NO170968B

NO170968B - NOZE FOR A PROPELLER OF A MARINE FARTOEY

Info

Publication number: NO170968B
Application number: NO885277A
Authority: NO
Inventors: Josip Gruzling
Original assignee: Josip Gruzling
Priority date: 1988-11-25
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1992-09-28
Also published as: NO170968C; NO885277L; NO885277D0

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en dyse for en propell hos et marint fartøy, som angitt i ingressen til det etterfølgende krav 1. The present invention relates to a nozzle for a propeller in a marine vessel, as stated in the preamble to the subsequent claim 1.

Propeller med dyse er blitt brukt på lepebåter, elve-skyvebåter og andre saktegående skip, for å øke propell-skyvekraften, i over 50 år. Ifølge godtatt dyseteori klassi-fiseres dyser som akselererende og retarderende. Forekommende dyser av akselererende type brukes for å øke skyvekraften ved lave hastigheter, mens høy motstand gjør dem uegnet for de høyere hastigheter. Dyser av retarderende type anvendes for senking av propell-kavitasjon og -støy, viktig for militære anvendelser, på bekostning av lavere virkningsgrad. Foreliggende oppfinnelse angår dyser av akselerasjonstype. Nozzle propellers have been used on tugboats, river pushers and other slow moving ships, to increase propeller thrust, for over 50 years. According to accepted nozzle theory, nozzles are classified as accelerating and decelerating. Existing accelerating type nozzles are used to increase thrust at low speeds, while high resistance makes them unsuitable for the higher speeds. Retardant-type nozzles are used to reduce propeller cavitation and noise, important for military applications, at the expense of lower efficiency. The present invention relates to nozzles of the acceleration type.

En dyse som ovenfor angitt er i alt vesentlig kjent fra US patentskrift 3 513 798. Som ytterligere eksempler på kjente propelldyser sammensatt av segmenter kan nevnes fransk patent 2 507 999, japansk søknad 60.121 192 og BRD Off.skrift 2 916 287, mens britisk patent 596 802 viser en hensiktsmessig dyseform. A nozzle as stated above is essentially known from US patent document 3 513 798. As further examples of known propeller nozzles composed of segments can be mentioned French patent 2 507 999, Japanese application 60 121 192 and BRD Off.skrift 2 916 287, while British patent 596 802 shows a suitable nozzle shape.

Formålet med oppfinnelsen er å heve virkningsgraden til alle typer og størrelser av propeller som kan anvendes i marine fartøy ved alle driftshastigheter; særlig tas det sikte på å heve oppdriftskoeffisienten i forhold til den som oppnås ved kjente propelldyser og samtidig å senke motstandskoeffi-sienten, for derved å bevirke en høyere fremdrifts-virkningsgrad over et større hastighetsområde. The purpose of the invention is to raise the efficiency of all types and sizes of propellers that can be used in marine vessels at all operating speeds; in particular, the aim is to raise the buoyancy coefficient in relation to that achieved with known propeller nozzles and at the same time to lower the resistance coefficient, thereby effecting a higher propulsion efficiency over a larger speed range.

Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved en dyse av den innledningsvis angitte art, med de nye.og særegne trekk som er angitt i karakteristikken til det etterfølgende krav 1. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de øvrige etterfølgende krav. According to the invention, this purpose is achieved by a nozzle of the kind indicated at the outset, with the new and distinctive features which are indicated in the characteristic of the subsequent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are indicated in the other subsequent claims.

Oppfinnelsen bygger på den erkjennelse at ved å tilpasse vingeprofil-teorien til dyseprofil-konstruksjonen, optilmali-sert for den turbulente strømning, bør man få en høyere løft-eller oppdriftskoeefisient, med en meget lavere motstandskoeffisient enn ved de dyser som nå er i bruk. Den høyere oppdrift som skapes av dyseprofilen skaper større skyvekraft, og lav profilmotstand gjør denne skyvekraft tilgjengelig ved høyere driftshastigheter som tidligere ble ansett umulig. F.eks. har en vanlig industriell standarddyse en motstands-koef f isient på 0,17, mens den nye dysekonstruksjon ifølge oppfinnelsen har en motstandskoeffisient i området fra 0,008 til 0,012. The invention is based on the realization that by adapting the airfoil theory to the nozzle profile construction, optimized for the turbulent flow, a higher lift or buoyancy coefficient should be obtained, with a much lower drag coefficient than with the nozzles currently in use. The higher buoyancy created by the nozzle profile creates greater thrust, and low profile resistance makes this thrust available at higher operating speeds previously considered impossible. For example a common industrial standard nozzle has a resistance coefficient of 0.17, while the new nozzle construction according to the invention has a resistance coefficient in the range from 0.008 to 0.012.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene. Figur 1 er et typisk snitt gjennom sentrum av dysen og viser propellens plassering, Figur 2 er et isometrisk riss av den polygon-formete dyse, Figur 3 er et isometrisk riss av enkeltprofilen til den polygon-formete dyse vist i figur 2, Figur 4 er et isometrisk riss av den alternative fremgangsmåte for konstruksjon av dysen vist i figur 2, Figur 5 er et snitt gjennom dysen langs 18-18 på figur 6, og Figur 6 er et snitt gjennom dysen langs 17-17 på figur 5. The invention will be described in more detail below with reference to the drawings. Figure 1 is a typical section through the center of the nozzle and shows the location of the propeller, Figure 2 is an isometric view of the polygon-shaped nozzle, Figure 3 is an isometric view of the single profile of the polygon-shaped nozzle shown in Figure 2, Figure 4 is an isometric view of the alternative method of construction of the nozzle shown in Figure 2, Figure 5 is a section through the nozzle along 18-18 in Figure 6, and Figure 6 is a section through the nozzle along 17-17 in Figure 5.

To fordeler som har sammenheng med hverandre oppnås ved anvendelse av foreliggende oppfinnelse, nemlig en øket virkningsgrad for fremdrift av fartøyet, med øket hastighet for fartøyet under anvendelse av samme effekt eller med samme hastighet ved lavere effekt og lavere brenselforbruk, samt forbedret konstruksjonsmessig integritet for propelldysen i forhold til hvilken som helst propelldyse som hittil er anvendt. En øket virkningsgrad oppnås ved bruk av en meget effektiv aerofoilprofil som er konstruert for minimal motstand og maksimal oppdrift. Den høye virkningsgrad som propelldysen medfører skyldes at den konstrueres med sideveis plane segmenter som blir sirkulære først når et stort antall er sammen-føyet, hvorved unngås en flersidig krumning slik at det blir mulig å fremstille den meget effektive propelldyse. Two advantages which are related to each other are achieved by using the present invention, namely an increased degree of efficiency for propulsion of the vessel, with increased speed for the vessel using the same power or with the same speed with lower power and lower fuel consumption, as well as improved structural integrity for the propeller nozzle compared to any propeller nozzle used to date. An increased degree of efficiency is achieved by using a highly efficient aerofoil profile that is designed for minimal resistance and maximum lift. The high degree of efficiency that the propeller nozzle entails is due to the fact that it is constructed with laterally planar segments that become circular only when a large number are joined together, thereby avoiding a multi-sided curvature so that it becomes possible to produce the very efficient propeller nozzle.

Propelldysen ifølge denne oppfinnelse er vist i figur 1, med en særegen aerofoilprofil 7 som er kontinuerlig krummet i lengderetningen både på den innvendige overflate 8 og den utvendige overflate 9 og gir en motstandskoeffisient på mindre enn 0,013 og en profil-konveksitet ("camber") i området fra 0 til 0,025 av kordelengden. Et konkavt område av krumnings-flaten er beliggende på dyseprofilens utside 9 og den resulte-rende maksimale konveksitet er beliggende fra 0,25 til 0,35 av kordelengden fra den fremre kant, med en profiltykkelse i et område fra 0,05 til 0,24 av kordelengden og maksimal tykkelse beliggende ved 0,25 til 0,35 av kordelengden fra den fremre kant. Dysen har en profil-kordelengde på 0,3 til 0,6 av pro-pelldiameteren og vinkelen mellom profilkorden og propellakse-len 4 er mellom -6 til +6 grader, idet en typisk profil er NASA-profil LS(1)-0421 Mod og profil LS(1)-0417 Mod. Propell-bladet 10 er beliggende nær dysens minste innvendige diameter med propellbladspissene tilpasset formen til dysens innvendige overflate for å opprettholde en minimum klaring mellom blad-spiss og dyse. Ved operering i forover-tilstanden, viser pilen 11 retningen til fluid som strømmer inn i dysen, mens pilen 12 viser retningen av propellens omdreining under operering i forover-tilstanden. The propeller nozzle according to this invention is shown in figure 1, with a distinctive aerofoil profile 7 which is continuously curved in the longitudinal direction both on the inner surface 8 and the outer surface 9 and gives a drag coefficient of less than 0.013 and a profile convexity ("camber") in the range from 0 to 0.025 of the chord length. A concave region of the curvature surface is located on the outside 9 of the nozzle profile and the resulting maximum convexity is located from 0.25 to 0.35 of the chord length from the front edge, with a profile thickness in a range from 0.05 to 0, 24 of the cord length and maximum thickness located at 0.25 to 0.35 of the cord length from the front edge. The nozzle has a profile chord length of 0.3 to 0.6 of the propeller diameter and the angle between the profile chord and the propeller axis 4 is between -6 to +6 degrees, a typical profile being NASA profile LS(1)-0421 Mod and profile LS(1)-0417 Mod. The propeller blade 10 is located close to the nozzle's smallest internal diameter with the propeller blade tips adapted to the shape of the nozzle's internal surface in order to maintain a minimum clearance between the blade tip and the nozzle. When operating in the forward condition, arrow 11 shows the direction of fluid flowing into the nozzle, while arrow 12 shows the direction of propeller rotation during operation in the forward condition.

Figur 2 viser en propelldyse som er konstruert av et stort antall i tverretningen plane og i lengderetningen krumme segmenter 3 som er sammenføyet. Figure 2 shows a propeller nozzle which is constructed from a large number of transversely planar and longitudinally curved segments 3 which are joined together.

To representative dysesegment-konstruksjoner ifølge foreliggende oppfinnelse er vist i tegningene, den ene i figur 3 og den andre i figur 4. Dysesegmentet 3 i figur 3 oppviser et innvendig skall eller en overflate 13, sammen med et utvendig skall eller en overflate 14, som er sammenføyet ved hjelp av Two representative nozzle segment constructions according to the present invention are shown in the drawings, one in Figure 3 and the other in Figure 4. The nozzle segment 3 in Figure 3 has an inner shell or surface 13, together with an outer shell or surface 14, which is joined using

én eller flere tverrgående, segmenterte ringramme-elementer og en langsgående ramme 16 som strekker seg over hulrommet C mellom de to overflater. Hvert enkelt segment 3 sammensettes ved at hvert innvendig skall 13 og utvendig skall 14 sveises til one or more transverse, segmented ring frame elements and a longitudinal frame 16 which extends over the cavity C between the two surfaces. Each individual segment 3 is assembled by welding each inner shell 13 and outer shell 14 together

den langsgående ramme 16 på segmentets innside. Tverrammer 15 sveises til innside-skallet 13, utside-skallet 14, og til den langsgående ramme 16 under anvendelse av kontinuerlige sveiser på begge sider av tverrammen. Innside-skallet 13 og utside-skallet 14 sammenføyes ved sine fremre kanter L under anvendelse av buttsveiser. Utside-skallets 14 bakre kant T er kam-muslingformet ("scalloped") og sveiset til innside-skallet 13 the longitudinal frame 16 on the inside of the segment. Cross frames 15 are welded to the inner shell 13, the outer shell 14, and to the longitudinal frame 16 using continuous welds on both sides of the cross frame. The inner shell 13 and the outer shell 14 are joined at their front edges L using butt welds. The rear edge T of the outer shell 14 is scalloped and welded to the inner shell 13

nær den bakre kant T. I enkelte dysesegmenters innvendige og utvendige overflater 13 og 14 sveises til den tilliggende langsgående ramme 16 samt til hverandre under anvendelse av V-sveiser med dyp inntrengning. near the rear edge T. In some nozzle segments, the inner and outer surfaces 13 and 14 are welded to the adjacent longitudinal frame 16 as well as to each other using V-welds with deep penetration.

Figur 4 viser en alternativ fremgangsmåte for konstruksjon av et segment 3' som danner dysen på figur 2 under anvendelse av ett eller flere kontinuerlige, tverrgående, polygo-nale ringramme-elementer 15' og en segmentert langsgående ramme 16. Sammensetting av propelldysen påbegynnes ved først å sveise innside-skallet eller overflaten 13 og utside-skallet eller overflaten 14 til ringrammene 15' kontinuerlig på begge sider. Den langsgående segmenterte ramme 16 innføres på en side av skallplatene og sveises fra innsiden til skalloverflå-tene og til ringrammene. Innside-skallet 13 og utside-skallet 14 sammenføyes med de fremre kanter L under anvendelse av buttsveiser mens utside-skallets 14 bakre kant T kammusling-formes og sveises til skallets 13 innside. En annen segmentert langsgående ramme 16 innføres på motsatt side av skall-overf låtene. Et annet par skalloverflater 13 og 14 monteres og sveises til denne sistnevnte langsgående ramme og til hverandre med dypt inntrengende V-sveiser. Denne fremgangsmåte gjentas inntil dysen er fullstendig. Figure 4 shows an alternative method for the construction of a segment 3' which forms the nozzle of Figure 2 using one or more continuous, transverse, polygonal ring frame elements 15' and a segmented longitudinal frame 16. Assembly of the propeller nozzle begins by first to weld the inner shell or surface 13 and the outer shell or surface 14 to the ring frames 15' continuously on both sides. The longitudinally segmented frame 16 is introduced on one side of the shell plates and welded from the inside to the shell surfaces and to the ring frames. The inside shell 13 and the outside shell 14 are joined with the front edges L using butt welders, while the rear edge T of the outside shell 14 is scallop-shaped and welded to the inside of the shell 13. Another segmented longitudinal frame 16 is introduced on the opposite side of the shell-over tracks. Another pair of shell surfaces 13 and 14 are assembled and welded to this latter longitudinal frame and to each other with deep penetration V-welds. This procedure is repeated until the nozzle is complete.

For stålskipdysene, er innvendige skallplater fortrinns-vis fremstilt av syrefast stål for å unngå erosjon som følge av kavitasjon nær propellbladspissene. For the steel ship nozzles, inner shell plates are preferably made of acid-resistant steel to avoid erosion due to cavitation near the propeller blade tips.

Figur 5 er et lengdesnitt gjennom midten av segmentet vist i figur 3 og langs 18-18. Figur 6 er et snitt langs 17-17. Figure 5 is a longitudinal section through the middle of the segment shown in Figure 3 and along 18-18. Figure 6 is a section along 17-17.

Alle eksisterende propelldyser forbedrer bare propell-ytelsen ved lavere hastigheter og er anvendt med hell bare på slepebåter og andre fartøyer som krever øket skyvekraft ved lave hastigheter, mens denne oppfinnelse forbedrer propell-skyvekraften ved lave hastigheter såvel som øket propell-effektivitet ved høyere hastigheter, slik at denne oppfinnelsen blir egnet for alle typer fartøy. All existing propeller nozzles only improve propeller performance at lower speeds and have been successfully applied only to tugboats and other vessels requiring increased thrust at low speeds, whereas this invention improves propeller thrust at low speeds as well as increased propeller efficiency at higher speeds, so that this invention is suitable for all types of vessels.

Ved eksisterende dysekonstruksjoner brukes utvendige skall bare som et lukkedeksel og er festet til dysekonstruk-sjonen med plugg- eller slissesveiser og utgjør ikke noen enhetlig del av dysen og bidrar ikke til dysens strukturelle styrke, mens foreliggende oppfinnelse integrerer det indre og ytre skall og rammedelene i en enhetlig konstruksjon. In existing nozzle constructions, outer shells are used only as a closing cover and are attached to the nozzle construction with plug or slot welds and do not form any uniform part of the nozzle and do not contribute to the structural strength of the nozzle, while the present invention integrates the inner and outer shell and the frame parts in a unified construction.

Claims

1. Nozzle for a propeller of a marine vessel, a) comprising segments (3) which are arranged one after the other in the circumferential direction of the nozzle to form an annular mantle in the shape of an aerofoil, which surrounds the propeller (10), b) each segment being (3) has an internal surface (8; 13) facing the propeller (10) and an external surface (9; 14) facing away from the propeller (10), and c) the two surfaces (8; 13 and 9 ; 14) forming an aerofoil profile (7) curves continuously from a front edge (L) of the segment (3) to a rear edge (T) of the segment (3), characterized by the following features: d) the chord of the aerofoil profile (7) (7') forms an angle of no more than ± 6° with the propeller axis (4'); e) the airfoil profile (7) has a chord length (1) of between 0.3 and 0.6 times the diameter of the propeller (10); f) the convexity (k) of the airfoil (7) is at most 0.025 times its chord length; g) the airfoil profile (7) convexity (k) has a maximum at 25% to 35% of its chord length (1), measured from the leading edge (L); h) the airfoil profile (7) has a thickness (t) of between 0.05 to 0.24 times its chord length (1); i) the maximum thickness (t) of the aerofoil (7) is located at 25% to 35% of its chord length (1), measured from the leading edge (L); and j) the outer surface (9; 14) has a concave curved area (9').

2. Nozzle according to claim 1, characterized in that the segments (3) lie against each other and are arranged in such a way that they form a segmentally straight polygon which together form an approximately circular nozzle ring.

3. Nozzle according to claim 1 or 2, characterized in that at least one ring frame element (15) which is connected to the inner surface (13) and the outer surface (14) of the segments (3) is arranged to connect the segments (3) with the die ring in the transverse direction between the segments (3 ) internal surface (13) and external surface (14).

4. Nozzle according to claim 3, characterized in that a longitudinal frame element (16) is connected to the inner surface (13) and the outer surface (14) and to the ring frame element (15) on each segment (3).

5. Nozzle according to claim 4, characterized in that the ring frame element (15) comprises separate elements (15) which are each arranged between the inner surface (13) and the outer surface (14) of each segment (3).

6. Nozzle according to claim 4, characterized in that the ring frame element (15) is a polygon-shaped element (15') with a number of sides corresponding to the total number of segments (3) that form the nozzle ring.

7. Nozzle according to one of claims 1 to 6, characterized in that the inner surface (13) and the outer surface (14) of each segment (3) are connected to each other at their front edges (L) and rear edges (T) .