DE819209C

DE819209C - Propeller for propulsion of ships with an inner ring penetrating the propeller blades

Info

Publication number: DE819209C
Application number: DESCH523A
Authority: DE
Inventors: Luebbe Schnitger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1949-11-26
Filing date: 1949-11-26
Publication date: 1951-10-31

Description

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.Propeller for propulsion of ships with one penetrating the propeller blades inner ring The invention relates to ship propellers, the blades of which are of a ri inner ring that rotates with the propeller. The known Shapes of the inner rings of such propellers should allow a radial outflow of the water masses and thus prevent cavitation or cavity formation in the area of the hub.

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.To get an actual one by arranging an inner ring However, neither the Surface friction of the ring rotating in the water nor the and trailing edges as well as vortices occurring in the wake behind the hub are not taken into account be left, as this takes advantage of the arrangement of a ring inside the propeller The improvements achieved in the internal flow conditions and the Reason for the well-known deterioration in the propulsion efficiency of propellers with inner ring are.

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.According to the invention, it is necessary for the ring and the hub to interact in this way to let that with a minimum of ring friction on the hull along the Propeller inflowing water masses into the propeller without eddies and afterwards Acceleration of the water flow inside the ring without separation eddies on the ring Blades and flow out again at the hub.

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.Ring and hub must therefore guide the water flow in this way force; that the hydrodynamic laws affecting the time factor in the conversion take sufficient account of the pressure level, and the ring as a ring nozzle low frictional resistance is designed.

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.To meet these conditions, the ring has beneficial one Center line composed of several straight and / or curved partial lines for the axial cross-section of the profile, namely the center line of the ring profile in the entry part, d. H. in the front part facing the hull, for example the outer shape of the aft hull, in the horizontal plane through the propeller axis considered, adapt and to this possibly with a small angle of attack run roughly parallel so that the water masses gliding along the ship's hull enter the propeller without changing direction and at the nozzle wall without changing can slide on in the direction. The dem experience a slight change in direction Propeller approaching water masses according to a further proposal of the invention only at the outlet part of the nozzle when the center line of the ring profile is in this part forms the leg of an angle with the axis of rotation of the propeller. The until Intersection of the entry and exit center lines of the ring profile without changing direction and therefore also without eddy currents guided water currents are now in the direction are directed onto the hub and form an annular stream of water that runs through the hub superimposed by flowing water masses and presses against the hub surface. It will be like this achieves that the boundary layers of the water masses flowing around the hub do not overlap detach and form eddies in the wake behind the hub. The entire flow resistance the hub and ring are therefore smaller than the flow resistance of the hub alone. This value appears as a pure increase in the propulsive power, whereby the eddy-free inlet and outlet of the water masses a further gain in propulsion performance means that will be billed against the losses from ring friction can.

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.The effects of having the shape of the center lines according to the invention built-up ring profile achieve the best value that the hub is given a shape is a cooperation between ring and hub in guiding the water flow inside the ring enforces. It has been shown that a shape of the inner ring alone; resulting in a constant increase in flow velocity over the whole axial Length of the ring leads to an increase in the propulsion power not provided, since The unimpeded flow of water is probably due to congestion inside the nozzle to the nozzle was prevented, the not swallowed water masses flowed off to the outside and the flow conditions in the outer propeller deteriorated. An uninhibited one Increasing the flow speed inside the nozzle therefore reduces the propeller performance. The flow velocity in the inside of the ring may only be increased within certain limits are and should not be used to hinder the free passage of the water masses guide the propeller, d. H. Both the ring and the hub must be hydrodynamic Be shaped by laws that reduce the time factor in converting the hydrodynamic Consider the equivalent of the pressure head.

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.According to a further finding of the invention, the increase the flow velocity inside the ring is chosen so that the maximum velocity at a point within the axial ring length, just before or in the theoretical The circular area of the screw is reached and then remains almost constant, d. H. the flow cross-section of the ring nozzle is at the intersection of the two center lines of the ring profile reaches its minimum value. This has the advantage that the increase in speed ' of the ring current already ended approximately on the first half of the axial ring length is and from here on the water currents are only directed, in such a way that a clear flow pattern behind. the hub yields.

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.The increase in speed should be kept within limits, those taking into account a hydrodynamically flawless course of the water masses inside and outside of the ring result in a pressure height inside the ring, which is greater Opposite pressure height outside the ring. The axial one that becomes free as a result Pressure component on the outer ring wall acts against the direction of flow and forms a direct propulsion component.

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.It can be seen from the above that an inner ring is only advantageous can be applied if the positive effects associated with its application a minimum of negative faces. As a negative effect one with the propeller rotating ring is primarily the surface friction of the rotating ring in the water To see the ring and also the direct additional flow resistance of the ring. Both increase with the diameter of the ring and are largest with one Propeller ring wrapped around the outside. It is true that the propeller would be folded over on the outside Ring the improvement of the internal flow conditions in the propeller a maximum achieve, but this is offset by the maximum value of frictional and detachment losses, which far outweighs the advantages of the flow improvement. The size of the frictional losses depends on the power and the speed of the propeller and increases with it both of them. When dimensioning the inner ring, the speed and the Load is of vital importance. At low speed, the ring can turn a have a larger diameter, with increasing speed the ring must become smaller. When the load is high, the ring is larger, when it is decreasing, it is smaller. It was determined, that the tolerance limit for the diameter of the inner ring on a distance from about 0.4 to 0.6 of the outer blade diameter, the fluctuations between these limits are determined by the speed and the load on the propeller. There have been improvements in the propulsion efficiency on a propeller with internal Between 6 and 10 per cent. The higher values were at Ships identified that had to perform a towing service, d. H. the The improvement that can be achieved depends on the load on the propeller.

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.The invention can be carried out in various ways. One advantageous embodiment is shown in the drawing. The left side of the The drawing shows a propeller with an internal ring, its cross section has a rectangular profile and behind a ship with a medium degree of fullness arranged is, while the right half of the drawing is a complete ship with an interior Ring shows whose profile is streamlined.

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.The propeller of the drawing, right half, has the blades a and the hub b, which is streamlined with the shape of the aft ship c and has an approximately teardrop shape, ie it runs out into the tip d. The center line f of the cross-sectional profile of the inner ring in the entry part is curved according to the outer shape c of the rear section, seen in the horizontal plane through the propeller axis, and runs almost parallel to it. Under certain circumstances it can lead to an improvement of the flow conditions in the entry part of the ring if the center line f has a small angle of attack to the outer shape c of the aft section. The center line g of the cross-sectional shape of the inner ring in the exit part of the ring e forms the leg of the angle a with the axis of rotation of the propeller. Around these center lines f and g , the streamlined profile of the ring e is built up uniformly. The hub b is shaped so that its largest diameter lies approximately at the intersection of the two center lines f and g of the ring profile e in the plane kk perpendicular to the axis, which accordingly has the narrowest passage cross section; In other words: up to the plane kk, the water masses sliding along the outer shape c of the ship are accelerated from their entry into the ring, while they then move at constant speed through the ring profile e formed around the center line g in the exit part of the inner ring against the Hub b are deflected. The water flow flowing through the ring e therefore has a flow directed towards the tip of the hub when it emerges from the ring e. The plane kk either lies in front of the theoretical circular screw surface or coincides with it.

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.The left half of the drawing shows a ship of medium completeness, the outer shape of which follows the curve L in the rear. The center line m'des ring profile in the entry part of the ring o of rectangular cross-section is curved to the outer shape l of the ship and runs approximately parallel to this, while the center line n in the exit part of the ring o forms the leg of the angle a with the axis of rotation h of the propeller . Again, it can have advantages if the center line m has an angle of attack to the outer shape l . The hub b is shaped so that it has its largest diameter in the same plane kk in which the intersection of the two axis lines m and n of the ring profile lies, so that the smallest passage cross-section in the plane kk or before or in the theoretical Circular surface of the screw. The same conditions occur here as in the example on the right-hand side of the drawing. The ring o is widened slightly beyond the wing edges so that it can be attached with simple means. It is now sufficient to produce the individual ring pieces between the propeller blades from sheet metal and, after they have been introduced into the propeller, to weld or otherwise fasten them to one another and / or to the blades at the points protruding beyond the blade edges.

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.For smaller-capacity ships, for manufacturing reasons, parallel alignment of the center lines f and m can be dispensed with, the corresponding reduction in output can be accepted and both center lines are formed from straight lines that approximate the outer shape of the aft ship. Here, too, a small angle of attack to the shape of the stern can be useful.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Propeller for propelling ships with an inner ring penetrating the propeller blades, characterized in that; that the axial flow cross-section between ring (e or o) and hub (b) is designed as an annular nozzle with low frictional resistance according to hydrodynamic principles to achieve the lowest possible ring friction and eddy-free flow through the water masses flowing to the propeller.

2. Propeller according to claim i, characterized in that the ring profile in axial section has a center line composed of several straight and / or curved partial lines (f, g or m, n) , which in its entry part '(f or m) the outer shape (c or l) of the aft hull, viewed in the horizontal section through the propeller axis (h), conforms to this outer shape essentially parallel, but under certain circumstances runs with a small angle of attack.

3. Propeller according to claim i and 2, characterized in that the outlet part (g or n) of the center line of the ring profile is inclined at a converging acute angle (a) relative to the propeller axis (h).

4. Propeller according to claim i to 3, characterized in that the plane (kk) perpendicular to the propeller axis (h), in which the intersection points of the partial lines (f, g or m, n) of the profile center lines lie, lies in front of the theoretical helical area or coincides with this.

5. Propeller according to claim i to 4, characterized in that the increase in speed in the flow cross-section of the ring (e or o) is kept within the limits, the inside of the ring a smaller one Pressure height than outside the ring.

6. Propeller according to claim i to 5, characterized in that the ring (e or o) and the hub (b) of the propeller are shaped so that the flow cross-section within the ring is only up to narrowed to the theoretical circular screw area (k-k).

7. Propeller according to claim i to 6, characterized in that the inlet and outlet part lines (f, g and m, n) of the center lines of the ring profile are formed from straight lines which extend at a point within the for propellers of lower power and speed cut the axial length of the ring (e or o). B.

Propeller according to claim i to 7, characterized in that the clear diameter of the ring (e or o) in the narrowest Ring nozzle cross-section (plane k-k) is about 0.4 to 0.6 of the outer blade diameter and the fluctuations between these limits by the speed and the load on the propeller can be determined.

9. Propeller according to Claim.i to 8, characterized in that the profile of the ring (e) has the shape of an airfoil (right half of the drawing). ok Propeller according to Claims i to 8, characterized in that the profile of the ring (o) has a rectangular cross-section with rounded entry and exit edges, which is bent after the kink or curvature of the partial lines (m, n).