Propellers

Een propeller (van het Latijnse propellere ‘voorwaarts rijden’) is een machine-element van een aandrijfmotor met bladen, die meestal radiaal (stervormig) rond een as zijn aangebracht.

Technisch gezien worden schepen nu scheepspropellers genoemd en niet meer scheepsschroeven. Bij windturbines die volgens hetzelfde principe werken, alleen in omgekeerde volgorde energie uit de luchtstroom halen in plaats van opwekken voor voortstuwing of lift, spreekt men ook wel van een repeller.

Propellers zijn elementen van een turbomachine die mechanisch werk absorberen en dit in de vorm van stromingsenergie overbrengen op het medium eromheen; deze worden gerekend tot de werkende machines. De uitvinder van de eerste functionerende propeller voor de voortstuwing van boten is de Oostenrijkse Imperial-Royal Navy Forest Director Josef Ressel, die op 11 februari 1827 in Oostenrijk een overeenkomstig patent ontving.

Het principe dat wordt gebruikt bij het gebruik van een schroef is afgeleid van sculling.

Bij sculling wordt een enkel blad door een boog bewogen, van links naar rechts, waarbij ervoor wordt gezorgd dat het blad onder de effectieve hoek aan het water blijft worden gepresenteerd. De innovatie die met de schroef werd geïntroduceerd, was de verlenging van die boog over meer dan 360 ° door het blad aan een roterende as te bevestigen. Propellers kunnen een enkel blad hebben, maar in de praktijk zijn er bijna altijd meer dan één om de betrokken krachten in evenwicht te houden.

De oorsprong van de schroef begint in ieder geval zo vroeg als Archimedes (ca. 287 – ca. 212 v.Chr.), Die een schroef gebruikte om water op te tillen voor irrigatie en het pompen van boten, zo beroemd dat het bekend werd als de schroef van Archimedes. Het was waarschijnlijk een toepassing van spiraalbeweging in de ruimte (spiralen waren een speciale studie van Archimedes) op een hol gesegmenteerd waterrad dat eeuwenlang door Egyptenaren werd gebruikt voor irrigatie. Een vliegend speelgoed, de bamboe-helikopter, werd rond 320 na Christus in China gebruikt. Later nam Leonardo da Vinci het schroefprincipe over om zijn theoretische helikopter aan te drijven, waarvan de schetsen een grote canvasschroef boven het hoofd betroffen.

In 1661 stelden Toogood en Hays voor om schroeven te gebruiken voor waterstraalaandrijving, maar niet als propeller. Robert Hooke ontwierp in 1681 een horizontale watermolen die opmerkelijk veel leek op de Kirsten-Boeing propeller met verticale as die bijna twee en een halve eeuw later in 1928 werd ontworpen; twee jaar later wijzigde Hooke het ontwerp om schepen door het water voort te stuwen.

In 1693 vond een Fransman met de naam Du Quet een schroef uit die in 1693 werd geprobeerd maar later werd verlaten. In 1752 kende de Académie des Sciences in Parijs Burnelli een prijs toe voor een ontwerp van een propellerwiel. Rond dezelfde tijd stelde de Franse wiskundige Alexis-Jean-Pierre Paucton een watervoortstuwingssysteem voor gebaseerd op de Archimedische schroef. In 1771 stelde James Watt, de uitvinder van de stoommachine, in een privébrief voor om “spiraalvormige riemen” te gebruiken om boten voort te stuwen, hoewel hij ze niet gebruikte met zijn stoommachines, of het idee ooit implementeerde.

Een van de eerste praktische en toegepaste toepassingen van een propeller was op een onderzeeër genaamd Turtle die in 1775 in New Haven, Connecticut, werd ontworpen door Yale-student en uitvinder David Bushnell, met de hulp van de klokkenmaker, graveur en kopergieter Isaac Doolittle, en met Bushnells broer Ezra Bushnell en scheepstimmerman en klokkenmaker Phineas Pratt die de romp bouwden in Saybrook, Connecticut. In de nacht van 6 september 1776 bestuurde sergeant Ezra Lee Turtle tijdens een aanval op HMS Eagle in de haven van New York. Turtle onderscheidt zich ook doordat het de eerste onderzeeër is die in de strijd wordt gebruikt. Bushnell beschreef de schroef later in een brief uit oktober 1787 aan Thomas Jefferson: “Een riem gevormd op basis van het principe van de schroef werd bevestigd in het voorste deel van het schip, op een andere manier roeide het achteruit. Het was gemaakt om met de hand of voet te worden gedraaid. “De koperen propeller is, net als al het koper en de bewegende delen van Turtle, gemaakt door de “ingenieuze monteur” Issac Doolittle uit New Haven.

In 1785 stelde Joseph Bramah uit Engeland een propelleroplossing voor waarbij een staaf door de onderwaterwereld van een boot gaat die is bevestigd aan een propeller met bladen, hoewel hij deze nooit heeft gebouwd.

In februari 1800 stelde Edward Shorter uit Londen voor om een soortgelijke propeller te gebruiken die was bevestigd aan een stang die tijdelijk naar beneden was gericht en tijdelijk vanaf het dek boven de waterlijn werd ingezet en dus geen waterslot nodig had, en alleen bedoeld was om windstilte zeilschepen te helpen. Hij testte het op het transportschip Doncaster in Gibraltar en Malta en bereikte een snelheid van 2,4 km/u.

In 1802 bouwde de Amerikaanse advocaat en uitvinder John Stevens een 25 voet (7,6 m) boot met een roterende stoommachine gekoppeld aan een vierbladige propeller. Het vaartuig bereikte een snelheid van 4 mph (6,4 km / u), maar Stevens verliet de propellers vanwege het inherente gevaar bij het gebruik van de hogedrukstoommachines. Zijn latere schepen waren boten met schoepenwielen.

In 1827 had de Tsjechisch-Oostenrijkse uitvinder Josef Ressel een schroef uitgevonden met meerdere bladen die rond een conische basis waren bevestigd. Hij had zijn propeller in februari 1826 getest op een klein schip dat handmatig werd aangedreven. Hij was succesvol in het gebruik van zijn bronzen schroef op een aangepaste stoomboot (1829). Zijn schip, Civetta van 48 bruto ton, bereikte een snelheid van ongeveer 6 knopen (11 km/u). Dit was het eerste schip dat met succes werd aangedreven door een propeller van het schroeftype van Archimedes. Nadat een nieuwe stoommachine een ongeluk had gehad (gescheurde pijplas) werden zijn experimenten door de Oostenrijks-Hongaarse politie verboden omdat ze gevaarlijk waren. Josef Ressel was destijds bosbouwinspecteur voor het Oostenrijkse keizerrijk. Maar daarvoor ontving hij een Oostenrijks-Hongaars patent (licentie) voor zijn propeller (1827). Hij stierf in 1857. Deze nieuwe voortstuwingsmethode was een verbetering ten opzichte van het schoepenwiel omdat het niet zo beïnvloedbaar was.

In 1835 begonnen twee uitvinders in Groot-Brittannië, John Ericsson en Francis Pettit Smith, afzonderlijk aan het probleem te werken. Smith was de eerste die op 31 mei een patent op een schroef kreeg, terwijl Ericsson, een begenadigd Zweeds ingenieur die toen in Groot-Brittannië werkte, zijn patent zes weken later indiende. Smith bouwde snel een kleine modelboot om zijn uitvinding te testen, die eerst werd gedemonstreerd op een vijver op zijn boerderij in Hendon, en later in de Royal Adelaide Gallery of Practical Science in Londen, waar hij werd gezien door de secretaris van de marine, Sir William Kruiwagen. Nadat hij de bescherming had verkregen van een Londense bankier genaamd Wright, bouwde Smith vervolgens een 30 voet (9,1 m), 6 pk (4,5 kW) kanaalboot van zes ton genaamd Francis Smith, die was uitgerust met een eigen houten propeller, ontwerp en gedemonstreerd op het Paddington Canal van november 1836 tot september 1837. Door een toevallig ongeluk raakte de houten propeller van twee slagen beschadigd tijdens een reis in februari 1837, en tot Smiths verbazing de kapotte propeller, die nu uit slechts één enkele slag bestond , verdubbelde de vorige snelheid van de boot, van ongeveer vier mijl per uur naar acht. Smith zou vervolgens een herzien patent indienen in overeenstemming met deze toevallige ontdekking.

Ondertussen bouwde Ericsson in 1837 een stoomboot met schroefaandrijving van 14 meter, Francis B. Ogden, en demonstreerde hij zijn boot op de rivier de Theems aan hooggeplaatste leden van de Britse Admiraliteit, waaronder de landmeter van de marine Sir William Symonds. Ondanks dat de boot een snelheid van 10 mijl per uur haalde, vergelijkbaar met die van bestaande raderstoomboten, waren Symonds en zijn gevolg niet onder de indruk. De Admiraliteit bleef van mening dat schroefaandrijving niet effectief zou zijn in de oceaandienst, terwijl Symonds zelf van mening was dat schroefaangedreven schepen niet efficiënt konden worden bestuurd. Na deze afwijzing bouwde Ericsson een tweede, grotere boot met schroefaandrijving, Robert F. Stockton, en liet haar in 1839 naar de Verenigde Staten zeilen, waar hij spoedig bekendheid zou verwerven als de ontwerper van het eerste oorlogsschip met schroefaandrijving van de Amerikaanse marine. , USS Princeton.

Blijkbaar op de hoogte van de mening van de Royal Navy dat schroefpropellers ongeschikt zouden blijken te zijn voor dienst op zee, besloot Smith te bewijzen dat deze veronderstelling onjuist was. In september 1837 nam hij zijn kleine schip (nu uitgerust met een ijzeren propeller met een enkele slag) de zee op, stomend van Blackwall, Londen naar Hythe, Kent, met tussenstops in Ramsgate, Dover en Folkestone. Op de terugweg naar Londen op de 25e werd door officieren van de Royal Navy waargenomen dat het vaartuig van Smith vooruitgang boekte in stormachtige zeeën. De interesse van de Admiraliteit in de technologie werd nieuw leven ingeblazen en Smith werd aangemoedigd om een schip op ware grootte te bouwen om de effectiviteit van de technologie beter aan te tonen.

Een vierbladig model verving het origineel in 1845. Het schip was ontworpen om peddels te hebben, maar de plannen veranderden nadat bleek dat schroefpropellers veel efficiënter waren.
SS Archimedes werd in 1838 gebouwd door Henry Wimshurst uit Londen, als ’s werelds eerste stoomschip dat werd aangedreven door een schroef.

De Archimedes hadden een aanzienlijke invloed op de ontwikkeling van schepen en moedigden de goedkeuring van schroefaandrijving door de Royal Navy aan, naast haar invloed op commerciële schepen. Proeven met Smith’s Archimedes leidden tot de touwtrekwedstrijd in 1845 tussen HMS Rattler en HMS Alecto, waarbij de door een schroef aangedreven Rattler de raderstoomboot Alecto achteruit trok met een snelheid van 2,5 knopen (4,6 km / u).

De Archimedes hadden ook invloed op het ontwerp van de SS Great Britain van Isambard Kingdom Brunel in 1843, toen ’s werelds grootste schip en het eerste door een schroef aangedreven stoomschip dat in augustus 1845 de Atlantische Oceaan overstak.

HMS Terror en HMS Erebus werden beide sterk aangepast om de eerste Royal Navy-schepen te worden met stoommotoren en schroefpropellers. Beiden namen deel aan de verloren expeditie van Franklin, voor het laatst gezien in juli 1845 nabij Baffin Bay.

Schroefpropellerontwerp gestabiliseerd in de jaren 1880.

De bladen zijn zo gevormd en uitgelijnd dat het omringende medium, zoals lucht of water, er schuin of asymmetrisch omheen stroomt als de rotor draait. De vleugels ervaren een dynamische lift, waarvan de axiale component enerzijds door de lagering van de rotor wordt opgenomen en stuwkracht wordt genoemd, en anderzijds een stroming van het medium in tegengestelde richting veroorzaakt, de rotor Jet. Als het niet belangrijk is om druk op te wekken, zoals het geval is bij een hovercraft, maar stuwkracht is vereist, dan neemt de efficiëntie toe met een groter rotoroppervlak, aangezien de rotorstraal minder kinetische energie absorbeert met hetzelfde momentum naarmate de massa toeneemt.

Het aantal bladen van propellers is variabel. Het kan uit slechts één vleugel bestaan ​​(bijvoorbeeld de eenbladige rotor van de Bölkow Bo 102/103) en heeft in principe geen bovengrens. Zo is het aantal momenteel om productieredenen beperkt tot zeven. Bepalend voor het aantal bladen is het drukverschil tussen de mediastroom voor en na de propeller. Als de voortgangscijfers bijzonder laag zijn, wordt het verschil te groot en stokt de stroom. Dit effect wordt verminderd met een straalpijp rond de propeller. Schepen die veel meer stuwkracht nodig hebben dan nodig is voor hun eigen voortstuwing in open water, hebben vaak straalpropellers aan boord, met name sleepboten en ijsbrekers.

Terwijl propellerbladen bijna altijd in stervorm (radiaal) rond een as zijn gerangschikt, heeft de Voith-Schneider-propeller als gepatenteerde speciale oplossing een kleine marktniche behouden. Het geeft waterscooters een speciale wendbaarheid, omdat u de stuwkracht in alle richtingen kunt draaien. Het is een draaiende schijf in de bodem van het schip, waar de vleugels spadeachtig uit steken. Een apparaat dat kan worden vergeleken met de tuimelschijf van een helikopter verandert continu de aanvalshoek van elke vleugel, afhankelijk van de huidige positie.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen propellers met vaste en variabele spoed in zowel schepen als vliegtuigen. Propellers met regelbare spoed kunnen de spoed van de bladen wijzigen om de meest effectieve spoed bij te stellen voor verschillende belastingen (klimmen van vliegtuigen, schip dat iets sleept). Vliegtuigen zoals de ATR 42 kunnen op de grond ook achteruit manoeuvreren.

Ontwerpen die sikkelvormige gebogen bladen gebruiken in plaats van rechte bladen, worden sikkelschroeven of sikkelpropellers genoemd. Deze zijn stiller (vooral belangrijk voor onderzeeërs) en hebben een lagere weerstand in de buurt van de geluidssnelheid. De zwakkere compressieschokken verminderen ook materiaalmoeheid. Nadelen zijn hoger gewicht en hogere prijs door de gecompliceerde vorm. Voorbeelden van sikkelpropellers zijn de A400M (vliegtuig) en de Akula-klasse (onderzeeër). Een overgangsvorm zijn de geknikte propelleruiteinden in helikopters (bijv. UH-60L), die het geluid verminderen omdat de propellers aan de uiteinden zich in het supersonische snelheidsbereik bevinden.

Elektrische pod-drives worden steeds populairder, met name in de bouw van passagiersschepen.

Propellers kunnen van veel materialen worden gemaakt. Hout, metaal of kunststof worden vaak gebruikt in vliegtuigpropellers. Scheepsschroeven zijn gemaakt van speciale legeringen, zoals brons of een koper-nikkellegering. Brons, roestvrij staal, aluminium en met glas of koolstofvezel versterkte kunststoffen zijn gebruikelijk voor boten.

De materiaalkeuze bepaalt mede de haalbare prestatie. Hoogwaardige materialen maken slankere en dunnere vleugels mogelijk en dus vaak hogere efficiënties.

De grootste scheepsschroeven tot nu toe, met een gewicht van 130 ton en een diameter van tien meter, werden gebouwd door de firma Mecklenburger Metallguss voor containerschepen met 13.400 slots. Scheepsschroeven gaan tot wel 25 jaar mee en kosten tot een miljoen euro.

Om het impulsmoment te compenseren, kunnen twee tegengesteld draaiende propellers op één as worden geplaatst.