DE2413199A1

DE2413199A1 - Propeller bzw. turbinenrad

Info

Publication number: DE2413199A1
Application number: DE2413199A
Authority: DE
Inventors: Lennart Holger Brandt
Original assignee: Volvo Penta AB
Current assignee: Volvo Penta AB
Priority date: 1973-03-20
Filing date: 1974-03-19
Publication date: 1974-10-03
Also published as: NO136450C; SE383714B; FR2222556A1; NL7403607A; NO740961L; FR2222556B1; NO136450B; JPS50111795A; GB1448346A; JPS5850920B2

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPJ.. INQ. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN PATEIiTANW¹ALTE D-8000 MDNCHEN 81 . ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087

AB Volvo Penta, Göteborg (Schweden) Propeller bzw. Turbinenrad

Die Erfindung bezieht sich auf ein Propeller bzw. Turbinenrad oder dgl. mit Blättern bzw. Flügeln, die mittels eines Antriebs zum Anteiben eines sie umgebenden gasförmigen bzw. flüssigen Strömungsmittels bzw. unter der Wirkung der · Strömung des sie umgebenden Strömungsmittels in Drehung versetzbar sind, und insbesondere auf eine Antriebsschraube für Schiffe.

Herkömmliche Schrauben mit fest eingestelltem Blattanstellwinkel haben den Nachteil, daß sie nur wenig wirksam und überdies nicht in der Lage sind, den mit maximaler Kraft laufenden Motor zu bremsen. Um diesen Nachteil abzuhelfen, wurde eine Antriebsschraube gebaut, die selbsttätig verstellbare Blätter aufweist, d.h. deren Blattanstellwinkel automatisch mit zunehmender Geschwindigkeit größer wird. Auf diese Weise erzielt man bei Beschleunigung

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eine höhere Wirksamkeit, aber erreicht gleichzeitig den Nachteil, daß der Motor bei Beschleunigung sofort auf die höchste Drehzahl ansteigt, ohne daß die Antriebsschraube in der Lage ist, das größtmögliche Drehmoment des Motors zu bremsen.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Propeller bzw. ein Turbinenrad zu schaffen, welches bei Schiffen einem mit voller Kraft laufenden Motor bei jeder Geschwindigkeit bremsen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Propeller bzw. einem Turbinenrad der eingangs genannten Art gelöst, welches gekennzeichnet ist durch einen ersten Satz Blätter (I5, 21, 41) mit vorgegebenem festem Blattanstellwinkel, und durch einen mit dem ersten zusammenwirkenden zweiten Satz Blätter (10, 23, 42) dessen Blattanstellwinkel in Abhängigkeit von der Drehzahl der Blätter und. der Axialgeschwindigkeit des die Blätter umströmenden Strömungsmittels einstellbar ist.

Im folgenden wird nun die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher besehrieben und erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine graphische Darstellung verschiedener Motorbelastungskurven bei Verwendung einer herkömmliehen Schraube mit fest eingestelltem Anstellwinkel;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Sehrauben-

nabe und ein Blattprofil eines selbsttätig einstellbaren Blattes;

Fig. 3 eine graphische Darstellung ähnlich Fig, I, aus welcher die Werte für die Schraube aus Fig. 2 zu

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entnehmen sind;

Fig.4 ein Blattprofil eines Blattes mit fest eingestelltem Anstellwinkel und eines Blattes mit selbsttätig einstellbarem Anstellwinkel gemäß der Erfindung;

Fig.5 eine graphische Darstellung ähnlich Fig. 1 für eine Schraube gemäß Fig. 4;

Fig.6 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles einer Schraube;

Fig.7 eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Schraube, und

Fig.8 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausschnittes aus einem erfindungsgemäßen Turbinenlaufrad.

Zum besseren Verständnis des Prinzips der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis" 3 kurz auf die Grundlagen eingegangen.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte graphische Darstellung verschiedener Belastungskurven F₁ bis F^, bei Verwendung einer herkömmlichen Schraube mit fest eingestelltem Anstellwinkel. Der Einfachheit halber ist die Drehmomentkurve als gerade Linie eingetragen, weshalb sie einer Kurve für einen Dieselmotor sehr ähnlich ist. Die Kurven F₁ und F^, zeigen die Motorbelastung bei verschiedenen konstanten Geschwindigkeiten, wobei die Kurve F₁ eine Belastung des Motors beim

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Stillstand des Bootes zeigt, F-, eine Belastung bei maximaler Geschwindigkeit, und Fp eine mittlere Geschwindigkeit.

Bei Beschleunigung-, also bei voller Treibstoffzufuhr, eines Bootes mit einer -Schraube mit fest eingestelltem Blattanstellwinkel arbeiten die Schraubenblätter bei niedrigen Geschwindigkeiten mit großem Einfallswinkel. Dabei bewirkt die Schraube einen großen Widerstand im V/asser. Derartige Schrauben sind im allgemeinen so ausgelegt, daß das größtmögliche Drehmoment des Motors verwendet wird, während jedoch die Drehzahl nur 60% der maximalen Motordrehzahl erreicht. Dieser Zusammenhang wird von der Kurve F₁ verdeutlicht, die zeigt, daß das größte Drehmoment bei der Beschleunigung zum ersten Mal erreicht wird, worauf die Motordrehzahl mit zunehmender Bootsgeschwindigkeit ansteigt, so daß man bei höchster Geschwindigkeit des Bootes die größte Motorleistung erreicht, wie von der Kurve F-, dargestellt wird. Bei geringeren Geschwindigkeiten, beispielsweise beim Schleppen eines anderen Bootes, kann die volle Antriebskraft nicht gebremst werden, wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich, da die größte Drehzahl des Motors nicht erreicht werden kann.

Die Schraube aus Fig. 2 zeigt entgegengesetzte Eigenschaften. Bei dieser Schraube sind die Blätter 10 (von denen hier nur eines dargestellt ist) frei drehbar in der Nabe 11 mittels eines Lagers 12 angebracht. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß das Lager 12 zunächst dem eigentlichen Blattprofil liegt, und daß aus diesem Grunde das Blatt 10 an seinem inneren Ende einen Arm 13 aufweist. Tatsächlich kann das Blatt selbst an seinem inneren Ende so gebogen werden, daß eine Entsprechung mit dem Arm erzielt wird. Das Lager 12 liegt auf bzw. nahe der Drehachse 14 der Nabe 11. Diese Schraube weist die Eigenschaft auf, daß das Schraubenblatt sich selbsttätig so einstellt.

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daß der Auftreffwinkel bezüglich der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums konstant ist. Somit ändert sich der Anstellwinkel mit dem Verhältnis zwischen Drehzahl und Bootsgeschwindigkeit. Jedoch wurden sich dann die Schraubenblätter zu leicht drehen, und beim Beschleunigend.h. bei voller Kraftstoffzufuhr - würde der Motor seine größte Drehzahl erreichen, ohne daß'die Schraube das maximale Drehmoment bremsen kann. Dieses Verhältnis wird durch die Kurve L₁ im Belastungsdiagramm aus Fig. 3 verdeutlicht, welches dem Diagramm aus Fig. 1 entspricht. Die Kurve L₁ bezieht sich auf eine Belastung des Motors beim Stillstand des Bootes, während sich L, auf die maximale Geschwindigkeit und L₂ auf eine zwischen diesen Werten liegende Geschwindigkeit beziehen. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt der Anstellwinkel wie auch das gebremste Drehmoment zu, so daß man bei maximaler Geschwindigkeit die größtmögliche Antriebskraft erreichen kann. Beim Beschleunigen ist diese Schraube wirksamer als eine Schraube mit stationären Blättern; da sie jedoch die Motorleistung weniger stark bremst, ist auch die maximale Druckkraft der Schraube geringer.

Durch gleichzeitige Anordnung selbsttätig einstellender Blätter und stationärer Blätter gemäß der Erfindung lassen sich die Nachteile der im vorhergehenden beschriebenen Konstruktionen vermeiden. Fig. 4 zeigt schematisch ein einstellbares Blatt 10 mit einem stationären Blatt 15, die beide auf einer gemeinsamen Nabe 11 oder jeweils auf einer eigenen und von der anderen axial getrennten Nabe angeordnet werden können. Das selbsttätig einstellbare Blatt 10 ist so gebaut, wie im vorhergehenden beschriebenen ■ wurde, welches an sich bekannt ist, und sich selbsttätig mit einem konstanten Einfallswinkel bezüglich des anströmenden Wassers einstellen kann, dessen Geschwindigkeit vektoriell

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aus der Drehzahl der Schraube und der Axialgeschwindigkeit des Strömungsmittels, also mehr oder weniger der Bootsgejschwindigkeit, ermittelt wird. Wenn somit die Axialgeschwindigkeit gering ist, stellt sich das Blatt 10 selbst mit einem geringen Anstellwinkel ein. Jedoch nimmt dabei

" gleichzeitig auch bei dem "resultierenden Flügel" die Wölbung zu, wobei dieser "resultierende Flügel" aus dem stationären Blatt 15 und dem beweglichen Blatt -10 besteht. ' Das stationäre Blatt 15 soll hierbei im wesentlichen den gleichen Anstellwinkel wie das einstellbare Blatt bei maximaler Drehzahl der Schraube und Höchstgeschwindigkeit des

.Bootes haben, bzw. ganz allgemein gesagt, wenn das Verhältnis zwischen Axialgeschwindigkeit und Drehzahl gleich dem Verhältnis zwischen maximaler Axialgeschwindigkeit und maximaler Drehzahl ist.

Durch Auswahl des optimalen Verhältnisses zwischen.der Gesamtfläche der stationären und einstellbaren Blätter ist es möglich, eine Schraubenkombination zu erzielen, die die volle Motorleistung sowohl beim Stillstand des Bootes wie auch bei dessen Höchstgeschwindigkeit bremsen kann.. Dieses Verhältnis ist aus der graphischen Darstellung in Fig. 5 zu entnehmen, in welcher die Kurve M, die Motorbelastung beim Stillstand des Bootes zeigt, während die Kurve Mp die Höchstgeschwindigkeit darstellt. Außerdem ist ersichtlich, daß die volle Leistung bei allen zwischen diesen Werten liegenden Geschwindigkeit ziemlich konstant gebremst werden kann. Das Verhältnis zwischen den Flächen soll so bemessen seim, daß die von den Blättern auf das Kraft in Drehrichtung ausgeübte Kraft im Grunde genommen unabhängig vom Verhältnis zwischen Drehzahl und Geschwindigkeit ist. In diesem Zusammenhang hat sich gezeigt, daß bei einer optimal dimensionierten Schraube die Gesamtfläche der beweglichen Blätter bis zu 60 bis 85#» vorzugsweise 10%, der gesamten Blattfläche betragen sollte.

Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungs-

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gemäße Schraube, die eine Nabe 20 mit zwei Blättern 21 mit konstant eingestelltem Anstellwinkel und mit zwei selbsttätig einstellbaren Blättern 23 aufweist, die frei drehbar mittels eines Lagers 22 angebracht sind.

Fig« T zeigt eine Dreiblattschraube, bei welcher jedes Blatt auf der Nabe 30 einen stationären Teil J51 und einen beweglichen Teil 32 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann jedes Blatt einem Flügel mit Zwischenflügel ähnlich sehen.

Mit Hilfe der Erfindung läßt sich der Vorteil erzielen, daß die Höchstgeschwindigkeit des Bootes beispielsweise weniger stark von Wind und Wetter abhängig ist, wenn die Beschleunigungszeit verkürzt wird,.was besonders für Gleiter- und Halbgleiterboote gilt. Die größere Schubleitung läßt sich besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten beispielsweise bei Fischdampfern oder Schleppern nutzen und bietet somit die Möglichkeit einer weniger aufwendigen Konstruktion im Vergleich zu Schrauben, bei denen der Anstellwinkel mit Hilfe mechanischer Beeinflussung der Blätter verändert wird.

Aus der graphischen Darstellung in Fig. 5 ist ersichtlich, daß die Schraube, die im Grunde genommen von der Bootsgeschwindigkelt abhängig ist, den Motor mit einem Drehmoment belastet, das sich mit Ausnahme des geringsten Drehzahlbereiches, grundsätzlich mit der zunehmenden Motordrehzahl vervierfach.t. Daraus ergibt sich, daß der Motor kein solch großes Drehmoment bei geringer Drehzahl aufbringen, muß, da die größtmögliche Drehzahl nur zur Beschleunigung der trägen Schraubenmasse dient» Somit bietet sich die Schraube auch zur Verwendung bei einem Einwellen-Gasturbinenmotor an.

Das Prinzip der Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele Hue Fig. 6 und 7 beschränkt, die stationäre und

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einstellbare Blätter aufweisen, die auf derselben Nabe angebracht sind, sondern es erstreckt sich auch auf die stationären und einstellbaren Blätter, die getrennt voneinander auf eigenen Naben angebracht sind. Diese Naben können entweder axial voneinander getrennt auf derselben Welle oder auch auf verschiedenen Wellen angebracht sein, wobei die Wellen vom Motor mit derselben oder mit unterschiedlicher Geschwindigkeit angetrieben werden können. Im letzteren Fall wird eine entsprechende Einstellung des Anstellwinkels dadurch vorgenommen, daß beispielsweise die langsamer rotierende Schraube einen entsprechend größeren Anstellwinkel erhält.

Auch wenn die Erfindung im vorhergehenden nur unter Bezugnahme auf Schrauben für Boote und Schiffe beschrieben wurde, so bezieht sie sich doch auch auf andere Propeller oder dergleichen, beispielsweise Turbinenräder, Pumpenräder, Laufräder, etc., bei denen die Blätter in Drehung versetzt werden, um ein sie umgebendes Strömungsmittel anzutreiben, oder anderseits die Blätter unter der Einwirkung eines Strömungsmittels gedreht werden. Fig. 8 zeigt in schematischer Darstellung einen Teil eines Turbinen- bzw. Laufrades 40, das abwechselnd ein stationäres Blatt 41 und zwei in einer Reihe dahinter angeordnete einstellbare Blätter 42 aufweist. Wahlweise kann das Rad auch eine Reihestationärer Blätter aufweisen, und in axialem Abstand von dieser Reihe eine Reihe einstellbarer Blätter. In ähnlicher Weise können auch, wie in Verbindung mit den Schrauben bereits im vorhergehenden beschrieben wurde, die stationären und beweglichen Blätter auf verschlafenen Rädern angeordnet sein.

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Claims

Patentansprüche

Propeller bzw. Turbinenrad oder dgl. mit Blättern w. Flügeln, die mittels eines Antriebs zum Antreiben eines sie umgebenden gasförmigen bzw. flüssigen Strömungsmittels bzw. unter der Wirkung der Strömung des sie umgebenden Strömungsmittels in Drehung versetzbar sind, gekenn ze i c h η e t, durch einen ersten Satz Blätter (15,21,41) mit vorgegebenem festen Blattanstellwinkel, und durch einen mit dem ersten zusammenwirkenden zweiten Satz Blätter (10,23, 4-2) dessen Blattanstellwinkel in Abhängigkeit von der Drehzahl der Blätter und der Axialgeschwindigkeit des die Blätter umströmenden Strömungsmittels einstellbar ist.
2. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (15) des ersten Satzes einen solchen Anstellwinkel aufweisen, daß die Blätter (15,lo,21,23,²H,42) beider Sätze im wesentlichen den gleichen Blattanstellwinkel aufweisen, wenn das Verhältnis zwischen der maximalen Axialgeschwindigkeit und der maximalen Drehzahl ist.
3. Drehvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kenn ze lehn et, daß das Verhältnis zwischen den Flächen beider Sätze Blätter (15,10,21,23,41,42) so gehalten ist, daß die reseultierende Kraft in Drehrichtung, die mittels des Strömungsmittels auf die Blätter bzw. mittels der Blätter auf das Strömungsmittel einwirkt, grundsätzlich vom Verhältnis zwischen der Axialgeschwindigkeit und der Drehzahl abhängt«

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4. Drehvorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet , daß die Fläche"des zweiten Satzes Blätter ( 10,23,42) 60$ bis 85$, vorzugsweise 70$, der Gesamtfläche beider Sätze Blätter beträgt..
5. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet·, daß beide Sätze Blätter auf einer gemeinsamen Nabe angeordnet sind.
6. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Sätze Blätter auf zwei axial voneinander getrennten Naben auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.
7. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Sätze Blätter auf zwei Naben angeordnet sind, die sich jeweils auf einer eigenen Welle befinden..

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