DE3620540A1 - Vorrichtung zur erhoehung des wirkungsgrades von schiffspropellern - Google Patents
Vorrichtung zur erhoehung des wirkungsgrades von schiffspropellernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung des Wirkungsgrades
von Schiffspropellern in Form eines am Heck des Schiffes
vor dem Schiffspropeller angeordneten düsenförmigen Leitkörpers
für Ein- und Mehrschraubenschiffe.
Gewöhnlich ist bei Einschraubenschiffen der Nachstrom in der
oberen Hälfte der Propellerkreisfläche und insbesondere im Bereich
der Mittschiffsebene groß. Bei völligen Schiffen beträgt
die Propelleranströmgeschwindigkeit in diesem Bereich nur etwa
25% der Schiffsgeschwindigkeit. Aber auch bei schlanken Schiffen
beträgt die Anströmgeschwindigkeit hier nur etwa 33% bis 50% der Schiffsgeschwindigkeit.
Im unteren seitlichen Bereich der Propellerkreisfläche ist die
Anströmgeschwindigkeit annähernd gleich der Schiffsgeschwindigkeit.
Der Schiffspropeller selbst wird für eine mittlere Anströmgeschwindigkeit
mit annähernd axialer Strömungsrichtung ausgelegt.
Tatsächlich weicht die reale Zuströmung erheblich hiervon ab.
Das bedeutet, daß der Propeller nicht optimal ausgelegt werden
kann, und es müssen erhebliche Wirkungsgradverluste hingenommen
werden.
Weiterhin treten durch diese ungleichen Zuströmungsbedingungen
große Kraftschwankungen am Propeller auf, die unzulässige
Schiffsschwingungen erregen können.
Außerdem kann unter diesen Umständen der Propeller nicht
kavitationsfrei entworfen werden. Im Gegenteil pulsiert die
instationäre Kavitation am Propellerflügel mitunter sehr heftig,
was zu Zerstörungen des Propellers, hohen Druckschwankungen an
der Außenhaut und zu starken Propellergeräuschen führt.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Propellerzuströmung zu
vergleichmäßigen. Eine ideale rotationssymmetrische Propellerzuströmung
läßt sich jedoch nicht erreichen. Die effektivste
Möglichkeit besteht darin, den Schiffskörper so zu gestalten,
daß die Strömungsgeschwindigkeiten und -richtungen sich nur
wenig ändern.
Eine Möglichkeit hierzu besteht in der Verwendung eines Heckwulstes
(z. B. nach DD-AP 1 23 172).
Auch durch die Verwendung offener Kanäle entlang der Schiffsaußenhaut
oberhalb der Propellerwelle im Heckbereich, die die
horizontale Wasserführung begünstigen (z. B. nach DE-OS
25 22 652), wird die Propellerzuströmung vergleichmäßigt.
Da die bei Frachtschiffen erhebliche Verdrängung nicht rotationssymmetrisch
um die Propellerwelle angeordnet werden kann, wird
die Propellerzuströmung jedoch immer ungleichmäßig bleiben.
Eine Möglichkeit diese Ungleichförmigkeiten hinzunehmen und
sogar einige Vorteile daraus zu erschließen, besteht in der Verwendung
eines asymmetrischen Hinterschiffes (z. B. nach DE-OS
31 16 727). Durch die Verwendung des asymmetrischen Hinterschiffes
wird der Propellerzustrom positiv beeinflußt. Das betrifft
sowohl die Vermeidung der Ablösung als auch die Erzeugung
eines Vordralls, der dem späteren Drall im Propellerstrahl entgegengesetzt
ist und dadurch Drallverlusten entgegenwirkt.
Viele der genannten Nachteile, die aus der ungleichförmigen
Anströmung resultieren, bleiben jedoch erhalten.
Weiterhin können die Zustromungleichförmigkeiten durch zusätzliche
Anbauten am Schiffskörper (Anhänge, Leiteinrichtungen)
verringert werden.
Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung von üblichen Propellerdüsen.
Neben dem Leistungsgewinn bei höheren Propellerbelastungen
wird auch die Propellerzuströmung vergleichmäßigt,
da die Düsen als Beschleunigungsdüsen ausgebildet sind und das
Wasser an den Stellen, an denen der Propeller höher belastet
wird, stärker beschleunigen.
Dieser Effekt wird verstärkt durch die Verwendung nicht rotationssymmetrischer
Düsen (z. B. nach DE-OS 23 46 035).
Auch durch die Verwendung von Teildüsen oder düsenähnlichen
Flossen (z. B. nach DD-WP 95 984), die vor oder über dem Propeller
angeordnet werden können, kann das Wasser in dem Bereich
großen Nachstroms beschleunigt werden.
Neuerdings werden auch Vordüsen verwendet (z. B. nach DE-OS
26 36 261), die rotationssymmetrisch oder auch nicht rotationsymmetrisch
ausgebildet sind. Sie können unmittelbar vor dem
Propeller angeordnet werden, aber auch in einigem Abstand vor
dem Propeller, so daß sie geteilt werden und beide Hälften
Steuerbord und Backbord am Schiffsrumpf befestigt werden. Diese
Vordüsen sind dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser
etwa gleich dem Propellerdurchmesser ist.
Eine andere Möglichkeit der Vergleichmäßigung der Propellerzuströmung
besteht in der Verwendung von Zustromausgleichsdüsen
(z. B. nach DE-PS 32 16 578). Die Zustromausgleichsdüse besteht
eigentlich aus zwei Halbdüsen, die Steuerbord und Backbord am
Schiffsrumpf derartig angeordnet sind, daß sie das Wasser, das
in den oberen Bereich der Propellerkreisfläche strömt, beschleunigt.
Diese Halbdüsen besitzen einen Innendurchmesser, der nur
etwa 50% des Propellerdurchmessers beträgt. Sie liegen daher
teilweise innerhalb der Propellerkreisfläche. Daher wird nicht
nur das Wasser, das durch die Düse strömt, beschleunigt, sondern
auch das außen mit relativ höherer Geschwindigkeit vorbeiströmende
Wasser verzögert, wodurch der vergleichmäßigende Effekt
erhöht wird.
Durch die unsymmetrische Anordnung der beiden Halbdüsen wird
die Propellerzuströmung dem sich in einer Richtung drehenden
Propeller angepaßt. Durch das Öffnungsverhältnis der Zustromausgleichsdüse
und die Neigung der Düsenachse sind aber die
Möglichkeiten zur Vergleichmäßigung der Propelleranströmgeschwindigkeit
in der gesamten oberen Propellerkreisebene beschränkt.
Des weiteren ist der erreichbare Vortriebseffekt zu klein. Durch
die Verwendung von Spoilern (z. B. nach DE-GM 83 19 779) wird
die Propellerzuströmung ebenfalls vergleichmäßigt. Hier wird
die Vergleichmäßigung jedoch weniger durch die Beschleunigung
langsamer Wassermassen erreicht, als vielmehr durch die Umlenkung
von Wassermassen, die bei Fehlen dieser Leiteinrichtungen infolge
eines Druckgefälles im wandnahmen Bereich nach unten strömen
würden. Damit wird nicht der gesamte Grenzschichtbereich,
sondern nur der wandnahe Bereich erfaßt. Ein Vortriebseffekt
ist nicht vorhanden.
Es ist Ziel der Erfindung einen höheren Propellerwirkungsgrad
zu erzielen und dabei eine zusätzliche Vortriebskraft zu
erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine entsprechende
düsenförmige Leitvorrichtung vor dem Propeller eine möglichst
gleichmäßige Nachstromverteilung im Propellerkreis zu erzielen,
indem möglichst viel Wasser mit relativ hoher Geschwindigkeit
in den oberen Bereich des Propellerkreises geführt in eine
annähernd axiale Richtung umgelenkt wird. Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vorrichtung in Form eines am
Heck des Schiffes vor der oberen Hälfte des Propellerkreises angeordneten
düsenförmigen Leitkörpers so gestaltet ist, daß der
düsenförmige Leitkörper aus einem halbringförmigen, annähernd
rotationssymmetrischen Oberteil gebildet wird, der mit mindestens
zwei den unteren Abschluß des düsenförmigen Leitkörpers bildenden
Strömungsleitflossen fest verbunden ist. Der Innendurchmesser des
Oberteils beträgt dabei etwa 2/3 des Propellerdurchmessers. Ein
weiteres erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, daß das Oberteil
nach unten etwa in Höhe der ideellen Düsenachse endet. Vorteilhaft
schließen sich dem Oberteil nach unten zwei profilierte
Seitenteile an, die wiederum mit den Strömungsleitflossen fest
verbunden sind.
Es ist vorteilhaft, daß die Verbindungsstellen von Ober- und
Seitenteil die gleiche Profilierung aufweisen. Erfindungsgemäß
ist es ferner, daß die Stromungsleitflossen etwa in Höhe der
Propellerwellenachse angeordnet sind. Im allgemeinen ist die
Strömung vor dem Propeller aufwärts gerichtet. Bei vielen modernen
Frachtschiffen mit u-förmigen Hinterschiffsspanten bilden sich
jedoch nach innen drehende Längswirbel, sogenannte Kimmwirbel,
die seitlich in den Propellerkreis gelangen. Sie entstehen
dadurch, daß bei diesen Schiffen ein Druckgefälle zur Kimm hin
auftritt, wodurch die wandnahe Strömung kräftig nach unten
geleitet wird.
Die wandfernere Strömung ist auch bei diesen Schiffen aufwärts
gerichtet. Zur Erreichung einer möglichst axialen Propellerzuströmung
wird deshalb vorgeschlagen, daß die plattenförmig bzw.
profilförmig ausgebildeten Strömungsleitflossen verwunden sind.
Dieser Vorschlag steht auch damit im Zusammenhang, daß zur Erzielung
einer gleichmäßigen Nachstromverteilung möglichst viel
Wasser in den oberen Bereich des Propellerkreises und dabei
insbesondere in die Mittschiffsebene transportiert werden soll.
Dieses Wasser kann nur von der Seite und von unten angesaugt
werden.
In einem symmetrischen Nachstromfeld verteilt sich die Leistung
des Propellers, der sich nach einer Seite dreht, auf die beiden
Seiten unterschiedlich. Im allgemeinen ist bei einem rechtsdrehenden
Propeller der Schub und damit der Sog auf der
Steuerbordseite größer. Es wird deshalb vorgeschlagen, daß die ideelle
Achse der rotationssymmetrischen und annähernd rotationssymmetrischen
Teile in der horizontalen Ebene geneigt ist.
Aus energetischen Gründen ist es günstig, wenn die Propellerzuströmung
einen Drall erhält. Da bei einem rechtsdrehenden
Propeller der Propellerstrahl einen Rechtsdrall aufweist, ist
es zweckmäßig, wenn die Propellerzuströmung einen Linksdrall
erhält, wodurch die Drallverluste verringert werden. Deshalb
wird vorgeschlagen, daß die Strömungsleitflossen an den beiden
Schiffsseiten eine unterschiedliche Neigung zur horizontalen
Ebene und unterschiedliche Profilierungen aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Merkmal besteht weiterhin darin, daß das
Oberteil den Propeller in Längsrichtung geringfügig überragt
und sowohl Steuerbord als auch Backbord wenigstens zwei Strömungsleitflossen
angeordnet sind. Dieser Vorschlag ist insbesondere
bei schlanken Schiffen mit größerem horizontalen Freischlag
und bei Mehrschraubenschiffen anwendbar.
Der düsenförmige Leitkörper kann auch nur einseitig an einer
Schiffskörperseite angeordnet sein.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden eine Reihe von
Vorteilen erzielt. Diese Vorteile, optimalere Zuströmungsverhältnisse
bzw. Vergleichmäßigung der Propellerzuströmung verbunden
mit einem erhöhten Vortriebseffekt, werden insbesondere
durch die Möglichkeit des Variierens der Öffnungsverhältnisse
der düsenförmigen Leitvorrichtung, der Neigung der Düsenachse
sowie der Neigung der Strömungsleitflossen erreicht.
Die Vortriebskraft der erfindungsgemäßen düsenförmigen Leitvorrichtung
entsteht durch folgende Effekte: Durch die Umlenkung
der Schrägströmung in die axiale Richtung entsteht ein
nach vorn gerichtet Impuls. In speziellen Fällen wird durch
die Umlenkung viel Energie aus dem Drall der Kimmwirbel gewonnen.
Wie bei einer Kortdüse entsteht im Eintrittsbereich der Leitvorrichtung
ein nach vorn gerichteter Sog. Diese Sogkraft ist
belastungsabhängig. Mit steigender Propellerbelastung steigt
der Sog. Da die düsenförmige Leitvorrichtung vor dem Bereich
der oberen Hälfte des Propellerkreises angeordnet ist, in dem
die Wassergeschwindigkeit nur 50% bis 25% der Schiffsgeschwindigkeit
beträgt, und somit die Propellerbelastung besonders
groß ist, ist auch die Vortriebskraft groß.
Weitere Leistungsgewinne resultieren indirekt aus der
Strömungsbeeinflussung durch die düsenförmige Leitvorrichtung. Durch die
symmetrische Lastverteilung am Propeller wandert der Drehpunkt
des Propellers zur Mitte. Demzufolge wird der Ruderwinkel bei
Geradeausfahrt klein und der Ruderwiderstand verringert sich.
Bei völligeren Schiffen, bei denen immer die Gefahr der Strömungsablösung
am Hinterschiff besteht, wird durch die erfindungsgemäße
Lösung das Wasser zum Schiffskörper beschleunigt, so daß
die Strömung besser anliegt und eventuelle Ablösung vermieden
wird.
Neben den Leistungseinsparungen treten durch die neue Leitvorrichtung
noch weitere positive Effekte auf. Die Leitvorrichtung
wird unter dem Bereich der Schiffsaußenhaut angeordnet, in dem
die größten propellererregten Druckschwankungen auftreten. Dadurch
schirmt sie die Druckimpulse ab.
Durch die Nachstromvergleichmäßigung wird die instationäre Kavitation
erheblich verringert. Die Folge hiervon sind Verringerung
der Druckschwankungen, der Geräuschentwicklung und der Propellererosion.
Die Nachstromvergleichmäßigung bewirkt weiterhin eine
Verringerung der Kraftschwankungen am Propeller.
Infolge der Verkleinerung der instationären Kräfte und der
Druckschwankungen wird es in vielen Fällen möglich sein, den
Propellerfreischlag zu verringern und dadurch den Propellerdurchmesser
zu vergrößern, wodurch eine weitere Leistungseinsparung
auftritt.
Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1: eine Seitenansicht des Hinterschiffes von der
Steuerbordseite;
Fig. 2: eine Ansicht nach Fig. 1 von hinten;
Fig. 3: eine Ansicht nach Fig. 1 von oben;
Fig. 4: eine Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels.
Im Ausführungsbeispiel 1 besteht die Düse 1, im folgenden auch
Nachstromvergleichmäßigungsdüse (NVD) genannt, aus einem annähernd
rotationssymmetrischen Oberteil 2, zwei profilierten
Seitenteilen 3 und zwei Strömungsleitflossen 4. Der Einlauf 5
der NVD und das Inntenteil 6 sind rotationssymmetrisch. Am Auslauf
7, der nicht rotationssymmetrisch ist, beträgt der Innendurchmesser
etwa 2/3 des Propellerdurchmessers. Nach vorn nimmt
der Durchmesser zu, damit die Eintrittsöffnung größer ist als
die Austrittsöffnung. Die Außenwandung 8 des Oberteils 2 ist
dagegen nur annähernd rotationssymmetrisch, da die Profile nach
unten kürzer werden.
Die ideelle Düsenachse 9 für die rotationssymmetrischen und annähernd
rotationssymmetrischen Teile ist sowohl in der horizontalen
Ebene um ca. 3° (siehe Fig. 3) als auch in der vertikalen
Ebene um ca. 6° (siehe Fig. 1) geneigt. Durch die horizontale
Neigung wird von der Steuerbordseite des Schiffskörpers mehr
Wasser angesaugt und die Strömung erhält einen leichten Drall
gegen die Drehrichtung des Propellers 14. Durch die vertikale
Neigung kann das schräg nach unten kommende Wasser ungestört in
die NVD einströmen und dort umgelenkt werden.
Das annähernd rotationssymmetrische Oberteil 2 endet nach unten
etwa in Höhe seiner Achse. An dieses Oberteil 2 schließen sich
nach unten zwei etwa senkrecht verlaufende profilierte
Seitenteile 3 an, deren Schnitte die gleiche Form aufweisen
wie das annähernd rotationssymmetrische Oberteil 2
an der Schnittstelle 10. Den unteren Abschluß der NVD
bilden die beiden seitlichen Strömungsleitflossen 4, die
etwa in Höhe der Propellerwellenachse 11 angeordnet sind.
In den Fig. 1 bis 3 sind dies zwei ebene Platten, die
Steuerbord und Backbord unterschiedlich geneigt sind. Dabei
beträgt die Neigung zur horizontalen Ebene auf der Steuerbordseite
ca. 18° und auf der Backbordseite etwa 12°.
Zweckmäßiger ist es, die Platten entsprechend dem gewünschten
Strömungsleiteffekt zu krümmen bzw. zu verwinden oder sogar
schlanke verwundene Profile zu verwenden.
Entsprechend der Schiffsform hat das Oberteil 2 der NVD eine
Aussparung 12 zur Aufnahme des Hinterstevens 13.
Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für ein
schlankeres Schiff mit größerem horizontalen Freischlag
(offenes Heck). Diese Anordnung ist auch für Mehrschraubenschiffe
geeignet. Hierbei ragt das Oberteil 2 geringfügig
über den Propeller 14. Der Innendurchmesser des Oberteils 2
ist trotzdem kleiner als der Propellerdurchmesser. Den unteren
Abschluß der NVD bilden nach Steuerbord und Backbord jeweils
zwei Strömungsleitflossen 4.
Abweichungen der beiden beschriebenen Ausführungsbeispiele
betreffen sowohl die Form des Oberteils 2 und der Strömungsleitflossen
4 als auch den Verzicht auf die senkrechten
Seitenteile 3 im Beispiel 2.
Aus technologischen Gründen kann es zweckmäßig sein, die NVD
aus knickförmigen Teilen zusammenzusetzen. Das betrifft sowohl
die Längsrichtung der NVD (Düsenform ähnelt einer Düse Schuschkinscher
Bauart) als auch die Umfangsrichtung, das heißt anstelle
der kreisförmigen Teile werden polygenförmige Teile
verwendet.
- Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Düse
2 Oberteil
3 Seitenteil
4 Strömungsleitflossen
5 Einlauf
6 Innenteil
7 Auslauf
8 Außenwandung
9 ideelle Düsenachse
10 Schnittstelle
11 Propellerwellenachse
12 Aussparung
13 Hintersteven
14 Propeller
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Schiffspropellern
in Form eines am Heck des Schiffes vor der oberen
Hälfte des Propellerkreises angeordneten düsenförmigen Leitkörpers
für Ein- und Mehrschraubenschiffe, dadurch gekennzeichnet,
daß der düsenförmige Leitkörper aus
einem halbringförmigen, annähernd rotationssymmetrischen
Oberteil (2) gebildet wird, der mit mindestens zwei den
unteren Abschluß des düsenförmigen Leitkörpers bildenden
Strömungsleitflossen (4) fest verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innendurchmesser des annähernd rotationssymmetrischen
Oberteils (2) etwa 2/3 des Propellerdurchmessers
beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Oberteil (2) nach unten
etwa in Höhe seiner ideellen Düsenachse (9) endet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß sich dem Oberteil (2) nach unten
zwei profilierte Seitenteile (3) anschließen, die wiederum
mit den Strömungsleitflossen (4) fest verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß Oberteil (2) und Seitenteil (3)
an der Verbindungsstelle (10) die gleiche Profilierung
aufweisen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strömungsleitflossen (4) etwa in Höhe
der Propellerwellenachse (11) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die plattenförmigen oder profilförmigen
Strömungsleitflossen (4) verwunden geformt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die ideelle Achse (9) des annähernd
rotationssymmetrischen Düsenteils horizontal und vertikal
geneigt ist und die Strömungsleitflossen (4) Steuerbord und
Backbord unterschiedliche Neigungen zur horizontalen Ebene
und unterschiedliche Profilierungen aufweisen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Oberteil (2) den Propeller (14) in
Längsrichtung geringfügig überragt und sowohl Steuerbord als
auch Backbord wenigstens zwei Strömungsleitflossen (4) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der düsenförmige Leitkörper
nur einseitig an einer Schiffskörperseite angeordnet ist.
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DD28085685A DD241056A1 (de) | 1985-09-23 | 1985-09-23 | Vorrichtung zur erhoehung des wirkungsgrades von schiffspropellern |
Publications (1)
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ID=5571459
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Country Status (2)
Country | Link |
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1985
- 1985-09-23 DD DD28085685A patent/DD241056A1/de not_active IP Right Cessation
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1986
- 1986-06-19 DE DE19863620540 patent/DE3620540A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
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