NO172177B - Energieffektivt fremdriftssystem med forvirvlingsskovl ogpropell samt fremgangsmaate til aa forbedre effektiviteten og/eller redusere propellindusert skrogvibrasjoner - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et energieffektivt fremdriftssystem med for-virvlingsskovl og propell, for et fartøy som går gjennom et fluid medium og er utstyrt med en drevet drivaksel og en propell anordnet på drivakselen for å drive fartøyet gjennom det fluide medium, samt en fremgangsmåte til å forbedre effektiviteten og/eller redusere propellinduserte skrogvibrasjoner i et fremdriftssystem for et fartøy som går gjennom et fluid medium, hvor fartøyet er et sjøfartøy med en propell montert på en i forhold til fartsretningen skråstilt aksel

Den foreliggende oppfinnelse kan benyttes av eller på vegne av De Forente Staters regjering uten erleggelse av noen avgifter for den eller dette.

I kjent teknikk er det innsett at forbedringer i effektivitet kunne fås ved korrekt dirigering av vannstrømmen inn i en propell. Tidligere systemer hadde skovl-(stator-)propellkom-binasjoner hvor skovlbladene var plassert enten foran propellen (forvirvling) eller aktenfor propellen (ettervirvling). Disse systemene har et eller flere av de følgende trekk til felles. 1. Skovlbladene er montert aksisymmetrisk og utført for det tilfelle hvor strømmen er perpendikulær på propellskiven. 2. Skovlbladene er utført for å arbeide i skipets viskøse grenselag og i denne henseende virker skovlbladene bare

som en strømningsdirigerende innretning.

3. En spesiallaget propell (ikke en modifisert kommersielt tilgjengelig propell som uten videre kan anskaffes (benyttes med hver av de ovennevnte skovlblad.

I den forbindelse kan det generelt vises til NO-PS nr. 11812 og GB-PS nr. 2 177 385.

Nylig er det imidlertid blitt innsett at i visse tilfelle bør ikke den strømningsdirigerende anordning være symmetrisk, da strømningen inn i propellen ikke er symmetrisk. Se f.eks. japansk patentsøknad nr. 56-162006 (finnes i US klasse 440, underklasse 66) som viser et skip med en propell og som har et sett av strømningsdirigerende skovlblad på bare en side av hekken og hvis formål er å frembringe en kjølstrøm som går i motsatt retning av propellens rotasjonsretning. Skipets propellaksel er horisontal og strømningsforstyrrelsen som skovlbladene er ment å overvinne, forårsakes av grenselaget nær skroget.

Japansk patentsøknad nr. 58-77998 (finnes også i US klasse 440, underklasse 66) viser et skip med doble propeller montert på strevere, en på hver side av hekken. Ved denne anvendelse er streverne, som er asymmetrisk anordnet omkring propellskiven, konturert for å skaffe vannstrøm til propellen med en roterende komponent motsatt av rotasjonen til skruepropellen. I denne anvendelse er imidlertid propellakslene også horisontale med strømningsforstyrrelsen forårsaket av formen til fartøyets hekk.

Hva kjent teknikk ikke har innsett, er at strømningen inn i en propell som er montert på en skrå aksel er skjev og forårsaker en variasjon for hver omdreining i propellbladseksjonens angrepsvinkel. Den kjente teknikk har heller ikke innsett at propellen på en utenbordsmotor også står på skrå i forhold til vannstrømmen når båten er i fart.

Følgelig er det en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en anordning for å øke effektiviteten til en propell montert på en aksel som er skråstilt i forhold til fartsretningen eller innstrømningsretningen.

Det er en ytterligere hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en slik øket effektivitet for et fartøy med enten en enkelt propell eller flere propeller.

Det er en ytterligere hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en slik øket effektivitet uansett utformingen av fartøyets bunn.

Det er en ytterligere hensikt ved den foreliggende oppfinnelse å skaffe en slik øket effektivitet uten tilføyelse av bevege-lige deler til fremdriftssystemet.

Det er en ytterligere hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en slik øket effektivitet i en utenbordsmotor.

Det er en ytterligere hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en anordning for å øke propellbelastningen samtidig som kavitasjonsproblemer minimeres.

Det er en ytterligere hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en slik øket effektivitet i en flypropell.

Det er en ytterligere hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe et propellvern for et fartøy og som ikke fører til et nettotap i fremdriftseffektiviteten for fartøyet.

De ovennevnte og andre hensikter oppnås i henhold til den foreliggende oppfinnelse med et fremdriftssystem kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken til det selvsten-dige krav 1 og en fremgangsmåte kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken til krav 15. Ytterligere trekk og fordeler fremgår av de uselvstendige krav-. Fig. 1 viser reduksjonene i propellens turtall for enhver hastighet etter at skovlblad-propellsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse er installert. Fig. 2 viser hvordan en forandring i motorens turtall forårsaker reduksjoner i brenselforbruksratene på et dieselmotor-brenseldiagram. Fig. 3 viser kreftene som virker perpendikulært på propellen. Fig. 4 viser et oppriss av en 41 fots båt som ble benyttet i utviklingen av den foreliggende oppfinnelse og gjengir propellen på den skrå aksel. Fig. 5 viser innstrømningshastighetene sett av propellskiven. Fig. 6 viser variasjon i bladseksjonens angrepsvinkel mens propellen foretar en fullstendig omdreining. Fig. 7 viser kreftene forbundet med asymmetriske skovlblad på en skrå aksel. Fig. 8 viser hvordan skovlblad-propellsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse reduserer eller eliminerer variasjoner i bladforsprangsvinkelen R. Fig. 9 viser et oppriss av et skovlblad som utført for den 41 fots båt.

Fig. 10 viser skovlbladenes maksimale konveksitet.

Fig. 11 viser skovlbladene sett fra enden.

Fig. 12 viser båten sett fra utsiden sett mot hekken.

Fig. 13 viser anvendelsen av prinsippene for den foreliggende oppfinnelse på en flypropell.

Fig. 14 viser koordinatene for trimroret eller -klaffen.

Kort sagt omfatter den foreliggende oppfinnelse et sett av asymmetriske forvirvlingsskovlblad og en tilpasset propell, idet skovlbladene er plassert asymmetrisk rundt propellskiven. De fleste av skovlbladene er anbragt på siden av skiven hvor propellen befinner seg i den oppadgående del av sin rotasjon. Øket fremdriftseffektivitet skyldes det følgende: 1) reduserte aksiale og rotasjonelle kinetiske energitap i fremdriftsanordningens propellstrøm; 2) reduserte viskøse friksjonstap på propellbladene; 3) en mer optimal belastning på propellen; 4) en reduksjon i motorturtallet som tillater et dieselfartøy å operere i et mer effektivt område av sitt brenseldiagram for en gitt fartøyshastighet; 5) reduksjon eller eliminering av fartøyets motstand forbundet med krefter som skyldes at den har en propell montert på en skrå aksel.

De asymmetriske forvirvlingsblader og det tilpassede propellsy-stem i henhold til den foreliggende oppfinnelse skaffer det følgende, enten enkeltvis eller i kombinasjon: 1) øket fremdriftseffektivitet; 2) reduksjon i skrog- eller maskinerivibrasjoner frembragt av fremdriftsanordningen; 3) forbedret retningsstabilitet for fartøy med én propell; 4) motvirkning av dreiemomentet i fartøy med én propell; 5) reduksjoner i propellkavitasjon og kavitasjonsskade; 6) reduksjon i propelldiameteren uten tap av opprinnelig effektivitet; 7) beskyttelse mot skade på grunn av propellen på personer i vannet uten et nettotap i fremdriftseffektivitet som skyldes motstand av den beskyttende innretning.

Selv om skovlbladene og de modifiserte propeller i henhold til den foreliggende oppfinnelse ble utført som en enhet, ble det uventet funnet at hver kunne arbeide uavhengig av hverandre. Det vil si at skovlbladene kunne arbeide med en umodifisert, kjent og kommersielt tilgjengelig, planstilt (med plan forside) propell med optimal konstant stigning for å skaffe øket effektivitet over hele fartøyets hastighetsområde. Videre kan en slik propell når den modifiseres i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, effektivt frembringe effektivitetsøkninger når den arbeider uten skovlbladene i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 4 viser båten 10 for hvilken de asymmetriske skrogblader og den tilpassede propell ble utviklet. Båten 10 er en standard kystvaktpatruljebåt med totallengde 41 fot og tvillingpropel-ler. Som det kan ses, har propellen 12 montert på en skrå aksel 14 som gir en vinkel på ca. 14° med hensyn til båtbunnen (eller "låringslinjene"). På grunn av vinkelen til akselen 14 med hensyn til bunnen av båten 10, danner propellen 12 en tilsvar-ende vinkel på 14° med vanninnstrømningen, da vannstrømmen er omtrent parallell med bunnen av båten.

Fig. 5 viser et oppriss av størrelsen og retningen av vann-strømningskomponentene på vektorform "sett" av en propell som ikke har skovlbladene i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Hastighetsvektor VI representerer den virkelige vannstrøm parallell med bunnen av båten. Hastighetsvektor V2 representerer komponenten av vannstrømmen parallell med propellakselen 14. Da et gitt vannmolekyl som starter ved punkt 18, må nå punkt 2 0 samtidig enten den følger bane VI eller V2, betyr dette at det må være en hastighetskomponent såsom representeret av hastighetsvektoren V3, for vannet som strømmer parallelt med akselen 14. Fig. 5a viser hvordan propellen 12 "ser" hastighetsvektoren V3, dvs. at vann som nærmer seg propellen 12, synes å ha en jevn oppadrettet hastighet lik størrelsen av hastighetsvektoren V3. Det skal bemerkes at vann som nærmer seg propellen 12, er uforstyrret av fartøyets hekk eller andre fremspring på undersiden av fartøyet. I dette eksempel er propellen antatt å ha en rotasjon mot urviseren og derfor er denne hastighet motsatt av propellens rotasjon for den første halvpart av propellens rotasjon (fra 0° til 180° på fig. 5a), mens dén er i retning av propellens rotasjon for den annen halvpart av propellens rotasjon. En propell frembringer mindre trykkraft på den side hvor den beveger seg i samme retning som vannstrømmen inn i den (dvs. den annen halvpart av propellens rotasjon på fig. 5a) enn på den side hvor den beveger seg i motsatt retning av vannstrømmen inn i den (dvs. den første halvpart av propellens rotasjon på fig. 5a). Dette skyldes at hastighetsvektoren V3 på fig. 5 får bladseksjonens angrepsvinkel til å forandre seg periodisk etter som bladet gjør én omdreining, som vist på fig. 6. På denne figur er en enkelt bladseksjon vist ved 0, 90, 180 og 270<o>,s posisjoner på propellskiven. Hastighetsvektoren V2 er den samme som på fig.

5. Tangensialhastigheten Vt for en bladseksjon med radius r og som beveger seg med n omdreininger pr. sek. er Vt = 2nrn. Som det kan ses, blir hastigheten V3 henholdsvis addert til og subtrahert fra Vt ved 90 resp. 270°. Dette får bladforsprangs-

vinkelen 6 til å forandre seg, hvilket resulterer i variasjoner i seksjonens angrepsvinkel som i sin tur forårsaker forandringer i belastningen på propellbladet. Følgelig er belastningen på propellbladet størst ved 90° og minst ved 270°. For andre plasseringer av propellskiven er B gitt av følgende formel:

hvor Q = vinkelposisjonen på propellskiven (se fig. 4)

r = vektorposisjonen for bladseksjonen

cp = vinkelposis jonen mellom båtens bunn og akselen

(se fig. 5).

Variasjonen i bladseksjonens angrepsvinkel for enhver propell-radius, følgelig belastningen, er tilnærmet forskjellen mellom forsprangsvinkelen R gitt i ligning (1) og stigningsvinkelen for bladet ved denne radius. Variasjonen i angrepsvinkelen for hver omdreining gir opphav til ustø aksialkrefter langs propellakselen og stø som vel ustø krefter som er perpendikulære til den skrå aksel (se fig. 3). Når denne perpen-dikulærkraft oppløses i sine horisontale og vertikale komponenter, kan det ses at den horisontale komponent i realiteten er en motstandskraft Dp som virker på fartøyet. Som vist nedenfor, minimerer eller eliminerer de asymmetriske for-virvlingsskovlblader i henhold til den foreliggende oppfinnelse denne motstand.

Motstanden til bladene oppløst parallelt til fartøysbevegelsen Dv er sammensatt av tre komponenter: 1) viskøs motstand; 2) indusert motstand og 3) motstand som skyldes helningen av strømningen relativt til fartøyets bevegelse fremover (se fig. 7A). Den viskøse motstand er sammensatt av friksjons- og virveldannelsestap. Indusert motstand skyldes virvelsystemet bak skovlbladene. Endelig resulterer skovlbladenes asymmetri i en kraft som virker med en skjev vinkel på akselen og en rett vinkel på innstrømningen og har en kraftkomponent rettet akterut. Når alle tre motstandskomponenter oppløses parallelt til retningen av fartøys bevegelsen, fås en nettomotstand Dv.

Rotasjonshastighetsfeltet V(0)v^rvel ved propellskiven, forårsaket av skovlene, er vist på fig. 8. Rotasjons- eller virvelhastighetene frembragt av skovlbladene har redusert eller eliminert de sykliske variasjoner i forsprangsvinkelen R og har derfor minimert eller eliminert den perpendikulære akselkraft og dens motstandskomponent Dp. Reduksjonen i perpendikulærkraf-ten frembragt av propellen blir motvirket helt eller delvis av økningen i komponenten for skovlbladkraften som er perpendikulær på propellakselen.

Reduksjonen eller eliminasjonen av variasjoner i forsprangsvinkelen også reduserer sannsynligheten for flatekavitasjon. I tillegg er skovlbladene tilbøyelige til å redusere belastningen på det sterkest belastede parti av propellskiven, slik det vil bli omtalt senere. Dette reduserer også graden av eller sannsynligheten for kavitasjon på bladenes bakside.

For en gitt fartøyshastighet finner det sted en reduksjon i propellens turtall sammenlignet med det samme fartøy uten skovlblad-propellkombinasjonen (fig. 1). Da friksjonsenergi-tapene på propellbladene (forårsaket av vannets viskositet) er proporsjonale med kvadratet av propellens turtall, vil det fås en signifikant økning i propelleffektiviteten. I tillegg vil en reduksjon i turtallet for en gitt fartøyshastighet for den typiske dieselmotor resultere i en reduksjon av brensel-forbruksraten for motoren. Fig. 2 viser dette fenomen som forekom med testfartøyet. Besparelsen i brensel fra denne effekt utgjorde omtrent 2 % av de totale brenselbesparelser. Dette kommer i tillegg til besparelsene som frembringes av en reduksjon i akseleffekten som er nødvendig for en gitt hastighet.

For fartøyet med en propell med skrå aksler, men uten skovlblader virker en kraft som har stø og ustø komponenter (se fig. 3A og 3B) perpendikulært på akselen. Den horisontale komponenten for den stø kraft medvirker til å dreie fartøyet. Denne dreining må motvirkes ved bruk av ror og et tap av energi finner sted på grunn av økningen i motstanden forårsaket av rorutslaget. Når korrekt tilpassede skovlblader tilføyes, blir sidekraften fra propellen motvirket av sidekraften fra skovlbladene, som vist på fig. 7B. Sidekraften fra skovlbladene motvirker også delvis eller helt dreiemomentet til propellen i et fartøy med én propell.

På grunn av helningen av propellakselen, er én side av propellskiven (uten at skovlblader forekommer), siden hvor propellen befinner seg i sin oppadgående del av rotasjonen, lett belastet, mens den andre side er tungt belastet. Som en enkelt fremdriftsenhet kan den asymmetriske forvirvlingsskovlblad-propellkombinasjon utføres for en mer jevn belastning av propellskiven. Dette fører til en ytterligere reduksjon i de aksiale, kinetiske energitap i fremdriftsanordningens propell-strøm. Ved å redusere belastningen på den sterkt belastede side av propellskiven, kan kavitasjon på bladenes bakside reduseres eller elimineres. Videre kan det på den lett belastede side av propellskiven forekomme flatekavitasjon. Ved å belaste denne side av skiven med skovlbladene, vil bladflatekavitasjonen elimineres.

På grunn av ujevn belastning på kjente propellskiver uten skovlblader, forekommer vibrasjoner som skyldes ustø krefter som er perpendikulære på akselen (bare skrå aksler) og parallelle til akselen. Disse vibrasjoner overføres gjennom akselen til reduksjonsvekselen eller maskinen og blir også overført gjennom aksellageret direkte til skroget. Ved å benytte et korrekt utført asymmetrisk forvirvlingsskovlblad og tilpasset propell, kan de ustø krefter forårsaket av propellen minimeres eller elimineres. Dette resulterer i reduserte skrogoverførte vibrasjoner, mer stillegående fartøy, øket levetid for propellaksellagre og redusert vedlikehold reduk-sjonsveksler og maskiner.

Forvirvlingsskovlblad virker også som et vern for propellen. Ethvert tap i effektivitet forårsaket av skovlbladene motvirkes av den økte effektivitet ved en korrekt utført f reindriftsenhet. Vernet kan forhindre vrakgods fra å treffe propellen når den er i drift eller forhindre skade på mennesker under bording eller bading i nærheten av en propell i rotasjon.

En propell på en skrå aksel frembringer en kraft som er perpendikulær til akselen. En komponent av denne kraften virker som en motstand på fartøyet i retning av fartøyets gang som vist på fig. 3A. Bruken av det asymmetriske forvirvlingsskovlblad og tilpasset propell reduserer eller eliminerer denne motstand forårsaket av propellen.

Når den er korrekt utført kan kombinasjonen av det asymmetriske forvirvlingsskovlblad og tilpassede propell ha en propell med mindre diameter sammenlignet med den optimale, kjente propell-diameter uten skovlblader. Dette tillater større klaring mellom skrog og propell og reduserer fartøyet dyptgående.

Fig. 9 er et riss sett ned fra toppen av propellagertappen. Trimroret vist festet til tappen, virker på samme måte som en flap på en flyvinge. Dette roret eller flappen genererer en sirkulasjon omkring lagertappen og frembringer en horisontal kraft på tappen. Derfor frembringer tappen og trimroret tangensialhastigheter eller virvling motsatt rotasjonen av propellen og er betraktet som en iboende del av fremdriftsanordningens utførelse. Fig. 9 viser at hvert skovlblad har haifinneomriss, dette for med det formål å avstøte vrakgods fra skovlblad og propeller, da vrakgods er et vanlig problem i farvannene hvor disse båtene opererer. Kordelengden til skovlbladene ved r/R (R er bladets spissradius, r er den lokale radius) = 0,25 er 10,3 tommer og smalner lineært av til 2,13 tommer ved r/R = 0,96. Bladkoordinatene, herunder øvre (sugeside-) og nedre (trykkside) bladtykkelseskoordinater, stigningsfordeling og kordelengder ved fire ubenevnte radier er gitt i tabell I for skovlbladene 1 og 2, (se fig. 5a) og i tabell II for skovlbladene 3 og 4. Disse koordinatene er for bladene til babordpropellen, bladene for styrbord propell er speilbilder av disse skovlbladene under antagelse av at propellene er kontraroterende. Fig. 14 gir koordinatene for tapptrimroret eller flappen.

Tykkelses- eller konveksitetsfordelingen for skovlbladene er tilnærmet det samme som for en NACA 65-bæreflate (omtalt og definert i rapport nr. 86H93245-NTIS "Drag Tests of NACA 65 Practical Constructed Airfoil", juli 1946, USA) middellinje og spennvis fordeling av maksimal tykkelse eller konveksitet er vist på fig. 10. Bemerk at skovlbladene 1 og 2 har en liten reduksjon i stigning nær spissene, mens skovlbladene 3 og 4 ikke har det. Denne reduksjon i stigning avlaster skovlblad-spissene på disse to sterkt belastede skovlblad. Nese-halelin-jen for rottversnittene til bladene 1 og 2 er gitt en vinkel på 2° relativt til akselens senterlinje og den for skovlbladene 3 og 4 satt til 5° relativt til akselens senterlinje. Snittangrepsvinkelen for et bladsnitt relativt til innstrømningen ved enhver radius er tilnærmet bestemt av den følgende formel:

hvor:

a = snittangrepsvinkelen

e = vinkelen for bladrotseksjonen med hensyn på akselens

senterlinje

cp = akselvinkelen med hensyn på fartøyets bunn eller låringslinjene

0 = vinkelposisjonen for skovlbladet med hensyn på lagertappen, 0° er ved tappen og 90° er klokken 9-stillingen sett aktenfra propellen og forover.

Når snittkonveksitet inkluderes med snittangrepsvinkelen gitt av ligning (2) for å bestemme belastning, kan det ses at hvert skovlblad belastes forskjellig. Skovlbladene 1 og 2 har den største belastning, med en noe redusert grad på skovlblad 3. De letteste belastningene fås på tapptrimroret og på bladet 4. Dette resulterer i meget store, lokale tangensialhastigheter som induseres ved og nedstrøms for propellen av skovlbladene. Dette asymmetriske tangensiale hastighetsfelt er det som er ansvarlig for de angitte forbedringer i fremdriftseffektiviteten. Rotasjonsfeltet eller tangensialhastigheten som induseres av propellen i propellstrømmen, blir delvis kansel-lert av motrotasjonen av fluidet indusert av skovlene. Dette frembringer en del av de angitte energibesparelser. En naturlig forekommende, delvis kansellering av virvelhastigheten indusert av propellen i dens propellstrøm skyldes superposisjoneringen av vektor V3 (fig. 5) på den side av propellstrømmen som ikke er dekket av skovlbladene.

Avstanden fra skovlbladnavet til skovlbladspissen er 10 tommer, hvilket er ca. 77 % av propellradien (propellradien er 13 tommer). Som angitt tidligere, er skovlbladene montert på aksellagerhuset straks foran propellen.

Fig. 11 som er sett langs senterlinjen for propellakselen, viser skovlbladene avbøyd mot utviseren med hensyn på en radiallinje som skjærer midtpunktet av bladroten. Denne avbøyning var nødvendig på grunn av fremgangsmåten for bladkonstruksjonen. I fremtidige konstruksjoner kan denne avbøyning være nødvendig eller ikke, avhengig av konstruksjons-metoden. Fig. 12 viser bladene sett fra undersiden av forsøks-fartøyet mot hekken og viser skovlblad-propellkombinasjonen som sett av den innkommende vannstrøm. Skovlbladene 16 befinner seg hovedsakelig på den del av propellskiven hvor bladene befinner seg i den oppadgående del av sin rotasjon, da dette er den del av skiven hvor bladene er lett belastet på grunn av helningen av propellakselen.

Propellen som opprinnelig ble benyttet på forsøksfartøyet, var en kommersielt tilgjengelig, planstilt propell med optimal konstant stigning, fremstilt av Columbian Bronze Corp. En identisk propell, bortsett fra med lavere opprinnelig stigning, ble senere mekanisk gitt ny stigning for å tilpasses forstyr-relseshastighetsfeltet generert av skovlene. Karakteristikkene for denne propell med endret stigning er vist i tabellene IV og V. Evnen til å benytte en modifisert, kommersielt tilgjengelig propell sammen med bladskovlene er viktig, da det i høy grad reduserer installasjonskostnadene for asymmetriske forvirvlingsskovlblad og tilpasset propellsett. Fysiske beskrankninger forhindrer en eksakt tilpasning av propellen til skovlbladene når det foretas en mekanisk forandring av stigningen, men hvor imidlertid maksimal ytelse eller effektivitet er hovedhensik-ten, kan en spesialkonstruert og -fremstilt propell benyttes. Initialkostnaden vil imidlertid øke kraftig.

To fremgangsmåter for å konstruere skovbladene og propellsystemet foreligger for øyeblikket. Den første fremgangsmåten benytter en modifisert impulsteori og den annen seg av løftelinje- og løfteflateteori. Den siste er den foretrukkede fremgangsmåte, da lokale hastigheter og trykk kan predikeres. Ved bruk av denne metode blir perturbasjonshastighetene fra skovlbladene beregnet ved og nedstrøms for propellskiven. I sin tur blir perturbasjonshastighetene som skyldes propellen beregnet fra plasseringen av skovlbladet. Denne prosessen gjentas inntil konvergens finner sted. Den endelig beregnede perturbasjonshastighet sammen med konstruksjonskravene bestemmer skovlblad- og propellgeometrien.

Som ved alle fremgangsmåter benyttet ved konstruksjonen av fremdriftsanordninger, er det nødvendig med modell- eller fullskalaforsøk. Generelt vil små forandringer i fremdriftsanordningens geometri være nødvendig etter den første forsøks-serie. Derfor er skovlblad- og propellsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse utført så nær den optimale geometri som den nåværende teknikkens stand tillater, fulgt av modell eller fullskalaforsøk og muligvis små geometriforandrin-ger.

Det ble også oppdaget at skovlbladene og den modifiserte propell fungerte godt uavhengig av hverandre. Når de asymmetriske forvirvlingsskovlblad var plassert foran den vanlige eller opprinnelige propell ("Tetradyne"-propell med 26" diameter, 28" optimal konstant stigning) på forsøksfartøyet, ble det registrert reduksjoner i akseleffekter på inntil 6 %. Mer signifikant ble reduksjoner i brenselforbruket på inntil 15 % registrert ved hastigheter på 10 knop, men etter som hastigheten ble øket til 23 knop, forsvant imidlertid brensel-besparelsene. Andre fordeler lik dem som ble oppnådd med bruk av skovlblader og de tilpasset propell ble også oppnådd, men i betydelig mindre grad. Den store reduksjon i brenselforbruket ved lave hastigheter ved bruk av den originale propell og et tilføyd sett av asymmetriske skovlblad, kunne ha stor betydning på fartøyer som opererer med lave hastigheter i lengre tidsrom, slik som arbeidsbåter og trålere.

Den modifiserte vanlige propell benyttet med skovlbladene, virket også meget godt uten skovlbladene på den skrå aksel. Bruken av denne propellen alene førte til signifikante reduksjoner i akseleffekter og brenselforbruk over fartøyets hastighetsområde. Det er antatt at belastningsoppbygningen på bladspissene med meget høy stigning og avlastningen av rotseksjonene er ansvarlig for ytelsesøkningene. Den nåværende tekniske stand for propellkonstruksjonen hvor det antas at det ikke eksisterer noen viskøs kjølstrøm, angir at det for denne anvendelse skal benyttes en propell med konstant stigning for maksimal effektivitet. Etter gjennomgang av forsøksdata for denne propellen alene, er det antatt at to fenomener forekom: 1) Ustø krefter relatert til variasjonen i hver omdreining i bladsnittangrepsvinkelen, som er størst ved de innvendige radier av propellen, reduseres når stigningen og derfor belastningen for de indre radier minskes og forårsaker derved en reduksjon i energitapene forbundet med disse ustø krefter. 2) Ved de ytre propellradier blir variasjonen i bladsnittangrepsvinkelen med hver omdreining minimal, derfor gjør belastningsoppbyggingen på bladspissene at trykkraft kan leveres på en jevnere måte over ringen som sveipes ut av det ytre parti av spissene og dette minimerer i sin tur aksiale og rotasjonelle kinetiske energitap i propellens propellstrøm.

Ytelsen til den modifiserte propell på en skrå aksel kan ikke predikeres med nåværende analytiske eller empiriske verktøy. Imidlertid er det antatt at hvis man velger en planstilt propell med konstant stigning for optimal ytelse, basert på analyse for ikke-skrå aksel, kan ytelsen til denne propell økes med bruk av følgende retningslinjer: 1) Å velge en bladrotstig-ning som er 10 % mindre enn den til propellen med optimal konstant stigning. 2) Å velge en bladspissstigning

(r/R = 0,95)som er 10 % større enn den for propellen med konstant stigning. 3) Å velge en bladsnittstigning ved r/R = 0,7 og lik stigningen til propellen med optimal konstant stigning.

Når en kurve tilpasses disse tre punktene på en graf av r/R med hensyn på stigning, fås en ikke-lineær stigningsfordeling. Den resulterende modifiserte propell vil være identisk med propellen med optimal konstant stigning i alle geometriske

detaljer bortsett fra den ikke-lineære stigningsfordeling.

1 tilfellet med forsøksfartøyet ble en 26 tommers diameter "Tetradyne"-propell med 28 tommers konstant stigning fra Columbia Bronze Corp. funnet å være optimal med bruk av standard empiriske tabeller. En annen "Tetradyne"-propell med 2 6 tommers diameter og med 25 tommers konstant stigning ble innkjøpt. Denne annen propell ble mekanisk forsynt med ny stigning på 28 tommer ved r/R = 0,7 og på 31 tommer ved r/R = 0,95. Dette er den propellen som ble tilpasset de asymmetriske forvirvlingsskovlblad og som også virket usedvanlig godt når det ikke var skovlblad foran den.

Da luft og vann begge er fluider og den foreliggende oppfinnelse er en anvendelse av fluidmekanikk, er det innlysende at prinsippene for den foreliggende oppfinnelse kan benyttes på en flypropell for å forbedre dens arbeidseffektivitet når propellen ikke er helt vertikal. F.eks. kunne en propell av skyvetypen sansynligvis oppnå driftsmessig fordel ved bruk av prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Som vist på fig. 13, kunne skovlblad 40 i henhold til den foreliggende oppfinnelse monteres på utsiden av motordekslet 42 på siden hvor propellen 44 befinner seg i sin stigende del av rotasjonen og derved gi propellen 44 en positiv angrepsvinkel på denne side av skiven. Som med en båt, vil størrelsen av vinkelorienterin-gen av skovlbladene for en flypropell være bestemt av strømnin-gen ved propellen.

Claims (24)

1. Energieffektivt fremdriftssystem med for-virvlingsskovl og propell, for et fartøy som går gjennom et fluid medium og er utstyrt med en drevet drivaksel (14) og en propell (12;44) anordnet på drivakselen for å drive fartøyet gjennom det fluide medium, karakterisert ved at det er anordnet skovlanordninger (1,2,3,4;16;40) for å dirigere strømmen av det fluide medium asymmetrisk inn i propellen.

2. Fremdriftssystem i henhold til krav 1, hvor fartøyet er et sjøfartøy, karakterisert ved at propellen (12) omfatter blader med mindre stigning ved sine røtter og større stigning ved spissene.

3. Fremdriftssystem i henhold til krav 2, karakterisert ved at skovlanordningene (1,2,3,4;16) for å dirigere vannstrømmen er anordnet asymmetrisk rundt den modifiserte propell (12).

4. Fremdriftssystem i henhold til krav 3, karakterisert ved at skovlanordningene (1,2,3,4;16) for å dirigere vannstrømmen hovedsakelig befinner seg på den side av propellskiven hvor propellen (12) befinner seg i den oppadgående del av sin rotasjon.

5. Fremdriftssystem i henhold til krav 4, karakterisert ved at skovlanordningene (1,2,3,4;16) for å dirigere vannstrømmen utgjøres av skovlblad (1,2,3,4;16) oppstrøms for propellen (12).

6. Fremdriftssystem i henhold til krav 5, karakterisert ved at skovlbladene (1,2,3,4;16) er montert på propellakselhuset.

7. Fremdriftssystem i henhold til krav 6, karakterisert ved at skovlbladene (1,2,3,4;16) er innrettet til å dirigere vannstrømmen nedad og inn i propellen (12).

8. Fremdriftssystem i henhold til krav 7, karakterisert ved at bladene til propellen (12) har en stigning på ca. 90 % ved roten referert til en propell med konstant stigning, på 100 % ved ca. 70 % radius referert til en propell med konstant stigning og på ca. 110 % ved spissen referert til en propell med konstant stigning.

9. Fremdriftssystem i henhold til krav 8, karakterisert ved at skovlbladene (1,2,3,4;16) har tilnærmede konturer som en NACA 65 bæreflate.

10. Fremdriftssystem i henhold til krav 1, hvor fartøyet er et fly, karakterisert ved at skovlanordningene (40) er montert foran propellen (44) for å dirigere luftstrømmen inn i propellen.

11. Fremdriftssystem i henhold til krav 10, karakterisert ved at de strømningsdirige-rende skovlanordninger (40) bare befinner seg ved et parti av propellskiven.

12. Fremdriftssystem i henhold til krav 11, karakterisert ved at de strømningsdirige-rende skovlanordninger (40) hovedsakelig befinner seg på den side av propellskiven hvor propellen befinner seg i den oppadgående del av sin rotasjon.

13. Fremdriftssystem i henhold til krav 12, karakterisert ved at de strømningsdirige-rende skovlanordninger utgjøres av skovlblader (40) montert på utsiden av motordekselet (42).

14. Fremdriftssystem i henhold til krav 13, karakterisert ved at de strømningsdirigerende skovlbladene (40) er innrettet til å dirigere luftstrømmen nedad inn i propellen.

15. Fremgangsmåte til å forbedre effektiviteten og/eller redusere propellinduserte skrogvibrasjoner i et fremdriftssystem for et fartøy som går gjennom et fluid medium, hvor fartøyet er et sjøfartøy med en propell (12) montert på en i forhold til fartsretningen skråstilt aksel (14), karakterisert ved å dirigere vannstrømmen inn i propellen (12) for å motvirke virkningene av akselens (14) skråning.

16. Fremgangsmåte i henhold til krav 15, karakterisert ved å dirigere vannstrømmen asymmetrisk omkring propellskiven (14).

17. Fremgangsmåte i henhold til krav 16, karakterisert ved primært å dirigere vannstrømmen på den del av propellskiven hvor propellbladene (12) befinner seg i den oppadgående del av sin rotasjon.

18. Fremgangsmåte i henhold til krav 17, karakterisert ved å dirigere vannstrømmen nedad inn i propellen (12).

19. Fremgangsmåte i henhold til krav 18, karakterisert ved å benytte anordninger (1,2,3,4;16) for å dirigere vannstrømmen, idet anordningene utgjøres av skovlblader (1,2,3,4;16) montert oppstrøms for propellen (12).

20. Fremgangsmåte i henhold til krav 15, karakterisert ved at den omfatter å forandre stigningen til bladene på propellen (12) til ca. 90 % ved roten referert til en propell med konstant stigning, til 100 % ved ca. 70 % radius referert til en propell med konstant stigning og til ca. 110 % ved spissen referert til en propell med konstant stigning.

21. Fremgangsmåte i henhold til krav 15, hvor kavitasjonen i propellen (12) skal reduseres når propellen beveger seg gjennom vann, karakterisert ved å dirigere vannet som strømmer inn i propellen (12) på en slik måte at propellen med hensyn på vannet får en positiv angrepsvinkel over hele sin skive.

22. Fremgangsmåte i henhold til krav 21, karakterisert ved å dirigere vannstrømmen ved hjelp av skovlbladene (1, 2,3,4;16) montert oppstrøms for propellen (12).

23. Fremgangsmåte i henhold til krav 22, karakterisert ved primært å anordne skovlbladene (1,2,3,4;16) på den del av propellskiven hvor propellbladene befinner seg i den oppadgående del av sin rotasjon.

24. Fremgangsmåte i henhold til krav 23, karakterisert ved å dirigere vannstrømmen nedad inn i propellen (12).