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Die
Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein U-Boot,
mit einer Vorrichtung zum Ausstoß von in Torpedorohren angeordneten
Waffen mittels Wasserdruck über
eine mit Hilfe eines Elektromotors angetriebenen Radialpumpe.
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Die
Förderleistung
zum Ausstoß erzeugt eine
Radialpumpe mit verstellbaren Laufschaufeln.
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Vor
dem Ausstoß wird
das Pumpenlaufrad bei geschlossenen Verstellschaufeln vom Elektromotor
auf eine bestimmte Drehzahl gebracht (Hochlaufphase). Zum Ausstoß werden
die Verstellschaufeln geöffnet
und die Pumpe erbringt die Förderleistung entsprechend
den Erfordernissen des Ausstoßes. Die
Energie für
die Pumpe liefert zum größten Teil
die in den rotierenden Massen gespeicherte kinetische Energie und
der weiterhin antreibende Elektromotor. Die Drehzahl des Laufrades
nimmt während
des Ausstoßes
ab. Der Elektromotor muss damit nicht für die maximale Förderleistung
der Pumpe ausgelegt werden.
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Es
sind verschiedenste Verfahren entwickelt worden um Waffen aus Torpedorohren
von U-Booten auszustoßen.
Waffen können
sowohl Torpedos als auch Raketen, Minen o.ä. sein. Ziel aller Ausstoßverfahren
ist, die Waffe so zu beschleunigen, dass sie frei vom U-Boot kommt
und nicht mit diesem kollidiert. Der Ausstoß soll möglichst geräuscharm erfolgen.
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Als
erstes sei hier das heute sehr verbreitete Ablaufverfahren erwähnt. Dieses
ist im eigentlichen Sinne kein Ausstoßverfahren, da es auf Waffen
mit Eigenantrieb beschränkt
ist. Der Propellermotor läuft an
und erhöht
den Druck hinter der Waffe im Rohr. Das Verfahren ist sehr geräuschvoll
und die Waffe hat nur eine geringe Geschwindigkeit, wenn sie das Torpedorohr
verlässt.
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Weit
verbreitet ist auch der Ausstoß mittels Pressluft.
Diese kann entweder direkt hinter die Waffe geleitet werden oder
drückt
indirekt über
einen Kolben mit Torpedorohrdurchmesser auf die Waffe. Beim direkten
Verfahren entweicht die Druckluft an die Oberfläche und verrät den Standort
des U-Bootes. Deshalb wird dieses Verfahren nur zum Ausstoß von Raketen
verwendet, da der Start der Rakete den Standort des Bootes verrät.
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Beim
indirekten Verfahren mit Kolben muss das gesamte Waffenrohr als
glatter Zylinder ausgeführt
sein.
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Da
die Pressluft auf die volle Torpedorohrquerschnittsfläche wirkt,
benötigen
diese Verfahren mit zunehmendem Tiefendruck mehr Druckluftvolumen
und sind damit nur für
einen oberflächennahen Ausstoß geeignet.
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Es
sind mehrere mechanische Ausstoßverfahren
entwickelt worden. Hierbei ist immer ein Kraftangriffspunkt an der
Waffe erforderlich, an dem die Ausstoßkräfte angreifen können. Hier
kann das Schlitzkolbenverfahren (
EP 0 526 831 B1 ) genannt werden. Allen diesen
Verfahren ist gemein, dass mittels hohem hydraulischen Druck auf
eine kleine Kolbenfläche
die notwendige Kraft erzeugt wird.
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Diese
Verfahren sind deshalb vom Tiefendruck relativ unabhängig. Je
nach Ausführung
und Torpedorohrdurchmesser sind diese Verfahren geräuscharm
und erreichen akzeptable Ausstoßgeschwindigkeiten.
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Fehlt
der Kraftangriffspunkt oder sind höhere Ausstoßgeschwindigkeiten gewünscht, kann
mit Wasser, welches hinter die Waffe im Torpedorohr gedrückt wird,
ausgestoßen
werden. Die Druckdifferenz zwischen Vorder- und Hinterteil treibt
die Waffe aus dem Rohr. Bei diesen Verfahren muss zusätzlich zur Waffe
die beteiligte Wassermasse und die Masse der bewegten mechanischen
Teile beschleunigt werden.
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Druckwasser
kann entweder durch Verdrängungswirkung
oder durch Kreiselpumpen erzeugt werden. Verdrängende Verfahren sind beispielsweise
der Druckwasserausstoß mit
Wasserkolben (
EP 0 151
980 B1 ) und das Verfahren mit Gummimembran (US Patente
Nr. 4,848,210 A und Nr. 5,410,978 A) Beim Druckwasserausstoß mit Wasserkolben
treibt ein Hydraulik- oder Pressluftkolben den Wasserkolben an.
Die erforderliche Energie wird einem zuvor geladenen Hydraulik-
bzw. Druckluftspeicher entnommen. Aus der
GB 23 79 416 A ist beispielsweise ein
Wasserfahrzeug bekannt, bei dessen Torpedorohr die Waffe mittels
Wasserdruck über
eine mit Hilfe eines E-Motors angetriebene Radialpumpe ausgestoßen wird.
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Die
Gummimembran muss ebenfalls vor dem Ausstoß mittels einer Pumpe gespannt
werden. Die zum Ausstoß erforderliche
Energie ist im Gummi gespeichert.
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Kreiselpumpen
als Druckwassererzeuger finden hauptsächlich in amerikanischen und
englischen U-Booten Verwendung. Die meist halbaxiale Kreiselpumpe
wird durch eine Pressluftturbine angetrieben. Innerhalb kurzer Zeit
muss die Turbine die erforderliche Energie bereitstellen, um die
Drehmassen von Turbine, Getriebe, Antriebswelle und Pumpenlaufrad
hochzufahren und die Förderleistung
zur Beschleunigung der Wassermassen und der Waffe zu erzeugen. Es
sind hohe Antriebsleistungen erforderlich, da dieser Vorgang in
ungefähr
einer Sekunde abgeschlossen sein muss.
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Letzteres
Verfahren hat folgende Nachteile.
- – Die in
der Turbine expandierte Luft muss in das U-Boot geleitet werden
und senkt dabei die Lufttemperatur spürbar. Zusätzlich erhöht sich der Bootinnendruck.
- – Die
expandierte Luft muss anschließend
wieder komprimiert werden.
- – Der
Ausstoß ist
geräuschvoll
und es sind hinter der Turbine große Schalldämpfer erforderlich.
- – Eine
Regelung des Wasserdrucks hinter der Waffe ist kaum möglich.
- – In
der Nähe
der Oberfläche
kann die Pumpe kavitieren.
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Ersetzt
man die Pressluftturbine durch einen Elektromotor (WO 03/022675
A1), so sind weiterhin die hohen Antriebsleistungen vorzusehen,
die eine entsprechend umfangreiche Elektroausrüstung erfordern. Verzichtet
man auf das meist laute Getriebe, so baut der Elektromotor zusätzlich groß und schwer.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb für
ein Wasserfahrzeug, insbesondere U-Boot eine technische Lösung zur
Druckwassererzeugung mittels Kreiselpumpe zu entwickeln, wobei die
angesprochenen Nachteile bzw. Probleme weitgehend überwunden
werden sollen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den zugehörigen
Ansprüchen
2 bis 8 enthalten.
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Die
Erfindung beinhaltet demgemäß ein Wasserfahrzeug,
insbesondere ein U-Boot, mit einer Vorrichtung zum Ausstoß von in
Torpedorohren angeordneten Waffen, mittels Wasserdruck über eine mit
Hilfe eines E-Motors angetriebenen Radialpumpe, wobei die Laufschaufeln
der Pumpe im Betrieb verstellbar sind und im geschlossenen Zustand
einen Kreisring bilden. Das Pumpenlaufrad ist dabei im geschlossenen
Zustand auf Startdrehzahl geräuscharm beschleunigbar.
Zum Ausstoß der
Waffe sind die Laufradschaufeln zu öffnen, wobei die Förderleistung über die
Laufschaufelverstellung regelbar ist. Die Antriebsleistung ist aus
der kinetischen Rotationsenergie der drehenden Massen und der Leistung
des E-Motors entnehmbar, wobei die Drehzahl sich reduziert.
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Die
notwendige Antriebsleistung wird demnach erfindungsgemäß dadurch
reduziert, dass vor dem Ausstoß bereits
das Pumpenlaufrad auf Startdrehzahl gebracht und durch zusätzliche
Massen die gespeicherte Rotationsenergie erhöht wird. Dazu darf die Pumpe
während
dieser Hochlaufphase keine Förderleistung
erbringen was durch radiale Verstellschaufeln mit Kreisbogenskelettlinie
erreicht wird und die dazu geschlossen sind.
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Zum
Ausstoß werden
die Verstellschaufeln geöffnet
und mit zunehmender Öffnung
erhöht
sich die Förderhöhe und der
Förderstrom.
Die benötigte Energie
wird von der Rotationsenergie und zum kleineren Teil vom E-Motor
geliefert. Die Drehzahl sinkt dadurch während des Ausstoßes.
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Durch
die geregelte Verstellung der Pumpenschaufeln kann der Wasserdruck
hinter der Waffe in etwa konstant gehalten werden. Die typisch flache Kennlinie
von radialen Pumpen unterstützt
die Regelung durch einen ausgedehnten Bereich mit hohen Wirkungsgraden.
Zusätzlich
kann durch die Regelung einer Kavitationsneigung der Pumpe begegnet werden.
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Gemäß einer
besonderen Ausführung
der Erfindung ist zur Erhöhung
der Effektivität
der Pumpe eine verstellbare Pumpenspirale vorgesehen.
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Weitere
Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen aus
der nachfolgenden Beschreibung einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele
hervor, welche der Verdeutlichung der Erfindung dienen, jedoch keine
Beschränkungen
darauf darstellen.
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Die
technische Ausführung
der Erfindung ist in den 1 bis 4 gezeigt. 1 zeigt
den Einbau der Einrichtung im Vorschiff eines U-Bootes.
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Der
E-Motor 1 ist innerhalb des Druckköpers 5 angeordnet
und treibt über
die Antriebswelle 2 das Pumpenlaufrad 3.1 an.
Die Pumpe 3 saugt Wasser aus dem durchfluteten Vorschiff 6 über das
Ansaugrohr 7 an, und drückt
das Wasser in die Verteilerkammer 4 und durch den geöffneten
Ringschieber 8 in den hinteren Teil des Torpedorohres 9.
Der Wasserdruck beschleunigt die Waffe 10. Dazu sind Mündungsklappe 11 und
Außenhautklappe 12 geöffnet. Zusätzlich ist
eine weitere Außenhautklappe 13 für eine bessere
Wasserzuführung
geöffnet.
Damit es nicht zu einem Druckausgleich zwischen Vor- und Rückseite
der Waffe 10 kommt, ist zwischen Waffe 10 und
Torpedorohr 9 ein Dichtring, der sogenannte Kaliberring 14,
eingebaut.
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2 zeigt
die Pumpe 3 vor und während der
Hochlaufphase. Die auf der Laufradscheibe 15 drehbar gelagerten
Laufschaufeln 16 bilden dazu einen geschlossenen Kreis.
Die der Strömungsführung dienende
Deckscheibe 17 ist über
die Schaufelwellen 18 mit der Laufradscheibe 15 verbunden
und läuft mit
um. Das gesamte Pumpenlaufrad 3.1 dreht sich in der Pumpenspirale 19.
In die Laufradscheibe 15 sind zusätzliche Massen 20 zur
Erhöhung
der Drehträgheit
eingebaut.
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Laufradscheibe 15 und
Rotor 23a des E-Motors sitzen auf der gemeinsamen Antriebswelle 2,
die über
die Lager 21a, 21b, 21c mit der Druckkörperdurchführung 22 bzw.
dem Statorgehäuse 23b verbunden
sind. Die Lager 21a, 21b nehmen zusätzlich die
axialen Lagerkräfte
auf. In der hohlen Antriebswelle 2 ist die Verstellwelle 24 gelagert.
Wird diese gegenüber
der Antriebswelle 2 verdreht, werden die Laufschaufeln 16 über die
Hebel 25 und Anlenkungen 26 verstellt.
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Die
Verdrehung der Verstellwelle 24 wird hier durch einen Hydraulikkolben 27 und
einer Schrägverzahnung 28 bewirkt.
Da der Hydraulikkolben 27 über die Längsverzahnung 29 mit
der Welle 2 drehfest verbunden ist, wird die Verstellwelle 24 bei
axialer Bewegung des Hydraulikkolbens 27 durch die Schrägverzahnung
gegenüber
der Antriebswelle 2 verdreht. Die beiden Wellen 2, 24 sind
dazu über
die Gleitlager 30 zueinander axial fixiert.
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Die
Zuführung
des Hydraulikdruckes erfolgt über
die Drehdichtung 31. Durch die herausgeführte Kolbenstange 32 kann
die Kolbenposition und damit die Stellung der Laufschaufeln 16 gemessen
werden.
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Nach
dem Hochlaufen auf Startdrehzahl ist die Einrichtung bereit zum
Ausstoß.
Durch die geschlossene Stellung der Laufschaufeln 16 ist
die Geräuschentwicklung
als auch die Verlustleistung sehr gering. Das radiale Leitblech 42 behindert
die Rotation der Strömung
im Saugmund der Pumpe 3 bei längerem Betrieb zwischen Hochlauf-
und Ausstoßphase.
Zum Ausstoß wird
der Hydraulikkolben 29 Richtung Laufrad 3.1 bewegt
und öffnet
die Laufschaufeln 16 (3) und der
Druck im Torpedorohr 9 steigt und beschleunigt die Waffe 10.
Die Ansteuerung des Hydraulikkolbens 27 erfolgt über das
Stellventil 33.
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Mit
zunehmender Geschwindigkeit der Waffe 10 muss sich der
Förderstrom
erhöhen.
Damit erhöht sich
auch der Strömungsverlust
in den strömungsführenden
Bauteilen und die Energie zur Beschleunigung der Wassermassen. Dieser
Zunahme der Strömungsleistung
entspricht die Erhöhung
der Förderleistung
durch Öffnung
der Laufschaufeln (16).
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Nach
dem Ausstoß können die
Laufschaufeln 16 noch weiter geöffnet werden, so dass die Pumpe 3 möglichst
geräuscharm
ausläuft
oder die Laufschaufeln 16 schließen und die Einrichtung wird wieder
auf Startdrehzahl beschleunigt um die nächste Waffe 10 aus
einem weiteren Torpedorohr 9 auszustoßen.
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Eine
verstellbare Pumpenspirale ist in der 4 dargestellt.
Ein Pumpenlaufrad 3.1 erzeugt eine Druckerhöhung und
eine Umfangskomponente in der abfließenden Strömung. Um die Umfangskomponente
zu Nutzen und in Druck zu verwandeln wird meist eine Pumpenspirale
oder aufwändiger
ein beschaufeltes Leitrad eingebaut. Feste Leiträder oder feste Pumpenspiralen
sind nur für
einen Betriebspunkt der Pumpe zu optimieren. Bei kleinen Fördervolumen
und hohen Strömungs-Umfangsgeschwindigkeiten
erfordern gute Wirkungsgrade enge Pumpenspiralen mit kleinen Querschnitten,
bei großen Fördervolumen
Pumpenspiralen mit großen
Querschnitten. Da sich bei dieser Einrichtung Fördervolumen und Förderdruck
während
des Ausstoßens
in einem weiten Bereich ändern,
erhöht
sich die Effektivität
der Einrichtung, wenn die Leitschaufeln oder die Pumpenspirale verstellbar
sind. Die Spirale besteht dabei aus einem im Gehäuse 34 angeordnetem Blechstreifen 35 mit
Dichtstreifen 36. Die Spiralenzunge 37 ist drehbar
im Gehäuse 34 gelagert.
Beim Hochlaufen und kleinen Fördervolumen
ist die Pumpenspirale mittels Hydraulikzylinder 38 auf
eng gestellt (gestrichelt dargestellt, 39). Während des
Ausstoßens
und damit bei zunehmendem Volumenstrom öffnet der Hydraulikzylinder 38 die
Pumpenspirale. Zur Steuerung des Hydraulikzylinders dient das Stellventil 41.
Die Führungen 40 führen dabei
den Blechstreifen 35.
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Es
ist möglich,
den E-Motor wasserdicht zu kapseln oder als Nassläufer zu
bauen und die Einrichtung außerhalb
des Druckkörpers
anzuordnen. Lediglich für
die Hydraulikversorgung und die Mess- und Regeltechnik sind Druckkörperdurchführungen notwendig.
Die Druckkörperdurchführung für die Antriebswelle 22 kann
damit entfallen.
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- 1
- E-Motor
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Radialpumpe
- 3.1
- Pumpenlaufrad
- 4
- Verteilerkammer
- 5
- Druckköper
- 6
- durchflutetes
Vorschiff
- 7
- Ansaugrohr
- 8
- Ringschieber
- 9
- Torpedorohr
- 10
- Waffe
- 11
- Mündungsklappe
- 12,
13
- Außenhautklappen
- 14
- Kaliberring
- 15
- Laufradscheibe
- 16
- Laufschaufeln
- 17
- Deckscheibe
- 18
- Schaufelwelle
- 19
- Pumpenspirale
- 20
- Zusatzmassen
- 21a,
21b, 21c
- Lager
- 22
- Druckkörper-Durchführung
- 23a
- E-Motor
Rotor
- 23b
- E-Motor
Stator
- 24
- Verstellwelle
- 25
- Hebel
- 26
- Anlenkung
- 27
- Hydraulikkolben
- 28
- Schrägverzahnung
- 29
- Gradverzahnung
- 30
- Gleitlager
- 31
- Drehdurchführung
- 32
- Wellenzapfen
- 33
- Stellventil,
Laufschaufeln
- 34
- Gehäuse
- 35
- Blechstreifen
- 36
- Dichtstreifen
- 37
- Drehzapfen
- 38
- Verstellzylinder
- 39
- Verstellspirale
eng
- 40
- Führungen
- 41
- Stellventil
Pumpenspirale
- 42
- radiales
Leitblech
- 43
- Pumpendichtspalt