erfordern somit Höhere Aufwendungen oder sind auf spezielle Einsatzfälle beschränkt oder mit unerwünschten Nebenwirkungen gekoppelt oder es werden die Wechselwirkungen aus der Schiffsumströmung, der Propelleranströmung und dem Abstrom nicht ausschöpfend genutzt.
    • Ziel der Erfindung
  • Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen allgemein für Ein- und Mehrschraubenschiffe einsetzbaren, einfachen, kostengünstigen und zuverlässigen Schiffspropeller zu schaffen, der den Propulsionsgütegrad weiter verbessert und Schwingungen sowie Kavitationserscheinungen vermindert.
    • Darlegung des Wessens der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Propeller zu schaffen, bei dem die Wirbelverluste gesenkt und die propellererregten Druckimpulse vermindert werden und mit dem generell ein größeres Nachstromvolumen erfaßt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Nabe des als "Interferenzpropeller" bezeichneten Propellers mit Flügeln in mindestens zwei Flügelebenen , bezogen auf die Flügelspitzen, versehen ist, die gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl drehen und, daß die Flügel der dem Schiffsrumpf zugewandten Flügelebene, die sogenannten Vorflügel, im Spitzendurchmesser kleiner sind als die Flügel der nachfolgenden Flügelebenen , der sogenannten Nachflügel, und daß die Anzahl der Vorflügel jeweils der Anzahl der Nachflügel jeder Nachflügelebene entspricht, so daß zu jedem Vorflügel ein Nachflügel jeder Nachflügelebene gehört und, daß der axiale Abstand x Flügelebenen voneinander und der periphere Nachfolgewinkel φ der zueinander gehörenden Flügel des aus Vor- und Nachflügel/n bestehenden Interferenzflügelsystems in Abhängigkeit der Fortsschrittsziffer J bestimmt werden, wobei der axiale Abstand x der Flügelebenen voneinander in den verschiedenen Radien bis zu 0,3... 0,4 des Durchmessers der Vorflügelebene liegt und der mittlere periphere Nachfolgewinkel φ zwischen Vor- und Nachflügel/n bis 140 grd. vorgesehen wird.
  • Auf diese Flügel und -anordnung gestützt wird eine Reduzierung der Schubbelastung der vorderen Flügelebene erreicht und die Energie der von der jeweils vorderen Flügelebene abgehenden Wirbel durch die zweite und ggf. nachfolgende Nachflügelebene zumindest teilweise zurückgewonnen.
    Die in den einzelnen Flügelradien jeweils günstigsten pheripheren Nachfolgewinkel φ und axialen Abstand x für verschiedene Profil- und Flügelformen bzw. Belastungen liegen in den Gebieten der geringsten Axial- und Tangentialgeschwindigkeiten hinter dem jeweiligen Vorflügel.
    Die äußeren Flügelradien der gegenüber den Vorflügeln größeren Nachflügel erzeugten Vorstromgebiet und sind durch kleinere Steigungen geringer belastet, damit die Spitzenwirbel der Nachflügel und ihre Spitzenwirbelverluste klein bleiben.
    Die Profile sowie die axiale und pheriphere Anordnung der Nachflügel an der Nabe und im nabennahen Bereich sind bei Ausführungsvarianten, bei denen die Flügel axial versetzt zur Nabe geführt werden so angeordnet, daß sie aus den von den Vorflügeln abgehenden Nabenwirbeln und der Reibung Energie zurückgewinnen.
    Um eine optimale Anpassung der Flügelsteigung und der Propellerdrehzahl an veränderte Schiffskörpereinflüsse zu ermöglichen, können die Flügel einer oder mehreren Flügelebenen verstellbar bzw. einstellbar oder die Flügelebenen gegeneinander verdrehbar ausgeführt werden. Vorteilhaft ist es, die Flügel der Vorflügelebene feststehend und die Flügel der Nachflügelebene/n verstellbar bzw. einstellbar zu gestalten.
    • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen erläutert:
    • Fig. 1 zeigt schematisch die Zirkulation um einen Tragflügel von endlicher Länge mit dem Zirkulationsabfall an den Tragflügelenden sowie dem gebundenen und freien Wirbelsystem.
    • Fig. 2 zeigt die überlagerung der Stromlinien aus der Schiffsumströmung und der Propellerströmung mit der Strömung des Wirbelzylinders sowie dem daraus um die Propellererbene entstehenden Vorstromgebiet.
    • Fig. 3 veranschaulicht die gegenüber der homogenen Anströmgeschwindigkeit Vo unterschiedlichen örtlich maximalen und minimalen sowie gemittelten Geschwindigkeiten verschiedener axialer Meßebenen vor und hinter der Propellerebene an den Radien im kontrahierten Strahl und außerhalb des Propellerstrahls an einem Modellpropeller durch Lasermessung.
    • Fig. 4 zeigt die an einem anderen Modellpropeller durch Lasermessung ermittelten örtlichen maximalen und minimalen gemittelten Geschwindigkeiten im Flügelwurzelbereich und bis 1,25 D. Die Zahlenwerte geben die mittlere Geschwindigkeit an.
    • Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines vierflügeligen Schiffspropellers mit jeweils zwei zugeordneten Vor- und Nachflügeln.
  • An einer Nabe sind in zwei Ebenen, bezogen auf die Flügelspitzen, hintereinander versetzt jeweils zwei Flügel angeordnet, die gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl drehen. Die Flügel der zuerst angeströmten Flügelebene, die sogenannten Vorflügel 1, sind kleiner ausgeführt als die Flügel der nachfolgenden Flügelebene, oder anders ausgedrückt, der Spitzenkreisdurchmesser der Flügel der nachfolgenden Flügelebene, der der sogenannten Nachflügel 2, ist bis zum 1,4 fachen größer, als der der Vorflügel 1.
  • Jedem Vorflügel 1 ist somit ein Nachflügel 2 zugeordnet. Die Steigung der Nachflügel 2, insbesondere die der äußeren Radien der Nachflügel 2, ist geringer ausgeführt als die Steigung der Vorflügel 1.
  • Der axiale Abstand x der beiden Flügelebenen voneinander beträgt 0,1 bis 0,4 des Durchmessers der Ebene der Vorflügel 1.
    Der periphere Nachfolgewinkel der einander zugeordneten Flügel des aus Vorflügel 1 und Nachflügel 2 bestehenden Interferenzflügelsystems ist in den Flügelradien im Bereich zwischen 60 grd. bis 140 grd. angesiedelt.

Claims (5)

1. Propeller mit auf der Nabe in Gruppen hintereinander versetzt oder zueinander geneigt in zwei oder mehreren Ebenen, bezogen auf die Flügelspitzen , angeordneten Flügeln, die gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl drehen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flügel der zuerst angeströmten Flügelebene, die sogenannten Vorflügel, kleiner sind als die Flügel der nachfolgenden Flügelebene/n bzw., daß der Spitzenkreisdurchmesser der Flügel der nachfolgenden Flügelebene/n, der der sogenannten Nachflügel, größer als der der Vorflügel ist und, daß die Anzahl der Vorflügel jeweils der Anzahl der Nachflügel jeder Nachflügelebene entspricht, so daß jedem Vorflügel ein Nachflügel jeder Nachflügelebene zugeordnet ist, und, daß die Steigung der Nachflügel, insbesondere die der äußeren Radien der Nachflügel, geringer ist als die Steigung der Vorflügel und, daß der axiale Abstand x der Flügelebenen voneinander im Bereich von 0,1 - 0,4 des Durchmessers der Vorflügelebene liegt und, daß der mittlere periphere Nachfolgewinkel φ der einander zugeordneten Flügel des aus Vor- und Nachflügeln bestehenden Interferenzflügelsystems im Bereich zwischen 60 grd. bis 140 grd. angesiedelt ist.
2. Propeller nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flügel einer oder mehrerer Flügelebenen verstell-­bzw. einstellbar sind.
3. Propeller nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flügel der Vorflügelebene feststehend und die Flügel der Nachflügelebene/n verstell- bzw. einstellbar ausgeführt sind.
4. Propeller nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Flügelkreisflächen der Vor- und Nachflügel in den inneren Flügelradien überdecken.
5. Propeller nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nachflügel gegenüber den Vorflügeln in den nabennahen Flügelradien axial in Richtung des Abstroms versetzt angeordnet sind.
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NO (1) NO902169L (de)

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NO902169L (no) 1991-01-02
EP0405137B1 (de) 1994-10-19
JPH03266795A (ja) 1991-11-27
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