EP0405137B1

EP0405137B1 - Schraube

Info

Publication number: EP0405137B1
Application number: EP90109743A
Authority: EP
Inventors: Alfred Dudszus; Dirk Büchler
Original assignee: Individual
Current assignee: BUECHLER, DIRK; Dudszus Alfred
Priority date: 1989-06-30
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2010-05-22
Also published as: JPH03266795A; NO902169D0; DD289500A5; NO902169L; DE59007481D1; EP0405137A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Propeller mit auf der Nabe in Gruppen hintereinander versetzt und zueinander geneigt in zwei oder mehreren Ebenen angeordneten Flügeln. Der Propeller ist für den Einsatz bei allen Wasserfahrzeugen geeignet, jedoch insbesondere bei Ein- und Mehrschraubenschiffen vorgesehen, um durch eine einfache, betriebssichere und kostengünstige Konstruktion und Anordnung von Schilfspropellern den Propulsionsgütegrad zu erhöhen und die propellererregten Druckimpulse zu mindern.
Es sind verschiedene gleich- und gegenläufige Schiffspropellerkonstruktionen und - anordnungen mit unterschiedlichen Naben- und Flügeltypen bekannt, die entweder eine höhere Drehleistung aufnehmen oder die Energieverluste und die Kavitation vermindern bzw. Energie aus dem Drall, Abstrom oder abgehenden Wirbeln zurückgewinnen sollen. So dienten die "Gleichlauf-Tandempropeller" mit zwei axial in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten gleich großen Flügelebenen (DE-C- 135 489; DE-C- 1094 622) oder die Propeller mit zwei zueinander geneigt angeordneten und gleich großen Flügelebenen (US-C- 4,306,839; US-C- 4,514,146) der höheren Leistungsaufnahme.
Eine weitere Gruppe von Propellern mit verbesserter Leistungsaufnahme stellen die Propeller mit drei axial in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Flügelebenen (DE-C- 227 725; DE-C- 237 161; GB-A- 2 204 643) dar.
In der DE-C- 227 725 wird ein Propeller mit in Gruppen versetzt hintereinander angeordneten Flügeln von zunehmender Länge beschrieben, bei dem durch eine Anordnung der Flügel einer Gruppe mit gleichen Fußpunkten auf einer steilgängigen Schraubenlinie, zu der die Flügelflächen normal gerichtet sind, hinter jedem Flügel ein möglichst freier Austritt des Wassers erreicht und somit die Wirkung des Propellers verbessert wird. Dadurch, daß auf diese Weise das Wasser freier als bei den bis dann bekannten Propellern durch die Flügelgruppen hindurchströmen kann, sollte eine bessere Schubwirkung erzielt werden.
Obwohl die Flügel in jeder Gruppe von vom nach hinten mit zunehmender Länge ausgebildet werden, entsprechen sie aber in ihren äußeren Umrissen einer einzigen gemeinsamen Grundform. Die kürzeren Flügel werden einfach durch Abschneiden der Enden von der Grundform gefertigt.
Mit nach solchen einfachen Technologien hergestellte Propeller konnten keine wesentlichen Propulsionsverbesserungen erreicht werden und können nicht Ausgangspunkt und Grundlage moderner Propellerentwürfe sein.
Mit der DE-C- 237 161 ist ebenfalls ein Propeller mit in Gruppen versetzt hintereinander angeordneten Flügeln bekannt, der durch eine fortschreitende Abnahme der Steigung der Flügel vom vorderen zum hinteren Flügel gekennzeichnet ist.
Diese Neuerung sollte gegenüber den bis zu diesem Zeitpunkt bekannten, bei denen die Steigung der vorderen Flügel geringer war als die der hinteren, eine bessere Leistung bewirken, jedoch war diese Neuerung auf Propeller abgestellt, bei denen die Flügel der vordersten Flügelebene am größten sind und die Flügel der nachfolgenden Flügelebenen jeweils kürzer sind.
Auch die Merkmale dieses Propellers konnten keinen Hinweis für den Entwurf moderner und propulsionsgünstigerer Propeller liefern.
Des weiteren ist mit der FR-A- 671 016 ein Propellerrad bekannt, bei dem die Flügel mit zwei unterschiedlich langen Flügelformen abwechselnd in nahezu gleicher Flügelebene angeordnet sind und die Steigung der Propellerflügel ihren höchsten Wert in Nabennähe und ihren minimalste Wert in etwa der Mitte der Flügel hat und allmählich bis zu den Flügelenden wieder ansteigt.
Die vermittelten Hinweise aus dieser Veröffentlichung über die Formgestaltung des Flügels hinsichtlich seiner Steigung reichen ebenfalls für die Erzielung eines hohen Propulsionsgütegrades moderner Antriebspropeller nicht aus.
Da sich die in Aussicht gestellten Schubgewinne bei den bekannten Lösungen in der Praxis nicht bestätigten und eine wesentliche Verbessereung des Propulsionsgütegrades ausblieb und auch Schwingungen sowie Kavitationserscheinungen mit den Merkmalen der bekannten Lösungen nicht vermindert werden konnten, wurden diese Lösungen für höhere Leistungsumsetzungen moderner Schiffspropeller nicht mehr angewandt.
Die bekannten Lösungen erfordern somit höhere Aufwendungen oder sind auf spezielle Einsatzfälle beschränkt oder mit unerwünschten Nebenwirkungen gekoppelt oder es werden die Wechselwirkungen aus der Schiffsumströmung, der Propelleranströmung und dem Abstrom nicht ausschöpfend genutzt.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen allgemein für Ein- und Mehrschraubenschiffe einsetzbaren, einfachen, kostengünstigen und zuverlässigen Schiffspropeller zu schaffen, der den Propulsionsgütegrad weiter verbessert und Schwingungen sowie Kavitationserscheinungen vermindert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Propeller mit auf der Nabe in Gruppen hintereinander versetzt und zueinander geneigt in zwei oder in mehreren Ebenen angeordneten Flügeln zu schaffen, bei dem die Wirbelverluste gesenkt und die propellererregten Druckimpulse vermindert werden und mit dem generell ein größeres Nachstromvolumen erfaßt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Nabe des als "Interferenzpropellers" bezeichneten Propellers mit Flügeln in mindestens zwei Flügelebenen, bezogen auf die Flügelspitzen, versehen ist, die gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl drehen und, daß die Flügel der dem Schiffsrumpf zugewandten Flügelebene, die sogenannten Vorflügel, im Spitzendurchmesser kleiner sind als die Flügel der nachfolgenden Flügelebenen, die sogenannten Nachflügel, und daß die Anzahl der Vorflügel jeweils der Anzahl der Nachflügel jeder Nachflügelebene entspricht, so daß zu jedem Vorflügel ein Nachflügel jeder Nachflügelebene gehört und, daß die Steigung der Nachflügel geringer ist als die Steigung der jeweiligen Vorflügel , wobei die Nachflügel in ihren äußeren Radien anteilig mehr verringert sind als in Nabennähe und, daß der axiale Abstand x der Flügelebenen voneinander im Bereich von 0,1 - 0,4 des Durchmessers der Vorflügelebene liegt und, daß der mittlere periphere Nachfolgewinkel Φ, definiert als der Winkel zwischen der Mittellinie der Profilschnitte am Radius 0,7 R eines Vorflügels und der Mittellinie der Profilschnitte am Radius 0,7 R des dazugehörigen Nachflügels, der zueinander gehörenden Flügel des aus Vor- und Nachflügel/n bestehenden Interferenzflügelsystems im Bereich zwischen 60 grd. bis 140 grd. vorgesehen wird und sowohl der axiale Abstand x als auch der mittlere periphere Nachfolgewinkel Φ in Abhängigkeit der Fortschrittsziffer J, bekannt als Quotient aus der Anströmgeschwindigkeit v A des Propellers und dem Produkt aus Drehzahl n und Durchmesser D des Propellers,

bestimmt werden.
Auf diese Flügel und -anordnung gestützt wird eine Reduzierung der Schubbelastung der vorderen Flügelebene erreicht und die Energie der von der jeweils vorderen Flügelebene abgehenden Wirbel durch die zweite und ggf. nachfolgende Nachflügelebene zumindest teilweise zurückgewonnen.
Die in den einzelnen Flügelradien jeweils günstigsten peripheren Nachfolgewinkel Φ und axialen Abstand x für verschiedene Profil- und Flügelformen bzw. Belastungen liegen in den Gebieten der geringsten Axial- und Tangentialgeschwindigkeiten hinter dem jeweiligen Vorflügel.
Die äußeren Flügelradien der gegenüber den Vorflügeln größeren Nachflügel wirken dabei in dem durch die Zirkulation von den Vorflügeln erzeugten Vorstromgebiet und sind durch kleinere Steigungen geringer belastet, damit die Spitzenwirbel der Nachflügel und ihre Spitzenwirbelverluste klein bleiben.
Die Profile sowie die axiale und periphere Anordnung der Nachflügel an der Nabe und im nabennahen Bereich sind bei Ausführungsvarianten, bei denen die Flügel axial versetzt zur Nabe geführt werden so angeordnet, daß sie aus den von den Vorflügeln abgehenden Nabenwirbeln und der Reibung Energie zurückgewinnen.
Um eine optimale Anpassung der Flügelsteigung und der Propellerdrehzahl an veränderte Schiffskörpereinflüsse zu ermöglichen, können die Flügel einer oder mehreren Flügelebenen verstellbar bzw. einstellbar oder die Flügelebenen gegeneinander verdrehbar ausgeführt werden. Vorteilhaft ist es, die Flügel der Vorflügelebene feststehend und die Flügel der Nachflügelebene/n verstellbar bzw. einstellbar zu gestalten.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen erläutert:

Fig.1 zeigt schematisch die Zirkulation um einen Tragflügel von endlicher Länge mit dem Zirkulationsabfall an den Tragflügelenden sowie dem gebundenen und freien Wirbelsystem.
Fig. 2 zeigt die Überlagerung der Stromlinien aus der Schiffsumströmung und der Propellerströmung mit der Strömung des Wirbelzylinders sowie dem daraus um die Propellerebene entstehenden Vorstromgebiet.
Fig. 3 veranschaulicht die gegenüber der homogenen Anströmgeschwindigkeit v₀ unterschiedlichen örtlich maximalen sowie gemittelten Geschwindigkeiten verschiedener axialer Meßebenen vor und hinter der Propellerebene an den Radien im kontrahierten Strahlund außerhalb des Propellerstrahls an einem Modellpropeller durch Lasermessung.
Fig. 4 zeigt die an einem anderen Modellpropeller durch Lasermessung ermittelten örtlichen maximalen und minimalen gemittelten Geschwindigkeiten im Flügelwurzelbereich und bis 1,25 D. Die Zahlenwerte geben die mittlere Geschwindigkeit an.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines vierflügeligen Schiffspropellers mit jeweils zwei zugeordneten Vor- und Nachflügeln.

An einer Nabe sind in zwei Ebenen, bezogen auf die Flügelspitzen, hintereinander versetzt jeweils zwei Flügel angeordnet, die gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl drehen. Die Flügel der zuerst angeströmten Flügelebene, die sogenannten Vorflügel 1, sind kleiner ausgeführt als die Flügel der nachfolgenden Flügelebene, oder anders ausgedrückt, der Spitzenkreisdurchmesser der Flügel der nachfolgenden Flügelebene, der der sogenannten Nachflügel 2, ist bis zum 1,4 fachen größer als der der Vorflügel 1.
Jedem Vorflügel 1 ist somit ein Nachflügel 2 zugeordnet. Die Steigung der Nachflügel 2, insbesondere die der äußeren Radien der Nachflügel 2, ist geringer ausgeführt als die Steigung der Vorflügel 1.
Der axiale Abstand x der beiden Flügelebenen voneinander beträgt 0,1 bis 0,4 des Durchmessers der Ebene der Vorflügel 1.
Der periphere Nachfolgewinkel Φ der einander zugeordneten Flügel des aus Vorflügel 1 und Nachflügel 2 bestehenden Interferenzflügelsystems ist in den Flügelradien im Bereich zwischen 60 grd. bis 140 grd. angesiedelt.

Claims

Propeller mit auf der Nabe in Gruppen hintereinander versetzt und zueinander geneigt in zwei oder mehreren Ebenen, bezogen auf die Flügelspitzen, angeordneten Flügeln, die gleichsinnig und mit gleicher Drehzahl drehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel der zuerst angeströmten Flügelebene, die sogenannten Vorflügel, kleiner sind als die Flügel der nachfolgenden Flügelebene/n bzw., daß der Spitzenkreisdurchmesser der Flügel der nachfolgenden Flügelebene/n, der der sogenannten Nachflügel, größer als der der Vorflügel ist und, daß die Anzahl der Vorflügel jeweils der Anzahl der Nachflügel jeder Nachflügelebene entspricht, so daß jedem Vorflügel ein Nachflügel jeder Nachflügelebene zugeordnet ist, und, daß die Steigung der Nachflügel, hauptsächlich die der äußeren Radien der Nachflügel, geringer ist als die Steigung der Vorflügel und, daß der axiale Abstand x der Flügelebenen voneinander im Bereich von 0,1 - 0,4 des Durchmessers der Vorflügelebene liegt und, daß der mittlere periphere Nachfolgewinkel Φ, definiert als der Winkel zwischen der Mittellinie der Profilschnitte am Radius 0,7 R eines Vorflügels und der Mittellinie der Profilschnitte am Radius 0,7 R des dazugehörigen Nachflügels, der einander zugeordneten Flügel des aus Vor- und Nachflügeln bestehenden Interterenzflügelsystems im Bereich zwischen 60 grd. bis 140 grd. angesiedelt ist und, daß sowohl der axiale Abstand x als auch der mittlere periphere Nachfolgewinkel Φ in Abhängigkeit der Fortschrittsziffer J, bekannt als Quotient aus der Anströmgeschwindigkeit v_A des Propellers und dem Produkt aus Drehzahl n und Durchmesser D des Propellers,
bestimmbar ist.
Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel einer oder mehrerer Flügelebenen verstell- bzw. einstellbar sind.
Propeller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel der Vorflügelebene feststehend und die Flügel der Nachflügelebene/n verstell- bzw. einstellbar ausgeführt sind.
Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Flügelkreisflächen der Vor- und Nachflügel in den inneren Flügelradien überdecken.
Propeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachflügel gegenüber den Vorflügeln in den nabennahen Flügelradien axial in Richtung des Abstroms versetzt angeordnet sind.