Anwendungsgebiet der Erfindung
[0001] Die Erfindung betrifft einen Propeller mit auf der Nabe in Gruppen hintereinander
versetzt oder zueinander geneigt in zwei oder mehreren Ebenen angeordneten Flügeln.
Der propeller ist für den Einsatz bei allen Wasserfahrzeugen geeignet, jedoch insbesondere
bei Ein- und Mehrschraubenschiffen vorgesehen, um durch eine einfache, betriebssichere
und kostengünstige Konstruktion und Anordnung von Schiffspropellern den Propulsionsgütergrad
zu erhöhen und die propellererregten Druckimpulse zu mindern.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
[0002] Es sind verschiedene gleich- und gegenläufige Schiffspropellerkonstruktionen und
-anordnungen mit unterschiedlichen Naben- und Flügeltypen bekannt, die entweder eine
höhere Drehleistung aufnehmen oder die Energieverluste und die Kavitation vermindern
bzw. Energie aus dem Drall, Abstrom oder abgehenden Wirbeln zurückgewinnen sollen.
So dienten die "Gleichlauf-Tandempropeller" mit zwei axial in Strömungsrichtung hintereinander
angeordneten gleich großen Flügelebenen (DR-PS 135 489; DE-PS 1094 622) oder die Propeller
mit drei axial in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Flügelebenen (DR-PS
237 161; GB-PA 2 204 643) oder die Propeller mit zwei zueinander geneigt angeordneten
und gleich großen Flügelebenen (US-PS 4,306,839; US-PS 4,514,146) der höheren Leistungsaufnahme.
Ihre weitere Verwendung entfiel jedoch durch höhere Leistungsumsetzungen moderner
Schiffspropeller oder aber die in Aussicht gestellten Schubgewinne haben sich in der
praxis nicht bestätigt.
Der als "Gegenlauf-Tandempropeller" bzw. "Contra-Rotating-Propeller" bekannte Typ,
bei dem zwei etwa gleich große, hintereinander angeordnete Propeller in gegensinniger
Richtung drehen, verbessert den Propulsionsgütegrad, jedoch sind die Mehraufwendungen
für die betriebssichere übertragung der gegenläufigen Drehmomente durch eine Hohlwelle
und Getriebe sowie für die Wellenlagerungen und Abdichtungen beträchtlich (GB-PS 1324
256; DE-PS 1094 622; DE-OS 2056 975 u.a.).
Eine Verbesserung des Propulsionsgütegrades wird auch durch den "freidrehenden Nachpropeller",
bekannt als "Grim'sches Leitrad", durch die Anordnung eines größeren, hinter dem angetriebenen
Propeller frei im Abstrom gleichsinnig drehenden Leitrades erreicht (DE-PS 1756 889).
Das Leitrad muß jedoch etwa die doppelte Anzahl sehr schlanker Flügel gegenüber dem
Propeller erhalten, so daß die Betriebssicherheit vermindert und der Aufwand vergrößert
wird.
Weiter gibt es verschiedene Vorschläge und Lösungen, um die Verluste aus den Wirbeln
zu vermindern, die infolge der differenzierten Zirkulationsverteilung um die Flügelprofile
besonders an den Flügelspitzen abgehen. Das soll durch Leitflügel bzw. Endscheiben
wie beim sog. "TVF-Tip Vortex Free Propeller" (DE-OS 3129 232; FR-PS 2337 661 B; DE-PS
89 9180 u.a.) erreicht werden. Diese in den letzten Jahren bekannt gewordene Lösung
hat sich noch nicht allgemein durchsetzen können und die Effekte werden vorwiegend
bei höher belasteten propellern wirksam.
Die bekannten Lösungen erfordern somit Höhere Aufwendungen oder sind auf spezielle
Einsatzfälle beschränkt oder mit unerwünschten Nebenwirkungen gekoppelt oder es werden
die Wechselwirkungen aus der Schiffsumströmung, der Propelleranströmung und dem Abstrom
nicht ausschöpfend genutzt.
Ziel der Erfindung
[0003] Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen allgemein für Ein- und Mehrschraubenschiffe
einsetzbaren, einfachen, kostengünstigen und zuverlässigen Schiffspropeller zu schaffen,
der den Propulsionsgütegrad weiter verbessert und Schwingungen sowie Kavitationserscheinungen
vermindert.
Darlegung des Wessens der Erfindung
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Propeller zu schaffen, bei dem die Wirbelverluste
gesenkt und die propellererregten Druckimpulse vermindert werden und mit dem generell
ein größeres Nachstromvolumen erfaßt werden kann.
[0005] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Nabe des als "Interferenzpropeller"
bezeichneten Propellers mit Flügeln in mindestens zwei Flügelebenen , bezogen auf
die Flügelspitzen, versehen ist, die gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl drehen
und, daß die Flügel der dem Schiffsrumpf zugewandten Flügelebene, die sogenannten
Vorflügel, im Spitzendurchmesser kleiner sind als die Flügel der nachfolgenden Flügelebenen
, der sogenannten Nachflügel, und daß die Anzahl der Vorflügel jeweils der Anzahl
der Nachflügel jeder Nachflügelebene entspricht, so daß zu jedem Vorflügel ein Nachflügel
jeder Nachflügelebene gehört und, daß der axiale Abstand x Flügelebenen voneinander
und der periphere Nachfolgewinkel φ der zueinander gehörenden Flügel des aus Vor-
und Nachflügel/n bestehenden Interferenzflügelsystems in Abhängigkeit der Fortsschrittsziffer
J bestimmt werden, wobei der axiale Abstand x der Flügelebenen voneinander in den
verschiedenen Radien bis zu 0,3... 0,4 des Durchmessers der Vorflügelebene liegt und
der mittlere periphere Nachfolgewinkel φ zwischen Vor- und Nachflügel/n bis 140 grd.
vorgesehen wird.
[0006] Auf diese Flügel und -anordnung gestützt wird eine Reduzierung der Schubbelastung
der vorderen Flügelebene erreicht und die Energie der von der jeweils vorderen Flügelebene
abgehenden Wirbel durch die zweite und ggf. nachfolgende Nachflügelebene zumindest
teilweise zurückgewonnen.
Die in den einzelnen Flügelradien jeweils günstigsten pheripheren Nachfolgewinkel
φ und axialen Abstand x für verschiedene Profil- und Flügelformen bzw. Belastungen
liegen in den Gebieten der geringsten Axial- und Tangentialgeschwindigkeiten hinter
dem jeweiligen Vorflügel.
Die äußeren Flügelradien der gegenüber den Vorflügeln größeren Nachflügel erzeugten
Vorstromgebiet und sind durch kleinere Steigungen geringer belastet, damit die Spitzenwirbel
der Nachflügel und ihre Spitzenwirbelverluste klein bleiben.
Die Profile sowie die axiale und pheriphere Anordnung der Nachflügel an der Nabe und
im nabennahen Bereich sind bei Ausführungsvarianten, bei denen die Flügel axial versetzt
zur Nabe geführt werden so angeordnet, daß sie aus den von den Vorflügeln abgehenden
Nabenwirbeln und der Reibung Energie zurückgewinnen.
Um eine optimale Anpassung der Flügelsteigung und der Propellerdrehzahl an veränderte
Schiffskörpereinflüsse zu ermöglichen, können die Flügel einer oder mehreren Flügelebenen
verstellbar bzw. einstellbar oder die Flügelebenen gegeneinander verdrehbar ausgeführt
werden. Vorteilhaft ist es, die Flügel der Vorflügelebene feststehend und die Flügel
der Nachflügelebene/n verstellbar bzw. einstellbar zu gestalten.
Ausführungsbeispiel
[0007] Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen erläutert:
Fig. 1 zeigt schematisch die Zirkulation um einen Tragflügel von endlicher Länge mit
dem Zirkulationsabfall an den Tragflügelenden sowie dem gebundenen und freien Wirbelsystem.
Fig. 2 zeigt die überlagerung der Stromlinien aus der Schiffsumströmung und der Propellerströmung
mit der Strömung des Wirbelzylinders sowie dem daraus um die Propellererbene entstehenden
Vorstromgebiet.
Fig. 3 veranschaulicht die gegenüber der homogenen Anströmgeschwindigkeit Vo unterschiedlichen
örtlich maximalen und minimalen sowie gemittelten Geschwindigkeiten verschiedener
axialer Meßebenen vor und hinter der Propellerebene an den Radien im kontrahierten
Strahl und außerhalb des Propellerstrahls an einem Modellpropeller durch Lasermessung.
Fig. 4 zeigt die an einem anderen Modellpropeller durch Lasermessung ermittelten örtlichen
maximalen und minimalen gemittelten Geschwindigkeiten im Flügelwurzelbereich und bis
1,25 D. Die Zahlenwerte geben die mittlere Geschwindigkeit an.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines vierflügeligen Schiffspropellers mit jeweils
zwei zugeordneten Vor- und Nachflügeln.
[0008] An einer Nabe sind in zwei Ebenen, bezogen auf die Flügelspitzen, hintereinander
versetzt jeweils zwei Flügel angeordnet, die gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl
drehen. Die Flügel der zuerst angeströmten Flügelebene, die sogenannten Vorflügel
1, sind kleiner ausgeführt als die Flügel der nachfolgenden Flügelebene, oder anders
ausgedrückt, der Spitzenkreisdurchmesser der Flügel der nachfolgenden Flügelebene,
der der sogenannten Nachflügel 2, ist bis zum 1,4 fachen größer, als der der Vorflügel
1.
[0009] Jedem Vorflügel 1 ist somit ein Nachflügel 2 zugeordnet. Die Steigung der Nachflügel
2, insbesondere die der äußeren Radien der Nachflügel 2, ist geringer ausgeführt als
die Steigung der Vorflügel 1.
[0010] Der axiale Abstand x der beiden Flügelebenen voneinander beträgt 0,1 bis 0,4 des
Durchmessers der Ebene der Vorflügel 1.
Der periphere Nachfolgewinkel der einander zugeordneten Flügel des aus Vorflügel 1
und Nachflügel 2 bestehenden Interferenzflügelsystems ist in den Flügelradien im Bereich
zwischen 60 grd. bis 140 grd. angesiedelt.
1. Propeller mit auf der Nabe in Gruppen hintereinander versetzt oder zueinander geneigt
in zwei oder mehreren Ebenen, bezogen auf die Flügelspitzen , angeordneten Flügeln,
die gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl drehen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flügel der zuerst angeströmten Flügelebene, die sogenannten Vorflügel, kleiner
sind als die Flügel der nachfolgenden Flügelebene/n bzw., daß der Spitzenkreisdurchmesser
der Flügel der nachfolgenden Flügelebene/n, der der sogenannten Nachflügel, größer
als der der Vorflügel ist und, daß die Anzahl der Vorflügel jeweils der Anzahl der
Nachflügel jeder Nachflügelebene entspricht, so daß jedem Vorflügel ein Nachflügel
jeder Nachflügelebene zugeordnet ist, und, daß die Steigung der Nachflügel, insbesondere
die der äußeren Radien der Nachflügel, geringer ist als die Steigung der Vorflügel
und, daß der axiale Abstand x der Flügelebenen voneinander im Bereich von 0,1 - 0,4
des Durchmessers der Vorflügelebene liegt und, daß der mittlere periphere Nachfolgewinkel
φ der einander zugeordneten Flügel des aus Vor- und Nachflügeln bestehenden Interferenzflügelsystems
im Bereich zwischen 60 grd. bis 140 grd. angesiedelt ist.
2. Propeller nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flügel einer oder mehrerer Flügelebenen verstell-bzw. einstellbar sind.
3. Propeller nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Flügel der Vorflügelebene feststehend und die Flügel der Nachflügelebene/n
verstell- bzw. einstellbar ausgeführt sind.
4. Propeller nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Flügelkreisflächen der Vor- und Nachflügel in den inneren Flügelradien
überdecken.
5. Propeller nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nachflügel gegenüber den Vorflügeln in den nabennahen Flügelradien axial in
Richtung des Abstroms versetzt angeordnet sind.