DE60102371T2

DE60102371T2 - Bootskörper-propeller-anordnung

Info

Publication number: DE60102371T2
Application number: DE60102371T
Authority: DE
Inventors: Torbjörn Eriksson
Original assignee: Stormfageln Projekt AB
Current assignee: Stormfageln Projekt AB
Priority date: 2000-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: WO2001085535A1; AU5692001A; US6851991B2; HK1058655A1; DK1280694T3; CN1440345A; EP1280694B2; US20030157849A1; EP1280694B1; NO20025309L; EP1280694A1; KR20030014669A; RU2270781C2; SE516426C2; SE0001703L; AU2001256920B2; KR100834881B1; SE0001703D0; CN1236951C; TR200401417T4

Description

Teilgetauchte Propeller, also Propeller, deren Flügel bei der Drehung und der Fahrt mit hoher Geschwindigkeit abwechselnd über und unter der Wasseroberfläche liegen, sind für Oberflächen-Wasserfahrzeuge – insbesondere schnelle Motorboote – bekannt. Für einen gegebenen Bootsrumpf und eine gegebene Wellenleistung ermöglichen es die teilgetauchten Propeller, ein Boot mit erheblich höherer Geschwindigkeit als vollgetauchte Propeller anzutreiben. Ihr besseres Verhalten lässt sich darauf zurückführen, dass der Widerstand beim Umwandeln der Rotationsleistung des Antriebs in die Vorschubkraft für den Bootsrumpf erheblich kleiner ist als bei herkömmlichen, stets vollgetauchten Propellern.
Um den hydrodynamischen Widerstand zu verringern, sollten bei der Fahrt des Boots so wenig Teile wie möglich sich unter Wasser befinden. Was den Bootsantrieb angeht, lässt dieser Wunsch sich großenteils erfüllen, wenn Teile, die nicht direkt zur Kraftübertragung an das Wasser beitragen, sich außerhalb der Wasserströmung befinden. Was die Propeller anbetrifft, lässt sich dies nur erreichen, wenn nur die Propellerflügel in Berührung mit dem Wasser geraten und die Propellernabe über der Wasseroberfläche liegt.
Die US-PS 3 793 960 beschreibt ein System mit die Wasseroberfläche dürchstoßenden Propellern, bei dem sich bei hohen Geschwindigkeiten die Propellernabe kontrolliert aus der Wasserströmung nehmen lässt und nur die Propellerflügel in Berührung mit dem Wasser geraten.
Bei der Gleitfahrt eines Boots übt der Rumpf auf das Wasser eine Kraft aus, die dieses abwärts drückt; der Rumpf wird vom Wasser durch eine entgegen gerichtete Kraft getragen, so dass die Kontaktfläche zwischen dem Rumpf und dem Wasser kleiner ist als bei der Verdrängungsfahrt. Bei sehr hoher Geschwindigkeit ist die Kontaktfläche verhältnismäßig klein und liegt auf dem Rumpf am weitesten achtern. Ist der Rumpf so konstruiert, dass er beim Gleiten mehrere Kontaktflächen aufweist, liegt mindestens eine derselben am weitesten achtern. Wird nun die Fahrt des Boots unterbrochen – bspw. durch die Fahrt über eine Welle an der Wasseroberfläche – und erfolgt eine Drehbewegung in Nickrichtung, befindet sich der Mittelpunkt dieser Drehung oft nahe der achtern liegenden Rumpf-/Wasser-Kontaktfläche. In Folge dieser Bewegung lenkt ein die Oberfläche durchstoßender Propeller, der sich in Längsrichtung in einer bestimmten Entfernung von der achtern liegenden Kontaktfläche befindet, im wesentlichen auf- oder abwärts aus. Dies wiederum bedeutet, dass der im Wasser befindliche Propellerteil sich ändert. Zuweilen kann der Propeller sich vollständig aus dem Wasser heben. Die vertikale Bewegung des Propellers relativ zur Wasseroberfläche bewirkt eine Unterbrechung des Vortriebs und eine schlechte Nutzung der Vortriebsmittel des Boots.
Fährt ein mit einem herkömmlichen teilgetauchten Propeller ausgerustetes Boot mit verhältnismäßig niedriger Geschwindigkeit unmittelbar über dem Ubergang zwischen der Verdrängungs- und der Gleitfahrt, wird die Wasseroberfläche sich unmittelbar achtern vom Rumpf relativ zu diesem anheben. Ein in diesem Bereich befindlicher Propeller ist bei dieser Fahrt von Wasser umspült und durchstößt dessen Oberfläche nicht mehr. Auch bei der Verdrängungsfahrt durchstößt dann der Propeller die Wasseroberfläche nicht mehr.
Bei herkömmlichen Motorbooten liegt der – bzw. liegen die – Propeller in einer bestimmten Entfernung von der Wellendurchführung, d.h. von demjenigen Ort, wo die Antriebswelle den Rumpf nach außen durchstößt. Um den Propeller in Radialrichtung festzulegen, ist daher der Antrieb gewöhnlich unmittelbar am Propeller mit einem Lager versehen, das an einem Konstruktionselement wie einem Lagerwinkel sitzt, der seinerseits am Bootsrumpf befestigt ist. Der Antrieb muss also sowohl an der Wellendurchführung als auch nahe dem Propeller angeordnet sein. Diese herkömmliche Anordnung mit einem Lager für den Propeller und zugehörigen Befestigungselementen erfordert den Einsatz zahlreicher Konstruktionselemente, die beim Kontakt mit der Wasserströmung eine Quelle von Widerstand im Vortrieb darstellen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Rumpf-/Prepelleranordnunb für ein Oberflächen-Wasserfahrzeug, die Unterbrechungen des Vortriebs verringert.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Rumpf-/Propeller-Anordnung für ein Oberflächen-Wasserfahrzeug, die den Widerstand beim Vortrieb verringert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Rumpf-/Propeller-Anordnung für ein Oberflächen-Wasserfahrzeug, die einen effizienten Vortrieb über einen größeren Geschwindigkeitsbereich als herkömmliche Rumpf-/Propeller-Anordnungen bietet.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Rumpf-/Propeller-Anordnung für ein Oberflächen-Wasserfahrzeug mit vereinfachter Lagerung des Antriebs für jeden Propeller.
Das Ziel der Erfindung wird mittels einer Rumpf- bzw. Bootskörper-Propeller-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht.
Die Lage jedes Propeller unmittelbar achtern einer hinteren Abschlusskante auf dem hinteren Ende eines vom Rumpf vorstehenden Teils bedeutet, dass der Propeller nahe einer Fläche liegt, die bei hoher Geschwindigkeit eine Auflagefläche ist, was seinerseits bedeutet, dass Drehbewegungen des Boots in Nickrichtung, wie sie bspw. beim Einfahren in Wellen auftreten, nur geringe vertikale Auslenkungen des Propellers ergeben. Dadurch bleiben die Bewegungen der Propellerflügel relativ zur Wasseroberfläche und damit auch Unterbrechungen des Bootsvortriebs gering.
Die Lage jedes Propellers unmittelbar hinter der zugehörigen Endkante auf dem hinteren Ende des jeweiligen vorstehenden Teils bedeutet auch, dass im wesentlichen nur die Propellerflügel in Kontakt mit der Wasserströmung geraten, und dies auch bei verhältnismäßig niedriger Geschwindigkeit, wenn das Boot unmittelbar über dem Ubergang von der Verdrängungs- zur Gleitfahrt fährt.
Nach einer Auisführungsform durchstößt der Propeller infolge seiner Größe und Positionierung bei Verdrängungsgeschwindigkeiten – mindestens bei verhältnismäßig hohen Verdrängungsgeschwindigkeiten – die Wasseroberfläche.
Erfindungsgemäß ist jeder Propeller mit einer Nabe versehen, die am Übergang zwischen einer hinteren und einer Umfangs-Begrenzungsfläche mit einer ver hältnismäßig scharfen Nabenkante ausgeführt ist. Diese Nabenkante ermöglicht ein effektives Ablösen der Wasserströmung vom Propeller.
Die Endkante auf jedem vorstehenden Teil ermöglicht ein effektives Ablösen der Wasserströmung vom vorstehenden Teil.
In Propellernähe hat der vorstehende Teil einen Querschnitt, der mindestens teilweise im wesentlichen wie ein Ausschnitt eines Kreises gestaltet ist, dessen Mittelpunkt in Radialrichtung sich im wesentlichen mit dem Mittelpunkt des Propellers deckt. Der Radius dieses Kreises ist im wesentlichen gleich dem eines gedachten Kreises, der bei der Drehung des Propellers durch denjenigen Bereich erzeugt wird, in dem die Propellerflügel in die Propellernabe übergehen. Im Ergebnis trifft die vorbeiströmende Wasserströmung nach dem Verlassen des vorstehenden Teils im wesentlichen auf den Außenumfang der Propellernabe.
Erfindungsgemäß befindet die Wellendurchführung im Rumpf sich unmittelbar an der Prpellernabe, was die Lagerung des Propellers vereinfacht, da die Forderung nach einem weiteren Lager mit den zugehörigen Befestigungsteilen außerhalb des Rumpfes entfällt.
1 zeigt ein Motorboot mit einer erfindungsgemäßen Rumpf-Propeller-Anordnung als Perspektive von der Seite und von unten;
2 zeigt ein Motorboot mit einer erfindungsgemäßen Rumpf-Propeller-Anordnung als Perspektive von schräg achtern und hinten;
3 zeigt ein Motorboot mit einer erfindungsgemäßen Rumpf-Propeller-Anordnung als Perspektive von achtern und hinten;
4 zeigt vergrößert das Heck eines Motorboots nach 1;
5 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Rumpf-Propeller-Anordnung in der Ebene V–V der 3; und
6 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Rumpf-Propeller-Anordnung in der Ebene V–V der 3.
Die 1 zeigt ein Motorboot 1 mit einem Rumpf 2 und zwei Propellern 3. Die beiden Propeller 3 durchstoßen die Oberfläche und drehen gegeneinander; ihre Antriebswellen verlaufen im wesentlichen in Längsrichtung des Boots bugwärts. Der Rumpf 2 hat zwei vorspringende Teile 4. Jeder vorspringende Teil 4 ist stromlinierförmig ausgeführt und verläuft in Längsrichtung des Rumpfes 2. jeder vorspringende Teil 4 geht an seinem vorderen Ende 5 stromlinienartig in den Rumpf 2 über. Die vorderen Enden 5 liegen in Längsrichtung jeweils etwa in der Mitte des Rumpfes 2 und in Querrichtung zwischen der Mitte des Rumpfes 2 und seinem Rand. Die vorspringenden Teile 4 erstrecken sich jeweils zu einem hinteren Ende 6, das vor und sehr nahe an einem der Propeller 3 liegt. Im vorderen Bereich ist der Rumpf 2 mit einem Bauch 7 ausgeführt, wo der Rumpf 2 tiefer ist als meist sonst.
Es wird nun auf die 2 verwiesen. Bei hoher Geschwindigkeit wird das Boot 1 von dem Wasser getragen, das innerhalb verhältnismäßig kleiner Auflageflächen vorbei strömt. In diesem Zusammenhang ist die "Auflagefläche" eine Fläche auf dem Rumpf 2, die in direkter Berührung mit dem vorbei strömenden Wasser steht und auf die Kräfte wirken, die den Rumpf 2 anheben. Bei hoher Geschwindigkeit bilden sich in dieser beispielhaften Ausführüngsform auf dem Boot 1 zwei hintere Auflageflächen 6, die in 2 mit Linien umzogen dargestellt sind und jeweils aus demjenigen Teil der Oberfläche jedes vorstehenden Teils 4 bestehen, der vom heckseitigen Ende 6 aus eine verhältnismäßig kurze Strecke bugwärts verläuft. Auf dem Bauch 7 bildet sich eine vordere Auflagefläche aus.
In 3 ist ersichtlich, dass jeder Propeller 3 mit einer verhältnismäßig großen Nabe konstruiert und diese ihrerseits im wesentlichen als kreisförmige Platte ausgeführt ist.
Die 4 zeigt, dass die Nabe 9 am Außenumfang eine äußere Begrenzungsfläche 10 hat, die einen Zylinder einer Länge von im wesentlichen der Dicke der die Nabe 9 bildenden Platte bildet. Eine Anzahl Propellerflügel 11 – in dieser Ausführungsform sechzehn – steht in radialer Richtung von der Umfangs- bzw. Begrenzungsfläche 10 ab.
Wie die 5 zeigt, hat die Nabe 9 eine hintere Begrenzungsfläche 12, die sich im wesentlichen radial und im wesentlichen rechtwinklig zur äußeren Begrenzungsfläche 10 erstreckt. Am Übergang zwischen der hinteren Begrenzungsfläche 12 und der äußeren Begrenzungsfläche 10 ist eine verhältnismäßig scharfe Nabenkante 13 ausgebildet. Diese Nabenkante 13 ermöglicht eine wirksame Ablösung der Wasserströmung vom Propeller 3.
Im Querschnitt ist jeder vorstehende Teil 4 – mindestens am heckseitigen Ende 6 – im wesentlichen teilweise kreisförmig. Nahe dem heckseitigen Ende 6 entspricht der Radius des Querschnitts im wesentlichen dem Außenradius der Nabe 9, während der Mittelpunkt des vom Querschnitt beschriebenen Kreises in Radialrichtung sich im wesentlichen mit dem Mittelpunkt des Propellers deckt. Am heckseitigen Ende 6 bildet jeder vorstehende Teil 4 eine Endfläche 14, die im wesentlichen parallel zur Propellerscheibe verläuft. Am Übergang zwischen der Endfläche 14 und der Außenfläche ist unmittelbar vor der Endfläche 14 eine verhältnismäßig scharfe Endkante 15 ausgebildet. Diese Endkante 15 ermöglicht ein wirkungsvolles Ablösen der Wasserströmung vom vorstehenden Teil 4. Bei Berücksichtigung des praktisch Möglichen bleibt der Abstand zwischen der Endkante 15 und dem Propeller 3 minimal. Auf jeden Fall ist er erheblich kleiner als die Länge jedes Propellerflügels 11.
Die 6 zeigt einen Effekt der erfindungsgemäßen Vortriebsanordnung. Unter dem Boot 1 gezogene Linien kennzeichnen die Wasserströmung. Da der Radius des Querschnitts des vorstehenden Teils 4 nahe am heckseitigen Ende 6 im wesentlichen dem Außenradius der Nabe 9 entspricht und der Propeller 3 unmittelbar hinter dem heckseitigen Ende 6 liegt, befindet die Oberfläche der Wasserströmung sich bei hoher Geschwindigkeit in demjenigen Bereich, wo die Propeilerflügel 11 in die äußere Begrenzungsfläche 10 der Nabe 9 übergehen.
Treten bei hoher Geschwindigkeit – bspw. durch das Einlaufen in Wellen-Nickbewegungen des Boots 1 auf, erfolgt die Drehung im wesentlichen um eine quer verlaufende Achse im Bereich der hinteren Auflageflächen 6. Da die Propeller 3 unmittelbar achtern der jeweiligen hinteren Auflagefläche 6 und somit nahe am Drehungsmittelpunkt liegen, führen diese Dreh- zu nur geringen vertikalen Auslenkungen der Propeller 3.
Die 5 zeigt die Anordnung eines Teils des Propellers 3 in einer Ausnehmung 16 im Rumpf 2. Erfindungsgemäß liegt die Durchführung 16 der Antriebswelle 17 im Rumpf 2 unmittelbar an der Propellernabe 9, was die Lagerung des Propellers 3 vereinfacht, da ein zusätzliches Lager mit den zugehörigen Befestigungsmitteln außerhalb des Rumpfes 2 entfällt.
Da jeder Propeller 3 unmittelbar hinter dem jeweiligen vorstehenden Teil 4 und vertikal liegt, durchstößt er die Wasseroberfläche auch bei mindestens verhältnismäßig schneller Verdrängungsfahrt des Boots. Dazu trägt bei, dass jeder Propeller 3 verhältnismäßig groß ist.
In der beschriebenen Ausführungsform hat das Motorboot 1 zwei Propeller 3, die in Querrichtung des Rumpfes 2 voneinander beabstandet sind. Sie sind so angeordnet, dass bei fahrendem Motorboot 1 der Anstellwinkel der Propeller flügel 11 sich für jeden Propeller 3 individuell einstellen lässt. Daher lässt das Boot 1 sich ohne Ruder lenken. Das Fehlen eines Ruders verringert die Anzahl der Teile, die bei fahrendem Boot 1 mit dem Wasser in Berührung stehen; dadurch verringert der Widerstand gegen den Vortrieb des Boots 1.
Die Flügel 11 jeder Propellers 3 sind vorzugsweise so angeordnet, dass sich während der Fahrt ihr Anstellwinkel verstellen und so der Fahrt des Boots anpassen lässt. So nutzt man die Antriebsmittel des Boots effektiver aus.

Claims

Bootskörper-Propeller-Anordnung für ein Oberflächen-Wasserfahrzeug (1) mit mindestens einem Propeller (3), der bei hohen Geschwindigkeiten des Wasserfahrzeugs die Oberfläche durchstößt und so angeordnet ist, dass bei hohen Geschwindigkeiten des Wasserfahrzeugs nur die Propellerflügel (11) oder Teile von ihnen in das Wasser tauchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Bootskörper (2) mit mindestens einem stromlinienförmigen vorstehenden Teil (4) ausgeführt ist, der im wesentlichen in Längsrichtung des Bootskörpers (2) verläuft, dass der vorstehende Teil (4) – in Kategorien seiner äußeren Gestalt– an seinem hinteren Ende (6) eine Endkante (15) hat, die mindestens teilweise im wesentlichen qier zur Längsrichtung des vorstehenden Teils (4) verläuft, dass der Propeller (3) unmittelbar achtern der Endkante (15) angeordnet ist, dass ein Teil des Propellers in Radialrichtung über die begrenzenden Oberflächen des vorstehenden Teils (4) hinaus vorsteht, und dass jeder vorstehende Teil (4) so angeordnet ist, dass bei hohen Geschwindigkeiten des Wasserfahrzeugs (1) eine tragende Fläche (6) für das Wasserfahrzeug (1) entsteht, die im wesentlichen aus einem Teil der Oberfläche des vorstehenden Teils (4) besteht, der unmittelbar vor der Endkante (15) und an der untersten Stelle des vorstehenden Teils (4) liegt.
Bootskörper-Propeller-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder vorstehende Teil (4) in der Nähe des zugehörigen Propellers (3) einen Querschnitt hat, der mindestens teilweise im wesentlichen als Teil eines Kreises geformt ist, dass der Mittelpunkt dieses Kreises nahe am Propeller (3) in der Radialrichtung sich im wesentlichen mit dem Mittelpunkt des Propellers deckt und dass der Radius dieses Kreises nahe am Propeller (3) kleiner ist als der Außenradius des Propellers.
Bootskörper-Propeller-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des Kreises, den der Querschnitt des vorstehenden Teils (4) nahe am Propeller (3) bildet, im wesentlichen gleich dem Radius eines gedachten Kreises ist, der bei drehendem Propeller (3) dort generiert wird, wo die Propellerflügel (11) in die Propellernabe (9) übergehen.
Bootskörper-Propeller-Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Propeller (3) im Verhältnis zu den Propellerflügeln (1) mit einer verhältnismäßig großen Nabe (9) konstruiert ist, dass die Nabe (9) am Umfang eine umlaufende Begrenzungsfläche (10) hat, die im wesentlichen zylinderförmig ist, dass die Nabe (9) achtern eine Begrenzungsfläche (12) hat und dass der Übergang von der achtern liegenden Begrenzungsfläche (12) zur außen umlaufenden Begrenzungsfläche (10) als verhältnismäßig scharfe Nabenkante (13) ausgeführt ist.
Bootskörper-Propeller-Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserfahrzeug (1) zwei Propeller (3) hat, die in Querrichtung des Bootskörperes (2) beabstandet und so angeordnet sind, dass bei fahrendem Wasserfahrzeug (1) der Steigungswinkel der Propellerflügel (11) für jeden Propeller (3) individuell einstellbar ist.
Bootskörper-Propeller-Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (16) der Antriebswelle (17) im Bootskörper (2) unmittelbar an der Propellernabe (9) liegt.