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Propeller zum Antrieb von Schiffen mit einem die Propellerflügel durchdringenden
inneren Ring Die Erfindung bezieht sich auf Schiffspropeller, deren Flügel von einerri
inneren Ring durchdrungen sind, der sich mit dem Propeller dreht. Die bekannten
Formen der Innenringe derartiger Propeller sollen ein radiales Abströmen der Wassermassen
und damit die Kavitations- oder Hohlraumbildung im Bereich der Nabe verhindern.
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Um durch die Anordnung eines inneren Ringes zu einer tatsächlichen
Steigerung der Vortriebsleistung eines Propellers zu kommen, dürfen aber weder die
Oberflächenreibung des im Wasser rotierenden Ringes noch die an den Ringeintritts-
und -austrittskanten sowie im Nachstrom hinter der Nabe auftretenden Wirbel unberücksichtigt
gelassen werden, da diese die Vorteile der durch die Anordnung eines Ringes im Propellerinnern
erzielten Verbesserungen der inneren Strömungsverhältnisse wieder aufheben und der
Anlaß zu der bekannten Verschlechterung des Vortriebswirkungsgrades von Propellern
mit Innenring sind.
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Gemäß der Erfindung ist es erforderlich, Ring und Nabe derart zusammenwirken
zu lassen, daß bei einem Minimum an Ringreibung die am Schiffsrumpf entlang dem
Propeller zuströmenden Wassermassen wirbelfrei in den Propeller einströmen und nach
Beschleunigung des Wasserstromes im Ringinnern ohne Ablösewirbel am Ring, an den
Flügeln und an der Nabe wieder ausströmen.
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Ring und Nabe müssen also ein Führen des Wasserstromes in der Weise
erzwingen; daß die hydrodynamischen Gesetze, die den Zeitfaktor bei der Umwandlung
der Druckhöhe genügend berücksichtigen, beachtet sind und der Ring als Ringdüse
geringen Reibungswiderstandes gestaltet ist.
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Um diese Bedingungen zu erfüllen, hat der Ring vorteilhaft
eine
aus mehreren geraden und/oder gekrümmten Teillinien zusammengesetzte Mittellinie
für den axialen Querschnitt des ,Profils, und zwar soll die Mittellinie des Ringprofils
im Eintrittsteil, d. h. im vorderen, dem Schiffskörper zugekehrten Teil, sich etwa
der Außenform des hinteren Schiffskörpers, in der waagerechten Ebene durch die Propellerachse
betrachtet, anpassen und zu diesem unter Umständen mit einem geringen Anstellwinkel
etwa parallel laufen, damit die am Schiffsrumpf entlang gleitenden Wassermassen
ohne Richtungsänderung in den Propeller eintreten und an der Düsenwand ohne Änderung
der Richtung weitergleiten können. Eine geringe Richtungsänderung erfahren die dem
Propeller zugeströmten Wassermassen nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung
erst am Austrittsteil der Düse, wenn die Mittellinie des Ringprofils in diesem Teil
den Schenkel eines Winkels mit der Drehachse des Propellers bildet. Die bis zum
Schnittpunkt der Ein- und Austrittsmittellinien des Ringprofils ohne Richtungsänderung
und daher auch ohne Wirbelbildungen geführten Wasserströme werden nunmehr in Richtung
auf die Nabe gelenkt und bilden einen ringförmigen Wasserstrom, der die die Nabe
umfließenden Wassermassen überlagert und an die Nabenoberfläche preßt. Es wird so
erreicht, daß die Grenzschichten der um die Nabe fließenden Wassermassen sich nicht
ablösen und Wirbel im Nachstrom hinter der Nabe bilden können. Der gesamte Strömungswiderstand
aus Nabe und Ring wird dadurch kleiner als der Strömungswiderstand der Nabe allein.
Dieser Wert tritt als reine Steigerung der Vortriebsleistung in Erscheinung, wobei
der wirbelfreie Zu- und Austritt der Wassermassen einen weiteren Gewinn an Vortriebsleistung
bedeutet, der gegen die Verluste aus der Ringreibung in Rechnung gestellt werden
kann.
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Die Wirkungen des mit der erfindungsgemäßen Form der Mittellinien
aufgebauten Ringprofils erreichen dadurch den Bestwert, daß der Nabe eine Form gegeben
ist, die ein Zusammenarbeiten von Ring und Nabe im Führen des Wasserstromes im Ringinnern
erzwingt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß eine Formgebung des inneren Ringes allein;
die zu einer konstanten Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit über die ganze axiale
Länge des Ringes führt, eine Steigerung der Vortriebsleistung nicht erbrachte, da
wahrscheinlich durch Stauungen im Düseninnern der ungehinderte Zustrom des Wassers
zur Düse unterbunden wurde, die nicht geschluckten Wassermassen nach außen abströmten
und die Strömungsverhältnisse im Außenpropeller verschlechterten. Eine ungehemmte
Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit im Düseninnern verringert also die Propellerleistung.
Die Strömungsgeschwindigkeit darf im Ringinnern nur in bestimmten Grenzen gesteigert
werden und soll nicht zur Behinderung des freien Durchtritts der Wassermassen durch
den Propeller führen, d. h. sowohl der Ring als auch die Nabe müssen nach hydrodynamischen
Gesetzen geformt sein, die den Zeitfaktor bei der Umwandlung des hydrodynamischen
Äquivalents der Druckhöhe berücksichtigen.
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Gemäß einer weiteren Erkenntnis der Erfindung wird die Steigerung
der Strömungsgeschwindigkeit im Ringinnern so gewählt, daß die Höchstgeschwindigkeit
in einem Punkt innerhalb der axialen Ringlänge, und zwar kurz vor oder in der theoretischen
Schraubenkreisfläche erreicht wird und anschließend nahezu konstant bleibt, d. h.
der Durchströmquerschnitt der Ringdüse hat im Schnittpunkt der beiden Mittellinien
des Ringprofils seinen Kleinstwert erreicht. Dies hat den Vorteil, daß die Geschwindigkeitszunahme'
des Ringstromes bereits etwa auf der ersten Hälfte der axialen Ringlänge beendet
ist und von hier an die Wasserströme nur noch gelenkt werden, und zwar derart, daß
sich ein klares Strömungsbild hinter. der Nabe ergibt.
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Die Geschwindigkeitssteigerung solt sich dabei in den Grenzen halten,
die unter Berücksichtigung eines hydrodynamischen einwandfreien Verlaufes der Wassermassen
im Ringinnern und Ringäußern eine Druckhöhe im Ringinnern ergeben, der eine größere
Druckhöhe außerhalb des Ringes gegenübersteht. Die hierdurch frei werdende axiale
Druckkomponente auf dem Ringaußenmantel wirkt entgegen der Strömungsrichtung und
bildet eine direkte Vortriebskomponente.
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Es ist aus obigem erkennbar, daß ein innerer Ring nur dann mit Vorteil
angewandt werden kann, wenn den mit seiner Anwendung verbundenen positiven Wirkungen
ein Minimum an negativen gegenübersteht. Als negative Wirkung eines mit dem Propeller
rotierenden Ringes ist in erster Linie die Oberflächenreibung des im Wasser rotierenden
Ringes anzusehen und außerdem der direkte zusätzliche Strömungswiderstand des Ringes.
Beide steigen mit dem Durchmesser des Ringes an und sind am größten bei einem dem
Propeller von außen umgelegten Ring. Zwar würde bei einem dem Propeller außen umgelegten
Ring die Verbesserung der inneren Strömungsverhältnisse im Propeller einen Höchstwert
erreichen, dem steht aber der Höchstwert an Reibungs- und Ablöseverlusten gegenüber,
der die Vorteile der Strömungsverbesserung bei weitem überwiegt. Die Größe der Reibungsverluste
ist dabei abhängig von der Leistung und der Drehzahl des Propellers und steigt mit
beiden an. Bei der Bemessung des inneren Ringes ist sonach die Drehzahl und die
Belastung von ausschlaggebender Bedeutung. Bei kleiner Drehzahl kann der Ring einen
größeren Durchmesser haben, mit steigender Drehzahl muß der Ring kleiner werden.
Bei großer Belastung ist der Ring größer, bei sinkender kleiner. Es wurde festgestellt,
daß die Toleranzgrenze für den Durchmesser des inneren Ringes auf einer Entfernung
von etwa 0,4 bis o,6 des Flügelaußendurchmessers liegt, wobei die Schwankungen zwischen
diesen Grenzen durch die Drehzahl und die Belastung des Propellers bestimmt sind.
Es wurden Verbesserungen des Vortriebswirkungsgrades an einem Propeller mit innerem
Ring festgestellt, die zwischen 6 und io °/o lagen. Die höheren Werte wurden bei
Schiffen festgestellt, die eine Schleppleistung durchzuführen hatten, d. h. die
erreichbare Verbesserung ist abhängig vom Belastungsgrad des Propellers.
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Die Erfindung kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Eine
vorteilhafte Ausführungsform ist in der Zeichnung dargestellt. Die linke Seite der
Zeichnung zeigt dabei einen Propeller mit innenliegendem Ring, dessen Querschnitt
ein rechteckiges Profil hat und hinter einem Schiff mit mittlerem Völligkeitsgrad
angeordnet
ist, während die rechte Hälfte der Zeichnung ein völliges Schiff mit einem inneren
Ring zeigt, dessen Profil stromlinienförmig ist.
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Der Propeller der Zeichnung, rechte Hälfte, hat die Flügel
a und die Nabe b, die mit der Hinterschiffsform c stromlinienförmig
verläuft und angenähert Tropfenform hat, d. h. sie läuft in die Spitze d aus. Die
Mittellinie f des Querschnittprofils des inneren Ringes im Eintrittsteil ist nach
der Außenform c des Hinterschiffes, in der waagerechten Ebene durch die Propellerachse
gesehen, gekrümmt und läuft mit ihr nahezu parallel. Unter gewissen Umständen kann
es zu einer Verbesserung der Strömungsverhältnisse im Eintrittsteil des Ringes führen,
wenn die Mittellinie f einen kleinen Anstellwinkel zur Außenform c des Hinterschiffes
hat. Die Mittellinie g der Querschnittsform des inneren Ringes im Austrittsteil
des Ringes e bildet den Schenkel des Winkels a mit der Drehachse des Propellers.
Um diese Mittellinien f und g ist das Stromlinienprofil des Ringes
e gleichmäßig aufgebaut. Die Nabe b ist so geformt, daß ihr größter Durchmesser
etwa im S--hnittpunkt der beiden Mittellinien f und g des Ringprofils e in der Ebene
k-k senkrecht zur Achse liegt, die demnach den engsten Durchtrittsquerschnitt aufweist;
mit anderen Worten: Bis zu der Ebene k-k werden die an der Außenform c des Schiffes
entlang gleitenden Wassermassen von ihrem Eintritt in den Ring an beschleunigt,
während sie anschließend bei konstanter Geschwindigkeit durch das um die Mittellinie
g gebildete Ringprofil e im Austrittsteil des Innenringes gegen die Nabe b abgelenkt
werden. Der durch den Ring e fließende Wasserstrom hat sonach bei seinem Austritt
aus dem Ring e eine zur Nabenspitze gerichtete Strömung. Die Ebene k-k liegt dabei
entweder vor der theoretischen Schraubenkreisfläche oder fällt mit ihr zusammen.
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Die linke Hälfte der Zeichnung zeigt ein Schiff mittlerer Völligkeit,
dessen Außenform im Hinterteil nach der Kurve L verläuft. Die Mittellinie m'des
Ringprofils im Eintrittsteil des Ringes o von rechteckigem Querschnitt ist nach
der Außenform l des Schiffes gebogen und läuft zu dieser annähernd parallel, während
die Mittellinie n im Austrittsteil des Ringes o den Schenkel des Winkels a mit der
Drehachse h des Propellers bildet. Es kann auch hier wieder Vorteile haben, wenn
die Mittellinie m einen Anstellwinkel zur Außenform l
hat. Die Nabe
b ist so geformt, daß sie ihren größten Durchmesser in der gleichen Ebene k-k hat,
in der auch der Schnittpunkt der beiden Achslinien m und n des Ringprofils
liegt, so daß der kleinste Durchtrittsquerschnitt in der Ebene k-k bzw. vor oder
in der theoretischen Schraubenkreisfläche liegt. Es treten demnach hier die gleichen
Verhältnisse auf wie in dem Beispiel auf der rechten Seite der Zeichnung. Der Ring
o ist etwas über die Flügelkanten hinaus verbreitert, damit er mit einfachen Mitteln
befestigt werden kann. Es genügt nunmehr, die einzelnen Ringstücke zwischen den
Propellerflügeln aus Blech herzustellen und sie nach dem Einbringen in den Propeller
an den über die Flügelkanten hinausragenden Stellen miteinander und/oder mit den
Flügeln zu verschweißen oder anderweitig zu befestigen.
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Für Schiffe kleinerer Leistung kann unter Umstän-Jen aus Fertigungsgründen
auf eine Parallelführung der Mittellinien f und m verzichtet, die
entsprechende Leistungsminderung in Kauf genommen und beide Mittellinien aus Geraden
gebildet werden, die sich angenähert der Außenform des Hinterschiffes anpasseü.
Auch hier kann wieder ein kleiner Anstellwinkel zur Hinterschiffsform von Nutzen
sein.