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Vorrichtung zum Verstellen der Steigung der Flügel-
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blätter eines Propellers Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Diese Vorrichtung ist eine hydraulisch betriebene Axialströmungsvorrichtung
und wird für Verstellpropeller oder Seitenantriebe von Seeschiffen verwendet.
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Fig. 1 zeigt einen derartigen bekannten Verstellpropeller mit mehreren
Flügelblättern, die auf einer Nabe 3 gelagert sind. Die Nabe 3 ist ihrerseits auf
einer Welle 2 gelagert, die durch eine (nicht dargestellte) Antriehsmaschine gedreht
wird. Die Steigung der Flügelblätter wird durch eine hydraulische Hilfskrafteinrichtung
4 verändert, die in der Nabe 3 vorgesehen ist. Die Einrichtung 4 hat ein Verstellkreuz
6, das in der Nabe 3 axial in Bezug auf die Welle 2 hin- und herverschiebbar ist.
Das Verstellkreuz 6 ist mit einer in der Mitte durchgehenden Axialbohrung 6a und
einer weiteren Axialbohrung 6b in einem vorderen Verlängerungsteil versehen. Die
Bohrungen 6a und 6b sind an eine Nehrfachrohr-Fluidverbindung 5
angeschlossen,
die in einer Bohrung der Welle 2 vorgesehen ist und einen Teil eines hydraulischen
Systems zur Beaufschlagung der einen Bohrung 6a oder der anderen Bohrung 6b bildet.
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Das hintere Ende des Verstellkreuzes 6 ist mit seinem Umfang in einem
Hilfszylinder 9 verschiebbar gelagert, der am hinteren Ende der Nabe 3 befestigt
ist. Diese Teile bilden eine Hilfskammer 10 im Zylinder 9, und die Kammer 10 steht
mit der mittleren Bohrung 6a in Verbindung. Das Verstellkreuz 6, die Nabe 3 und
eine Trennwand 7, die am vorderen Ende der Nabe 3 ausgebildet ist, begrenzen eine
weitere Hilfskammer 11, die mit der anderen Bohrung 6b verbunden ist. Durch das
Druckfluid in der einen oder anderen Kammer wird auf das eine Ende des Verstellkreuzes
6 eine Kraft ausgeübt, durch die es in der Nabe 3 axial verschoben wird.
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Die Fußenden der Flügelblätter 1 sind jeweils an einer Kurbel 12 (Fig.
1 und 2) befestigt, die einen Kurbelzapfen 13 mit einem diesen umgebenden Kulissenstein
14 aufweist. Die Kurbel 12 hat die Form einer Scheibe, wie es in Fig. 2 dargestellt
ist, und wird daher auch als "Zapfenscheibe" bezeichnet. Sie ist in der Wand der
Nabe 3 drehbar gelagert. In der Außenseite des Verstellkreuzes 6 ist eine sich senkrecht
zur Hin-und Herbewegungsrichtung 8 bzw. Verstellrichtung des Verstellkreuzes 6 erstreckende
Nut 15 (Fig. 2) ausgebildet, in die der Kulissenstein 14 paßt und in der er verschiebbar
geführt ist. Wenn daher beispielsweise in die hintere Kammer 10 Öl gedrückt wird,
verschiebt sich das Verstellkreuz 6 nach vorn, wobei es den Kulissenstein 14 längs
der Nut 15 verschiebt. Dadurch wird die Kurbel 12 um ihre Achse 12a (Fig. 2) gedreht
und die Steigung der Flügelblätter 1 ver-
ändert. Die Ausübung eines
Drucks in der anderen Kammer 11 verschiebt das Verstellkreuz und damit den Kulissenstein
14 in der anderen Richtung.
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Wenn das Verstellkreuz 6 nach Fig. 2 axial in der Richtung 8 beispielweise
aus der durch die ausgezogene Linie dargestellten Stellung in die durch gestrichelte
Linien dargestellte Stellung verschoben wird, üben die Seiten der Nut 15 auf den
Kulissenstein 14 eine Kraft aus, so daß der Kurbelzapfen 13 auf einer Kreisbahn
um den Mittelpunkt 12a und damit das Flügelblatt gedreht wird. Diese Kraft hat eine
axiale Komponente 16 und eine quer dazu gerichtete Komponente 17. Die Axialkomponente
16 bewirkt die Drehung der Kurbel 12 und ist größer als die Querkomponente 17, wenn
der Verstellpropeller nur in dem durch die radialen Linien 18 und 19 begrenzten
Winkelbereich verstellt werden soll. Diese Linien 18 und 19 können als die Vorwärts-
und Rückwärtssteigungen des Propellers betrachtet werden. Die Linie 20 stellt dann
die neutrale Steigung oder Steigung dar. Wenn der Verstellpropeller nur um etwa
300 in dem Verstellbereich A in jedem der Vorwärts- und Rückwärtssteigungs-Verstellbereiche
verstellt werden soll, wie es durch die strichpunktierten Linien in Fig. 2 dargestellt
ist, steht zum Drehen der Kurbel 12 ein erheblicher Teil der Schubkraft zur Verfügung,
die durch die Axialkraft 16 des Verstellkreuzes 6 dargestellt wird.
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Man möchte jedoch den Antriebswiderstand bei speziellen Schiffen möglichst
gering halten, um Brennstoff einzusparen, und dies läßt sich dadurch erreich, daß
die Flügelblätter 1 einiger Propeller in Segelstellung gebracht werden, wie es in
Fig. 3(c) dargestellt ist.
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Die Fig. 3a, 3b und 3c stellen die Stellungen der Flügelblätter 1
jeweils bei Vorwärtssteigung, Rück-
wärtssteigung und in Segelstellung
dar. Um bei einer herkömmlichen Einrichtung dieser Art die Flügelblätter in die
Segelstellung zu bringen, muß das Verstellkreuz 6 in die Segelstellung B (Fig. 2)
geschoben werden, die durch strichpunktierte Linien dargestellt ist.
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Diese Stellung ist um 900 gegenüber der neutralen Stellung 20 verdreht,
wobei sich der Kulissenstein 14 in einem Totpunkt befindet, weil die axiale Kraftkomponente
16 weitgehend Null ist.
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Wie Fig. 4 zeigt, hat man zur Lösung dieses Problems die Stellung
des Flügelblattes auf der Kurbel 12 so gewählt, daß die Segelstellung mit der Stellung
C zusammenfällt, die gegenüber dem Totpunkt B verschoben ist. Die Vorwärts- und
Rückwärtssteigungs-Verstellbereiche sind dann gegenüber denjenigen Stellungen (Fig.
2) verschoben, in denen sie symmetrisch zu beiden Seiten der neutralen Stellung
20 liegen. Insbesondere in dem Rückwärtssteigungs-Verstellbereich D wird der Druck
des Verstellkreuzes 6 wegen der verringerten Axialkraftkomponente 16 nicht vollständig
ausgenutzt, um die Kurbel 12 zu drehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen
Art anzugeben, durch die der Propeller mit höherem Wirkungsgrad verstellt werden
kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
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Bei dieser Lösung kann der Kulissenstein keine Totpunkt lauge einnehmen.
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Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der
Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1
einen Axialschnitt eines Teils eines herkömmlichen Verstellpropellers, Fig. 2 in
vergrößerter schematischer Darstellung die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig.
1, die Fig. 3a-3c jeweils in schematischer Form die Vorwärts-, Rückwärts- und Segelstellung
der Flügelblätter des Propellers, Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie die nach Fig.
2, die jedoch die Wirkungsweise eines herkömmlichen Propellers mit in Segelstellung
gebrachten Flügelblättern zeigt, Fig. 5a-5c eine ähnliche Ansicht wie die nach Fig.
2, die jedoch eine erfindungsgemäß verbesserte Einrichtung und deren Wirkungsweise
darstellt, Fig. 6 einen Graphen, der die Abhängigkeit des Drehmoments der Kurbel
nach den Fig. 5a bis 5c bei verschiedenen Steigungen der Flügelblätter des Propellers
darstellt, und Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie die nach den Fig.
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5a bis 5c, die jedoch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
darstellt.
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Die erfindungsgemäße hydraulische Vorrichtung kann, bis auf die in
den Fig. 5a bis 5c und Fig. 7 dargestellten Teile, im wesentlichen ebenso wie die
in
Fig. 1 dargestellte ausgebildet sein.
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Nach den Fig. 5a bis 5c hat die Kurbel 27 jedes Flügelblatts einen
Kurbelzapfen 28, der exzentrisch zur Achse 27a angeordnet ist. Der Kurbelzapfen
28 ist von einem Kulissenstein 22 umgeben, der auf dem Kurbelzapfen drehbar gelagert
ist.
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Ein Verstellkreuz 21 ist in der durch die Pfeile 25 angedeuteten Axialrichtung
verschiebbar gelagert.
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Das Verstellkreuz 21 hat eine bogenförmig gekrümmte Führungsnut 23
in jeder einem Flügelblatt zugekehrten Seite, in der der zugehörige Kulissenstein
22 verschiebbar geführt ist, um die Axialbewegung des Verstellkreuzes 21 in eine
Drehbewegung des Zapfens 28 und der Kurbel 27 um die Achse 27a umzuformen.
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Wie die Fig. 5a und 5b zeigen, ist die Nut 23 so gekrümmt, daß, wenn
sich der Kulissenstein 22 in einem vorbestimmten Vorwärtssteigungs- und Rückwärtssteigungs-Verstellbereich
M des Flügelblatts befindet, die Tangente 24 an die Kurve der Nut 23 an der Stelle,
wo sich der Kulissenstein 22 befindet, nicht parallel, sondern etwa senkrecht zur
Richtung 25 der Hin- und Herbewegung des Verstellkreuzes verläuft. Die Seiten des
Kulissensteins 22 sind vorzugsweise ebenso gekrümmt wie die Seiten der Nut 23.
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Wenn das Verstellkreuz 21 im normalen Verstellbereich, der in den
Fig. 5a und 5b dargestellt ist, nach vorn oder rechts verschoben wird, und zwar
aus der Lage nach Fig. 5a in die Lage nach Fig. 5b, wird der Kulissenstein längs
der Nut 23 zunächst nach oben und dann nach unten verschoben, so daß die Kurbel
27 im Uhrzeigersinne gedreht wird, um die Steigung der Flügelblätter zu ändern.
Wie bereits erwähnt wurde, verlaufen diejenigen Teile der Seiten der Nut, an denen
der
Kulissenstein anliegt, in diesem Verstellbereich im wesentlichen senkrecht zur Linie
25. Nach Fig.
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5a wird im Verstellbereich M auf die Kurbel 27 ein Drehmoment ausgeübt,
das gleich dem Produkt aus der Hauptkraftkomponente Fr (= Fcos 8) der Kraft F des
Verstellkreuzes 21, die senkrecht zu den durch die Achse des Kulissensteins 22 verlaufenden
Radius gerichtet ist, und dem radialen Abstand La des Kulissensteins 22 von der
Verstellkreuzachse 27a ist.
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Wie Fig. 5c zeigt, ist die Nut 23 ferner so gekrümmt, daß, wenn der
Kulissenstein 22 die Segelstellung N einnimmt, die Tangente 26 an die Kurve der
Nut 23 an der Stelle, wo sich der Kulissenstein 22 befindet, nicht senkrecht, sondern
unter einem spitzen Winkel von vorzugsweise etwa 450 zur Richtung 25 verläuft.
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Infolgedessen gibt es keinen Totpunkt für den Kulissenstein 22, wenn
er sich in oder in der Nähe der Segelstellung N befindet. Wenn die Tangente 26 daher
unter einem Winkel von 450 verläuft, wie es in Fig. 5c dargestellt ist, kann die
Kurbel 27 durch das Drehmoment, das gleich dem Produkt der Komponente F cos 450
der senkrecht zur Tangente 26 gerichteten Kraft F und dem Abstand Lb des Kulissensteins
22 von der Achse 27a ist, leicht in den normalen Verstellbereich M zurückgedreht
werden.
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Fig. 6 veranschaulicht diesen Sachverhalt graphisch, d.h. die Abhängigkeit
des effektiven Drehmoments, das auf die Kurbel 27 ausgeübt wird, von den verschiedenen
Winkelstellungen.
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Die vorstehend geschilderte Ausführung ist vorteilhaft, wenn ein Schiff
nicht die volle Antriebskraft benötigt, z.B. wenn es manövriert. Hierbei können
einige seiner Propeller in Nullstellung gebracht und
nicht mehr
gedreht werden, um den Antriebswiderstand zu verringern. Die rotierenden Propeller
können demzufolge mit höherem Antriebswirkungsgrad arbeiten.
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Fig. 7 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel dar, bei dem die Kurbel
27 eine bogenförmig gekrümmte Führungsnut 31 und das Verstellkreuz 21 einen Kulissenstein
32, der in der Nut 31 verschiebbar geführt ist, aufweist. Das Flügelblatt ist unter
einem solchen Winkel an der Kurbel 27 befestigt, daß der Propeller die Vorwärtssteigung
aufweist, wenn sich die Nut 31 in der durch die ausgezogene Linie dargestellten
Stellung befindet, die Rückwärtssteigung aufweist, wenn sich die Nut 31 in der gestrichelt
dargestellten Lage befindet, und die Segelstellung einnimmt, wenn sich die Nut 31
in der strichpunktierten Stellung befindet.
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Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel verläuft die Tangente an die
Seiten der Nut 31 nicht senkrecht zu einer radialen Linie, die durch die Drehachse
der Kurbel 27 und den Kulissenstein verläuft. Die Tangente verläuft stets unter
einem spitzen Winkel zu dieser Radiallinie.