DE69621821T2 - Faltbare schraube - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen faltbaren Propeller gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Auf dem Gebiet von Segelbooten ist die Verwendung sogenannter faltbarer Propeller bereits bekannt. Normalerweise ist ein derartiger Propeller für eine Verwendung mit einer Antriebsmaschine für einen vorwärts oder rückwärts gerichteten Antrieb des Bootes ausgebildet.
• Ein Propeller erzeugt eine bestimmte Schlepp- bzw. Zugkraft auf das Segelboot, wenn der Propeller nicht verwendet wird. Aus diesem Grund kann der Propeller gefaltet werden, d. h. die Flügel des Propellers sind schwenkbar derart auf einer Nabe angeordnet, dass sie sich (aufgrund der Bewegung des Bootes in dem Wasser) in der Richtung des Antriebsschaftes des Propellers in eine Stellung zusammenfalten, in welcher sie sich im allgemeinen in Längsrichtung des Bootes erstrecken. Wenn der Propeller verwendet werden soll, werden die Flügel durch den Drehbetrieb des Antriebsschaftes entfaltet. Die Propellerflügel sind normalerweise so ausgebildet, dass sie einen stromlinienförmigen Körper in dem zusammengefalteten Zustand bilden, der die Schleppkraft verringert.
• Mehrere faltbare Propeller sind bereits bekannt. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift WO 93/01972 einen Propeller, welcher wenigstens drei Flügel aufweist, welche schwenkbar zwischen einer entfalteten Stellung und einer zusammengefalteten Stellung montiert sind.
• Ein Problem, das für die bisher bekannten faltbaren Propeller offensichtlich ist, ist, dass diese Propeller entweder eine deutliche Schleppkraft beim Segeln erzeugen oder dass sie nicht den erforderlichen Hub beim Vorwärts- oder Rückwärtsbetrieb liefern. Propeller mit zusammenfaltbaren Flügeln erzeugen normalerweise eine geringe Schleppkraft aufgrund ihrer stromlinienförmigen Körper. Jedoch besitzen die Propeller vom faltbaren Typ im Vorwärtsbetrieb und besonders im Rückwärtsbetrieb eine relativ schwache Antriebsleistung.
• Ein besonderes Problem bezüglich der bisher bekannten faltbaren Propeller betrifft den Antrieb während des Rückwärtsbetriebes. Ein hoher Rückwärtshub an dem Schiffspoller oder nahe des Schiffspoller-Zug-Zustandes (d. h. wenn der Propeller mit einer Bootsgeschwindigkeit von Null oder ungefähr Null arbeitet) wird normalerweise durch Hinzufügen eines Gewichtes an der Spitze des Flügels erreicht, wodurch das Zentrifugalmoment um die Schwenkachse des Flügels vergrößert wird. Auf diese Weise wird der Öffnungswinkel der Propellerflügel vergrößert. Jedoch beinhaltet die Vergrößerung des Gewichts an der Spitze der Propellerflügel ein Problem entweder in Form von dicken Flügelabschnitten mit schwachen Kavitationseigenschaften oder in Form von langen Abschnitten, welche zu einer Verringerung der Propellereffizienz beim Vorwärtsbetrieb des Propellers führen.
• Ein weiteres Problem, welches nicht nur bei Segelbootpropellern, sondern bei allen Propellern gemeinsam auftritt, die in einem ungleichmäßigen Geschwindigkeitsfeld arbeiten, ist der Lärm und die Vibrationen, welche durch den Propeller induziert werden. Der Propeller erzeugt Druckstöße, welche den Rumpf oder den Oberbau des Bootes zum heftigen Schwingen und somit zum Erzeugen eines unerwünschten Lärms zwingen. In Anwendungen, in denen die Antriebswelle des Propellers mit einer Hochleistungs-Antriebseinrichtung verbunden ist, ist das Risiko hoher Lärmlevels für bisher bekannte faltbare Propeller offensichtlich, da ihre Propellerflügel normalerweise zu eng und abgestumpft sind, um eine Kavitation zu verhindern, was nicht nur durch einen Hubzusammenbruch verursacht sondern auch eine Hauptursache für Lärm und Vibration darstellt.
• Im Stand der Technik existieren mehrere Verfahren für eine Verringerung von Lärm und Vibrationen, beispielsweise Erhöhung der Anzahl der Propellerflügel. Ein Propeller mit mehreren Flügeln erzeugt geringere Propellerfluktuationskräfte als ein Propeller mit weniger Flügeln, da der Propellerhub als ein Integrator wirkt, d. h. die Last auf die einzelnen Flügel wird durch den Hub überlagert und über den Propellerschaft auf den Rumpf des Bootes übertragen.
• Lärm und Vibrationen können auch durch eine Verringerung der Neigung entweder an der Spitze des Flügels oder an seinem Ansatz, oder an beiden verringert werden. Dies verringert lokal die Flügellast und dadurch die Stärke der Spitzen- und Nabenwirbel, welche gewöhnlicherweise erhebliche Druckstöße auf den Rumpf hervorrufen.
• Außerdem können Lärm und Vibrationen im Allgemeinen durch eine Verhinderung von Kavitation oder durch eine Ausbildung des Propellers mit geneigten Flügeln verringert werden. Eine Kavitation wird normalerweise durch Ausstatten des Propellers mit einem ausreichend großen Flügelbereich verhindert. Eine Injektion von Luft in Dampfausnehmungen ist ebenfalls ein eifektives Verfahren zum Eliminieren ihres erosiven Verhaltens und der Erzeugung von hochfrequentem Lärm bzw. hochfrequenten Geräuschen.
• Ein besonderes mit faltbaren Propellern verbundenes Problem ist die mögliche Hubverringerung aufgrund einer Kavitation bei einer hohen Antriebswellenleistung. Im Stand der Technik wird dieses Problem durch Ausstatten des Propellers mit einem ausreichend großen Flügelbereich gelöst, was durch eine Verwendung langer Flügelabschnitte und/oder einer großen Anzahl von Propellerflügeln verwirklicht wird. Jedoch kann der Flügelbereich nicht zu groß hergestellt werden, da dieses die Propellereffizienz verringert und auch das Falten der Propellerflügel kompliziert.
• Ein allgemeines mit Propellern verbundenes Problem ist es, einen hohen Vorwärtshub oder eine große Propellereffizienz bei jeder Geschwindigkeit zu erreichen. Die allgemeine Lösung dieses Problems ist ein großer Propellerdurchmesser in Verbindung mit einer niedrigen Antriebsschaftgeschwindigkeit. Zusätzlich sollte die radiale Lastverteilung des Propellers optimiert sein und der Flügelbereich sollte groß genug hergestellt sein, um eine Kavitation zu verhindern. Außerdem sollten die Propellerflügel dünne gewölbte bzw. gekrümmte Abschnitte vom Luftfolientyp besitzen.
• Ein weiteres mit faltbaren Propellern verbundenes Problem ist die Faltfunktion. Bisher bekannte faltbare Propeller mit einem großen Verhältnis des Steigungsdurchmessers können schwache Öffnungscharakteristiken besitzen. Der Grund dafür ist, dass die Flügel des Propellers sich gegeneinander "überschatten", d. h. sie bedecken sich gegeneinander mehr oder weniger vollständig in dem zusammengefalteten Zustand. Das hydrodynamische Moment über dem Drehpunkt des Flügels wird negativ und in seinem Wert derart groß, wenn die Flügel vollständig gefaltet sind, dass das positive Zentrifugalmoment niemals groß genug wird, um die Öffnung des Propellers zu beginnen. Die bekannte Lösung dieses "Überschattungs"-Problems ist es, den Flügel seitwärts schräg zu stellen. Jedoch besteht ein großer Nachteil des Schrägstellens der Flügel darin, dass sie sich nicht so gut zusammenfalten. Dies erzeugt eine höhere Schlepp- bzw. Zugkraft beim Segeln.
• Eine besondere Anforderung bei faltbaren Propellern ist es, dass sie einen niedrigen Zug beim Segeln aufweisen sollten. Dies wird im allgemeinen durch Ausstatten der Propeller mit einer stromlinienförmigen Form in der zusammengefalteten Stellung erreicht. Die herkömmliche Niedrig-Zuglösung ist ein Propeller mit einer Nabe mit einem kleinen Durchmesser und mit zwei geradlinigen engen Propellerflügeln, die sich mit der Strömung bei einer Vorwärtsbewegung des Bootes falten. Ein faltbarer Propeller dieser Art ist bereits aus der Druckschrift GB 1 416 616 bekannt.
• Ein weiteres Problem bei faltbaren Propellern besteht darin, dass der Faltmechanismus gelegentlich fehlfunktioniert, was möglicherweise sowohl eine Personenverletzung als auch einen Materialschaden verursachen kann.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faltbaren Propeller zu schaffen, welcher die obengenannten Probleme, insbesondere die Probleme des hohen Rückwärtshubs des Propellers und eines geringen Lärms und geringer Vibrationen löst. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen faltbaren Propeller gemäß der vorliegenden Erfindung, dessen Merkmale in dem beiliegenden Anspruch 1 bestimmt sind.
• Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzt der Propeller stark abgeschrägte Flügel, d. h. die Flügel besitzen eine im allgemeinen gekrümmte Form, bei der jeweils die Führungskante des inneren und äußeren Radius im wesentlichen hinter und vor der Erzeugenden des Propellerflügels angeordnet sind.
• Vorzugsweise besitzt der Propeller ein entfaltetes Flächenverhältnis des Propellerflügels, welches größer ist als ungefähr 35%, für den Fall, in welchem drei Propellerflügel verwendet werden. Folglich kann angenommen werden, dass der entfaltete Propellerflügelbereich größer ist als ca. 10% "pro Propellerflügel". Dies schafft eine sehr effektive und zuverlässige Faltfunktion, geringen Lärm und niedrige Vibrationsniveaus, eine geringere Kavitation bei einer hohen Wellenleistung und ein verringertes Moment über die Erzeugende des Propellerflügels. Der Begriff "entfaltete Propellerflügelfläche" bestimmt den Bereich, der durch eine Fläche eines Flügels dargestellt wird, wenn dieser "geglättet bzw. ausgebreitet" ist, d. h. wenn der Neigungswinkel für den Propellerflügel für jeden Flügelabschnitt Null ist und der resultierende Bereich gemessen wird.
• Die Ausgestaltung eines Propellers ist immer ein Findungsprozess des besten Kompromisses zwischen einem Satz von Anforderungen. In diesem Prozess werden einigen Anforderungen eine größere Gewichtung als anderen beigemessen. Für die meisten bisher bekannten Propeller sind eine hohe Effizienz beim Vorwärtsbetrieb und keine Kavitation die beiden Anforderungen, denen die größte Priorität beigemessen wird. Dies ist auch der Fall für bisher bekannte Segelbootpropeller.
• Jedoch wurden den Anforderungen an den faltbaren Propeller gemäß der vorliegenden Erfindung eine völlig unterschiedliche Prioritätsrangfolge oder Gewichtung beigemessen. Hier wurde ein hoher Rückwärtshub am Schiffspoller oder nahe des Schiffspoller-Zug-Zustandes die höchste Gewichtung beigemessen. Die zweithöchste Gewichtung wurde einem geringen Lärm und geringer Vibrationen beigemessen. Die dritt- und vierthöchste Gewichtung wurde jeweils keiner Kavitation und einem hohen Vorwärtshub beigemessen. Folglich ist der faltbare Propeller gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet, um insbesondere einen hohen Rückwärtshub am Schiffspoller oder nahe des Schiffspoller-Zug-Zustandes und einen geringen Lärm und geringe Vibrationsniveaus auf Deck zu schaffen.
• Lärm und Vibrationen können normalerweise durch Verwendung · schräger Flügel vermieden werden, welche im Gegensatz zu herkömmlichen geraden Flügeln schrittweise Bereiche mit einer gestörten Strömung aufweisen und daher eine sanftere Flügellastvorgeschichte bzw. -historie erzeugen, wodurch eine Verringerung der Amplitude der Last auf den Propellerflügel erreicht wird. Jedoch existiert im Stand der Technik kein faltbarer Propeller mit einer wesentlichen Schräge bzw. Neigung. Dies liegt daran, dass gemäß der bisher bekannten Technologie ein geneigter Propeller normalerweise schwer zu falten ist.
• Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass der Begriff "Boot" und "Schiff" verschiedene Typen von Wasserfahrzeugen abdecken soll, in Form von kleinen Booten sowie großen Schiffen oder irgendwelchen Fahrzeugen zur Verwendung im Wasser. Außerdem kann die vorliegende Erfindung auf Booten mit oder ohne Segeln verwendet werden.
• Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Von den Figuren zeigen:
• Fig. 1 eine Rückansicht eines faltbaren Propellers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 eine Seitenansicht des Propellers aus Fig. 1;
• Fig. 3 eine vereinfachte Ansicht des Propellers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Bestimmung der Neigung des Propellers;
• Fig. 4 ein Diagramm, welches die Stärkenverteilung des Propellers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
• Fig. 5 ein Diagramm, welches die Kennzeichnung zur Beschreibung der Flügelgeometrie darstellt;
• Fig. 6 ein Diagramm, welche die Neigungs- bzw. Schrägungsverteilung des Propellers darstellt;
• Fig. 7 ein Diagramm, welches die Steigungsverteilung des Propellers darstellt;
• Fig. 8 ein Diagramm, welches den Neigungswinkel eines Flügels des Propellers darstellt;
• Fig. 9 einen Propellerflügel in einer zusammengefalteten Stellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 10 ein Diagramm, welches das Drehmoment eines Flügels darstellt; und
• Fig. 11 ein Diagramm, welches die Wirkung der Schrägung bzw. Neigung des hydrodynamischen Drehmoment darstellt.
• Fig. 1 zeigt einen faltbaren Propeller gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Propeller drei im wesentlichen identische Propellerflügel 1 auf. Die Flügel 1 sind drehbar in einer Nabe 2 montiert, welche auf einem Antriebsschaft (nicht dargestellt) einer Bootsmaschine vom herkömmlichen Typ angeordnet werden soll. Jeder Flügel 1 ist aus einem relativ schweren Material hergestellt, beispielsweise aus Bronze, Aluminiumbronze (mit 8 bis 10% Aluminium) oder aus Stahl. Die Nabe 2 kann aus einem ähnlichen Material oder aus einer Faserplastikzusammensetzung hergestellt werden. Jeder Flügel 1 ist in einer Ausnehmung 3 in der Nabe 2 angeordnet. Das Drehmoment der Flügel 1 wird dadurch geschaffen, dass die Nabe 2 drei Schäfte 4 aufweist, welche sich durch zugeordnete Löcher in den Flügeln 1 erstrecken.
• Der Schwenkmechanismus jedes Flügels 1 umfaßt zwei Zahnradsegmente 5 pro Flügel, d. h. das innerste Ende jedes Flügels besitzt ein linkes und ein rechtes Zahnradsegment, wobei die Segmente für einen Eingriff mit komplementären Zahnrädern an den benachbarten Flügeln 1 in allen Schwenkstellungen ausgebildet sind. Somit kooperieren die Kegelzahnräder 5 derart, dass die Flügel 1 gleichzeitig zusammengefaltet werden können.
• Für jeden Flügel 1 kann eine Führungskante 6 und eine Nachlaufkante 7 für einen Vorwärtsbetrieb des Propellers, d. h. für eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn, wie in Fig. 1 dargestellt ist, definiert werden. Beim Rückwärtsbetrieb wirkt die Führungskante 6 als "Nachlaufkante" und die Nachlaufkante 7 wirkt als "Führungskante". Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass der Propeller gemäß der vorliegenden Erfindung auch für eine Drehung im Uhrzeigersinn bei einem Betrieb in der Vorwärtsrichtung ausgebildet sein kann.
• Fig. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Propeller gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die Flügel 1 stark geneigt bzw. geschrägt ausgebildet, d. h. sie erstrecken sich entlang einer gekrümmten Linie. Um den Wert bzw. die Größe der Neigung jedes Flügels 1 zu bestimmen, ist es notwendig, die sogenannte Erzeugende des Propellers zu bestimmen. Die Erzeugende 8 ist eine Referenzlinie, die zur Ausgestaltung eines Propellers verwendet wird, wobei die Erzeugende 8 senkrecht zur longitudinalen Erstreckung der Propellerachse 9 ist. Außerdem erstreckt sich die Erzeugende 8 durch die Mitte der Propellerachse 9. Schließlich verläuft die Erzeugende 8 senkrecht zur Schwenkachse, um welche der Flügel 1 gefaltet werden kann.
• Außerdem kann jeder Flügel 1 eine mittig gesehene Linie 10 bzw. mittige Sehnenlinie 10 aufweisen, welche aus dem geometrischen Ort aller Punkte mit gleichem Abstand von der Nachlauf- und Führungskante des Flügels gebildet wird.
• Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass jeder Flügel 1 eine Neigungsverteilung bzw. Schrägungsverteilung derart aufweist, dass jeweils die Führungskante des inneren und äußeren Radius vor und hinter der Erzeugenden 8 des Flügels angeordnet sind.
• Die Neigungsverteilung kann durch Definieren des Neigungswinkels α bestimmt werden, welcher die Summe aus einem ersten Winkel β und einem zweiten Winkel γ ist. Der erste Winkel β ist der Winkel zwischen der Erzeugenden 8 und einer geraden Linie 11, die sich senkrecht von der Mitte 9 der Nabe und durch die Führungskante 1 der mittig gesehenen Linie 10 erstreckt. Der zweite Winkel γ ist der Winkel zwischen der Erzeugenden 8 und einer geraden Linie 12, die sich senkrecht von der Mitte 9 der Nabe und durch den Endpunkt der mittig gesehenen Linie 10 an der Spitze des Flügels 1 erstreckt.
• Der Neigungswinkel α, d. h. die Summe des ersten Winkels β und des zweiten Winkels γ, liegt vorzugsweise zwischen 30º und 65º, wobei der am meisten bevorzugte Bereich zwischen 45º und 55º liegt. Der erste Winkel β liegt vorzugsweise zwischen 10º und 25º, wobei der am meisten bevorzugte Bereich zwischen 15º und 20º liegt, wobei der zweite Winkel γ vorzugsweise zwischen 20º und 40º liegt, wobei der am meisten bevorzugte Bereich zwischen 30º und 35º liegt.
• Fig. 3 zeigt auch jeweils die inneren und äußeren Radien, welche für einen bestimmten Flügel 1 definiert werden können. Die inneren Radien ri1 und ri2 sind Beispiele von Radien, welche sich von der Propellerachse 9 zu Punkten entlang des Flügels 1 erstrecken, welche innerhalb des Punktes angeordnet sind, an dem die mittig gesehene Linie 10 die Erzeugende 8 schneidet. In entsprechender Weise erstrecken sich die äußeren Radien r01 und r02 von der Propellerachse 9 zu Punkten entlang des Flügels, welche außerhalb des Punktes angeordnet sind, an dem die mittig gesehene Linie 10 die Erzeugende 8 schneidet. Der innere Radius ri1 beispielsweise besitzt eine Führungskante 17 (für eine Drehung in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn) und der äußere Radius r&sub0;&sub1; beispielsweise eine Führungskante 18 (für eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn). Jeder Flügel 1 umfaßt eine Neigungsverteilung derart, dass die Führungskanten der inneren und äußeren Radien entlang des Flügels im wesentlichen vor und hinter der Erzeugenden 8 angeordnet sind.
• Der stark geneigte Flügel 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt auch ein entfaltetes Flächenverhältnis des Propellerflügels. Das Flächenverhältnis des Flügels kann definiert werden als die entfaltete Fläche der Flügel geteilt durch die gesamte Fläche innerhalb des Kreises, der durch die Spitzen der Flügel definiert ist. Das Flächenverhältnis der Flügel ist vorzugsweise größer als 35%, vorzugsweise zwischen 35% und 45%. Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass diese Werte für den Fall gelten, bei dem der Propeller drei Flügel aufweist. Folglich bedeutet dies, dass das Flächenverhältnis des entfalteten Flügels "pro Flügel" größer als ca. 10% sein sollte.
• Fig. 4 zeigt die Stärkenverteilung eines Flügels. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besitzt jeder Querschnitt entlang eines Flügels eine im wesentlichen symmetrische Stärkenverteilung, d. h. die Stärkenverteilung ist bzgl. einer durch die mittig gesehene Linie (siehe auch Fig. 3) definierten Ebene 13 symmetrisch. Dies bedeutet, dass der Unterschied zwischen dem Gleitwert beim Vorwärtsbetrieb und dem Gleitwert beim Rückwärtsbetrieb geringer ist als für Propeller mit herkömmlichen Flügelabschnitten. Die Stärkenverteilung ist durch die Kurve 15 in Fig. 4 dargestellt, in welcher die Führungskante des Flügels die äußerste linke Kante ist, wobei die Nachlaufkante die äußerste rechte Kante ist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Stärkenverteilung eine im wesentlichen elliptische Form aufweist.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 4 sei bemerkt, dass die Ellipse 15 weder die Kurvenform noch die Steigung des Flügels darstellt, sondern lediglich die Dickenverteilung des Flügels darstellt.
• Als Referenz zeigt Fig. 4 auch mittels der gestrichelten Linie 14 einen herkömmlichen Flügelabschnitt, welcher eine nichtsymmetrische Stärkenverteilung darstellt.
• Vorausgesetzt, dass das Dicke-Tiefenverhältnis (d. h. das Verhältnis zwischen der maximalen Dicke eines Flügelabschnitts und seiner Länge, wobei letztere gleich dem Abstand zwischen der Führungskante und der Nachlaufkante ist) klein ist, ist der Verlust beim Gleitwert bei einer Verwendung elliptischer Abschnitte anstatt von Abschnitten mit spitzer Nachlaufkante vernachlässigbar. Außerdem sind beim Rückwärtsbetrieb die Kavitationscharakteristiken eines Abschnitts mit einer elliptischen Stärkenverteilung den Abschnitten mit einer spitzen Nachlauf kante überlegen. Schließlich ist die Festigkeit eines elliptischen Abschnittbereichs deutlich größer als für Abschnitte mit einer spitzen Nachlaufkante, d. h. der Abschnittsbereich für dasselbe Dicke-Tiefenverhältnis ist größer. Somit kann einem Flügel mit elliptischen Abschnitten ein größeres Gewicht sowie ein größeres Zentrifugalmoment um die Schwenkachse ohne einem Verlust seines Gleitwerts oder Kavitationscharakteristiken gegeben werden.
• Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Kennzeichnung für eine Beschreibung der Flügelgeometrie darstellt. Die Erzeugende 8 erstreckt sich in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Fig. 5, d. h. in Richtung des Betrachters. Ein Abschnitt eines Flügels 1 ist mit seiner Führungskante 6 und seiner Nachlaufkante 7 dargestellt. Die mittig gesehene Linie 10 ist eine Linie, welche sich im Raum derart krümmt, dass sie durch alle mittig gesehenen Punkte jedes Flügelabschnitts 1 verläuft. Die Neigung eines bestimmten Flügelabschnitts kann definiert werden als Abstand d&sub1; von der mittig gesehenen Linie 10 zu einer Ebene senkrecht zur Erzeugenden 8. Außerdem kann der Neigungswinkel des Flügelabschnitts 1 definiert werden als die axiale Verschiebung d&sub2; in einer Ebene, die durch die Propellerachse und die Erzeugende bestimmt wird. In dem in Fig. 5 gezeigten Fall ist der Neigungswinkel positiv in Richtung zur Rückseite des Propellers und Null, wenn sich die Sehnenlinie 16 des Flügelabschnitts durch die Erzeugende 8 erstreckt. Diesbezüglich kann die Sehnenlinie 16 definiert werden als Helixlinie bzw. Schrägungslinie, die sich durch die Führungskante 6 und die Nachlaufkante 7 des Flügelabschnitts 1 erstreckt. Schließlich kann der Steigungswinkel des Flügels 1 definiert werden als ein Winkel P, der zwischen der Sehnenlinie 16 des Flügelabschnitts 1 und der Projektion der Propellerachse in dem fraglichen Querschnitt gebildet ist.
• Fig. 6 zeigt die Neigungsverteilung des Propellers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Abstand d&sub1; (siehe Fig. 5) ändert sich entlang des Radius des Propellers von einem Wert, der ungefähr Null in der Nabe des Propellers ist, über einen negativen Wert entlang des mittleren Abschnitts des Propeller und hin zu einem positiven Wert in dem spitzen Abschnitt des Propellers.
• Außerdem zeigt Fig. 6, dass die inneren Radien eines Flügels die Radien sind, welche sich in dem Bereich r&sub1; von Null bis zu dem Wert, an dem die mittig gesehene Linie die Erzeugende schneidet, befinden. Folglich sind die äußeren Radien eines Flügels die Radien, welche sich in dem Bereich r&sub0; von dem Punkt, an dem die mittig gesehene Linie die Erzeugende schneidet, bis zu dem maximalen Radius des Flügels befinden.
• Fig. 7 ist ein Diagramm, welches die Steigung der Propellerflügel darstellt. Insbesondere zeigt das Diagramm eine Kurve, welche das Verhältnisdes Steigungsdurchniessers entlang des Radius R des Flügels darstellt. Wie offensichtlich ist, ist die Steigung des Flügels an dem Ansatz und der Spitze des Flügels verringert. Das Verhältnis des Steigungsdurchmessers ist auf ungefähr 75% des Verhältnisses des Steigungsdurchmessers an dem Punkt, der einem Wert von 0,7 R entspricht, verringert, d. h. an einem Punkt bei 70% des Flügeldurchmessers (an dessen Punkt das Verhältnis des Steigungsdurchmessers 100% ist), und ist auf ungefähr 70% an der Spitze des Flügels reduziert. Auf diese Art wird eine verringerte Stärke der Spitzen- und Nabenwirbel erreicht, was eine Einsetzung der Kavitation verzögert und induzierte Druckstöße verringert. Somit werden die Lärm und Vibrationscharakteristiken des Propellers erheblich verbessert.
• Außerdem, wie in Fig. 8 dargestellt ist, ist die Neigungswinkelverteilung (dargestellt durch die durchgezogene Linie) der Propellerflügel negativ und nicht linear. Genauer gesagt ist die Neigungswinkelverteilung vorzugsweise gekrümmt. Die Tatsache, dass die Neigungswinkelverteilung negativ ist, bedeutet, dass die Form des Flügels leicht gekrümmt ist und sich vorwärts erstreckt. Im Gegensatz dazu ist eine herkömmliche Neigungsverteilung positiv (dargestellt durch die gestrichelte Linie in Fig. 8), wobei sich die Propellerflügel nach hinten erstrecken. Die Vorteile mit der Neigungsverteilung gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind eine erhöhte Stärke der stark geneigten Flügel, und dass die Kavitation an der Spitze des Flügels (falls dies nicht verhindert werden kann) stabilisiert wird und daher weniger erosiv und laut ist.
• Der Propeller gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist derart ausgebildet, dass der Propeller auf eine effektive und zuverlässige Weise zusammengefaltet werden kann. Fig. 9 zeigt den Propeller in seiner zusammengefalteten Stellung. Die Flügel können derart gefaltet werden, dass die Erzeugende im wesentlichen parallel zu der Propellerachse verläuft. Auf diese Weise bildet der Propeller einen stromlinienförmigen Körper in seiner zusammengefalteten Stellung.
• Im folgenden wird das Faltungsprinzip der Flügel beschrieben. Der Bezugspunkt des Zentrifugalmoments jedes Flügels um seine Drehachse ist unabhängig von der Drehrichtung des Propellers, da die Zentrifugalmomente proportional zum Quadrat der Wellengeschwindigkeit sind. Jedoch ist das Zentrifugalmoment stark abhängig von dem Faltwinkel des Flügels. Diesbezüglich kann der Faltwinkel definiert werden als der Winkel, den jeder Flügel mit der longitudinalen Erstreckung der Nabe bildet. Für eine vorgegebene Wellengeschwindigkeit variiert das Zentrifugalmoment beim Öffnungsprozeß typischerweise, wie in- Fig. 10 dargestellt ist. Das Zentrifugalmoment ist positiv, wenn die Flügel vollständig gefaltet sind, wobei es ungefähr Null ist, wenn der Propeller vollständig geöffnet ist.
• In der anfänglichen Öffnungsphase und im Rückwärtsbetrieb ist der Spitzenbereich des Flügels aufgrund seiner speziellen Flügelneigung einem großen Angriffswinkel sowie einer großen resultierenden Relativgeschwindigkeit ausgesetzt. Daher ist die Gleit- bzw. Hubkraft an der Spitze des Flügels groß. Folglich ist seine Verteilung zu dem hydrodynamischen Drehmoment groß und positiv. Andererseits sind die Flügelabschnitte der inneren Radien einem kleinen Angriffswinkel und einer geringen resultierenden Relativgeschwindigkeit ausgesetzt, wodurch ihre Verteilung zu dem hydrodynamischen Drehmoment klein ist.
• Beim Vorwärtsbetrieb ist das hydrodynamische Drehmoment in der anfänglichen Öffnungsphase auch positiv, da die Flügelneigung garantiert, dass die inneren Radien eine große positive Verteilung zu dem hydrodynamischen Drehmoment erzeugen, während die Verteilung von der Spitze klein ist.
• Das oben Erläuterte zusammenfassend ist das resultierende Drehmoment, d. h. die Summe des Zentrifugalmoments und des hydrodynamischen Moments, immer groß und positiv in der anfänglichen Öffnungsphase für den Propeller gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung schafft einen Flügel mit einer Geometrie mit sehr vorteilhaften resultierenden Drehmomentcharakteristiken in der anfänglichen Öffnungsphase.
• Fig. 11 zeigt die Wirkung der Neigung auf das hydrodynamische Drehmoment. Sobald der Öffnungsprozeß gestartet wurde, schwenkt der Flügel bis er entweder auf den Endanschlag (beim Vorwärtsbetrieb) trifft oder einen Ausgleich (Rückwärtsbetrieb) findet, der auftritt, wenn der Faltwinkel derart ist, dass das Zentrifugal-Drehmoment in seiner Größe gleich ist, aber in der Richtung zu dem hydrodynamischen Moment entgegengesetzt ist.
• Beim Rückwärtsbetrieb ist das hydrodynamische Drehmoment des Flügels mit der neuen Neigungsverteilung weniger negativ als für den zugeordneten Flügel mit keiner Neigung, wie in Fig. 11 dargestellt ist. Folglich ist der Faltwinkel des Ausgleichs des geneigten Flügels größer, d. h. der Propeller öffnet sich mehr, und der Rückwärtshub wird deutlich größer. Es sei nochmal darauf hingewiesen, dass die spezielle Flügel- Neigungsverteilung zusammen mit den elliptischen Flügelabschnitten ein wesentlicher Grund für den verbesserten Hub für den Propeller gemäß der vorliegenden Erfindung ist, insbesondere in der Rückwärtsrichtung.
• Es sei angemerkt, dass die Flügel derart angeordnet sind (siehe auch Fig. 1 und 2), dass sie wenigstens auf Null Grad in der zusammengefalteten Stellung geschwenkt werden können.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sie kann auf vielfältige Weise modifiziert werden, ohne den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche zu verlassen. Beispielsweise kann der Propeller zwei oder mehrere Flügel aufweisen. Jedoch ist ein Propeller mit drei Flügeln einfacher auszubalancieren als ein Propeller mit zwei Flügeln, d. h. das Gleichgewichtserfordernis für jeden Flügel kann weniger strikt für ein vorgegebenes maximales Propellerungleichgewicht erzeugt werden. Somit sind die Kosten für eine Ausbalancierung geringer.
• Schließlich sei angemerkt, dass die Herstellung der Flügel wesentlich vereinfacht ist, da alle Flügel 1 identisch sind. Die Kegelzahnräder, welche effektiv hergestellt werden können, vorausgesetzt dass eine moderne Fräsmaschine verwendet werden kann, liefern einen Vorteil, da die Flügel somit schwieriger zu kopieren sind.

Claims (12)

1. Faltbarer Propeller für ein Schiff mit einer Nabe (2) zum Befestigen auf einer Antriebswelle des Schiffs und mindestens drei Propellerflügeln (1), welche jeweils drehbar in der Nabe (2) zwischen einer ersten im wesentlichen zusammengefalteten Stellung und einer zweiten im wesentlichen entfalteten Stellung angeordnet sind, wobei jeder Propellerflügel (1) eine Erzeugende (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Propellerflügel (1) eine schräge Neigungsverteilung derart aufweist, dass, wenn die Propellerflügel (1) in der zusammengefalteten Stellung sind, jeweils die Führungskante des inneren und äußeren Radius im wesentlichen vor und hinter der Erzeugenden (8) des Propellerflügels (1) angeordnet ist, und dass jeder der Propellerflügel (1) eine Oberfläche bildet, welche im wesentlichen parallel zur Längsachse der Antriebswelle ist, wenn die Propellerflügel (1) in der zusammengefalteten Stellung sind.

2. Propellerflügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Winkel (β), welcher zwischen der Erzeugenden (8) und einer sich durch die Führungskante der mittig gesehenen Linie (10) erstreckenden Gerade gebildet ist, einen Wert zwischen 10º und 25º aufweist.

3. Propellerflügel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Winkel (γ), welcher zwischen der Erzeugenden (8) und einer durch die Spitze der mittig gesehenen Linie (10) laufenden Gerade gebildet ist, einen Wert zwischen 20º und 40º aufweist.

4. Propellerflügel nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Neigungswinkel (α) des Propellerflügels (1) als die Summe aus dem ersten Winkel (β) und dem zweiten Winkel (γ) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α) größer als 25º ist.

5. Propellerflügel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das entfaltete Flächenverhältnis des Propellerflügels größer als 10% als pro Propellerflügel gezählt ist.

6. Propellerflügel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerflügel (1) drehbar angeordnet sind, um sich zumindest bezüglich der Propellerachse in der zusammengefalteten Stellung auf 0º zu drehen.

7. Propellerflügel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Propellerabschnitte (1) eine im wesentlichen symmetrische Stärkenverteilung entlang des Radius aufweisen.

8. Propellerflügel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenverteilung eine im wesentlichen elliptische Form aufweist.

9. Propellerflügel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung an der Spitze und dem Ansatz des Proprllerflügels (1) um mindestens 10% im Verhältnis zum Steigungsdurchmesserverhältnis bei 0, 7-fachem Radius vermindert ist.

10. Propellerflügel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigungswinkelverteilung negativ ist und im wesentlichen als ein kreisförmiger Bogen gebildet ist.

11. Propellerflügel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innerste Ende jedes Propellerflügels (1) zumindest einen Zahnradabschnitt (5) aufweist, der für den Eingriff in entsprechende Zahnräder an den benachbarten Propellerflügeln (1) in allen gedrehten Stellungen vorgesehen ist.

12. Propellerflügel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Propellerflügel (1) mit zumindest einem Kegelzahnrad (5) versehen ist.