DE663286C - Wasserfahrzeug mit Antrieb durch Schraube und Duese - Google Patents

Description

In dem Patent 617 775 ist ein Wasserfahrzeug beschrieben, das von einer außerhalb des Schiffskörpers liegenden, von einer Düse umgebenen, frei drehenden Treibschraube an-S getrieben wird. Die Schraube arbeitet dabei etwa an der engsten Stelle des radial völlig geschlossenen, vorn an der Eintrittskante abgerundeten Düsenkörpers, dessen Innenwand nach den durch die Schraubenwirkung bedingten strömungstechnischen Grundsätzen ausgebildet und dessen Außenwand dem unter Berücksichtigung der Schiffskörperform gegebenen Verlauf der Wasserströmung angepaßt ist.

Praktische Erfahrungen und Modelltankversuche haben gezeigt, daß mit einer derartigen Anordnung der gewünschte Erfolg nicht in allen Fällen erzielt· werden kann, sondern daß die Ausbildung der Schiffsform vor der Düse, oder die örtliche Anordnung der Düse zu dem davor befindlichen Schiff von grundsätzlicher Bedeutung für die Erzielung der angestrebten Vortriebsverbesserung ist. Die antriebsverbessernde Wirkung wird ganz oder zum großen Teil zunichte gemacht, wenn die Umlenkung des in die Schraube strömenden Wassers in Richtung senkrecht zur Drehebene der Schraube innerhalb des Zulaufteils des Düsenkörpers erfolgt. Dagegen wird eine Bestwirkung erzielt, wenn die Form des Schiffskörpers vor der Eintrittsöffnung der Düse so ausgebildet oder die Düse zum Schiffskörper so angeordnet wird, daß das Wasser schon vor dem Erreichen des Düsenmundes etwa .parallel zur Schraubenachse umgelenkt wird. Die vorliegende Erfindung stellt daher einen weiteren bedeutsamen Schritt dar zur Verbesserung der Wirkung der mit Patent 617 775 beschriebenen Antriebsvorrichtung f ürWasserfahrzeuge.

Daß es sich hierbei um einen wesentlichen technischen Fortschritt handelt, geht u. a. aus der rein praktischen Erfahrung hervor, · daß eine an ein völliges Schiffsheck zunächst nach dem Patent 617 775 gebaute Antriebsvorrichtung für ein Flußmotorschiff ein völliger Versager war, während nach Vornahme der beschriebenen Maßnahme das fragliche Fahrzeug nicht nur mit eigener Kraft eine ge- 5c wisse Stromschnelle überwand, die es vorher nicht durchfahren konnte, sondern daß¹ es auch noch ein zweites gleich großes Fahrzeug mit über die Stromschnelle schleppen konnte. Auf die sachliche Begründung dieser Erscheinung wird weiter unten bei Erläuterung der Abbildungen eingegangen.

Gegenstand dieser Erfindung ist, die mit Patent 617 775 gegebene Vorschrift zum Bau von Schraubendüsen zum Antrieb von Wasserfahrzeugen zu erweitern durch den Zusatz, daß es zur Vermeidung von Vorschubver-

hasten oder völligem Versagen der Vorrichtung nötig ist, den Schiffsrumpf unmittelbar vor und innerhalb der Düse so auszubilden oder die Düse und den davor befindlich Schiffskörper so zueinander anzuordnen, da'ßj' das Wasser ohne wesentliche Umlenkung¹ innerhalb der Düse von vorn in die Düse hineinströmt, also in einer Richtung, die etwa parallel zu der Propellerachse ist. ίο In den beiliegenden Abbildungen stellt

Abb. ι einen waagerechten Schnitt etwa in ■ Höhe der Schraubenwelle durch das Hinterschiff eines Einschraubers dar mit daran befindlicher Treibschraube und ringförmiger Düse.

Abb. 2 ist eine ' Rückansicht des Düsenkörpers mit dem davor befindlichen Fahrzeug von hinten gesehen.

Abb. 3 ist ein schräg geführter Schnitt in Richtung der Achse der Schraubenwelle durch den in Abb. 2 dargestellten Düsenkörper, der eine Erweiterung des Mundes des Düsenkörpers im Gebiete geringerer Zuströmgeschwindigkeiten zeigt.

Abb. 4 stellt den Horizontalschnitt durch das Schiffsheck eines Zweischraübers in Höhe der Mitte der Schraubenwellen dar mit erfindungsgemäßen Düsen um die beiden Treibschrauben.

Abb. 5 und 6 dienen ausschließlich erklärenden Zwecken, um an dem Beispiel eines Doppelschraubers nachzuweisen, warum eine > Umlenkung des Zustroms zur Schraube im Düseneintrittsteil für den Vortrieb schädlich ist und vermieden werden muß.

Abb. 7, 8 und 9 zeigen Seitenansicht, waagerechten Schnitt und Rückansicht einer erfindungsgemäßen Düsenanordnung bei einem Einschrauber, bei dem die Wasserlinien des Hinterschiffes unmittelbar über der Düse erst hinter dem Düsenaustritt endigen.

Abb. 10 ist die Seitenansicht eines Tunnelschiffes für Flachwasserfahrt und zeigt die Verbindung einer erfindungsgemäßen Düsenanordnung mit einem Schraubentunnel.

Die Wirkung der in dem Patent 617 775 beschriebenen Schraubendüse besteht in erster Linie darin, daß durch das Arbeiten der Schraube im Einlauf teil der Düse, d.h. zwi-

sehen dem Düsenmund A I = 2 ) und der

Schraubendrehebene B ein Gebiet verminderten hydrostatischen Druckes erzeugt wird, während auf der Außenseite des von vorn nach hinten mehr oder weniger konischen Düsenkörpers der normale Wasserdruck einschließlich des Atmosphärendruckes herrscht (s. Abb. i).
Der Druckunterschied zwischen dem höheren äußeren und dem geringeren inneren Druck kommt zur Wirkung auf der Über

schußfläche zwischen dem Düsenmund A und der Fläche des Düsenaustritts C. Diese fläche ist in Abb. 2 schraffiert dargestellt. _fder Düsenkörper mit dem Schiff fest ver-[en ist, ist der zusätzliche Schub durch üse gleich dem Produkt aus der Fläche — C multipliziert mit dem Druckunterschied Δ p. Die Schub- oder Saugkräfte sind in der Abb. 1 durch nach vorn gerichtete Pfeile am Düsenkörper angedeutet. Die erwähnten infolge des Unterdrucks im Düseneinlauf entstehenden Saugkräfte wirken aber nicht nur an den sich nach vorn öffnenden Innenwänden des DüSenkörpers, sondern gleichzeitig auch an dem sich nach hinten zur Schraube zu verjüngenden Schiffskörper, und zwar insbesondere zwischen dem Schiffsquerschnitt E am Düsenmund und der Fläche des Schiffskörpers unmittelbar vor dem Schraubendrehkreis. Die hier angreifenden Kräfte wirken der Schiffsbewegung entgegen und sind in Abb. 1 durch nach hinten gerichtete Pfeile angedeutet. Der in die Düse hineinragende Querschnitt des Schiffskörpers ist mit E bezeichnet. Die für die Bremskraft wirksame Fläche E ist in der Abb. 2 durch Schraffierung angedeutet.

Die Überlegungen zeigen, daß notwendigerweise im Sinne einer guten Vorschubwirkung go die Fläche E möglichst - klein gehalten und der in die Düse hineinragende Teil des Schiffskörpers so gestaltet werden muß, daß das Wasser möglichst schon vor Eintritt in die Düsenöffnung A durch entsprechendes Gestalten der Schiffsform vor der Düse in eine Richtung parallel zur Schraubenachse umgelenkt ist.

Die Abb. 4, 5 und 6 dienen dazu, den gleichen Grundsatz für einen Doppelschrauber 10t zu erläutern. Abb. 4 zeigt das richtige Ausgestalten der Düsen für einen Doppelschrauber. Abb. 5 ist ein Beispiel für eine falsche Aus füh rungs form. Wenn das Umlenken des den Schrauben zufließenden Wassers in eine Richtung parallel zur Schräubenachse, wie in Abb. 5 dargestellt, innerhalb des Zuströmkanals erfolgt, so entstehen neben den in Abb. 1 erläuterten Bremskräften am Schiffsheck an der Innenwand des Düsenkanals Krümmerwirbel, die ein Teilen des Wasserzustroms nach oben und unten hin hervorrufen, etwa wie durch Abb. 6 angedeutet. Diese Wirbel haben zur Folge, daß das Wasser den Schrauben oder der Schraube nicht achsparallel zuströmt, sondern oben, bei nach außen drehenden Schrauben, in Richtung des Schraubendrehsinns und unten entgegengesetzt hierzu. Da eine Schiffsschraube aber nur für achsparallele Anströ- mung ausgelegt werden kann, muß notwendigerweise durch solche Wirbel der Wir-

kungsgrad der Schraube stark herabgesetzt werden.

Das, was mit den Abb. 5 und 6 für einen ' Zweischrauber erläutert ist, gilt mehr o,d£r Aveniger auch für einen Einschrauber niit'g^- teiltem Einlauf, wie in Abb. 1 dargestellt: '■'■ Nach den zu Abb. 1 gegebenen Erläuterungen ist zu erwarten, daß dann die beste zusätzliche Vorschubwirkung durch den Düsenkörper um die Schraube erzielt wird, wenn möglichst die gesamte Beschleunigung, die die Schraube zum Erzielen der Vorschubwirkung dem Wasser zu erteilen hat, zwischen dem Düsenmund und der Schraubendrehebene erfolgt, d. h. also, daß das Wasser

nicht schon vor dem Düsenmund A I = 2 · — 1

beschleunigt wird und daß der Düsenmund A so groß gemacht wird, gemessen quer zur Strömungsrichtung des eintretenden Wassers, daß die bei Dienstgeschwindigkeit und Dienstbelastung vom Propeller durch den engsten Düsenquerschnitt geförderte Wassermenge etwa beschleunigungsfrei, d. h. mit Schiffsgeschwindigkeit vermindert um den vor der Düse herrschenden Nachstrom, von ihr aufgenommen wird.

Die Außenseite des Düsenkörpers muß jedoch in ein richtiges Verhältnis zu der Größe und Form des Düsenmundes gebracht werden. Wenn der Düsenmund auf die bestgeeignete Größe gebracht ist, strömt das Wasser dem Rande des Düsenmundes etwa in einer Richtung zu, die für den waagerechten Schnitt

in Abb. 1 mit dem Winkel — angedeutet ist.

Die mehr oder weniger konische Form der Außenseite des Düsenkörpers ist ebenfalls in

Abb. ι mit einer Neigung — zur Mittschiffslinie gekennzeichnet.

Der Winkel—mit Bezug auf den Winkel—

ist nun so zu wählen, daß hinter dem Eintrittsrand des Düsenmundes, also hinter dem Punkt i, keine Wirbelablösung des Wassers stattfinden kann. Durch die Erfahrung hat

sich gezeigt, daß der Winkel — — um Ab-

lösungswirbel zu vermeiden, nicht größer als etwa 6 Grad sein darf, also dem gleichen Winkel entspricht, den man für das Anströmen der Druckseite des Tragflügels eines Flugzeuges noch als gerade zulässig ansieht, um die Hubkraft des Flügels nicht erheblich zu gefährden.

Es zeigt sich weiter daraus, daß für den Düsenkörper und auch für die Düsenwirkung ähnliche Verhältnisse maßgebend sind wie für die Tragflügel von Flugzeugen, und tatsächlich kann man eine wirksame Düse in der Weise beschreiben, daß um den Schraubendrehkreis ein Flugzeugtragflügel ringförmig gebogen ist, dessen Ober- oder Saugseite der Schraube zugekehrt ist, während seine Druckseite die Außenseite des -Düsenkörpers bildet. Wie bei Tragflügeln, so ist auch die Anströmkante des Düsenkörpers zum Vermeiden von Ablösungen und Wirbelbildungen des umströmenden Mediums gut abgerundet. Da die Saugseite des den Düsenkörper bildenden Tragflügels eine der Fahrtrichtung des Schiffes zugekehrte Neigung hat und das Umströmen auf der Saugseite durch die Wirkung der Schraube in der Düse noch wesentlich beschleunigt wird, wird mit einem derartig ring- und düsenförmig um die Schiffsschraube angeordneten Tragflügel eine Schubwirkung erzielt, die in Richtung des Schiffes wirkt, und es ist daher weiter naheliegend, diesem Tragflügelgedanken dadurch Rechnung zu tragen, daß man für einen möglichst großen Teil des Düsenumfangs den Düsenkörper ringförmig gestaltet und ihm Wände gibt, deren Schnitte längs der Propellerachse Profile von ähnlicher Form zeigen wie Flugzeugtragflächen mit guter Abrundung der Eintrittskante.

Es ist für den Schraubenfachmann eine bekannte Tatsache, daß die Zuströmgeschwindigkeit des Wassers zur Schraubenebene besonders bei Schiffen mit V-förmigen Hinterschiffsspanten im oberen Teil des Schraubendrehkreises stets erheblich langsamer ist als im unteren Teil. Der Grund für diese verschiedenen Zuströmgeschwindigkeiten ist in dem mehr -oder weniger großen Mitstrom zu suchen, der durch die Form des Schiffshecks vor der Schraube erzeugt wird.

Es ist nun mit einer erfindungsgemäßen Düse möglich, durch entsprechende Form des Düsenmundes zu erreichen, daß das der Schraubendrehebene in der Düse zutretende Wasser überall eine wesentlich gleichmäßigere Geschwindigkeit erhält, als es ohne Düse zu erreichen ist. Dadurch wird nicht nur die Beschleunigungsarbeit der Schraube besser über den ganzen Schraubendrehkreis verteilt, sondern es wird auch erreicht, daß die Düse auf einem möglichst großen Teil ihres Um- ¹IQ fangs eine möglichst große Vorschubwirkung abgibt. Der angestrebte Ausgleich der Zuströmgeschwindigkeiten des Wassers zur Schraube geschieht bei Anwendung einer erfindungsgemäßen Düse dadurch, daß die Fläche der Eintrittsöffnung des Düsenmundes so um die Propellerwelle angeordnet ist, daß die größten Abstände ihrer Umfangslinie von der Propellerwelle in der Zone des größten Nachstroms liegen. Dieses ist durch die Abb. 2 und 3 näher erläutert. In der Abb. 2 ist das Gebiet des größeren Nachstroms im

oberen Teil des Schraubendrehkreises zu suchen und in diesem Teil des Drehkreises ist auch die Eintrittsöffnung des Düsenmundes A, wie aus der Zeichnung zu ersehen, entsprechend erweitert, d. h. die Umfangslinie von A hat dort die größten Abstände von der Propellerwelle. Die Abb. 3 zeigt einen Schnitt durch die Düse gemäß Abb. 2 und deutet an, wie auf der Seite des langsamen Wasserzuflusses durch die Erweiterung die Stromfäden zwischen Düsenmund und Schraube stärker zusammengedrückt werden wie auf der Seite des schnelleren Wasserzuflusses.

Bei tiefgehenden S chiffen hat die erfindungsgemäße Form der ringförmigen Düse mit Tragflügelquerschnitt der Wände, und insbesondere bei Hinzunahme der Erweiterung des Düseneintritts im Nachstromgebiet zu Wasserablösungen geführt auf der oberen Außenseite des Düsenkörpers. Der Grund für diese, den Schiffswiderstand stark erhöhenden Wirbelablösungen ist in der Haupt-" sache darin zu suchen, daß das am Schiffskörper entlang fließende Wasser vor der Düse meist eine Bewegungsrichtung besitzt, die schräg nach hinten und oben gerichtet ist. Diese Wasserablösungen lassen sich erfindungsgemäß vermeiden, indem man die waagerechten Schnitte des Schiffsrumpfes unmittelbar über der Düse nicht mit der Düsenaustrittsöffnung endigen läßt, wie dieses zunächst naheliegen würde, sondern daß man die Wasserlinie unmittelbar über der Düse um ein größeres Stück bis hinter die Düsenaustrittsöffnung verlängert. Diese Form des Schiffshecks ist durch die Abb. 7, 8 und 9 näher erläutert, wobei eine solche Wasserlinie durch die Ziffer 2 angedeutet ist. Die in Verbindung mit der Abb. 1 erläuterte Wirkungsweise der Düse ließ zunächst nicht ohne weiteres erwarten, daß eine wesentliche vorschubvermehrende Wirkung durch Anwendung der Düse auch bei solchen Schraubenfahrzeugen eintreten würde, die für Flachwasserfahrt bestimmt sind und bei denen der Schraubendrehkreis über die Schwimmwasserlinie hinausragt. Man kann bekanntlich bei derartigen Flachwasserfahrzeugen die Schraube auf ihrem ganzen Umkreis zur Wirkung bringen durch Anordnung eines sogenannten Schraubentunnels, der sich oberhalb der Wasserlinie dicht an den Schraubendrehkreis anlegt und für einen luftdichten seitlichen Wasserabschluß des der Schraube oberhalb der Schwimmwasserlinie zuströmenden Wassers sorgt. Der Tunnel wirkt dabei nach Art eines Saughebers. Es hat sich gezeigt, daß eine erfindungsgemäße Düse auch in Verbindung mit einem derartigen Schraubentunnel eine erhebliche vorschubvermehrende Wirkung erzeugt und offenbar deshalb, weil der Druckunterschied zwischen Außenseite und Innenseite des Düsenkörpers nicht abhängt von der Höhe der Wassersäule an der Außenseite des Düsenkörpers, sondern von der Höhe der Wassersäule zuzüglich dem darauf lastenden atmosphärischen Druck. Man kann daher auch eine erfindungsgemäße Düse mit Vorteil bei solchen Schraubenfahrzeugen anwenden, bei denen oberhalb der Schraube ein Tunnel für die Fahrt in flachem Wasser angeordnet ist und bei denen der Tunnel die obere Innenwand der Düse bildet.

In der Abb. 10 stellt die Linie 3 den Verlauf des Tunnels vor und hinter der Schraube dar. Die Innenseite des mit dem Tunnel verbundenen Düsenkörpers wird im oberen Teil des Schraubendrehkreises von der Tunnelwand gebildet. Soweit möglich, wird unterhalb des Tunnels der Tragflügel querschnitt der Düsenwand eingehalten. Der Eintrittsrand des Düsenmundes geht unterhalb der Wasserlinie, wie durch Linie 4 dargestellt, in den horizontalen Tunnelrand über. Wenn, wie in Abb. 10 dargestellt, der Tunnel hinter der Schraube wieder zur Wasserlinie herunter geführt wird, um die Hebearbeit der Schraube zu erleichtern, so wird auch der Austrittsrand der hinteren Düsenöffnung in den un- teren Rand des Tunnels überführt, wie mit Linie 5 angedeutet.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Die Ausbildung des Wasserfahrzeuges mit einer außerhalb des Schiffskörpers liegenden, frei drehbaren Treibschraube etwa an der engsten Stelle einer radial völlig geschlossenen, vorn abgerundeten Düse, deren Innenwand nach den durch die Schraubenwirkung bedingten strömungstechnischen Grundsätzen ausgebildet und deren Außenwand dem unter Berücksichtigung der Schiffskörperform gegebenen Verlauf der Wasserströmung angepaßt ist, nach Patent 617775, dadurch gekennzeichnet, daß der Schiffsrumpf unmittelbar vor und innerhalb der Düse so ausgebildet ist, daß das Wasser ohne wesentliche Umlenkung innerhalb der Düse von vorn in die Düse hineinströmt, also in einer Richtung, die etwa parallel mit der Propellerachse ist.
2. 2. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Schiffsrumpf fest verbundene Düse möglichst ringförmig gestaltet ist, wobei die Schnitte längs der Propellerachse durch die Wand des Düsenringes Profile zeigen von ähnlicher Form wie Flugzeugtragflächen, deren Druckseiten die Außenseite

   der Düse bilden und eine gute Abrundung an der Eintrittskante haben.
3. 3. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung der Düse (oder der Düsen), gemessen quer zur Strömungsrichtung des eintretenden Wassers, so groß ist, daß die bei Dienstgeschwindigkeit und Dienstbelastung vom Propeller durch den engsten Düsenquerschnitt geförderte Wassermenge etwa beschleunigungsfrei, d. h. mit Schiffsgeschwindigkeit vermindert um den vor der Düse herrschenden Nachstrom, von ihr aufgenommen wird.
4. 4. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Eintrittsöffnung des Düsenmundes so um die Propellerwelle angeordnet ist, daß die größten Abstände ihrer Umfangslinie von der Propellerwelle in der Zone des größten Nachstromes liegen.
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5. 5. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, bei dem oberhalb der Schraube ein Tunnel für Fahrt in flachem Wasser angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnel die obere Innenwand der Düse bildet.
6. 6. Wasserfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Horizontalschnitte des Schiffsrumpfes, die unmittelbar über der Düse liegen, erst hinter derselben zusammenlaufen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen