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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung des Antriebsleistungsbedarfes
eines Ein- oder Mehrschraubenschiffes, insbesondere für
völlige und nichtvöllige, nicht sehr schnelle
Schiffe.
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Aus
der
DE 42 23 570 C1 ist
eine Strömungsleitfläche für Verstellpropeller
bekannt. Bei dieser Strömungsleitfläche ist vorgesehen,
dass durch eine vorgeschaltete Ringdüse als Diffusor eine
Strömungsbeeinflussung durchgeführt wird. Hierfür
wird eine Verzögerung der Anströmung im Nahbereich
und eine Beschleunigung der Anströmung im außenliegenden
Bereich durchgeführt. Der Diffusordurchmesser ist kleiner
als 65% des Propellerdurchmessers. Eine solche Düse ist
als Verzögerungsdüse bzw. als Diffusor mit nach
außen gewölbter Ringdüse ausgeführt.
Dieser Diffusor verzögert die Strömung in seinem
Bereich, was nur durch sehr dicke Naben, wie bei Verstellpropeller,
zu einer Verbesserung des Propulsionswirkungsgrades führen
kann. Eine solche Düse ist daher nicht als Beschleunigungsdüse
mit einer Wölbung der Ringdüse nach innen ausgeführt.
Die in dieser Druckschrift vorgestellte Düse beschleunigt
daher nicht die Strömung in ihrem Bereich und ist nicht
für alle Propellertypen geeignet, insbesondere nicht für
Festpropeller geeignet. Ein Wirkprinzip einer Vordüse,
das in der Erhöhung der Propellerströmgeschwindigkeit
in Gebieten sehr hohen Mitstromes besteht, wird in der
DE 42 23 570 C1 nicht beschrieben.
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Aus
der
JP 07 267189 A ist
eine Propelleranordnung mit einer ringförmigen Düse
und sternförmig angeordneten Flossen bekannt. Der Propellerdurchmesser
entspricht etwa dem Ringdurchmesser der Düse.
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In
der
JP 58 000492 A ist
eine weitere Propelleranordnung gezeigt, mit der eine Verbesserung
des Wirkungsgrades und eine Verringerung des Antriebsleistungsbedarfs
möglich sein soll. Diese Anordnung umfasst ebenfalls Flossen
sowie eine Struktur bestehend aus sechs wabenförmig angeordneten
Elementen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen,
die der Verringerung des Antriebsleistungsbedarfes eines Schiffes
dient. Außerdem soll eine Wirkungsgradverbesserung und
eine Anpassung der Flossen bzw. Tragflügel an die Anströmung
erreicht werden. Außerdem soll die Propelleranströmung verbessert
werden.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruches 1.
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Hiernach
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Weise
ausgebildet, dass die in einem geringen Abstand vor dem Propeller
am Schiffskörper angebrachte Vorrichtung aus einer Vordüse
mit innerhalb der Vordüse angeordneten Flossen bzw. Tragflügeln
besteht, wobei die Vordüse um eine horizontale, quer liegende Achse,
die durch den Vordüsenmittelpunkt verläuft, bevorzugterweise
um bis zu 8°, oben nach vorn drehbar ist.
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Mit
einer derart ausgebildeten Vorrichtung ist es möglich,
den Antriebsleistungsbedarf eines Schiffes zu verringern. Der mögliche
Gewinn steigt mit zunehmendem Schubbelastungsgrad des Propellers.
Die Vorrichtung eignet sich besonders für langsame, völlige
Schiffe, wie Tanker, Bulker und Schlepper und auch für nicht
sehr schnelle Schiffe aller Typen. Die Vorrichtung selbst ist vor
dem Propeller des Schiffes fest am Schiffskörper angebracht
und besteht aus den beiden Funktionselementen Vordüse und
Flossen bzw. Tragflügel.
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Dabei
besteht das Wirkungsprinzip der Vordüse in der Erhöhung
der Propelleranströmgeschwindigkeit in Gebieten sehr hohen
Mitstromes und Verringerung der Propelleranströmgeschwindigkeit
in Gebieten geringen Mitstromes und das der innerhalb der Vordüse
angeordneten Flossen bzw. Tragflügel in der Erzeugung eines
Vordralls, wobei beide Funktionselemente auf verschiedene Verlustquellen
zielen, nämlich die Vordüse auf eine Verringerung
der effektiven Schubbelastung und die Flossen bzw. Tragflügel
auf eine Verringerung der Drallverluste im Propellerstrahl. Durch
beide Effekte wird der Wirkungsgrad des Propulsionssystems erhöht.
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Dadurch,
dass die Vorrichtung so dicht wie möglich vor dem Propeller
angebracht ist, wird eine höchstmögliche Wirkung
erzielt, und zwar auch bei unterschiedlichen Ladefällen.
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Hinzu
kommt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht
nur für völlige Schiffe geeignet ist; sie kann
bei allen nicht sehr schnellen Schiffen, etwa V ≤ 25 K
kn, mit gleicher Wirkung eingesetzt werden. Auch ein Einsatz für
sehr große Containerschiffe ist möglich.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Um
eine höchstmögliche Wirkung zu erzielen, ist die
Vorrichtung bzw. die Vordüse mit ihrer Hinterkante nicht
weiter als 0,3 mal Propellerdurchmesser vor der Propellerebene fest
angebracht. Vorzugsweise ist die Vordüse um etwa 4° nach
vorn drehbar.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung ist die Vordüse um eine senkrechte
Achse, die durch den Vordüsenmittelpunkt verläuft,
seitlich so verdrehbar, dass die Vordüse auf der aufwärts
schlagenden Seite des Propellers nach vorn drehbar ist.
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Die
Erfindung sieht ferner vor, dass die Vordüse um eine senkrechte
Achse, die durch den Vordüsenmittelpunkt verläuft,
seitlich um bis zu 3°, bevorzugterweise um 1°,
so verdrehbar ist, dass die Vordüse auf der aufwärts
schlagenden Seite des Propellers nach vorn drehbar ist, wobei die
Drehung auch 0° sein kann, jedoch nicht in die andere Richtung.
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Ferner
sieht die Erfindung vor, dass die Dicke des Profils der Vordüse
weniger als 12% seiner Länge beträgt. Vorteilhafterweise
kann die Dicke des Profils der Vordüse 7,5% oder 9% seiner
Länge betragen.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Flossen bzw. Tragflügel
in radialer Richtung einen variablen Anstellwinkel besitzen, wobei
die Flossen bzw. Tragflügel so verdreht (getwistet) sind,
dass die Flossen bzw. Tragflügel innen am Schiff nach oben
gerichtet sind und der Anstellwinkel nach außen zur Vordüse
hin abnimmt.
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So
ist die Vordüse rotationssymmetrisch mit nach oben verschobener
bevorzugterweise oberhalb der Propellerachse liegenden Achse angeordnet,
wobei der Innendurchmesser der Vordüse maximal 90% des Propellerdurchmessers
beträgt.
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Bevorzugterweise
sind vier Flossen bzw. Tragflügel unsymmetrisch innerhalb
der Vordüse und radial zur Propellerachse angeordnet, wobei
die Flossen bzw. Tragflügel den Schiffskörper
mit der Vordüse verbinden und am hinteren Ende der Vordüse
angeordnet sind, wobei die gewölbte Seite des tragflügelförmigen
und auch linsenförmigen Querschnittsprofils der Flosse
bzw. des Tragflügels auf der aufwärts schlagenden
Seite des Propellers nach oben und auf der abwärts schlagenden
Seite des Propellers nach unten gerichtet ist. Die Anordnung von
vier Flossen bzw. Tragflügeln im Innenraum der Vordüse
stellt jedoch keine Beschränkung dar, zumal auch eine geringere
oder größere Anzahl von Flossen bzw. Tragflügel
vorgesehen sein kann.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele für ein
Schiff mit einem über oben nach Steuerbord drehendem Propeller
der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt
und zwar zeigt:
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1 in
einer Seitenansicht von Steuerbord die erfindungsgemäße
aus einer Vordüse mit in deren Innenraum angeordneten Flossen
bzw. Tragflügeln bestehenden Vorrichtung,
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2 die
Vorrichtung in einer Ansicht von hinten, wobei die Flossen bzw.
Tragflügel nicht angestellt dargestellt sind,
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3 einen
vergrößerten Querschnitt durch das Profil einer
Flosse bzw. eines Tragflügels;
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4 eine
Seitenansicht der Heckkontur,
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5 einen
Spantenriss des Hinterschiffes,
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6 die
Vordüse mit in deren Innenraum angeordneten Flossen bzw.
Tragflügeln gemäß 1 mit Stellungsanordnungen
der Flossen,
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7 eine
Seitenansicht der Vorrichtung mit um 4° oben nach vorn
gekippter Vordüse,
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8 eine
schaubildliche Ansicht der Vordüse mit innen am Schiff
nach oben gerichteten und verdrehten (getwisteten) Flossen,
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9 ein
Diagramm über Leistungseinsparungen bei Anwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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10 ein
Diagramm über den Leistungsbedarf mit oder ohne der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und
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11 ein
Diagramm zu Leistungseinsparungen bei Anwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei verschiedenen Schiffstypen.
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Gemäß 1 besteht
die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 darin,
dass unmittelbar vor dem in der Zeichnung nicht dargestellten Propeller
eines Schiffskörpers 100 eine Vordüse 20 mit
zylindrischer Formgebung oder ei ner andersartig gestalteten Form
oder Querschnittsform vorgesehen ist, die fest am Schiffskörper angebracht
ist. Im Innenraum 20a der Vordüse 20 sind
Flossen bzw. Tragflügel 30 angeordnet. Die Vordüse 20 ist
rotationssymmetrisch mit nach oben verschobener Achse 21 am
Schiffskörper angeordnet.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
im Innenraum 20a der Vordüse 20 vier
Flossen bzw. Tragflügel 30a, 3015, 30c, 30d sternförmig
mit unterschiedlichen Flossen- bzw. Tragflügellängen
angeordnet. Diese vier Flossen bzw. Tragflügel sind unsymmetrisch
innerhalb der Vordüse und radial zur Propellerachse PA
angeordnet. Dabei verbinden die Flossen bzw. Tragflügel 30a, 30b, 30c, 30d die
Vordüse 20 mit dem Schiffskörper 100 und
sind am hinteren dem Propeller zugekehrten Ende der Vordüse 20 angeordnet,
wobei die gewölbte Seite 32 des tragflügelförmigen
oder linsenförmigen Querschnittsprofils 31 der
Flossen bzw. Tragflügel 30, 30a, 30b, 30c, 30d auf
der Backbordseite des Schiffes bzw. auf der aufwärts schlagenden
Seite des Propellers nach oben und auf der Steuerbordseite des Schiffes
bzw. abwärts schlagenden Seite des Propellers nach unten
gerichtet ist. Die Flossen bzw. Tragflügel 30a, 30b, 30c, 30d sind
des Weiteren backbordseitig vorn nach oben und steuerbordseitig
vorn nach unten gerichtet (2 und 3).
Die Umlaufrichtung des Propellers erfolgt in Pfeilrichtung X (1).
Die in dem Innenraum 20a der Vordüse 20 angeordneten
Flossen bzw. Tragflügel 30 bzw. 30a, 30b, 30c, 30d sind
in ihren Winkelstellungen verstellbar und in den eingestellten Winkelstellungen
arretierbar.
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Nach
einem Ausführungsbeispiel mit über oben nach Steuerbord
drehendem Propeller nehmen die Flossen bzw. Tragflügel
30a,
30b,
30c,
30d folgende,
bevorzugte radiale Winkelstellungen und Ausgangswinkelstellungen
ein:
| | | Flossenwinkel | Anstellwinkel |
| Backbord
(BB) | untere
Flosse (30a) | 247,5° | 14° |
| Backbord
(BB) | mittlere
Flosse (30b) | 292,5° | 12° |
| Backbord
(BB) | obere
Flosse (30c) | 337,5° | 8° |
| Steuerbord
(SB) | Flosse
(30d) | 90,0° | 10° |
und zwar bei einer Flossenwinkeldefinition: von
hinten gesehen: 12 Uhr = 0°, im Uhrzeigersinn wachsend,
wobei die Flossenwinkel und die Anstellwinkel von den angegebenen
Werten abweichen können.
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Nach
der in 1, 3 und 6 dargestellten
Ausführungsform weisen die Flossen bzw. Tragflügel
ein linsenförmiges Querschnittsprofil 31 mit einer
gewölbten Seitenwand 32 und mit einer geradlinig
verlaufenden Grundfläche 33 auf. Die Anordnung
und die Stellung beispielsweise der beiden Flossen 30 zur
Propellerachse PA ist dabei derart, dass die obere Flosse mit ihrer
Grundfläche 33 in etwa parallel zur Propellerachse
PA verlaufend ist, wohingegen die untere Flosse eine Stellung einnimmt,
bei der ihre Grundfläche 33 in einem Winkel α von
mindestens 5°, bevorzugterweise von 10° zur Propellerachse
PA verlaufend ist. Andere Winkelstellungen der Flossen sind möglich.
Insgesamt weisen bevorzugterweise die Flossen 30a, 30b, 30c, 30d die
in 2 gezeigten Stellungen auf.
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Die
Vordüse 20 gemäß 1 und 6 wird
gebildet von einem Formkörper 25 mit einem Querschnittsprofil 26 mit
einem außenseitig liegenden, in einem Winkel zur Propellerachse
PA schräg verlaufenden Wandabschnitt 26a und mit
einem innenliegenden geradlinig und parallel zur Propellerachse
PA verlaufenden Wandabschnitt 26b, der in dem dem Propeller
abgewandten Bereich einen bogenförmigen Wandabschnitt 26c aufweist,
der in den außenseitigen Wandabschnitt 26a übergeht.
Der außenseitig liegende Wand abschnitt 26a kann
auch bogenförmig ausgebildet sein. Die Propellerseite ist
bei PS in 6 angedeutet.
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Wie 7 zeigt,
ist die Vorrichtung 10 in einem geringen Abstand vor dem
Propeller 101 am Schiffskörper 100 angebracht.
Die Vorrichtung 10 soll dabei so dicht wie möglich
vor dem Propeller 101 angeordnet sein. Die Vordüse 20 ist
dabei um eine horizontale, quer liegende Achse, die durch den Vordüsenmittelpunkt verläuft,
bevorzugterweise um bis zu 8°, oben nach vorn drehbar,
angeordnet. In der 7 ist die Vordüse 20 4° oben
nach vorn gekippt. Dabei ist die Vordüse 20 mit
ihrer Hinterkante nicht weiter als 0,3 mal Propellerdurchmesser
vor der Propellerebene fest angebracht.
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Die
Vordüse 20 kann des Weiteren um eine senkrechte
Achse, die durch den Düsenmittelpunkt verläuft,
seitlich, z. B. bis zu 3°, so gedreht werden, dass die
Vordüse auf der aufwärts schlagenden Seite des Propellers 101 nach
vorn gedreht wird. Optimal scheinen hierbei Drehungen bis zu 1° zu
sein. Auch 0° können zutreffend sein, aber nicht
in die andere Richtung.
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Die
Dicke des Profils der Vordüse 20 beträgt
weniger als 12% seiner Länge. Bevorzugterweise beträgt die
Dicke des Profils der Vordüse 20 7,5% oder 9%
seiner Länge.
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Die
Flossen bzw. Tragflügel 30, 30a, 30b, 30c, 30d besitzen
in radialer Richtung einen variablen Anstellwinkel, wobei die Flossen
bzw. Tragflügel so verdreht (getwistet) sind, dass die
Flossen bzw. Tragflügel innen am Schiff nach oben gerichtet
sind und der Anstellwinkel nach außen zur Vordüse 20 hin
abnimmt (8).
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Die
Dickenausgestaltung des Profils der Vordüse 20 und
die Ausgestaltung, dass die Flossen bzw. Tragflügel 30, 30a, 30b, 30c, 30d in
radialer Richtung einen variablen Anstellwinkel besitzen, sind für
schnelle Schiffe unerlässlich; sie sind auch bei völligen
Schiffen anwendbar.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung 10 werden
erhebliche Leistungseinsparungen erhalten, wie dies aus dem Diagramm
der 9, das die Leistungseinsparungen durch die Anwendung der
Vorrichtung 10 für drei Schiffe erreicht werden,
davon bei zwei Schiffen mit verschiedenen Tiefgängen (X =
Entwurfsgeschwindigkeit), ersichtlich ist.
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Das
Diagramm gemäß 10 zeigt
den Leistungsbedarf bei einem Bulk Carrier mit 118.000 DWT mit und
ohne der Vorrichtung 10.
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Besonders
hohe Gewinne sind z. B. bei Schiffen mit 12.000 DWT auf eine dicke
Nabe bei einem Verstellpropeller zurückzuführen,
deren Verluste durch die Vorrichtung 10 reduziert werden.
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Der
Schutzbelastungsgrad ist besonders groß bei sehr großen
langsamen Schiffen. Das Diagramm der 11 zeigt
die Leistungseinsparungen durch die Vorrichtung 10 in Abhängigkeit
vom CTh-Wert. Im unteren Teil der 11 ist
eine Zuordnung zu Schiffstypen gegeben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet
durch die in der Beschreibung und den Ansprüchen angegebenen
Merkmale und durch die in den 1 bis 11 der
Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen.
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- 10
- Vorrichtung
- 20
- Vordüse
- 20a
- Innenraum
- 21
- Achse
der Vordüse
- 25
- Formkörper
- 26
- Querschnittsprofil
- 26a
- Wandabschnitt
- 26b
- Wandabschnitt
- 26c
- Wandabschnitt
- 30
- Flosse/Tragflügel
- 30a
- Flosse/Tragflügel
- 30b
- FlosselTragflügel
- 30c
- Flosse/Tragflügel
- 30d
- Flosse/Tragflügel
- 31
- Querschnittsprofil
- 32
- gewölbte
Seitenwand
- 33
- Grundfläche
- 100
- Schiffskörper
- 101
- Propeller
- BB
- Backbord
- SB
- Steuerbord
- PA
- Propellerachse
- PS
- Propellerseite
- X
- Umlaufrichtung
des Propellers
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4223570
C1 [0002, 0002]
- - JP 07267189 A [0003]
- - JP 58000492 A [0004]