Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zum Antreiben von Schiffen.
Technischer Hintergrund
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Schiffsantriebsvorrichtungen schließen eine
Tandem-Propellereinrichtung, die wenigstens zwei auf einer Propellerwelle
montierte sowie in Längsrichtung der Welle beabstandete
Propeller umfaßt (ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung
SHO 57-205297), eine Tandem-Propellereinrichtung mit
vorderen sowie hinteren Propellern, die von unterschiedlichem
Durchmesser sind (ungeprüfte Japanische
Gebrauchsmusterveröffentlichungen SHO 56-30195 und SHO 57-139500), eine
befloßte Propellernabenkappe (ungeprüfte Japanische
Patentveröffentlichung SHO 63-154494) usw. ein.
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Bei den oben erwähnten Tandem-Propellereinrichtungen
verläuft die vom vorderen Propeller hervorgerufene
Geschwindigkeit in einer solchen Richtung, daß das vom Propeller
rückwärts strömende Wasser beschleunigt und daß auch das Wasser
in derselben Richtung wie die Drehung des Propellers bewegt
wird, wodurch folglich eine niedrigere Leistungsfähigkeit
für den rückwärtigen Propeller verursacht wird, der in der
rückwärts gerichteten, vom vorderen Propeller erzeugten
Strömung arbeitet. Es ist deshalb schwierig gewesen, die
Propellerleistung der Tandem-Propellereinrichtung zu
verbessern.
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Die Tandem-Propellereinrichtung wird allgemein unter
Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 11 und Fig. 30 sowie 31
beschrieben.
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Die Fig. 9 ist eine schematische Darstellung, die einen
Propellerflügel bei dessen Betrachtung von der Ruderseite
aus zeigt. In Fig. 9 ist R der Radius des Propellers und
r eine willkürliche radiale Position.
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Die Fig. 10 zeigt den Propellerflügel im Schnitt längs eines
Zylinders mit dem Radius r und in eine Ebene abgewickelt.
Der Propellerflügel hat eine Steigung wie Schrauben und
einen Steigungswinkel θ mit Bezug zur Drehrichtung. (Die
Steigungsfläche wird durch die sog. Bug-Heck-Linie durch
die vorlaufende Kante des Flügels und dessen nachlaufende
Kante bestimmt.) Ferner hat der Flügel eine Wölbung in
Vorwärtsrichtung des Propellers bei Betrachtung im Querschnitt
der Fig. 11.
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Wenn der Propeller zum Vortreiben dreht, folgt das Wasser
in der Richtung von βi mit Bezug zur Drehrichtung. (Der
Ausdruck "durch den Propeller induzierte Geschwindigkeit"
in Fig. 10 bezieht sich auf die Strömung der durch die
Drehung und den Vorschub des Propellers induzierten
Wasserströmung. Das Wasser wird in den Propeller gezogen und
bewegt sich in der Drehrichtung des Propellers.) Je größer
der Unterschied zwischen θ und βi ist, d.h. der
Anstellwinkel θ - βi, und je größer die Wölbung des Flügels ist,
desto größer ist der Auftrieb L, der am Flügel wirkt.
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Der Auftrieb L wirkt rechtwinklig zur Einströmrichtung des
Wassers, und dessen Komponente in der Vortriebsrichtung ist
ein Schub T, während dessen Komponente in der Drehrichtung
eine Drehwiderstandskraft F ist.
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T = L cos βi } Ausdruck (1)
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F = L sin βi } Ausdruck (1)
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Die Steigung und die Wölbung werden so bestimmt, daß das
von der Maschine gelieferte Drehmoment mit dem
Drehwiderstandsmoment Q = F x r im Gleichgewicht ist. Je größer
das Verhältnis des Schubes zur Drehwiderstandskraft ist,
T/F, desto höher ist die Propellerleistung ηo.
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ηo α T/F = cot βi Ausdruck (2)
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Im folgenden wird der Tandempropeller erörtert. Im Fall
des Tandempropellers ist der vordere Propeller vor dem
hinteren Propeller angeordnet und deshalb der vom hinteren
Propeller hervorgerufenen Geschwindigkeit ausgesetzt, so daß
βi geringfügig größer ist, d.h. βi', wie in Fig. 30 gezeigzt
ist. Als Ergebnis wird, wie aus dem Ausdruck (2) deutlich
wird, ηo kleiner, was eine niedrigere Propellerleistung
zur Folge hat.
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In gleichartiger Weise ist der in der rückwärts
gerichteten Strömung vom vorderen Propeller angeordnete hintere
Propeller der vom vorderen Propeller induzierten
Geschwindigkeit (die propellerinduzierte Geschwindigkeit steigt
aufgrund der Beschleunigung an, da das Wasser rückwärts strömt)
und ferner der vom hinteren Propeller selbst induzierten
Geschwindigkeit ausgesetzt, was zum Ergebnis hat, daß
βi größer wird, d.h. βi", wie in Fig. 31 gezeigt ist.
Das von der Maschine abgegebene Drehmoment kann durch die
Kombination des vorderen und hinteren Propellers
aufgenommen werden, solange wie der Durchmesser, die Steigung usw.
des vorderen sowie hinteren Propellers variabel sind.
Obwohl irgendein Schluß bezüglich der Verbesserung der
Leistung nicht lediglich von der obigen Erläuerung erhalten
werden kann, ist es demzufolge augenscheinlich, daß die
induzierten Geschwindigkeiten des vorderen sowie hinteren
Propellers einander nachteilig beeinflussen, was es
schwierig macht, eine gesteigerte Propellereleistung zu
erhalten.
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Im folgenden wird die Beziehung der Propellerleistung und
der propellerinduzierten Geschwindigkeit, insbesondere
der propellerinduzierten Geschwindigkeit in einer
Schiffsheck-Nachlaufströmung,
unter Bezugnahme auf
Berechnungsbeispiele, die auf der Propeller-Auftriebsflächentheorie
sowie der Propellertheorie einer unendlichen Anzahl von
Flügeln basieren, erörtert. Die propellerinduzierte
Geschwindigkeit ändert sich mit der Position mit Bezug auf
die radiale Richtung oder Vor-/Rückwärtsrichtung des
Propellers. Als ein Beispiel geben die ausgezogenen Kurven in
den Fig. 20 und 21 die Werte an, die gemäß der Propeller-
Auftriebsflächentheorie und der Propellertheorie einer
unendlichen Anzahl von Flügeln für einen Propeller erhalten
werden, der für Schiffe mittlerer Geschwindigkeiten
ausgelegt ist, wenn der Propeller in einer gleichförmigen
Strömung in Drehung ist. Die Fig. 20 zeigt eine Verteilung
von propellerinduzierten Geschwindigkeiten an der Position
des Propellers längs dessen radialer Richtung. Die Fig. 21
zeigt eine Verteilung von propellerinduzierten
Geschwindigkeiten in der Vor-/Rückwärtsrichtung bei r/R = 0,3. In
diesen Diagrammen ist Wx die Geschwindigkeit der
propellerinduzierten Strömung, die in den Propeller gezogen und
rückwärts aus diesem ausgepreßt wird, und Wθ ist die
Geschwindigkeit einer propellerinduzierten Strömung, die in
derselben Richtung wie die Propellerdrehung erzeugt wird.
Es ist zu sehen, daß sowohl Wx als auch Wθ stark an der
Position des Propellers ansteigen.
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In Wirklichkeit arbeitet der Propeller in einer
komplexen Heckströmung von Wasser, und deshalb ändert sich die
propellerinduzierte Geschwindigkeit. Die Strömung an der
Position des Propellers im Heck wird berücksichtigt. Da das
Wasser eine Viskosität hat, wird das Wasser nahe der
Fläche des Schiffsrumpfes durch das Schiff geschleppt, so daß
die Strömung an der Position des Propellers eine
Geschwindigkeit Vs(1 - W)hat, die geringfügig kleiner als die
Geschwindigkeit Vs des Schiffs ist Vs W ist die
Geschwindigkeit des durch das Schiff mit gezogenen Wassers. Diese
Strömung wird als ein "Nachstrom" bezeichnet, und W wird
als "Nachstromkoeffizient" bezeichnet. Der Nachstrom hat
eine ungleiche Verteilung in der Scheibe des Propellers.
(Diese Verteilung wird als "Nachstromverteilung"
bezeichnet.) Die Fig. 22 zeigt die Nachstromverteilung von
Schiffen einer mittleren Geschwindigkeit. Im allgemeinen ist
bei gewöhnlichen Handelsschiffen der Nachstrom groß und hat
die Strömung in den Propeller eine niedrige
Geschwindigkeit im zentralen Teil, jedoch vermindert sich der
Nachstrom zu den äußeren Enden der Flügel hin mit einem
Anstiegder Geschwindigkeit der Strömung in den Propeller, wie in
Fig. 22 gezeigt ist. In Fig. 20 und 21 geben die
gestrichelten Kurven berechnete propellerinduzierte Geschwindigkeiten
an, wenn der Propeller im Nachstrom in Drehung ist. Es ist
zu sehen, daß über dem r/R-Bereich von 0,2 bis 0,6, in
welchem der Nachstrom groß ist, die propellerinduzierte
Geschwindigkeit im Nachstrom viel höher als in der
gleichförmigen Strömung ist.
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Die propellerinduzierte Geschwindigkeit resultiert in
einem niedrigeren Propellerschub und einem erhöhten
Drehwiderstandsmoment, d.h. einer niedrigeren Propellerleistung.
Die Fig. 23 und 24 zeigen die radialen Verteilungen von
Verminderungen im Schub bzw. von Anstiegen im
Drehwiderstandsmoment in Übereinstimmung mit den
propellerinduzierten Geschwindigkeiten von Fig. 20 (und zwar berechnet auf
der Basis der Propeller-Auftriebsflächentheorie). Die
ausgezogene Linie gibt das Ergebnis in der gleichförmigen
Strömung und die gestrichelte Linie gibt das Ergebnis im
Nachstrom wieder. Die Abnahme im Schub aufgrund der
propellerinduzierten Geschwindigkeit berägt 4 % des
Propellerschubes in der gleichförmigen Strömung, sie ist jedoch so groß
wie 10 % des Schubes im Nachstrom. Der Anstieg im
Drehwiderstandsmoment aufgrund der induzierten Geschwindigkeit
beträgt 21 % vom Ganzen in der gleichförmigen Strömung,
er ist jedoch so groß wie 28 % im Nachstrom. Die Fig. 23
und 24 zeigen, daß die Abnahme und der Anstieg konzentrisch
im r/R-Bereich von 0,2 bis 0,6, in welchem der Nachstrom
groß ist, auftreten.
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Die in der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung
SHO 63-154494 beschriebene befloßte Propellernabenkappe
(die im folgenden kurz als "PBCF" bezeichnet wird) umfaßt
eine Propellernabenkappe, die Flossen hat. Die Flossen
wirken als Platten, um die Wasserströmung im hinteren Teil
der Propellernabenkappe zu einer solchen Richtung hin zu
lenken, um Nabenwirbeln entgegenzuwirken, um Nabenwirbel
zur Verminderung des an den Propellerflügeln erzeugten
Soges zu zerstreuen. Jedoch ist die Propellerleistung von
der propellerinduzierten Geschwindigkeit abhängig,
insbesondere von der im ungleichen Hecknachstrom, wie bereits
festgestellt wurde. Demzufolge kann der von der PBCF
erwartete Effekt nicht vollständig erlangt werden, falls das
mit der induzierten Geschwindigkeit verbundene Problem
nicht gelöst wird.
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Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, welche
verwirlicht worden ist, um die vorgenannten Probleme des Standes
der Technik zu lösen, ist, Turbinenschaufeln hinter den
Propellerflügeln vorzusehen, um eine verbesserte
Propellerleistung und ein vermindertes Drehmoment zu realisieren.
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Der Propeller unterscheidet sich grundsätzlich von der
Turbine darin, daß der erstgenannte eine Vorrichtung ist,
um einer Flüssigkeit eine Energie zu vermitteln, um aus
der resultierenden Reaktion eine Vortriebskraft zu erlangen,
während die letztgenannte eine Vorrichtung ist, um ein
Drehmoment aus der Energie, die eine Flüssigkeit besitzt,
zu erhalten. Die von den beiden Vorrichtungen
hervorgerufenen Geschwindigkeiten verlaufen in exakt entgegengesetzten
Richtungen zueinander. Wir haben das obige erste Ziel
erreicht, indem auf diesen grundsätzlichen Unterschied
Aufmerksamkeit gerichtet wurde.
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Ein zweites Ziel dieser Erfindung ist, eine
Schiffsantriebvorrichtung zu schaffen, die hinter den Propellerflügeln
angeordnete Turbinenschaufeln umfaßt, wobei die
Turbinenschaufeln
getrennt von einer Propellernabe sowie einer
Propellerkappe angebracht und lösbar an der Propellernabe
oder zwischen der Nabe sowie der Propellerkappe vorgesehen
sind und wobei die Antriebvorrichtung deshalb derart
eingerichtet ist, daß eine vorhandene Kappe unter diesen
Umständen für einen existierenden Propeller verwendbar ist.
Offenbarung der Erfindung
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Um das erste Ziel zu erreichen, sieht die vorliegende
Erfindung die folgenden technischen Maßnahmen vor.
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Mehr im besonderen schafft die vorliegende Erfindung eine
Schiffsantriebvorrichtung, bei der Propellerblätter 2 und
Turbinenschaufeln 3 an einer Propellerwelle 1 montiert sind,
wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Propellerblätter 2 an einer vorwärtigen Position bei an
einer rückwärtigen Position angeordneten Turbinenblättern
angebracht sind, der axiale Abstand l zwischen den beiden
Blättern 2, 3 wenigstens 6 % beträgt, die Anzahl der
Turbinenschaufeln 3, die mit einer ganzen Zahl multiplizierte
Anzahl der Propellerblätter ist, und der Durchmesser der
Turbinenblätter 3 33 bis 60 % des Durchmessers der
Propellerflügel 2 beträgt.
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Der axiale Abstand l ist ein Wert (%), der durch
Dividieren des Abstandes zwischen den Mittellinien der jeweiligen
Blätter 2, 3 mit dem Durchmesser des Propellers erhalten
wird.
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Ferner erfüllen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung der Anstellwinkel θp der Propellerflügel
2 und der Anstellwinkel θT der Turbinenschaufeln 3 die
Beziehung θT ≤ θp + 20º an einer Position 0,3 ≤ r/R ≤ 0,6,
wodurch das erste Ziel erreicht wird.
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Um das zweite Ziel zu erreichen, sieht diese Erfindung
gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die
folgenden technischen Maßnahmen vor.
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Vor allem ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß
jede hinter den Propellerflügeln 2 angeordnete
Turbinenschaufel 3 einen Flansch 13A an ihrem Basisteil hat,
wobei der Flansch 13A lösbar am Außenumfang einer
Propellernabe 2A mit Schrauben befestigt ist. Alternativ ist die
Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die rückwärts von
den Propellerflügeln 2 angeordneten Turbinenschaufeln 3
einen Ring 3A an ihren Basisteilen haben, wobei der Ring 3A
lösbar ortsfest zwischen eine Propellernabe 2A und eine
Propellerkappe 4 hinter der Nabe 2A eingesetzt ist. Die
Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die
Turbinenschaufeln 3 einstückig mit dem Ring 3A ausgebildet sind.
Alternativ ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß
die Turbinenschaufeln 3 lösbar am Ring 3A durch
Schraubverbindungsmitteln befestigt sind. Ferner ist alternativ
die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß jede der
Turbinenschaufeln 3 lösbar in eine Schwalbenschwanznut 3B
eingesetzt ist, welche im Außenumfang des Ringes 3A in
dessen axialer Richtung ausgebildet ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Frontansicht, die eine Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
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Fig. 2 ist eine Seitenansicht von dieser;
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Fig. 3 ist ein Diagramm der Strömung in die Flügelsektion
des vorderen Propellers der Ausführungsform;
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Fig. 4 ist ein Diagramm der Strömung in die
Turbinenschaufelsektion der Ausführungsform;
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Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Position des
Propellerflügels und der Turbinenschaufel relativ zueinander mit
Bezug auf die Vor-/Rückwärtsrichtung zeigt;
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Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
Anstieg in der Propellerleistung und der Position der
Turbinenschaufeln zeigt;
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Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
Anstieg in der Propellerleistung und der Anzahl der
Turbinenschaufeln zeigt;
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Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem
Anstieg in der Propellerleistung und dem
Turbinenschaufeldurchmesser zeigt;
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Fig. 9 ist eine Frontansicht eines Propellerflügels;
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Fig. 10 ist ein Diagramm der Strömung in eine
Flügelsektion;
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Fig. 11 ist eine Schnittdarstellung, die die Wölbung des
Propellerflügels zeigt;
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Fig. 12 und 13 sind abgebrochene Seitenansichten, die zwei
Ausführungsformen der Erfindung zeigen, wobei
Turbinenschaufeln zwischen eine Propellernabe und eine Propellerkappe
eingefügt sind;
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Fig. 14 bis 16 sind Frontansichten, die drei Beispiele
für die Art des Anbringens der Turbinenschaufeln an einem
Ring zeigen;
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Fig. 17 ist eine abgebrochene Seitenansicht, die die
Turbinenschaufeln, angebracht durch einen Flansch an der
Propellernabe, zeigt;
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Fig. 18 ist eine Seitenansicht der mit einem Flansch
versehenen Turbinenschaufel;
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Fig. 19 ist eine Draufsicht auf diese;
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Fig. 20 ist ein Diagramm, das eine radiale Verteilung
von propellerinduzierten Geschwindigkeiten (an der
Position des Propellers) zeigt;
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Fig. 21 ist ein Diagramm, das eine Verteilung von
propellerinduzierten Geschwindigkeiten in der
Vor-/Rückwärtsrichtung (r/R = 0,3) zeigt;
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Fig. 22 ist ein Diagramm, das eine Nachstromverteilung
von Schiffen mittlerer Geschwindigkeit zeigt;
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Fig. 23 ist ein Diagramm, das eine radiale Verteilung
von Verminderungen im Schub aufgrund von
propellerinduzierten Geschwindigkeiten zeigt;
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Fig. 24 ist ein Diagramm, das eine radiale Verteilung von
Anstiegen im Drehwiderstandsmoment aufgrund von
propellerinduzierten Geschwindigkeiten zeigt;
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Fig. 25 ist ein Vergleichsdiagramm, das θp und βTi in
einer gleichförmigen Strömung eines Propellers für Schiffe
mittlerer Geschwindigkeit zeigt;
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Fig. 26 ist ein Vergleichsdiagramm, das θp und βTi in
einem Nachstrom des Propellers für Schiffe mittlerer
Geschwindigkeit zeigt;
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Fig. 27 ist ein Vergleichsdiagramm, das θp und βTi in
einem Nachstrom eines anderen Propellers für Schiffe
mittlerer Geschwindigkeit zeigt;
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Fig. 28 ist ein Vergleichsdiagramm, das θp und βTi in
einem Nachstrom eines Propellers für Schiffe hoher
Geschwindigkeit zeigt;
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Fig. 29 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem
Nullauftriebswinkel und dem Wölbungsverhältnis zeigt;
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Fig. 30 ist ein Diagramm einer Strömung in die
Flügelsektion eines vorderen Propellers einer herkömmlichen Tandem-
Propellereinrichtung;
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Fig. 31 ist ein Diagramm einer Strömung in die
Flügelsektion des rückwärtigen Propellers dieser Einrichtung.
Beste Art zur Durchführung der Erfindung
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Ausführungsformen dieser Erfindung und deren
Funktionsweise werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Schiffsantriebvorrichtung,
wobei auf einer Propellerwelle 1 Propellerflügel 2
an einer vorderen Position (mit Bezug zur
Vorwärtsrichtung oder zur Schiffskörperseite hin) und Turbinenschaufeln
3 an einer rückwärtigen Position montiert sind, der axiale
Abstand l (siehe Fig. 5) zwischen den beiden Blättern
2, 3 wenigstens 6 % beträgt, die Anzahl der
Turbinenschaufeln die mit einer ganzen Zahl multiplizierte Anzahl der
Propellerflügel 2 ist, der Durchmesser der
Turbinenschaufeln 3 33 bis 60 % des Durchmessers der Propellerflügel
2 beträgt. In Fig. 2 sind mit 2A eine Propellernabe und
mit 4 eine Kappe angegeben.
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Der axiale Abstand l ist ein Wert (%), der durch
Dividieren des Abstandes zwischen den Mittellinien der jeweiligen
Blätter 2, 3 mit dem Durchmesser des Propellers erhalten
wird (siehe Fig. 5).
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Die geometrische Ausgestaltung des Propellerflügels 2 und
der Turbinenschaufel 3 ist jeweils derart ausgebildet,
daß die Steigung und die Wölbung des Propellerflügels
den Ausdruck
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θ + α0 - βi > 0 Ausdruck (3)
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und diejenigen der Turbinenschaufeln den Ausdruck
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θ + α0 - βi < 0 Ausdruck (4)
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erfüllen. In den Ausdrücken ist α0 der
Nullauftriebswinkel der Blattsektion (d.h. der Winkel der Richtung, den
das einströmende Wasser mit der Steigungsfläche bildet,
wenn der Auftrieb Null ist). Er ist positiv, wenn die
Wölbung vorwärts gerichet ist, er ist negativ, wenn die
Wölbung rückwärts gerichtet ist, oder er ist Null, wenn die
Wölbung Null ist.
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Der Propeller unterscheidet sich grundsätzlich von der
Turbine darin, daß der erstgenannte (der Propeller) eine
Vorrichtung ist, um einer Flüssigkeit Energie zu vermitteln,
um eine Vortriebskraft aus der resultierenden Reaktion zu
erlangen, während die letztgenannte (die Turbine) eine
Vorrichtung ist, um ein Drehmoment aus der Energie, die eine
Flüssigkeit besitzt, zu erhalten.
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Die Fig. 3 und 4 sind Diagramme einer Strömung in die
vordere Propellerflügelsektion bzw. in die hintere
Turbinenschaufelsektion der Schiffsschraube, die
Turbinenschaufeln besitzt. Mit dem in Fig. 3 gezeigten Propellerflügel
wird ein einer Drehwiderstandskraft Fp' entsprechendes
Drehmoment erteilt, um einen Schub Tp' zu erlangen, während
mit der in Fig. 4 gezeigten Turbinenschaufel der Schub als
eine rückwärts gerichtete Widerstandskraft -TT"
wirkt,solange die Drehwiderstandskraft als eine Kraft -FT" wirkt, um
die Kraft zu vermindern. Der Propeller erzeugt einen Schub,
während die Turbinenschaufel Energie von einer rückwärts
gerichteten Strömung vom Propeller erhält, um lediglich
als ein Hilfsblatt zu dienen, um das Drehwiderstandsmoment
zu vermindern. In dieser Hinsicht ist die mit den
Turbinenschaufeln ausgestattete Schiffsschraube eine Vorrichtung,
die gänzlich zur Tandem-Propellereinrichtung
unterschiedlich ist.
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Die Richtung der durch die Turbinenschaufeln induzierten
Geschwindigkeit ist genau zur Richtung der durch den
Propeller induzierten Geschwindigkeit entgegengesetzt. Die
durch den Propeller hervorgerufene Strömung wird in den
Propeller gezogen und folgt auch der Drehrichtung des
Propellers, jedoch zwingt die durch die Turbinenschaufeln
induzierte Geschwindigkeit die Strömung vorwärts und dreht
die Strömung in einer zur Drehrichtung des Propellers
entgegengesetzten Richtung.
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Die Leistung des Propellers, der die Turbinenschaufeln
besitzt, wird beachtet. Mit Bezug auf den vorderen
Propeller nimmt βPi auf β'Pi aufgrund der durch die
Turbinenschaufeln induzierten Geschwindigkeit ab, wodurch folglich
die Leistung des vorderen Propellers gesteigert wird.
Mit Bezug auf die hinteren Turbinenschaufeln ist, je größer
βi ist, die Leistung höher, weil die Richtung der
erzeugten Kraft entgegengesetzt zu derjenigen des Propellers
ist. Eine noch höhere Leistung kann erzielt werden, wenn es
möglich ist, die Turbinenschaufeln so auszulegen, daß
βTi der Turbinenschaufeln die folgende Beziehung mit
βTi der Propellerflügel hat.
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βPi < βTi Ausdruck (5)
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In der Frontseite des Propellers ist βTi klein, wenn
jedoch die Turbinenschaufeln hinter dem Propeller vorgesehen
sind, wird die propellerinduzierte Geschwindigkeit
beschleunigt, um einen vergrößerten βTi-Wert und folglich einen
Vorteil zu vermitteln. Wenn ferner die rückwärts gerichtete
Strömung vom Propeller auf die Turbinenschaufelflächen
aufprallt, wirken die Turbinenschaufeln als feste Wände
und werden einen Effekt hervorrufen, um die Strömung zu
hemmen. Die Turbinenschaufeln werden vermutlich eine
gesteigerte Hemmungswirkung insbesondere erzeugen, wenn sie in
der rückwärtigen Strömung vom Propeller, welcher eine
beschleunigte propellerinduzierte Geschwindigkeit vermittelt
wird, angeordnet sind.
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Die vorgenannte Beziehung zwischen der propellerinduzierten
Geschwindigkeit im Hecknachstrom und der Propellerleistung
scheint anzuzeigen, daß der Propeller, der die
Turbinenschaufeln besitzt, eine gesteigerte Wirkung im Nachstrom
erzeugt und daß es wünschenwert ist, den
Turbinenschaufeldurchmesser aus einem Bereich zu wählen, in welchem der
Nachstrom groß ist.
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Auf der Grundlage der obigen Erörterung und der Propeller-
Auftriebsflächentheorie wurden Berechnungen der Leistung
im Nachstrom eines vierblättrigen Propellers, der mit
Turbinenschaufeln hinter dem Propeller ausgestattet ist
sowie zur Verwendung mit Schiffen hoher Geschwindigkeit
ausgelegt ist, durchgeführt, wobei die Berechnungen für
unterschiedliche Anzahlen und unterschiedliche Durchmesser von
Turbinenschaufeln getätigt wurden. Die Position der
Turbinenschaufeln
mit Bezug zur Vor-/Rückwärtsrichtung oder
Axialrichtung des Propellers wird hinsichtlich eines Werts
l (%) ausgedrückt, welcher durch Dividieren des
Abstandes von der Mittellinie des Propellers zur Mittellinie
der Turbinenschaufel, gemessen an der Nabenfläche, durch
den Durchmesser des Propellers erhalten wird. Die Position
der Turbinenschaufeln, die hinter dem Propeller angeordnet
sind, ist positiv (siehe Fig. 5). Der Durchmesser der
Turbinenschaufeln (Schaufelsatz) wird auf der Grundlage des
Durchmessers des Propellers als Prozentsatz ausgedrückt.
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Die Tabelle 1 und Fig. 6 zeigen die Ergebnisse von
Berechnungen, welche für Turbinenschaufeln erhalten wurden,
deren Anzahl 4 und deren Durchmesser 45 % des
Propellerdurchmessers ist, und zwar angeordnet an verschiedenen
Positionen von 0 %, 13 % und 20 %. In der Tabelle ist KT ein
Schubkoeffizient (= T/ n²DP&sup4;; T: Schub, : Dichte von Wasser,
n : Drehzahl des Propellers, DP : Propellerdurchmesser),
KQ ein Drehmomentkoeffizient (= Q/ n²DP&sup5;; Q: Drehmoment)
und Δηo ist ein Anstieg (%) in der Leistung auf der
Grundlage der Propellerleistung. Die Tabelle und das Diagramm
zeigen, daß eine gesteigerte Propellerleistung erlangt
werden kann, wenn die Turbinenschaufeln rückwärts von der
Position l = 1 % angeordnet sind. Wenn Leistungserhöhungen
von wenigstens 1,8 % im Hinblick auf die Konstruktion sowie
die Herstellungskosten der Turbinenschaufeln erlangt werden
sollen, liegt l im folgenden Bereich.
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l > 6% Ausdruck (6)
Tabelle 1
Eigenschaften
Turbinenschaufelposition
nur Propeller
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Die Tabelle 2 und Fig. 7 zeigen die Ergebnisse, die für
Turbinenschaufeln erhalten wurden, welche an der Position
l = 13 % angeordnet sind, einen Durchmesser von 45 % des
Propellerdurchmessers haben und deren Zahl 4, 8 oder 12 ist.
Die Tabelle und das Diagramm zeigen, daß ein
Leistungsanstieg von wenigstens 1,8 % erhalten werden kann, wenn die
Anzahl der Turbinenschaufeln die durch eine ganze Zahl
multiplizierte Zahl der Propellerschaufeln (das Ein- bis
Dreifache der letztgenannten) ist.
Tabelle 2
Eigenschaften
Zahl der Turbinenschaufeln
nur Propeller
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Die Tabelle 3 und Fig. 8 zeigen die Ergebnisse, die für
Turbinenschaufeln erhalten wurden, welche an der Position
l = 13 % angeordnet sind, deren Anzahl 4 ist und die einen
Durchmesser von 25 %, 35 %, 45 %, 55 % oder 65 % des
Propellerdurchmessers haben. Die Tabelle und das Diagramm
zeigen, daß ein Anstieg im Turbinenschaufeldurchmesser in
einem größeren Leistungsanstieg resultiert, während ein
übermäßiger Anstieg im Durchmesser umgekehrt die Leistung
vermindert, was angibt, daß Leisteigungssteigerungen von
wenigstens 1,8 % erreicht werden können, wenn der
Turbinenschaufeldurchmesser im folgenden Bereich liegt
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33 % DP < Turbinenschaufeldurchmesser < 60 % D P
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Ausdruck (7)
Tabelle 3
Eigenschaften
Turbinenschaufeldurchmesser
nur Propeller
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Im folgenden wird die Wechselbeziehung zwischen dem
Steigungswinkel des vorderen Propellers und dem Steigungswinkel
der hinteren Turbinenschaufeln untersucht. Wenn die
Steigung und die Wölbung der hinteren Schaufeln so bestimmt
werden, daß sie den Ausdruck (4) erfüllen, dienen die
Schaufeln grundsätzlich als Turbinenschaufeln. Unter Verwendung
einiger Symbole von Fig. 4 kann der Ausdruck (4)
umgeschrieben als:
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θT + αT0 - β'Ti < 0 Ausdruck (4)'
-
worin α T0 : Nullauftriebwinkel der hinteren
Turbinenschaufeln ist. Es sei angenommen, daß die Wölbung der hinteren
Schaufeln Null ist, d.h. die Schaufeln flache Platten sind.
Dann ist αT0 Null, und der Ausdruck (4)' wird zu:
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θT - β'Ti < 0 Ausdruck (8)
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Wenn ferner der Anstellwinkel θT der hinteren Schaufeln zur
Übereinstimmung mit der Richtung βTi der rückwärts
gerichteten Strömung vom Propeller gebracht wird, wird die von
den hinteren Schaufeln induzierte Geschwindigkeit Null
und β'Ti wird gleich βTi. Wenn der Anstellwinkel der
hinteren Schaufeln, die in der Gestalt von flachen Platten
vorliegen, die Beziehung erfüllt:
-
θT < βTi Ausdruck (9)
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dienen somit die hinteren Schaufeln als Turbinenschaufeln.
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Demzufolge wurde βTi auf der Grundlage der Propeller-
Auftriebsflächentheorie und der Propellertheorie einer
unendlichen Anzahl von Blättern für einen Vergleich mit dem
Anstellwinkel θP von Propellern berechnet. Die Fig. 25
bis 28 zeigen die Vergleichsergebnisse. Die Fig. 25 zeigt
die Ergebnisse in einer gleichförmigen Strömung eines
Propellers für Schiffe mittlerer Geschwindigkeit, die Fig.
26 zeigt Ergebnisse in einem Nachstrom desselben Propellers
wie in Fig. 25, die Fig. 27 zeigt die Ergebnisse in einem
Nachstrom eines anderen Propellers für Schiffe mittlerer
Geschwindigkeit, und die Fig. 28 zeigt die Ergebnisse
in einem Nachstrom eines Propellers für Schiffe hoher
Geschwindigkeit. In diesen Diagrammen bedeuten βTi(0),
βTi(10) und βTi(20) jeweils βTi bei l von 0 %, 10 %
und 20 %.
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Diese Ergebnisse zeigen, daß
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βTi ≈ θp für 0,3 ≤ r/R ≤ 0,6 Ausdruck (10)
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bei einer Position von l > 6 % ist, obwohl die Strömungen
in die Propeller unterschiedlich oder die Propeller
verschiedenartig sind. Wenn der Ausdruck in den Ausdruck (9)
substituiert wird,
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θT < θP für 0,3 ≤ r/R ≤ 0,6 Ausdruck (11)
-
ist der Ausdruck (11) für flache Platten. Wenn die Platten
gewölbt sind, erhält man:
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θT < θP - αT0 für 0,3 ≤ r/R ≤ 0,6 Ausdruck (12)
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Die Fig. 29 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen
dem Wölbungsverhältnis (d.h. Wölbung/Blattbreite) und
α0. Der Fig. 29 ist zu entnehmen, daß eine Änderung von
1 % im Wölbungsverhältnis den Nullauftriebwinkel um etwa
1º verändert. Wenn den Turbinenschaufeln eine rückwärts
gerichtete Wölbung vermittelt wird und wenn das
Krümmungsverhältnis im höchsten Fall bis zu 20 % beträgt, wird
der Ausdruck (12) zu
-
θT ≤ θp + 20º für 0,3 ≤ r/R ≤ 0,6 Ausdruck (13)
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(In den Ausdrücken (10) bis (13) ist R der Radius des
Propellers). Wenn der Anstellwinkel der hinteren Schaufeln so
bestimmt wird, daß er den Ausdruck (13) an einer Position
von 0,3 bis 0,6 in r/R erfüllt, dienen die Schaufeln als
Turbinenschaufeln, von welchen der vorgenannte Vorteil
erwartet wird. An einer Position von r/R < 0,3 steigt βTi
merkbar an, und auch wenn θT ein erheblich großer Wert ist,
wirken die Schaufeln als Turbinenschaufeln, so daß hierin
keine spezielle Grenze gegeben ist. Wenn ferner θT so
bestimmt wird, daß der Ausdruck (13) in einern Teil des r/R-
Bereichs von 0,3 bis 0,6 nicht erfüllt wird, kann der
gesamte Schaufelsatz so konstruiert werden, daß er als
Turbinenschaufeln arbeitet, während der oben erwähnte Vorteil
dann sich vermindert.
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Die Fig. 12 bis 19 zeigen einige Ausführungsbeispiele von
Einrichtungen zum Einbau der Turbinenschaufeln 3 an ihrem
Platz.
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Gemäß den Fig. 12 und 13 sind die Turbinenschaufeln 3 an
ihren Basisteilen mit einem Ring 3A versehen, der zwischen
eine Propellernabe 2A und eine Propellerkappe 4 hinter der
Nabe eingesetzt wird, rund um eine Propellerwelle 1
eingebaut
und lösbar in seiner Position durch Schrauben 5, 6,
7 befestigt wird. Bei der in Fig. 12 gezeigten
Ausführungsform werden die Propellernabe 2A, der Ring 3A und die
Kappe 4 untereinander durch Schrauben 5 befestigt. Im Fall
der Fig. 13 wird der Ring 3A durch Schrauben 6 an der
Propellernabe 2A befestigt, während die Kappe 4 am Ring 3A
durch Schrauben 7 fest angebracht wird. Wie in den Fig.
14 bis 16 zu sehen ist, werden die Schrauben 5, 6, 7 durch
im Ring 3A in dessen axialer Richtung ausgebildete
Schraubenlöcher 3Cmit einer radialen Anordnung zum
Befestigeneingesetzt.
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Die Fig. 17 bis 19 zeigen Ausführungsformen, wobei die
Turbinenschaufeln 3 lösbar am Außenumfang der Propellernabe
2A durch Schraubverbindungsmittel befestigt sind. Jede
Turbinenschaufel 3 ist an ihrem Basisteil mit einem Flansch
13A in Gestalt einer flachen Platte, die
Befestigungslöcher 13B besitzt, versehen. Mit dem am Außenumfang der
Propellernabe 2A angeordneten Flansch 13A werden
Schraubenbolzen 13C durch die jeweiligen Befestigungslöcher 13B
eingeführt und in Innengewinde, die in der Nabe ausgebildet
sind, eingeschraubt.
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Die Fig. 14 bis 16 zeigen Lagebeziehungen zwischen dem
Ring 3A und den Turbinenschaufeln 3. Der Ring 3A von Fig.14
ist an seinem Außenumfang mit axialen
Schwalbenschwanznuten 3B in einer radialen Anordnung ausgebildet. Mit der
am Außenumfang des Ringes 3A angeordneten Stirnfläche des
Basisteils einer jeden Turbinenschaufel 3 wird ein
Schwalbenschwanzkeil 3D, der am Basisteil der Turbinenschaufel 3
ausgestaltet ist, axial in die Schwalbenschwanznut 3B
eingeführt. Der Schwalbenschwanzkeil 3D wird in axialer
Richtung durch die Propellernabe 2A und die Propellerkappe 4
festgehalten.
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Bei der Ausführungsform der Fig. 15 sind die
Turbinenschaufeln 3 und der Ring 3A durch Gießen, Schweißen od. dgl.
einstückig ausgestaltet. Übrigens sind bei der
Ausführungsform der Fig. 17 bis 19 die Turbinenschaufel 3 und der
Flansch 13A in gleichartiger Weise einteilig gefertigt.
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Die Fig. 16 zeigt eine Ausführungsform, wobei der Ring 3A
Befestigungslöcher 3E in einer radialen Anordnung besitzt
und ein mit einem Gewindestück versehener Vorsprung 3D
durch das Loch 3E hindurch eingesetzt sowie mittels einer
Mutter 8 befestigt wird.
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Der Ring 3A von einigen der obigen Ausführungsformen kann
die Gestalt eines geteilten Ringes haben. Die
Turbinenschaufeln 3 können mit Mitteln zur Einstellung des Winkels
der Schaufel, wenn sie befestigt ist, versehen sein.
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Die Turbinenschaufeln 3 und der Ring 3A oder die Flansche
13A können aus demselben Material wie der Propeller (z.B.
Kupferlegierung) oder aus GFK oder gleichartigem
Verbundmaterial gefertigt sein.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung werden hinter
den Propellerflügeln Turbinenschaufeln vorgesehen, so daß
die Vorrichtung eine größere Wirkung hervorbringt, wenn
die durch den Propeller induzierte Geschwindigkeit höher
ist, d.h., wenn die vom Propeller rückwärts gerichtete
Strömung eine höhere Geschwindigkeit hat, und auch wenn die
der Drehrichtung folgende Strömung größer ist, wodurch
eine verbesserte Propellerleistung erlangt wird. Wenn die
Propeller von im Dienst befindlichen Schiffen nicht länger
leicht (effizient) aufgrund der Rostbildung oder des
schlechten Zustandes des Schiffskörpers oder einer
überalterten Maschine drehbar werden, können die Turbinenschaufeln,
die ein vermindertes Drehmoment gewährleisten, am Propeller
angebracht werden, um den Propeller leicht drehbar zu
machen.
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Die Turbinenschaufeln sind an ihren Basisteilen mit
Flanschen oder einem Ring versehen, und die Flansche werden
lösbar am Außenumfang der Propellernabe angebracht oder
der Ring wird lösbar zwischen der Nabe und der
Propellerkappe vorgesehen. Diese Anordnung ermöglicht es, eine
vorhandene Kappe, wie sie ist, für einen existierenden
Propeller zu verwenden, um eine Antriebvorrichtung mit niedrigen
Kosten zu schaffen, die die Turbinenschaufeln besitzt.
Wenn dem Ring eine geeignete Wanddicke gegeben wird,
können die Turbinenschaufeln an diesem als einstückige
Bauteile oder durch Schweißen, Einpassen oder Befestigen mit
Schrauben mit einer erheblich großen Freiheit und damit
erleichterter Konstruktion sowie Herstellung angebracht
werden.
Industrielle Anwendung
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Die vorliegende Erfindung kann für
Schiffantriebvorrichtungen zur Anwendung gelangen, die an einer Propellerwelle
montierte Propellerflügel und Turbinenschaufeln haben.