DE10331354A1

DE10331354A1 - Bootsantrieb

Info

Publication number: DE10331354A1
Application number: DE10331354A
Authority: DE
Inventors: Lothar Bieschewski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2004-08-05

Abstract

Es wird ein Bootsantrieb mit einem Strahlrotor im Wesentlichen in Form eines um seine Rotorachse rotierbar anzutreibenden Außenrohrs, an dessen Innenfläche axialfördernde Wasserschaufeln fixiert sind und sich in Richtung auf die Rotorachse bis zu einem zu der Rotorachse koaxialen Zentralrohr erstrecken sowie daran fixiert sind. Um den Wirkungsgrad eines solchen Antriebs zu verbessern, wird die in Richtung der Rotorachse gemessene Breite der Wasserschaufeln überall annähernd gleich gemacht. Außerdem sollen die Verbindungslinien der jeweiligen Wasserschaufel am Zentralrohr um etwa 15 bis 20 DEG und die Verbindungslinien der jeweils selben Wasserschaufel auf der Innenfläche des Außenrohrs um weitere etwa 30 bis 60 DEG windschief gegenüber der Rotorachse stehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bootsantrieb mit einem Strahlrotor im Wesentlichen in Form eines um seine Rotorachse rotierbar anzutreibenden, äußeren Hohlzylinders bzw. Außenrohrs, an dessen Innenfläche im wesentlichen axial fördernde Wasserschaufeln fixiert sind und sich in Richtung auf die Rotorachse bis zu einem zu der Rotorachse koaxialen, inneren Hohlzylinder bzw. Zentralrohr erstrecken sowie daran fixiert sind.

Eine Wasserschraube mit äußerem Zylinderrohr, Zentralrohr und zwischen den beiden Rohren fixierter Schnecke ist aus der US-Patentschrift 13 87 416 (09. August 1921) bekannt. Die Schnecke besitzt im Wasser eine nur geringe Förderleistung.

Ein anderer Bootsantrieb mit Strahlrohr wird beschrieben in EP 04 52 538 B1 . Bei dem bekannten Strahlantrieb besitzt der Strahlrotor kein Zentralrohr, vielmehr enden die an der Innenfläche des Außenrohrs fixierten Wasserschaufeln ohne gegenseitige Verbindung mit Abstand von der Rotorachse. Die Fläche der einzelnen Wasserschaufeln verjüngt sich in Richtung auf die Rotorachse bis zu einer Spitze. Die Stärke der einzelnen Wasserschaufeln jedoch – gemessen senkrecht zur Schaufelfläche – ist im Bekannten im Wesentlichen überall gleich. Der Erfinder baute versuchsweise in dem bekannten Strahlrotor ein Zentralrohr ein, das an den Flügelspitzen der Wasserschaufeln fixiert war und die Schaufeln dadurch gegeneinander abstützte. Auch bei dieser Lösung war die Antriebsleistung unbefriedigend.

In der US-PS 38 26 591 wird eine Wasserschraube beschrieben, deren Wasserschaufeln abgewinkelt geformt sind und von der Innenfläche eines Außenrohrs bis zur Schraubenwelle reichen. Hierbei fehlt jedoch der bei dem beispielsweise aus EP 04 52 538 B1 bekannten Strahlantrieb für die Antriebsleistung wesentliche zentrale Kanal, der durch die freien Spitzen der Wasserschaufeln definiert wird, ganz weg. Der Wirkungsgrad der Wasserschaufeln nimmt von der äußeren Zylinderwand in Richtung Rotorachse ab und geht in der Nähe der Achse gegen Null. Eine massive Rohrwelle ist aber wegen ihres Strömungswiderstandes bei einem Bootsantrieb betreffend den Wirkungsgrad der Wasserschaufeln nachteilig.

Der erfindungsgemäße Bootsantrieb kann, beispielsweise wie ein üblicher Außenbordmotor, ein sog. Z-Getriebe mit zentraler, mechanisch beaufschlagter Welle besitzen. Alternativ kommt auch ein unmittelbarer elektrischer Antrieb in Frage, wobei das Außenrohr im Prinzip den Rotor eines Elektromotors bilden kann. Ein solcher Antrieb wird beschrieben in DE 100 02 657 A1 .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den mechanischen Wirkungsgrad der bekannten Strahlrohre zu verbessern, ohne deren mechanische Stabilität zu beeinträchtigen.

Die erfindungsgemäße Lösung wird im Anspruch 1 angegeben. Einige Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Für den eingangs angegebenen Bootsantrieb mit einem Strahlrohr mit zur Rotorachse koaxialem Außenrohr und Zentralrohr besteht die erfindungsgemäße Lösung vorzugsweise darin, daß die in Richtung der Rotorachse gemessene Breite der Wasserschaufeln überall annähernd gleich ist und daß die Verbindungslinie der jeweiligen Wasserschaufel am Zentralrohr um etwa 10 bis 20° und die Verbindungslinie der jeweils selben Wasserschaufel auf der Innenfläche des Außenrohrs um weitere etwa 30 bis 60° windschief gegenüber der Rotorachse stehen.

Die Breite der erfindungsgemäßen Wasserschaufeln soll überall, das heißt von der Innenwand des Außenrohrs bis zur Außenwand des Innenrohrs annähernd gleich sein. Eine solche Wasserschaufel hat, wenn man ihre Fläche in eine Ebene legt, annähernd die Form eines Rechtecks. Dabei soll die Rechtecklänge vorzugsweise etwa gleich dem radialen Abstand von Zentralrohr und Außenrohr sein. Das soll insbesondere für eine etwa in der Mitte der axial (in Richtung parallel zur Achse) gemessenen Breite der Schaufel gedachte radiale Mittellinie gelten.

Gemäß weiterer Erfindung werden die beiden Verbindungslinien (an Zentralrohr und Außenrohr) jeder Schaufel – durch Verwindung der Schaufel in sich – um die vorgenannte radiale Mittellinie als Achse gegeneinander um etwa 10 bis 50° verdreht bzw. verwunden. Durch eine solche Verformung der einzelnen Schaufel kann erreicht werden, daß die Verbindungslinie der jeweiligen Wasserschaufel am Zentralrohr um etwa 10 bis 20° und diejenige derselben Wasserschaufel auf der Innenfläche des Außenrohrs um etwa 30 bis 60° windschief gegenüber der Rohrachse zu platzieren und zu fixieren sind.

Gemäß weiterer Erfindung werden die Wasserschaufeln nicht nur in sich um die genannte radiale Mittellinie verwunden sondern auch in Richtung des bei Betrieb vorbeiströmenden Wassers (annähernd parallel zur Richtung der Rotorachse) mit etwa wie die Tragflächen eines Überschallflugzeugs zu- und wieder abnehmender, also variierender, Materialstärke ausgestattet. Die senkrecht zur Fläche der Wasserschaufeln gemessene Materialstärke nimmt also beginnend an der dem anströmenden Wasser zugewandten Vorderkante zunächst zu und im Anschluß an den Bereich der vorgenannten als Verdrehachse der Wasserschaufel gedachten Mittellinie in der Nähe der entsprechenden Schaufel-Hinterkante wieder ab. Der entsprechende Querschnitt jeder Wasserschaufel hat ungefähr die Form einer flachen Linse mit S-Querschnitt, also mit einem Wendepunkt im Querschnitt auf beiden Flächen. Bevorzugt wird auch eine alternative flache Linsenform des Querschnitts ohne Wendepunkt auf den Flächen, wobei jedoch die eine Fläche konvex und die andere Fläche konkav (mit größerem Krümmungsradius als auf der konvexen Fläche) sein kann.

Durch die erfindungsgemäße Form der Wasserflügel – und gegebenenfalls deren in Strömungsrichtung variierender Materialstärke (Flügeldicke) – wird ein gegenüber dem einschlägigen Stand der Technik wesentlich verbesserter Wirkungsgrad erreicht. Dieser Vorteil wird insbesondere darauf zurückgeführt, daß die Wasserschaufeln die beschriebene annähernde Rechteck-Grundform besitzen, um eine zentrale Mittellinie verwunden sind sowie am Zentralrohr und am Außenrohr windschief in Bezug auf die Rotorachse fixiert sind. Die Verbindungslinie am Zentralrohr kann vorzugsweise größenordnungsmäßig um 15° und diejenige an der Innenfläche des Außenrohrs um größenordnungsmäßig 45° (in derselben Richtung) gegenüber der Rotorachse windschief gestellt sein.

Gemäß weiterer Erfindung kann es außerdem für diesen Erfolg günstig sein, wenn die oben genannte Schaufelbreite deutlich kleiner als die Schaufellänge, das heißt kleiner als der Abstand zwischen Zentralrohr und Außenrohr ist. An derartige in ihrer oben definierten Breite relativ schmale Wasserschaufeln werden stabil im erfindungsgemäßen Strahlrohr gehalten, weil sie an ihren beiden schmaleren Rechteckseiten jeweils auf der ganzen Seitenkante (am Zentralrohr einerseits und am Außenrohr andererseits) fixiert sind.

Gemäß noch weiterer Erfindung kann es auch vorteilhaft sein, das Zentralrohr in Strömungsrichtung des Wassers bzw. in Richtung der Rotorachse konisch auszubilden. Vorzugsweise soll der Zentralrohrdurchmesser in der Strömungsrichtung abnehmen. Stattdessen kann der Durchmesser in Strömungsrichtung auch zunehmen. Die Zu- oder Abnahme des Rohrdurchmessers soll in der Größenordnung von 2 bis 30° liegen, aber relativ gering sein. Vorzugsweise soll die Wandstärke des Zentralrohrs überall gleich sein, so daß die Zu- und Abnahme des Rohrdurchmessers auf der Außen- und Innenseite des Zentralrohrs etwa gleich wird. Die Form des Zentralrohrs beeinflußt den an diesem bei Betrieb des Strahlrotors sich ausbildenden Venturi-Effekt (vergl. Lexikon der Physik, Franckh'sche Verlagshandlung Stuttgart, 1952, Band II, Seite 1365).

Der Querschnitt der Wasserschaufeln kann in Bezug auf die oben definierte Mittellinie annähernd symmetrisch sein. Gegebenenfalls ist die Form der einzelnen Wasserschaufel auf deren der ankommenden Strömung zugewandten Vorderkante ebenso wie auf der von der Vorderkante abgewandten Hinterkante. Im Rahmen der Erfindung kann es jedoch bevorzugt werden, die Linsenform auf Vorder- und Rückseite unterschiedlich zu gestalten. Im Extremfall kann die Vorderseite des Linsenquerschnitts konvex und die Rückseite konkav ausgebildet werden.

Wie eingangs gesagt, kann der erfindungsgemäße Bootsantrieb unmittelbar, gewissermaßen als Rotor eines Elektromotors, oder, zum Beispiel wie ein Außenbordmotor, wie ein mechanisches Getriebe über eine materielle Welle angetrieben werden. Gegebenenfalls wird die Welle in das Zentralrohr eingesetzt und mit diesem über im Wesentlichen radial verlaufenden Speichen, zum Beispiel drei Speichen, verbunden. Die Anordnung soll im Rahmen der Erfindung so getroffen werden, daß zwischen der Welle und der Innenfläche des Zentralrohrs ein bis auf die Speichen offener Zylinderring mit ringförmigem Wasserdurchlauf verbleibt.

Bei einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bootsantriebs wird das Außenrohr – nicht aber das Zentralrohr – in der Schubrichtung der im Strahlrohr erzeugten Strömung verlängert. An seiner Innenfläche werden zusätzliche axialfördernde Wasserschaufeln fixiert, die sich in Richtung der Rotorachse erstrecken, aber mit Abstand von der Achse frei enden. Der Abstand von der Rotorachse soll etwa gleich dem Durchmesser des Zentralrohrs ein. Bei Versuchen hat sich diese Kombination vermutlich deshalb bewährt, weil ein durch den in der Vorausfahrt-Richtung vorangehenden, zwischen Zentral- und Außenrohr befindlichen Propeller an der Innenwand des Außenrohrs aufgebauter Staudruck durch die nur an der Innenwand des Außenrohrs fixierten Schaufeln wieder abgebaut wird.

Anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen
1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bootsantriebs; und
2 eine Ansicht in Pfeilrichtung A von 1.
3 eine flach gelegte Wasserschaufel; und
4 und 5 verschiedene Flügelquerschnittsformen.
1 zeigt eine Seitenansicht eines Außenbordmotors erfindungsgemäßer Art. Der Motor gemäß Ausführungsbeispiel wird mechanisch über einen sogenannten Z-Antrieb beaufschlagt. Hierzu gehört eine etwa vertikale Antriebswelle 1, die am oberen, nicht gezeichneten Ende an einen Motor mit horizontaler Abtriebswelle angeschlossen sein kann. In einem Getriebe 2 treibt die Antriebswelle 1 eine (annähernd horizontale) Rotorwelle 3 mit Rotorachse 4 an. Nach 2 werden auf der Rotorwelle 3 drei Speichen 5 fixiert, die mit radialem Abstand von der (materiellen) Rotorwelle 3 ein Zentralrohr 6 in koaxialer Position gegenüber der Rotorachse 4 tragen. Auf der Außenfläche 7 des Zentralrohrs 6 werden sechs Wasserschaufeln 8 längs je einer Verbindungslinie 9 fixiert. Die Wasserschaufeln 8 reichen – im Wesentlichen in voller Breite – bis zu einem Außenrohr 10, das ebenfalls koaxial zur Rotorachse 4 positioniert wird. Auf der Innenfläche 11 des Außenrohrs 10 werden die Wasserschaufeln 8 längs je einer Verbindungslinie 12 fixiert.
1 und 2 zeigen außerdem zwischen dem Zentralrohr 6 und dem Außenrohr 10 eingespannten Wasserschaufeln 8 zusätzliche Wasserschaufeln 25, die auf der Innenfläche 26 einer Rohrverlängerung 27 fixiert sind und sich in Richtung auf die Rotorachse 4 erstrecken, aber nicht bis zur Achse 4 reichen sondern mit Abstand davon enden. Der Abstand kann etwa in der Größenordnung des Durchmessers des Zentralrohrs 7 sein. Die Rohrverlängerung 27 und die an dessen Innenfläche 26 fixierten Wasserschaufeln 25, deren sich in Richtung Achse erstreckenden freien Längsenden nicht miteinander verbunden sind, bilden eine alternativ mögliche und vorteilhafte Ergänzung des erfindungsgemäßen Propellers mit den zwischen Zentralrohr und Außenrohr – im Gegensatz zu den freitragenden Wasserschaufeln 25 – beiderseits eingespannten Wasserschaufeln 8.
3 zeigt eine in eine Ebene „gepreßte" Wasserschaufel 8. In die Wasserschaufel 8 ist eine etwa radial (in Bezug auf die Rotorachse 4) verlaufende Mittellinie 13 gestrichelt eingezeichnet. Die Länge dieser Mittellinie 13 soll im Wesentlichen gleich dem radialen Abstand a zwischen Außenfläche 7 des Zentralrohrs 6 und Innenfläche 11 des Außenrohrs 10 sein. Die annähernd parallel zur Richtung der Rotorachse 4 gemessene Breite b der einzelnen Wasserschaufel 8 soll kleiner als die Länge a der Schaufel sein. Bei Versuchen haben sich Verhältnisse a : b 1 : 2 = bis 4 : 5 als vorteilhaft erwiesen.
Wie oben angegeben, wird die einzelne Wasserschaufel 8 als in sich, mit der radialen Mittellinie 13 als Achse, verwunden betrachtet. Außerdem wird die Verbindungslinie 9 einer Schaufel 8 am Zentralrohr 7 als um zusätzlich größenordnungsmäßig 15° und die Verbindungslinie 12 derselben Schaufel als um größenordnungsmäßig 45° windschief gegenüber der Rotorachse 4 beschrieben. Die die entsprechenden Winkel definierenden mittleren Winkellinien der Verbindungslinie 9 und 12 werden in 1 mit 14 und 15 bezeichnet.
4 zeigt für ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einen längs der Linie IV-IV von 1 gewählten Schnitt durch eine Wasserschaufel 8. Die Wasserschaufel nach 4 besitzt eine Vorderkante 16 in Richtung der Voraus-Fahrtrichtung 17 und eine entsprechende Hinterkante 18. Zwischen Vorderkante 16 und Hinterkante 18 kann die senkrecht zur Flügelfläche gemessene Stärke s der einzelnen Wasserschaufel 8 zunächst zu- und dann wieder abnehmen. Auf diese Weise kann der Querschnitt nach 4 die Form einer flachen, einfach ( 5) oder doppelt (4) gewölbten Linse erhalten. Die Linse kann auf der Oberseite 20 und Unterseite 21 in 4 in gleicher Weise an Stärke zu- und abnehmen, so daß eine Figurenform entsteht wie man sie von Hysterese-Kurven kennt. Die Schnitte durch Oberseite 10 und Unterseite 21 verlaufen, wie in 4 gezeigt, beide zum Teil konvex und zum Teil konkav. Es liegt aber nach 5 auch im Rah men der Erfindung, die Materialverteilung in dem einzelnen Wasserflügel 8 so vorzunehmen, daß die eine Seite, z.B. die Oberseite 20, überall konvex ist und die andere Seite, z.B. die Unterseite 21, überall konkav ist. An der Vorderkante 16 und an der Hinterkante 18 soll die einzelne Wasserschaufel 8 annähernd spitz zulaufen, wie man das von den Tragflächen von Überschallflugzeugen kennt.

1: vertikale Antriebswelle
2: Getriebe
3: Rotorwelle
4: Rotorachse
5: Speiche
6: Zentralrohr
7: Außenfläche (6)
8: Wasserschaufel
9: Verbindungslinie (7/8)
10: Außenrohr
11: Innenfläche (10)
12: Verbindungslinie (8/10)
13: radiale Mittellinie (8)
14: Winkellinie (9)
15: Winkellinie (12)
16: Vorderkante (8)
17: Voraus-Fahrtrichtung
18: Hinterkante (8)
19: Flügelfläche
20: Oberseite (19)
21: Unterseite (19)
25: Wasserschaufel, freitragend
26: Innenfläche (27)
27: Rohrverlängerung
28: freies Längsende (25)

Claims

Bootsantrieb mit einem Strahlrotor im Wesentlichen in Form eines um seine Rotorachse (4) rotierbar anzutreibenden äußeren Hohlzylinders bzw. Außenrohrs (10), an dessen Innenfläche (11) im wesentlichen axialfördernde Wasserschaufeln (8) fixiert sind und sich in radialer Richtung auf die Rotorachse (4) bis zu einem zu der Rotorachse (4) koaxialen, inneren Hohlzylinder bzw. Zentralrohr (6) erstrecken sowie daran fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in Richtung der Rotorachse (4) gemessene Breite (b) der Wasserschaufel (8) überall annähernd gleich ist und daß die Verbindungslinie (9) der jeweiligen Wasserschaufel (8) am Zentralrohr (6) um etwa 10 bis 20° und die Verbindungslinie (12) der jeweils selben Wasserschaufel (8) auf der Innenfläche (11) des Außenrohrs (10) um weitere etwa 30 bis 60° windschief gegenüber der Rotorachse (4) stehen.
Bootsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Wasserschaufel (8) eine annähernd gerade radiale Mittellinie (13) besitzt.
Bootsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen Außenfläche (7) des Zentralrohrs (6) und Innenfläche (11) des Außenrohrs (10) kleiner als die annähernd in Richtung der Rotorachse (4) gemessene Schaufelbreite (b) ist und daß das Verhältnis von Breite (b) zu Abstand (a) in der Größenordnung von 1 : 1,1 bis 1,5 liegt.
Bootsantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnitt senkrecht zur Flügelfläche (19) einer Wasserschaufel (8), insbesondere im Bereich von Vorderkante (16) und Hinterkante (18) der jeweiligen Wasserschaufel (8) annähernd der Tragflächenform von Überschallflugzeugen entspricht.
Bootsantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralrohr (6) konisch ausgebildet ist und daß der Zentralrohrdurchmesser in Strömungsrichtung des zu fördernden Wassers zu- oder abnimmt.
Bootsantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralrohr (6) eine materielle axiale Welle (3) besitzt und mit dieser über – zum Beispiel drei – im Wesentlichen radial verlaufende Speichen (5) verbunden ist und daß die Rotorwelle (3) mechanisch über ein mechanisches Getriebe (2) anzutreiben ist.
Bootsantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (10) – nicht aber das Zentralrohr (6) – in der Schubrichtung der im Strahlrohr erzeugten Strömung um einen Betrag zum Anbringen eines zusätzlichen Kreises von Wasserschaufeln verlängert ist und daß an der Innenfläche (26) der Rohrverlängerung (27) axialfördernde Wasserschaufeln (25) fixiert sind, die sich in Richtung der Rotorachse (4) erstrecken, aber mit Abstand von der Achse (4) frei enden.
Bootsantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der freien Enden (28) der zusätzlichen Wasserschaufeln (25) von der Rotorachse (4) in der Größenordnung des Radius des Zentralrohrs (6) liegt.