EP1306301A1 - Vorrichtung zur Entgegenwirkung von im Nabenbereich von Propellern und/oder Propellerantrieben im umgebenden Fluid erzeugten Strömungswirbeln - Google Patents

Vorrichtung zur Entgegenwirkung von im Nabenbereich von Propellern und/oder Propellerantrieben im umgebenden Fluid erzeugten Strömungswirbeln Download PDF

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EP1306301A1
EP1306301A1 EP02090313A EP02090313A EP1306301A1 EP 1306301 A1 EP1306301 A1 EP 1306301A1 EP 02090313 A EP02090313 A EP 02090313A EP 02090313 A EP02090313 A EP 02090313A EP 1306301 A1 EP1306301 A1 EP 1306301A1
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EP
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propeller
hub
vortex
hvv
propellers
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EP02090313A
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Reinhard Dr. Habil. Schulze
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ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
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Howaldtswerke Deutsche Werft GmbH
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    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/28—Other means for improving propeller efficiency
    • B63H2001/283—Propeller hub caps with fins having a pitch different from pitch of propeller blades, or a helix hand opposed to the propellers' helix hand

Definitions

  • the invention relates to a device for counteracting flow vortices generated in the hub region of propellers and / or propeller drives in the surrounding fluid. It is a rotationally symmetric transition part (Hub Vortex Vane) between a propeller and the adjacent fluid in the jet direction (incompressible medium) on the same axis of rotation as the propeller.
  • the device can be carried out co-rotating with the propeller or fixed. Fields of application are primarily possible in shipbuilding and aircraft construction.
  • Propellers of propellers and propellers form at the hub ends as well as at the outer edges of the propeller blades energetic edge vortex.
  • the inner edge vortexes of all the propeller blades unite to form a hub vortex in the surrounding fluid in the jet direction behind the propeller, whereby the geometric location of the hub vortex coincides well with the rotational axis of the propeller. It is irrelevant for the formation of the hub vortex whether there is still a flow body behind the actual propeller or not.
  • Highly loaded propellers with relatively large hub diameters usually form stronger hub vertebrae than weakly loaded propellers with relatively small hub diameters.
  • the fins for the reduction of the hub vortex are already within the Boundary radius later explained after concentration of edge vortices to one uniform hub vortex attached and result in their mostly larger number as the propeller wing number an efficiency-increasing effect, but can not yet completely the parasitic cavitation phenomena with their suppress the adverse effect on the noise emission.
  • the invention has for its object to develop a solution for a significant reduction in energy losses through the formation of the hub vortex, for a noise reduction by fluctuating phenomena in the hub vortex in Propellerabstrom and in particular for the noise reduction caused by the hub vortex cavitation phenomena (hub cavitation).
  • this object is solved by the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the invention are contained in the accompanying claims 2 and 3.
  • the invention is based on a device for counteracting flow vortices generated in the hub region of propellers and / or propeller drives in the surrounding fluid, which has at least one blade, the curvature of the blade being directed counter to the curvature of the propeller.
  • the blade extends from a cone-shaped transition part via a cylindrical hub part to the re-cone-shaped divergent closure part, wherein the outer termination of the blade is effected by a cylindrical shell of 10 to 50% of the length of the blade surface.
  • a plurality of blades are distributed in meridional arrangement regularly on the circumference of the device.
  • the blades start in their radial extent in the axis of rotation of the propeller and do not exceed a limit radius (R G ) within which the tangential component (V T ) of the velocity (V W ) of the turbulent flow is greater than that by the propeller rotation caused peripheral speed (V U ).
  • the invention is based on the finding that by appropriate design or shaping of the device, the formation of vortices by the propeller in the hub environment can be counteracted by the pressure conditions in this environment are selectively changed by the design of the device. Since the geometric location of the hub vortex (inner peripheral vortex), in contrast to the tip vortex (outer peripheral vortex) is well known (propeller rotational axis) and independent of the propeller speed and ship speed, secondary measures can only counteract the formation of the hub vortex.
  • Hub Vortex Vane contains at least one Scoop 12 in operation for a reduction in hub vortex strength and the associated hub vertebra cavitation provides.
  • An HVV is available at any time can be retrofitted, no other components to exchange, but can all other components of the drive system are kept unchanged.
  • the HVV Blades 12 are provided which are arranged approximately in meridional alignment are.
  • the number of blades is independent of the number of propeller blades and the Outer diameter of the HVV is at about 0.16 of the propeller diameter (with co-rotating HVV) limited.
  • the inner boundary of the blades is by a rotary body of the shape according to the reference numerals 9, 10, 11 and the outer boundary is formed by a ring of the shape 13.
  • the special ones internal and external limitations serve to suppress a great deal possible secondary cavitation phenomena at the inner and outer ends the scoop (s).
  • the HVV according to the invention is both in helical propellers, as Pressure propellers work, as well as with traction propellers applicable.
  • FIGS. 2 to 4 show different application possibilities of the HVV.
  • FIG. 2 The working as shown in FIG. 2 as a pressure propeller 1 with propeller hub 2 Screw propeller has a co-rotating HVV 6, which in jet direction behind the Propeller 1 is located.
  • the behind the propeller 1 along the HVV 6 forming Vertebra consists at first of several vertebrae of the different wings, which themselves then very quickly to form a single vortex, leaving its mark in a narrow area along the axis of rotation of the propeller leaves. This behavior is shown in FIG. 1.
  • the direction of rotation of this vortex falls with the direction of rotation of the propeller together and the Tangential velocities of the vortex are greatest in the inside (in the vortex eye potential-theoretically infinitely large) and decrease to the outside.
  • V T tangential velocities (V T ) of the fluid to the vortex eye (in the hub vortex identical to propeller rotation axis) towards a purely potential-theoretical law
  • V T ⁇ B / 2 ⁇ ⁇ ⁇ r ( ⁇ B hub vortex strength)
  • toughness-related influences Oseen vortex
  • the inner and outer closure of the Blade surfaces is made by a cone-shaped transition part 9 from the pressure-side propeller hub end 2 via the cylindrical hub part 10 of the HVV to again cone-shaped divergent final part 11 of the hub HVV.
  • the outer conclusion of the Vane surfaces of the HVV is effected by a cylindrical shell 13 of FIG up to 50% of the length of the blade surfaces.
  • the hydrodynamic benefit of splitting the HVV hub to the three Sections 9 to 11 consist in the concentration of the individual (hub side) Randwirbelanteile the propeller blades to a concentrated hub vortex, the Redirection of the tangential velocity components in the entire area the blades 12 and the "defibering" of a possible residual vortex in the Area of the divergent conical part 11.
  • the diameter of the cylindrical spacer 10 should match the diameter of the toughness core (vortex age) coincide.
  • the hydrodynamic benefits of the cylindrical surface 13 around the blades consists in preventing possible parasitic cavitation phenomena on outer end of the blades.
  • the figures 6 serve to illustrate the derivation of the shape of the blade surfaces and 7. Shown is the "downwind" component 14 of the velocity distribution near the propeller blades 1 which is the main cause of the Tangential speeds are behind the propeller. Due to the generally existing increase in the pitch angle of the Propeller blades to the axis of rotation to and through the vortex - induced increase in Tangential speeds, the curvatures of the blades 12 must be in Change dependence on the radius, so that the flow lines as possible in Beam direction 15 are deflected. In FIGS. 6 and 7 these are Conditions for different radii ratios as Zylinderabwicklitch for the radii ratios 0.10 and 0.15 are shown.
  • Fig. 2 to Fig. 4 Applications and embodiments of the HVV are shown in Fig. 2 to Fig. 4 shown.
  • For pressure propeller assemblies in conjunction with normal Wave systems or on gear pods or pods or other Motor nacelles is the mitFEende embodiment according to FIG. 2 of Advantage.
  • For propeller arrangements on the behind the propeller attachments such as e.g. following a rudder plate is a fixed embodiment as in FIG. 3 outlined, hydrodynamically advantageous.
  • Transmission gondolas pods or engine pods is a fixed embodiment at the end of the nacelle according to FIG. 4 advantageous.
  • FIG. 2 For a pressure propeller arrangement according to FIG. 2, FIG achievable benefits by means of HVV ("HVV”) based on measurements shown. Compared to a normal frequently used hub completion ("Normal”) by a simple conical hub cap rises Efficiency gain with the Reynolds number clearly. The hub vertebra cavitation could be completely suppressed by application. Become the Suppression of hub vertebra cavitation as usual divergent Used hub runs (“divergent”) increases when using the HVV Efficiency gain still significantly.
  • HVV HVV

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Abstract

Vorrichtung (6) zur Entgegenwirkung von im Nabenbereich von Propellern und/oder Propellerantrieben im umgebenden Fluid erzeugten Strömungswirbeln (5), die mindestens eine Schaufel (12) aufweist, wobei die Wölbung der Schaufel der Wölbung des Propellers entgegengerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (12) von einem konusförmigen Übergangsteil (9) über ein zylindrisches Nabenteil (10) zum wieder konusförmigen divergierendem Abschlußteil (11) verläuft, wobei der äußere Abschluss der Schaufel (12) durch einen zylinderförmigen Mantel (13) von 10 bis 50% der Länge der Schaufelfläche erfolgt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Entgegenwirkung von im Nabenbereich von Propellern und/oder Propellerantrieben im umgebenden Fluid erzeugten Strömungswirbeln. Dabei handelt es sich um ein rotationssysmmetrisches Übergangsteil (Hub Vortex Vane) zwischen einem Propeller und dem in Strahlrichtung angrenzenden Fluid (inkompressibles Medium) auf derselben Rotationsachse wie der Propeller. In Abhängigkeit von der jeweiligen Ausführung des Propellerantriebes (Wellenanlage, Motorgondel, Getriebegondel) und möglicher weiterer Anhänge (z.B. Ruder oder Leiteinrichtungen) kann die Vorrichtung mitdrehend mit dem Propeller oder feststehend ausgeführt werden. Anwendungsbereiche sind vorrangig im Schiffund Flugzeugbau möglich.
Propeller von Schiffs- und Luftschrauben bilden an den nabenseitigen Enden ebenso wie an den äußeren Rändern der Propellerblätter energiereiche Randwirbel aus. Im Unterschied zu den äußeren Randwirbeln der einzelnen Propellerblätter vereinigen sich die inneren Randwirbel aller Propellerblätter zu einem Nabenwirbel im umgebenden Fluid in Strahlrichtung hinter dem Propeller, wobei der geometrische Ort des Nabenwirbels wohldefiniert mit der Drehachse des Propellers zusammenfällt. Dabei ist es für die Ausbildung des Nabenwirbels unerheblich, ob sich hinter dem eigentlichen Propeller noch ein Strömungskörper befindet oder nicht. Hochbelastete Propeller mit verhältnismäßig großen Nabendurchmessern bilden meist stärkere Nabenwirbel aus als schwach belastete Propeller mit verhältnismäßig kleinen Nabendurchmessern. In den Patentschriften US 4 212 586 [2], 1978, EP 255 136 [3], 1987, EP 758 606, 1996 [4] werden verschiedene Varianten zur Reduktion des Nabenwirbelanteils vorgestellt. In der Druckschrift [1] :"An investigation into effective boss cap designs to eliminate propeller hub vortex cavitation" von Atlar, M.; Patience, G. (Osterveld, M.W.C.; Tan, S.G. editors: Practical Design of Ships and Mobile Units,1998 Elsevier Science B.V.)
wird eine ausführliche Übersicht über den Stand der Technik gegeben. In [2] wird eine Variante der Reduktion des Nabenwirbels untersucht, bei die Abgase eines Verbrennungsmotors durch die Nabe geleitet werden, und so versucht wird, das sich durch den Nabenwirbel ausbildende Unterdruckgebiet zu eleminieren. In [3] werden in Interaktion mit jedem einzelnen Propellerblatt auf dem Nabenablauf zusätzliche Flügel angebracht, die einen nabenwirbelreduzierenden Effekt haben sollen.
Für die Geräuschminderung an Marineschiffen, insbesondere bei U-Booten, wurde bisher beim Propellerentwurf versucht durch besondere Steigungs- und Wölbungsverteilungen der Propeller der Bildung dieser Randwirbel entgegenzuwirken. Dies konnte aber nur mit deutlichen Wirkungsgradverlusten erreicht werden.
Während bei den auf [2] basierenden relativ häufig im Sportbootsektor angewandten Methoden zur Reduktion der nachteiligen Einflüsse des Nabenwirbels lediglich die Druckverhältnisse im Umgebungsbereich der Propellernabe beeinflußt wurden, kann mit dieser Ausführungsform weder die eigentliche Wirbelstärke des Nabenwirbels noch eine Drehmomentreduktion erfolgen. Ein weiterer entscheidender Nachteil ist die starke zusätzliche Geräuschemission im Bereich des Propellers und das Aufrechterhalten der Nabenwirbelkavitation. Außerdem ist die Umweltverträglichkeit in Frage gestellt.
Bei den Nabenkappenflossen gemäß [3] befinden sich auf der Nabenablaufkappe des Propellers genau so viele Zusatzflügel wie der Propeller Blätter hat und stehen in direkter Wechselwirkung mit diesen. Sie sind (im Wesentlichen) außerhalb des später betrachteten Grenzradiusses angebracht (vgl. Fig. 1 bis Fig. 3 in [3]) und können ihre optimale Wirkung nur für einen relativ kleinen Fortschrittsgradbereich (Belastungsbereich) entfalten, da sich in Abhängigkeit vom Fortschrittsgrad die Positionen der inneren Randwirbel der einzelnen Propeller verändern. Trotz ihres wirbelreduzierenden Effektes können insbesondere bei höheren Belastungen noch parasitäre Kavitationserscheinungen mit ihrem nachteiligen Effekt auf die Geräuschabstrahlung auftreten.
In [4] sind die Leitflossen zur Reduktion des Nabenwirbels bereits innerhalb des später erklärten Grenzradiusses nach Konzentration der Randwirbel zu einem einheitlichen Nabenwirbel angebracht und ergeben in ihrer meist größeren Anzahl als die Propellerflügelzahl einen wirkungsgradsteigernden Effekt, können aber noch nicht vollständig die parasitären Kavitationserscheinungen mit ihrem nachteiligen Effekt auf die Geräuschabstrahlung unterdrücken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für eine deutliche Reduzierung der Energieverluste durch die Ausbildung des Nabenwirbels, für eine Geräuschminderung durch fluktuierende Erscheinungen im Bereich des Nabenwirbels im Propellerabstrom und insbesondere für die Geräuschminderung der durch den Nabenwirbel verursachten Kavitationserscheinungen (Nabenwirbelkavitation) zu entwickeln.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Ansprüchen 2 und 3 enthalten.
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Entgegenwirkung von im Nabenbereich von Propellern und/oder Propellerantrieben im umgebenden Fluid erzeugten Strömungswirbeln, die mindestens eine Schaufel aufweist, wobei die Wölbung der Schaufel der Wölbung des Propellers entgegengerichtet ist.
Die Schaufel verläuft erfindungsgemäßvon einem konusförmigen Übergangsteil über ein zylindrisches Nabenteil zum wieder konusförmigen divergierendem Abschlußteil, wobei der äußere Abschluss der Schaufel durch einen zylinderförmigen Mantel von 10 bis 50 % der Länge der Schaufelfläche erfolgt. Nach einem bevorzugten Merkmal sind mehrere Schaufeln in meridionaler Anordnung regelmäßig auf den Umfang der Vorrichtung verteilt.
Nach einem besonders bevorzugten Merkmal beginnen die Schaufeln in ihrer radialen Erstreckung in der Rotationsachse des Propellers und überschreiten einen Grenzradius (RG) nicht, innerhalb welchem die Tangentialkomponente (VT) der Geschwindigkeit (VW) der Wirbelströmung größer ist als die durch die Propellerdrehung verursachte Umfangsgeschwindigkeit (VU).
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch entsprechende Ausgestaltung bzw. Formgebung der Vorrichtung, der Bildung von Wirbeln durch den Propeller in der Nabenumgebung entgegengewirkt werden kann, indem die Druckverhältnisse in dieser Umgebung durch die Ausgestaltung der Vorrichtung gezielt verändert werden.
Da der geometrische Ort des Nabenwirbels (innerer Randwirbel) im Gegensatz zum Spitzenwirbel (äußerer Randwirbel) wohlbekannt (Drehachse des Propellers) und unabhängig von der Propellerdrehzahl und Schiffsgeschwindigkeit ist, kann durch sekundäre Maßnahmen nur der Ausbildung des Nabenwirbels entgegengewirkt werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung kann zumindest im Nabenbereich aus den Wirbeln Energie zurückgewonnen und die Kavitationsausbildung weitestgehend verzögert werden, womit der Wirkungsgrad eines Schiffsantriebes nennenswert verbessert werden und die Ortungsreichweite eines Marineschiffes erheblich reduziert werden kann.
Die Vorteile der Erfindung beruhen auf der erfindungsgemäß erstmals realisierten Kombination von einer deutlichen wirkungsgradsteigernden Wirkung und einer weitestgehenden Vermeidung jeglicher Kavitationserscheinungen (mit ihrem nachteiligen Effekt auf die Geräuschabstrahlung). In Versuchsreihen zeigten sich im Vergleich zu anderen Typen von Nabenkappenflossen für die erfindungsgemäße Vorrichtung der höchste Wirkungsgradgewinn. Ein zusätzlicher Gewinn ergibt sich auf Seiten des Propellerentwurfes für kavitationsfreie Auslegungen, dass man keine wirkungsgradsenkende Maßnahmen zur Vermeidung von Nabenwirbelkavitation mehr ergreifen muß. D.h. bereits der entworfene Propeller hat selbst einen höheren Wirkungsgrad der noch durch die Energierückgewinnung durch die HVV aus den Nabenwirbelverlusten vergrößert wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen die
Fig.1:
Wirbelbildung hinter einem Propeller entlang der eines Hub Vortex Vane (nachfolgend HVV genannt),
Fig. 2:
eine Applikation 6 einer HVV als Ersatz für einen normalen Nabenablauf bei dem die HVV mit dem Propeller mitrotiert,
Fig. 3:
eine HVV 6 ist am Ruderblatt 7 eines Schiffes fixiert,
Fig. 4:
die HVV ist am Ende einer Motorgondel/Pod/Getriebegehäuse 8 fest montiert,
Fig. 5:
schematische Darstellung einer möglichen Ausführung eines Hub Vortex Vane,
Fig.6:
schematische Darstellung der "Abwind"komponente der Geschwindigkeitsverteilung in der Nähe der Propellerblätter für die Radienverhältnisse 0.1 als Zylinderabwicklungen,
Fig.7:
schematische Darstellung der "Abwind"komponente der Geschwindigkeitsverteilung in der Nähe der Propellerblätter für die Radienverhältnisse 0.15 als Zylinderabwicklungen,
Fig.8:
Darstellung der Abhängigkeit des Gütegrades der Propulsion von der Reynoldszahl.
Gemäß einer fertigungstechnisch einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält der Hub Vortex Vane mindestens eine Schaufel 12 die im Betrieb für eine Reduktion der Nabenwirbelstärke und der damit verbundenen Nabenwirbelkavitation sorgt. Eine HVV ist jederzeit nachrüstbar, dazu sind keine weiteren Bauteile auszutauschen, vielmehr können alle übrigen Bauteile des Antriebssystems unverändert beibehalten werden.
Vorzugsweise sind mehrere, auf den Umfang der HVV regelmäßig verteilte Schaufeln 12 vorgesehen, die annähernd in meridionaler Ausrichtung angeordnet sind. Die Anzahl der Schaufeln ist unabhängig von der Propellerflügelzahl und der Außendurchmesser der HVV ist auf ungefähr 0.16 des Propellerdurchmnessers (bei mitrotierenden HVV) beschränkt. Die innere Begrenzung der Schaufeln wird durch einen Rotationskörper der Gestalt gemäß der Bezugszeichen 9, 10, 11 und die äußere Begrenzung durch einen Ring der Gestalt 13 gebildet. Die speziellen inneren und äußeren Begrenzungen dienen einer weitgehenden Unterdrückung möglicher sekundärer Kavitationserscheinungen am inneren und äußeren Ende der Schaufel(n).
Durch entgegengesetzte Ausrichtungen der starken Wölbung der Nabenschaufeln und der Wölbung der Propellerflügel ist es möglich die hohen Tangentialgeschwindigkeiten in Nabennähe so in Strahlrichtung umzulenken, dass ein zusätzlicher Schub erzeugt wird. Das dabei durch die Umlenkung auftretende Drehmoment ist dem den Propeller antreibenden Motormoment gleichgerichtet, was einer Leistungseinsparung gleichkommt. Außerdem führt die vollständige Beseitigung des Nabenwirbels zu einer Reduzierung der Schallabstrahlung.
Die erfindungsgemäße HVV ist sowohl bei Schraubenpropellern, die als Druckpropeller arbeiten, als auch bei Zugpropellern anwendbar.
Besonders geeignet ist die Anwendung an Propellern für höhere Schubbelastungsgrade, z. B. an Propellern, die einen hohen Schub auf vergleichsweise geringer Fläche erzeugen und dabei zwangsweise eine verstärkte Nabenwirbelbildung verursachen. Hierbei ist das erreichbare Verbesserungspotential entsprechend groß.
Die Fig. 2 bis Fig. 4 zeigen unterschiedliche Applikationsmöglichkeiten der HVV auf.
Der gemäß Fig. 2 als Druckpropeller 1 mit Propellernabe 2 arbeitende Schraubenpropeller hat eine mitdrehende HVV 6, die in Strahlrichtung hinter dem Propeller 1 liegt. Der sich hinter dem Propeller 1 entlang der HVV 6 bildende Wirbel, besteht zunächst aus mehreren Wirbeln der verschiedenen Flügel, die sich dann sehr schnell zu einem einzigen Wirbel zusammenformen, der seine Spur in einem eng begrenzten Gebiet entlang der Drehachse des Propellers hinterlässt. Dieses Verhalten ist in der Fig. 1 dargestellt. Die Drehrichtung dieses Wirbels fällt dabei mit der Drehrichtung des Propellers zusammen und die Tangentialgeschwindigkeiten des Wirbels sind innen am größten (im Wirbelauge potentialtheoretisch unendlich groß) und nehmen nach außen ab.
Wegen der Zunahme der Tangentialgeschwindigkeiten (VT) des Fluids zum Wirbelauge (beim Nabenwirbel identisch mit Propellerdrehachse) hin nach einem rein potentialtheoretischen Gesetz VT = Γ B / 2·π·r (ΓB Nabenwirbelstärke), bzw. unter Berücksichtigung zähigkeitsbedingter Einflüsse (Oseen-Wirbel) näherungsweise mit einem geeigneten Wert für das Wirbelalter t VT = Γ B 2·π·r (1-e-( r2 4·υ·t )) treten innerhalb eines Grenzradiusses RG ≈ Γ B 2·π·n (∼ 0.16 RP mit RP = 1/2 DP Propellerradius)
Tangentialgeschwindigkeiten VT auf, die deutlich höher sind als die Umfangsgeschwindigkeit VU eines mit der Propellerdrehzahl n rotierenden Punktes im Abstand r von der Drehachse. Bis zu dem Grenzradius RG ist ein Energierückgewinnung bei einer mitrotierenden HVV möglich. Für eine fest montierte HVV (vgl. Fig. 3 und Fig. 4) gibt es diesen Grenzradius nicht.
Die Schaufeln 12 der HVV erstrecken sich aus diesem Grund von der Propellerachse bis maximal dem Grenzradius RG, um die Wirkung der Schaufeln optimal zu nutzen. Die Wölbung der Schaufelflächen ist der der Propellerflächen entgegengesetzt. Auf die Weise werden die Wirbelströme in Strahlrichtung umgelenkt, wobei ein zusätzlicher Schub erzeugt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind acht, auf den Umfang der HVV verteilte Schaufeln (Fig. 5) gezeigt, die sich von dem der Propellernabe Pos. 2 in Fig. 1 zugekehrten Ende 9 bis zum Ende der HVV bei 11 aus Fig. 5 erstrecken.
Besonders vorteilhaft gegenüber bekannten Lösungen hinsichtlich der Vermeidung von Nabenwirbeln ist der innere und äußere Abschluß der Schaufelflächen. Die innere Anbindung der Schaufelflächen erfolgt von einem konusförmigen Übergangsteil 9 vom druckseitigen Propellernabenende 2 über den zylindrischen Nabenteil 10 der HVV zum wieder konusförmigen divergierendem Abschlußteil 11 der Nabe der HVV. Der äußere Abschluß der Schaufelflächen der HVV erfolgt durch einen zylinderförmigen Mantel 13 von 10 bis 50 % der Länge der Schaufelflächen.
Der hydrodynamische Nutzen der Aufteilung der Nabe der HVV auf die drei Abschnitte 9 bis 11 besteht in der Konzentration der einzelnen (nabenseitigen) Randwirbelanteile der Propellerflügel zu einem konzentrierten Nabenwirbel, der Umlenkung der tangentialen Geschwindigkeitskomponenten im gesamten Bereich der Schaufeln 12 und der "Zerfaserung" eines möglichen Restwirbelanteils im Bereich des divergenten konischen Abschlußteils 11. Der Durchmesser des zylindrischen Zwischenstückes 10 sollte mit dem Durchmesser des zähigkeitsbedingten Wirbelkerns (Wirbelalter ) zusammenfallen. Der hydrodynamische Nutzen der zylindrischen Mantelfläche 13 um die Schaufeln besteht in einer Verhinderung möglicher parasitärer Kavitationserscheinungen am äußeren Ende der Schaufeln.
Zur Darstellung der Ableitung der Form der Schaufelflächen dienen die Figuren 6 und 7. Dargestellt ist die "Abwind"komponente 14 der Geschwindigkeitsverteilung in der Nähe der Propellerblätter 1 die die wesentliche Ursache für das Zustandekommen der Tangentialgeschwindigkeiten hinter dem Propeller ist. Durch die im Allgemeinen vorhandene Zunahme des Steigungswinkel der Propellerblätter zur Drehachse zu und durch die wirbelbedingte Zunahme der Tangentialgeschwindigkeiten, müssen sich die Krümmungen der Schaufeln 12 in Abhängigkeit vom Radius verändern, so dass die Strömungslinien möglichst in Strahlrichtung 15 umgelenkt werden. In den Fig. 6 und Fig. 7 sind diese Verhältnisse für unterschiedliche Radienverhältnisse als Zylinderabwicklungen für die Radienverhältnisse 0.10 und 0.15 dargestellt.
Anwendungsmöglichkeiten und Ausgestaltungsformen der HVV sind in Fig. 2 bis Fig. 4 gezeigt. Für Druckpropelleranordnungen in Verbindung mit normalen Wellenanlagen oder an Getriebegondeln oder an Pods oder an sonstigen Motorgondeln ist die mitdrehende Ausführungsform entsprechend Fig. 2 von Vorteil. Für Propelleranordnungen auf die hinter dem Propeller Anhänge wie z.B. ein Ruderplatt folgen, ist eine feststehende Ausführungsform wie in Fig. 3 skizziert, hydrodynamisch vorteilhaft. Für Zugpropelleranordnungen an Getriebgondeln, Pods oder Motorgondeln ist eine feststehende Ausführungsform am Ende der Gondel entsprechend Fig. 4 vorteilhaft.
Die Anwendung von besonders ausgebildeten HVV ist insbesondere an Propellern für höhere Schubbelastungsgrade wichtig. Derartige Propeller erzeugen einen hohen Schub auf vergleichsweise geringer Fläche und damit zwangsweise verstärkte Nabenwirbel. Aufgrund des hohen Verlustes kann bei Anwendung einer erfindungsgemäß ausgebildeten HVV eine hohe Verbesserung erreicht werden.
Für eine Druckpropelleranordnung gemäß der Figur 2 wird in Figur 8 der erreichbare Nutzen mittels einer HVV ("HVV") an Hand von Messungen dargestellt. Im Vergleich zu einem normalen häufig eingesetzten Nabenabschluß ("Normal") durch eine einfache konische Nabenkappe steigt der Wirkungsgradgewinn mit der Reynoldszahl deutlich an. Die Nabenwirbelkavitation konnte durch Anwendung vollständig unterdrückt werden. Werden zur Unterdrückung der Nabenwirbelkavitation wie sonst üblich divergente Nabenabläufe ("Divergent") eingesetzt steigt bei Verwendung der HVV der Wirkungsgradgewinn noch deutlich an.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1.
Propeller, Schiffschraube, Luftschraube
2.
Propellernabe
3.
Antriebswelle des Propellers
4.
Ablaufhaube
5.
Nabenwirbel
6.
Hub-Vortex-Vane (HVV)
7.
Ruderblatt
8.
Getriebegehäuse eines rundumsteuerbaren Antriebes, Motorgondel, Pod mit Motor
9.
Übergangsteil Propeller-HVV
10.
Zylindrisches Nabenzwischenstück der HVV
11.
Konisches Abschlußteil der Nabe der HVV
12.
Schaufeln, Flossen der HVV
13.
Zylindermantel der HVV
14.
"Abwind" des Propellers an einem Flügel
15.
Axiale Strahlrichtung

Claims (3)

  1. Vorrichtung zur Entgegenwirkung von im Nabenbereich von Propellern und/oder Propellerantrieben im umgebenden Fluid erzeugten Strömungswirbeln, die mindestens eine Schaufel aufweist, wobei die Wölbung der Schaufel der Wölbung des Propellers entgegengerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (12) von einem konusförmigen Übergangsteil (9) über ein zylindrisches Nabenteil (10) zum wieder konusförmigen divergierendem Abschlußteil (11) verläuft, wobei der äußere Abschluss der Schaufel (12) durch einen zylinderförmigen Mantel (13) von 10 bis 50 % der Länge der Schaufelfläche erfolgt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schaufeln (12) in meridionaler Anordnung regelmäßig auf den Umfang der Vorrichtung verteilt sind.
  3. Vorrichtung nach einem der o.g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln in ihrer radialen Erstreckung in der Rotationsachse des Propellers beginnen und einen Grenzradius (RG) nicht überschreiten, innerhalb welchem die Tangentialkomponente (VT) der Geschwindigkeit (VW) der Wirbelströmung größer als die durch die Propellerdrehung verursachte Umfangsgeschwindigkeit (VU) ist.
EP02090313A 2001-10-26 2002-09-04 Vorrichtung zur Entgegenwirkung von im Nabenbereich von Propellern und/oder Propellerantrieben im umgebenden Fluid erzeugten Strömungswirbeln Expired - Lifetime EP1306301B1 (de)

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