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Schiffsantriebe für Schraubenschiffe unter Verwendung einer die Schraube umgebenden und mit dem Schiffskörper verbundenen Düse sind bekannt. Es ist vorgeschlagen worden, die den Propeller umgebende Düse auszubilden und anzuordnen, dass der Propeller ungefähr in dem engsten Querschnitt der Düse arbeitet, der die Schraube mit nur geringem Spielraum umschliesst. Hinter der Schraube nehmen die Querschnittsflächen der Düse wenig oder überhaupt nicht zu, während sie vor der Schraube beständig anwachsen. Andere Vorschläge zeigen Schrauben, die von Ringen, geraden oder konischen Rohrstücken u. dgl. umgeben sind.
Diese Ausführungen bezwecken, den Wirkungsgrad des Gesamtvorschubes zu vermehren, haben jedoch in der Parxis versagt, da keine von ihnen die richtige Form der Düse, vereint mit der richtigen Beziehungs zum Propeller, der Lage desselben zum Schiff, dessen Drehzahl, der Fläche des kleinsten Düsenquerschnittes gegenüber der Düseneintrittsfläche, sowie der Form der Geschwindigkeit und dem Widerstand des Schiffes, zeigt. Die richtige Ausbildung und Vereinigung dieser Merkmale bzw. der Mehrzahl derselben ist aber für den Erfolg der gesamten Ausführung grundsätzlich massgebend.
Die Erfindung bezweckt daher in erster Linie, die beste Grundform der Düse in Verbindung mit einem Propeller und dem benachbarten Teil des Schiffskörpers anzugeben und zu zeigen, welche Beziehungen eingehalten bzw. gewählt werden müssen zwischen einer derartig richtig geformten Düse, dem Schiffskörper, dem Propeller, der gegebenen bzw. benötigten Geschwindigkeit des Schiffes und der Maschinenleistung. Die Erfindung bezweckt ferner die Verbesserung und Anpassung derartiger Düsen und Propeller an die verschiedenen Bedingungen der Praxis. Ausserdem erstrebt die Erfindung die Anpassung derartiger Düsen und Propeller an die verschiedenen Schiffstypen und die gegebenen Bedingungen des Navigationsgebietes, für das diese Schiffe gebraucht werden sollen.
Die Zeichnung veranschaulicht beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung in Fig. 1-17 in schematischer Darstellung.
Wie bekannt, bewirkt der Sog einer Schiffsschraube eine Beschleunigung des Wassers am Heck des Schiffes. Da nun jede Beschleunigung des Wassers mit einer Abnahme des hydrostatischen Druckes verbunden ist, ergibt sich, dass gleichzeitig eine Bremswirkung eintritt. die der Druckabnahme, multipliziert mit der Längsprojektion des in der Zone des beschleunigten Wassers liegenden Schiffsteiles, entspricht.
Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, lässt sich durch Anordnung einer Düse um die Schiffsschraube herum erreichen, dass die Beschleunigung des Wassers ausschliesslich oder wenigstens zum grössten Teil in die Düse verlegt wird u. zw. zwischen die Düseneintrittsöffnung und den Schraubendrehkreis. Wird nun der Düseneintritt gerade so gross gemacht, als für den beschleunigungsfreien Zustrom des Wassers erforderlich ist, und werden ferner die Düsenquerschnitte vom Eintritt bis zur Schraube abnehmend ausgeführt, so wird der Besehleunigungsweg erheblich abgekürzt, so dass der Düsenmund weiter nach hinten verlegt und die grösste Wassergeschwindigkeit bereits unmittelbar hinter C erreicht wird.
Die Beschleunigung des Wassers in der Düse ist gleichbedeutend mit einem Unterdruck Ap an den Wänden des Düseneinlaufs, so dass zu der Schubwirkung der Schraube noch die Schubwirkung des Unterdruckes, ausgedrückt durch (i-C). Ap, hinzukommt. Anderseits verbleibt durch den eventuell in die Düse hineinragenden Schiffsteil eine Bremswirkung von der Grösse E. Ap, wobei E den Querschnitt des in die Düse hineinragenden Schiffsteiles beim Düsenmund i bezeichnet. Die Gesamtschubkraft ist demnach P = (A-C). Ap-E. Ap (Fig. 2). Die Bremswirkung des in die Düse hineinragenden Schiffs-
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teiles kann nun dadurch verringert werden, dass derselbe so dünn, als aus Festigkeitsgründen möglich ist gehalten wird.
Eventuell kann die Düse so weit nach hinten gerückt werden, dass überhaupt kein Verdrängungskörper des Schiffsbecks im Bereich der Düse vorhanden ist.
'Der beste Wirkungsgrad der Düse bei gegebener Schraubencharakteristik wird erreicht, wenn der Mund Li der Düse, gemessen quer zur Strömungsrichtung des Wassers, ungefähr so gross ist, dass für die gewünschte Dienstgeschwindigkeit des Schiffes jene Menge des Wassers, die aus der Schiffsschraube mit der vermehrten Geschwindigkeit V2 austreten muss, in den Düsenmund eintreten kann, ohne vor der Düse durch die Saugwirkung der Schraube beschleunigt zu werden, d. h. mit andern Worten, dass die Grösse ungefähr bestimmt wird aus der Dienstgeschwindigkeit v des Schiffes, vermindert um die Nachströmgeschwindigkeit, die vor der Düse in Schiffsrichtung herrscht.
Ausgedrückt durch eine einfache Formel, muss die folgende Beziehung ungefähr innegehalten werden :
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Hierin bedeutet : C den engsten Querschnitt der Düse (der ungefähr gleich der Schraubendrehkreisfläche der Schraube ist), gemessen in Quadratfuss oder Quadratmeter, A die Mündungsöffnung der Düse, gemessen quer zur Strömungsrichtung des Wassers in Quadratfuss oder Quadratmeter, H.
die Steigerung des Propellers in Fuss oder Meter, v die Dienstgeschwindigkeit des Schiffes unter Berücksichtigung des Widerstandes bei normalen Dienstbedingungen, gemessen in Fuss oder Meter pro Sekunde, V1 die Geschwindigkeit des eintretenden Wassers am Mund der Düse, ohne vorherige Beschleunigung durch die Wirkung des Propellers, gemessen in Fuss oder Meter pro Sekunde, V2 die Geschwindigkeit des Wassers, das aus dem Propeller bei G austritt, gemessen in Fuss oder Meter pro Sekunde, ?'die Umdrehung der Schiffsschraube pro Sekunde,
< x der Slipfaktor des Propellers für die gegebene Dienstgeschwindigkeit V und den Widerstand des Schiffes unter Dienstbedingungen. ss der Nachstromfaktor für die Geschwindigkeit des Wassers vor der Düse mit Bezug auf die Geschwindigkeit des Schiffes.
Wird die obige Beziehung nicht eingehalten, d. h., ist die Einströmöffnung JL zu gross, so wird ein die Fahrt hemmender Rückstau vor der Düse auftreten. Wenn anderseits die Eintrittsöffnung-1 zu klein gemacht wird, so wird ein Teil der für den Vortrieb benötigten Wassermaase vor der Düse beschleunigt werden müssen und der Abfall des hydrostatischen Druckes in diesem Bereich wird eine Bremswirkung auf das Schiff ausüben ; ausserdem wird der Wirkungsgrad der Düse selbst kleiner werden.
Bei zu kleinem Düsenmund kann auch der Fall eintreten, dass das vor der Düse angesaugte und beschleunigte Wasser zum Teil annähernd radialer Richtung in die Düse einströmt und dass dabei ein Ablösen des Wasserstrahles von den inneren Düsenwandungen stattfindet, so dass die Sehraube nicht auf ihrem ganzen Umfang volles und bereits gerichtetes Wasser erhält (Fig. 12).
In der Fig. 1 ist die Eintrittskante 1 des Düsenmundes massig und mit guter innerer und äusserer Abrundung ausgeführt. Hiedurch wird erreicht, dass bei wechselnder Schiffsgeschwindigkeit innerhalb gewisser Grenzen die von der Schraube benötigten Wassermassen ohne erhebliche Verluste vom Düsenmund erfasst werden.
In den Fällen, wo grössere Veränderungen von Schiffsgeschwindigkeit und Widerstand vorliegen, kann die Eintrittsöffnung A bei Bedarf entsprechend vergrössert oder verkleinert werden, indem man einen Teil des Eintrittsrandes der Düse durch eine stromlinienförmige Klappe ersetzt. In den Fig. 3, 4 ist eine derartige Anordnung gezeigt. Hier stellt 2 eine vertikale, um die Achse 3 drehbare Klappe und -1 eine horizontale, um die Linie 5 drehbare Klappe dar.
Fig. 6 und 7 zeigen die Möglichkeit, die Düse als Vorrichtung zu benutzen, um die Geschwindigkeit des Wassers, das die verschiedenen Punkte der Schraubenkreisfläche B erreicht, auszugleichen. Teile des Wassers, die den Düsenmund A mit einer besonders kleinen Geschwindigkeit infolge des Naohstromes (d. h. nahe der Gillung des Hecks) erreichen, werden erheblich beschleunigt, wenn man die Stromfäden der Düse besonders in diesem Bereich zusammenzieht oder mit andern Worten, wenn die gegebene Fläche der Eintrittsöffnung bei A derartig mit Bezug auf die in Richtung der Propellerachse projizierte Fläche B am Propellereintritt verteilt wird, dass die grösste Erweiterung des Düsenmundes sich etwa im Bereich des Nachstromes befindet.
Ein anderer Weg, um den Geschwindigkeitsausgleich bei B zu erreichen, ist in den Fig. 8 und 11 angegeben. Fig. 11 zeigt, wie etwa die Geschwindigkeit des Wassers zwischen den Punkten 6 und 7 verteilt sein mag. Die entsprechenden Punkte im Querschnitt B sind 8 und 9. Da die Saugwirkung der Schraube zur Hauptsache von ihrer Steigung und Drehzahl abhängt, mag angenommen sein, dass der hydrostatische Druck bei 8 und 9 ungefähr gleich ist und ausserdem kleiner als bei 6 und 7. Ferner
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herrscht demnach ein grosser Druckunterschied, während zwischen den Punkten 7 und 9 ein geringer Druckunterschied ist. Daraus folgt, dass zwischen 6 und 8 eine besonders grosse Neigung zur Beschleunigung des Wassers vorhanden ist und dass bei genügender Länge der Düse der Geschwindigkeitsausgleich automatisch eintreten wird.
Da aber anderseits bei grösserer Länge der Düse grössere Verluste durch die
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Reibung des Wassers an den Düsenwänden auftreten, so wird zweckmässig eine gewisse Grenze für die Länge der Düse nicht zu überschreiten sein. Die Reibung des Wassers an den Wänden der Düse sowie an den Teilen des Schiffes, die die Schraubenwelle umschliessen, führt dazu, dass die Geschwindigkeit des Wassers im Bereich dieser Zonen verzögert wird. Diese Zonen verlaufen zur Hauptsache zylindrisch um die Schraubenwelle. Diesen Verschiedenheiten der Geschwindigkeit des Wassers, das in die Schraubenkreisfläche eintritt, begegnet man, indem man die Steigung an der Nabe und den Flügelspitzen geringer macht als die der dazwischenliegenden Flügelteile.
Die Mehrzahl der Schrauben wird bekanntlich so ausgeführt, dass die Flügelquerschnitte an der Rückseite ebene und an der Vorderseite gewölbte Zylinderschnitte erhalten (Fig. 13-15). Aus Fig. 15 ist zu entnehmen, dass die Mittellinie des Flügelquerschnittes nicht gerade, sondern gekrümmt ist. Die Tangenten an diese Kurve in den Punkten 10, 11 schneiden einander unter einem Winkel'7..
Um diesen Winkel (1., gemessen auf der Peripherie des Zylinderschnittes, nimmt etwa die wahre Steigung'von den Eintrittskanten der Schraube zu den Austrittskanten zu, d. h., das Wasser wird eine zunehmende Beschleunigung erhalten, während es durch die Schraubenblätter hindurchfliesst ; der Wasserstrahl, der die Schraube verlässt, wird dementsprechend im Querschnitt zusammengezogen sein. Aus diesem Grunde ist es richtig, die Flächen B und C der Düse entsprechend verschieden gross zu machen, d. h., C kleiner als B zu machen. Geschieht dies nicht, dann besteht die Gefahr, dass der Wasserstrahl sich von den Wänden der Düse ablöst bzw. dass die eintretenden Kanten der Flügel viel schwerer und weniger wirtschaftlich arbeiten.
Auf der Zeichnung ist der Düsenkörper doppelwandig ausgebildet, d. h. mit einem inneren Teil in rein düsenförmiger Gestaltung und einer äusseren Hülle, vermittels welcher die Düse mit dem Schiffskörper verbunden ist. Für Schiffe mit mittleren und grossen Geschwindigkeiten soll zweckmässig die äussere Hülle dem natürlichen Verlauf der Stromfäden des Wassers, das daran vorbeifliesst, angepasst sein. Das natürliche Bestreben dieser Stromfäden, die von beiden Seiten der Düse kommen, geht dahin, sich hinter derselben zu vereinigen u. zw. unter dem Winkel ss gemäss Fig. 1.
Die Aussenfläche der Düse muss mit ihrem Anstellwinkel'7. nach Möglichkeit dem Winkel ss angepasst sein, damit das Wasser sich nicht ablöst und kein damit verbundener Unterdruck entsteht, was ja eine bremsende Wirkung ergeben würde.
Fig. 1 zeigt weiter ein stromlinienförmiges Ruder 12, das unmittelbar hinter der Düse sitzt oder sogar hineinragt. Da ein solches Ruder eine hemmende Wirkung auf das Wasser, das aus der Düse austritt, ausüben wird, so wird zweckmässig der Querschnitt bei D genügend erweitert, um einen ungehinderten Ausfluss des Wassers zu ermöglichen.
Bei Verwendung von Schrauben, deren Drehkreis über die Schwimmebene des Schiffes hinausragt, wird der Düsenmund, wie durch Linie 13 in Fig. 16 angedeutet, im oberen Teil nach vorne umgebogen und unter der Schwimmebene etwa in Strömungsrichtung an das davor befindliche Hinterschiff herangeführt. Wenn man ferner in gleicher Weise auch die Eintrittsöffnung der Düse hinter die Schwimmebene verlegt, wie durch Linie 11 in Fig. 16 angegeben, so wird die Kraft, die nötig ist, um das Wasser vor der Schraube anzuheben, fortlaufend wieder gewonnen werden, ohne dass irgendwelche Kraft der Schiffsmaschine dazu benötigt wird.
Linie 15 in Fig. 16 deutet an, wie der hintere Teil der Düse in diesem Falle gestaltet sein muss, nämlich so, dass die etwa horizontal geschleuderte Wassermasse, die aus der Schraube austritt, den Gesetzen des freien Wurfs zu folgen vermag.
Fig. 3,4, 5 und 17 zeigen Doppelschraubenschiffe mit Düsen. Hier ist es vorteilhaft, die Anordnung so zu treffen, dass das der Düse zufliessende Wasser in Richtung der Schraubenwellen umgelenkt wird, ehe es in den Düsenmund eintritt, um Krümmungsverluste im Einlaufkanal der Düse zu vermeiden, da dieselben gleichbedeutend mit Verlusten an Schraubenwirkungsgrad sind.
Wenn eine Zweischraubenanordnung mit Düsen für flaches Wasser verwendet wird, ist es empfehlenswert, die Querschnitte im hinteren Teil der Düse zwischen den Querschnitten C und D (deren Abstand so gross sein soll, dass keine Wasserablösung von den Düsenwandungen eintritt) allmählich derart zu vermindern, dass die zwei Austrittsöffnungen C zu einer gemeinsamen Fläche vereinigt werden können, die etwa ovale oder rechteckige Gestalt hat. Hiedurch wird die Gefahr vermieden, dass sich der Zwischenraum zwischen beiden aus den Schrauben austretenden Strahlen nicht schnell genug (mit Wasser) füllt und dadurch ein Totwasserraum entsteht. Fig. 17 zeigt eine Zweischraubenanordnung für ein Schleppboot, bei dem die beiden Schraubenwellen im spitzen Winkel zueinander angeordnet sind.
Der Antrieb erfolgt durch eine gemeinsame Maschine 16 über ein Rädergetriebe 17. Hiedurch wird eine Maschine erspart. Die Wasserstrahlen, die aus den Schrauben austreten, werden nicht auf den Bug eines Leichters treffen, der eventuell an einer kurzen Schleppleine hinter dem Schlepper gezogen wird. Der Widerstand des Leichters wird dadurch vermindert.
Fig. 8,9, 10 zeigen, wie bei Einschraubenschiffen, der Düsenkörper homogen mit dem Schiffsrumpf vereinigt werden kann. Die Wasserlinien im oberen Teil und über der Düse werden soweit nach aussen verlegt, dass sie soweit als praktisch zulässig hinter der Düse zusammenlaufen. Hiedurch wird nicht nur eine kräftige Verbindung zwischen Düse und Schiff erzielt, sondern es werden auch die Wider-
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Alle Düsen sind doppelwandige Auftriebskörper, deren Deplacement ohne störende Wirkung auf den Vortriebswirkungsgrad gross genug gemacht werden kann, um nicht nur das Eigengewicht der Düsenanordnung zu tragen, sondern um ausserdem noch zusätzlichen Auftrieb für das hintere Ende des Schiffskörpers zu schaffen. Dieses ist von Bedeutung u. zw. besonders in solchen Fällen, bei denen Leichter später in Motorschiffe umgewandelt werden und die ursprüngliche Gestaltung des Schiffsrumpfes nicht darauf zugeschnitten war, das zusätzliche Gewicht der Maschinenanlage zu tragen.
PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Schiffsantrieb für Schraubensehiffe unter Verwendung einer die Schrauben umgebenden und mit dem Schiffskörper verbundenen Düse, deren Querschnitte an ihrer engsten Stelle den Schraubendrehkreis dicht umschliessen sich in ihrer Grösse nach hinten langsam oder gar nicht verändern, nach vorn dagegen schneller und beständig zunehmend erweitern, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintritts- öffnung gemessen quer zur Strömungsrichtung des eintretenden Wassers so gross ist, dass nur die bei Dienstgeschwindigkeit und Dienstbelastung vom Propeller durch den engsten Düsenquerschnitt beförderte Wassermenge und diese etwa beschleunigungsfrei, d. h.
mit Schiffsgeschwindigkeit vermindert um den vor der Düse herrschenden Nachstrom von ihr aufgenommen wird, wobei die Abrundungsradien des Düseneinlaufs mindestens so gross sind, dass eine Ablösung des Wassers von der inneren Düsenwand vermieden wird.