DE3620540A1 - Vorrichtung zur erhoehung des wirkungsgrades von schiffspropellern - Google Patents

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.