DE10135543A1

DE10135543A1 - Antriebs- und Steuereinrichtung für Wasserfahrzeuge

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Publication number: DE10135543A1
Application number: DE10135543A
Authority: DE
Inventors: Karl-Josef Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2003-02-06
Also published as: WO2003011685A1; DE50201805D1; EP1409341A1; EP1409341B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vortrieb und zur Steuerung von Wasserfahrzeugen mit den zugehörigen Einrichtungen vornehmlich in der Form von Inboard-Jet-Antriebsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass mit ihrer Hilfe eine optimale Kraftausnutzung in allen Betriebsformen Vorwärtsfahrt, Stop, Rückwärtsfahrt und Querschub erzielt wird, dem Wasserfahrzeug höchstmögliche Manövrierfähigkeit gebend, weiterhin ein verzugsloses Umschalten von Vorausschub auf Rückwärtsschub ermöglichend ohne Änderung von Drehrichtung und Betriebszustand des Motors und ohne Auftreten von der Kursstabilität störenden Querkräften beim Umsteuern, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage mit automatischen Steuerungssystemen (z. B. Crash-Stop-Einrichtung, Dynamische Positionierung) ausgestattet sein kann. Die Inboard-Jetanlagen können betriebsseitig gleichsam containerisiert als Komplettanlage zum werftüblichen Einbau in die unterschiedlichsten Boots- und Schiffsrümpfe bereitgestellt werden, erhöhen die Schiffssicherheit und verbessern den Umweltschutz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vortrieb und zur Steuerung von Wasserfahrzeugen mit den zugehörigen Einrichtungen vornehmlich in der Form von Inboard-Jet -Antriebsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass mit ihrer Hilfe eine optimale Kraftausnutzung in allen Betriebsformen Vorwärtsfahrt, Stop, Rückwärtsfahrt und Querschub erzielt wird, dem Wasserfahrzeug höchstmögliche Manövrierfähigkeit gebend, weiterhin ein verzugsloses Umschalten von Vorausschub auf Rückwärtsschub ermöglichend ohne Änderung von Drehrichtung und Betriebszustand des Motors und ohne Auftreten von die Kursstabilität störenden Querkräften beim Umsteuern, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage mit automatischen Steuersystemen (z. B. Crash-Stop-Einrichtung, Dynamische Positionierung etc.) ausgestattet sein kann. Die Anlagen können betriebsfertig gleichsam containerisiert als Komplettanlage für den werftüblichen Einbau in die unterschiedlichsten Boots- u. Schiffsrümpfe bereitgestellt werden. Sie erhöhen die Schiffsicherheit und verbessern den Umweltschutz.

Herkömmlich werden Schiffe durch Erzeugen eines Wasserstroms mit Hilfe einer frei im Wasser drehenden Schraube angetrieben und gesteuert dadurch, dass hinter der Schraube ein oder mehrere Ruderblätter angeordnet werden, die in den Schraubenstrom ragen und durch variable Schrägstellung den Schraubenstrom ablenken und dadurch Steuerkraft erzeugen.

Von Nachteil ist, dass nur ein Teil der im Schraubenstrom enthaltenen Energie als Kraft zur Kursveränderung verfügbar wird.

Von Nachteil ist weiter, dass bei Rückwärtsfahrt die Ruderblätter nur von dem wenig Energie enthaltenden Ansaugstrom der Schraube beaufschlagt werden und dementsprechend die Ausbeute an Steuerkraft nur gering ist.

Von Nachteil ist weiter, dass bei geringer Fahrt mit dementsprechend geringem Energieeinsatz auch nur geringe Steuerkraft gewonnen werden kann und weiter, dass zum Gewinnen von Schub für Stop und Rückwärtsfahrt eine erhebliche Zeit erforderlich ist. Die auf Vorwärtsfahrt drehende Masse der Antriebsteile: zumindest Getriebe, Kupplung, Welle und Schraube muss zuerst zum Stillstand gebracht und dann in entgegengesetzter Drehrichtung beschleunigt werden. Wertvolle Zeit für Crash-Stops besonders auf Binnenschifffahrtswegen geht verloren. Durch das Umsteuern der Schraubendrehrichtung wird zudem eine nur vom erfahrenen Bootssteuerer auf eigenem Fahrzeug einschätzbare Querkraft erzeugt, die zwangsläufig eine Kursänderung provoziert.

Mit Rudern im freien Schraubenstrom lassen sich nur große Drehkreise fahren. Solche Schiffsantriebe u. -Steuerungen sind für einen automatischen Crash-Stop ungeeignet.

Bekannt ist weiter, dass Schrauben an einem um die vertikale Achse schwenkbaren Winkelgetriebe angebracht werden und so der Schraubenstrom horizontal in beliebige Richtungen rundum gesteuert werden kann. Die volle Kraft des Schraubenstromes steht für Steuerung und Rückwärtsfahrt zur Verfügung. Zudem ist ein Ändern der Schraubendrehrichtung für Rückwärtsfahrt nicht erforderlich, ein Wendegetriebe entfällt. Kleine Drehkreise sind möglich.

Gleiche Wirkung wird erzielt durch Inboard-Jetantriebe, bei denen der Wasserstrom in einem um die Vertikalachse drehbaren Pumpengehäuse erzeugt und durch drehen der Austrittsöffnungen der Austritt des Wasserstroms rundum in jede beliebige Richtung gelenkt werden kann.

Rundum steuerbare Schiffantriebsanlagen haben zum Nachteil, dass bei einem Umsteuern von Voraus auf Rückwärtsfahrt erst eine Querschubzone durchlaufen werden muss, in der bei reduzierter Drehzahl bzw. bei ausgekuppelter und auslaufender Anlage unkalkulierbare Steuerkomponenten auftreten können und eine Kursabdrift verursachen. Erforderliche Korrekturmanöver und Zeitverlust können Gefahrensituationen erschweren.

Eine bekannte Eigenart dieser rundum steuerbaren Anlagen ist, dass sich bei ihrem Umsteuern von Voraus auf Zurück in der Rückwärtsfahrt der Steuersinn umkehrt, was ein Umdenken erfordert und - insbesondere für Ungeübte - das Steuern erschwert. Zwar sind für das "Drehen auf der Stelle" günstige Voraussetzungen vorhanden, aber die unvermeidbar auftretenden Querkräfte beim raschen Umsteuern und die benötigte Steuerzeit von 0 auf 180° schließen die Möglichkeit eines automatischen Crash-Stops aus.

Bei bekannten Jetantrieben mit vorwiegend horizontaler Antriebswelle besteht nach dem Verlassen der Düse für den Wasserstrahl eine vielfältige Möglichkeit zur Aufnahme von Luft, die besonders bei Rückwärtsfahrt die Gefahr heraufbeschwört, dass Luft in den Einlaufkanal kommt und damit zu einem unkontrollierten Leistungsabfall oder -Zusammenbruch führt.

Bei Anlagen dieser Art ist weiter von Nachteil, dass der Düsenstrahl nur in einem beschränkten Winkel nach Backbord oder Steuerbord lenkbar ist und-oder dass beim Steuern nach "Voll Backbord" oder "Voll Steuerbord" zwangsläufig auch eine mehr oder weniger starke rückwärtsgerichtete Schubkomponente erzeugt wird. Wasserstrahlantriebe, die am Impeller ein wassergeschmiertes Gleitlager aufweisen, haben zum Nachteil, dass zum einen die bauartbedingte - im Vergleich zu Wälzlagern - deutlich größere Lagerluft und zum andern die durch Abriebspartikel im Wasser weiter zunehmende Lagerluft von Anfang an einen größeren Radialspalt zwischen den rotierenden Flügelspitzen des Impellers und dem festen Gehäuse bedingt, was bekanntlich bei Axialimpellern zu empfindlichen Spaltverlusten und Wirkungsgradverlust führt.

Ebenso weisen bekannte Wasserstrahl-Antriebe an wasserseitigen Lagern Ölbadschmierungen auf, die sich dadurch auszeichnen, dass das Ölniveau i. d. R. über der Wasserlinie liegt. Bei Undichtigkeiten an den Wellendichtungen kann Öl austreten und den Wassereintritt zum Lager zumindest vorrübergehend verhindern.

Dieser mehr oder weniger große unkontrollierte Ölverlust in das umgebende Wasser führt aber unausweichlich zur Umweltverschmutzung. Nach alten Standards wird der Funktionserhaltung höhere Priorität beigemessen als der Umweltverschmutzung. Sie kann insbesondere in Binnengewässern nicht hingenommen werden.

Um die aufgezeigten Mängel des Standes der Technik auszuschließen, leitet sich für die vorzustellende Erfindung die folgende Aufgabenstellung ab:

Aufgabe dieser Erfindung ist das Vorstellen eines Verfahrens und der zugehörigen Einrichtungen zum Antrieb und Steuerung von Wasserfahrzeugen mit Hilfe von mindestens einem durch Impeller erzeugten Wasserstrahls mit den Aufgaben:

- Nutzung des Wasserstroms in alle Richtungen in Gänze sowohl
- für Vortrieb
- als Querschub
- für Stoppen und Rückwärtsfahrt
- Automatischer Crash Stop für Wasserfahrzeuge
- Optimierter Gesamt-Wirkungsgrad in allen Betriebszuständen
- In die Umrisse eines Wasserfahrzeugs weitgehend oder ganz integrierbar
- Als betriebsfähig vorgefertigte, containerisierte Antriebsanlage zum werftüblichen Einbau (z. B. Einschweißen, Einlaminieren) in die unterschiedlichsten Rümpfe von Booten und Schiffen
- Sicherstellen optimaler Manövrierfähigkeit: Drehen auf der Stelle, Traversieren
- Bremsen und Crash-Stop ohne Abdrift, Rückwärtsfahrt ohne Änderung der Antriebsdrehrichtung und ohne Umkehrung des Steuersinns
- Optimales Umlenken des Wasserstrahls zum Steuern und für Querschub
- Vermeiden von wirkungsgradminderndem Luftzutritt in den Impeller-Zustrom
- Regulierbarkeit des Rückwärtsfahrstroms unabhängig vom steuernden Querstrom
- Raumsparende Anordnung des Antriebsmotors über oder neben der Jetanlage
- Vermeiden von Umweltverschmutzung durch Schmierölaustritt
- Einfache Erfüllung erhöhter Sicherheitsanforderungen

Die Erfindung kann für die verschiedensten Arten von Wasserfahrzeugen verwendet werden, beispielhaft seien genannt:
Beiboote, Sportboote, Landungsboote, Dienstfahrzeuge, Fahrgastschiffe, Fähren, Arbeitsschiffe, Fahrzeuge mit besonderen Anforderungen an das Halten von Positionen wie z. B. Taucherbasisschiffe etc. Für jedes dieser und anderer Wasserfahrzeuge ergeben sich unterschiedliche Forderungen an Antrieb, Steuerung und Crash-Stop sowie an den Einbau. Erfindungsgemäß kann die jeweilige spezielle Anlage die verschiedensten Aufgabenkombinationen erfüllen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen dargestellt. Diese Darstellung ist beispielhaft. Andere Ausgestaltungen entsprechend den Vorgaben der Aufgaben dieser Beschreibung und der Schutzansprüche sind denkbar und Bestandteil dieser Erfindung.
Fig. 1 zeigt die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Antriebs- u. Steueranlage, im Hinterschiff vor allem die denkbare Zuordnung der Baugruppen und Teile.
Fig. 2-7 stellen schematisch die Wirkungsweise der Anlage dar:
Fig. 2 bei Vorausfahrt
Fig. 3 bei Vorausfahrt mit Kursänderung (verstellte Ruderklappen)
Fig. 4 + 5 abgesenkte Umlenkklappe (30), Schubumkehr für Stop u. Rückwärtsfahrt
Fig. 6 + 7 Querschub nach Backbord bzw. Steuerbord
Fig. 8-10 zeigen die Vorrichtung zum Steuern der Ruderklappen mit optimiert unterschiedlichen Anstellwinkeln sowie auch die Öffnung für den Querstrom
Fig. 11 zeigt die Wellenabdichtung gegen umweltverschmutzenden Ölaustritt.
Fig. 1 gibt eine Übersicht über die Anordnung der Baugruppen und Teile, die aus Metall, Kunststoff oder anderen geeigneten Materialien hergestellt und entsprechend miteinander verbunden sein können.
Der Einlaufkanal (2) führt dem Impeller (5) im Pumpengehäuse (20) Wasser zu. Ein festes oder zu Reinigungszwecken schwenkbares Einlauf-Schutzgitter (1) verhindert das Eindringen von Störkörpern. Hinter dem Impeller können Leitschaufeln (24) zur Gleichrichtung und Drallausnutzung des Impellerstromes angebracht sein. Weiter folgt eine Düse (23), die in das nach hinten offene Jetgehäuse (10) mündet.
Das Jetgehäuse (10) besteht u. a. aus einem vorderen Schottblech (13), an dem voraus der Einlaufkanal (2) und nach achtem das Pumpengehäuse (20) dicht angebracht sind. Bodenblech (11), Seitenbleche (16), Schottblech (13) und Topblech (17) bilden zusammen mit dem Einlaufkanal (2) einen steifen u. dichten Behälter, der als Container alle Bauteile verbindet und trägt und der erfindungsgemäß als betriebs- und einbaufertig adaptierbare Gesamtanlage mit variablen Anschlusskonturen für die unterschiedlichsten Boots- u. Schiffrümpfe herstellbar ist und (ohne Gefährdung der inneren Antriebs- und Steuerelemente z. B. durch Schrumpfen) in werftüblicher Weise in die entsprechende Rumpföffnung einbaubar ist.
Kanalisierend bilden Bodenblech (11), Abdeckblech (27), Ruderklappen (47) und Umlenkklappe (30) mit ihren Seitenflossen (32, 33) temporär eine Seitenöffnung zum Austritt des Querstroms nach backbord oder steuerbord. Das vertikale Dichtblech (26) verhindert Lufteintritt in den Jetgehäuseraum (28) hinter der Düse.
Für den erfindungsgemäßen Inboard-Jet sind grundsätzlich zwei Einbauarten möglich:

- Die Anlage endet im Schiffskörper so, dass sich die voll eingeschlagenen Ruderklappen (47) unmittelbar hinter der Spiegelkontur des Wasserfahrzeugs befinden. Dann klappt die Umlenkklappe (30) nach hinten über die Spiegelkontur hinaus und erfordert schützende Vorrichtungen. Der von der Umlenkklappe (30) und betätigten Ruderklappen (47) erzeugte Querstrom wirkt hinter dem Spiegel ohne weitere Führung.
- Die Anlage wird weiter nach vorne so eingebaut, dass sie auch bei abgeklappter Umlenkklappe nicht aus der Spiegelkontur des Wasserfahrzeugs herausragt. Dann ist der Spiegel für den Querstrom einzuziehen, so dass eine nach hinten und den Seiten offene (bzw. auslaufende) Nische für den Querstrom entsteht.

Der Jetgehäuseraum (28) hinter der Düse kann durch Absenken der um eine etwa waagerechte Achse schwenkbaren Umlenkklappe (30), die sich im Ruhezustand außerhalb und oberhalb des Impellerstromes befindet, in den Impellerstrom nach hinten verschlossen werden.
Bezüglich der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Antriebs- und Steueranlage vgl. die Zeichnungen Fig. 2-7:
Durch Schließen der Umlenkklappe (30) wird der Impellerstrom umgelenkt und tritt aus dem Bodenumlenkgitter (50) in Richtung voraus aus und erzeugt damit Schubkraft zum Stoppen und für Rückwärtsfahrt. Dabei ist besonders zu vermerken, dass dieser nach vom umgelenkte Impellerstrom eine gleichmäßig verteilte Schubkraft erzeugt, die Kursstabilität sichert. Die Kursstabilität bei Rückwärtsfahrt wird weiter dadurch gewährleistet, dass die gleichmäßig verteilte Schubkraft den Schiffskörper "zieht", der Schiffskörper als geradeaus gerichtete Ruderfläche wirkt.
Die Umlenkklappe (30) ist beidseitig mit Seitenflossen (32, 33) ausgestattet. Sie bewirken, dass der Wasserstrahl auch bei schrägstehenden Ruderklappen (47) geordnet in Querrichtung umgelenkt wird und so die Energie des Wasserstrahles weitestgehend in Querschub umgewandelt werden kann.
Im Jetgehäuse sind weiter um etwa senkrechte Achsen drehbar mindestens zwei Ruderklappen (47) angeordnet. Bei Geradeausfahrt liegen sie in Ruhestellung seitlich des Wasserstrahles. Er tritt Vorschub erzeugend in voller Stärke geradlinig, ungehemmt nach hinten aus.
Für Kursänderungen in Vorausfahrt werden die Ruderklappen im gewünschten und notwendigen Winkel verschwenkt, der Wasserstrahl erhält eine Richtungsänderung, es wird dadurch Steuerkraft erzeugt.
Die Ruderklappen (47) sind in ihrem hinteren Teil korrespondierend zu der Rundung der Umlenkklappe (30) ausgeformt und schließen in Ruhestellung bei abgesenkter Umlenkklappe (30) den Jetgehäuseraum (28) hinter der Düse in etwa dicht ab. Zur Erzeugung von Querschub werden die beiden Ruderklappen (47) seitlich geschwenkt und lenken so den Wasserstrahl mit Hilfe der an der Umlenkklappe angebrachten Seitenflossen (32, 33) in Querrichtung nach Backbord oder Steuerbord. Die beiden Ruderklappen (47) sind zur gemeinsamen Betätigung über eine Koppelstange (61) miteinander verbunden. In der Regel, aber nicht ausschließlich, wird eine der Ruderklappen - die Primärklappe - durch eine Stellkraft betätigt. Die Stellkraft kann manueller Natur sein, durch einen Hydraulik-Schwenkmotor, Hydraulik- oder Elektrozylinder oder auf andere Art erzeugt werden.
Die Geometrie der beiden Ruderklappen ist so gestaltet, dass sie beim Verschwenken jeweils eine seitliche Austrittsöffnung zwischen Abdeckblech (27), Bodenblech (11) und Seitenflosse (32 bzw. 33) freigeben, die bis zu mehr als der Querschnittfläche des Wasserstrahles hinter der Düse (23) entspricht und so eine optimale Umsetzung des Wasserstrahls in Querkraft ermöglicht.
Durch die Kopplung der beiden Ruderklappen ergibt sich als unvorteilhaft, dass sich bei starker Schwenklage der nutzbare Querschnitt verringert und damit die Nutzung des Wasserstrahls nicht optimal ausgeschöpft wird.
Dieser Nachteil kann beseitigt werden (vgl. Fig. 8-10), wenn die Ruderklappe der Seite, nach der der Wasserstrahl umgelenkt werden soll, einen größeren Stellwinkel erfährt als die andere Ruderklappe. Eine asymmetrische Verstellung der Ruderklappen wird dadurch erreicht, dass die Verbindung zwischen Koppelstange (61) und Hebelarm (63) in mindestens einer Kulisse (64) geführt wird und die - aus der Stellungsveränderung der Primär-Ruderklappe, übertragen durch Lageveränderung der Koppelstange (61), je nach der aus der Kulissenführung vorgegebenen Lage - über einen längeren oder kürzeren Hebelarm (63) angreift und damit eine stärkere oder geringere Verstellung der Sekundär-Ruderklappe induziert.
In das Bodenblech (11) des Jetgehäuses (10) ist das Bodenumlenkgitter (50) eingebaut. Es besitzt in der Regel eine Mittelstrebe (55), zwischen der und dem Rahmen (52) die Umlenkflossen (53, 54) angebracht sind. Durch die Freiräume zwischen den Umlenkflossen tritt der Impellerstrom bei geschlossener Umlenkklappe (30) nach vom in leichter Schrägrichtung aus und erzeugt so den Schub für Stop und Rückwärtsfahrt. Die einzelnen Flossen (53, 54) sind fischgratartig schräg angeordnet (vgl. Fig. 5). Sie bewirken, dass sich der umgelenkte Impellerstrom gabelförmig teilt, sodass er in leichter Schrägrichtung beiderseits des Einlauf-Schutzgitters (1) vorbeiströmt. Damit wird erfindungsgemäß verhindert, dass der umgelenkte Impellerstrom die normale Zuströmung unter dem Kiel von vorne her in den Einlaufkanal (2) zu sehr stört und dass möglicherweise doch noch vom Impellerstrom aufgenommene Luft unmittelbar in den Ansaugkanal (2) des Impellers (5) transportiert wird und die Schubausbeute zum Stoppen und Rückwärtsfahren unnötig beeinträchtigt wird.
Zur Regulierung des Schubes in der Rückwärtsfahrt ohne Veränderung der Impeller- Drehzahl, besonders dann, wenn für das Manövrieren Rückwärtsschub und Querschub veränderbar gewünscht wird, kann es erforderlich sein, den Rückwärts-Impellerstrom zu dosieren.
Weiter kann gefordert sein, wenn dies nach der Zweckbestimmung und der Einsatzart des Wasserfahrzeugs notwendig ist, eine möglichst vollständige Umsetzung in Querschub zu bewirken und einen restlichen Schubanteil in Rückwärtsfahrt auszuschließen. Zu diesem Zweck kann die Austrittsfläche des Bodenumlenkgitters (50) erfindungsgemäß ganz oder teilweise verstellbar mit der oder den Deckplatten (51) abdeckbar sein.
Je nach den Gegebenheiten kann/können die Deckplatte(n) längs- oder querverschiebbar oder um eine Achse drehbar angeordnet sein.
In einer Alternative zu dieser Lösung können erfindungsgemäß die Umlenkflossen (53 /54) zwischen Mittelstrebe (55) und Rahmen (52) des Bodenumlenkgitters (50) verstellbar eingebaut sein. So kann die Durchlassöffnung reduziert und damit die Stärke des Rückwärtsstroms beeinflusst werden.
Werden die Umlenkflossen (53/54) der beiden Seiten getrennt einstellbar gestaltet, so kann bei Rückwärtsfahrt durch Veränderung der beidseitigen Impellerstrom-Anteile eine feinfühlige Kursbeeinflussung vorgenommen werden, die zudem vermeidet, dass ein evt. störender Querstrom seitwärts austritt.
Bei Vorausfahrt bewirkt der über das Bodenumlenkgitter (50) hinwegstreichende Impellerstrom eine Saugwirkung, wie sie z. B. von Wasserstrahlpumpen bekannt ist. Die zusätzlichen durch das Bodenumlenkgitter angesaugten und vom Düsenstrahl bescheunigten Wassermassen wirken sich vorteilhaft auf die Schubausbeute aus.
Um die dem Impellerstrom zugeführte Wassermasse weiter zu erhöhen, werden die Umlenkflossen (53, 54) bezogen auf die Wasserlinie in der Höhe gestaffelt so angebracht, dass die nach achtern folgende Umlenkflosse etwas tiefer liegt als die davor liegende. Dadurch "schöpft" jede Flosse zusätzlich Wasser. Es wird Wasser mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs aufgenommen, das dann durch die geschilderten Wirkungen zusätzlich nutzbringend beschleunigt wird und so den Gesamtschub und damit den Wirkungsgrad des Inboard-Jetantriebs weiter erhöht.
Sofern die Inboard-Jetanlage wie geschildert so eingebaut wird, dass die Umlenkklappe (30) abgeschwenkt nach hinten über den Spiegel hinausragt, ist es erforderlich, dass z. B. in Fortsetzung des Topbleches (17) und des Bodenbleches (11) nach hinten herausragender Havarieschutz vorgesehen wird, ebenso ein seitlicher etwa senkrechter Schutz. Alle Teile sind so gestaltbar und anbringbar, dass sie nicht in den Impellerstrom bzw. Querstrom hineinragen.
Zur Reduzierung des Einbauraums im Schiffskörper, aber auch zur kostengünstigen Gestaltung der containerisierten Komplett-Antriebsanlage kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass der Antriebsmotor zumindest z. T. auf oder neben dem Einlaufkanal (2) des Inboard-Jets fundamentiert wird und die Motorleistung über eine Kupplung (74) per Riementrieb (70) auf die Antriebswelle (3) übertragen wird - mit weiteren Vorteilen, dass der Riementrieb (70) eine schwingungstechnische Entkoppelung herbeiführt, eine vorteilhafte Untersetzung bereitstellt, die ein besonderes Untersetzungsgetriebe überflüssig macht und die mechanischen Verluste reduziert.
Um die zum Stand der Technik geschilderte mögliche Umweltverschmutzung durch Ölaustritt zu vermeiden, werden erfindungsgemäß Impeller u. Wellenlager mit Fettkammerschmierung ausgestattet und mit 2 inneren Dichtungen (84) inklusive Labyrinth (87) gegen Fett und mit 2 äußeren Dichtungen (85) gegen Wasser sowie einem nach außen vorgeschalteten Schutz-Labyrinth (86) gegen Fremdkörper versehen.
Beim Betrieb von Wasserfahrzeugen ist eine Fülle von Situationen denkbar, in denen zur Vermeidung von Havarien ein automatisch sich auslösenden Crash-Stop zur Schiffssicherheit auf dem Wasser beiträgt. Voraussetzung für die Realisierung einer solchen Einrichtung ist, dass das Wasserfahrzeug unbedingt kursstabil bleibt - auch bei Aufnahme von Fahrt nach dem Stop in entgegengesetzter Richtung. Bei der Betrachtung des Standes der Technik wurde dargelegt, dass die bisher verfügbaren Schiffsantriebe diese Voraussetzung nicht erfüllen können. Erst die hier vorgestellte Erfindung schafft die Voraussetzungen für eine automatisch wirkende Crash-Stop- Einrichtung, weil sie verzugslos umzusteuern vermag und Kursstabilität ohne Abstriche gewährleistet ist.
Die Crash-Stop-Einrichtung besteht aus Sensoren, die jeweils nach voraus, rückwärts und/oder seitlich wirken können. Sie messen in ihrem Sektor die Entfernung zum möglichen Havarie-Objekt/Anleger und geben ihre Messwerte in eine elektronische Steuerung (98). Ihr werden weiterhin Angaben über die Schiffsgeschwindigkeit und spezifische Schiffsdaten eingespeist. Der Steuerung wird ein Programm eingegeben, dass das Fahr und Stop-Verhalten (Stopweg und -Zeit in Abhängigkeit der Geschwindigkeit, gegebenenfalls auch vom Tiefgang, Beladung und anderen Faktoren) repräsentiert, sodass damit von der Steuerung die Auslösung des Stopmanövers errechnet und nach Warnsignalen automatisch die auslösenden Impulssignale an die Baugruppen der Anlage gegeben werden können.
Bestandteil der Steuerung kann auch sein, dass nach erreichen der Geschwindigkeit 0 der Antrieb abgeschaltet wird. Diese Form des Crash-Stops erfasst lediglich die geradlinigen Fortbewegungen.
In einer weiteren Verfeinerung des Crash-Stop-Manövers wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ruderlage (und damit die Kursänderung) des Wasserfahrzeugs die Messrichtung des/der Sensoren (97) beeinflusst/verstellt und damit auch Hindernisse auf dem Kursänderungswege erfast werden.
Die Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Antriebs- u. Steuerungseinrichtung auf Wasserfahrzeugen mit den verschiedenen Aufgabenstellungen generiert auch unterschiedliche Anforderungen an die Steuerung automatischer Crash-Stop-Vorgänge. In diese Erfindung sind alle aus dem Verwendungszweck der Wasserfahrzeuge sich ergebenden Einflüsse auf die Steuerung (98) und ihre Programmierung eingeschlossen. Beispielhaft seien angeführt, dass die Signale von den Sensoren (97) ergänzt, überlagert oder ersetzt werden können durch Signale anderer Steuersysteme wie z. B. Radaranlage, Autopilot, Global Positioning System (GPS) oder anderen Sensoren bzw. Systemen.
Zumindest ein vor und/oder hinter dem Impeller (5) angebrachter Drucksensor (99) zeigt an, wenn der Wasserdurchfluss durch Verschmutzung des Einlaufschutzgitters (1) behindert ist.
In jedem Falle gehören erfindungsgemäß zu solchen Einrichtungen Anzeigen und optische, akustische und sonstige Alarmsignale, die den Schiffsführer erreichen und informieren.
Die vorgestellte Erfindung schöpft die Möglichkeiten einer Inboard-Jetanlage voll aus, ermöglicht ein verzugsloses, kursstabiles Umschalten der Schiffspropulsion in alle Richtungen, optimiert die Leistungsausbeute, schafft erstmalig die Möglichkeit für einen automatischen Crash-Stop von Wasserfahrzeugen, ermöglicht das Dynamische Positionieren von Schiffen, bietet die Basis für ein Kollisionsschott und erhöht durch eine doppelwandige Schiffbauweise die Schiffsicherheit - insbesondere von Fahrgastschiffen - und verbessert den Umweltschutz. Teileliste 1 Einlaufschutzgitter
2 Einlaufkanal
3 Antriebswelle
4 Stevenrohr
5 Impeller
10 Jetgehäuse
11 Bodenblech
13 Schottblech
16 Seitenblech
17 Topblech
20 Pumpengehäuse
23 Düse
24 Leitschaufel
26 Dichtblech
27 Abdeckblech
28 Jetgehäuseraum
30 Umlenkklappe
32 Backbord-Seitenflosse
33 Steuerbord-Seitenflosse
47 Ruderklappe
50 Bodenumlenkgitter
51 Deckplatte
52 Rahmen
53 Backbord-Umlenkflosse
54 Steuerbord-Umlenkflosse
55 Mittelstrebe
61 Koppelstange
63 Hebelarm
64 Kulisse
65 Ruderklappen-Antrieb
66 Umlenklappen-Antrieb
70 Riementrieb
74 Kupplung
78 Untersetzungsgetriebe
80 Antriebsmotor
84 Fettdichtung
85 Wasserdichtung
86 Schutz-Labyrinth
87 Inneres Labyrinth
97 Sensor
98 Steuerung
99 Drucksensor

Claims

1. Verfahren zum Antrieb und Steuern von Wasserfahrzeugen durch einen mit Hilfe von mindestens einem Impeller (5) erzeugten Vortriebs-Wasserstroms
dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstrom in Gänze und verzugslos optimal durch Leitflächen (11, 26, 27, 47, 30,32, 33) in Querschub und (53, 54) in Rückwärtsschub umgesetzt werden kann,
weiter dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Kapselung des Impellerstromes eine leistungsmindernde Luftaufnahme bei Stop, Rückwärtsfahrt und Querstromerzeugung verhindert wird und weiter
dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Crash-Stop, ausgelöst durch mindestens einen Sensor (97), der die Entfernung zu einem Kollisionsobjekt misst und eine zugehörige Steuerung (98), die automatisch die Umlenkklappe (30) absenkend, einen bremsenden Rückwärtsfahrt-Schub erzeugt.

2. Einrichtungen zur Verwirklichung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Jetgehäuseraum (28) durch das Dichtblech (26), das Bodenblech (11), Abdeckblech (27) sowie der Ruderklappen (47) und der Umlenkklappe (30) mit dem Schließen der Umlenkklappe allseitig quasi dicht geschlossen ist, ein Eindringen von leistungsmindernder Luft bei Rückwärtsfahrt verhindernd und dazu die Ruderklappen (47) an ihrem rückwärtigen Ende bogenförmig korrespondierend zu der Rundung der Umlenkklappe (30) gestaltet sind und weiter
dadurch gekennzeichnet, dass Einlaufkanal (2), Jetgehäuse (10), Pumpengehäuse (20), Antriebsmotor (80), Antriebs- und Steuerelemente und alle Zubehörteile zu einer betriebsfähigen Anlage zusammengefügt sind und mit dem Körper des Wasserfahrzeugs verbindbar sind und weiter
dadurch gekennzeichnet, dass zum Austritt des Impellerstromes für Stop und Rückwärtsfahrt ein Bodenumlenkgitter (50) im Jetgehäuse (10) am Boden angeordnet ist und weiter
dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage sowohl voll in dem Körper des Wasserfahrzeugs heckbündig mit dem Spiegel integriert sein kann als auch zumindest mit seiner Umlenkklappe (30) über den Spiegel hinausragen kann und weiter
dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppen und Teile aus Metall, Kunststoff oder anderen geeigneten Materialien hergestellt und entsprechend miteinander verbunden sein können.

3. Einrichtungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehr Ruderklappen (47) von Hand oder einer Kraftquelle bedient, miteinander zur Einstellung der Position verbunden sind und die Verbindung so gestaltet ist, dass die sekundär gesteuerte Ruderklappe nach einer Seite einen größeren und nach der anderen Seite einen geringeren Anstellwinkel erfährt als die Primärklappe.

4. Einrichtungen nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedliche Verstellung der Ruderklappen (47) gemäß Anspruch 3 dadurch herbeigeführt wird, dass z. B. die Anlenkung der Sekundär-Ruderklappe (47.1) an die Koppelstange (61) über einen Hebelarm (63) mit variabler Hebelänge an der Sekundär-Ruderklappe (47.1) erfolgt, damit aus der Positionsveränderung der Koppelstange (61) um ein bestimmtes Mass je nach Stellung der Sekundär- Ruderklappe (47.1) sich eine unterschiedliche Stellwinkel-Veränderung gegenüber dem Stellwinkel der Primärruderklappe (47) ergibt.

5. Einrichtungen nach Anspruch 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Hebellänge an der Sekundärruderklappe (47.1) durch mindestens eine Kulisse (64) erfolgt.

6. Einrichtungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkflossen (53, 54) zwischen einer Mittelstrebe (55) und dem Rahmen (52) fischgrätenartig angebracht sind, den durchströmenden Wasserstrom teilend und jeweils schräg nach außen am Einlaufkanal (2) vorbeileitend.

7. Einrichtungen nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsfläche des Bodenumlenkgitters (50) veränderbar ist und die Änderung durch mindestens eine quer oder längs verschiebbare oder drehbare Deckplatte (51) bewirkt wird.

8. Einrichtungen nach Anspruch 2, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsfläche des Bodenumlenkgitters (50) veränderbar ist und die Änderung vornehmlich, aber nicht ausschließlich, dadurch bewirkt wird, dass die Umlenkflossen (53, 54) um ihre Längsachse drehbar gelagert sind und gemeinsam variabel verstellbar sind zwischen einer verschließenden und unter verschiedenem Winkel geöffneten Position.
Weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung der Öffnungsfläche nur die Backbord- oder Steuerbordseite des Gitters betrifft.

9. Einrichtungen nach Anspruch 2, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkflossen (52, 53) bezogen auf die Wasserlinie in der Höhe so angebracht sind, dass die nach achtem folgende Umlenkflosse etwas tiefer liegt als die davor liegende.

10. Einrichtungen nach Anspruch 2, im Falle der Gestaltung gemäß Anspruch 2, bei dem die Umlenkklappe (30) ausgeschwenkt über den Spiegel des Wasserfahrzeugs hinausragt, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiter über den Spiegel hinausragender Havarieschutz horizontal und vertikal angebracht werden kann, die Umlenkklappe (30) vor Beschädigungen schützend, aber auch so gestaltet ist, dass er nicht in die Impeller und Querströme hineinragt.

11. Einrichtungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (80) über oder neben dem Einlaufkanal (2) angeordnet ist und mittels Riementrieb (70) mit der Antriebswelle (3) verbunden ist.

12. Einrichtungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtungen der Antriebswelle (3) im Bereich Impeller (5) und Stevenrohr (4) als Fettschmierungen mit Fettkammer ausgeführt sind und aus zwei inneren Fettdichtungen (84) und einem inneren Labyrinth (87) gegen Fett und zwei äußeren Dichtungen (85) gegen Wasser sowie einem außen vorgeschalteten Schutz- Labyrinth (86) gegen Fremdkörper bestehen.

13. Einrichtungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Crash-Stop von einem oder mehreren Richtung und Entfernung messenden Sensor(en) (97) das Hindernis erfasst und über eine programmierbare elektronische Steuerung (98) Warnsignale abgibt und die Absenkung der Umlenkklappe (30) und die Rückstellung der Ruderklappen (47) ausgelöst wird.

14. Einrichtungen nach Anspruch 1, 2, und 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch Kombination der Entfernungsmessung, der Geschwindigkeitsmessung des Wasserfahrzeugs, der Eingaben zum Stopverhalten des Wasserfahrzeugs und der sonstigen Schiffsdaten über die Steuerung der Crash-Stop automatisch havarieverhindernd auslöst wird.

15. Einrichtungen nach Anspruch 1, 2, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Sensor(en) (97) in die jeweilige Signalerfassung zur Steuerung des Wasserfahrzeugs oder in andere verfügbare und nützliche Mess- und Steuersysteme (z. B. Radar, Autopilot, GPS) integrierbar sind und die Steuerung (98) so ausgelegt sein kann, dass das Fahrverhalten des Wasserfahrzeugs bei Kursänderungen in die automatische Kursteuerung einbezogen werden kann und auch das Dynamische Positionieren von Schiffen (z. B. Taucherbasisschiffe) ermöglicht wird.

16. Einrichtungen nach Anspruch 1, 2, 13, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass seitwärts am Wasserfahrzeug angebrachte Sensoren den Abstand z. B. zum Anlegeplatz oder Hindernis erfassen und als Signal in die Steuerung (98) eingeben und im Zusammenwirken mit einer Bug-Manövrieranlage die Steuerung ein Traversieren des Wasserfahrzeuges auszulösen vermag.

17. Einrichtungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einem Drucksensor (99) der Druck vor und/oder hinter dem Impeller (5) gemessen wird, ein Signal zur nötigen Reinigung des Schutzgitters liefernd.

18. Einrichtungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schottblech (13) die erweiterungsfähige Basis eines die Schiffssicherheit erhöhenden Kollisionsschotts zur doppelwandigen Schiffsbauweise bilden kann.