EP0795466A1

EP0795466A1 - Zykloidalsysteme mit Doppel- bzw. Mehrfach-Flügelsystemen

Info

Publication number: EP0795466A1
Application number: EP97100987A
Authority: EP
Inventors: Andreas Amelang
Original assignee: Voith Hydro GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1996-03-16
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 1997-09-17
Anticipated expiration: 2017-01-23
Also published as: DE19610454C2; DE59704053D1; DE19610454A1; EP0795466B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zykloidalpropeller mit am Rotorkörper schwenkbar gelagerten, sich quer zur Vortriebsrichtung erstreckenden Flügeln (2a, 3a; 2b, 3b; 2a, 3a; 2d, 3d), die in bestimmten Flügelkreispositionen (a, b, c, d) des Flügelkreises (9) angeordnet sind, wobei die Rotordrehachse und die Flügelschwenkachsen zueinander parallel verlaufen und die Verstellung der Flügel über ein die Flügelkinematik bildendes Gestänge mittels einem zentralen Steuerknüppel bewirkbar ist. Die Erfindung zeichnet sich aus durch mindestens zwei parallele Flügel je Flügelkreisposition, um das hydrodynamische Verhalten des Propellers zu verbessern. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Zykloidalpropeller mit am Rotorkörper in bestimmten Flügelkreispositionen schwenkbar gelagerten, sich quer zur Vortriebsrichtung erstreckenden Flügeln, wobei die Rotordrehachse und die Flügelschwenkachsen zueinander parallel verlaufen und die Verstellung der Flügel über ein die Flügelkinematik bildendes Gestänge mittels einem zentralen Steuerknüppel steuerbar ist. Ein solcher Zykloidalpropeller ist beschrieben in Voith Forschung und Konstruktion, Heft 18, Aufsatz 3, Mai 67 mit dem Titel "Die Konstruktion der heutigen Voith-Schneider-Propelle" oder auch im Voith-Sonderdruck 9.94 2000. Ferner findet sich eine Beschreibung eines solchen Zykloidalpropellers in der deutschen Auslegeschrift DE-AS 21 41 569.
In der erstgenannten und zuletzt genannten Literaturstelle wird ausführlich auf die die eigentliche Flügelverstellung bildende Flügelkinematik eingegangen, so daß auf eine ausführliche Beschreibung und Darstellung hier verzichtet wird. Man erkennt aus den genannten Literaturstellen auch sehr klar die Lagerung der einzelnen Flügel am Rotorkörper. Dabei ist im allgemeinen bzw. grundsätzlich ein mit dem Flügel verbundener Flügelschaft vorgesehen, der in entsprechenden Lagern, insbesondere Gleitlagern, gelagert ist.
In der jüngeren Vergangenheit konnte durch verschiedene Verbesserungen die mechanische Belastbarkeit des Zykloidalpropellers entscheidend verbessert werden.
Es ist nun die Aufgabe, entsprechend der höheren, umzusetzenden mechanischen Leistung auch ein besseres hydrodynamisches Verhalten des Voith-Schneider-Propellers zu erreichen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch den Einsatz an mindestens einem Paar von zueinander parallelen oder zumindest quasiparallelen Flügeln je Flügelkreisposition wird erreicht, daß bei gleicher Flügellänge und gleichem Auftrieb beim Doppelflügel (oder Mehrfachflügel allgemein) im Vergleich zum Einzelfllügel ein geringerer induzierter Widerstand auftritt. Dadurch wird ein besserer Vortriebswirkungsgrad des Zykloidalpropellers erreicht, was eine grundsätzliche Verbesserung darstellt. Umgekehrt kann auch ein Doppelflügel den gleichen Auftrieb und induzierten Widerstand wie ein Einzelflügel bei kürzerer Flügellänge erreichen.
Die kürzere Flügellänge bringt auch gewisse konstruktive Vorteile, da sich die Momentenbelastung der Flügellagerung entsprechend verringert.
Ferner kann bei zumindest einem Flügelpaar je Flügelkreisposition durch die Wechselwirkung zwischen den parallelen Flügeln eine spürbare Reduktion der Unterdruckbereiche am Flügelprofil erreicht werden. Dadurch nimmt die Kavitationsneigung entscheidend ab. Diese geringere Kavitationsneigung bringt die folgenden Vorteile mit sich:

1.) Verringerte Schwingungsanregung, was eine grundsätzliche Verbesserung für höhere Schiffsgeschwindigkeiten darstellt.
2.) Geringerer Geräuschpegel des Propellers (also insbesondere unter Wasser). Dies dürfte ein spezieller Vorteil bei militärischen Anwendungszwecken sein.
3.) Wirkungsgradverbesserung
4.) Vermeidung von Kavitationsschäden

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß eine wesentliche Verbesserung des Verhältnisses zwischen Leistung und Schub auftritt.
Alle genannten Verbesserungen lassen sich auch durch das günstigere Abreißverhalten des Doppelflügels z. B. im Vergleich zum Einflügler erklären, d.h. die Strömung reißt beim Doppelflügel später ab.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren in der Zeichnung erläutert; dabei stellen im einzelnen dar:

Fig. 1: eine prinzipielle Darstellung der Flügel in den verschiedenen Flügelkreispositionen bei einem vierflügligen Zykloidalpropeller,
Fig. 2: eine Seitenansicht eines Flügelpaares,
Fig. 3: eine Ansicht des Flügelpaares quer zur Fig. 2,
Fig. 4: eine Draufsicht auf die Flügelanordnung auf dem Flügelkreis mit den verschiedenen Positionen bei einem vierflügligen, einfachflügligen Zykloidalpropeller,
Fig. 5: eine Seitenansicht eines Flügelpaares bei einer gebauten Konstruktion und
Fig. 6: eine Ansicht quer zu Fig. 5.

In Fig. 1 ist der Flügelkreis mit 9 angedeutet und die einzelnen Flügelpositionen mit a, b, c oder d, wobei es sich hier um vier Flügelkreispositionen, mithin einen vierflügligen Zykloidalpropeller mit jeweils vier Flügelpaaren 2a, 3a; 2b, 3b; 2c, 3c; sowie 2d und 3d handelt, Die Flügelpositionen haben dabei auf dem Flügelkreis gleiche Umfangsabstände. Dies ist üblich und entspricht der bisherigen Ausführung eines einfachflügligen Zykloialpropellers mit vier Flügeln entsprechend Fig. 4.
In Fig. 2 ist der Doppelflügel mit seinem einheitlichen Flügelschaft 4 in Seitenansicht dargestellt, wobei Flügel 2a oder 3a im Prinzip der Ausführung des einfachflügligen, bekannten Propellers mit Flügeln 12 gemäß Fig. 4 entspricht. Fig. 3 zeigt die Ansicht quer zur Blickrichtung der Fig. 2 mit den beiden zusammengehörigen Flügeln 2a und 3a des Flügelpaares. Der Abstand zwischen diesen beiden Flügeln eines Paares ist vorzugsweise zumindest etwas größer als die maximale Dicke des Profils eines Flügels. Der optimale Abstand muß im Einzelfall ermittelt werden. Die Lage der Flügel eines Flügelpaares zueinander kann auch von der genauen Parallelität abweichen, insbesondere kann auch ein gewisser Versatz der beiden Flügelprofile zueinander vorgenommen werden. Denkbar ist auch, daß die Flügelprofile eines Flügelpaares etwas unterschiedlich ausgebildet werden. Denkbar wäre auch, daß nicht nur ein Flügelpaar bildende zwei parallele Flügel, sondern drei Flügel oder mehr je Flügelkreisposition angewendet werden. Im allgemeinen dürfte jedoch ein Flügelpaar optimale Verhältnisse unter der Gesamtheit der Gesichtspunkte hydrodynamischer und konstruktiver Art ergeben.
Bei der Auswahl der Anzahl der Flügel dürfte auch die Materialwahl eine große Rolle spielen; es dürfte auch Kunststoff in Kompositbauweise in Betracht kommen.
Ein aus Einzelteilen aufgebauter Doppelflügel, der also aus zwei parallelen Einzelflügeln besteht, ist in Figur 5 und 6 in den entsprechenden Ansichten dargestellt. Dabei trägt der gemeinsame Flügelschaft 24 eine Grundplatte 15, die die beiden Flügel 22 und 23 eines Flügelpaares trägt. Am freien Flügelende befindet sich eine Verbindungsplatte 13. Die Verbindung der einzelnen Platten mit den Flügeln kann durch Schrauben, aber auch durch Schweißung erfolgen. Sicher ist aber auch die gegossene Variante eine praktikable Ausführung. Die Verbindungsplatte an den freien Flügelenden kann einen gewissen Beitrag zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Doppelflügel bzw. Mehrfachflügel leisten.
Die Erfindung läßt sich nicht nur in Zykloidalpropellern, sondern auch bei Windturbinen nutzen.

Claims

Zykloidalpropeller mit am Rotorkörper schwenkbar gelagerten, sich quer zur Vortriebsrichtung erstreckenden Flügeln (2a, 3a; 2b, 3b; 2a,3a; 2d, 3d), die in bestimmten Flügelkreispositionen (a, b, c, d) des Flügelkreises (9) angeordnet sind, wobei die Rotordrehachse und die Flügelschwenkachsen zueinander parallel verlaufen und die Verstellung und Schwenkbewegung der Flügel über ein die Flügelkinematik bildendes Gestänge mittels einem zentralen Steuerknüppel bewirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei zueinander parallele Flügel (2a, 3a; 2b, 3b; 2c, 3c; 2d, 3d) je Flügelkreisposition (a, b, c, d) vorgesehen sind.
Zykloidalpropeller nach Anspruch 1, bei dem die einzelnen Flügel jeweils von einem mit der Flügelkinematik verbundenen Flügelschaft (14) gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Flügel der einzelnen Flügelkreisposition von dem einen Flügelschaft (14) gehalten sind.
Zykloidalpropeller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Grundplatte (15) für die parallelen Flügel einer Flügelkreisposition vorgesehen ist.
Zykloidalpropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Flügel einer Flügelposition genau zueinander parallel angeordnet sind.
Zykloidalpropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Flügel jeder Flügelkreisposition (a, b, c, d) nur quasi-parallel zueinander oder mit gegenseitigen Versatz und/oder Winkel zueinander angeordnet sind.
Zykloidalpropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine ungleiche Länge der Flügel je Flügelkreisposition, insbesondere je Flügelpaar.
Zykloidalpropeller nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Verbindungsplatte (13) am freien Flügelende der einzelnen Flügel (22, 23) je Flügelkreisposition (a, b, c, d), deren Längserstreckung zu der Vortriebsrichtung des Propellers parallel ist.
Zykloidalpropeller nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügelform und die Flügelprofile der Flügel eines Flügelpaares unterschiedlich sind.