Neue Schrauben für US CVN / Schrauben generell

[harold]

Hab mir erst überlegt, ob ich dies:

http://www.nn.northropgrumman.com/news/2006/060512_news.html

in die link-Sammlung setzen sollte ... aber wir können´s auch mal ganz gut als Ausgangspunkt für eine informative Diskussion über Schraubenformen benutzen.

"The new propellers are very similar in size, weight and material to previous ships of the class, but the blades are shaped differently to reduce wear and erosion." - und eben díes glaube ich nicht sooo ganz...

...size : wenn ich mir den Kollegen aufm zweiten Bild so ansehe, dann komm ich auf nen Durchmesser von etwa 6.2m - das ist, wenn ich nicht danebenhaue, um etwa einen Meter weniger wie bisher;

weight : die Schraubenblätter kommen mir dünner vor, allerdings sinds fünfblattige anstelle der vorigen vierblattigen, na mag´s vielleicht hinkommen; und

material : ich trau mich wetten, wir kriegen die Dinger nie "nackt" zu sehen, ...ich denke da an elektrolyterosions-neutralen Materialmix.

Was "design" angeht, möcht ich noch versuchen, mehr darüber in Erfahrung zu bekommen - die vorliche Krümmung der ansonsten eher geraden Achterkante scheint (mir wie die Durchmesser-Reduktion) auf größere Umdrehungsgeschwindigkeit hinzudeuten (?).

Mal schaun, was ich in den nächsten Tagen noch so dazu finde (falls jemand Interesse hat).

Ciao,
Harold

[Ralf]

Ach, harold, DU bist der einzige, der es hinbekommt, das Unfysiker sich anhören, wie man am besten einen schnellen Rumpf erstellt oder welche verschiedenen Auftriebstrukturen der hat... usw...

Ich habe da keine Bedenken, dass auch ein "Schrauben-Thread" eine echte Bereicherung nicht nur meines Wissens sein und es dirvrse Aha-Erlebnisse geben wird... Bitte, bitte, schreibe ihn!!! 

[harold]

So... für´s Erste hab ich mal die beiden Bilder

und


versucht in Geometrien umzusetzen (siehe Anhang).

Interessant dabei die seeehr konkave Ausbildung des inneren Flügelteils, die anschließend einfach nur graduell "begradigt" wird, um zu einem flacheren Steigungswinkel außen zu kommen - das führt dann zu der "aufgewölbten" Linie der (in der Projektion geraden) Achterkante.

Die Vorderseite des Blattes ist zentral ebenfalls sehr stark gewölbt, fast aufgebuckelt - und verliert diesen Buckel dann glatt auslaufend.

Oben in meiner Skizze das einzelne Blatt, seine Profil-Geometrie; unten dann eine Rekonstruktion, wie das Ding dreidimensional aussehen könnte.

Tja - wenn´s Zeit/Badewetter/social life erlaubt, dann in nächster Zeit mal zum Vergleich eine "herkömmliche" Schraube...

Ciao,
Harold

[DHEO]

Ich glaube, daß am Ende dieses Threads sich Northtrop-Grumman und die US-Navy bei unserem Harold dafür "bedanken" werden, daß er "mal ebend" ein wenig Top-Secret-US-Marine-Hightech berechnet hat *lol*

@ harold: RESPEKT, etwas anderes fällt mir zu Deinen Beiträgen, die ich wohlbemerkt kaum vestehe  , nicht ein

Grüße

Dirk

[harold]

...aber, aber, Dirk! 

So, jetzt zum Vergleich (Anhang) mal ne sogenannt "normale" Schraube, also das Dings, wie wir´s alle kennen.
Mittlere Steigung ca 30%, Dreiblatt, Blätter relativ weit auf Abstand.
(zugegebenermaßen ein sehr simplifiziertes Modell)-

-nehmen wir mal an, diese-da und die "Neue" hätten den gleichen Durchmesser, liefen bei gleicher Drehzahl und bei gleichen Wellen-PS.
Dazu muss ich allerdings erst "normalisierte" Diagramme erstellen, also bitte Geduld...

Ciao,
Harold

[Ralf]

@Dirk: Ganz ehrlich, wenn man allein seine Herangehensweise schon sieht, ist alles immer irgendwie total logisch und leicht...
@Harold: Ich verneige mich mal wieder! 

[harold]

...aber Ralf... die meisten Dinge, die Menschen sich ausdenken können/konnten, sind logisch und klar (schwere Neurosen mal ausgenommen -und auch díe haben ihre "Grammatik").

Also hoffentlich auch nachvollziehbar? Na schaun mer mal:

Ich geb unserm Schiff (und damit der Schraube) mal so pi x Daumen ne Geschwindigkeit von 30 kn, und dies bei 240 Umdrehungen/Minute der Welle (die Werte liegen in der Bandbreite des Möglichen, sind aber "aus der Luft gefischt").

In der Sekunde machen also Schiff und Propellor 15m nach vorne; und jedes der Schraubenblätter rotiert mitsamt der ganzen Schraube 4 mal.
Schaun wir uns mal nur ein einzelnes Schraubenblatt an, und dies auch nur während einer Umdrehung.

Ausgewählt hab ich mir an unserem Blatt 4 Profile, die jeweils A] 0.45m (ganz an der Welle), B] 1.5m, C] 2.75m und D] 3m von der Rotationsachse entfernt sind.
A] macht pro Umdrehung 4m Weg, B] 9.4m, C] 15.6m, D] 18.8m;
Zugleich machen alle gemeinsam jeweils 3.75m (15/4) Weg nach vorne;
und all dies geschieht während einer Viertelsekunde.

Eine Zwanzigstelsekunde später (und nach einem Vorwärtsweg von 0.75m) zischt bereits das folgende Schraubenblatt durch die "selbe" Wassermasse
(das stimmt natürlich só nicht : denn die perturbierte Wassermasse wird sehr wohl auch zentrifugal verlagert -aber dies lassn wir vórérst (!Warnung, da kommt n Schwänzgen nach!) einfach mal beiseite).

Siehe untenstehende Skizze: für die Profile A bis D haben wir also die jeweils graphisch aufgeschlüsselten Anströmverhältnisse -auch in Hinblick auf das jeweils folgende (oder vorausgehende) Schraubenblatt.
Der blaue Pfeil zeigt die jeweilige Anström-Richtung und -Geschwindigkeit.

C] und D] (die weiter außen liegenden) zeigen eine fast "laminare" Strömung, d.h. bei höheren Geschwindigkeiten wird zwar die anströmende Wassermasse ein wenig umgeleitet (= Vortrieb!), aber das war´s dann auch schon.

Ist auch gut so - denn bei den hier herrschenden Geschwindigkeiten um 64 - 84 m/sec (ca 232- 300 km/h), mit denen das Blatt durch´s Wasser zischt, könnte bereits Kavitation auftreten. Abhängig ist dies allerdings vom Abstand zum Schiffskörper bzw ähnlichen störend-verwirbelnden Gegenständen -zB Wellenböcken-, und auch von der Tiefe (=Wasserdruck), wo dies stattfindet [Nebenbemerkung : drum schaun U-Boot-Propeller auch sooo anders aus (aber nicht nur dárum)].

Interessanter sind hier schon unsere innen liegenden Profile, A] und B].
Ersteres vernachlässigen wir mal - der Ansatz des Propellorblattes sollte eigentlich nur die Funktion haben, einen komprimierten "Wasserzopf" an der Nabe zu schaffen; quasi als "stabilen Kern" der rundherum stattfindenden Verwirbelung.

Komprimiert??? Wasser ist nicht komprimierbar!!! -Ergo wirkt sich jede Druckerhöhung als höhere Durchströmgeschwindigkeit aus.
Eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit wiederum = Druckabfall bei "schwindendem Profil".

Und mit díesem Blick bitte Strömungprofil B] betrachten:
dort, wo die Linien eng zusammen gehn = höhere Geschwindigkeit = Druckabfall = "Sog" nach vorne;
dort, wo die Linien weiter werden = Verlangsamung = Druckaufbau = Druck nach vorne.

Natürlich schaffen diese Druckunterschiede an der Achterkante des Schraubenblattes Verwirbelungen, und damit die Freisetzung von Sauerstoff (Kavitation!).
Und damit kommt nun der aufgebaute "Druckkegel" des wellen-nahen Profiles A] ins Spiel -er kann in diese zylindrische Kavitations-Schleppe expandieren (und dazu müsste die nachfogende Nabenverkeidung sehr lang und spitz sein ... bin ja mal gespannt auf weitere Fotos ...)
Sagte ich vorher, dass noch n Schwänzl nachkommt, von wegen zentrifugaler Bewegung? Natürlich wird die "Kavitations-Schleppe" dadurch auch nach außen verschoben und trifft dort auf die wesentlich druckstabilere Strömung von Profil C] ... und das heißt vor allem, sie kann erst so richtig expandieren (und damit Druckabbau = unerwünschten Sog liefern), wenn sie schon etwa 1 - 2 Schraubendurchmesser (=0.25 - 0.5 sec) HINTER dem Antriebsaggregat liegt - und dánn is aa scho wurscht!

Also núr Vorteile und keine Nachteile bei dieser Schraubenform? - NÄ! -unterhalb von 15 - 20 kn sinkt der Wirkungsgrad dramatisch... (warum und wie, erklär ich gern in Bälde).

Soweit mal,
Ciao,
Harold

[Wilfried]

Moin Harold,

wie immer pädagogisch seeehr wertvoll - Deine Erklärungen! 

Gibt es mit diesem Begriff und den amerikanischen Props einen Zusammenhang?

>Geräuscharmer Skew-Back Propeller mit 7 Flügeln ... < wird auf den neuen U-Booten der Deutschen Marine eingebaut - und muß gaaaanz geheim sein ... 
siehe Anhang ...

Mit einem lieben Gruß
der Wilfried

[harold]

skewing back : zurückschielen ... diesmal wörtlich, denn das Blatt ist nach vorne ("zurück") aufgewölbt wie eine Sattelfläche (da sind die Ansätze bei der CVN-Schraube eher "brav", siehe die orange eingezeichneten Areale).

Hinter der netten gelben Plane ist -höchstwahrscheinlich- GAR NIX.
Oder doch? -ein Holzgestell, das als Montageplattform für den Propellor dienen kann ... und ein klein wenig zeichnet sich ja auch ein Nabendurchmesser ab (den ich só, und an dieser Position, NICHT für glaubwürdig halte. Wahrscheinlich auch ne Montagehilfe).

Aussehen tut/tat n 7-blattiger "gräuscharmer" U-Boot-Propellor vor 2 Jahrzehnten etwa so:



(Quelle: http://www.usscasimirpulaski.com/  ...eine recht informative Seite)

Im Anhang die "skewed back" areas unsres Propellors,

Ciao,
Harold

[harold]

So, nun noch (ebenfalls seeehr schematisch!) "dreidimensional" die Zonen, in denen Verwirbelungen Sauerstoff freisetzen können; der Übersicht halber nur für EIN Blatt eingezeichnet - und auch die "Schleppe" sehr pi mal Daumen (ihr korrekter Ausbreitungskegel wäre jeseits ca. 20°).

Nach´m Wochenende möcht ich dann die (hoffentlich nicht zu langweiligen!) noch offenen Fragen abklären ... u.a. Zentrifugalbewegungen, Wirkungsgrad bei geringeren Geschwindigkeiten, sogenannte Grenzschichten und deren Mächtigkeit; und schließlich : die Vorteile "gängigerer" Propellormodelle.

Gerade für Letzteres würd ich die Stralsunder Crew bitten, mir Fotos von den Schrauben-Exponaten auf Dänholm zu schicken ... vor lauter Schauen bin ich nicht zum Fotografieren gekommen!

Ciao,
Harold

[Leutnant Werner]

Also Harold,
das Technische geht mir nur schwer rein. Umso mehr Respekt habe ich vor Deinen Versuchen, uns Laien das in einer verständlichen Form beizubiegen.

Liebe Grüße
Lt.

PS: Wann kommst Du mal nach Speyer? Hattest Du das nicht mal ins Auge gefasst....

[harold]

Servus Eckehard - ich schreib dir ne PN wegen Speyer, ok?

...diesmal nun unsre vordem gezeigte "normale" Dreiblatt-Schraube; mit eben den gleichen Diagrammen wie die CVN-Schraube aufgeschlüsselt -
- während Winkelgeschwindigkeit und Umlaufweg gleich bleiben, fällt der Vorwärtsweg etwas kürzer aus;
da nirgends "hohle" = konkave Profile vorliegen, sind die Strömungslinien wesentlich weniger stark irritiert / verwirbelt.

Der Vortrieb wird allein durch den leichten "Anstellwinkel" (wie bei einem Tragflächenprofil) bewirkt.

Würde man nun die Pfeilrichtung einfach umkehren (d.h. die Drehrichtung des Propellors ändern), so bliebe ein ungestörter "Fluss" weitgehend erhalten; nur achsennahe, wo die Vorderkante des Profiles deutlich gerundet ist, käme es an diesen Stellen zu Verwirbelungen (="Sog").
Die Effizient bei Rückwärtsfahrt ist also durchaus gegeben, was man beim CVN-Propellor (vergleichen!!) nicht so ohne weiteres behaupten kann.

Erstmal wieder ne Illustration dazu; anschließend möcht ich das "vereinfachte" Modell verlassen - und wie üblich bei Minderheitenprogrammen, lass ich mir dafür a bissl Zeit.

Ciao,
Harold

[schiffbauer]

Hallo Harold,

Respekt, Respekt 

Hier mal ein Bild einer Fregatte von heute mit Wasserstrahlantrieb und "High Skew Back -Propeller"
Hat zwar nicht direckt mit Deinem Thema zu tun, aber ich dachte, es könnte interessieren.
Gruß aus dem heißen Hamburg
Schiffbauer

[harold]

Servus Wolfgang,

danke für´s Foto! -und gleich Fragen dazu: weshalb schlagen die Schrauben eurer Fregatte über oben nach innen (anstatt nach außen, wie sonst gewohnt)? Und: mit welcher maximalen Drehzahl; hat dies etwas mit den Grenzschichten nahe am Einlaß zum Jet zu tun? -gell, sofort neugierig...

Ciao,
Harold

[Spee]

@Harold,

da ich gerade die Hütte studiere; da steht drin, daß der Wirkungsgrad bei nach innen gerichteten Schraubendrehsinn höher ist.