NO792722L - Skovelhjul, propell eller liknende anordning som tilveiebringer en aksial virkning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et skovelhjul, en propell

eller en lignende anordning som tilveiebringer en aksial virkning, særlig en skyvekraft, i et væskeformet eller gassformet medium, innbefattende et eller flere, i hovedsaken radielt forløpenderpg fra hverandre av nevnte medium adskilte blad, hvilke blad har en viss stigning og er anordnet skrått bakover i ca. 10 - 30 ° vinkel sammenlignet med et med hensyn på anordningens rotasjonsakse vinkelrett plan.

Dimensjoneringen og utformingen av skruepropeller

og skovelhjul har stabilisert seg under den utvikling som har foregått i flere decennier, og slikecanordninger har stort sett vært ansett som "ferdige", og man har gått ut i fra at det bare er mulig med små forbedringer, eksempelvis i størrelsesordenen 1/10%, med hensyn på øking av virkningsgraden. Aarne Vartiainens finske patenter nr. 3 3 088, 34 816 og 47 305 samt US patent nr. 3 014 534 representerer avvikelser fra de nevnte konvensjonelle propellkonstruksjoner. Disse patentene inneholder visse nye ideer, men propellene og skovelhjulene har pgs. visse prinsipp-ielle feil ikke vist seg å være bedre i praksis enn konvensjonelle propeller og skovelhjul, i hvertfall ikke ved større far-tøyshastigheter.

Skovelhju let eller lignende ifølge oppfinnelsen kjenne-tegnes av den kombinasjon at bladets eller bladenes stigning varierer i sylindersnitt med ulike radier og blir mindre i hovedsaken rettlinjet utgående fra bladets spiss i retning mot anordningens sentrum, og ved at bladets sideprofil sett vinkelrett mot rotasjonsaksen blir i hovedsaken hyperboliskt bredere utgående fra bladets spiss, med unntagelse av spissavrundingen,

i retning mot roten, i hvertfall frem til bladets midtparti.

Ifølge en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen er sylindersnitt med ulike radier av propellens eller lignende blad lagt slik at tyngdepunktene av snittene ved bladets spissparti i rotasjonsretningen ligger foran tyngdepunktene av snittene ved rotpartiet.

Ifølge en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen er bladene festet til et nav, hvis diameter hensiktsmessig ut-gjør 30% av propellens diameter eller mindre i den utstrekning som holdfasthetssynspunkter og akselen tillater. Bladene er dessuten hensiktsmessig festet til navet over hele lengden av navet.

Ifølge en fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen dannes dessuten bladenes tverrsnitt, langs en med rotasjonsaksen som midtpunkt trukket sirkel, av bakover krummede områder mellom to parabler som skjærer hverandre, hvilke parablers y-akse er parallell med propellaksen og hvis x-akse står vinkel^ rett på den foregående. Bladets frem- og bakkant er fordelaktig avrundet med liten radius.

Virkningen til propellen eller lignende ifølge oppfinnelsen er særpreget ved at propellen når den roterer tilveiebringer strømninger av to typer pga. bladenes stigningsvinkel og bladenes fra siden sett hyperboliskt voksende form, nemlig en strømning parallelt med rotasjonsaksen og en strømning rettet fra spissene mot navet. Pga. bladformen ifølge oppfinnelsen vil videre den sistnevnte strømningskomponent befinne seg i en jevnt akselererende bevegelse som er raskest ved bladets rotparti, der takket være den minskende stigning skyvekraftens forhold til vrimotstanden, dvs. virkningsgraden, er større enn ved bladets spissparti. Ved bladets rotparti oppstår altså

en med hensyn på bladets flate større resulterende strømnings-hastighet enn ved forutkjente propellere. Fordi skyvekraften er proporsjonal med kvadratet av den resulterende hastighet oppnår man med propellen ifølge oppfinnelsen større verdier for skyvekraften sammenlignet med i "drdningsmotstanden enn tilfellet er ved tidligere kjente propeller.

I ."forbindelse med propellen ifølge oppfinnelsen vil den mot sentrum rettede strømning treffe bladets rotparti også ved større hastigheter pga. av tverrsnittene ved bladets spissparti er anordnet foran tverrsnittene ved rotpartiet, med hensyn på rotasjonsretningen. Derved bibeholdes propellens bedre skyvekraft opp til større fartøyshastigheter enn ved de tidligere kjente propellere.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningene,hvor

fig. 1 viser en propell sett i akselretningen og i retning fremover,

fig. 2 viser snittet II-II i fig. 1,

fig. 3 viser bladets projelskon på et gjennom akslen gående plan, idet r angir avstanden fra et sted som skal under-søkes og til aksen, og y er bladets bredde på det nevnte sted av den nevnte projeksjon,

fig. 4 viser snittet IV-IV i fig. 2,

fig. 5 viser flere bladsnitt, og

fig. 6 viser hvordan bladets tverrsnitt dannes mellom to parabler.

I figurene er som nevnt vist en fartøyspropell som utgjør en utførelsesform av oppfinnelsen. Det skal dog her frem-heves at oppfinnelsen også kan benyttes på andre områder, eks-emlepvis i forbindelse med skovelhjul for luftstrømningsmaskiner.

Ifølge figurene innbefatter den rundt en aksel a roterbart anordnede fartøyspropell et nav n hvortil to blad er festet over hele bredden av navet. Bladenes fremkant er betegnet med e og bakkanten er betegnet med t.

Ifølge fig. 3 blir bladenes sideprofil sett vinkelrett mot rotasjonsaksen a bredere, med unntagelse av spissavrundingen og en forkortningsavrunding p ved bladets rotparti, i hovedsaken hyperboliskt i det minste til bladets midtparti. Bladene er som det fremgår av fig. 4 anordnet skrått hellende bakover i en vinkel o. Denne skråstilling o er i og for seg kjent og vinkelens o størrelse velges mellom 10° og 30°. I fig. 1 er en kurve som dannes av midtp inktene av ulike sylindersnitt betegnet med k og sylindersnittene med ulike bladradier er anordnet på en slik måte at snitt ved bladets spissparti i rotasjonsretningen m ligger foran snitt ved rotpartiet.

I fig. 5 er det vist tre sy lindersnitt av propell-: .-bladet, nemlig snittene 1, 2 og 3. Disse snitt særpreges ved at de i bladets radiusretning r ulike delers stigning varierer, hyorhos den blir i hovedsaken rettlinjet mindre i retning fra

bladets spiss (snittet 1) mot propellnavet (snittet 3).

Fig. 6 viser hvordan bladets tverrsnitt dannes mellom to parabler. Aksene til de angjeldende parabler er betegnet med pa. Bladets fremkant e og bakre kant t har som det går frem av fig. 6, avrundinger som er avhengige av propellens fremstill-ingsteknikk.

For å klargjøre konstruksjonen og virkemåten til propellen ifølge oppfinnelsen skal nedenfor angis noen dimen-sjoneringsprinsipper og tilnærmelser som har vist seg hensikts-messige i praksis.

I de formler som forekommer lengre ned benyttes følgende sym-boler:

R = propellens største radius; kan bestemmes på samme måte som

i forbindelse med vanlige skruepropeller

r = radien til det snitt som skal undersøkes

p = stigningens forhold til propellens diameter (PITCH RATION) Ag = den utbrettede bladflate; bestemmes ved forsøk

= forholdet mellom fartøyets virkelige hastighet og propellens teoretiske hastighet; varierer mellom O75 og 0,9

avhengig av fartøyet

B = bladetsbredde langs en bue med radius r: projisert på et

mot akselen vinkelrett plan

Hr bladets bredde i en avstand med radius r projisert på

et gjennom aksen gående plan

(j> = stigningsvinkelen

p = stigningen (pitch) = den geometriske bevegelsesstrekning

for bladet, eller en del av dette, under en omdreining

c = bladets bredde målt langs stigningsplanet

tA~= bladets største tykkelse ved akselen.

Når propellens største radius er valgt velges den største stigning som forekommer ved bladspissen. Verdien av koeffisienten 3 bestemmes på grunnlag av fartøyets vekt, dets form og forsøksresultater. Så bestemmes verdien for stignings-vinkelens tangent ved ulike bladstillinger ved hjelp av følgende formel

I dette eksempel minsker stigningen fra verdien P ved bladets spiss til verdien 3 • P ved navet n. Navets n radius er i dette eksempel valgt slik at tg <J> =1 ved navet eller nær denne verdi. Bladets bredde på ulike steder bestemmes slik at stigningsvilkåret oppfylles, at produket H x r øker i retning mot navet og at bladets flateinnhold får en forutbestemt verdi

V

Ved gjennomførte forsøk har man oppnådd gode resul-tater når produktet H x r har fått øke i hovedsaken rettlinjet.

I et tilfelle har produktet fått øke rettlinjet til halve lengden av bladet, hvorved produktet har nådd en dobbelt så stor verdi, og i et annet tilfelle har produktet nådd samme verdi på et sted der r er 30% av R. Når bladets bredde Hr når sin-* største verdi får produktet H x r igjen avta, slik at bladet kan festes ordenlig ved navet.

Fordi propellene på store, langsomtgående fartøy er store, gjøres deres navlegemer proporsjonelt mindre enn på hurtiggående fartøy. Dettilstrebes også en hurtig avsmalning av bladets bredde innenfor området der tg-(f> ><•!. Stigningen får likeledes igjen vokse fra minimumsverdien P mot navet, hensiktsmessig til verdien P.

I dette eksempel kan pr-duktet H x r uttrykkes ved hjelp av formelen: og en tilnærmingsverdi for bladets flateinnhold får man ved hjelp av formelen:

Av det som er angitt ovenfor følger at bladets sideprojeksjon på et med aksen parallelt plan blir i hovedsaken hyperboliskt bredere mot navet. I denne henseende avviker propellem ifølge oppfinnelsen både fra vanlige skrupropellere og fra formen av propellen ifølge de ovennevnte finske patentskrifter nr. 33 088, 34 816 og 47 304, hvor motsvarende projeksjon blir bredere triangelformet eller ifølge formen av en avsmålnende triangel. Av denne grunn tilveiebringer formen ifølge oppfinnelsen en større strømningskomponent på bladets bredeste sted, hvilken strømningskomponent er rettet fra bladets spiss mot navet. Ettersom iforbindelse med alle propeller de øvrige hastighets-komponenter er like innbyrdes ved samme rotasjonshastighet og samme fremoverbevegelseshastighet, oppnår man med propellen ifølge oppfinnelsen en større resulterende hastighet, som tilveiebringer skyvekraften, og dette oppnås ved et parti av bladet som har den største flaten, der stigningen er blitt mindre og hvor avstanden fra navet er mindre enn tilfellet er ved tidligere kjente propellere. Av dette følger at man oppnår et større forhold enn tidligere mellom skyvekraften og virdnings-motstanden.

Tverrsnittet av bladet på propellen ifølge oppfinnelsen utføres som vist i fig. 5 og 6 méd krummet form, hensiktsmessig slik at den indre flaten dannes av en parabel som kan uttrykkes ved hjelp av formelen:

Koeffisienten a bestemmer den indre flatens krumning og a er vanligvis mindre eller like stor som når a blir mindre øker den indre flatens krumning, og skyvekraften øker ved langsomme hastigheter og slutthastigheten minsker. I så henseende adskiller den nye propell seg fra kjente propeller av lignende type, idet nemlig ved de kjente propellere flatene bestemmes av en linje, en sirkeldel eller et parabel hvis akse står vinkelrett på bladepartiets stigningsplan.

Konstruksjonen ifølge oppfinnelsen medfører at mediets retning endres jevnt ved ulike partier av bladet. Av dette følger at bladet med hele sin flate deltar aktivt i tilveiebringelsen ab skyvekraften.

Bladets ytre flate bestemmes på basis av samme formel ved at man gir a en hensiktsmessig mindre verdi og ved at man tar hensyn til minimumstykkelsen t for bladets kant. a velges i hvert snitt på en slik måte at bladets største tykkelse ved akslen hensiktsmessig er 0,9 x R, fra hvilken verdi tykkelsen avtar mot bladets spiss i den utstrekning holdfasthetssynspunkter tillater. I eksemplet i fig. 4 blir bladet rettlinjet

tynnere til verdien 0,02 x R.

Bladets tverrsnitt anordnes på et en slik måte at bladet på kjent måte skrår bakover (vinkelen o. i fig. 4) .

I forbindelse med tidligere kjente propeller (finske patentskrifter 34 816 og 47 304, og også nr. 33 088) er bladets tverrsnitt særpreget ved åt bladet ved fremkanten oppviser et plant parti, hvilket medfører en rask redusering av skyvekraften når fartøyets hastighet øker. Dette er påvist ved utførte forsøk.

I forbindelse med propeller ifølge de nevnte patentskrifter

øker også rotasjonsmotstanden meget raskt pga. propellenes alt-for store konveksitet. Ved propeller ifølge oppfinnelsen er derimot bladet krummet kontinuerlig og hele tverrsnittspartiet, hvorved strømningen ved alle partier av bladet tilveiebringer en skyvekraft og propellens skyvevirkning bibeholdes i det minste opp til den av stigningen bestemte fartøyshastighet.

Tverrsnitt av propellbladet med ulike radier er plassert slik at bladets fremkant=i hovedsaken danner en linje og at snitt ved bladspissen ligger foran rotpartiet (kurven k i fig. 1). I så henseende adskiller propellen ifølge oppfinnelsen seg vesentlig^ fra de tidligere nevnte skrupropeller, hvor snittene enten ligger i samme linje eller spisspartiet er plassert etter rotpartiet, se finsk patentskrift nr. 47 304. I forbindelse med. propellen ifølge oppfinnelsen starter de foran anordnede bladspisser i en mot propellens sentrum rettet radiell strømning, som altså ved større rotasjonshastigheter ennå treffer rotpartiet og tilveiebringer øket virkningsgrad med hensyn på tidligere kjente propeller ved motsvarende hastigheter. Ved propellen ifølge utførelseseksemplet ligger spisspartiet så langt foran rotpartiet som spissens stigningsvinkel angir.

Med propellen ifølge oppfinnelsen er det utført bl.a. følgende sammenlignende forsøk: Først sammenlignet man ulike skruepropeller ifølge oppfinnelsen på en testbåt av modell "Beaufort 8000", som er en middelstung hurtiggående båt med V-bunn. Med den beste av disse propellene oppnådde man en målehastighet på 25 knop. Deretter fremstilte man to propeller ifølge det finske patentskrift nr. 47 304. Disse propellene hadde regulerbare blad og på den ene propellen var bladets skråvinkel ca. 15°, mens den andre propellen hadde en skråvinkel på ca. 20°. Med disse forsøkspropeller ble den største hastigheten målt til 15 knop med samme måleinnretning.

Deretter ble propeller ifølge oppfinnelsen sammenlignet med den beste krupropell som kunne anskaffes på markedet. Som forsøksbåt valgte man en hurtiggående, middelstung båttmed V-bunn av modellen "Comtesse". Denne båt ble valgt for å lette propellutskiftingen.

Sammenligningspropell: Volvo-Penta skrupropell; diameter 14" stigning 15", high speed-type, Ag = 20 6 cm 2.

De to propellene ifølge oppfinnelsen (nr. 1 og nr. 2) hadde følgende utførelse:

Nr. 1: diameter 14", veiet middelsstigning 15", 3 = 0,839,

a = 0,3 ved roten og a = 0,839 ved spissen, hellning 15°, spisspartiet 15° foran roten og produktet H x r får sin maksimalverdi 2xHxRdår=0,5R, Ag 170 cm 2.

Nr. 2: Diameter 14", veiet middelsstigning 15", 3 = 0,85, a =

0,85 over"'heie .bladpartiet,-hellning 17,2°, spisspartiet 17,2° foran roten og produktet H x r får sin maksimale

verdi når r = 0,3 R , A = 180 cm 2.

Hastighetsforsøksresultater:

Motorens turtall skal deles med tallet 2,5 for å få propellens turtall.

Oppfinnelsen er ikke på noen måte begrenset til ovenfor beskrevne detaljer og dimensjoneringseksempler, men kan naturligvis virkeligjøres innenfor rammen av den oppfinnelses idé som er definert i patentkravene.

Claims (4)

1. Skovelhjul, propell eller lignende anordning som tilveiebringer en aksial virkning, særlig en skyvekraft, i et væske-eller gassformet medium, innbefattende et eller flere, i hovedsaken radielt forløpende og fra hverandre av nevnte medium adskilte blad som har en viss stigning og som er anordnet til å helle bakover i en vinkel på ca. 10-30° sammenlignet med et med hensyn på anordningens rotasjonsaksel (a) vinkelrett plan, karakterisert ved kombinasjonen av at bladet eller bladenes stigning varierer i sylindersnitt med ulike radier og blir mindre i hovedsaken rettlinjet utgående fra bladets spiss i retning mot anordningens sentrum, og at bladets sideprofil sett vinkelrett på rotasjonsaksen (a) blir i hovedsaken hyberboliskt bredere (fig. 3) utgående fra bladets spiss, med unntagelse av spissavrundingen, i retning mot roten, i det minste frem til bladets midtparti.

2. Skovelhjul, propell eller lignende ifølge krav 1, karakterisert ved at sylindersnitt med ulike radier av bladet er anordnet slik at tyngdepunktene til snittene ved bladets spissparti i rotasjonsretningen (m) ligger foran tyngdepunktene av snittene ved rotpartiet (kurven k).

3. Skovelhjul, propell eller lignende ifølge krav 1, eller 2, karakterisert ved at tyngdepunktene av sylindersnittene med ulike radier av bladet danner en kurve (k) som asymtotisk nærmereseg en gjennom bladets rotparti trukket radius i en projeksjon som fås av bladet i et normalplan av anordningens rotas jonsaksel (å):'.;

4. Skovelhjul, propell eller lignende ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at; de ytre og indre flater (S, u) av anordningens blad grenser til i hovedsaken to hverandre:!i nærheten av bladets fremkant og bakkant (e, t) skjær-ende, i samme retning krummede parabler, hvis akser (pa) er parall-elle med anordningens rotasjonsakse (a).