DE10334900A1

DE10334900A1 - Ship propulsion wheel within a shrouding, at the hull, has structured teeth with convex flanks to force a water flow between it and the shrouding for increased propulsion power

Info

Publication number: DE10334900A1
Application number: DE2003134900
Authority: DE
Inventors: Thomas SCHÜLLER
Original assignee: Schmitt Kugelantriebe GmbH
Current assignee: SBS SCHMITT BOOTE UND SCHWIMMENDE ANLAGEN GMBH, DE
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-03-03
Also published as: TWI280931B; TW200503921A

Abstract

The ship's propulsion uses a toothed wheel at the hull (134), partially immersed in water (W), rotating on an axis at right angles to the line of movement, which generates a water flow between it and its shrouding (126) to give the forward movement (A). The leading and trailing flanks of each tooth have a spherical convex surface, and the tooth peak (112) has a convex curvature in the axial direction. The start point of the curvature radii of the spherical surfaces and the contour of the tooth peaks lie on an orthogonal plane to the rotary axis, which contains the center point of the wheel in an axial direction. The water flow enters through a gap (128) between the wheel and the shrouding, to pass through the space (132) between them to an outlet gap (130).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schiffsantrieb mit einem teilweise in das Wasser eintauchenden angetriebenen gezahnten Vortriebsrad, dessen Drehachse sich im Wesentlichen rechtwinklig zu der Vortriebsrichtung des Schiffsantriebes erstreckt, und mit einer das Vortriebsrad teilweise umfänglich umgebenden Abdeckung, die derart in Bezug auf das Vortriebsrad angeordnet ist, dass sich beim Betrieb des Schiffsantriebes zwischen der Umfangsfläche des Vortriebsrades und der Abdeckung eine mit dem Drehsinn des Vortriebsrades umlaufende Strömung ausbildet.The The present invention relates to a marine propulsion with a partial immersed in the water driven toothed propulsion wheel, its axis of rotation is substantially perpendicular to the direction of advance extends the marine propulsion, and with a propulsion wheel partially peripherally surrounding cover, which is arranged with respect to the propulsion wheel is that in the operation of the marine propulsion between the peripheral surface of the Propulsion wheel and the cover with the direction of rotation of the propulsion wheel circulating flow formed.

Ein derartiger Schiffsantrieb ist aus der PCT/EP02/00562 bekannt. Bei dem gattungsbildenden Schiffsantrieb verschleppt das angetriebene Vortriebsrad, welches sich üblicherweise in einem zur Unterseite des Schiffsrumpfes offenen Gehäuse befindet und in der Ruhestellung aus dem Wasser ragt, das den Rumpf umgebende Wasser. Dieses Wasser läuft zusammen mit dem rotierenden Vortriebsrad in einem zwischen der äußeren Umfangsfläche des Vortriebsrades und der Abdeckung gebildeten Spalt um. Beim Wiedereintritt in das den Rumpf umgebende Wasser gibt das mitgeschleppte Wasser, welches eine abrissfreie Strömung in dem Spalt ausbildet, an das umgebende Wasser einen Impuls ab, der zu einem Vortrieb des mit dem Antrieb ausgerüsteten Schiffes führt.One Such marine propulsion is known from PCT / EP02 / 00562. at the generic ship propulsion towed the driven Propulsion wheel, which is usually located in a housing open to the underside of the hull and in the rest position protrudes from the water surrounding the hull Water. This water is running together with the rotary driving wheel in between the outer peripheral surface of the Propulsion wheel and the cover formed gap around. Upon reentry into the water surrounding the hull gives the entrained water, which a tear-free flow in the gap forms an impulse to the surrounding water, which leads to a propulsion of the equipped with the drive ship.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, den gattungsbildenden Schiffsantrieb weiterzubilden und Maßnahmen anzugeben, mit denen der Wirkungsgrad des Schiffsantriebes verbessert werden kann.Of the The present invention is based on the problem, the generic Further develop marine propulsion and specify measures with which the efficiency of the marine propulsion system can be improved.

Zur Lösung des obigen Problems gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung der gattungsbildende Schiffsantrieb derart weitergebildet, dass die vorlaufende und die nachlaufende Flanke jedes der an dem Vortriebsrad ausgebildeten Zähne eine spährische, konvexe Oberfläche aufweisen, dass bis die Zahnspitze eines jeden Zahnes in axialer Richtung konvex gekrümmt ist und dass der Ausgangspunkt der Krümmungsradien der sphärischen Oberflächen und der Kontur der Zahnspitze in einer sich ortho gonal zur Drehachse des Zahnrades erstreckenden Ebene liegen, die auch den Mittelpunkt des Vortriebsrades in axialer Richtung enthält. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass eine derart geformte Oberfläche der Vortriebseinrichtung zu recht hohen Wirkungsgraden führt. So hat sich bei einem Pfahlzugversuch gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Schiffsantrieb eine Zugkraft von 42 kg/kW Motorleistung zu erzielen ist, wohingegen der entsprechende Wert für einen üblichen Propeller bei zwischen 13 und 15 kg/kW liegt.to solution the above problem according to a First aspect of the present invention, the generic ship propulsion refined so that the leading and the trailing Flank each of the teeth formed on the propulsion wheel spährische, convex surface have that until the tooth tip of each tooth in the axial Direction convexly curved is and that the starting point of the radii of curvature of the spherical surfaces and the contour of the tooth tip in a ortho gonal to the axis of rotation the gear extending plane lie, which is also the center the propulsion wheel in the axial direction contains. It has surprisingly found that such a shaped surface of the propulsion device leads to quite high efficiencies. Thus, in a bollard pull test, it has been shown that with the ship propulsion system according to the invention a tractive effort of 42 kg / kW engine power is to be achieved, whereas the corresponding value for a usual Propeller is between 13 and 15 kg / kW.

Die relativ hohen Wirkungsgrade des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes liegen in der besonderen Ausgestaltung der auf der Außenumfangsfläche des Vortriebsrades ausgeformten Zähne begründet. Bei diesen Zähnen sind in Umfangsrichtung die vorlaufenden und nachlaufenden Flanken sphärisch konvex ausgeformt. Als vorlaufende Flanke wird diejenige Flanke eines Zahnes angesehen, welche bei einer Drehung des Vortriebsrades in Hauptvortriebsrichtung die vordere Flanke eines Zahnes bildet, während die nachlaufende Flanke bei einer Drehung in Hauptvortriebsrichtung die hintere Flanke des entsprechenden Zahnes ist.The relatively high efficiencies of the ship propulsion invention are in the particular embodiment of the on the outer peripheral surface of Propelling wheel shaped teeth founded. With these teeth are in the circumferential direction, the leading and trailing edges spherical convex. The leading edge is the flank a tooth viewed when turning the propulsion wheel forms the front edge of a tooth in the main advancing direction, while the trailing edge with a rotation in Hauptvortriebsrichtung the rear edge of the corresponding tooth is.

Das nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ausgebildete Vortriebsrad zeichnet sich ferner dadurch gegenüber dem Stand der Technik aus, dass die Zahnspitze eines jeden Zahnes in axialer Richtung konvex gekrümmt ist. Schließlich liegen die Ausgangspunkte der Krümmungsradien der sphärischen Oberflächen der Flanken sowie der Kontur der Zahnspitze in einer sich orthogonal zur Drehachse des Zahnrades erstreckende Ebene. Diese Ebene umfasst auch den Mittelpunkt des Vortriebsrades in axialer Richtung, was bedeutet, dass die Flankenflächen wie Flächen eines Kugelsegmentes an der äußeren Umfangsfläche des Vortriebsrades vorgesehen sind, wobei der in axialer Richtung der Oberfläche der Kugelsegmente liegende höchste Punkt jeweils auf der Mitte des Vortriebsrades befindlich ist. Das gleiche Erfordernis wird gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung für die Kontur der Zahnspitze aufgestellt. Auch diese ist symmetrisch zu der axialen Mitte des Vortriebsrades ausgebildet. Die Stirnseiten des Vortriebsrades können aus Gründen einer einfachen Konstruktion eben ausgeformt sein. Alternative Ausgestaltungen, wie sie beispielsweise aus dem gattungsbildenden Stand der Technik bekannt sind, dessen Offenbarung durch die Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird, sind gleichfalls möglich.The formed driving wheel according to the first aspect of the present invention is also characterized by the prior art, that the tooth tip of each tooth is convex in the axial direction bent is. After all are the starting points of the radii of curvature the spherical surfaces of the Flanks as well as the contour of the tooth tip in an orthogonal to the axis of rotation of the gear extending plane. This level includes also the center of the propulsion wheel in the axial direction, which means that the flank surfaces like surfaces a spherical segment on the outer peripheral surface of Propulsion wheel are provided, wherein in the axial direction of the surface the spherical segments lying highest Point is located in each case on the center of the propulsion wheel. The same requirement is according to the first Aspect of the present invention for the contour of the tooth tip established. This too is symmetrical to the axial center of the Propulsion wheel formed. The front sides of the propulsion wheel can for reasons of simple construction just be formed. Alternative embodiments, as for example from the generic state of the art the disclosure of which is incorporated herein by reference Registration is included are also possible.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.preferred Further developments of the ship propulsion system according to the invention according to the first Aspect of the present invention are in the dependent claims 2 to 8 indicated.

Mit ihrem zweiten Aspekt schlägt die vorliegende Erfindung Lösungen des obigen Problems vor, den gattungsbildenden Schiffsantrieb dadurch weiterzubilden, dass Zwickelkanäle, die zwischen benachbarten Zähnen des Vortriebsrades auf dessen Umfangsfläche ausgebildet sind, sich axial nach außen öffnen. Die Zwickelkanäle, die sich axialer Richtung auf der Umfangsfläche des Vortriebsrades und im Wesentlichen über dem Zahngrund erstrecken, kommunizieren dementsprechend mit einem Abstandsraum, der zwischen dem Vortriebsrad und den Seitenflächen eines Gehäuses gebildet ist, welches das Vortriebsrad umgibt und auch die Abdeckung enthält.With its second aspect the present invention solutions of the above problem, the generic ship propulsion thereby to develop that gusset channels, the between adjacent teeth the propulsion wheel are formed on the peripheral surface, itself open axially outwards. The Zwickel channels the axial direction on the peripheral surface of the propulsion wheel and essentially about extend to the tooth base, communicate accordingly with a Distance space between the propulsion wheel and the side surfaces of a housing is formed, which surrounds the propulsion wheel and the cover contains.

Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei solchen Schiffsantrieben, die keine bevorzugte Hauptvortriebsrichtung haben und in jeder der beiden Drehrichtungen im Wesentlichen den gleichen Schub entwickeln, der Wirkungsgrad des Schiffsantriebes dadurch verbessert werden kann, dass bei Betrieb des Schiffsantriebs Wasser zwischen dem Vortriebsrad und den Seitenflächen der Abdeckung im Wesentlichen entgegen der Schwerkraft gefördert und seitlich in die Zwickelkanäle eingebracht wird. Das entsprechende Wasser wird insbesondere nach Ausbildung einer abrissfreien, mit dem Antriebsrad umlaufenden Strömung durch den Abstandsraum und zu dem zwischen der Außenumfangsfläche des Vortriebsrades und der Abdeckung gebildeten Spalte gefördert, und zwar aufgrund einer Sogwirkung, die sich erst nach Ausbilden einer umlaufenden Strömung einstellt. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Ausgestaltung gegenüber dem als gattungsbildenden angesehenen vorbekannten Lösungsprinzip, bei dem seitliche Wangen den axialen Zugang von außen zu den Zwickelkanälen verhindern, zu einem erhöhten Wirkungsgrad des Schiffsantriebes führt.It has been shown, in particular, in such ship propulsion systems, which have no preferred main propulsion direction and in each of Both directions essentially develop the same thrust, the Efficiency of the marine propulsion can be improved thereby that during operation of the ship propulsion water between the propulsion wheel and the side surfaces the cover promoted substantially against gravity and laterally in the gusset channels is introduced. The corresponding water is in particular after Training a tear-free, circulating with the drive wheel flow through the clearance space and between the outer peripheral surface of the Promoted propulsion wheel and the cover formed column, and Although due to a suction effect, which only after forming a circulating flow established. It has been shown that such a configuration across from the well-known solution principle known as generic, in which lateral cheeks prevent axial access from the outside to the gusset channels, to an increased Efficiency of the marine propulsion leads.

Im Hinblick auf einen gleichförmigen Schub in jeder der beiden Drehrichtungen ist es weiterhin zu bevorzugen, die vor- und nachlaufende Flanke im Wesentlichen geometrisch gleich auszubilden und die Einlass- und Auslassöffnung des Spaltes in etwa auf gleicher Höhe enden zu lassen.in the Regard to a uniform Thrust in each of the two directions of rotation is still to be preferred the leading and trailing edge are substantially geometrically equal form and the inlet and outlet of the gap in about at the same height to end.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das Volumen des Abstandsraumes auf das Volumen des Spaltes zwischen der äußeren Umfangsfläche des Vortriebsrades und der Abdeckung abzustimmen.It has proved to be useful the volume of the distance space on the volume of the gap between the outer peripheral surface of the Tuning the drive wheel and the cover.

Das Volumen des Abstandsraumes berechnet sich bei ebenen und sich parallel zueinander erstreckenden Seitenflächen des Gehäuses einerseits und des Antriebsrades andererseits aus dem Produkt der Grundfläche eines abgeschnittenes Kreises und der Breite des Abstandsraumes, d.h. dem Abstand zwischen der Seitenfläche des Vortriebsrades einerseits und des Gehäuses andererseits. Die abgeschnittene Kreisfläche hat einen Radius, der sich aus einer Addition des größten Außenradius des Vortriebsrades und der kleinsten Höhe des Spaltes ergibt. Die kleinste Höhe des Spaltes wird bei einem in Umfangsrichtung zumindest überwiegend konstanten Spalt bestimmt durch den Abstand zwischen dem höchsten Punkt der Zahnspitze und der Abdeckung. Die Grundfläche des abgeschnittenen Kreises wird ermittelt aus einer Differenz von zwei Flächen, nämlich der Grundfläche des Kreises und einer kappenförmigen Fläche, deren eine Seite durch den äußeren Rand des Kreises und deren andere Seite durch eine Sekante gebildet wird, welche den Kreis an seiner Außenseite genau dort schneidet, wo die Umschlingung des Vortriebsrades durch die Abdeckung endet. Diese Sekante schneidet die Einlass- und die Auslassöffnung also die jeweiligen Enden der Abdeckung. Das Volumen des Spaltes kann durch exakte Berechnung der Spaltgeometrie über den Umschlingungswinkel der Abdeckung um das Vortriebsrad ermittelt werden.The Volume of the distance space is calculated at even and parallel mutually extending side surfaces of the housing on the one hand and the drive wheel on the other hand from the product of the base of a truncated circle and the width of the spacing space, i. the distance between the side surface of the propulsion wheel on the one hand and the housing on the other hand. The cut circular area has a radius that is from an addition of the largest outer radius of the propulsion wheel and the smallest height of the gap results. The smallest height of the gap is at least predominantly in a circumferential direction constant gap determined by the distance between the highest point the tooth tip and the cover. The base of the cut circle is determined from a difference between two surfaces, namely the base of the Circle and a cap-shaped Area, one side through the outer edge of the circle and whose other side is formed by a secant, which the circle on its outside right where cuts the wrap of the propulsion wheel through the cover ends. This secant cuts the inlet and the outlet So the respective ends of the cover. The volume of the gap can by exact calculation of the gap geometry over the wrap angle the cover are determined around the propulsion wheel.

Als einfache Faustregel zur Auslegung der beiderseitigen Volumina des Abstandsraumes einerseits und des Spaltes andererseits hat sich eine Beziehung zwischen der Breite des Vortriebsrades und der Breite des Abstandsraumes ergeben. Dabei entspricht wenigstens die halbe axiale Erstreckung des Vortriebsrades der axialen Erstreckung des Abstandsraumes.When simple rule of thumb for the interpretation of the mutual volumes of the Distance space on the one hand and the gap on the other hand has become a relationship between the width of the propulsion wheel and the width of the Distance space result. At least half of this corresponds to axial Extension of the propulsion wheel of the axial extent of the distance space.

Im Hinblick auf die Erzeugung eines gerichteten Impulses parallel zur Fahrtrichtung des Schiffes wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die Abdeckung für das Vortriebsrad mit einem Umschlingungswinkel von zwischen 200 und vorzugsweise 270° vorzusehen, wobei ein in Hauptantriebsrichtung des Schiffsantriebes die Auslassöffnung für die mit dem Vortriebsrad umlaufenden Strömung bildender Bereich der Abdeckung das Vortriebsrad so weit umgibt, dass die Strömung überwiegend parallel zu der Vortriebsrichtung abgegeben wird. Demgegenüber ist ein in Hauptvortriebsrichtung den Einlass des Strömungsantriebes für die umlaufende Strömung bildender Bereich der Abdeckung derart ausgestaltet, dass die Strömung im Wesentlichen mit einer sich senkrecht zu der Vortriebsrichtung erstreckenden Geschwindigkeit in einen zwischen der Abdeckung und der Umfangsfläche des Vortriebsrades gebildeten Spalt eingezogen wird. Eine derartige, im Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad in der Hauptvortriebsrichtung angepasster Schiffsantrieb weist vorzugsweise Wangen auf, die an der Stirnseite des Vortriebsrades angebracht sind und den Zahngrund überragen, um die in dem Spalt sich ausbildende umlaufende Strömung seitlich zu fassen. Vorzugweise erstrecken sich bei dieser Ausgestaltung die Wangen bis etwa zu dem höchsten Punkt der Zahnspitzen.With regard to the generation of a directed pulse parallel to the direction of travel of the ship is proposed according to a preferred embodiment of the present invention to provide the cover for the propulsion wheel with a wrap angle of between 200 and preferably 270 °, wherein in the main drive direction of the marine propulsion outlet for the With the propulsion wheel encircling flow forming region of the cover the propulsion wheel so far surrounds that the flow is discharged predominantly parallel to the propulsion direction. On the other hand, a portion of the cover forming the inlet of the circulating flow drive in the main propulsion direction is configured such that the flow is retracted substantially at a velocity extending perpendicular to the propulsion direction into a gap formed between the cover and the peripheral surface of the propulsion wheel. Such, adapted in view of a high efficiency in the main propulsion direction ship propulsion preferably has cheeks, which are mounted on the front side of the propulsion wheel and project beyond the tooth base to laterally grasp the circulating flow forming in the gap. Preferably, in this embodiment, the cheeks extend to about the highest point the tooth tips.

Insbesondere bei relativ schnelllaufenden Schiffsantrieben mit einem schnelllaufenden Vortriebsrad ist es weiterhin zu bevorzugen, dass sich der Spalt zur Ausbildung einer umlaufenden Strömung im Bereich der Auslassöffnung in Hauptvortriebsrichtung verjüngt, was dazu führt, dass die umlaufende Strömung beim Ausfördern in dem verjüngten Spalt beschleunigt und somit der Impuls vergrößert wird.Especially in relatively fast-running ship engines with a high-speed Propulsion wheel continues to prefer that the gap for the formation of a circulating flow in the region of the outlet opening in Main propulsion direction rejuvenated, which leads to, that the circulating flow when feeding in the rejuvenated Cleaved gap and thus the pulse is increased.

Das Einziehen der Strömung in den umlaufenden Spalt wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dadurch begünstigt, dass sich der Spalt im Bereich der Einlassöffnung trichterförmig verbreitert.The Drawing in the flow in the circumferential gap is according to another preferred Embodiment of the present invention thereby favors that the gap widened funnel-shaped in the region of the inlet opening.

Abgesehen von der sich verjüngenden Auslassöffnung und der trichterförmig in Strömungsrichtung zulaufenden Einlassöffnung ist der Spalt darüber hinaus vorzugsweise über etwa 90 bis 95 % des Umschlingungswinkels im Wesentlich in Umfangsrichtung konstant. Es hat sich als besonders wirkungsvoll herausgestellt, den Spalt in seinem in Umfangsrichtung konstanten Abschnitt mit einer Höhe korrespondierend 0,08 bis 0,12, vorzugsweise 0,09 bis 0,11 des Mittelwertes der drei Krümmungsradien auszubilden. Diese Spalthöhe wird vom radial äußersten Punkt der Zahnspitze bis hin zu der Abdeckung ermittelt.apart from the rejuvenating outlet and the funnel-shaped in the flow direction tapered inlet opening is the gap over it also preferably over about 90 to 95% of the wrap angle substantially in the circumferential direction constant. It has proven to be particularly effective the gap in its circumferentially constant section with a height corresponding to 0.08 to 0.12, preferably 0.09 to 0.11 of the mean the three radii of curvature train. This gap height will from the radially outermost Point of the tooth tip up to the cover determined.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:Further Details, features and advantages of the present invention result from the following description of some embodiments in conjunction with the drawing. In this show:

1a–1d den axialen Mittelpunkt enthaltende Schnittansichten verschiedener Ausführungsbeispiele von Antriebsrädern mit 10, 12, 15 bzw. 18 Zähnen; 1a - 1d the axial center containing sectional views of various embodiments of drive wheels with 10, 12, 15 and 18 teeth;

2 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schiffsantriebes; und 2 a cross-sectional view of an embodiment of a marine propulsion system according to the invention; and

3 eine Querschnittsansicht durch das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel. 3 a cross-sectional view through the in 2 shown embodiment.

Die 1a–1c zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele von Vortriebsrädern 100 des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes mit 10 Zähnen (1a), 12 Zähnen (1b) und 15 Zähnen (1c). Jeder Zahn 102 weist eine vorlaufende Flanke 104, eine nachlaufende Flanke 106 sowie jeweils einen Zahngrund 108 zu Beginn der vorlaufenden Flanke 106 und einen weiteren Zahngrund 110 zum Ende der nachlaufenden Flanke 106 auf. Wie der Schnittdarstellung der 1a–1c zu entnehmen ist, sind die vorlaufenden und die rücklaufenden Flanken 104, 106 jeweils in Umfangsrichtung des Vortriebsrades 100 konvex gekrümmt. Die Oberfläche des gesamten Vortriebsrades 10 ist aber auch in axialer Richtung konvex gekrümmt. Dies bezieht sich sowohl auf die Krümmung im Zahngrund 108, 110 als auch die Krümmung einer die vorlaufende Flanke 104 und die nachlaufende Flanke 106 verbindenden Zahnspitze 112.The 1a - 1c show various embodiments of propulsion wheels 100 10-tooth marine propulsion system according to the invention ( 1a ), 12 teeth ( 1b ) and 15 teeth ( 1c ). Every tooth 102 has a leading edge 104 , a trailing edge 106 as well as one tooth base each 108 at the beginning of the leading edge 106 and another tooth base 110 to the end of the trailing edge 106 on. Like the sectional view of the 1a - 1c it can be seen, are the leading and the returning edges 104 . 106 in each case in the circumferential direction of the propulsion wheel 100 convexly curved. The surface of the entire propulsion wheel 10 but is also curved convexly in the axial direction. This refers both to the curvature in the tooth base 108 . 110 as well as the curvature of a leading flank 104 and the trailing edge 106 connecting tooth tip 112 ,

Die Krümmungsradien von Zahngrund 108, 110, die vorlaufende Flanke 104 sowie die nachlaufende Flanke 106 sind bei den gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils identisch. Der Ausgangspunkt der jeweiligen Krümmungsradien (jeweils R = 75 mm) der in den 1a–1c gezeigten Ausführungsbeispiele ist in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet. Y_G gibt den Abstand des Ausgangspunktes des Krümmungsradius für den Zahngrund von dem Mittel- und Drehpunkt des Vortriebsrades 100 an. X_G ist der korrespondierende Wert auf der X-Achse. Das Gleiche gilt für die vorlaufende Flanke (Y_V, X_V) sowie die nachlaufende Flanke (Y_N, X_N).The radii of curvature of tooth base 108 . 110 , the leading edge 104 as well as the trailing edge 106 are identical in the embodiments shown. The starting point of the respective radii of curvature (each R = 75 mm) of the in the 1a - 1c The embodiments shown are listed in the following table. Y _G gives the distance of the origin of the radius of curvature for the tooth root from the center and pivot point of the propulsion wheel 100 at. X _G is the corresponding value on the X axis. The same applies to the leading edge (Y _V , X _V ) and the trailing edge (Y _N , X _N ).

Tabelle

table

Die Koordinaten für den Grund X_G, Y_G gelten für sowohl den Zahngrund 108 als auch den Zahngrund 110. Der Krümmungsradius der Zahnspitze in axialer Richtung ergibt sich aus den Schnittpunkten der vorlaufenden und nachlaufenden Flanke 104, 106. Das Vortriebsrad 100 mit 18 Zähnen hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.The coordinates for the reason X _G , Y _G apply to both the tooth base 108 as well as the tooth base 110 , The radius of curvature of the tooth tip in the axial direction results from the intersections of the leading and trailing flanks 104 . 106 , The propulsion wheel 100 with 18 teeth has been found to be particularly beneficial.

Bei der unter Bezugnahme auf die 1a–1c ausführlich beschriebenen Ausbildung des Vortriebsrades 100 befindet sich der Ausgangspunkt sämtlicher Krümmungsradien für die vorlaufenden Flanken 104 auf einem Kreis, der konzentrisch zu der Drehachse des Vortriebsrades 100 liegt und zwischen einer jeden Zahngrund 108 enthaltenden Kreisfläche und der Drehachse des Vortriebsrades 100 befindlich ist. Der Ausgangspunkt der Krümmungsradien der nachlaufenden Flanken 106, die relativ steil auf den Zahngrund 108 abfallen, liegt auf einer Umhüllenden, die außerhalb des Zahngrundes 108 liegt und sich vorzugsweise in einem Bereich, in dem sich auch die Oberkante der Zahnspitze 112 befindet.When referring to the 1a - 1c described in detail training of the propulsion wheel 100 is the starting point of all radii of curvature for the leading edges 104 on a circle concentric with the axis of rotation of the propulsion wheel 100 lies and between each tooth reason 108 containing circular surface and the axis of rotation of the propulsion wheel 100 is located. The starting point of the radii of curvature of the trailing flanks 106 , which are relatively steep on the tooth surface 108 fall off, lies on an envelope, which is outside the tooth base 108 lies and preferably in an area in which also the upper edge of the tooth tip 112 located.

Die 2 und 3 zeigen das in 1b gezeigte Ausführungsbeispiel eines Vortriebsrades 100 eingebaut als Teil eines Schiffsantriebes mit einer Antriebswelle 114, das die Seitenflächen 116, 118 eines Gehäuses 120 durchragt. An der Außenseite der Seitenfläche 116, 118 sind jeweils Wälzlager 122, 124 zur Lagerung der Antriebswelle 114 vorgesehen. Diese Wälzlager 122, 124 sind mit den Seitenflächen 116, 118 verbunden.The 2 and 3 show that in 1b shown embodiment of a propulsion wheel 100 installed as part of a marine propulsion system with a drive shaft 114 that the side surfaces 116 . 118 a housing 120 projects through. On the outside of the side surface 116 . 118 are each rolling bearings 122 . 124 for mounting the drive shaft 114 intended. These bearings 122 . 124 are with the side surfaces 116 . 118 connected.

Das Gehäuse 120 weist eine Abdeckung 126 auf, die sich parallel zu der Antriebswelle 114 erstreckt. Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, bildet die Abdeckung 126 an ihrem hinteren Ende, d.h. zum hinteren Ende in Hauptantriebsrichtung A, eine sich trichterförmig verjüngende Einlassöffnung 128 sowie eine sich verjüngende Auslassöffnung 130 auf. Zwischen der Einlassöffnung 128 und der Auslassöffnung 130 bleibt der Spalt 132 über 90 % seines Umschlingungswinkels konstant. Der Umschlingungswinkel beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel 220°, wobei die Einlassöffnung 128 bündig mit der Unterseite eines Schiffsrumpfes 134 ist und die Auslassöffnung 130 in einem Umfangssegment der Abdeckung 126 ausgebildet ist, welches die Unterseite des Schiffrumpfes 134 überragt und sich in Richtung auf das Heck des Schiffes öffnet.The housing 120 has a cover 126 on, extending parallel to the drive shaft 114 extends. How the particular 3 can be seen forms the cover 126 at its rear end, ie to the rear end in the main drive direction A, a funnel-shaped tapered inlet opening 128 and a tapered outlet opening 130 on. Between the inlet opening 128 and the outlet opening 130 the gap stays 132 over 90% of its wrap angle constant. The wrap angle is 220 ° in the embodiment shown, wherein the inlet opening 128 flush with the underside of a ship's hull 134 is and the outlet opening 130 in a circumferential segment of the cover 126 is formed, which is the underside of the ship's hull 134 towers over and opens towards the stern of the ship.

Bei den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils an den Seitenflächen des Vortriebsrades 100 Wangen 136 vorgesehen, welche die Zahnspitze 112 am äußeren Rand des Vortriebsrades 100 überragen und in etwa bis zu dem höchsten Punkt der Zahnspitzen 112 reicht.In the in the 2 and 3 shown embodiment are respectively on the side surfaces of the propulsion wheel 100 Wangen 136 provided which the tooth tip 112 at the outer edge of the propulsion wheel 100 tower over and approximately to the highest point of the tooth tips 112 enough.

Beim Betrieb des Ausführungsbeispiels wird den Schiffsrumpf 134 umgebendes Wasser mit Drehung des Vortriebsrades 100 in Hauptantriebsrichtung H verschleppt, bis sich nach Abschluss eines Anfahrverhaltens eine mit dem Vortriebsrad 100 umlaufende Strömung in dem Spalt 132 einstellt. Die seitlichen Wangen 136 stabilisieren hierbei die kontinuierliche, abrissfreie umlaufende Strömung in dem Spalt 132. Praktische Versuche haben gezeigt, dass bei Erreichen des Betriebspunktes, d.h. nach vollständiger Verdrängung von in Ruhelage oberhalb der Wasseroberfläche W befindlicher Luft aus dem Spalt 132 zusätzlich Wasser durch einen zwischen den Seitenflächen des Vortriebsrades und den Seitenflächen 116, 118 des Gehäuses gebildeten Abstandsraum 138 strömt und diesen ausfüllt. Die sich hierbei ergebenden Phänomene lassen sich derzeit theoretisch noch nicht vollständig beschreiben. Es hat sich auch herausgestellt, dass der Abstandsraum 138 ein bestimmtes Volumen haben muss, welches auf das Volumen des Spaltes abgestimmt ist. Das Volumen des Abstandsraumes 138 berechnet sich aus einer Grundfläche, die in 4 schraffiert dargestellt ist, multipliziert mit der Breite B des Abstandsraumes 138 in axialer Richtung. In 5 ist R_A der Radius des Vortriebsrades 100 gemessen von dessen Drehachse bis in den höchsten Punkt der Zahnspitze 112.In operation of the embodiment, the ship's hull 134 surrounding water with rotation of the propulsion wheel 100 in the main drive direction H dragged until, after completion of a start-up behavior with the drive wheel 100 circulating flow in the gap 132 established. The lateral cheeks 136 stabilize the continuous, tear-free circulating flow in the gap 132 , Practical experiments have shown that upon reaching the operating point, ie after complete displacement of resting at rest above the water surface W air from the gap 132 additional water through one between the side surfaces of the propulsion wheel and the side surfaces 116 . 118 the housing formed distance space 138 flows and fills this. The resulting phenomena can not yet be fully described theoretically. It also turned out that the distance space 138 must have a certain volume, which is tuned to the volume of the gap. The volume of the distance space 138 is calculated from a base area in 4 hatched, multiplied with the width B of the distance space 138 in the axial direction. In 5 R _{A is} the radius of the propulsion wheel 100 measured from its axis of rotation to the highest point of the tooth tip 112 ,

Mit H_S ist die Höhe des Spaltes 132 zwischen dem höchsten Punkt der Zahnspitze 112 eines Zahnes 102 und der Abdeckung 126 in ihrem in Umfangsrichtung konstanten Umschlingungsbereich gekennzeichnet. Die untere Sekante S entspricht der gedanklichen Verlängerung des Schiffrumpfes zwischen dem sich vor dem Spalt 132 und sich hinter dem Spalt befindlichen Teilen des Schiffsrumpfes 134.With H _S is the height of the gap 132 between the highest point of the tooth tip 112 a tooth 102 and the cover 126 characterized in their circumferentially constant wrap. The lower secant S corresponds to the mental extension of the ship's hull between the front of the gap 132 and behind the gap located parts of the hull 134 ,

Das Spaltvolumen berechnet sich aus der Spaltfläche in einem gegebenenfalls auch nur abschnittsweise konstanten Spalt und dem Umschlingungsabschnitt dieses Spaltes.The Gap volume is calculated from the gap area in an optional also only partially constant gap and the wrap this gap.

Wie der 5 zu entnehmen ist, wird die Grundfläche des Spaltes eingeschlossen durch die gedankliche Verlängerung der Innenflächen der Wangen 136, d.h. der Verlängerung der Außenflächen der Außenseiten des Vortriebsrades 100 und der Oberfläche der Abdeckung 126 einerseits und der Kontur der Zahnspitze 112 andererseits. Das zusätzliche, durch Zwickelkanäle zwischen benachbarten Zahnflanken gebildete Volumen wird bei der Berechnung des Spaltvolumens nicht berücksichtigt.Again 5 can be seen, the base of the gap is enclosed by the mental extension of the inner surfaces of the cheeks 136 , ie the extension of the outer surfaces of the outer sides of the propulsion wheel 100 and the surface of the cover 126 on the one hand and the contour of the tooth tip 112 on the other hand. The additional volume formed by gusset channels between adjacent tooth flanks is not taken into account in the calculation of the gap volume.

Das Verhältnis des Volumens des Abstandsraumes 138 zu dem Volumen des Spaltes 132 liegt vorzugsweise zwischen 0,75 und 1,25, besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 1,1.The ratio of the volume of the distance space 138 to the volume of the gap 132 is preferably between 0.75 and 1.25, more preferably between 0.9 and 1.1.

Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Vortriebsrad 100 Zähne 102 auf, die symmetrisch um eine Linie ausgeformt sind, welche auch die Zahnspitze 112 enthält. Die vorlaufende Flanke 104 ist dementsprechend geometrisch identisch wie die nachlaufende Flanke 106 ausgebildet. Die Einlassöffnung 128 und die Auslassöffnung 130 liegen auf gleicher Höhe in Bezug auf den Schiffsrumpf 134.At the in 7 illustrated embodiment, the propulsion wheel 100 teeth 102 which are formed symmetrically about a line which also the tooth tip 112 contains. The leading edge 104 is accordingly geometrically identical as the trailing edge 106 educated. The inlet opening 128 and the outlet opening 130 are at the same height with respect to the hull 134 ,

Das in den 6 und 7 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Schiffsantriebes hat keine Hauptvortriebsrichtung sondern stellt in jeder der beiden Antriebsdrehrichtungen bezogen auf die aufgewendete Motorleistung denselben Schub bereit. Derartige Schiffsantriebe können beispielsweise als Bugstrahlruder zum Einsatz kommen, oder aber in Schiffen, bei denen es mehr auf Wendigkeit und Fahrleistung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ankommt, als auf bestmöglichem Wirkungsgrad bei schneller Geradeausfahrt. Das in den 6 und 7 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Schiffsantriebs eignet sich beispielsweise besonders für den Einbau einer Flussfähre.That in the 6 and 7 shown embodiment of a marine propulsion has no Hauptvortriebsrichtung but provides the same thrust in each of the two driving directions with respect to the applied engine power ready. Such ship propulsion systems can be used for example as a bow thruster, or in ships where it depends more on maneuverability and driving performance in the forward and reverse directions, as to the best possible efficiency in fast straight ahead. That in the 6 and 7 illustrated embodiment of a marine propulsion suitable, for example, especially for the installation of a river ferry.

Das in den 6 und 7 gezeigte Ausführungsbeispiel weist keine seitlichen Wangen auf, was bedeutet, dass in dem Abstandsraum 138 fließendes Wasser in axialer Richtung in Zwickelkanälen 140 gelangen kann, die zwischen benachbarten Zähnen 102 des Vortriebsrades 100 ausgebildet sind. Es hat sich gezeigt, dass bei Schiffsantrieben, die richtungsunabhängig die gleiche Schubleistung abgeben, der ungehinderte Zugang von Wasserströmung in dem Abstandsraum zu dem zwischen der äußeren Umfangsfläche des Vortriebsrades 100 und der Abdeckung 126 eingeschlossenen Raum von besonderer Bedeutung ist. Im Hinblick auf eine gewisse Führung der mit dem Vortriebsrad 100 umlaufenden Strömung kann beiderseits des Vortriebsrades 100 ein die Zahnspitzen 112 umfänglich fassender Kranz vorgesehen sein, der für den axialen Zugang zu den Zwickelkanälen 140 zwischen den Zähnen 102 freigeschnitten ist.That in the 6 and 7 embodiment shown has no lateral cheeks, which means that in the distance space 138 flowing water in the axial direction in Zwickelkanälen 140 can get that between adjacent teeth 102 the propulsion wheel 100 are formed. It has been found that, in marine propulsion systems which deliver the same thrust performance independently of the direction, unimpeded access of water flow in the clearance space to that between the outer peripheral surface of the propulsion wheel 100 and the cover 126 enclosed space is of particular importance. With regard to a certain leadership of the drive wheel 100 circulating flow can be on both sides of the propulsion wheel 100 a the tooth tips 112 be provided circumferentially, the rim for the axial access to the gusset channels 140 between the teeth 102 is cut free.

Bei der Ausgestaltung, bei der die Zwickelkanäle axial mit dem Abstandsraum kommunizieren, ist die Oberflächenform des Vortriebsrades nicht auf die mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beanspruchte Kugelform beschränkt. So ist es auch möglich, das Vortriebsrad durch eine breite zylindrische Walze mit beliebiger Zahngeometrie auszubilden. Wesentlich für die Ausgestaltung des Vortriebsrades ist nach dem derzeitigen Stand der Anmelderin lediglich der Umstand, dass dieses an seiner äußeren Umfangsfläche eine Verzahnung aufweist, welche das umgebende Wasser verschleppt, um eine in Umfangsrichtung umlaufende Strömung in dem Spalt auszubilden. Als Antriebsrad im Sinne der Erfindung kann in diesem Fall auch ein Vortriebsmittel verstanden werden, welches durch ein umlaufendes Band gebildet ist. Während bei den Ausführungsbeispielen jeweils ein Vortriebsrad auf der Antriebswelle angeordnet dargestellt ist, können bei der Verwirklichung des erfindungsgemäßen Schiffsantriebes auch mehrere Vortriebskörper nebeneinander auf der Antriebswelle montiert sein, was bei relativ einfacher Bauart zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades aufgrund größerer Durchflussmengen bei gleicher Leistung führt.at the embodiment in which the gusset channels axially with the distance space communicate, is the surface shape the propulsion wheel is not on the with the first aspect of the present Invention claimed spherical shape limited. So it is also possible that Propulsion wheel through a wide cylindrical roller with any To design tooth geometry. Essential for the design of the propulsion wheel is, according to the applicant's current status, merely the circumstance that this teeth on its outer peripheral surface which traps the surrounding water to one in the circumferential direction circulating flow in the gap form. As a drive wheel in the context of the invention can also be understood in this case a propellant which is formed by a circumferential band. While at the embodiments in each case a propulsion wheel arranged on the drive shaft shown is, can in the realization of the marine propulsion system according to the invention also several expelling member be mounted side by side on the drive shaft, resulting in relative simple design to an increase the efficiency due to larger flow rates leads at the same power.

100100: VortriebsradVortriebsrad
102102: Zahntooth
104104: vorlaufende Flankeleading flank
106106: nachlaufende Flanketrailing flank
108108: Zahngrundtooth root
110110: Zahngrundtooth root
112112: Zahnspitzetooth tip
114114: Antriebswelledrive shaft
116116: Seitenflächeside surface
118118: Seitenflächeside surface
120120: Gehäusecasing
122122: Wälzlagerroller bearing
124124: Wälzlagerroller bearing
126126: Abdeckungcover
128128: Einlassöffnunginlet port
130130: Auslassöffnungoutlet
132132: Spaltgap
134134: Schiffsrumpfhull
136136: Wangecheek
138138: Abstandsraumdistance space
140140: ZwickelkanäleZwickel channels
AA: HauptantriebsrichtungMain drive direction
SS: Sekantesecant
HH: Drehsinn in Hauptantriebsdrehrichtungrotation in main drive direction of rotation
WW: Wasseroberflächewater surface
R_A R _A: maximaler Radius des Vortriebsradesmaximum Radius of the propulsion wheel
H_S H _S: minimale Höhe des Spaltes zwischen dem Vortriebsrad und der Abdeckungminimum Height of Gap between the propulsion wheel and the cover

Claims

A marine propulsion system having a driven toothed propulsion wheel partially submerged in the water, the axis of rotation of which extends substantially perpendicular to the propulsion direction of the marine propulsion, and a cover which partially surrounds the propulsion wheel and which is thus movable with respect to the propulsion wheel (10). 100 ) is arranged such that during operation of the ship propulsion system between the peripheral surface of the propulsion wheel ( 100 ) and the cover forms a circulating with the direction of rotation of the propulsion wheel flow, characterized in that the leading and the trailing edge ( 104 ; 106 ) each of the teeth formed on the propulsion wheel ( 102 ) has a spherical, convex surface that the tooth tip of each tooth ( 102 ) is convexly curved in the axial direction and that the starting point of the radii of curvature of the spherical surfaces and the contour of the tooth tip ( 112 ) are in an orthogonal to the axis of rotation of the gear extending plane, which is also the center of the propulsion wheel ( 100 ) in the axial direction.

Ship drive according to claim 1, characterized in that the spherical surfaces and the tooth tip ( 112 ) have approximately the same radius of curvature.

Ship drive according to claim 2, characterized in that the radii of curvature of the spherical surfaces and the tooth tip ( 112 ) at most 20%, preferably at most 10% fluctuate around an average formed from the three radii of curvature.

Ship drive according to one of the preceding claims, characterized in that the starting point of the radius of curvature of each of the trailing flanks ( 106 ) substantially on one of the tooth tips ( 112 ) containing circular envelope surface.

Ship drive according to one of the preceding claims, characterized in that the starting point of the radii of curvature of each of the leading flanks ( 104 ) is located on a circle concentric with the axis of rotation of the propulsion wheel ( 100 ) and between each tooth base ( 108 . 110 ) containing the circular surface and the axis of rotation is located.

Ship drive according to claim 5, characterized in that the radius of the circular area 0.5 to 0.8 of the distance between the axis of rotation and the tooth base ( 108 . 110 ) containing enveloping surface.

Ship drive according to one of the preceding claims, characterized in that the tooth tip ( 112 ) with a vertical distance of 0.08 to 0.12 of the mean value of the three radii of curvature of one of the axis of rotation and the tooth base ( 108 ) to the trailing edge ( 106 ) of the corresponding tooth tip ( 112 ) intersecting radial line is spaced.

Marine propulsion with a partially driven into the water driven toothed Vorfriebsrad ( 100 ), whose axis of rotation extends substantially perpendicular to the advancing direction of the marine propulsion, and with a driving wheel ( 100 ) partially circumferentially surrounding cover ( 126 ), which are so in relation to the Vorfriebsrad ( 100 ) is arranged so that during operation of the ship propulsion between the peripheral surface of the Vorfriebsrades ( 100 ) and the cover ( 126 ) one with the direction of rotation of the propulsion wheel ( 100 ) circulating flow, in particular according to one of the preceding claims, characterized in that gusset channels ( 140 ), which are formed between adjacent teeth of the propulsion wheel on its peripheral surface, axially outwardly to a between the propulsion ( 100 ) and the side surfaces ( 116 . 118 ) one of the propulsion wheel ( 100 ) surrounding and the cover ( 126 ) housing ( 120 ) formed distance space ( 138 ) to open.

Ship drive according to one of the preceding claims, characterized in that the leading and trailing edge ( 104 ; 106 ) are formed substantially geometrically the same and that the inlet and the outlet opening ( 128 ; 130 ) of the gap ( 132 ) are approximately at the same height.

Ship drive according to claim 8 or 9, characterized in that the ratio of the volume of the distance space ( 138 ) to the volume of the gap ( 132 ) is between 0.75 and 2.00, preferably between 0.9 and 1.1.

Ship drive according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the side surfaces of the drive wheel ( 100 ) and the side surfaces ( 116 . 118 ) of the housing at least half the axial extent of the propulsion wheel ( 100 ) corresponds.

Ship drive according to one of the preceding claims, characterized in that the side surfaces ( 116 . 118 ) from a drive shaft ( 114 ) of the propulsion wheel ( 100 ) and bearings ( 12 . 124 ) for supporting the drive shaft ( 114 ) wear.

Ship drive according to one of the preceding claims except claim 8, characterized in that the cover ( 126 ) the propulsion wheel ( 100 ) wraps around with a wrap angle of between 200 ° and 300 ° and that in the main drive direction of the ship drive the outlet opening ( 130 ) for the flow forming area of the cover ( 126 ) the propulsion wheel ( 100 ) so far that the flow is discharged predominantly parallel to the direction of advance, while in the main propulsion direction the inlet ( 128 ) of the flow drive for the flow-forming region of the cover ( 126 ) the flow substantially at a velocity extending perpendicular to the advancing direction into one between the cover ( 126 ) and the peripheral surface of the propulsion wheel ( 100 ) formed gap ( 132 ) and that the propulsion wheel ( 100 ) at its two end faces the tooth base ( 108 ) superior annular cheeks ( 136 ) having.

Ship drive according to claim 13, characterized in that the cheeks ( 136 ) approximately to the highest point of the tooth tips ( 112 ).

Ship drive according to one of the preceding claims, characterized in that the gap ( 132 ) in the region of the outlet opening ( 130 ) tapers in the main propulsion direction.

Ship drive according to one of the preceding claims, characterized in that the gap in the region of the inlet opening ( 128 ) widens funnel-shaped.

Ship drive according to one of the preceding claims, characterized in that the gap ( 132 ) has a constant gap height over 90 to 95% of the wrap angle substantially in the circumferential direction.

Ship drive according to one of the preceding claims, characterized in that the gap ( 132 ) in its circumferentially constant portion measured from the radially outermost point of the tooth tip ( 112 ) a height up to the cover ( 126 ) from 0.08 to 0.12, preferably from 0.09 to 0.11 of the average of the three radii of curvature.