Frühe EntwicklungenBearbeiten
Das Prinzip der Verwendung eines Schraubenpropellers leitet sich vom Sculling ab. Beim Sculling wird eine einzelne Klinge durch einen Bogen bewegt, wobei von einer Seite zur anderen darauf geachtet wird, dass die Klinge dem Wasser im effektiven Winkel präsentiert wird. Die mit dem Schraubenpropeller eingeführte Innovation war die Verlängerung dieses Bogens um mehr als 360 °, indem das Blatt an einer rotierenden Welle befestigt wurde. Propeller können eine einzelne Klinge haben, aber in der Praxis gibt es fast immer mehr als eine, um die beteiligten Kräfte auszugleichen.
Der Ursprung des Schraubenpropellers beginnt mit Archimedes, der eine Schraube benutzte, um Wasser für Bewässerungs- und Rettungsboote zu heben, so berühmt, dass sie als Archimedische Schraube bekannt wurde. Es war wahrscheinlich eine Anwendung der Spiralbewegung im Raum (Spiralen waren eine spezielle Studie von Archimedes) auf ein hohles segmentiertes Wasserrad, das von den Ägyptern jahrhundertelang zur Bewässerung verwendet wurde. Leonardo da Vinci übernahm das Prinzip, um seinen theoretischen Hubschrauber zu fahren, dessen Skizzen eine große Leinwandschraube über dem Kopf beinhalteten.
1661 schlugen Toogood und Hays vor, Schrauben für den Wasserstrahlantrieb zu verwenden, wenn auch nicht als Propeller. Robert Hooke entwarf 1681 eine horizontale Wassermühle, die dem fast zweieinhalb Jahrhunderte später, 1928, entworfenen Kirsten-Boeing-Propeller mit vertikaler Achse bemerkenswert ähnlich war; Zwei Jahre später modifizierte Hooke das Design, um Schiffe durch Wasser mit Antriebskraft zu versorgen. 1693 erfand ein Franzose namens Du Quet einen Schraubenpropeller, der 1693 ausprobiert, aber später aufgegeben wurde. 1752 verlieh die Academie des Sciences in Paris Burnelli einen Preis für den Entwurf eines Propellerrades. Etwa zur gleichen Zeit schlug der französische Mathematiker Alexis-Jean-Pierre Paucton ein Wasserantriebssystem vor, das auf der archimedischen Schraube basierte. 1771 schlug der Erfinder der Dampfmaschine James Watt in einem privaten Brief vor, „Spiralruder“ zum Antreiben von Booten zu verwenden, obwohl er sie nicht mit seinen Dampfmaschinen verwendete oder die Idee jemals umsetzte.
Eine der ersten praktischen und angewandten Anwendungen eines Propellers war ein U-Boot namens Turtle, das 1775 in New Haven, Connecticut, von dem Yale-Studenten und Erfinder David Bushnell mit Hilfe des Uhrmachers, Kupferstechers und Messinggießers entworfen wurde Isaac Doolittle und mit Bushnells Bruder Ezra Bushnell und dem Schiffsschreiner und Uhrmacher Phineas Pratt, der den Rumpf in Saybrook, Connecticut, konstruierte. In der Nacht zum 6. September 1776 steuerte Sergeant Ezra Lee Turtle bei einem Angriff auf HMS Eagle im New Yorker Hafen. Turtle hat auch die Auszeichnung, das erste U-Boot zu sein, das im Kampf eingesetzt wird. Bushnell beschrieb später den Propeller in einem Brief vom Oktober 1787 an Thomas Jefferson: „Ein Ruder, das nach dem Prinzip der Schraube gebildet wurde, wurde im Vorderteil des Schiffes befestigt, dessen Achse in das Schiff eindrang und in eine Richtung gedreht wurde, ruderte das Schiff vorwärts, aber in die andere Richtung gedreht wurde ruderte es rückwärts. Es wurde gemacht, um von Hand oder Fuß gedreht zu werden.“ Der Messingpropeller wurde, wie alle Messing- und beweglichen Teile von Turtle, von dem „genialen Mechaniker“ Issac Doolittle aus New Haven gefertigt.
1785 schlug Joseph Bramah aus England eine Propellerlösung vor, bei der eine Stange durch das Unterwasserschiff eines Bootes führte, das an einem Blattpropeller befestigt war, obwohl er sie nie baute.
Im Februar 1800 schlug Edward Shorter aus London vor, einen ähnlichen Propeller zu verwenden, der an einer nach unten geneigten Stange befestigt war, die vorübergehend vom Deck über der Wasserlinie abgesetzt wurde und daher keine Wasserdichtung erforderte und nur zur Unterstützung beruhigter Segelschiffe bestimmt war. Er testete es auf dem Transportschiff Doncaster in Gibraltar und auf Malta und erreichte eine Geschwindigkeit von 1,5 Meilen pro Stunde (2,4 km / h).
1802 baute der amerikanische Anwalt und Erfinder John Stevens ein 25 Fuß (7,6 m) langes Boot mit einer Rotationsdampfmaschine, die an einen vierflügeligen Propeller gekoppelt war. Das Fahrzeug erreichte eine Geschwindigkeit von 4 mph (6,4 km / h), Stevens gab jedoch Propeller aufgrund der inhärenten Gefahr bei der Verwendung der Hochdruckdampfmaschinen auf. Seine nachfolgenden Schiffe waren Paddelboote.
Bis 1827 hatte der tschechisch-österreichische Erfinder Josef Ressel einen Schraubenpropeller erfunden, der mehrere Blätter hatte, die um eine konische Basis befestigt waren. Er hatte seinen Propeller im Februar 1826 auf einem kleinen Schiff getestet, das manuell angetrieben wurde. Es gelang ihm, seinen bronzenen Schraubenpropeller auf einem angepassten Dampfschiff (1829) einzusetzen. Sein Schiff, Civetta von 48 Bruttoregistertonnen, erreichte eine Geschwindigkeit von etwa 6 Knoten (11 km / h). Dies war das erste Schiff, das erfolgreich von einem Archimedes-Schraubenpropeller angetrieben wurde. Nachdem eine neue Dampfmaschine einen Unfall hatte (Rohrbruch), wurden seine Experimente von der österreichisch-ungarischen Polizei als gefährlich verboten. Josef Ressel war damals Forstinspektor für das Österreichische Kaiserreich. Zuvor erhielt er jedoch ein österreichisch-ungarisches Patent (Lizenz) für seinen Propeller (1827). Er starb 1857. Diese neue Antriebsmethode war eine Verbesserung gegenüber dem Schaufelrad, da sie weder durch Schiffsbewegungen noch durch Änderungen des Tiefgangs so stark beeinflusst wurde, wie das Schiff Kohle verbrannte.
John Patch, ein Seemann in Yarmouth, Nova Scotia, entwickelte 1832 einen zweiflügeligen, fächerförmigen Propeller und demonstrierte ihn 1833 öffentlich, als er ein Ruderboot über den Hafen von Yarmouth und einen kleinen Küstenschoner in Saint John, New Brunswick, antrieb, aber seine Patentanmeldung in den Vereinigten Staaten wurde bis 1849 abgelehnt, weil er kein amerikanischer Staatsbürger war. Sein effizientes Design wurde in amerikanischen Wissenschaftskreisen gelobt, aber zu diesem Zeitpunkt gab es mehrere konkurrierende Versionen des Marinepropellers.
Schraubenantriebbearbeiten
Obwohl vor den 1830er Jahren viel mit Schraubenantrieb experimentiert wurde, wurden nur wenige dieser Erfindungen bis zur Testphase verfolgt, und diejenigen, die sich aus dem einen oder anderen Grund als unbefriedigend erwiesen.
1835 begannen zwei Erfinder in Großbritannien, John Ericsson und Francis Pettit Smith, getrennt an dem Problem zu arbeiten. Smith war der erste, der ein Schraubenpropellerpatent herausnahm 31 Kann, während Ericsson, ein begabter schwedischer Ingenieur, der damals in Großbritannien arbeitete, reichte sein Patent sechs Wochen später ein. Smith baute schnell ein kleines Modellboot, um seine Erfindung zu testen, Dies wurde zuerst auf einem Teich auf seiner Hendon Farm demonstriert, und später in der Royal Adelaide Gallery of Practical Science in London, wo es vom Sekretär der Marine gesehen wurde, Sir William Barrow. Nachdem Smith sich die Schirmherrschaft eines Londoner Bankiers namens Wright gesichert hatte, baute er einen 9,1 m (30 Fuß), 6 PS (4.5 kW) Kanalboot von sechs Tonnen Burthen namens Francis Smith, das mit einem Holzpropeller seiner eigenen Konstruktion ausgestattet war und von November 1836 bis September 1837 auf dem Paddington-Kanal vorgeführt wurde. Durch einen zufälligen Unfall wurde der hölzerne Propeller von zwei Umdrehungen während einer Reise im Februar 1837 beschädigt, und zu Smiths Überraschung verdoppelte der kaputte Propeller, der jetzt aus nur einer einzigen Umdrehung bestand, die vorherige Geschwindigkeit des Bootes von etwa vier Meilen pro Stunde auf acht. Smith würde anschließend ein überarbeitetes Patent im Einklang mit dieser zufälligen Entdeckung einreichen.
In der Zwischenzeit baute Ericsson 1837 ein 45 Fuß (14 m) schraubengetriebenes Dampfschiff, Francis B. Ogden, und demonstrierte sein Boot auf der Themse hochrangigen Mitgliedern der britischen Admiralität, darunter dem Vermesser der Marine Sir William Symonds. Obwohl das Boot eine Geschwindigkeit von 10 Meilen pro Stunde erreichte, vergleichbar mit der bestehender Raddampfer, waren Symonds und sein Gefolge unbeeindruckt. Die Admiralität vertrat die Ansicht, dass Schraubenantrieb im Seeverkehr unwirksam sein würde, während Symonds selbst glaubte, dass schraubengetriebene Schiffe nicht effizient gesteuert werden könnten. Nach dieser Ablehnung baute Ericsson ein zweites, größeres schraubengetriebenes Boot, Robert F. Stockton, und ließ sie 1839 in die Vereinigten Staaten segeln, wo er bald als Konstrukteur des ersten schraubengetriebenen Kriegsschiffs der US Navy, der USS Princeton, berühmt wurde.
Smith war sich offenbar der Ansicht der Royal Navy bewusst, dass sich Schraubenpropeller als ungeeignet für den Seeverkehr erweisen würden, und beschloss, diese Annahme als falsch zu beweisen. Im September 1837 nahm er sein kleines Schiff (jetzt mit einem Eisenpropeller einer einzigen Umdrehung ausgestattet) zur See und dampfte von Blackwall, London nach Hythe, Kent, mit Zwischenstopps in Ramsgate, Dover und Folkestone. Auf dem Rückweg nach London am 25. wurde Smiths Schiff von Offizieren der Royal Navy beobachtet, wie es in stürmischer See Fortschritte machte. Das Interesse der Admiralität an der Technologie wurde wiederbelebt, und Smith wurde ermutigt, ein Schiff in voller Größe zu bauen, um die Wirksamkeit der Technologie schlüssiger zu demonstrieren.
SS Archimedes wurde 1838 von Henry Wimshurst (Henry Wimshurst) von London (London), als das erste Dampfschiff der Welt gebaut, um durch einen Schraubenpropeller (Schraubenpropeller) angetrieben zu werden.
Archimedes hatte erheblichen Einfluss auf die Schiffsentwicklung und ermutigte die Einführung des Schraubenantriebs durch die Royal Navy, zusätzlich zu ihrem Einfluss auf Handelsschiffe. Versuche mit Smiths Archimedes führten 1845 zum berühmten Tauziehen zwischen dem schraubengetriebenen HMS Rattler und dem Raddampfer HMS Alecto; ersterer zog den letzteren mit 2,5 Knoten (4,6 km / h) nach hinten.
Sie hatte auch direkten Einfluss auf das Design eines anderen innovativen Schiffes, Isambard Kingdom Brunels SS Great Britain im Jahr 1843, damals das größte Schiff der Welt und das erste Schraubendampferschiff, das im August 1845 den Atlantik überquerte.
HMS Terror und HMS Erebus wurden beide stark modifiziert, um die ersten Schiffe der Royal Navy zu werden, die dampfbetriebene Motoren und Schraubenpropeller hatten. Beide nahmen an Franklins verlorener Expedition teil, die die Europäer zuletzt im Juli 1845 in der Nähe der Baffin Bay gesehen hatten.
Schraubenpropeller-Design stabilisiert in den 1880er Jahren.
Wellenlose Propellerbearbeiten
Propeller ohne zentrale Welle bestehen aus Propellerblättern, die an einem Ring befestigt sind, der Teil eines kreisförmigen Elektromotors ist. Dieses Design ist als Rim-driven Thruster bekannt und wurde von einigen kleinen, selbstgeführten Roboterschiffen verwendet. Ein Boot mit diesem Propellertyp wird als abgeschraubtes Oberflächenschiff bezeichnet.
Flugzeugtreibstoffebearbeiten
Die verdrehte Tragflächenform moderner Flugzeugpropeller wurde von den Gebrüdern Wright entwickelt. Während einige frühere Ingenieure versucht hatten, Luftpropeller auf Marinepropellern zu modellieren, erkannten die Wrights, dass ein Luftpropeller (auch als Luftschraube bekannt) im Wesentlichen mit einem Flügel identisch ist, und konnten Daten aus ihren früheren Windkanalexperimenten auf Flügeln verwenden. Sie führten auch eine Drehung entlang der Länge der Klingen ein. Dies war notwendig, um sicherzustellen, dass der Anstellwinkel der Schaufeln über ihre Länge relativ konstant gehalten wurde. Ihre ursprünglichen Propellerblätter waren nur etwa 5% weniger effizient als das moderne Äquivalent, etwa 100 Jahre später. Das Verständnis der Aerodynamik von Propellern mit niedriger Geschwindigkeit war in den 1920er Jahren ziemlich vollständig, aber spätere Anforderungen an die Handhabung von mehr Leistung bei kleinerem Durchmesser haben das Problem komplexer gemacht.
Alberto Santos Dumont, ein weiterer früher Pionier, nutzte das Wissen, das er aus den Erfahrungen mit Luftschiffen gewonnen hatte, um einen Propeller mit Stahlwelle und Aluminiumblättern für seinen Doppeldecker 14 bis herzustellen. Einige seiner Entwürfe verwendeten ein gebogenes Aluminiumblech für Schaufeln, wodurch eine Schaufelform entstand. Sie waren stark unterbelichtet, und dies sowie das Fehlen einer Längsverdrehung machten sie weniger effizient als die Wright-Propeller. Trotzdem war dies vielleicht die erste Verwendung von Aluminium bei der Konstruktion einer Luftschraube.