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Schiffsantrieb mit Schraubenpropeller Der Antrieb von Schiffen mit
Schraubenpropellern wurde hauptsächlich in Teilen entwickelt, ohne den hydraulischen
Zusammenhang der Teile vorzunehmen. Es wurden Nachstromschrauben, besondere Hinterschiffsformen,
Ummantelungen des Propellers und eigentümliche Ruder vorgeschlagen, um Mängel zu
beseitigen. Insbesondere für Schiffsantriebe, bei denen die Austrittsgeschwindigkeit
des Wassers hinter der Schraube wesentlich größer ist als die Eintrittsgeschwindigkeit,
was bei Schleppern der Fall ist, sind Düsen vorgeschlagen worden. Der Mangel der
schlechten Steuerfähigkeit beider Rückwärtsfahrt blieb mit Ausnahme der Ruderdüsen
und
der schwenkbaren Schrauben, die jedoch nur in vereinzelten Fällen anwendbar
sind, erhalten. Die an, Düsen auftretenden Gebiete mit negativem Sog, der eine gewünschte
hydraulische Kraft in der Fahrtrichtung darstellt, zum Unterschiede von einem positiven
Sog, der eine hydraulische Kraft entgegengesetzt zur Fahrtrichtung darstellt und
daher unerwünscht ist, werden nicht genügend ausgenutzt. Bei den üblichen Düsen
um Schraubenpropeller wird der Drall des Propellerstrahles unzweckmäßig zu spät
abgewickelt und der Nab" überhaupt nicht gemildert. Der Sog auf der Schiffswand
vor der Düse ist wegen der gewählten üblichen Völligkeit der Verdrängung zu groß
usw.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die einzelnen am Antrieb des Schiffes
im Wasser wirkenden Teile so zu formen, daß sie hydraulisch über den ganzen Bereich
des Propellerstrahles unmittelbar und mittelbar günstig ineinandergreifen, damit
der positive Sog ein Minimum und der negative Sog ein Maximum werde.
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Die Erfindung erfaßt daher nicht nur einen einzelnen Teil des Antriebes,
sondern alle seine im
Wasser gelegenen Teile zu einer harmonischen
Einheit.
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Diese Einheit ist dadurch gegeben, daß bei Schiffsantrieben mit einem
in einer festen Düse befindlichen Schraubenpropeller sowie einem Steuerruder hinter
dem Propeller die resultierenden hydraulischen Längs- oder Querkräfte unmittelbar
oder mittelbar von mehreren oder allen im Wasser liegenden Teilen der Reihe nach
abhängen.
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Die Zeichnung zeigt schematisch an einem Ausführungsbeispiel, in welcher
Weise die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst werden kann.
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In der Fig. i ist ein Schiffsantrieb im Vertikalschnitt und in der
Fig. 2 im Horizontalschnitt gezeichnet. Die Formen sind teilweise übertrieben dargestellt,
um das Entstehen der Kräfte und deren Wirkung deutlicher zu zeigen.
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In der normalen Fahrtrichtung des Schiffes gesehen, hängen hydraulisch
unmittelbar zusammen: Das Ruder mit der Nabe des Propellers und der Düse, die Düse
mit der Schraube, die Schraube mit dem Düseneintritt und die Düse mit dem Schiff.
Mittelbar hängen die Kräfte am Schiff vor der Düse mit den Kräften am Ruder hinter
der Düse livdraulisch zusammen. Im folgenden sind die Hydraulischen Verhältnisse
für gerade Fahrt voraus, für gerade Fahrt zurück, für Fahrt voraus ini Bogen und
für Fahrt zurück im Bogen beschrieben, und es wird hieraus der ganze hydraulische
Zusammenhang erkennbar.
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Bei der geraden Fahrt voraus verläßt das Wasser beiderseits des Ruders
endgültig den Schiffsantrieb, nachdem sein Drall unmittelbar auf kürzestem Wege
hinter der Schraube von dem bis zur Nabe in die Düse hineinreichenden Ruder abgewickelt
wurde. Bei den üblichen Düsen wird das Ruder mit grundsätzlich gerader Eintrittskante
am Ende der Düse angeordnet. (z. B. deutsches Patent 634 472) Es ist daher bei derartigen
Ausführungen nicht möglich, unmittelbar bei der. Flügelwurzel an der Nabe mit der
Abwicklung des Dralles noch vor der Bildung eines Wirbelzopfes zu beginnen. Wie
aus Fig. 2 zu erkennen ist, verhindert das Ruder die Ausbildung eines Wirbelzopfes
und vermindert dadurch den positiven Nabensog, wobei gleichzeitig die zweckmäßig
geformte Eintrittskante des I@uders einen negativen Sog i aufweist. Das Ruder arbeitet
somit gemeinsam innerhalb der Düse mit der Nabe zusammen.
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Soll die Düse eine gewünschte nennenswerte Übergeschwindigkeit der
Strömung im Raume der Flügelkreisfläche erzeugen, damit die Drehzahl .der Schraube
höher gehalten werden kann, dann muß sie sich nennenswert hinter der Schraube wie
ein Saugrohr erweitern. Bei wachsender Strömungsgeschwindigkeit setzt die Kavitation
der Erweiterung ein Ende. Dieses Ende tritt um so später ein, je mehr der Strahl
des Propellers an seiner Kontraktion zusätzlich gehindert wird. Einerseits hat bereits
das vorgezogene Ruder, insbesondere an der Nabe, durch die Drallabwicklung im Kern
des Strahles der Einschnürung entgegengearbeitet. Andererseits wirkt neben der Erweiterung
der Düse zusätzlich eine zur Schraubenwelle konkave Erzeugende der Schraube gegen
eine Kontraktion des Strahles (österreichisches Patent 125 485). Die Form
des Ruders, die Düse und die Form des Propellers haben so zusammen gearbeitet, daß
in der Fig. 2 der positive Sog 2 an der Düse ermäßigt wird.
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Vor dem Propeller wirkt auf die Innenwand der Düse ein negativer Sog
3 (Fig. i und 2) infolge des von der Schraube erzeugten Unterdruckes. Wie aus Fig.
i ersichtlich, wird bei den üblichen Ausführungen am obersten Teil der Düse eine
nahezu gerade Schiffsform nach der gestrichelten Linie verwendet, die sich gegen
die Welle zu senkt. Anstatt eines negativen Soges tritt daher ein positiver Sog
q. auf. Wird jedoch nach der Fig. i die Düsenerweiterung oben beibehalten, so daß
sie harmonisch in das Schiff übergeleitet wird, dann entsteht eine Mulde, derart,
daß die Profillinie des Schiffskörpers an der Stelle dieses Übergangs einen Wendepunkt
aufweist. An dem unmittelbar vor dem Propeller liegenden Teil der Mulde, die den
Strahl erweitert, tritt wie bei einer frei fahrenden Düse ohne Schiff der größtmögliche
negative Sog 3 ringsum auf, dessen horizontale Komponente 3° den Schub vergrößert.
Somit wird der voni Propeller erzeugte Unterdruck auch an der von der Außenhaut
des Schiffes gebildeten Düsenzone nutzbringend verwertet.
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Die gestrichelte Linie der Außenhaut des Schiffes der Fig. i ist von
dem Raum des Unterdruckes vor dem Propeller weniger weit entfernt als die muldenförmige
Außenhaut des Schiffes. Der positive Sog 5 auf diesen Teil des Schiffes wird daher
auf einen kleineren Betrag 6 ermäßigt. Der Verlust an Verdrängung wegen der Mulde
kann durch eine größere Völligkeit des Schiffes im Raume 7 rückgenommen werden.
Weil der Propeller als Absaugvorrichtung die träge Wasserschicht an der Außenhaut
des Schiffes in der Strömungsrichtung beschleunigt, kann eine Ablösung der Strömung
an der größeren Krümmung der Außenhaut (bei 7) vermieden werden. Daher ist die Muldenform
nicht nur hydraulisch zulässig, sondern sie erhöht bei zweckmäßiger Verteilung der
Verdrängung den Wirkungsgrad der Propulsion durch eine Verminderung des positiven
Soges. Hier arbeitet der Unterdruck des Propellers und der Mantel der Düse mit der
Muldenform des Hinterschiffes zugunsten einer Erhöhung der hydraulischen Kräfte
in der Fahrtrichtung. Die Strömung läßt daher bei einem Minimum des positiven Soges
ein Maximum des negativen Soges zu. Dies ist insbesondere bei Schleppern gut.
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Der Effekt des negativen Soges 3 (Fig. i) ist unabhängig von der Bogenlänge
des den Propeller abdeckenden Kreises. Die Kraft 3 der Fig. i und 2 tritt auch auf,
wenn das gezeichnete Profil ein Schnitt durch eine gerade Tragfläche ist. Die Düse
kann daher unten offen sein, wenn nur der restliche ummantelte Teil des Propellers
wie die Saugseite einer Tragfläche ausgebildet ist. Befindet sich in der Fig. i
der Boden des Fahrwassers knapp unterhalb des Propellers und ändert die Strömung,
insbesondere
in der unteren Hälfte des Propellerkreises bei oft
wechselnder Wassertiefe und Krümmung des Fahrwassers, die Richtung, dann wird der
untere Teil einer Düse derart falsch angeströmt, daß der positive Sog den negativen
Sog übertrifft. Dieser Teil der Düse wird daher zwecklos und ist besser wegzulassen.
Der restliche, obere Düsenteil beschleunigt im oberen Propellerkreis den geschichteten
Nachstrom und gleicht bei derartigen Betriebszuständen die Strömung zum Propeller
aus. Bei einer Tunnelschraube wird durch das Schiff bereits ein nennenswerter Bogen
des Propellerkreises abgedeckt. Diese Abdeckung wird nach dem oberen Teil der Fig.
i ausgebildet, derart, daß jeder Radialschnitt durch die Propellerachse vor dem
Propeller eine Erweiterung nach außen zeigt. Die tunnelförmige Ummantelung des Propellers
kann nach abwärts, etwa in Form zweier zweckmäßig dem 1'rop@llerkreis entsprechend
gebogener Flossen, verliitigert sein, so daß also die gesamte Ummantelung einer
unten allgeschnittenen Düse entspricht. Die Flossen k(innen geiuäß der Erfindung
auch schwenkbar sein.
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Das Auftreten der hydraulischen Kräfte i bis 6 ist aus der Erfahrung
bekannt und der nennenswerte (@ewitin des resultierenden Schulres bei gleichzeitiger
Verminderung des resultierenden Schiffswiderstandes durch Versuche erwiesen.
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Hei der geraden Fahrt zurück kann mit üblichen Schrauben der Propellerstrahl
der zu starken Erwciterun(r der Düse beim dicken Profilteil des Düsenqtierschnittes
nicht mehr folgen, so daß er sich wie bei ein olni zu stark erweiternden Saugrohr
von der Düsenwand ablöst und rings um die Düse ein Tot-\vasser bildet. Durch die
Alllösung wird der -,virksanie Austrittsquerschnitt der Düse kleiner. Der Strömungswiderstand
der Düse wird um so kleiner und der Sclitill des Propellers um so weniger verniindert,
je früher die Ablösung der Strömung er- i folgt, weil der bei der Fahrt zurück positiv
zu j nennende Sog S des Totwassers kleiner ist als der Sog 9 bei anliegender
Strömung, die eine abbremsende @'erzürerung erleidet, wie dies sinngemäß, beibei
ScliiPen, auftritt, die bei kurz Löffelfürniig auslatifendeni Ileck einen größeren
Widerstand aufweisen als bei einer Abreißkante. Nun arbeitet aller nach den Figuren
die Flügelform mit konkaver 1-,rzetlgendcn der Schraube der Erweiterung der Düse
entgegen, zum Unterschiede von der Fahrt voraus, wodurch das Abreißen der Strömung
schon früher erfolgt und daher der wirksame Schub io des Propellers sich vergrößert,
weil die Austrittsgeschwindigkeit des Wassers beim Verlassen der 1)iise -,weniger
verzögert wurde. Die Schraube und die Düse fördern die Propulsion in diesem Falle
durch ihre entgegengesetzten Wirkungen.
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Infolge der Mulde oberhalb der Propellerwelle trifft der Propellerstrahl
später die Schiffswand und hat bis dahin ringsum, also auch oben, einen größeren
Teil seiner Stoßkraft durch Wirbel im Wasser abgegeben, so daß der positive Sog
16 an der Schiffswand kleiner wird als bei der gestrichelten Wand der Sog i i. Hier
hat sich die Schiffswand dem Stoß des Schraubenstrahles mehr entzogen und dadurch
einen größeren Gesamtschub von der Differenz der Kräfte i i und 16 gebracht.
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Bei der Fahrt voraus im Bogen ist das Ruder mit einem großen Ruderwinkel
in der Fig. 2 gestrichelt dargestellt. Die Fig. i zeigt, daß die Düse beiderseits
nach der gestrichelten Linie wie ein ovales Fenster ausgeschnitten ist. Das Ruder
schließt hierbei das 'in der Fahrtrichtung links gelegene Fenster (Fig. 2) wie eine
Drosselklappe ab, so daß die ganze Masse des Wasserstrahles durch das rechtsgelegene
Fenster austreten muß. Die große Umlenkung der Wassermasse ermöglicht es dem Schiff,
auch bei kleiner Fahrgeschwindigkeit, ja selbst vom Stand aus, einen kleinen Drehkreis
zu fahren. In diesem Falle ist die Form des Düsenaustrittes der gewünschten Umlenkung
des Wassers beim Ruder ringsum gleichgerichtet. Dadurch wird die Querkomponente
12 des Rudersoges ; 3 vergrößert.
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Bei der Fahrt zurück im Bogen tritt der durch (las seitliche Fenster
verursachte Rudereffekt in verkehrter Richtung besonders günstig auf. Es ist wenig
bekannt, daß Schiffe bei der Fahrt zurück bei kleiner Fahrgeschwindigkeit nicht
steuerbar sind, weil erstens die Querkräfte des Ruders zu klein sind und zweitens
die am Propeller wegen der schiefen Anströmung entstehenden Querkräfte zu den Kräften
am Ruder entgegengesetzt gerichtet sind, so daß bei Gleichheit dieser Kräfte das
Schiff labil wird. Ist die Umlenkung des Wassers vor dem Eintritt in den Propeller
aber vollzogen, so daß der Propeller nicht schief angeströmt wird, dann treten am
Propeller keine Querkräfte mehr auf und es verbleiben zum Steuern die eindeutigen
Kräfte am Ruder. In der Fig. 2 wird das Wasser nur durch das offene Fenster angesaugt
und durch das Ruder und die dem offenen Fenster gegenüberliegende Düsenwand parallel
zur Propellerwelle umgelenkt. Ein Umströmen des Ruders mit Wirbeln ist vermieden
worden. Es entsteht daher ein Sog 14, dessen Querkomp<Snente 15 auf das Ruder
und auf die genannte Düsenwand wirkt. Diese Kräfte sind auch bei der Fahrgeschwindigkeit
Null, doch drehendem Propeller vorhanden, so daß sich das Schiff selbst vom Stande
aus mit kleinem Drehkreis nach Fahrt zurück bewegen kann. In diesem Falle arbeitet
das Ruder und die Düse gleichgerichtet, ohne den Propeller zu stören.
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Das Auftreten der Querkräfte 12 und 15 und die kleinen Drehkreise
des Schiffes bei beliebigen Fahrtrichtungen sind versuchstechnisch erwiesen.
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Aus vorstehendem geht hervor, daß der ganze Propellerstrahl vom Austritt
der Propellerwelle aus dem Schiff bis zum Ruder der Reihe nach mittelbar oder unmittelbar
beeinflußt bzw. gerichtet wird, somit die dargestellten und beschriebenen Teile
des Schiffsantriebes eine hydraulische Einheit bilden.