DE1298014B

DE1298014B - Underwater jet engine for watercraft

Info

Publication number: DE1298014B
Application number: DEH55261A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1965-02-23
Filing date: 1965-02-23
Publication date: 1969-06-19

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlantrieb für Wasserfahrzeuge, der in einem strömungsgünstig ausgebildeten Schubrohr unter Wasser eingebaut ist, mit Einrichtungen zur Aufteilung des eintretenden Wassers in einen durch eine Kreiselpumpe beschleunigten Primärwasserstrom und mindestens einem durch den Primärwasserstrom beschleunigten Sekundärwasserstrom.The invention relates to a jet propulsion system for watercraft which is installed in a streamlined thrust tube under water, with Means for dividing the incoming water into one by a centrifugal pump accelerated primary water flow and at least one through the primary water flow accelerated secondary water flow.

Es ist bekannt, daß bei allen gas- und flüssigkeitsbetriebenen Strahltriebwerken der höchste Wirkungsgrad erzielt wird, wenn die Ausströmgeschwindigkeit des Strahlmediums nur wenig größer ist als die Vorausgeschwindigkeit des angetriebenen Fahrzeuges.It is known that in all gas and liquid jet engines the highest efficiency is achieved when the outflow speed of the blasting medium is only slightly greater than the forward speed of the driven vehicle.

Bei einem Wasserstrahltriebwerk zum Antrieb von Wasserfahrzeugen, deren Geschwindigkeitsbereiche gegenüber denen der Luftfahrzeuge stark begrenzt sind, ist es deshalb von besonderer Wichtigkeit, daß die Ausströmgeschwindigkeit des Wasserstrahls zur Erzielung einer optimalen Schubleistung in jeweils richtiger und entsprechender Relation zur Fahrzeuggeschwindigkeit steht.In the case of a water jet engine for propelling watercraft, their speed ranges are very limited compared to those of the aircraft it is therefore of particular importance that the outflow velocity of the water jet to achieve an optimal thrust in each correct and the corresponding relation to the vehicle speed.

Dieser Grundforderung wird von keinem der bisher bekanntgewordenen Wasserstrahltriebwerken auch nur annähernd entsprochen, und zwar deshalb, weil in diesen das Wasser durch konventionelle Kreiselpumpen zunächst auf hohen Druck gebracht wird, der dann im Strahlrohr in Geschwindigkeit umgewandelt wird. Der Nachteil solcher Anlagen besteht einerseits in der erwähnten zweifachen Zustandsänderung des Förderwassers innerhalb der Pumpe und des Strahlrohres, womit naturgemäß ein starker -Wirkungsgradverlust verbunden ist, und andererseits in den diesen Pumpen eigenen aufwendigen Dimensionen und Gewichten, die dazu zwingen, sie innerhalb des Boots- oder Schiffskörpers zu installieren. Dadurch werden in allen Fällen mehr oder weniger lange Rohrleitungen für die Zu- und Fortleitung des Treibwassers vor und hinter der Pumpe erforderlich; außerdem muß das Treibwasser vom Einlauf her zum Pumpenstutzen hin eine gewisse Saughöhe überwinden, und es ist offensichtlich, daß aus diesen Nachteilen weitere starke Wirkungsgradeinbußen resultieren, so daß der Gesamteffekt dieser Strahltriebwerke kaum den Leistungsbereich herkömmlicher Schiffsschrauben erreicht, so daß es bisher in den meisten Fällen fragwürdig erschien, an Stelle der konventionellen Schiffsschrauben Strahlantriebe zu verwenden.This basic requirement is not met by any of the previously known Waterjet engines only approximately, because in the water is first brought to high pressure by conventional centrifugal pumps which is then converted into speed in the jet pipe. The disadvantage of such Systems consists on the one hand in the aforementioned twofold change in state of the conveyed water inside the pump and the jet pipe, which naturally results in a strong loss of efficiency is connected, and on the other hand in the intricate dimensions inherent in these pumps and weights that force them to close within the hull of the boat or ship to install. This means that pipelines are more or less long in all cases required for the supply and forwarding of the motive water upstream and downstream of the pump; in addition, the motive water from the inlet to the pump nozzle must have a certain amount Overcome suction lift, and it is obvious that there are further disadvantages of these disadvantages strong losses in efficiency result, so that the overall effect of these jet engines hardly reached the power range of conventional propellers, so that it has so far in most cases appeared questionable in place of the conventional propellers To use jet propulsion.

Um diese Nachteile zu beheben, wird nach der Erfindung vorgeschlagen, das Treibwasser unter Ausnutzung seiner jeweiligen Einströmenergie teils in einer Kreiselpumpe direkt zu beschleunigen und es mit der -dadurch bewirkten Strömungsgeschwindigkeit in das Strahlrohr fortzuleiten und teils durch das so beschleunigte Wasser injektorartig weiter zubeschleunigen.In order to remedy these disadvantages, it is proposed according to the invention, the motive water using its respective inflow energy partly in one To accelerate centrifugal pump directly and it with the flow rate caused thereby forward into the jet pipe and partly through the accelerated water like an injector to accelerate further.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß das strömungsgünstig geformte, -unter Wasser angeordnete Schubrohr eine Einrichtung zur Aufteilung des unter Staudruck zulaufenden Wasserstromes in einen zentrisch einlaufenden Sekundärwasserstrom und einen durch eine ringförmige, konzentrische Öffnung dazu einlaufenden Primärwasserstrom, der einer Kreiselpumpe zuläuft, besitzt, daß das Laufrad der Kreiselpumpe mit in Umlaufrichtung vorwärts gebogenen Schaufeln ausgebildet und hinter den Schaufeln ringgehäuseartig verlängert ist, so daß in diesem durch das aus den Laufschaufelkanälen austretende Wasser ein in gleichem Richtungssinn umlaufender und ihm-vorauseilender. Wasserring gebildet wird, aus-welchem eine innerhalb des Ringgehäuses mit dem feststehenden Düsenstrahlrohr verbundene, mit einer leitschaufelartigen Beschaufelung ausgebildete Austrittsleitvorrichtung die innere Schicht des umlaufenden Wasserringes kontinuierlich abtrennt und nach innen und hinten ablenkt, und daß das in dem um die in Fahrtrichtung liegenden Achse des Strahlantriebes koaxial zur Pumpe und somit in ihr angeordneten Ringkanal durchströmende Außenwasser als Sekundärwasser durch das aus dem ringdüsenartigen Ende der Austrittsleitvorrichtung mit wesentlich höherer Ausströmgeschwindigkeit ausgestoßenen Primärwassers injektorartig beschleunigt wird. -Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht zunächst darin, daß nur ein Teil der Gesamttreibwassermenge (Primärwasseranteil) die Pumpe durchläuft, wodurch sich naturgemäß wesentlich kleinere Dimensionierungen der Beschaufelung und damit auch des Laufraddurchmessers ergeben; außerdem bewirkt die Verzögerung des-mit hoher Strömungsgeschwindigkeit aus der Austrittsleitvorrichtung in das Sekundärwasser diffundierende Primärwassers eine zwangläufige Regelung zu der am Strahlrohrende sich jeweils einstellenden Ausströmgeschwindigkeit der Gesamttreibwassermasse zur Erzielung einer optimalen Schubleistung: Bei einer Lagerung des Pumpenläufers um den Sekundärwassereinlaufkänal .-Oder auch durch die -weit-nach--der--Achse -hin--reichende-Ringöffnung der Laufradbeschaufelung ist unter Umständen zur eine beschränkte Durchgangsbohrung'-für das Sekundärwasser möglich, so daß die dadurch verminderte Sekundärwassermasse nicht ausreicht, die obenerwähnte Geschwindigkeitsverzögerung der Gesamttreibwassermasse zu bewirken; deshalb wird nach einem weiteren Erfindungsgedanken vorgeschlagen, eine zweite Sekundärwasser-Zulaufstufe vorzusehen.This is achieved according to the invention in that the flow is favorable shaped, -under water arranged thrust tube a device for dividing the water flow flowing in under dynamic pressure into a centrically flowing secondary water flow and a primary water flow flowing in through an annular, concentric opening, which runs into a centrifugal pump, has that the impeller of the centrifugal pump with in Circumferential direction of forward curved blades formed and behind the blades is extended like a ring housing, so that in this through the out of the blade channels emerging water is a circulating in the same sense of direction and running ahead of it. Water ring is formed, from which one within the ring housing with the stationary Nozzle jet pipe connected, formed with a guide vane-like blading Outlet guide the inner layer of the circulating water ring continuously separates and deflects inwards and backwards, and that in the one around the in the direction of travel lying axis of the jet propulsion coaxial with the pump and thus arranged in it External water flowing through the ring channel as secondary water through the ring nozzle-like End of the outlet guide device with a significantly higher outflow speed ejected primary water is accelerated like an injector. -The advantage of a Such an arrangement consists first of all in the fact that only a part of the total amount of motive water (Primary water content) runs through the pump, which naturally results in much smaller Dimensions of the blading and thus also of the impeller diameter result; also causes the delay of the high flow rate from the Outlet guide device in the secondary water diffusing primary water a Inevitable control of the outflow velocity that is set at the end of the jet pipe the total motive water mass to achieve optimal thrust performance: With a Storage of the pump rotor around the secondary water inlet channel. -Or also through the -Wide-to-the-axis-reaching-is the ring opening of the impeller blades under certain circumstances for a limited through-hole'-possible for the secondary water, so that the secondary water mass thus reduced is insufficient, the above-mentioned To effect deceleration of the total propellant mass; therefore will proposed according to a further concept of the invention, a second secondary water feed stage to be provided.

Um jegliche Rohrleitung vor und hinter dem Strahltriebwerk zu vermeiden, - wurde die Erfindung auf Grund der außerordentlich günstigen räumlichen Dimensionen, die sich aus der erfindungsgemäßen Ausführungsform ergeben,- an einer Ausbildung angewendet, bei der das Triebwerk in einem stromlinienförmigen, im freien Fahrwasser stehenden Ummantelung angeordnet ist. Neben dem Vorteil der vorerwähnten verlustfreien Wasserführung -ermögficht-eine solche Anordnung -in`bekannter Weise auch eine der Fahrzeuglenkung dienende schwenkbare Lagerung des Triebwerkes, und schließlich ergibt sich daraus auch -der beachtliche -Vorteil, die zweite Sekundärwasser-Zulaufstufe -in Form eines die Ummantelung' durchdringenden -und- rundum verlaufenden Ringspaltes, der in das Strahlrohr einmündet, auszuführen.To avoid any pipeline in front of and behind the jet engine, - the invention was based on the extraordinarily favorable spatial dimensions, which result from the embodiment according to the invention, - in a training used with the engine in a streamlined, open fairway standing sheath is arranged. Besides the advantage of the aforementioned lossless Water conduction - possible - such an arrangement - in the known way also one of the Vehicle steering serving pivotable mounting of the engine, and finally results This also results in the considerable advantage of the second secondary water inlet stage -in the form of an annular gap that penetrates the casing and runs all around, which opens into the jet pipe.

Weitere Einzelheiten sind nachstehend an Hand der Zeichnungen, die --eine beispielsweise Ausführungsform darstellen, näher erläutert, und es zeigt F i g.1 einen Längsschnitt in vertikaler Ebene, F i g. 2 eine Draufsicht, F i g. 3 in einer Teilansicht die in die Ebene gezeichnete Beschaufelung der Kreiselpumpe, F i g. 4 in einer Teilansicht einen Querschnitt durch den vorderen Teil der Kreiselpumpe zur Verdeutlichung der Schaufelkanäle im Laufrad und ihre Einmündung in das Ringgehäuse als Fangrinne, F i. g. 5 einen Querschnitt durch das Triebwerk, direkt vor der Austrittsleitvorrichtung geschnitten, zur Veranschaulichung der Schaufelkanalmündungen in Frontansicht, F i g. 6 eine Darstellung des Geschwindigkeitsdreiecks mit der Resultierenden »C« als »Absolutgeschwindigkeit« des Wasserringes, F i g. 7 eine Ansicht der Austrittsleitvorrichtung im Längsverlauf der Umlenkkanäle und in deren mittleren Höhe (Flutlinie) geschnitten, F i g. 8 einen Querschnitt in Schnittrichtung E-E in F i g. 1 zur Veranschaulichung der Antriebsmöglichkeit mittels Zahnriementrieb.Further details are given below with reference to the drawings - Represent an example embodiment, explained in more detail, and it shows F i g.1 a longitudinal section in a vertical plane, F i g. 2 is a plan view, FIG. 3 in a partial view the blading of the centrifugal pump drawn in the plane, F i g. 4 is a partial view of a cross section through the front part of the centrifugal pump to illustrate the vane channels in the impeller and their confluence with the ring casing as a gutter, F i. G. 5 a cross section through the engine, cut directly in front of the outlet guiding device, to illustrate the vane channel mouths in front view, FIG. 6 shows a representation of the speed triangle with FIG Resulting "C" as the "absolute speed" of the water ring, F i g. 7 a View of the outlet guide device in the longitudinal course of the deflection channels and in their middle height (flood line) cut, F i g. 8 shows a cross section in the cutting direction E-E in Fig. 1 to illustrate the drive option using a toothed belt drive.

In F i g. 1 und 2 wird der stromlinienförmige Triebwerkskörper aus dem Stützmantel 1, dem Kopfstück 2 und dem Endstück 3 dargestellt. Im Endstück 3 ist das nach hinten sich konisch verengende Düsenausstoßrohr 4 angeordnet, das sich vorn mit seiner trichterartigen Stirnwand mittels der Stege 6 bei fester Verbindung gegen das mit dem Stützmantel 1 fest verbundene Zwischenstück 8 abstützt.In Fig. 1 and 2 is made up of the streamlined engine body the support jacket 1, the head piece 2 and the end piece 3 are shown. In the end piece 3 the rearwardly narrowing nozzle ejection tube 4 is arranged, which is at the front with its funnel-like end wall by means of the webs 6 with a fixed connection against the intermediate piece 8 firmly connected to the support jacket 1.

Mit 9 ist das Düsenstrahlrohr bezeichnet, das sich aus dem Einlaufrohr a und dem Strahlrohr b zu- sammensetzt, und beide Teile sind so ausgebildet, daß sie, an ihrer Verbindungsstelle fest zusammengefügt, mit der mit einer leitschaufelartigen Beschaufelung bestückten Austrittsleitvorrichtung 16 eine um die Mittellängsachse des Strahlantriebs angeordnete feststehende Einheit bilden.With 9 the nozzle jet pipe is designated, which is composed of the inlet pipe a and the jet pipe b , and both parts are designed so that they, firmly joined together at their connection point, with the outlet guide device 16 equipped with a guide vane-like blading around the central longitudinal axis of the jet propulsion arranged fixed unit.

Das Düsenstrahlrohr 9, das an seinem Auslauf mittels Flansches 10 und an seinem Einlauf mittels der Verschraubungsspitze 13 mit dem Stützmantel 1 bzw. dem Kopfstück 2 fest verbunden ist, ist gleichzeitig als tragende Welle ausgebildet, auf der die Kreiselpumpe 20, die sich ihrerseits aus dem Förderteil e-c und dem Antriebsteil g zusammensetzt, gelagert ist. Der Förderteil e-c der Kreiselpumpe 20 ist als halbaxiales Pumpenlaufrad ausgebildet, dessen Beschaufelung eine in Umlaufrichtung vorwärts gebogene Form aufweist, wie sie in F i g. 3 in einer in Horizontalebene abgewickelten Darstellung ausgeführt ist. In der Darstellung ist hierbei die Umlaufrichtung mit einem ausgezogenen und die Wassereinströmrichtung mit einem gestrichelten Pfeil gekennzeichnet.The nozzle jet pipe 9, which at its outlet by means of a flange 10 and at its inlet to the support jacket 1 by means of the screw connection tip 13 or the head piece 2 is firmly connected, is at the same time designed as a supporting shaft, on which the centrifugal pump 20, which in turn consists of the conveying part e-c and the Drive part g composed, is stored. The delivery part e-c of the centrifugal pump 20 is designed as a semi-axial pump impeller, the blades of which are one in the direction of rotation has forward curved shape, as shown in FIG. 3 in a horizontal plane developed representation is executed. The direction of rotation is shown here with a solid arrow and the direction of water inflow with a dashed arrow marked.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, ist der Mantel c des Förderteils e-c ein Stück weit über die Schaufelausläufe hinaus in axialer Richtung ringgehäuseartig verlängert und zu einer rundum verlaufenden Fangrinne 23 ausgebildet, die die feststehende Austrittsleitvorrichtung 16 mit einigem radialem Abstand ringgehäuseartig umschließt. In F i g. 4 ist in einer herausgezeichneten Einzeldarstellung, die den Förderteil e-g im Schnitt, ohne die dahinter angeordnete Austrittsleitvorrichtung, zeigt, die Einmündung der Laufschaufelkanäle 25 in die Fangrinne 23 verdeutlicht, und in F i g. 5 ist, ebenfalls unter Weglassung der Austrittsleitvorrichtung 16, im Teilschnitt 1-I die Stirnansicht des Förderteils dargestellt.As shown in FIG. 1 can be seen, the jacket c of the conveying part e-c a little way beyond the blade outlets in the axial direction like a ring housing extended and formed into an all-round gutter 23, which the fixed Ausittsleitvorrichtung 16 encloses ring housing-like with some radial distance. In Fig. 4 is a drawn out individual representation that shows the conveying part e-g in section, without the outlet guiding device arranged behind it, shows the The confluence of the blade channels 25 into the gutter 23 is shown, and in F i g. 5 is, also omitting the outlet guide device 16, in partial section 1-I shows the front view of the conveying part.

Wie aus den Darstellungen der F i g. 1, 4 und 5 ersichtlich, wird das Wasser von den Leitschaufeln 24 aufgenommen und in Umlaufrichtung abgelenkt, wobei es mit beschleunigter Ausströmgeschwindigkeit, die je nach Austrittswinkel aus den Laufkanälen 25 maximal der Laufrad-Umfangsgeschwindigkeit entsprechen kann, in die mitumlaufende Fangrinne 23 einströmt und in dieser einen ihr vorauseilenden Wasserring bildet. Zur Verdeutlichung .der sich hierbei abspielenden Strömungsvorgänge ist in F i g. 6 ein entsprechendes Geschwindigkeitsparallelogramm .dargestellt, in dem die Umfangsgeschwindigkeit des Förderteils e-g durch den Pfeil U, die Relativ" oder Austrittsgeschwindigkeit des Wassers mit W und die daraus resultierende Absolutgeschwindigkeit mit dem Pfeil C bezeichnet sind.As can be seen from the representations of FIGS. 1, 4 and 5, the water is picked up by the guide vanes 24 and deflected in the direction of rotation, flowing into the circulating gutter 23 and in this forms a ring of water running ahead of it. To illustrate the flow processes taking place here, FIG. 6 shows a corresponding speed parallelogram, in which the peripheral speed of the conveying part eg is indicated by the arrow U, the relative or exit speed of the water is indicated by W and the absolute speed resulting therefrom is indicated by the arrow C.

Die Absolutgeschwindigkeit C addiert sich hierbei aus der Umfangsgeschwindigkeit der Fangrinne 23 und der Geschwindigkeit des Wasserringes, mit der dieser dem Fangrinnenumlauf vorauseilt und in seiner kreisförmigen Bahn gegen die Beschaufelung der feststehenden Austrittsleitvorrichtung 16 anströmt, wobei kontinuierlich die innere Ringschicht des Wasserringes durch die Leitschaufeln 18 abgetrennt und durch die Leitkanäle nach innen und hinten, wie aus F i g. 1 und 7 ersichtlich, als Hohlstrahl über das Einlaufrohrende d in das Strahlrohr b fortgeleitet wird, wobei es sich injektorartig mit dem durch das Einlaufdüsenrohr a einströmenden Sekundärwasser bei gleichzeitigem Strömungsgeschwindigkeitsausgleich vereinigt.The absolute speed C is added up from the circumferential speed of the gutter 23 and the speed of the water ring with which it runs ahead of the gutter circuit and flows in its circular path against the blades of the fixed outlet guide device 16, the inner ring layer of the water ring continuously being separated by the guide vanes 18 and through the guide channels inwards and backwards, as shown in FIG. 1 and 7, as a hollow jet is passed on via the inlet pipe end d into the jet pipe b , where it combines like an injector with the secondary water flowing in through the inlet nozzle pipe a while at the same time equalizing the flow velocity.

Zur besseren Darlegung der erwähnten Abtrennung des Wassers aus der inneren umlaufenden Ringschicht ist in F i g. 7 die Austrittsleitvorrichtung 16, in axialer Richtung gesehen und in halber Schaufelhöhe geschnitten, dargestellt. Hierbei wird die Umlaufrichtung des Wasserringes durch den Pfeil F markiert, und es ist ersichtlich, daß die Leitschaufeln 18 der Wasserumlaufrichtung entgegen gekrümmt sind.To better illustrate the above-mentioned separation of the water from the inner circumferential ring layer is shown in FIG. 7 the outlet guide device 16, viewed in the axial direction and cut at half the blade height, shown. The direction of rotation of the water ring is marked by the arrow F, and it can be seen that the guide vanes 18 are curved against the direction of water circulation are.

Wie insbesondere aus F i g. 1 ersichtlich, dient der mit dem Förderteil e-c fest verbundene Antriebsteil g der Kreiselpumpe 20 zunächst der Lagerung auf dem Düsenstrahlrohr 9, gleichzeitig ist er aber auch als Antriebsorgan ausgebildet, wobei der Antrieb über ein Kegel- oder Stirnradgetriebe oder, wie in gezeichneten Beispielen in F i g. 1, 2 und 8 dargestellt, mittels eines elastischen Zahnriemens 26 durch den zu diesem Zweck hohl ausgeführten Stützensockel f erfolgt.As in particular from FIG. 1, the drive part g of the centrifugal pump 20 , which is firmly connected to the conveying part ec, is initially used for mounting on the nozzle jet pipe 9, but at the same time it is also designed as a drive element, the drive being via a bevel or spur gear or, as in the examples shown in F i g. 1, 2 and 8, is carried out by means of an elastic toothed belt 26 through the support base f, which is hollow for this purpose.

Claims

Claims: 1. Jet propulsion for watercraft, which is installed in a streamlined thrust tube under water, with a device for dividing the incoming water into a primary water flow accelerated by a centrifugal pump and at least one secondary water flow accelerated by the primary water flow and one for accelerating the primary water flow in a housing arranged centrifugal pump, characterized gekennzeichn et that the impeller (e to g) has forwardly curved blades (24) and is extended behind the blades (24) like a ring housing that the ring housing (23) is dimensioned so that it creates a leading water ring in it , from which an outlet guide device (16) arranged in the ring housing (23) and formed with a guide vane-like blading (17) continuously separates the inner layer of the circumferential water ring and deflects it inwards and backwards through the nozzle jet pipe (9b) so that the inlet channel (9 a) and nozzle jet pipe (9 b) are arranged around the axis of the jet propulsion lying in the direction of travel coaxially to the pump (20) and in it and carry the outlet guide device and .that the inlet channel (9 a) is flowed through by the external water (secondary water) under dynamic pressure, this being accelerated like an injector by the primary water ejected from the annular nozzle-like end of the guide vanes (17) at a significantly higher flow rate.

2. Jet propulsion according to claim 1, characterized in that the arrangement formed from the nozzle jet pipe (9 a, 9 b) for the secondary water flow and from .dem pump rotor (20) has a second, injector-like stage (7) for sucking in a further secondary water flow and to combine the same with the water flow, which leaves the nozzle-jet pipe part (9 b).